Pumpspeicher zwei Tagungen

Der Bedarf an Pumpspeicher 

Im Jahr 2017 war ich auf zwei Pumpspeicher Tagungen, "Pumpspeicherwerke" in Essen am 10. Juli 2017 und am 29./30. November auf der 3. Internationalen Pumpspeicherkonferenz in Salzburg, die Ergebnisse sind etwas widersprüchlich und ich will sie in diesem Blogbeitrag diskutieren

Internationale Verteilung von Pumpspeicherwerken.

Pumpspeicher in Deutschland

Die deutschen Pumpspeicher haben eine Kapazität von 40 Gigawattstunden und eine Anschlussleistung von 6 GB, dies sind gewaltige Zahlen allerdings im Verhältnis zum Stromsystem eher klein, die Leistung ist etwa ein Zehntel des deutschen Stromverbrauchs und die Kapazität könnte noch nicht einmal eine Stunde lang Deutschland mit Strom versorgen (Falls die Leistung reichen würde).

Die Aufgabe der Pumpspeicher lag aber in ihrer ursprünglichen Funktion nicht darin, Deutschland etwa über Nacht mit Strom zu versorgen, wenn die Sonne nicht scheint, sondern Ausfälle von Kernkraftwerken zu managen oder Spitzenlasten in der Mittagszeit, die insbesondere durch das Einschalten vieler Elektroherde früher entstanden sind, abzudecken.

Rene Kühne zur Entwicklung des Spotpreis, die Spitze am Mittag ist verschwunden. (Folien)

Heute hat sich das Bild massiv gewandelt. Tagsüber trägt die hohe Zahl an Fotovoltaik-Anlagen, mit etwa 40 GB installierter Leistung, erheblich zum Abbau von Strombedarfsspitzen bei. Wenn auch nicht immer insbesondere natürlich im Winter, wenn es sehr bewölkt ist und nur wenige hundert Megawatt von der Fotovoltaik erzeugt werden. Dies führt dazu, dass der Strompreis nicht mehr so stark schwankt wie früher und genau deshalb haben die Pumpspeicher Betreiber ein erhebliches Problem ihre Anlagen zu finanzieren.

Es ist inzwischen soweit, dass selbst fertige Anlagen kaum mehr den Erlös bringen um den Betrieb aufrecht zu erhalten. So gaben einige Sprecher auf der Tagung in Essen an, dass im Fall einer größeren Revision, etwa den Austausch einer Turbine, das Kraftwerke eigentlich aus wirtschaftlichen Gründen stillgelegt werden müsste.

Dies hätte natürlich erhebliche Folgen für das Stromnetz, denn die Pumpspeicher dienen eben auch zur Stabilisierung des Netzes und sollen zukünftig ja Solarstrom und Windstrom puffern um zu anderen Zeiten des Bedarfs die entsprechende Energie zur Verfügung zu stellen.

Einige steile Thesen zur Wirkung von Pumpspeichern, vorgestellt von Peter Stratmann (Folien)

An einen Neubau ist daher in Deutschland praktisch überhaupt nicht zu denken, was auch dazu führte, dass das bekannte Projekt Atdorf im Südschwarzwald, gestoppt wurde, obwohl bereits 60 Millionen Euro für die Planung ausgegeben wurden.

Ausbau der Pumpspeicherwerke ist fast zum Erliegen gekommen, dargestellt als gelbe Kreise, Reinhard Fritzer, ILF (Folien)

Pumpspeicher in Österreich

Anders die Situation in Österreich, dort stehen wesentlich mehr Pumpspeicherkraftwerke, insbesondere was die Speicherkapazität betrifft. Diese kommt von den großen Gefällen in den Alpen um den erheblich größeren Staumauern und damit Speicher.
Auf der Internationalen Pumpspeicher Tagung in Salzburg wurden die berühmte Anlage der Illwerke von Professor Helmut Jaberg vorgestellt. Ein Pumpspeicher mit über 800 m Fallhöhe und über einen Gigawatt Leistung.

Das Verhältnis Speicher zu Turbine ist in Österreich und in der Schweiz größer, womit länger gespeichert werden kann.

Durch die große Speicherkapazität können auch Überschüsse, wie sie aus längeren Starkwind-Perioden kommen aufgenommen werden, wenn die Leitungen ausreichen. Bei Flaute kann die Energie dann abgerufen werden und teurer verkauft werden.

Dies wird in den Medien oft irreführend dargestellt, als ob wir Strom ans Ausland verschenken und teuer wieder importieren. Nein, da liegt eine Dienstleistung dazwischen, dass die Energie gespeichert wird und genau dann geliefert wird, wenn wir bedarf haben!

Einnahmequellen für Speicher

Die sehr flache Preiskurve für Strom kann Speicher aktuell nicht finanzieren, aber es gibt auch andere Einnahmequellen für Speicher, etwa der Regelenergiemarkt. Dabei wird kurzfristig Energie bereitgestellt oder aufgenommen, um das Netz zu stabilisieren.

Regelenergie ist eine weitere Einnahmequelle für Pumpspeicher.

Im Vortrag der Beratungsfirma BET aus Aachen wurden weitere Einnahmequellen vorgestellt.

Verschiedene Einnahmequellen für Speicher

Das Problem sind aber oft die gesetzlichen Regelungen, die es sehr schwer machen alle Märkte fair zu behandeln. Hier zeigt sich oft, dass unsere Energiegesetze immer noch zu stark von der Denkweise im alten Energiesystem dominiert sind. Zudem wird der Transport von Energie nicht abgebildet, alle Preise gelten flächendeckend für Deutschland, obwohl vielleicht in Norddeutschland ein Überschuss und in Süddeutschland ein Mangel an Strom vorhanden sein kann.

Die Lastgradienten wachsen in den letzten Jahren, daher ist schnelle Regelleistung erforderlich. 

Eine Alternative zu Speichern ist der Netzausbau, aber der geht leider sehr schleppend voran, sodass langfristig viel Energie, die aus Wind und Sonne kommen, nicht den Verbraucher erreicht.

Netzausbau, erst 3% sind 2016 geschafft, Folie Team Consult.

Fazit

Pumpspeicher allein in einem Stromsystem zu betrachten ist nicht zielführend. Zukünftig müssen alle Komponenten eines modernen Stromnetzes zusammenarbeiten. Wind, Off- und Onshore, PV, Leitungen, Speicher in Deutschland aber auch jenseits der Grenze und das am besten mit fairen Regeln für alle Beteiligte.

Mehr Konferenzberichte:
http://energiespeicher.blogspot.de/2013/11/konferenzberichte.html

 

Energiespeicher Holz

Ein Vergleich von Holz und Photovoltaik

Diesmal tritt zum Wettbewerb zwischen den Energieträgern Holz und PV-Strom an. Holz ist definitiv der älteste vom Menschen genutzte Energieträger. Holz wächst als natürlicher Rohstoff nach, allerdings nicht annähernd so schnell, wie wir Energie verbrauchen. Das hat im 18. Jahrhundert fast zur vollständigen Entwaldung Europas geführt. Zum "Glück" kam dann die Kohle, die zumindest den Wäldern wieder eine Chance gegeben hat.

Wie viel Energie ist in Holz?

Jeder Brennstoff hat einen Heizwert, bei Holz ist das etwas komplizierter, da der Heizwert bei Holz empfindlich vom Wassergehalt abhängt, siehe Abbildung.

Heizwert von Holz stark vom Wassergehalt abhängig (Quelle: Wikipedia)

Gut gelagertes Holz hat weniger als 15% Restfeuchte, damit liegt der Heizwert bei 4,2 kWh/kg Holz. Ein Raummeter Fichtenholz wiegt 330 kg und hat damit einen Energiegehalt von 1.400 kWh Wärmeenergie. Umgerechnet auf Strom, der eine höherwertige Energie ist und in einem Kraftwerk aus Wärme gewonnen werden kann, "enthält" ein Festmeter 600 kWh Strom. 

Holz oder (und?) Photovoltaik, was ist sinnvoll?

Im Bild sieht man eine PV Anlage, die auf einem Holzlager montiert ist. Interessanterweise liefert diese PV-Anlage bei einer Leistung von 2 kW jedes Jahr 2000 kWh Strom, innerhalb von drei Jahren füllt diese PV-Anlage den Holzschuppen "virtuell", dann hat Sie die elektrische Energie von 10 Raummeter geliefert. Drei Jahre ist auch etwa die Zeit, die man warten muss, bis das Holz perfekt trocken ist.

Wie schnell wächst Holz nach?

Der jährliche Holzzuwachs pro Hektar liegt laut Landwirtschaftsministerium [1] bei 16 m³ für schnell wachsende Hölzer wie Fichte. Das Entspricht, bei Berücksichtigung der Umrechnung auf Raummeter, etwa 25 Raummeter oder 35.000 kWh.
Im Vergleich zu einer PV-Anlage bietet sich an. Diese würde auf einem Hektar 500.000 kWh Strom produzieren [2]. Damit ist der Flächenbedarf in der Holzwirtschaft 14 mal größer als bei PV-Freiflächen-Anlagen. Allerdings ist das nur eine sehr grobe Abschätzung, da nur ein Teil des Holzes rein für den Brennholzbedarf angebaut wird und praktisch kein Holz für die Stromerzeugung verwendet wird.
Der große Vorteil von Holz ist allerdings die langfristige Lagerfähigkeit der Energie, was bei Strom praktisch nicht möglich ist.

Wie teuer ist Holz

Entwicklung Holzpreis im Vergleich zu Öl und Gas (Quelle: C.A.R.M.E.N [3])

In der Praxis spielt der Preis für die verschiedenen Brennstoffe eine große Rolle, bei gleichem Energiegehalt ist Holz nur halb so teuer als Gas oder Öl. Die Preisschwankungen auf dem Öl- und Gasmarkt, siehe Abbildung oben, machen allerdings den direkten Vergleich etwas schwer. Holz hat zusätzlich den Vorteil, dass es "CO2-frei" ist, da es sich um einen nachwachsenden Rohstoff handelt.

Fazit

Wie so oft in der Energiewirtschaft ist es sehr schwierig, die Eigenschaften verschiedener Energieformen miteinander zu vergleichen. Der Autor heizt mit Holz, genauer mit Stückholz und einem zentralen Holzofen mit 92% Wirkungsgrad. In der Praxis muss man allerdings den Umgang mit Holz und dem Ofen lieben, es macht Arbeit, Dreck und manchmal wundert man sich am Morgen, wenn der Ofen ausgegangen ist und man kalt duschen muss.

Quellen:

[1] Zuwachs - nach Baumart unterschiedlich, Bundesministerium für Landwirtschaft und Ernährung.

[2] Freilandanlagen, Solaranlagen-Portal, http://www.solaranlagen-portal.com/photovoltaik/freilandanlage

[3] CENTRALES AGRAR- ROHSTOFF- MARKETING- UND ENERGIE-NETZWERK, http://www.carmen-ev.de/

14 Kilometer zur idealen Energiequelle

Die perfekte Stromquelle: Solar plus Speicher

Die beste Energiequelle liegt nur 14 km von uns entfernt, und keiner nutzt sie. Da werden kühne Pläne von Desertec entworfen um aus 3000 km Entfernung Solarenergie nach Deutschland zu transportieren. Aber warum in die Ferne schweifen. Unter uns in 14 km Tiefe ist es sehr heiß, auch eine verlockende Energiequelle, allerdings 14 km Fels sind praktisch unbezwingbar[1].

Aber es gibt einen Ort, an dem jeden Tag die Sonne scheint, an dem es keine Wolken gibt, an dem es sehr kalt ist, gut für Solarzellen, an dem fast niemand gestört wird:

Die Stratosphäre

Fast alle von uns waren schon mal oben, in der Stratosphäre, bei jedem Flug im Verkehrsflugzeug erlebt man diese Gegend als sehr ruhige Luftschicht, in der fast kein Wasserdampf ist und außer in der Nacht, immer die Sonne scheint. Der gesamte Luftverkehr nutzt diese Schicht zwischen etwa 8 km und 12 km, in dieser Höhe sollte man daher eher keine Solarkraftwerke aufbauen. Aber in 14 km Höhe, jenseits der erreichbaren Höhe von Verkehrsflugzeugen ist der ideale Platz für Solarzellen.

Der Ballon von Breitling, Bildquelle: Wikipedia

Solarzellen sind in unseren Breiten eigentlich sehr ineffizient, nur 13% der Zeit geben sie, im Mittel, die volle Leistung ab. Das ist in der Stratosphäre völlig anders, dort sind die Zellen über 50% der Zeit im Einsatz, statt 3 kWh pro Tag kann man fast 10 kWh pro Tag an einem Ort wie Stuttgart gewinnen! Siehe Abbildung:

Energielieferung von Solarzellen, die in der Stratosphäre arbeiten. (Quelle: Stratosolar [2])

Zudem sind Solarzellen bei tiefen Temperaturen, dort oben liegt die Temperatur meist bei -30 bis -60°C, um 20% effizienter.
Berechnet man die Kosten, die entstehen, wenn man Solarzellen in dieser Höhe arbeiten lassen will, ist das im wesentlichen der Preis für das Helium für den Ballon, 75€/kW_peak, zudem benötigt man noch ein Stromkabel nach unten, aber das sollte unwesentlich teurer sein, als eine normale Leitung mit 14 km Länge, insbesondere, wenn man bedenkt, dass man keine Strommasten benötigt.

Lagenergiespeicher plus Stratosolar

Will man in Deutschland die Energieversorgung wirklich auf Solarenergie umstellen, dann ist es vermutlich viel einfacher dies in 14 km Höhe mit Solarzellen zu erreichen, als am Boden, der mit Nebel, Wolken und begrenzter Fläche nicht gerade optimal für Solarzellen ist.
Aber noch gibt es die Nacht, auch in der Stratosphäre scheint Nachts keine Sonne, aber mit Sicherheit an jedem Tag! Dies ist für die Versorgungssicherheit von entscheidender Bedeutung. Obwohl Wind im Winter eine gute Ergänzung ist, ist auch er nicht zuverlässig.

Der Lageenergiespeicher für 1 GWh,
die Windräder illustrieren die Größe und werden in Zukunft nicht mehr gebraucht!

Erzeugt aber ein System wirklich jeden Tag Strom, so kann man damit einen Speicher auffüllen, der diese Energie in der Nacht abgibt. Und dieser Speicher hat garantiert 365 Speicher-Zyklen pro Jahr, womit eine ökonomischer Betrieb wesentlich leichter zu realisieren ist, als mit unsicheren Stromquellen wie Wind und Sonne am Boden. Damit der Flächenbedarf minimal wird, ist der Lageenergiespeicher optimal, da er bis zu 1 MWh pro Quadratmeter speichern kann.

Beispielkraftwerk

Ein typisches Kraftwerk hätte dann folgende Kenndaten:
Ballon mit 1 km² Solarzellen, diese produzieren an einem Tag 2 GWh Strom. Davon wird 1 GWh eingespeichert, der notwendige Lageenergiespeicher hat einen Durchmesser von 150 m und ragt abends maximal 70 Meter aus der Erde heraus.
Mit diesem Kraftwerk kann man etwa 120.000 Einwohner (inklusive Industrie!) vollständig und zuverlässig mit Strom versorgen. 
Es muss kein Windrad aufgestellt werden, es muss keine Hochspannungsleitung gebaut werden und keine Ackerfläche mit Mais bepflanzt werden!

Ich bin sehr gespannt, wann die erste Stadt in Deutschland dies erkannt hat.

Experiment aus China: http://www.greenerideal.com/alternative-energy/0105-china-chooses-solar-power-for-airship-in-near-space/


Quellen:

[1] Die Kontinentale Tiefbohrung in Windischeschenbach erreichte nur 9100m
[2] StratoSolar
[3] mehr zu Solarluftschiffen

Die 3. Linie: Speicher als Gegenargument

Die drei Versuche die Erneuerbaren Energien zu bremsen

Prognosen über die zukünftige Entwicklung der Energieversorgung sind schwierig, und gerade deshalb ist es interessant, was in der Vergangenheit prognostiziert wurde.

Verschiedene Prognosen für die Erneuerbaren Energien [1]

Betrachtet man die Studien der Vergangenheit, findet man einen massiven systematischen Fehler, (fast) alle Prognosen sind für (fast) alle Zeiträume durch massives Unterschätzen der Entwicklung geprägt. man könnte nun meinen, das sind einfach Prognosefehler, aber so einfach wird es vermutlich nicht sein.
Mehr zu Prognosen: Aktuelle Prognose 2012

Die unmögliche Energiequelle

Vor zwanzig Jahren hat der "Informationskreis Kernenergie" folgendes Statement in einer ganzseitigen Anzeige veröffentlicht:

"... Die Dänen sind europäischer Spitzenreiter bei der Nutzung der Windenergie: 1988 wurde in Dänemark fast jede hundertste Kilowattstunde aus Wind erzeugt - das entspricht einem Anteil von 0,9 Prozent am gesamten Stromverbrauch. 

Eine vergleichbar intensive Nutzung der Windkraft ist in der Bundesrepublik wegen anderer klimatischer Bedingungen nicht möglich. ..." Aus einer Anzeige des Informationskreis Kernenergie am 20. Juni 1990 in DER ZEIT [1] (Hervorhebung vom Autor)

Dabei wir eine grundsätzliche Aussage aufgeführt, die in der Diskussion um Erneuerbare Energien lange zentral war: "Aus klimatischen Gründen geht ein Umstieg auf Erneuerbare nicht!"

Im erstem Halbjahr 2012 wurden bereits 26% des Stroms aus Erneuerbaren Energien gewonnen und damit ist die Glaubwürdigkeit dieser Aussage dahin. Die erste Verteidigungslinie der Energiewirtschaft gegen Erneuerbare Energien ist gefallen.

Die unbezahlbare Energiequelle

Wie bei jedem Rückzugsgefecht wird sofort eine neue Linie gezogen. Und beobachtet man die politische Diskussion, so ist es gelungen, den Eindruck zu erwecken, dass "Erneuerbare Energien unbezahlbar sind". Dazu wurde insbesondere das EEG so verändert, dass die Industrie heute weniger für Strom zahlt als von einem Jahr und alle Kosten auf die Gruppe der Endverbraucher umgewälzt wird. Die müssen jetzt mit beängstigenden zusätzlichen Kosten von 40€ pro Jahr rechnen.

Jeder der schon einmal den Heizöltank gefüllt hat, weis, dass 40€ eher ein kleiner Aufschlag sind. Diese zweite Linie wird daher bald fallen.

Die unsichere Energiequelle

Hat man kein wirklich gutes Argument, kann man eine diffuse Angst erzeugen, im Energiebereich ist das der Stromausfall, weil Strom nicht ausreichend gespeichert werden kann. Es ist mit der vorhandenen Technik tatsächlich relativ schwierig und teuer, ausreichende Mengen Strom zu speichern. 

Tatsächlich ist es wohl eher die Unlust, aktuelle Ideen zur Speichertechnik, wie den Lageenergiespeicher näher zu untersuchen. Die großen Stromkonzerne haben abgewunken, kein Speicherbedarf!

Fällt auch diese dritte Verteidigungslinie, gibt es praktisch kein Argument gegen die vollständige Umstellung auf Erneuerbaren Energien. Die Prognosen werden dann nicht mehr von 6000MW Kohlestrom in 2050 sprechen, sondern von 100% Erneuerbare Energien in 2030.

Anmerkung: Zölle hatte ich vergessen

Es gibt noch eine 4. Methode die Solarenergie zu bremsen, diese ist so absurd, dass ich sie zunächst nicht erwähnt habe,  Zölle! 

Mehr zu Investitionen in Speicher

Quellen:

[1]http://www.unendlich-viel-energie.de/uploads/media/Prognose-Analyse_aktualisierte_Fassung.pdf