Energy Storage World Forum Konferenzbericht

Trends bei Energiespeicher 2017 

In Berlin fand von 10. bis 11. Mai das 10. ESWF statt. Ich habe den Teil zum Thema Großspeicher besucht und eigentlich erwartet, auch einige neue Ansätze zu Pumpspeicher und andere Technologien zu erfahren. Das war eher nicht der Fall, es ging hauptsächlich um Batterien.

Abschlusspräsentation auf dem ESWF, der Frauenanteil war nicht immer so hoch.

Was ist ein Energiespeicher

Das Problem liegt wohl eher darin, dass unter Energiespeicher jeder etwas anderes versteht. Aktuell scheint es so, dass im Markt für Großspeicher im wesentlichen Speicher beschrieben werden, die große Leistung für kurze Zeit liefern können. Das sind wichtige Systeme in einer Welt, in der die klassischen thermischen Kraftwerke langsam von Solar- und Windkraftwerken ersetzt werden.

Sehr unterschiedliche Speicher: Strom, Lebensmittel, Daten, und sehr unterschiedliche Reichweiten, aus dem Vortrag von  Julian Jansen, IHS Markit

Regelenergie

Um das Problem genauer zu verstehen, muss man wissen, dass ein normales Kohlekraftwerk nicht bei voller Leistung läuft, sondern für kurzzeitige Schwankungen immer noch eine gewisse Leistungsreserve (~10%) vorhält. Kommt es jetzt zu einem zusätzlichen Bedarf, weil gerade eine große Maschine eingeschaltet wird, muss einfach die Leistung etwas hochgeregelt werden. 

Bei einer Solarzelle oder auch bei einem Windkraftwerk geht das nicht, diese werden normalerweise hundert Prozent der Leistung an das Netz abgeben, obwohl theoretisch auch weniger möglich wären, was aber offensichtlich eine Verschwendung wäre.

Einsatzgebiete von großen Batterien zur Netzstabilisierung, Quelle: eon

Um diese Regelleistung ohne den Aufwand eines herunter geregeltem Kohle-, Erdgas- oder sonstigen thermischen Kraftwerks zu managen, scheinen Batterien zusammen mit leistungsfähiger Elektronik einen guten Dienst zu tun.  

Typisch an diesen Systemen ist, dass sie nur sehr kurz Energie liefern können, typische Werte liegen unter einer Stunde.

Speicherbedarf für große Energiemengen, Dunkelflaute

Eine der spannendsten Fragen in der Speicherbranche ist der Bedarf an Speicher für große Energiemengen, also nicht um kurzzeitig das Netz zu stabilisieren, sondern um etwa elektrische Energie vom Tag aus Solarenergie in die Nacht zu verschieben.

Hier war ein Vortrag von Dr. Björn Peters interessant, der für Deutschland die Situation mit 100% Wind und Solarenergie berechnet hat. Sind 120 GW PV und 120 GW Wind installiert, so genügt dies langfristig theoretisch, um den Strombedarf zu decken. Allerdings müssen ausreichend Speicher zur Verfügung stehen. In dem Modell wurde ein perfekter Speicher mit 100% Wirkungsgrad angenommen (Reale Speicher liegen eher bei 80 %, aber die Differenz ist nicht entscheidend).

Die Überraschung ist, dass für die Phasen ohne Wind und Sonne, sogenannte Dunkelflaute, massive Speicherkapazitäten nötig sind. So wäre zur Überbrückung der Dunkelflaute im Herbst 2016 etwa 80.000 GWh Speicherkapazität erforderlich gewesen. Bedenkt man, dass nur 40 GWh in Deutschland verfügbar sind, wird das Problem offensichtlich.

Die Dunkelflaute, der gefährliche Elefant, wie er in der Zeitschrift Sonne Wind & Wärme dargestellt wird.

Vermutlich können solche Phasen nur mit thermischen Reservekraftwerken, ob dies nun Blockheizkraftwerke oder Gasturbinen sind, überbrückt werden.

Alternativ könnte man Stromleitungen nach Afrika oder Sibirien legen, die insgesamt 8.000 km lang wären und eine Leitungskapazität von mindestens 50 GW benötigen, leider, im aktuellen politischen Umfeld, eher schwierig umzusetzen.

Wachstum des Speichermarkts

Sicher werden die extremen Speicher nicht so schnell kommen, aber das Wachstum der Speicher ist größer als das Wachstum der PV und Wind Märkte, da an vielen Orten das Netz langsam an die Grenzen seiner Steuerfähigkeit kommt. 

Speicherbedarf im UK erreicht 15 GW innerhalb von 15 Jahren

In mehreren Vorträgen wurden Folien aufgelegt, die den Speicherbedarf, zumeist aufgeschlüsselt nach Hausbatterien ("behind the meter") und anderen Batterien im Netz, analysierten. Zumeist wird hier nicht von Speicherkapazitäten, sondern von Leistungen gesprochen, da es noch um die Stabilisierung des Netzes geht. 

Gegenüber heute ist ein Faktor 10 bis 100 innerhalb von 15 Jahren zu finden.

Der größte Energie Speichermarkt ist wohl in 2017 in Südkorea! (Quelle: Jansen, IHS Markit)

Warum besuche ich solche Konferenzen?

Am Ende der Konferenz hat man immer das Gefühl, die Aussagen schon ein dutzend Mal gehört zu haben. Allerdings ist auch interessant, was fehlt, niemand hat mehr vom Power to Gas gesprochen und Wasserstoff ist ebenfalls nicht vorgekommen. 

Sehr gefreut hat mich, dass der Moderator meine Speichertechnologie, Gravity Storage, als mögliche Lösung für Großspeicher erwähnt hat. 

Ein weiterer wichtiger Punkt sind immer die Gespräche in der Kaffeepause, man erfährt viel über Märkte und kann seine Kontakte gut pflegen.

Bis zur nächsten Konferenz, weitere Konferenzberichte finden sich unter:

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

Wieviel Solarzellen und Speicher braucht die Welt?

Solarenergie für Deutschland Europa und die Welt

Es gibt in der Solar-Szene ein Bild (Bild 1), dass vermutlich fast jeder kennt, es zeigt, wie groß der Flächenbedarf ist, wenn die Welt auf Solarenergie umgestellt wird. Es wurde, soweit mir bekannt, von Frau Nadine May erstmals in ihrer Diplomarbeit bei der DLR veröffentlicht [1]:

Bild 1: Flächenbedarf für Solarkraftwerke, nach Nadine May [1]

Dieses Bild ist weitverbreitet und soll auf seine Richtigkeit überprüft werden. Zunächst ist zu bemerken, dass Algerien das Land, das die Quadrate für die Welt und Europa enthält und Libyen, das Land, das möglicherweise die Deutschen Solarkraftwerke bekommt, keine Kolonien mehr sind.

Die Quadrate haben eine Kantenlänge von: Welt 254 km,  Europa 110 km und Deutschland nur 45 km.

Wie groß ist der Energiebedarf der Welt?

Der Energieverbrauch der Welt wächst ständig (Siehe Bild 2), daher kann man schlecht den Energiebedarf nur mit einem Bezugsjahr angeben. Aktuell liegt der Bedarf bei über 30.000 TWh (30.000.000.000.000 kWh) wenn man die Angaben der Internationalen Energieagentur auswertet. Ich habe dabei Umwandlungsfaktoren für bestimmte Energieformen zu Strom berücksichtigt.

Bild 2: Weltweiter Energiebedarf für Strom, Transport und alle anderen Formen

Diese Energie soll nun mit Solarzellen aufgefangen werden und in Strom umgewandelt werden. Dabei gibt es mehrere Faktoren zu berücksichtigen, den Wirkungsgrad, die Einstrahlung im Lauf eines Jahres und die notwendige Speicherung der Energie für die Nacht.

Solarzellen aus Silizium erreichen einen Wirkungsgrad von rund 20% und sind aktuell die günstigste Methode in großem Umfang Strom aus Solarenergie zu erzeugen.

Die Einstrahlung ist in verschiedenen Regionen der Erde sehr verschieden, insbesondere muss man immer zwischen direkter und globaler Einstrahlung unterscheiden. Für die Photovoltaik (PV) spielt nur die globale Einstrahlung eine Rolle. Daher wird nur diese Betrachtet.

Bild 3: Globalstrahlung senkrecht zum Boden (Quelle: WEC [2])

Auf der Karte sieht man, dass viele Gebiete eine jährliche Einstrahlungsleistung von 2000 kWh pro Jahr haben, insbesondere die Sahara, aber auch auf anderen Kontinenten (Ausnahme: Europa!), derartig gute Standorte zu finden sind.

Notwendige Flächen

Die notwendigen Flächen der Solarzellen kann man jetzt einfach berechnen. Für die Welt benötigen wir 30.000.000.000.000 kWh im Jahr, da ein Quadratmeter eine Einstrahlung von 2000 kWh hat wären das theoretisch 15.000.000.000 m² oder 15.000 km². 

Jetzt kommt der Wirkungsgrad ins Spiel, da nur 20% in Strom umgewandelt werden, benötigen wir die fünffache Fläche, das sind 75.000 km². Allerdings muss man die Zellen aufbauen können und benötigt Wege und weitere Flächen für Wechselrichter und Speicher, das dürfte den Flächenbedarf verdoppeln. Damit liegt man bei 150.000 km².

Der Transport und die Speicherung von Energie, die zwingend nötig ist, da nachts die Sonne nicht scheint, wird etwa weitere 25% der Energie auffressen, damit wären wir bei 200.000km².

Dies entspricht einem Quadrat von 448 km Kantenlänge, ganz grob gesagt doppelt so groß wie in der Zeichnung.

Faire Welt

Aktuell verbrauchen nur wenige Menschen viel Energie und viel Menschen wenig Energie. Ich bin überzeugt, dass Langfristig alle Menschen mindestens den Lebensstandard wie in Deutschland erreichen wollen. Dafür dürfte pro Person eine Energiemenge von 15.000 kWh/a notwendig werden. Es gibt einige Länder, die bereits heute einen deutlich höheren Energiebedarf haben, aber wir wollen hoffen, dass Energieeffizienz auch eine gewisse Einsparung bewirkt. 

Bei einer Weltbevölkerung von 8 Mrd. Menschen wird das einen jährlichen Energiebedarf von 120.000 TWh oder 120.000.000.000.000 kWh, also das Vierfache des bisherigen Bedarfs, ergeben. Damit würde sich die Fläche mit Solarzellen immerhin auf ein Quadrat mit einer Kantenlänge von 1000 km vergrößern (Bild 4).

Bild 4: Die Welt vollständig mit Solarenergie in Zukunft versorgen

Weiterhin ist die Fläche von einer Million Quadratkilometer immer noch klein im Vergleich zur Sahara, aber ein ernsthafter Teil der festen Erdoberfläche. Die Welt hat etwa 15 Millionen Quadratkilometer sonnige Wüsten, das bedeutet, etwa 1/15 dieser Fläche muss in Zukunft mit Solarzellen für die Energieversorgung verwendet werden. 

Speicherbedarf

Geht man davon aus, dass die Energie mindestens für einen Tag gespeichert werden können muss, so erfordert das eine Speicherkapazität von 330 TWh (330.000 GWh), 

zum Vergleich: Deutschland hat Pumpspeicher mit einer Kapazität von 0,04 TWh. 

Sollten große Lageenergiespeicher mit 80 GWh Kapazität (500 m Durchmesser) das Problem lösen, müssten davon beachtliche 4000 Stück gebaut werden.

Will Elon Musk das mit Batterien aus der Gigafactory lösen, so muss die Gigafactory bei einer geplanten Kapazität von 50 GWh pro Jahr, über 6000 Jahre Produzieren oder 400 Gigafactories 15 Jahre lang produzieren, um erstmals die Kapazität zur Verfügung zu stellen und immer weiter Produzieren, da Batterien nach 15 Jahre ersetzt werden müssen.

Gigantische Umstellung

Soll die weltweite Umstellung auf Solarenergie gelingen, werden gewaltige Bauten in Form gigantischer Solarfelder nötig. Sicherlich reichen dafür nie die Dachflächen. Weiterhin geht es um Investitionen, die in der Größenordnung des globalen Bruttosozialprodukts von einem Jahr liegen (80.000 Mrd. $). Das klingt viel, ist aber von der Menschheit zu schaffen, insbesondere wenn man bedenkt, dass danach Energie sauber, ohne CO2 und zu geringen Kosten produziert wird.

Ich glaube, wir schaffen das!

Zum Thema: warum Solarstrom und Speicher billiger werden, die Lernkurve.

Quellen:

[1] Eco-balance of a Solar ElectricityTransmission from North Africa to Europe, Diploma Thesis of Nadine May, Braunschweig Mai 2005

[2] World Energy Resources Solar 2016, World Energy Council 2017

A 186 page paper going into details is from Jakobson et.al., 100% Clean and Renewable Wind, Water, and Sunlight (WWS) AllSector Energy Roadmaps for 139 Countries of the World

World Energy Council 2016

Welt Energie Kongress 2016 in Istanbul

Vom 9. bis 13. Oktober 2016 fand in Istanbul der Weltkongress zum Thema Energie statt. Es war der 23. Kongress, der seit 1923 im Dreijahresrhythmus, diesmal in Istanbul, stattfand.

Die Themen des Kongresses waren über den gesamten Energiebereich, von der Öl- und Gasförderung bis zu den erneuerbaren Energien verteilt. Es kamen viele wichtige Staatsmänner wie der russische Präsident Vladimir Putin, der Gastgeber und türkische Präsident Recep Erdogan, und viele weitere Regierungschefs und Minister, darunter der israelische Energieminister Yuval Steinitz, der erste offizielle Besuch nach sechs Jahren Eiszeit zwischen der Türkei und Israel, an den Bosporus.

Vladimir Putin spricht über die Bedeutung von Energie und den Ölpreis, eine Bemerkung über eine Zusammenarbeit mit der OPEC während der Rede hat den Ölpreis um 2$ ansteigen lassen!

Das Thema Energie führt eben nicht nur Wissenschaftler und Ingenieure zusammen, sondern auch Politiker und Diplomaten. Die weltweite Verknüpfung der Energieerzeugung spielt eine wichtige Rolle und die Türkei wurde als Drehscheibe zwischen Asien, naher Osten und Europa sowie dem Mittelmeerraum dargestellt.

Die globale Energiewende

Bei allen Teilnehmern ist angekommen, dass die Energiewende, hin zu erneuerbaren Energien, insbesondere Sonne und Wind, kommt. Allerdings ist die Geschwindigkeit wie schnell das geht umstritten. Während ich selbst überzeugt bin, dass noch im nächsten Jahrzehnt der wesentliche Wandel abgeschlossen ist, sprach Marie-José Nadeau, Chair, World Energy Council davon, dass im Jahr 2060 sich der Anteil der Erneuerbaren an die 50% des gesamten Energieverbrauchs nähert [1].

Das ist aus der Sicht der Energiebranche verständlich. Dort wird mit Öl, Kohle und Erdgas gehandelt. Sollte sich der Wandel schnell vollziehen, ist das Öl und die Kohle unverkäuflich, die Branche spricht von "stranded resources". Damit ist gemeint, dass dann das Öl im Boden, auf dem ja heute der enorme Firmenwert der Energiekonzerne beruht, wertlos wird.

Schlüsselthemen bei der Energiewende in den nächsten Jahrzehnten

Dabei wurde immer wieder die Bedeutung des Pariser Abkommens zur CO2 Reduktion betont. Generell sehen dabei aber viele einen Wandel von Kohle zu Erdgas, da bekanntlich Erdgas nur halb so viel CO2 erzeugt, wenn es in Strom umgewandelt wird, als Kohle! Das liegt zum einem daran, das ein Methan-Molekül aus einem Kohlenstoff und vier Wasserstoffatomen besteht, aber auch an dem besseren Wirkungsgrad von Gaskraftwerken.

Energie-Drehscheibe Türkei

Auf der Konferenz in der Türkei spielte die geo(energie)strategische Rolle der Türkei eine erhebliche Rolle. 

Durch die Türkei laufen wichtige Öl und Gasleitungen, weitere Gaspipelines sind geplant. 

Nicht zuletzt der Bau einer neuen Gaspipeline die russische und andere asiatische Gasvorkommen einfachen Zugang nach Europa bringen, waren ein Grund, warum Putin, aber auch der Präsident von Azerbaijan, Ilham Aliyev, nach Istanbul kam.

Aliyev, Präsident von Azerbaijan, sieht Vorteile, wenn "sein" Gas durch die Türkei strömen kann.

Die Bedeutung von Wasserkraft

Es ist ja oft eine gewisse Ironie, das die Wasserkraft als wichtigste erneuerbare Energie im weltweiten Mix, sie liefert immerhin 71% aller erneuerbaren Energiequellen oder 6,8% des weltweiten Energieverbrauchs, oft vergessen wird.

Die Bedeutung der Wasserkraft kann in einer Kombination von Solar-, Wind- und Wasserkraft liegen. Auf der Konferenz sprach man von Solarenergie als Wassersparer, in der Form, dass am Tag die Turbinen am Staudamm abgeschaltet werden und der Staudamm sich zusätzlich füllt, während in der Nacht mit doppelter Kraft Wasser für die Stromerzeugung verwendet werden kann. Somit sind bereits normale Staudämme wichtige Energiespeicher für die Energiewende. Ich spreche hier noch nicht von Pumpspeichern oder gar den Lageenergiespeicher. 

Zudem gibt es, zumindest in Afrika und in Südamerika, noch viele unerschlossene Wasserkraft "Reserven". Allerdings ist man sich sehr wohl bewusst, dass jeder Staudamm auch ein enormer Eingriff in die Natur ist und sehr oft auch in die Lebensräume der Menschen eingreift! Insbesondere in Indien ist das Wasser der Flüsse heilig und damit ist kaum der Bau von Staudämmen möglich, wie ich von Richard M. Taylor, Chief Executive, International Hydropower Association, gelernt habe.

Afrika soll Strom bekommen

Während die Einwohner der Amerikas und Asien nahezu vollständig mit Strom versorgt werden, gibt es in Afrika immer noch 600 Millionen Menschen ohne Strom. Das bedeutet, kein Licht, kein einfach zu ladendes Mobiltelefon, kein Kühlschrank und auch kein Schweißgerät.

Der letzte Tag der Konferenz war daher Afrika gewidmet. Bei Afrika, hier ist im wesentlichen Schwarzafrika südlich der Sahara gemeint, muss man an die riesigen Flächen denken und die immer noch dünne Besiedlung. Dies macht den Bau eines Leitungsnetzes unwirtschaftlich und daher bekommt die Solarenergie in Inselsystemen oder in Microgrids, eine hohe Bedeutung.

Im Forum Talent and Capacity Building moderiert von Samir Ibrahim aus Kenia, rechts Sanjit 'Bunker' Roy aus Indien, und daneben Andreas Spiess, Solarkiosk, aus Deutschland.

Die praktische Umsetzung erfordert dabei ein gewisses Wissen um Strom und Solarenergie. Dieses versucht Bunker Roy mit seiner Barfuß Universität (Barefoot College) zu vermitteln, dabei unterrichtet er weltweit Frauen (Grandmothers) zu praktischen Themen der Solarnutzung, ein beeindruckendes Projekt!

Andreas Spiess versucht mit seiner, wie er betonte, kommerziellen Lösung des Solarkiosks in Afrika die Verbreitung der lokal angepassten Solarenergienutzung voranzutreiben.

Messestand 

Messestand der Heindl Energy GmbH

Die Heindl Energy GmbH hat den Speicher "Gravity Storage" auf einem Messestand präsentiert. Leider waren nur sehr wenige Unternehmen aus Europa auf der Messe vertreten. Der Stand war direkt neben Aramco, der größten Ölfirma der Welt aus Saudi-Arabien. Soweit ich es beobachtet habe, hatte unser Stand aber fast mehr Interesse geweckt.

Ein 600 MW Kraftwerk auf dem Wasser zur Notversorgung.

Es gab natürlich noch viele andere interessante Messestände, witzig fand ich noch die Idee des "Energieschiffs", das ist ein Schiff mit einem vollständigen Kraftwerk, inklusiver Umspannwerk, das in einen Hafen festmacht und die lokale Stromerzeugung, etwa nach einer Naturkatastrophe, unterstützen kann.

Noch einige Anmerkungen

Kurz nach dem Militärputsch in der Türkei war die Sicherheitsstufe sehr hoch, man wurde mindestens zweimal abgetastet, und ist dreimal durch Metalldetektoren gelaufen bevor man in den Hochsicherheitsbereich des Konferenzzentrums gelangte. 

Ausstellung zum Militärputsch

Im Konferenzbereich gab es eine Ausstellung über den Sieg des türkischen Volks gegen die Putschisten.

Die Organisation der Messe war zumindest "gewöhnungsbedürftig" aber Istanbul hat durch leckere Restaurants wieder einiges entschädigt. Es wurde mehrmals im Kongress auf die ausgezeichneten Urlaubsmöglichkeiten in der Türkei hingewiesen.

Etwas rustikales Kellerambiente bei der Verpflegung der Tagungsgäste, die Teilnahmepreise waren erheblich!

Die Teilnehmer der Konferenz kamen aus vielen Ländern, allerdings waren westliche Länder unterdurchschnittlich vertreten. So habe ich Griechenland vermisst, das ja angeblich große Gasvorkommen hat, aber wohl keine guten Beziehungen zur Türkei.

Herkunft der Tagungsteilnehmer, Asien bildete den Schwerpunkt.

Alle Foren waren im orientalischen Stil, auf fünf gemütlichen Sesseln saßen die Teilnehmer und diskutierten ohne Bilder, obwohl eigentlich immer Projektoren und aufwendige Bildschirme verfügbar waren.

Der Scheich aus Dubai neben dem Rainer Baake, deutscher Staatssekretär (3.vl)

Weitere Berichte von Konferenzen

Quellen:

[1] WEC Pressemitteilung 2016

Wie viel Speicher brauchen wir?

Energiewende braucht Speicher

Die weltweite Energiewende ist im vollen Gang. Im letzem Jahr, 2015, wurde mehr regenerative Kraftwerkskapazität, Wind, Sonne, installiert, als alle Kohle, Erdgas und Kernkraftwerke zusammen. Allerdings mit einem kleinen Schönheitsfehler, die installierte Leistung produziert nicht Nachts oder bei Windstille, das bedeutet, für eine Vollversorgung benötigt man noch Energiespeicher. 

Wie gross der Speicherbedarf ist, kann man nicht eindeutig bestimmt werden, da er von vielen Faktoren abhängt. In diesen Blogbeitrag will ich aber eine globale Abschätzung des Speicherbedarfs festhalten.

Die globale Energiewende

Zunächst sei darauf hingewiesen, dass ich hier nicht die Situation in Deutschland beschreibe, sondern die globale Situation. Das ergibt Sinn, da nur global die Probleme von Peak Oil oder das CO2 Problem gelöst werden können. Umso erfreulicher ist es, dass etwa in 2016 fast doppelt so viel Photovoltaik (PV), 70 GW, installiert wird, wie in Deutschland installiert ist. Und Deutschland ist mit 40 GW zweiter hinter China in der Liste der PV Installationen. Es sei darauf hingewiesen, dass ich hier nur den Stromverbrauch betrachte, längerfristig wird alle Energienutzung auf Strom umgestellt, was nochmals zu einer Verdopplung aller vorgestellten Zahlen führen dürfte.

Die Entwicklung der globalen Energiewende kann man verstehen, wenn man die Entwicklung der letzten 25 Jahre aufzeichnet:

Entwicklung des Energieverbrauchs und der Installation von Erneuerbaren Energiequellen,
Grafik eigene Darstellung, Daten von BP.

Zunächst sieht man, dass der Strombedarf in der logarithmischen Darstellung konstant wächst, um etwa 3% pro Jahr. Der Zubau von Wind- und Solarkraftwerken aber mit 22% was dazu führt, dass ca. 2025 weltweit so viel PV und Wind installiert ist, wie konventionelle Kraftwerke. Eine Situation, die in Deutschland schon erreicht ist!

Die produzierte Strommenge reicht aber erst, um das Jahr 2030 aus um den gesamten Bedarf Strombedarf der Welt zu decken, immer vorausgesetzt, dass der Zubau weiter wächst. Die Deckung des gesamten Strombedarfs kann man aber nur erreichen, wenn ausreichend Speicher vorhanden sind und das wird in nächsten Jahrzehnt das ganz große Thema.

Einflüsse auf den Speicherbedarf

Den größten Einfluss auf den Speicherbedarf hat das Stromnetz. Das liegt daran, dass man mit dem Stromnetz den Strom optimal vom Erzeuger zum Verbraucher transportieren kann. Scheint etwa in Süddeutschland die Sonne, kann man den PV Strom in den Norden transportieren, umgekehrt, weht im Norden der Wind, kann man den Windstrom über die gleichen Leitungen in den Süden transportieren.

Dies habe ich bereits in einem früheren Blogbeitrag "Stromleitungen als Energiespeicher" genauer betrachtet.

Es gibt daher einen Wettbewerb zwischen Speicher und Leitungen.

Das Optimum zwischen Netzkosten und Speicherkosten muss gefunden werden

Theoretisch könnte man eine Leitung um die Erde legen und daran alle Solarkraftwerke anschließen. Es wäre immer Strom ohne Speicher verfügbar, da immer irgendwo die Sonne scheint. Allerdings ist das sehr teuer und auch der Transport über sehr große Strecken führt zu Verlusten in der Leitung. Alternativ kann man sich einen Speicher in den Keller stellen, der über ein halbes Jahr die Solarenergie sammelt und dann käme man völlig ohne Leitung aus. Dieser Speicher müsste pro Person etwa 1000 kWh speichern können, bei aktuellen Preisen von 1000€/kWh für private Batteriespeicher zahlt man dann pro Person eine Million für den Speicher, nicht ökonomisch darstellbar, wie man so schön sagt.

Genauere Rechnungen, wie sie etwa von J. Tambke und L. Bremen [1] durchgeführt wurden, zeigen, dass bei einem optimalen Netzausbau in Deutschland und vollständiger Umstellung auf Wind- und Solarenergie die Energie "nur" für eine Woche gespeichert werden muss. Bei einer "Kupferplatte" über ganz Europa benötigt man sogar nur zwei Tage Speicherkapazität.

Sieht man sich die Weltkarte an, so wird allerdings schnell klar, dass weitreichende Stromnetze nicht überall auf Zustimmung stoßen werden. Stromleitungen sind eine empfindliche Infrastruktur und wer will schon, dass der Strom durch Krisenregionen geleitet wird, was bedeuten kann, dass plötzlich die Leitung ausfällt. Es gibt da Historisch leider einige Beispiele.

Weitere Optimierungsmöglichkeiten

Weitere Faktoren auf den Speicherbedarf stellen die Verbraucher dar. Würden alle Verbraucher genau dann die Energie abrufen, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht, wären überhaupt keine Speicher erforderlich. Aber da sehr viele Verbraucher nur aufwendig flexibler werden können, so will etwa niemand nur dann mit dem Zug fahren, wenn gerade die Sonne scheint, muss man immer mit einer gewissen Grundlast rechnen. Dabei sein angemerkt, dass nur 40% des Stromverbrauchs in Haushalten stattfindet, der Rest teilt sich auf Industrie, Gewerbe und öffentliche Einrichtungen auf.

Wichtige Einflussfaktoren für den Speicherbedarf, eigene Darstellung.

Auch das Smart Grid, zeitweise stark beworben kann nur etwa 10% des Verbrauchs verschieben, siehe Blogbeitrag "Das Märchen vom Smartgrid". Und trotzdem kann man den Bedarf natürlich optimieren, warum sollte ein chemischer Reaktor auf voller Leistung laufen, wenn gerade der Strom knapp und damit auch teuer ist? Ich gehe optimistisch davon aus, dass etwa 50% des Speicherbedarfs durch optimale Steuerung aller Verbraucher vermieden werden kann.

Speicherbedarf im Jahr 2030

Im Jahr 2030 wird bei kontinuierlichem Wachstum etwa ein globaler Stromverbrauch von 5.000 GW vorhanden sein. Geht man von einer sehr guten Vernetzung aus, das bedeutet, Regionen von der Größe Europas können fast perfekt den Strom austauschen benötigt man zwei Tage Speicherkapazität. Berücksichtigt man dann noch, das 50% des Speicherbedarfs durch optimale Steuerung eingespart werden, muss man Speicher haben, die eine Kapazität von einem Verbrauchstag speichern können. Bei 5.000 GW Strombedarf und 24 h Speicherbedarf ist das eine Kapazität von 120.000 GWh

Weltweiter Speicherbedarf in 2030: 120.000 GWh.

Diese Speicherkapazität ist gewaltig, daher soll sie in Relation zu bekannten Speichern gesetzt werden. In Deutschland gibt es Pumpspeicher mit einer Kapazität von 40 GWh. Das ist weniger als 0,03% des globalen Speicherbedarfs, dabei hat Deutschland noch ein gut ausgebautes Pumpspeichersystem. Will man die Speicherkapazität mit Batterien aufbauen und nutzt dazu die Gigafactory von Elon Musk in Nevada, die nach Fertigstellung etwa 50 GWh Batterie-Kapazität im Jahr produziert, benötigt man 2.400 Jahre bis ausreichend Batterien produziert sind.

Der Lageenergiespeicher, Gravity Storage [2], kann in einer Standardausführung mit 250 Meter Durchmesser 8 GWh speichern. Das bedeutet man benötigt, davon 15.000 Stück. Oder wenn man die große Version mit 500 Meter Durchmesser wählt, immer noch ca. 1000 Stück. 

Vermutlich wird daher nur ein Teil des Speicherbedarfs über echte Energiespeicher wie Batterien oder Pumpspeicher abgedeckt. Der Rest könnte noch für einige Zeit aus Erdgaskraftwerken kommen oder durch optimales Managen von großen Stauseen. 

Auf jeden Fall wird es einen gewaltigen Markt für Energiespeicher geben!

Quellen:

[1] Jens Tambke, Lueder von Bremen, Länderübergreifender Ausgleich für die Integration Erneuerbarer Energien.
[2] Gravity Storage, engineered by Heindl Energy GmbH

Tesla und die Batteriepreise

Tesla und die Batterie-Preise

Mit der Meldung von Tesla Motors, man will eine Gigafactory für Lithium-Ionen-Batterien (LiIon)bauen, verändert sich der Batteriemarkt grundlegend. Wie stellt sich der Markt für Lithium Batterien in Zukunft dar? Eine entscheidende Größe wird sein, wie viele Elektroautos LiIon-Batterien nutzen werden. Alle bisherigen LiIon-Batterien wurden im Wesentlichen in Laptops und anderen mobilen Endgeräten eingebaut. Der Bedarf an elektrischen Strom aus Batterien für einen Laptop oder iPad ist erheblich geringer als der für ein Elektroauto, daher muss bei einer weltweiten Einführung des Elektroautos eine massive Ausweitung der Batterieproduktion stattfinden.

Geplante Batteriefabrik der Firma Tesla Moors in den USA (Bild: Tesla [2])

Der Preis von Batterien

Heute kosten LiIon-Batterien für den Endverbraucher mindestens fünfhundert Euro pro Kilowattstunde Speicherkapazität. Dieser hohe Preis ist auch durch die kleinen Einheiten bestimmt, da selten Batterien mit einer Kilowattstunde verkauft werden, sondern nur mit dem Bruchteil davon. Eine typische Laptopbatterie hat etwa 0,05kWh. Will man ein erfolgreiches Elektroauto bauen, wie der Tesla S, der eine Reichweite von fünfhundert Kilometern hat, benötigt man 85 kWh Batteriekapazität. Tesla bietet den Austausch einer Batterie, mit 85 kWh Kapazität, für 12.000 Dollar an, das ist allerdings nicht der aktuelle Batteriepreis, da der Austausch nur bei Bedarf erfolgt [1]. Der tatsächliche Preis einer Ersatzbatterie auf dem freien Markt liegt bei 30.000$, mithin kostet eine Kilowattstunde nicht nur 100€, sondern eher 250€, immer noch ein günstiger Preis.

Anmerkung: Aktuelle Liste der Batterie-Preise [Quelle: Wirtschafts-Woche]

Solarbatterien

Die gewaltigen Preisunterschiede gegenüber stationieren Batterien für Solaranlagen, die heute angeboten werden, liegt im Wesentlichen an den kleinen Stückzahlen, in denen diese stationären Batterien verkauft werden und an dem Aufwand dieses Lokal zu installieren. Nach einer Untersuchung von Prof. Sauer [3] liegen aktuell (2013) die Preise von stationären LiIon-Systemen bei 2000-3800€/kWh, das ist etwa der Faktor zehn gegenüber LiIon-Tesla Batterien!

Batterien aus der Autofabrik

Die Zukunft soll mit Elektroautos fahren, daher werden enorme Mengen an Batterien benötigt. Tesla rechnet im Jahre 2020 mit 500.000 verkauften Fahrzeugen, die dafür notwendigen Batterien liegt jenseits der aktuellen jährlichen Produktionskapazität alle LiIon-Batterien weltweit, siehe Abbildung. Das bedeutet, entweder bauen andere Hersteller ihre Kapazität aus oder das Unternehmen Tesla baut die Batterien selbst. Da Batterien der Kern der Wertschöpfung in Elektroautos sind, keine Komponente ist annähernd so teuer, ist der Aufbau einer eigenen Fertigung nur logisch. Tesla geht dabei von einer Kostensenkung um etwa dreißig Prozent aus. Das bedeutet zukünftig kann eine Batterie für 170€/kWh auf Basis von Lithium-Ionen verkauft werden!

Batteriemarkt und die Dimension der Gigafactory von Tesla (Bild: Tesla [2])

Folgen niedriger Batterie-Preise im Süden

Die Folgen einer solchen massiven Preisreduktion gegenüber den aktuellen Werten im Handel führt zu einer starken Veränderung, die Möglichkeit lokal Fotovoltaik mit Batterieunterstützung zur autonomen Stromversorgung zu verwenden wird kostengünstiger als ein Netzanschluss. Besonders in sonnenreichen Regionen, wie in den Südstaaten der USA oder auch in den südlichen Regionen Europas, kann damit fast eine vollständige autonome Stromversorgung realisiert werden. Dies berührt das Geschäftsmodell von klassischen Stromerzeugern und Netzbetreiber erheblich. Es entfallen Millionen von Endkunden, die ihren Strom dann selbst produzieren und speichern. Der kleinen restliche Bedarf an Tagen, an denen weder die Sonne scheint, noch die Akkukapazität weiterhilft, kann mit einem preiswerten Notstromaggregat ersetzt werden. Es entstehen dann zwar an wenigen Tage im Jahr zusätzliche Kosten für den Treibstoff Diesel oder Benzin, diese sind aber erheblich unter den Gesamtkosten des externen Strombezugs.

Andere Situation im Norden

In Regionen wie Deutschland sieht die Situation leider nicht so günstig aus. Hier gibt es im Winterhalbjahr, insbesondere in den Monaten November bis Februar, derart wenig Sonne, dass selbst eine große, günstige Batterie nicht weiterhilft. Erst die Zusammenarbeit von Windenergie, die vor allem im Winter hohe Leistung liefert, und der Sonnenenergie im Sommer ermöglichen es für ein Land wie Deutschland ganzjährig im Wesentlichen auf erneuerbare Energien zu setzen. Dies erfordert allerdings immer noch eine hohe Speicherkapazität von einigen Tagen, die nicht von Batteriesystemen geleistet werden können, sondern etwa vom Lageenergiespeichern geliefert werden können.

Notwendige Produktionskapazität für Batterien

Wenn Tesla im Jahr 2020 jährlich 500.000 Batterien erzeugen will, die in entsprechende Elektrofahrzeuge genutzt werden, kann man die Frage stellen: Wie groß ist der globale Bedarf an Batterien, um alle Autos der Welt auf Elektroantrieb umzustellen? Aktuell gibt es etwa eine Milliarde Fahrzeuge auf der Welt:

Anzahl registrierter Kraftfahrzeuge weltweit in den Jahren 2005 bis 2013 (in 1.000)
Mehr Statistiken finden Sie bei Statista

Damit benötigt man eine Milliarde Batterien mit 100 kWh Kapazität. 100kWh nehme ich als Mittelwert, da Lastwagen deutlich mehr und Kleinwagen sicher weniger benötigen.
Das ergibt eine Gesamtkapazität von 100TWh an Batterien! Damit derart viele Batterien innerhalb von 10 Jahren hergestellt werden können, müssen jährlich 10TWh hergestellt werden. Das ist mit 200 Fabriken der Gigafactory-Klasse möglich. Damit ist es zumindest denkbar, dass derartige Fabriken innerhalb von 10 Jahren eine Batterie Kapazität Aufbau, um den gesamten Verkehr global auf Elektroantrieb umzustellen. Interessanterweise können diese Fabriken auch vollständig ökologisch arbeiten, wenn sie nach einiger Zeit die alten Batterien recyceln und ihre Energie aus und Wind und Sonne beziehen wie es im Businessplan [2] der Tesla Motors Inc. bereits vorgezeichnet ist.

Fazit

Die Zukunft wird die Batterie ein zentrales Produkt der Industrie. Die Batterien werden, für heutige Verhältnisse, in unvorstellbaren Mengen hergestellt werden. Zum Glück sind die notwendigen Materialien, Lithium, Graphit, Aluminium und andere Materialien, weltweit verfügbar zumindest gibt es keine ernsthafte Rohstoffknappheit da diese Elemente relativ häufig auf der Erde vorkommen.
Andere Batterie Technologien neben Lithium werden unbedeutend, vergleichbar dem Siegeszug von Silizium gegenüber anderen Halbleitern.

Zum Weiterlesen: 
Teil 1: Meine Erfahrungen mit dem Tesla
Teil 2: Tesla auf großer Fahrt
Warum Speicher billig werden, die Wirkung der Lernkurve.

Quellen:

[1] Brad Berman,  What the Tesla Model S Battery Replacement Price Doesn’t Say
[2] Tesla Gigafactory (PDF)
[3] Dirk Uwe Sauer, Speicher in netzgekoppelten PV-Anlagen, 3. VDI-Fachkonferenz – Energiespeicher für die Energiewende, Mainz 04.06.2013

IRES Speichertagung 2013

Bericht von der Speichertagung

Nach einem Jahr Abstinenz bin ich dieses Jahr wieder auf die IRES (8. Internationale Konferenz und Ausstellung zur Speicherung Erneuerbarer Energien) in Berlin gefahren. Der Titel ist etwas merkwürdig, einerseits ist die Konferenz nicht sonderlich international (ca. 30% internationale Referenten), zum anderen ist es dem Energiespeicher egal, ob die Energie "erneuerbar" oder anders erzeugt wurde. Energie ist immer Energie.

Segelschiffe als Windgeneratoren

Als originellste Idee der Konferenz will ich das Konzept von Prof. Sterner erwähnen, der mit Segelschiffen Energie erzeugen will. Segelschiffe sind vermutlich die älteste Form der mechanischen Energiegewinnung der Menschheit. Diese Form wurde durch Dampf- und Dieselschiffe abgelöst. 

Läst man aber ein Segelschiff optimal im Wind segeln, genaugenommen ein Schiff mit Flettnerrotoren, so kann man die Schiffsschraube zur Energiegewinnung nutzen! Diese Energie kann man dann in Wasserstoff und Methan umwandeln und wenn das Schiff wieder in den Hafen kommt, entlädt es den Treibstoff.

Ob das wirtschaftlich funktioniert weis ich nicht, aber das Schiff kann zumindest immer dort segeln, wo maximal Wind weht und stört niemanden an Land. Homepage Segelenergie

Eröffnung mit Politikerreden

Die Eröffnungsreden sind manchmal schwer erträglich, Johannes Remmel "Minister für Klimaschutz" in NRW findet die Konferenz natürlich gut, aber man muss wissen, dass kein Bundesland mehr CO2 pro Einwohner ausstößt als NRW und dass Frau "Kohle"-Kraft in den Koalitionsverhandlungen gerade die Umstellung auf erneuerbare Energien massiv blockiert.

Eicke Weber, der Leiter des ISE und des Bundesverbands für Energiespeicher, hat für die Idee, Solarstrom für den Eigenverbrauch zu besteuern einen sehr netten Vergleich: Wer zukünftig seine eigenen Tomaten im Garten produziert, muss diese (analog) versteuern, da er damit den großen Tomatenerzeugern schadet.

Simulation der Stromwelt

Da keiner weis, wie die Energiewelt in Zukunft aussieht, haben einige mit Computersimulationen versucht, eine Welt der Solar- und Windenergie abzubilden. Bei der Simulation von Christian Doetsch vom Fraunhofer Institut UMSICHT, wurde Deutschland in 7000 "Schnipsel" zerlegt und dann versucht ein optimales Energiesystem im Jahreslauf zu bekommen. Eine ähnliche Simulation wurde von Martin Greiner, Aarhus University Denmark, für Europa vorgestellt. Bemerkenswert ist, dass bei günstiger Nutzung der Leitungsnetze und der Speicher fast die gesamte Energie wirtschaftlich genutzt werden kann.
Allerdings sollte man immer bedenken, dass weder die Energie-Welt wie im Computer funktioniert, da Politiker gerne "eingreifen" zudem viele Altlasten vorhanden sind.

Chairman Sterner blickt auf den weltweiten Speicherbedarf.

Noch beeindruckender war die weltweite Analyse von Guido Pleßmann, Reiner Lemoine Institut, Berlin.
Auf der Weltkarte konnte man sehen, wo zukünftig viele Speicher benötigt werden wo Solar und Wind optimal für die Versorgung eingesetzt wird, siehe Bild. Im Prinzip gibt es für jede Region ein optimales Speicherkonzept, allerdings wurde der Lageenergiespeicher noch nicht berücksichtigt.

Paneldiskussion

Am zweiten Tag gab es eine Podiumsdiskussion mit drei Frauen und drei Männern, nebenbei bemerkt, nicht repräsentativ für die Teilnehmer (>90% Männer).

Panel: Uwe Leprich, Ingo Stadler, Dirk-Uwe Sauer, Claudia Kemfert, Rana Adib, Hanne May

Warum machen wir eine Energiewende? Weil letztendlich das CO2 Problem immer drängender wird wie aus dem Publikum Herr Harrison unter großem Beifall bemerkte. Auf dem Podium schien man das fast vergessen zu haben, wenn man über Klein Klein bei der Batteriespeicher"Subvention" diskutierte.

Sehr gut hat mir der Beitrag von Professor Dirk-Uwe Sauer von der RWTH Aachen gefallen, der darauf hingewiesen hat, dass der Markt viele Probleme lösen kann, wenn klare Vorgaben zur CO2 Reduktion kommen. Weiterhin fand ich seine Bemerkung, jeder Speicher sollte die später benötigte Endenergie speichern, gut, Batteriespeicher - Strom, Wärmespeicher - Wärme, Methan - Treibstoff. Wobei ich hinzufügen würde, Pump- und Lageenergiespeicher sind billiger bei der Stromspeicherung.

Ausstellung

Neben der Konferenz gab es noch die Ausstellung. Und da war das bewegliche Funktionsmodell des Lageenergiespeicher natürlich der Eycatcher:

Eduard Heindl erfreut sich am Funktionsmodell des Lageenergiespeichers

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

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

Windenergie und Speicherbedarf

Weltweite Analyse der Windenergie

Das weltweite Windangebot reicht weit über den Energiebedarf der Menschheit hinaus. Allerdings findet man die meiste Windenergie nicht nahe am Boden sondern in Höhen ab 500m über Grund. Zukünftige Technologien können diese Energie vermutlich effizient nutzen. Dieser Blogbeitrag betrachtet die verfügbare Windenergie und den dazugehörigen Speicherbedarf. Ich beziehe mich dabei im Wesentlichen auf den Artikel Global Assessment of High-Altitude Wind Power [1]

Wo weht der Wind

Will man viel Wind finden, gibt es weltweit zwei einfache Regeln: 

• weit Oben
• in den mittleren Breiten

Die Windstärke steigt bis etwa fünfhundert Meter über Grund stetig an, bleibt dann etwa konstant und erst oberhalb von 2000m nimmt sie weiter zu und ist dann auch sehr konstant. 

Der Wind hat in günstigen Gebieten eine Energie von 10kW/m², Quelle [1]

In günstigen Gegenden, etwa bei New York an der US-Ostküste, erreicht der Wind im Mittel eine Energie von 10kW/m², das ist außerordentlich viel Energie, wenn man bedenkt, dass die mittlere solare Einstrahlung selbst in der Sahara nicht über 0,25kW/m² liegt.

Energieentnahme mit segelnden Winddrachen

Bisher wurden Windkraftwerke immer größer, weil es nur mit einem hohen Turm möglich ist, einen großen Rotor günstig in den Wind zu stellen. Dieser Ansatz hat aber seine Grenze erreicht, weil der notwendige Stahl, um einen Turm 140m hoch zu bauen und sicher zu halten, überproportional steigt. 

Eine sehr interessante Alternative sind Flugdrachen, die an einem Seil gehalten werden und sich selbst optimal in den Wind stellen.

Flugdrachen der Firma Makani Power, Bildquelle: Makani Power

 Dieser Ansatz hat mehrere wichtige Vorteile:

1. Einfaches Erreichen der Höhe mit optimaler Windgeschwindigkeit
2. Wesentlich weniger optische Beeinträchtigung
3. Wesentlich weniger (1/20) Materialbedarf als bei Windkraft-Türmen
4. Konstanter Wind

Allerdings gibt es auch erhebliche ungelöste Probleme:

1. Gefährdung des Luftverkehrs
2. Absturz auf bewohntes Gebiet
3. Vollautomatischer, zuverlässiger Betrieb
4. Materialfragen für Seil und Stromleitung

Wie so oft am Anfang einer neuen Technologie erscheinen die Probleme gewaltig, aber wer hätte gedacht, dass aus einen kleinen Doppeldecker ein A380 wird, der völlig zuverlässig fast 1000 Menschen bei 800km/h um die halbe Welt in 12.000m Höhe fliegen kann?

Speicherbedarf

Gegenüber den konventionellen Windkraftwerken benötigt man bei segelnden Windkraftwerken in großer Höhe wesentlich weniger Speicher um eine sehr zuverlässig Energieversorgung zu erreichen. In der Studie wurde dies für mehrere große Städte, wie New York durchgerechnet. Es zeigt sich, dass für einer 99,9% Verfügbarkeit des Windstroms und Stromleitungen mit 200km Länge, eine Speicherkapazität von 0,1kWh pro Quadratmeter Segelfläche nötig ist, wenn man mit 0,1kW/m² Windkraftwerksleistung arbeitet. Siehe Abbildung.

Speicherbedarf bei vollständiger Versorgung mit Windenergie. Längere Leitungen reduzieren wie üblich, den Speicherbedarf. Quelle [1]

Mit anderen Worten, um eine Stadt mit einem Energieverbrauch von 1GW mit Wind zuverlässig zu versorgen, benötigt man 10 Quadratkilometer Segelfläche und 1GWh Stromspeicher (Kleiner Pumpspeicher). Will man die Segelfläche auf einen Quadratkilometer reduzieren, vergrößert sich der Speicherbedarf auf 1.000GWh, mehr Speicherkapazität als alle Pumpspeicher weltweit haben.

Eine ähnliche Abhängigkeit hat man auch bei konventionellen Windkraftwerken.

Klimafolgen

Würde man tatsächlich die weltweite Energieversorgung auf hochfliegende Winddrachen umstellen, benötigt man dafür, bei optimaler Lage, eine Drachenfläche von 500km², eine überschaubare Fläche. Unvergleichlich weniger als eine Vollversorgung mit Solarenergie.

Der klimatische Effekt besteht darin, dass sich der Wind etwas reduziert, was die Ausgleichsströmungen zwischen Tropen und Polarregion abschwächt. Letztendlich würde es um ein Grad (-1°K) kälter!

Jede Form der Energieerzeugung hat eben Nebenwirkungen, in diesem Fall würde die Nebenwirkung günstig der Klimaerwärmung entgegenwirken.

Fazit:

Hochfliegende Windkraftwerke haben ein sehr großes Potential, dass allerdings mit heutiger Technik schwer zu erschließen ist. Aber die Aufgabe ist nicht annähernd so schwer, wie eine kontrollierte Kernfusion. Daher sollte man in diesem Bereich auch in Deutschland mehr forschen. 

Ähnliche Themen:

• Stromleitungen als Energiespeicher
• Wie oft braucht man Energiespeicher

Quellen:

[1] Cristina L. Archer und Ken Caldeira, Global Assessment of High-Altitude Wind Power, doi:10.3390/en20200307

Innovationen verhindern, mit Schutzzöllen!

EU will fast 50% Schutzzölle auf Photovoltaik erheben

Eigentlich kann man es fast nicht glauben, dass in einer Welt, in der die Zölle nach und nach abgeschafft werden, die Europäische Union neue Zölle einführt. Auf Dauer behindern Zölle den feien Handel, das wurde von der EWG (Europäische Wirtschaftsgemeinschaft) früh erkannt und man hat die Zölle innerhalb der EU weitgehend abgeschafft, sehr zum Vorteil der Industrie. 

Warum schaden Zölle?

Das Prinzip einer arbeitsteiligen Wirtschaft beruht auf der Spezialisierung aller Teilnehmer. In der ersten Phase der Neuzeit begannen einige Stahl zu bearbeiten, andere Leder und im Tausch hatten beide ihren Vorteil.

Inzwischen haben wir eine Weltwirtschaft, in der tausende, hochspezialisierter Unternehmen ihre Produkte auf der ganzen Welt anbieten, allein in Deutschland gibt es 2000 Weltmarktführer, von der Luxuslimousine bis zum Heizofen, von der Turbine bis zur Nähnadel. Weltmarktführer haben immer ein gewisses Monopol, da sie die Patente und die Fähigkeit haben, die besten Produkte günstig anzubieten. 

Warum macht sich ein kleines mittelständisches Unternehmen die Mühe hoch innovativ zu sein? Damit es in allen Ländern Kunden bekommt und über den großen Absatz die Entwicklungskosten wieder hereinholt. Mit den Einnahmen wird weitere perfektioniert und so dreht sich die Innovationsspirale!

Zölle zielen auf die Abschottung von Märkten ab, Unternehmen die nicht wettbewerbsfähig sind werden scheinbar geschützt, da die besseren Mitbewerber nicht zu fairen Preisen auf dem Markt liefern dürfen.

Die schwachen Unternehmen brauchen sich jetzt nicht mehr zu bemühen, der Staat kümmert sich um den Absatz, allerdings nur kurz. Da die Produkte auf dem Weltmarkt nicht bestehen, bröckeln auch die Einnahmen und letztendlich verschwinden die Unternehmen.

Die Solarbranche

In der Solarbranche ist eine weltweite Branche, nur 20% der PV Module werden in Deutschland verkauft, die großen Märkte entstehen in Asien. 

In einer chinesischen Hersteller haben nach eigenen Angaben nur 10% Personalkosten, über 50% sind Anlagekosten und wo kommen die Produktionsmaschinen her? 50% aus Deutschland! 

Das gilt für viele Produkte, auch ein iPhone kommt aus China, wurde in Kalifornien entwickelt und die Produktionsmaschinen sind in Deutschland entwickelt worden, das weis ich zufällig sehr genau, da ein Verwandter die Entwicklung leitet.

Würden jetzt die Chinesen als Gegenmaßnahme Zölle auf Produktionsmaschinen erheben, werden die iPhones aber auch die Solarzellen teurer.
Laut BDI sichern die deutschen Exporte nach China eine Million Arbeitsplätze in Deutschland.

Vorteil billiger PV Module

Man kann lange darüber streiten, ob des EEG* Gesetz den CO2-Ausstoß in Deutschland merklich reduziert, aber die Sekundäreffekte sind enorm: Das EEG hat die Produktionszahlen für PV enorm erhöht, damit sind die PV-Module unerwartet günstig geworden, damit lohnt sich PV an vielen Orten der Erde und damit ist eine Rückkopplung eingeleitet, die das CO2 Problem wirklich löst.

Siehe: Weltweiter Trend zu Solarenergie

Stoppt die Zölle

Auf Dauer ist niemanden geholfen, wenn mit Zölle die Innovationen gebremst werden. Aber besonders skurril ist, wenn mit Importzöllen die PV-Preise steigen und damit die EEG-Abgabe nicht so schnell sinkt, wie es ohne Zölle möglich wäre. Absurde Politik. 

Und wenn es stimmt, dass die chinesische Regierung die PV-Branche unterstützt, so kann ich nur sagen, in Deutschland wird die PV-Branche mit 60 Milliarden € über das EEG unterstützt, wenn das mal keine Subvention ist! 

*EEG: Erneuerbare Energien Gesetz

Weltweiter Trend zur Solarenergie

Weltweites Wachstum der Solarenergie

Viele Menschen in Deutschland glauben, der Ausbau der Solarenergie sei ein speziell deutscher Trend. Daher schaue ich heute einmal über die Landesgrenzen.

Weltweite Entwicklung der Solarenergie (nur wenige, ausgewählte Länder dargestellt)

Und hier der neue Stand 2014, es genügen inzwischen 25% jährliches Wachstum um bis 2030 eine weltweite Vollversorgung mit Solarenergie zu erreichen!

Weltweite Entwicklung der Solarenergie (update 2014 mit China)

Im Jahr 1992 waren weltweit 100MW_peak Solarzellen installiert, die meisten Solarzellen blickten damals von der USA aus zur Sonne, siehe Abbildung.

1997 hatte Japan die USA überholt und seit 2005 liegt tatsächlich Deutschland bei der installierten Leistung vorne. 

Sehr bemerkenswert ist aber, dass die Zahl der Länder, die massiv neue Photovoltaikzellen installieren seit 2005 ungewöhnlich stark ansteigt. In der Summe sind daher inzwischen über 100GW_peak Photovoltaik, also das Tausendfache als vor 20 Jahren, weltweit installiert. Dies ist um so bemerkenswerter, da dies bedeutet, dass bereits 0,5% des weltweiten Strombedarfs durch Photovoltaik gedeckt werden.

Auf den ersten Blick erscheinen 0,5% nicht viel. Aber der entscheidende Punkt ist die Wachstumgsdynamik. Sollte das Wachstum der Photovoltaik von aktuell 70% dauerhaft auf den niedrigsten Wert der letzten 20 Jahre zurückfallen, das waren 30% 1993, dann schneidet die Kurve irgendwann um 2030 den weltweiten Strombedarf!

2030 Weltweiter Strombedarf mit PV gedeckt

Wenn also die Anzahl der Photovoltaik Installationen stetig wächst, wird bereits 2030 der weltweite Strombedarf , gegenwärtig ca. 20.000TWh [1], vollständig aus Solarstrom gedeckt werden können. Dabei muss man berücksichtigen, dass PV, je nach Ort, unterschiedlich viel Strom liefert. In Deutschland liefert ein MW_peak etwa eine GWh Strom im Jahr. In vielen Gegenden ist der Wert deutlich höher und liegt bei 2GWh pro installiertem MW_peak. 

Um 20.000TWh das sind 20.000.000GWh zu erzeugen ist damit die Installation von 10.000.000MW_peak erforderlich. Dieser Wert wird um 2030 erreicht werden, wenn das oben dargestellte Wachstum von 30% fortgesetzt wird.

Ursache des Wachstums

Günstige PV-Module

Der wichtigste Grund für die Installation von Solarzellen ist längerfristig der niedrige Preis. Bereits heute werden Solarzellen zum Preis von 500€/kW_peak produziert[2]. Damit kann man in einer sonnigen Gegend jährlich 2000kWh Strom produzieren, das sind in zehn Jahren 20.000kWh. Mit einem (niedrigen) Strompreis von 5ct/kWh nimmt man damit 1000€ ein! Somit kann man an vielen Orten der Welt bereits jetzt, ohne jede Subvention, Gewinne machen. Anmerkung: Eine genaue Kalkulation mit Gestelle und Wechselrichter lasse ich weg, führt aber in die gleiche Richtung.

Banken lieben Solarstrom

Wer wirklich in eine Solaranlage investiert, wird einen Kredit aufnehmen. Für eine Bank ist ein Projekt, das bereits wenige Monate nach Baubeginn einen leicht zu errechnenden Betrag abwirft perfekt. Insbesondere wenn keine weiteren Risiken wie Brennstoffkosten, CO2 Auflagen, Lohnkosten, Mietausfall, usw. auftreten. Daher bekommen Investoren für Solaranlagen einen günstigen Zinssatz. Ganz anders, wenn jemand ein Kohle, Gas oder gar ein Kernkraftwerk bauen will. 

Sinkende Preise

Das stetig wachsende Volumen in der Solarzellen-Produktion führt zur sogenannten Lernkurve. Das bedeutet, mit einer Verdopplung der Produktion sinkt der Preis pro kW_peak um 20%, ein langfristiger Trend wie man in der folgenden Abbildung sieht.

Lernkurve der Photovoltaik, Quelle: SolarValley

Selbst wenn das Investitionsvolumen in die Solarenergie konstant bliebe, würde damit die installierte Leistung exponentiell wachsen.

Folgen bei der Umstellung

Die rasante Umstellung auf Solarenergie wird noch von vielen nicht wahrgenommen, das liegt insbesondere an dem scheinbar geringem Prozentsatz von 0,5% Solarstrom. Schreibt man das Wachstum aber fort, ergeben sich einige wichtige Konsequenzen:

1. Ab einem Anteil von 30% Solarenergie werden Speicher weltweit erforderlich
2. Das CO2 Problem wird fast von selbst verschwinden
3. Die Solarindustrie wird vorübergehend eine der größten Industrien der Welt

Ich gebe hier nur ungern Aktientipps, aber für mich ist diese Entwicklung schon sehr bemerkenswert. Unternehmen die heute einen hohen Marktanteil haben, etwa Yingli (Börsenwert: 315Mio.€) mit ca 10% Marktanteil kosten nur ein tausendstel der Firma Apple (Börsenwert: 308Mrd.€). 

Die Entwicklung bleibt also sehr spannend!

Mehr zum Wachstum: Solarenergie bis zur Dysonsphare
Mehr zur Wachstumsbremse: EU- Schutzzölle

[1]OECD Factbook

[2]www.Solarserver.de

Investitionsvolumen neue Energiespeicher

Sobald die Energieproduktion aus Wind und Sonne den Bedarf übersteigt, ist es sinnvoll, Strom in großem Umfang zu speichern. Mittags, am 28. März 2012 wurde erstmal in Deutschland über die Hälfte des Stroms aus Windkraftwerken und Solaranlagen erzeugt. Innerhalb weniger Jahre wird es völlig normal sein, dass zeitweise deutlich mehr Strom produziert wird als von allen Verbrauchern benötigt wird.

Vermutete Umsätze im Speichermarkt bis 2021 laut Pike Research

Speichervolumen
Das zu erwartende Speichervolumen ist dabei abhängig von den Stromleitungen, eine gute Schätzung ist, dass innerhalb Deutschlands eine Verbesserung des Stromnetzes erfolgt, aber kein perfektes Stromnetz in Europa aufgebaut werden wird. Damit entsteht ein Speicherbedarf von sieben Tagesladungen Strom, das sind 11.000 GWh. Es ist dabei zu beachten, dass die Speicher wohl nie innerhalb von sieben Tagen vollständig entladen werden, jedoch in ungünstigen Zeiten, wenn wochenlang wenig Wind weht und wenig Sonne scheint, die Speicher diese Energiemenge zusätzlich zu den schwachen anderen Stromquellen liefern.

Preise für große Speicher 
Die günstigsten Speicher sind bis heute Pumpspeicherkraftwerke, dort kostet eine Kilowattstunde Speicherkapazität etwa 100 €. Würde man in Zukunft nur auf diese Technik setzen, kosten die Speicher 1100 Milliarden Euro, das ist vergleichbar mit dem sogenannten Rettungsschirm für den Euro, der angeblich 800 Milliarden Volumen hat. Dies ist offensichtlich extrem viel Geld, das nicht in einem Jahr ausgegeben werden wird.
Eine Analyse von Pike Research geht davon aus, dass bereits im Jahr 2020 weltweit mehr als 20 Milliarden $ für große Speicher pro Jahr ausgegeben werden. Nach fünfzig Jahren wären das aber erst die notwendigen Investitionen, die für Deutschland alleine nötig sind (bei konstanten Ausgaben gerechnet).

Mögliche Alternativen
Die Studie von Pike Research verteilt die Ausgaben auf verschiedene Speichertechnologien. Dabei ist anzumerken, dass "Advanced" Lithium oder Flow Batterien noch nicht existieren. Natrium Schwefel Batterien sind nach einem schweren Zwischenfall in Japan etwas in Verruf geraten und mit weit über 100€/kWh auch nicht billiger als Pumpspeicher. CAES bedeutet Compressed Air Energy Storage, auf deutsch Druckluftspeicher, diese sind zwar mit 100€/kWh günstig aber aus physikalischen Gründen liefern sie nur 40% der eingespeicherten Energie zurück.
Bleibt noch der Lageenergiespeicher, der hier nicht erwähnt wird, aber das Potenzial hat, um den Faktor 50 günstiger als ein Pumpspeicherkraftwerk zu sein.

Weltweiter Bedarf
Analysiert man nicht nur den deutschen Markt, sondern den Weltmarkt, dann ergeben sich extrem große Zahlen. Längerfristig wird weltweit ein Wechsel zu Wind- und Solarenergie stattfinden. Nicht, weil es ein CO2 Problem gibt, sondern weil es einfach billiger ist, ein Wind oder Solarkraftwerk aufzubauen. Eine Situation die bereits jetzt an vielen Orten der Welt eingetroffen ist. Damit wird es nötig, eine Speicherkapazität von der gleichen Größenordnung wie in Deutschland aufzubauen, mit den weltweiten Stromverbrauchsdaten aus 2008 ergibt sich damit ein Speicherbedarf von 360 TWh, was bei der Nutzung der preiswertesten verfügbaren Technik, dem Pumpspeicherkraftwerk, auf 36.000 Milliarden Euro führt. Damit ist klar, dass der Markt für die Speicherung von Strom einer der bedeutendsten Märkte der nächsten 30 Jahre wird, der Zeitraum, in dem die globale Energieversorgung auf erneuerbare Energien umgestellt wird. Könnte man den Lageenergiespeicher zum erwarteten Preis von 2€/kWh realisieren, wäre das eine weltweite Einsparung von etwa 35 000 Milliarden Euro!