Speicher für große PV Anlagen

Energiespeicher für große Solarfelder

Zunehmend werden für die Wüsten dieser Welt Solarkraftwerke geplant, um die regionalen Bedürfnisse des Energiebedarfs zu decken. So wurden allein im Jahr 2015 mehr als 59 GW PV neu installiert [1]. In Regionen mit schwächeren Stromnetzen sind diese schnell überfordert, daher müssen dringend Speicher als Zusatzelement bereits in der Projektentwicklung berücksichtigt werden.

PV und/oder CSP

Bis heute werden PV Großkraftwerke nicht zusammen mit Speichern betrieben, da es an preiswerten Technologien mangelt und noch kein akuter Bedarf existiert. Konzentrierende Solarkraftwerke (Concentrated Solar Power CSP) nutzen bereits heute große Salzspeicher die mithilfe der Solarenergie erwärmt werden und damit in den Nachtstunden über eine Dampfturbine Energie liefern können. 

Prinzipieller Aufbau eines CSP Kraftwerks mit Wärmespeicher (Quelle: nest)

In der abgebildeten Anordnung benötigt man neben dem Solarfeld, das zumeist in Form von Rinnenkollektoren aufgebaut ist, einen großen Salzspeicher, einen Wärmetauscher, eine Dampfturbine und insbesondere einen Condenser, der erhebliche Mengen an Wasser verbraucht, wenn er effizient betrieben werden soll. 

Modell einer CSP Anlage mit Rinnenkollektoren in der Wüste

Das Kernproblem sind aber die Kollektoren, die aus schwenkbaren Spiegeln bestehen und daher viel empfindliche Mechanik enthalten um mit einer Präzision von weniger als 0,5 Grad dem Stand der Sonne nachgeführt zu werden. Zudem wird durch ein zentrales Rohr ein heißes Öl unter hohen Druck transportiert, daher benötigt man bewegliche Dichtungen die das System letztendlich Wartungsintensiv und damit teuer machen.

Solange PV teuer war, und das liegt ja weniger als 10 Jahre zurück, dass ein kW PV über 5.000$ gekostet hat, war PV gegenüber thermischen Solarkraftwerken keine Alternative. Aber die Zeiten haben sich geändert. Die Installation von PV Großanlagen kostet pro kW nur noch 1.300$ und ist damit erheblich günstiger als CSP, solange man ohne Speicher arbeitet.

PV und Gravity Storage

Photovoltaik ist inzwischen pro installierter Kilowattstunde wesentlich (etwa Faktor zwei) preiswerter als eine CSP Anlage. Daher bietet es sich an, eine PV Anlage mit einer Speichertechnologie zu kombinieren, die wettbewerbsfähig ist.

Prinzipieller Aufbau eines PV-Felds mit einem Lageenergiespeicher (Gravity Storage)

Ein Lageenergiespeicher (Gravity Storage) ermöglicht es, eine kWh so günstig zu speichern, dass eine Kombination von PV und Gravity Storage einen wettbewerbsfähigen Preis in nicht subventionierten Strommärkten ermöglicht.

Modell eines PV-Felds mit einem Großspeicher (Gravity Storage)

Mit dieser Kombination ist es dann möglich, eine kontinuierliche Stromversorgung in der Wüste zu ermöglichen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Fluktuieren der PV Leistung insbesondere bei heraufziehender Bewölkung. Innerhalb von Minuten kann die Leistung eines PV-Felds dann um viele 10 MW abfallen. Das kann von einem Stromnetz das weitgehend auf erneuerbare Energien beruht nicht abgefangen werden. Daher müssen Speicher, die schnell reagieren und große Leistungs- und Energiekapazitäten haben, in das Stromsystem integriert werden.

Schwankung der PV Leistung bei unterschiedlicher Anlagengröße, Quelle [2]

Die Abbildung veranschaulicht, wie steil selbst bei großen PV Anlagen die Stromproduktion ansteigen oder abfallen kann. Es gibt zwar einen gewissen Dämpfungsfaktor durch die große Fläche der Anlage, aber dieser genügt nicht um das Stromnetz stabil zu halten.
Hier sollte erwähnt werden, dass in Ländern wie Deutschland, in dem die Dachanlagen sehr weiträumig verteilt sind, die wetterbedingten steilen Flanken keine entscheidende Rolle für die kurzzeitige Netzstabilität spielen.

PV plus Speicher erlaubt 24h Solarstrom 

Wenn die Welt nicht nur am Tag mit Solarstrom versorgt werden soll sondern auch in der Nacht, dann ist es notwendig gewaltige Speicherkapazitäten aufzubauen. Heute werden vom Kraftwerkspark stündlich 5000 GWh produziert, Selbst wenn in der Nacht der Bedarf nur halb so groß ist, so kann man abschätzen dass für die durchschnittlich 12 Nachtstunden etwa 30.000 GWh gespeichert werden müssen. Zum Vergleich, in Deutschland gibt es eine Speicherkapazität von 40 GWh in Form von Pumpspeichern.
Der Investitionen für den globale Umstieg auf Solarenergie wird sich etwa zur Hälfte aus Speicherkosten und zur anderen Hälfte aus den Kosten für die PV Anlagen zusammensetzen, wie man bei einer genauen Rechnung sieht. Umgelegt bedeutet das eine Investition von 7500 € pro Erdenbürger oder heruntergerechnet auf den Monat, bei 30 Jahren Betrieb, 20 Euro Stromerzeugungskosten pro Monat!
Gelingt diese Investition, dann haben alle Menschen eine stabile, saubere und sichere Stromversorgung.

Quellen:

[1] Joshua S Hill, Global Solar PV Installations Grew 34% In 2015, CleanTechnica, Januar 22, 2016

[2] Ana Dyreson et al, Comparison of solar irradiance smoothing using a 45-sensor network and the wavelet variability model, 43rd ASES National Solar Conference 2014

Wind- oder Sonnenenergie speichern?

Energiespeicher für Wind oder Solarenergie

Energiespeicher sind das fehlende Element in der vollständigen Energiewende zu erneuerbaren Energien. Bevor man aber in die Energiespeicher investiert, sollt man überlegen, für welchen Form der erneuerbaren Energien der Speicher sein soll. 

Das Problem der Zeiträume

Jeder Energiespeicher kann nur eine begrenzte Zeit der geringen Energielieferung überbrücken und nur über begrenzte Zeit Energie einspeichern. Baut man einen Energiespeicher mit endlicher Kapazität, dann spielt es eine große Rolle, wie oft man den Energiespeicher pro Jahr füllen und leeren kann. Da man mit jedem Zyklus wertvolle Energie zu Zeiten liefern kann, in denen keine fluktuierende Quelle zur Verfügung steht, wird die Rentabilität durch die Zahl der Zyklen im Jahr bestimmt.
Windkraftwerke liefern nur dann Energie, wenn Wind weht, das hängt direkt vom Wetter ab und in vielen Gegenden der Welt gibt es nur einige zehn Zyklen pro Jahr. In Deutschland sieht das so aus:

Windenergie im Jahresverlauf (Daten: ISE)

Die Abbildung zeigt, neben dem sehr unregelmäßigem Auftreten von Wind, auch die enormen Schwankungen in den Leistungsspitzen.
Die Situation bei der Solarenergie ist völlig anders. Weil die Sonne täglich scheint, wenn auch in Deutschland nicht immer besonders stark, so kann man doch sicher sein, dass es zumindest in jeder Nacht dunkel wird. In südlichen Ländern, in denen 80% der Weltbevölkerung leben, liegt ein relativ einfacher 24h Zyklus vor, der jeden Tag ausreichend Leistung aus PV liefern kann aber nie in der Nacht.

Regelmäßigkeit bei der PV Produktion (Daten: ISE)

Will man also Solarenergie speichern, benötigt man nur einen Speicher für maximal 24h und kann den Speicher 365 mal im Jahr optimal nutzen.

Wachstum der Solarinstallation

Obwohl an vielen Stellen der Welt die Erzeugung von Windenergie aktuell günstiger ist als die Erzeugung von Solarenergie, wächst die installierte Leistung der Solarenergie überdurchschnittlich. 

Betrachtet man das Verhältnis der weltweit installierten Leistung von PV-Anlagen mit denen der Windkraftwerke, erhält man einen erstaunlichen Trend:

Verhältnis von Solarkraftwerken zu Windkraftwerken (Eigene Analyse)

Seit 2010 wächst die Installation von PV wesentlich schneller als die der Windenergie und erreicht sicher bald das Verhältnis 1:1. Das liegt aktuell noch nicht an der guten Verfügbarkeit von Speichern, sondern an der Tatsache, dass am Tag mehr Strom gebracht wird, als nachts und damit die Solarenergie besser zu nutzen ist. 

Längerfristig wird aber die einfachere Speicherung einer Energiequelle, die alle 24 Stunden zur Verfügung steht, erhebliche auswirken auf die Wahl der Stromquelle haben. Damit dürfte der Trend zu Solarkraftwerken noch beschleunigt werden. Weitere Vorteile von PV sind, die extrem geringe Wartung und die leichtere Integration in das Landschaftsbild, nicht jeder liebt Windkraftwerke mit 100m hohen Masten und hörbaren, bewegten Rotoren. PV wird da immer im Vorteil sein.

Welcher Speicher ist sinnvoll?

Welche technische Lösung für das Speicherproblem bei der Solarenergie gewinnt, ist nicht sicher, vermutlich wird es eine Mischung aus Batterien, Lageenergiespeicher und Pumpspeichern.

Der Ansatz von Power to Gas (Windgas!) hat in einer Wind-dominierten Erzeugerlandschaft einen gewissen Charme, weil dort ein praktisch "Unendlicher" Speicher in Form von Gaskavernen existiert. Allerdings ist der Wirkungsgrad so schlecht (28%), dass kaum ein Geschäftsmodell im Strommarkt möglich sein wird.

World Energy Storage Forum 2015

Bericht vom World Energy Storage Forum 2015

Vom  28-30 April 2015 wurden in Rom die neusten Trends bei der Speicherentwicklung auf dem WESF vorgetragen. Im Zentrum standen wieder Batterien, es gab aber auch einige Vorträge zu Pumpspeichern. Der Lageenergiespeicher (Hydraulic Rock Storage, HRS) war mit einem Stand vertreten, der reges Interesse verursacht hat.

Wie leistungsfähig werden Batterien?

Im Vortrag von George Crabtree der das JCESR in Chicaco leitet, gab es einen Blick in die zukünftige Entwicklung von Batterien.

Abbildung 1. Einordnung von Batteriesystemen, Quelle: JCESR

Dabei wurde in einem Diagramm, Abbildung 1, dargestellt, dass noch lange nicht das Ende der Fahnenstange bei der Entwicklung von Lithium Batterien erreicht ist. Sowohl in Bezug auf die Energiedichte pro Kilogramm, wichtig für Autos, aber auch beim Platzbedarf kann es erhebliche Fortschritte geben. Interessanterweise ist die Batterie eines Tesla Model S  um den Faktor zwei kompakter als vom Nissan Leaf, auch die Energiedichte ist wohl um 50%, bezogen auf das Gewicht, besser.

Preisentwicklung

Aber auch die Preise der Batterien werden sicher sinken. Die berühmte Pressekonferenz von Elon Musk zur Powerwall, der neue Batteriespeicher für Jedermann, war noch nicht gegeben, aber die Werte lagen in der Luft.

Video: Pressekonferenz von Tesla mit Elon Musk am 1. Mai 2015 in LA

Es ist natürlich sehr schwierig, die zukünftigen Preise von Batterien vorherzusagen, aber mit dem Wert 350$/kWh für die Powerwall ist ein wichtiger Meilenstein erreicht. Eine Übersicht, die viele Prognosen zusammenfasst, ist in Abbildung 2 gezeigt, die ebenfalls von Crabtree präsentiert wurde.

Abbildung 2: Zukünftige Entwicklung der Batteriepreise,
Quelle: Nykvistand Nilsson, Nature Climate Change 5, 329 (2015)

Der Trend zeigt stark sinkende Preise, allerdings scheint es auch im Jahr 2030 nicht möglich zu sein, Energie für weniger als 150$/kWh in Batterien zu speichern. Daher müssen auch andere Technologien für das Speichern von Energie untersucht werden. Die günstigste bekannte und praktisch umgesetzte Methode ist das Pumpspeicherwerk. Ein weiteres verfahren ist Power to Gas, das von Manfred Pils, Austrian Power Grid, vorgestellt wurde. Das große Problem sind die vielen Verluste, die bei den vielen Umandlungen entstehen, wie in Abbildung 3 gut sichtbar wird. 

Abbildung 3: Probleme bei der Energieeffizienz mit Power to Gas, Quelle: Manfred Pils

Nur etwa 36% der eingesetzten Energie werden im günstigsten Fall wieder zu Strom. 

Marktanteil von Speichertechnologien

Interessant ist auch zu sehen, welche Speichertechniken wirklich in der Praxis eingesetzt werden. Dies hat Jean-Christophe Bestaux, ALINEASOLAR in Spanien, vorgestellt. Die Pumpspeicher dominieren derart, dass in Abbildung 4 die anderen Techniken in einer "Lupendarstellung" betrachtet werden mussten.

Abbildung 4: Marktanteile der Speichertechnologien, Quelle: J-C Bestaux

 Weltweit sind 140.000 MW Pumpspeicher vorhanden, nur 976 MW machen alle anderen Technologien zusammen aus. Dabei dominieren Druckluftspeicher, Compressed Air Storage (CAES) mit etwa der Hälfte. Lithiumbatterien sind mit 100 MW nahezu vernachlässigbar. Das muss aber nicht bedeuten, dass das in alle Zukunft so bleibt! Vor zehn Jahren war die Photovoltaik in einer ähnlichen Rolle, auf Dauer ist eben die Preisentwicklung und die Marktentwicklung entscheiden. 

Leistungsgradienten

Ein interessanter Test für Pumpspeicher war die Sonnenfinsternis am 20 März 2015. In einem Vortrag von Peter Matt von den Illwerken in Österreich wurde gezeigt, wie die schnelle Reaktion der Pumpspeicher das Nachregeln bei schnell veränderlicher Leistung von Solarleistung ermöglicht. Wie in Abbildung 5 zu sehnen ist, war der Gradient der Leistungszunahme ähnlich hoch, wie er erst in einigen Jahren, dann aber jeden Tag, bei Ausbau der Photovoltaik zu erwarten ist.

 

Abbildung 5: Abfangen extrem schneller Leistungsveränderung, Quelle Peter Matt, Illwerke.

Fazit:

Die Tagung in Rom war hervorragend organisiert und viele interessante Vorträge haben das Spektrum der Speichertechnologien angesprochen. Leider haben nur wenige Vorträge mit exakten Daten gehandelt und man hatte oft das Gefühl, damit soll ausgeblendet werden, dass aktuell Batteriespeicher kein wirklich funktionierendes Geschäftsmodell am Strommarkt haben.

Weitere Konferenzberichte

Paradoxe Marktsignale

Die Energiewende wird in den nächsten Jahren die bisherigen Energielieferanten, Kohle- und Kernenergie, durch Windkraft und Solarenergie ablösen. Damit werden aber nicht nur die Energiequelle einfach ausgetauscht, sondern auch ein fundamentaler Wandel von gespeichert Energie, die in Strom umgewandelt wird, hin zu zeitlich fluktuierender Energie, die gespeichert werden muss, eingeleitet.

Verlauf der Stromproduktion, Grau: konventionelle Kraftwerke, Grün: Windkraft, Gelb Solarenergie. (Quelle: eex)

Der Tagesverlauf
Im Lauf eines Tages ändert sich der Energieverbrauch merklich, siehe Bild. In der Nacht, gegen drei Uhr ist er am niedrigsten, im Lauf des Vormittags steigt er an um kurz nach 12:00 sein Maximum zu erreichen, ab 20:00 geht der Verbrauch dann wieder deutlich zurück. Dabei gibt es gewisse Unterschiede in den Wochentagen, diese sollen jetzt aber nicht betrachtet werden. Um diesen Tagesverlauf optimal mit Kraftwerken abzubilden, gibt es Grundlastkraftwerke, die immer Strom erzeugen, wie Kernkraftwerke, und Spitzenlastkraftwerke die genau während der Verbrauchsspitzen laufen. Es ist ökonomisch natürlich vorteilhaft, Kraftwerke möglichst viele Stunden in Betrieb zu halten, da dies bei den Spitzenlastkraftwerken nicht geht, ist der Preis dieses Stroms auf dem Markt teurer. Der Verbraucher merkt davon jedoch nichts, da wir eine Art "flatrate" für die kWh haben.
Die Marktsignale
Auf dem Strommarkt ist der Strompreis von der Nachfrage abhängig, hohe Nachfrage hoher Preis. Daher hat man schon vor vielen Jahren begonnen, mit Pumpspeicherkraftwerken diesen Preisunterschied auszunutzen. In der Nacht, wenn der Strom billig war, hat man Wasser hochgepumpt, Mittags, wenn alle die Herdplatte eingeschalten haben, hat man diese Energie zu einem höheren Preis verkauft. Mit der Preisdifferenz hat man den Speicher finanziert.
Heute haben wir jedoch viele Solarzellen auf den Dächern und genau am Mittag, wenn die Menschen die elektrischen Maschinen nutzen, gibt es Strom aus den Solarzellen, der Strompreis steigt nicht an, da die Photovoltaik genau diesen Bedarf deckt. Der Pumpspeicherkraftwerksbetreiber schaut in die "Röhre". Er kann den Strom nicht sinnvoll verkaufen. Sieht man in den Geschäftsbericht der EnBW von 2011, dann wird dort genau über die geringen Einnahmen der Schluchseekraftwerke gejammert.
Irreführendes Signal
Dieses Marktsignal ist jedoch sehr irreführend, da in Zukunft die Situation völlig anders aussehen wird. Wächst  die Photovoltaik weiter, so wird am Tag nicht nur die Verbrauchsspitze abgedeckt, sondern so viel Strom erzeugt, dass andere Kraftwerke abgeschalten werden müssen, da Solarstrom per Gesetzt Vorfahrt hat. Damit verlagert sich der ungedeckte Strombedarf in die Nacht und plötzlich geht die Schere zwischen Angebot und Nachfrage wieder auf.
Für den Investor in Speicherkraftwerke ist das natürliche eine riskante Angelegenheit, sollte aus irgendeinen Grund die Energiewende ins Stocken geraten und kein weiterer Zubau von Solarkraftwerken erfolgen, könnte die Investition eine Fehlinvestition werden.
Große Energieunternehmen haben eine hohe Verantwortung und sind bei solchen Geschäftsmodellen mehr als vorsichtig. Daher sind klare politische Vorgaben für den Ausbau der Erneuerbaren Energien notwendig, da sonst die notwendigen Investitionen in  Speicher nicht getätigt werden.
Mutige Investoren gesucht  
Da aber absehbar ist, dass die Politik mit dem Wechsel auf Erneuerbare Energien ebenfalls überfordert ist, sind mutige Investoren gesucht, die das Problem verstehen und sehen, dass mit Speichern in naher Zukunft viel Geld zu verdienen ist. Genau weil die bisherigen Akteure zu zögerlich sind.
Ähnliches kann man übrigens in vielen Märkten beobachten. Oder kennen Sie ein Zeitungsportal im Internet, das alle Newsmeldungen durchsucht? Nein, das macht die marktfremde Firma Google.

Kostengünstiger Strom

Wenn man auf dem Solarserver die Meldung:

"Solarstrom verursacht Preiseinbruch an Strombörse: Am 16. Juli sank der Strompreis an der der EEX zur Mittagszeit auf Nachtstrom-Niveau" (21.7.2011 Solarserver)
liest, dann freut sich der Normalbürger, in der Solarbranche folgt dann die Bemerkung:
"Jeder Anlagenbetreiber kann spätestens seit dem 16. Juli 2011 erkennen, dass an der Börse immer dann niedrige Preise vorherrschen werden, wenn Solar- und Windkraftanlagen besonders viel Strom produzieren." (21.7.2011 Solarserver)

Und genau damit ist man am Kern des Problems angekommen. Obwohl der Solarstrom mit weit über 20ct/kWh vergütet wird, ist er auf dem Markt, zum Zeitpunkt der Produktion am Tag, nur 2ct/kWh wert. Sollte das Angebot an Solarstrom weiter wachsen, wird der Marktwert sogar noch weiter fallen.

Das bedeutet aber, dass in dieser Form eine ökonomische, marktwirtschaftliche Erzeugung von Solarstrom völlig unmöglich ist. Insbesondere rechnet niemand damit, dass die Erzeugung von Solarenergie um den Faktor 10 billiger wird.

Allerdings gibt es einen Ausweg, wenn es möglich wäre, den Strom dann zu verkaufen, wenn der Strompreis hoch ist. Dies sollte eigentlich in der Nacht der Fall sein, wenn keine Sonne scheint. Dass dies nicht der Fall ist, liegt daran, dass immer noch sehr viele Grundlastkraftwerke in der Nacht Strom produzieren, wenn er nicht gebraucht wird. Dies wird sich aber mit dem Abschalten der Kernkraftwerke ändern.

Von diesem Zeitpunkt an wird Strom in der Nacht teurer sein, als an Tagen, an denen die Sonne scheint. Könnte man den Strom Speichern, zumindest für 12 Stunden, wäre ein Geschäftsmodell geboren. Allerdings kein besonders gutes, da der Nachtstrompreis nie besonders hoch werden wird. Insbesondere wird der Nachtstromverbrauch mit dem zunehmenden Wegfall von Nachtspeicheröfen stark gedämpft.





Abbildung: Die beiden Bilder zeigen die Solarstromproduktion am 1. Dezember 2010 und am 1. Mai 2012. Die Solarstromproduktion erreicht im Winter, selbst in der Mittagszeit, nur ein Zwanzigstel der Leistung als am 1.Mai. Zudem ist die Tageslänge und damit die Produktionszeit im Winter erheblich kürzer als im Sommer, man beachte die unterschiedliche Skalierung. (Quelle: SMA)

Wesentlich aussichtsreicher ist es, den Strom dann zu liefern, wenn keine Sonne am Tag scheint, und das ist zuallererst im Winter!

Im Winter kann am Tag praktisch kein Strom produziert werden, wie die Abbildung drastisch zeigt. Damit ist es zwingend, einen Stromspeicher auch für längere Perioden (Monate!) zu haben, wenn man alleine auf Solarenergie setzt. Erfreulicherweise ist die Situation bei der Windenergie wesentlich entspannter, da der Wind im Winter häufig und kräftig weht. In der richtigen Konfiguration reichen etwa sieben Tage Speicherkapazität. Allerdings existieren in Deutschland nur Speicher, die in der Summe 30 Minuten (in Worten: dreißig Minuten) weit reichen.