Autobatterien

Das Benzinauto

Mit dem Ende des Mineralöl-Zeitalters wird viel über Elektroautos diskutiert. Worum geht es dabei eigentlich. Die erste Frage ist, mögen Menschen, die mit Benzinautos aufgewachsen sind und oft einige wichtige Erlebnisse mit dem Auto verbinden, auf das Benzinauto verzichten.
Benzin ist eine sehr besondere Substanz, für uns im Alltag die Substanz mit der höchsten Energiedichte, aber auch mit einem charakteristischen Geruch. Da Menschen Gerüche unbewusst assoziieren, bleibt unklar welche Gefühle es weckt.
Ein weiterer Aspekt ist das Autorennen, insbesondere Formel 1, das Geräusch wurde von der Musikgruppe Beatles als das schönste Geräusch bezeichnet. Manche Autos werden sogar speziell so optimiert, dass sie ein charakteristisches Benzinmotor-Geräusch abgeben.
Damit ist klar, eine emotionslose Debatte über Elektroautos wird schwierig!

Batteriewechselstation, Bildquelle: Spiegel online

Das Elektroauto

Worin liegt der größte Mangel des Elektroautos? Es ist die Batterie, oder genaugenommen die Reichweite der Batterie. Wenn man mit einem Benzinauto 600 km fährt, muss man sich genau fünf Minuten um die Energieversorgung des Autos kümmern. Das ist bei geschätzten 10 Stunden Fahrzeit weniger als ein Prozent "Energiezeit".

Mit der Autobatterie wird man entweder bei jedem Halt einen Stecker einstecken müssen und vor dem Losfahren wieder entfernen. Das ist pro Fahrt eine Minute, und bei 600 km, die in 10km "Häppchen" abgefahren werden [1], immerhin eine Stunde Energiewartung. Das ist sicherlich kein besonderer Komfortgewinn. 

Selten fahren Menschen Strecken, die weit über die Reichweite von heutigen Elektroautos hinausgehen. Handelsvertreter blende ich jetzt absichtlich aus. Aber das ist nicht die entscheidende Frage, wieder sind es die Emotionen und Machtphantasien, die uns suggerieren, wir könnten jetzt in unser Auto einsteigen und in Südfrankreich aussteigen. Das haben wir vielleicht erst zweimal im Leben gemacht, aber es ist ein Erlebnis, das stark im Gedächtnis eingebrannt ist. 

Welche Batterielösung hilft?

Ein kritischer Faktor ist das Aufladen von Batterien. Stellen wir uns vor, ein Elektroauto hat eine 50kWh Batterie, was eine Fahrstrecke von drei- bis sechshundert Kilometern ermöglicht, wie lange dauert das Laden? Soll das Laden in fünf Minuten erfolgen, müssen pro Minute 10kWh in die Batterie fliesen, das ist eine Leistung von 600kW! Maschinen mit derartigen Leistungsanschlüssen benötigen dicke Hochspannungskabel, die auf keinen Fall an jeder Laterne zur Verfügung stehen. Damit kann diese Aufladung nur an speziellen Stromtankstellen erfolgen. Dabei sei bemerkt, dass heutige Batterien ein derart schnelles Aufladen nicht vertragen, aber das könnte technisch lösbar sein.

Batteriewechsel

Eine sehr logische Weiterentwicklung ist das Austauschen der Batterie. Bereits heute kann man ohne Probleme innerhalb von fünf Minuten eine Batterie in einem Elektroauto austauschen, wie die Firma better place gezeigt hat, die bereits heute in Dänemark arbeiten. Das Argument, dazu müsste man die Batterien standardisieren und das gelingt nicht verstehe ich nicht, auch heute hat man standardisierte Autobatterien.

Der Wechsel hat mehrere fundamentale Vorteile:

• Unbegrenzte Fahrstrecke
• Sehr kurze Energiewartung
• Unabhängig von "vergessenem" Aufladen
• Bekannte Infrastruktur, Tankstellen
• Sicherheit, weniger Starkstromkabel

Daher gehe ich davon aus, dass der Wechsel zum Elektroauto über den Wechselakku erfolgen wird. Auch wenn es heute noch Widerstände bei den Herstellern gibt. Die an zwei Aspekten liegen, zum einem gibt es kein wirkliches Interesse an Elektroautos, zum Anderem sind die Hersteller noch zu sehr in der alten Benzinwelt verhaftet, die den individuellen Benzintank als relevantes Designmerkmal sieht.

Anmerkung vom 18.7.2013: Offensichtlich wird auch Tesla Batteriewechsler!

Ein Tesla kann in weniger als 90 Sekunden die Batterie wechseln, doppelt so schnell als konventionelles Tanken!

Mehr zum Thema:

• Meine Erfahrungen mit dem Tesla
• Gewicht von Energiespeichern
• Benzin, ein teurer Energiespeicher
• Kosten von künstlichem Öl

Das Gewicht von Energiespeicher

Energie Speicher sind schwer

Jede Form der Energiespeicherung erfordert den Einsatz von Materialien, die Gewicht haben. Ich will mal versuchen das Gewicht der Speicher einheitlich zu betrachten.

Besonders bei Fahrzeugen, Autos, Fahrräder und natürlich Flugzeugen spielt die Masse pro gespeicherte Energiemenge, ich nehme wieder die kWh, eine große Rolle. Aber auch andere mobile Systeme wie Laptop, Handy und viele andere mobile Geräte nutzen heute Energiespeicher, die möglichst leicht sein sollen.

Die physikalische Grenze

Zur Orientierung will ich mal angeben, wie viel eigentlich die Energie "eine Kilowattstunde" wiegt. Hier hilft die weltbekannte Formel von Einstein weiter:

E = mc²

und umgeformt

m = E/c²

Dabei ist E die Energie, eine Kilowattstunde sind 3.600.000 Joule (Nm=kg m² /s²), c ist die Lichtgeschwindigkeit mit 300.000.000 m/s und schon erhält man:

m = 3600000 kg m²/s²/(300000000 m/s)²

m =  0,00000000004kg

m = 0,00000004g

m = 0,00004 mg

m = 0,04 µg

m = 40 ng

Die Kilowattstunde wiegt gerade mal 40 nano Gramm, das Gewicht von Batterien liegt also nicht an der Energie, sondern am Energieträger. Der Wert 40ng/kWh ist daher rein theoretischer Natur, wichtig für den Raketenbauer in Star Trek oder ähnlichen Science Fiktion.

Wasserstoff, das leichte Element 

Wasserstoffatome bestehen nur aus einem Proton und einem Elektron, daher sind Wasserstoffatome sehr leicht. Da die Energie in chemischen Bindungen, grob gesagt, immer gleich ist, spielt das Gewicht der Atome eine erhebliche Rolle. Wasserstoff, genauer gesagt H2 Moleküle, kann man mit Sauerstoff verbrennen. Dabei wird sehr viel Energie frei. Das ist auch der Grund, warum Weltraumraketen oft Wasserstoff nutzen, man denke an den großen Tank des Spaceshuttles. Mit einem Brennwert von 141,8MJ/kg kann man leicht berechnen, dass eine Kilowattstunde Energie nur 25 Gramm wiegt. Aber das ist weniger als die halbe Wahrheit, weil zum Wasserstoff kommt ja Sauerstoff dazu, und der ist deutlich schwerer!

2H + O ⇒ H2O

Berücksichtigt man dies, muss man 228 Gramm Materie einsetzen, um eine Kilowattstunde Brennwert zu bekommen, das ist insbesondere bei Brennstoffzellen zu berücksichtigen, die den Sauerstoff nicht aus der Luft nehmen.

Diesel, das Energiewunder

Es gibt einen guten Grund, warum alle Lkw und viele andere Fahrzeuge Diesel tanken, die hohe Energiedichte. Eine Kilowattstunde, gespeichert in Form von Diesel, wiegt nur 80 Gramm und ist wesentlich leichter zu handhaben als Wasserstoff, ganz abgesehen davon, dass Diesel praktisch ohne aufwendige Prozesse aus Rohöl destilliert werden kann. Auch hier wurde der Sauerstoff nicht berücksichtigt, da bekanntlich dieser aus der Luft genommen wird. (Siehe auch: Superspeicher Diesel)

Brennwert oder Arbeit

Leider hilft der Brennwert wenig, wenn man statt Wärmeenergie Arbeit benötigt. Arbeit erzeugt hier zumeist ein Verbrennungsmotor oder eine Turbine. Die besten Wirkungsgrade liegen im Bereich von 50%, das bedeutet, dass man jeweils doppelt so viel Material mitnehmen muss, um die entsprechende Arbeit zu erhalten. Diese Situation ist bei Batterien anders, hier ist es oft möglich einen sehr hohen Wirkungsgrad (besser als 90%) zu erreichen, sodass man die Masse der Batterie direkt für die Berechnung der Arbeit einsetzen kann. (Hinweis: Eigentlich muss hier Brennwert und Heizwert unterschieden werden)

Batterien

Batterien sind Stromspeicher und da Strom perfekt in Arbeit umgesetzt werden kann, es gibt Elektromotoren mit 99% Wirkungsgrad, sind sie sehr attraktiv für Antriebe aller Art. Allerdings gibt es zwei Probleme, die Masse der Elektrolyten ist oft sehr groß, man denke nur an Blei. Ein Bleiatom ist 207-mal schwerer als ein Wasserstoffatom, das führt daher zu sehr großen Massen, die man benötigt, um eine Kilowattstunde zu speichern. In der Praxis verwendete Bleiakkumulatoren wiegen 20 kg pro Kilowattstunde. Damit sind sie um den Faktor Hundert schwerer, als die vergleichbare Menge an Diesel, wenn man die Umwandlungsverluste bereits berücksichtigt. 

Eine Reduzierung des Gewichts erreicht man am einfachsten, indem man ein Metall verwendet, bei dem jedes Atom leicht ist, und hier kommt Lithium ins Spiel, es ist das leichteste Metall, ein Atom Lithium wiegt nur so viel wie sieben Wasserstoffatome. Und tatsächlich kann man Lithium Akkumulatoren bauen, die pro Kilowattstunde nur 7kg wiegen. Das Problem ist, dass zum Lithium noch andere Materialien für den elektrochemischen Prozess benötigt werden, die letztendlich das Gewicht bestimmen. 

Theoretische Batterie

Die Forschung versucht das Problem etwa dadurch zu verringern, indem man Sauerstoff aus der Luft verwendet. Eine Gewichtsreduktion um den Faktor zehn ist zumindest nicht ausgeschlossen, wenn auch sehr schwierig. Damit wäre es möglich, in etwa einem Kilogramm Batterie eine Kilowattstunde zu speichern. Das ist immer noch schlechter als Diesel, aber es wäre für die Praxis völlig ausreichend, da auch der schwere Dieselmotor entfallen würde.

Fazit

Kohlenwasserstoffe, wie Diesel, sind optimale Energiespeicher und werden in den nächsten Jahrzehnten sicher den Antrieb von Flugzeugen und Transportfahrzeugen dominieren. Allerdings ist es denkbar, diese Treibstoffe aus Solarstrom herzustellen, siehe "synthetisches Öl aus Solarenergie". Batterien haben nur eine Chance, wenn erhebliche Verbesserungen bei der Energiedichte erzielt werden.
Für den Einsatz in Stadtautos oder Fahrrädern sind sie aber bereits heute optimal. Die Speicherkosten bei Batterien sind aber so hoch, dass sie für die Stromspeicherung im Netz keine bedeutende Rolle spielen können.

Noch ein Hinweis, der Lageenergiespeicher hat eine Energiedichte von 734kg/kWh, wenn er mit 500m Radius arbeitet.

Aktuelle Ergänzung (5. Juni 2020):

Die Preisentwicklung bei Lithium Akkumulatoren ging in den letzten Jahren steil nach unten, aktuell kostet eine kWh LiIon Akkumulator im Großhandel nur noch ca. 100 Euro und damit wird die Technik zu allen anderen Speichern vollständig Konkurrenzfähig!

Fluktuierende Erneuerbare Energien

Die aktuellen Zahlen für Solar und Windenergie für 2012 sind verfügbar! Die Folgerungen für das weitere Wachstum von Wind und Solarenergie sollen hier untersucht werden, das Resultat ist verblüffend.

Die drei Arten der Energiequellen

Es gibt eigentlich drei Klassen von Energiequellen, konventionelle Energiequellen wie Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Kernenergie. Die Kraftwerke, die auf Basis konventioneller Energieträger beruhen können dem Bedarf folgen und brauchen eigentlich keine Speicher, weil sie ja selbst "Energiespeicher" in Form der Brennstoffen verwenden. Allerdings werden sie in Anlagen verbrannt, die es nicht mögen, wenn sich der Verbrennungsprozess abrupt ändert. Da dabei thermische Spannungen auftreten und viele weitere Probleme. Insbesondere ist das Vollständig Abschalten ein Problem, daher hat man früher "Nachtspeicheröfen" eingesetzt.

Die zweite Gruppe der Energiequellen sind erneuerbare, die nur geringe Schwankungen aufweisen, und daher kontinuierlich zur Verfügung stehen, das ist die Wasserkraft, Biogas und auch das Verbrennen von Abfällen sowie die Geothermie. Die Regelbarkeit ist gerade bei Flusskraftwerken begrenzt, man kann diese bestenfalls abschalten. Biogas bietet gute Regelmöglichkeiten, obwohl diese Möglichkeit heute leider nicht genutzt wird.

Die dritte Gruppe, und die mit Abstand am schnellsten wachsende Gruppe, sind die fluktuierenden Erneuerbaren Energien, wie Windkraft und Solarenergie. Hier kann außer Abschalten keine nennenswerte Regelung vorgenommen werden, daher benötigen diese Energiequellen die stärksten Speicher.

Die Fluktuierenden wachsen schnell

Das Wachstum der fluktuierenden Erneuerbaren Energien

In den letzten zehn Jahren sind die fluktuierenden Erneuerbaren Energien im Schnitt mit mehr als 15% pro Jahr gewachsen. Dies kann man in der Grafik gut sehen, in der die installierte Leistung der Wind- und Solarkraftwerke zusammengefast dargestellt ist. 

In den letzten vier Jahren wurden sogar jährlich mehr als 20% zugebaut. Bemerkenswert ist, dass die Prognosen der "professionellen" Institute, wie das Fraunhofer Institut IWES (Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik), den Trend massiv unterschätzt (hat). So ist der prognostizierte Wert (65,1GW) für das Jahr 2020 bereits heute mit 63,2 GW nahezu erreicht! Wie kann eine derart eklatante Fehlprognose entstehen? Vermutlich werden einfache Zusammenhänge, wie der Preisverfall bei Vergrößerung des Marktes nicht richtig in die Modelle eingespeist, oder, noch schlimmer, es werden "Wünsche" der Auftraggeber abgebildet.
Aber auch die Regulierungsbehörde in Bonn geht von einem sehr zaghaften Wachstum der Wind und Solarenergie aus (Dunkelrote Punkte in der Grafik). Dies ist um so weniger verständlich, da die Studie deutlich neueren Datums ist und daher die aktuellen Trends berücksichtigen könnte.

Solche Trends sind nicht neu

Um solche Trends in der Energiewirtschaft zu verstehen hilft ein Blick in die Vergangenheit. Zwischen 1900 und 1930 hat man in den USA die Energieversorgung auf Erdöl umgestellt. Dabei sieht man ein ähnlich kontinuierliches Wachstum über 30 Jahre, siehe Abbildung:

Entwicklung der Ölproduktion in den USA

Die Produktion ist so lange gewachsen, bis der Markt praktisch gesättigt war. Und das Wachstum lief trotz Weltkrieg sehr kontinuierlich. Die Wachstumsrate lag damals etwas niedriger, was ein typisches Phänomen älterer Umstellungen ist. Auch die Einführung des Telefons ging nicht annähernd so schnell wie die des PCs oder gar die des Handys. 

Was lernen wir daraus?

1. Vermutlich wird der Zubau von Solar- und Windenergie erst enden, wenn praktisch aller Strom aus diesen Quellen kommt.
2. Die Wachstumsrate, wenn sie erst einmal konstant ist, wird durch keine externen Ereignisse wesentlich verändert.

Folgerung: Die Annahme, dass die fluktuierenden Erneuerbaren in den nächsten 15 Jahren praktisch kontinuierlich Wachsen ist wahrscheinlicher, als dass es zu einem völligen Erliegen des Zubaus kommt.

Wenn das aber so ist, werden ab 2015 Speicher wichtig und spätestens 2025 zwingend erforderlich. 

Ehrlich gesagt bin ich sehr gespannt, ob die installierte Leistung der Wind- und Solarenergie vor 2025 meine Trendlinie, die ich oben mit 15% moderat eingetragen habe schneidet.

 Lesen Sie auch: Investitionsvolumen neue Energiespeicher

Jahresdauerkennlinie und Speicher

Woher kommt der Strom

Der Strom kommt jede Minute aus anderen Energiequellen. Und der Strombedarf ist in jeder Minute anders!

Diese zwei Tatsachen kann man mit einer Grafik veranschaulichen, in der man einfach über ein Jahr aufträgt, wie viel Strom aus welcher Quelle geliefert wird, wie in der ersten Abbildung.

Stromverbrauch im Jahr 2007, Quelle: IWES Gutachten Pumpspeicher 2010

Die schwarze Kurve zeigt, wie viel Strom tatsächlich verbraucht wurde, die unteren Kurven zeigen die Erzeugung durch verschiedene erneuerbare Energiequellen. Die "Rest" dazwischen wurde mit konventionellen Kraftwerken (Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Kernenergie) erzeugt.

Da diese Darstellung nicht besonders gut zu lesen ist, gibt es eine alternative Darstellung, die Jahresdauerkennlinie. Dabei zählt man, in wie vielen Stunden eine bestimmte Last auftritt und sortiert das Resultat zu einer hübschen Kurve:

Jahresdauerkennlinie 2007, Quelle: Fraunhofer IWES und BEE 2009

Damit erkennt man, dass 8000 Stunden lang der Verbrauch größer als 45GW war, 6000 Stunden lag er sogar über 53GW. Dies ist für die Planung von konventionellen Kraftwerken (Hier der graue Bereich) sehr praktisch, da damit die Auslastung schnell erkennbar ist. 

Wesentlich schwieriger wird es, wenn man damit die fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen einträgt. Diese halten sich nicht an den Bedarf und werden erzeugt, wenn eben gerade der Wind weht oder die Sonne scheint. Erstaunlich ist es, wenn man in der Literatur verschiedenen Jahresdauerkennlinien der Zukunft vergleicht.

Hier ein Beispiel der Leitstudie "Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global Schlussbericht"

Aus dem Bundesumweltministerium:

Strom im Jahr 2050, Quelle: BMU - FKZ 03MAP146

Das erstaunliche an dieser Studie ist, obwohl offensichtlich während der Spitzenlaststunden, siehe rechten Teile der Abbildung, die Sonne scheint, wird die Solarenergie (Photovoltaik) fälschlicherweise in der Jahresdauerkennlinie im wesentlichen bei den Schwachlaststunden eingetragen, wenn gerade niemand Strom braucht. 

Die Konsequenz ist, dass man dann mit unverhältnismäßig viel Speicher rechnen muss. Ob dieser Fehler Absicht oder einfach nur Inkompetenz ist, kann ich nicht beurteilen. Zumindest in der Studie des IWES, Abbildung darüber, ist die Photovoltaik noch links, das bedeutet bei hoher Netzlast, eingetragen.

Vereinfachung der Modelle

Alle obigen Modelle und Kurven entstammen umfangreichen Computersimulationen, für die Millionen ausgegeben wurden. Ich befürchte aber, dass es sich dabei um massives "over-computing" handelt. Es wird viel gerechnet, aber wenig nachgedacht. Denn Keiner kann genau sagen wie die Welt im Jahr 2050 aussieht, außer der Aussage, die Sonne wird auch in Zukunft am Tag scheinen und in der Nacht werden viele Menschen schlafen!

Ich habe es daher mit einer stark vereinfachten Jahresdauerkennlinie versucht:

Jahresdauerkennlinie bei 90% Wind- und Solarenergie

Dabei habe ich berücksichtigt, dass die Last unterschiedlich ist, die Sonne maximal 4400 Stunden im Jahr scheint und der Wind unterschiedlich stark weht. 

Man erkennt dabei sofort, dass der Überschuss (150TWh) so gewählt wurde, dass mit einem Speicher damit die Unterdeckung von 100TWh gut ausgeglichen werden kann. Insgesamt wurden 500TWh verbraucht und dafür 267TWh Wind, 178TWh Solar und 50 TWh sonstige Energie erzeugt. Dies könnte man mit einer Windkapazität von 150GW Leistung und 170GWpeak Photovoltaik erreichen.

Die Größe des notwendigen Speichers hängt allerdings von der Anzahl der Ladezyklen ab, bei zehn Zyklen wären 10TWh nötig, wie viele Computermodelle ebenfalls ergeben.

Der große Vorteil von einfachen Modellen ist, man kann wesentlich schneller erkennen, wo wirklich die Eckdaten liegen, zudem erkennt man dabei leichter Logikfehler, wie sie oben wohl gemacht wurden.

Wie oft muss man den Energiespeicher einschalten? Mehr dazu im Blog http://energiespeicher.blogspot.de/2013/05/energiespeicher-langer-laden.html

Batterien als Stromspeicher

Batterien sind echte Stromspeicher

Die Diskussion um die Veränderungen bei der Einspeisung von Solarstrom ins Stromnetz, insbesondere die günstige Möglichkeit, Solarstrom selbst zu verbrauchen, lassen Batterien attraktiv erscheinen. Können Batterien auch wirtschaftlich das Speicherproblem für die Erneuerbaren Energien lösen? Das will ich mal näher für den Privatbereich betrachten.

Bleibatterie mit 0,3 kWh Kapazität (Bild: Wikipedia)

Was macht eigentlich eine Batterie

Vorab, eine Batterie ist ein chemisches System das Spannung liefert, sogar das Älteste (1800: erste Batterie), das man kennt. Letztendlich funktionieren Batterien, indem sie die Differenz im elektrochemischen Potential nutzen. Das bedeutet, jedes Element hat so einen Spannungswert, verbindet man zwei Elemente mit unterschiedlichen Spannungswert mit einer Flüssigkeit (Elektrolyt) so kommt es zu einer chemischen Reaktion und Strom fliest. Ist dieser Vorgang umkehrbar hat man einen Akkumulator, den man laden und entladen kann.
In der Praxis gibt es einige Einschränkungen, die Spannung, die man zum Aufladen anlegen muss ist immer größer als die Spannung die die Batterie abgibt, dadurch vermindert sich der Wirkungsgrad.
Weiterhin sind viele geeignete Elemente, insbesondere Blei, selten, giftig schwer und teuer.

Wann lohnt sich ein Batteriespeicher?

Für viele stellt sich die Frage, soll ich meinen Solarstrom mit einer Batterie speichern?

Dazu gibt es keine eindeutige Antwort. Es gibt Menschen, die wollen nie etwas wegwerfen und speichern daher den Strom auch wenn es nicht direkt wirtschaftlich ist. Diese Situation will ich nicht näher betrachten.

Damit sich ein Speicher lohnt, muss es eine ausreichende Differenz im Strompreis geben!

Rechenbeispiel:

Bezieht man etwa den "normalen" Strom aus dem Netz zu einem Preis von 25ct/kWh und kann selbst Strom aus Solarenergie für 15ct/kWh erzeugen, dann hat man bereits eine Voraussetzung erfüllt: Eine Differenz (10ct/kWh) im Strompreis. 

Produziert man Mittags eine Kilowattstunde, speichert diese Energie ab und nutzt Abends die Energie um zu kochen, hat man 10ct eingespart. Wiederholt man dies jeden Tag, hat man am Ende eines Jahres bei gutem Wetter, 300 Tage an dem man diesen Effekt nutzen kann. Damit hat man 30€ eingespart. Funktioniert die Batterie fünf Jahre, das sind 1500 Zyklen, dann hat man 150€ eingespart, die man für die Finanzierung der Batterie verwenden kann. Mehr als 3000 Zyklen erreichen nur wenige Batterien, genau genommen beginnen Batterien ab den ersten Zyklus immer etwas an Kapazität zu verlieren.

Schaut man auf den Markt, findet man nur Bleiakkumulatoren, die etwa 150€ pro Kilowattstunde kosten, also für das obige Beispiel geeignet wären. Allerdings muss man noch einige weitere Kosten  berücksichtigen:

• Wechselrichter, da Batterien nur Gleichstrom benötigen, muss der Wechselstrom umgewandelt werden, diese Wandler können ähnlich viel wie die Batterien kosten.
• Der Wechselrichter senkt den Wirkungsgrad um etwa 4% (2% pro Umwandlung)
• Wirkungsgrad: Je nach Batterie werden nur 90% Wirkungsgrad erreicht, das bedeutet, man bekommt von einer eingespeicherten Kilowattstunde nur 0,9kWh zurück. Damit kostet das Laden 15ct, entnehmen kann man nur 0,9*25ct=22,5ct. Damit hat man nur 7,5ct eingenommen!
• Alte Batterien muss man entsorgen.

Damit wird die zunächst sehr optimistische Rechnung erheblich schlechter, nach 1500 Zyklen hat man nur 1500*7,5ct =  112,5€ eingenommen (Oder eingespart).

Das System kostet aber mit Wechselrichter 300€, mit Installation oft auch das Doppelte (600€-1000€).

Offensichtlich ist ein Batteriespeicher in diesem Fall nicht lohnend.

Erstes Resultat

Bei den üblichen Strompreisdifferenzen ist ein Batteriespeicher völlig unwirtschaftlich!

Wann könnte es sich doch lohnen?

Keine Rechnung ohne Ausnahme. 

Notstrom: Sollte jemand für die Zuverlässigkeit eines Computersystems eine Notstromversorgung auf Batteriebasis planen, wird oft völlig anders gerechnet und der Gewinn besteht in den unverhofften Einnahmen. Allerdings muss die Batterie dann etwas größer ausgelegt werden, da bei einer fast entladenden Batterie natürlich keine Notstromversorgung möglich ist.

Insellösung: An manchen Orten ist der Strom wesentlich teurer als 25ct, dann wird die Rechnung für die Batterie günstiger, und es kann sich wieder lohnen.

Allgemein kann man folgende Rechnung aufstellen (ohne Zinsen):

Kosten Batteriesystem < Preisdifferenz * Wirkungsgrad * Zyklen

Folgende Werte einsetzen:

Kosten Batteriesystem: Alle Kosten, insbesondere Akkumulator (Nutzbare Kapazität), Wechselrichter, Entsorgung, Raumbedarf, ggf. Versicherung, Garantiekosten, Wartungskosten.

Preisdifferenz: Preis den man für Netzstrom zahlt - Vollkosten der Eigenstromerzeugung

Wirkungsgrad: Alles was den Wirkungsgrad reduziert, insbesondere Batterie und Wechselrichter, realistisch sind oft 85% (0,85 einsetzen)

Zyklen: Wie oft kann das System einen vollen Ladezyklus durchlaufen, insbesondere bis die Batterie ersetzt werden muss. Realistisch sind Werte zwischen 2000 (Blei) und 6000 (Lithium)

Und damit kann man leicht selbst entscheiden, ob ein Batteriesystem lohnt.

Allgemeine Wirtschaftlichkeit von Speichern

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

Kapazitätsmärkte, wozu?

Die Idee der Kapazitätsmärkte

Im Zusammenhang mit der Umstellung der Energieversorgung wird häufig eingeworfen, wir brauchen dringend Kapazitätsmärkte. Es geht um die Frage, "wann gehen die Lichter aus", wenn wir weiter erneuerbare Energien installieren. Zunächst erscheint es ja sehr merkwürdig, dass durch zusätzliche Kraftwerke die Gefahr eines Stromausfalls steigen soll. In erster Näherung stimmt das natürlich nicht, denn je mehr Kraftwerke, um so mehr Versorgungssicherheit. Allerdings ist die Sache etwas komplizierter

Der Strommarkt

Abbildung 1: Die Merit-Order Kurve, Je größer die Nachfrage, um so höher der Preis.

 Doch irgendwann kann die  Nachfrage die Kapazität übertreffen, dann kommt es zu einem Stromausfall.

In Deutschland gibt es einen Strommarkt [1], der nach dem Prinzip Merit-Order funktioniert. Das bedeutet, alle Kraftwerke werden nach den Grenzkostenpreis sortiert. Grenzkosten, das ist der Preis für Strom der zwischen abgeschalteten Kraftwerk und eingeschaltetem Kraftwerk liegt. Etwa bei einem Kohlekraftwerk der Kohlepreis pro Kilowattstunde. Bei einer Solarzelle liegt der Preis praktisch bei Null. Am höchsten ist der Preis bei Gas und Ölkraftwerken, in der Abbildung 1 ganz rechts. Je nach Nachfrage wird dann für alle Teilnehmer der gleiche Marktpreis bestimmt. Das Problem ist aber, der Verbraucher merkt davon nichts, der Strom ist immer gleich teuer. Die Folge ist, die Nachfragekurve wirkt nicht.

Nachfrage

Abbildung 2. Die Nachfragekurve, je höher der Preis, um so geringer wird die Nachfrage.

Ein funktionierender Markt arbeitet mit der Nachfragekurve, Abbildung 2, das bedeutet, je niedriger der Preis, um so höher die Nachfrage. Hohe Preise reduzieren die Nachfrage. Da im Strommarkt praktisch kein Kunde den aktuellen Börsenpreis zahlen muss, entsteht ein Problem. Selbst wenn der Preis an der Strombörse stark ansteigt, wird keiner seine Klimaanlage oder Aluminiumschmelze etwas herunterfahren, da er kein Marktsignal empfängt.

Damit ist aber die Gefahr vorhanden, dass plötzlich mehr Strom verbraucht wird, als Kapazität vorhanden ist, insbesondere, wenn bestimmte Kapazitäten, wie Wind und Sonne, nicht verfügbar sind. Dies führt zu einem Stromausfall, den keiner will.

Lösungsmöglichkeiten

Die einfachste Lösung ist, der Staat schreibt vor, wie viele Kraftwerke vorhanden sein müssen und zahlt dafür einen festen Betrag, das ist ein sogenannter Kapazitätsmarkt. Diese Lösung ist für Stromkonzerne sehr attraktiv, da diese immer noch riesige Kraftwerke besitzen, die aufgrund der Solar- und Windkraftwerke immer häufiger abgeschaltet bleiben und damit keine Einnahmen erwirtschaften. 

Nachteil dieser Lösung ist, dass der Staat immer sehr schlecht ist den Bedarf richtig zu ermitteln, wir erinnern uns an Milchseen in der EU und an die Autoproduktion in der DDR. Der Grund liegt zumeist an Interessen, so wird die lobbystarke Stromwirtschaft eher etwas zu viel Kapazitätsbedarf prognostizieren.

Alternative: Echter Markt

Das wichtigste ist, dass in einem Markt der Käufer die tatsächlichen Kosten zahlt, in diesem Fall den Preis des Stroms wie er gerade an der Börse gehandelt wird. Daher wären flexible Stromtarife, die den aktuellen Marktpreis einrechnen sinnvoll. An vielen Stellen könnte dann der Strombedarf etwas gesenkt werden, wenn die Produktion wirklich an die Kapazitätsgrenze kommt. Das wird auch in Zukunft eher selten sein, aber im Grenzfall sehr wirksam und zudem ein guter Schutz gegen Stromausfälle [2].

Versicherungslösung

Eine weitere Lösung wäre eine Art Versicherung gegen Stromausfall. Schon heute gibt es viele Dienstleistungen, die nicht 100% funktionieren, so steht im Vertrag der Telekom nur eine 97% Verfügbarkeit, wer mehr will zahlt etwas mehr. Kunden die eine hohe Verfügbarkeit benötigen zahlen dann etwas mehr, vielleicht 5%, und haben dann 99,9% Liefersicherheit für Strom. Diese Versicherungen würden sehr schnell beginnen, Speicher für Strom anzulegen, da es jetzt sehr lohnend ist, immer Strom zu liefern.

Staat oder Markt

Ich will kein abschließendes Urteil abgeben, aber meine Erfahrung ist bisher immer gewesen, dass der Staat oder eine Regulierungsbehörde nicht besonders gut den Bedarf eingeschätzt haben. So hat etwa die Bundes-Post Anfang der 1990er Jahre den Handybedarf auf 100.000 Handys in Deutschland eingeschätzt. Welche ein Irrtum.

Die Vorhersagen für Solarenergie und Windkraft sind vergleichbar schlecht, wie die Diskussion um die Sätze des EEG zeigen. Ich hoffe, bei der Weiterentwicklung des Stromnetzes wird mehr auf Markt als auf Plan gesetzt.

Eine weitere Alternative ist ein linearer Strommarkt.
Merkwürdig sind die paradoxen Marktsignale.

  

Quellen:

[1] Tietjen, Oliver, Kapazitätsmärkte, Germanwatch, April 2012

[2] Siegmeier, Jan, Kapazitätsinstrumente in einem von erneuerbaren Energien geprägten Stromsystem, Electricity Markets Working Papers WP-EM-45, Juli 2011