Sonne, Fenster und die Steuern auf Energiespeicher

Steuer auf Solarstrom

Wenn ich früh am Morgen den Rolladen hochfahre um das Tageslicht zu nutzen und dabei die elektrische Lampe abschalte ist das schlecht für den Finanzminister. Den auf den Strom, den meine Sparlampe verbraucht bekommt er Steuern. Pro Kilowattstunde 14 ct, davon 2 ct Stromsteuer und 5 ct Mehrwertsteuer und viele andere Steuern, siehe "Stromsteuer oder Strom steuern".
Da ist es natürlich einleuchtend (sic) dass der Staat eine Steuer auf das Licht erheben will. Obwohl es fast wie eine Idee aus Schilda, der Heimatstadt der Schildbürger, klingt, will das der SPD Wirtschaftsminister!

Sonnensteuer auf eigene Äpfel und getrocknetes Heu! Nein bisher nur auf Solarenergie.

Sonne für Mieter doppelt so teuer

Es ist tatsächlich geplant, mit der Reform des EEG auf selbst genutzten Solarstrom eine Umlage von 3 ct pro kWh zu erheben. Und da die Idee von einem Sozialdemokraten kommt gibt es für Mieter gleich die doppelte Gebühr nämlich 6 ct pro Kilowattstunde [1].

Wo liegt eigentlich der Unterschied zwischen einem Fenster, durch das das Sonnenlicht in mein Zimmer fällt und einer PV Anlage, die für mich das Sonnenlicht in Strom umwandelt und es mir ermöglicht, dass ich auch im Keller Licht habe?

Es gibt keinen.

Wenn ich im Garten einen Apfel ernte, dann schadet das dem Wochenmarkt, denn ich kaufe den Apfel nicht und zahle daher keine Mehrwertsteuer auf den Apfel.

Der Apfel ist gespeicherte Solarenergie.

Und wo liegt der Unterschied, wenn ich auf dem Dach eine PV-Anlage betreibe und mit einem Akku die Energie Speichere, damit ich in der Nacht ein Buch bei Licht lesen kann?

Und warum muss ein Mieter dafür doppelt so viel Abgaben zahlen als ein Hauseigentümer.

Selten so gewundert

In diesem Blog versuche ich immer, Tatsachen aus dem  Bereich der Energiespeicherung zu erklären, aber diesmal will es mir nicht gelingen auch nur im Ansatz zu verstehen, warum Sonnenlicht nicht mehr ein freies Gut sein soll.

Ich habe für die PV-Anlage gezahlt, inklusive der Mehrwertsteuer. Ich habe für die Dachfläche gezahlt, inklusive Grunderwerbssteuer. Ich habe für das Regenwasser, das vom Dach abläuft gezahlt, in Form einer Abwasserabgabe. Aber das Licht, das auf das Haus fällt, muss genau so wie die Luft die ich atme, frei von Steuern beleiben.

Quellen:

[1] EEG-Novelle, www.solarserver.de

Energiespeicher Wasserstoff oder Lithium, was ist der bessere Speicher?

Wasserstoff und Lithium als Energiespeicher

Der Energiespeicher für das Auto der Zukunft muss viel Energie speichern, leicht sein und wenig Platz benötigen. Zudem soll er umweltfreundlich, preiswert und leicht verfügbar sein. 

Periodensystem der Elemente, oben stehen die leichten Elemente, Quelle: Wikipedia

Periodensystem

Ein Blick in das Periodensystem der chemischen Elemente gibt uns einen ersten Hinweis: Oben stehen die leichten Elemente, das sind jene, die im Atomkern nur wenige Bausteine haben. Rekordhalter ist eindeutig Wasserstoff, da er nur ein Proton hat. An zweiter Stelle kommt Helium, das ist aber chemisch völlig inaktiv, warum manche damit Kinderballons füllen.

Und bereits an dritter Stelle steht Lithium, das erste Metall im Periodensystem. Da es, im Gegensatz zu Wasserstoff, fest ist, benötigt es nur wenig Platz. Mit einer Dichte von 0,53g/cm³ ist es das mit Abstand leichteste Metall [1] und schwimmt mühelos auf Wasser (Achtung, Lithium ist sehr reaktionsfreudig, nicht ausprobieren, Video). 

Energie in den Elementen

Will man die chemische Energie bestimmen, die in einem Element steckt, und die eng mit der Speicherkapazität zusammenhängt, dann kann man die Verbrennungswärme messen. Wie vielen bekannt ist, explodiert eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff in der Knallgasreaktion. 

Energiedichte verschiedener Stoffe bezogen auf Volumen und Gewicht, Quelle: Wikipedia

Ein Liter Wasserstoff (im Luftballon) setzt bei der Verbrennung mit Sauerstoff 0,003 kWh Energie frei, das ist wenig, wenn man bedenkt, dass ein Liter Lithium 6,4 kWh Energie freisetzt! Allerdings ist eben Wasserstoff ein Gas und hat damit eine extrem geringe Dichte. Komprimiert man Wasserstoff, indem man ihn in einen Drucktank bei 700 Bar einsperrt, das für Autos geplant ist, setzt ein Liter 1,5 kWh Energie bei der Reaktion frei, das liegt schon näher am Lithium. Ein Nachteil bei der Kompression ist der Energieverlust durch die Kompression, der bei 10% liegt.

Stromspeicher für Elektroautos

Niemand will einen "Lithium-Motor" bauen, der Lithium verbrennt, es geht um die Verwendung in einer Batterie. Auch die direkte Wasserstoffverbrennung im Auto erscheint heute nicht mehr sinnvoll, es soll erst Strom aus dem Wasserstoff in einer Brennstoffzelle gewonnen werden und mit diesem Strom ein Elektromotor angetrieben werden. 

Betrachtet man die Energiespeicherung aus dieser Perspektive, und geht der Frage nach, mit welchem System, Wasserstoff, Lithium, kann ich ein besseres Elektroauto bauen erhält man folgende Resultate:

Ein modernes Elektroauto soll 500 km weit fahren (z.B. Tesla) und benötigt dafür 85 kWh Strom.

Nutzt man Lithium, benötigt man dafür eine Batterie mit 600 kg Gewicht.

Jetzt das gleiche Auto mit Wasserstoffantrieb:

Zunächst benötigt man einen Drucktank, der 700 Bar aushält, er wiegt 125 kg [2]. Dazu kommt eine Brennstoffzelle, die den Wasserstoff, zusammen mit dem Sauerstoff aus der Luft in Strom umwandelt, mit einem ähnlichen Gewicht. 

Brennstoffzelle, Bildquelle Wikipedia

Wirkungsgrad der Techniken  

Während ein Lithium-Akku mühelos über 90% der eingespeicherten Energie wieder abgibt, sieht die Situation bei Wasserstoffsystemen sehr viel schlechter aus. Gewinnt man den Wasserstoff aus Strom, am besten Wind- oder Solarstrom, so verliert man bei der Herstellung 20% der Energie in der Elektrolyse. Danach wird der Wasserstoff komprimiert, womit weitere 10% verloren gehen. Verwendet man eine gute Brennstoffzelle, verliert man weitere 40% der Energie [3]. Damit gehen nur 43% der ursprünglichen Energie an den Elektromotor.

Es gibt bei Lithium noch eine Menge Potenzial, wie Blasweiler in einer Übersicht zeigt.

Vergleich Lithium heute und in Zukunft.

Kosten

Zuletzt sollten noch die Kosten betrachtet werden. Für den Lithium-Akku sind diese aus der Preisliste von Tesla bekannt, der Lithium-Akku kostet 20.000€, mit deutlich sinkender Tendenz. Für die Wasserstoff Brennstoffzelle gibt es keine großen Serienzahlen, aber eine Studie von Roland Berger [4] wird auch in zehn Jahren der Preis bei etwa 9000€ für 100kW liegen. 

Fazit: Lithium gewinnt!

Vergleicht man alle vorgetragenen Aspekte, so gewinnt Lithium als Energieträger im Auto. Vermutlich gibt es noch ein erhebliches Entwicklungspotenzial bei der Lithiumbatterie, wie die fundamentale Analyse der Physik gezeigt hat. Zudem ist es wesentlich einfacher Strom zu tanken, als Wasserstoff, da es zwar ein Stromnetz bis in jeden Haushalt hinein gibt, aber praktisch kein Wasserstoffnetz. Die Kosten eines solchen Netzes, mindestens Europaweit, aufzubauen, sprengen jeden Kostenrahmen.

Aber auch der geringe Wirkungsgrad spricht gegen Wasserstoff, es ist schon ein Unterschied, ob die Hälfte der Energie bereits im Speichersystem verloren geht oder nicht.

Das Wasserstoffzeitalter wird damit eine Vision bleiben, die Jule Verne 1870 beschrieben hat:

„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“

Quellen

[1] Lenntech, schöne Liste der Elemente.

[2] Autopresse.de, Fahrbericht.

[3] Brennstoffzelle bei Wikipedia.

[4] Traum von einer Welt ohne Benzin, FAZ

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

Energy Storage World Forum 2014 in London

Energiespeicher Konferenz in London

Das Energy Storage World Forum hat 2014 in London im sehr vornehmen Jumeirah Carlton Tower Hotel getagt. An drei Tagen wurden die neusten Entwicklungen zu Batterietechnik, Entwicklung der Speichermärkte und ökonomische Aspekte umfangreich vorgestellt und diskutiert.

Bei seiner Begrüßungsrede betonte Gregory Barker, Minister of State for Energy and Climate Change in UK, die Bedeutung der Windenergie im Vereinigtem Königreich. Dabei hob er hervor, dass Siemens seine Produktionskapazität für Windkraftwerke in England verdoppelt. In einem Beitrag von Reza Shaybani, UK, wurde darauf hingewiesen, dass auch die Photovoltaik in England massiv wächst, aktuell sind 4 GW PV installiert. Ähnliches hörte man aus Kalifornien, Nicolas Chaset wies darauf hin, dass der massive Ausbau von Photovoltaik in Kalifornien nur dank des deutschen EEG möglich ist. Dadurch sind nämlich die Preise der Photovoltaik so weit gefallen, dass die Investition in PV ohne Subventionen im Sonnenstaat lohnt.

 Nicolas Chaset aus Kaliformien dankt "Germany" für die niedrigen PV-Preise

Batterien

Philippe Cassagne, Chief Technology Officer, GDF SUEZ, Frankreich, fragte, wie teuer sind Batterien, wie viel muss ich für eine Megawattstunde zahlen. Im Lauf der Konferenz wurden hier sehr unterschiedliche Zahlen genannt, das liegt auch sehr stark daran, dass unterschiedliche Systeme verglichen wurden. Von den Kosten einer Batteriezelle bis zum gesamten Netz für ein Dorf in Afrika. Im letztem Fall wurde der Preis von 9000€/kWh genannt, der mir extrem hoch vorkommt. 

Kosten von Energiespeichersysteme, die Unterschiede sind enorm!

Besonders bei Inselsystemen wie sie von Abdul Muhaimin Mahmud aus Malaysia für dortige Schulen oder von Caroline Nijland für Dörfer in Mali vorgestellt wurden, lohnen sich Batteriesysteme in Kombination mit Solarzellen. Die Kosten für die Solarzellen betragen dabei nur noch 15% der gesamten Kosten, die Batterien sind mit 28% die dominierende Position. Damit wird es dann aber möglich, nur noch selten auf den Dieselgenerator zuzugreifen. Bemerkenswert ist, dass in Dörfern mit entsprechender Stromversorgung auch der Strombedarf rasch wächst und die ursprüngliche Anlage eigentlich ausgebaut werden müsste. Allerdings sind das Projekte, die von der Weltbank und anderen getragen werden, nicht vollständig selbsttragend, obwohl die Familien 20% ihres Einkommens, 6-20€ pro Monat zahlen.

Der Kostenanteil verschiedener Komponenten in einem Stromnetz in Afrika, Batterien überragen mit 28% die Photovoltaik mit 15%. [Quelle: Caroline Nijland, Niederlande]

Subventionen für Batterien

In einigen Gegenden der Welt wird die Integration von Batterien in das Stromnetz unterstützt, so auch in Deutschland. Jörg Mayer, BSW Solar, aus Deutschland stellt die Subventionen für Batterien in der Bundesrepublik vor. Wer bereit ist, die Batterie so zu laden, dass er nur 60% des maximalen Stroms seiner PV Anlage in das Netz speist, "netztfreundlich", siehe Bild, der bekommt etwa 600€/kWh finanzielle Unterstützung. Das erstaunliche ist, von den 28 Mio.€ für 2013 wurden in Deutschland nur 8 Mio.€ abgerufen. Viele Menschen wollen offensichtlich nicht die zusätzliche Restriktion akzeptieren, meinte Jörg Mayer.

Netzdienliche  PV-Systeme, die zur Mittagsspitze die Batterie laden, werden in Deutschland subventioniert. [Quelle: Jörg Mayer, BSW]

In Kalifornien wird nicht direkt der Einsatz von Batterien unterstützt, aber die Stromunternehmen sind gezwungen bis 2020 anteilig 1,8 GW Speicherleistung (nicht Kapazität) an das Netz zu bringen. Die Kosten müssen dort die Unternehmen direkt über den Strompreis umlegen. 

Welcher Speicher ist der Beste

Eine wichtige Frage ist immer wieder, welcher Speicher die geringsten Kosten hat. Eine sehr umfangreiche Studie hat Louis-Marie Jacquelin von ENEA CONSULTING in Frankreich vorgestellt. Dabei wurde für jedes Speichersystem die LCOS (Levelized Cost of Storage) angegeben. Bis jetzt liegen die Pumpspeicherkraftwerke klar in Führung, die Rätselfrage lautet, welche Systeme werden die stärkste Kostenreduktion sehen. Bemerkenswert ist auch, wie breit die Spanne der Preise hier ist, das deutet auf einen noch sehr unreifen Markt hin.

Kosten für verschiedene Speichersysteme [Quelle: ENEA CONSULTING]

Es gab dann einen Wettbewerb, bei dem drei Speichersysteme antreten durften, der Lageenergiespeicher, vertreten vom Autor Eduard Heindl, Batterien, vertreten von Jesus Lugaro von SAFT, und Druckluftspeicher von David Timoney präsentiert.

Nach den Vorträgen und einer Podiumsdiskussion mit Publikumsfragen wurde abgestimmt welcher Speicher die ökonomischste Lösung darstellt. Eindeutiger Sieger: Der Lageenergiespeicher.

Das Abstimmungsergebnis für die wirtschaftlichste Speicherlösung.

Der Container

Bei vielen Vorträgen, insbesondere von Firmen, wurde immer wieder gezeigt, dass es gelungen ist, viele Batterien, typischerweise 1 MWh,  zusammen mit Elektronik in einem Container zu verpacken. Das ist sicherlich eine pragmatische Idee, allerdings wenn man zehn Vorträgen gelauscht hat, in denen immer das Bild mit den weiss angemalten Containern erscheint, doch ein etwas redundantes Bild. Damit man sich das besser vorstellen kann, soll auch dieser Blogbeitrag mit einem repräsentativen Containerbild enden:

Alle Batterien sollen in Containern wohnen! [Quelle: Luis Santos,
EDP - HC ENERGIA , Spain]

Weitere Konferenzberichte zu Speichertechnik:

Konferenzberichte Übersicht

Speicherproblem, Erdgas, Krim und Putin

Energiespeicher ohne Erdgas

Will man die Energiewende, und das will zumindest die Bevölkerung in Deutschland, dann muss man die Schwankungen der Erneuerbaren Energiequellen, wie Windenergie und Solarenergie, ausgleichen. Das einfachste Mittel ist, sofern man noch in der Umstellungsphase ist, dass man bestehende Kraftwerke abschaltet, während viel erneuerbare Energie im Netz ist.

Vorbild USA

In den USA basiert die Stromversorgung zu über 40% auf Erdgaskraftwerken, im Vergleich, bei uns sind es 7%. Fällt also in den USA viel Windstrom oder Solarstrom an, und inzwischen ist 60GW Windenergie am Netz, dann können problemlos die entsprechenden Erdgaskraftwerke abgeschaltet werden. 

Erdgaskraftwerke bestehen im Wesentlichen aus einer Turbine, ähnlich wie am Flugzeug, und eine Turbine kann sehr schnell, innerhalb von Minuten, die Leistung massiv verändern.

Daher ist in den USA das Energiespeicherproblem bei der Einführung der fluktuierenden erneuerbaren Energien nicht sehr groß. 

Der Erfolg dieses Vorgehens ist bemerkenswert, die USA konnte ihren CO2 Ausstoß in den letzten Jahren reduzieren!

34 Prozent des deutschen Erdgas kommen aus Russland (Quelle: Wirtschaftsverband Erdgas)

Problem Deutschland

In Deutschland werden 34% des Erdgas aus Russland importiert, und im wesentlichen zur Wärmeerzeugung verwendet. Man hat bewusst darauf verzichtet, diesen Energieträger stark in der Stromerzeugung einzusetzen. Damit hat man in einer Zeit, wie der Krimkrise, den Vorteil, dass man Strom aus Braunkohlekraftwerken erzeugen kann. Das ist aber keine Lösung, wenn man etwas weiter denkt. Erneuerbare Energien werden immer Schwankungen unterliegen. Ein Braunkohlekraftwerk kann man aber nicht eben so mal abschalten, allein das "Anzünden" kostet dann 50.000€. Folge, Deutschland hat den CO2 Ausstoß in den letzten Jahren vergrößert!

Speicher statt Putin?

Will man das Problem der Abhängigkeit bei der Energieversorgung lösen und zugleich nicht massiv die Welt mit CO2 verschmutzen und das Land im Braunkohletagebau versinken lassen, dann gibt es nur eine Lösung:

Erneuerbare Energien plus Speicher!

Die Erneuerbaren liefern inzwischen so viel Strom, dass es an manchen Tagen bereits mehr Strom gibt, als in Deutschland verbraucht werden kann. Ein Blick auf die EEX Börse ist da immer sehr lehrreich.

Diesen Überschuss an Strom muss man einspeichern, dafür eignet sich im großem Maßstab nur das Konzept des Pumpspeichers, da nur mit ihm 80% Wirkungsgrad möglich sind. Auf keinen Fall Power to Gas, dort werden 75% des Stroms beim Speichern vernichtet (Wirkungsgrad 25%).

Lageenergiespeicher statt Pumpspeicherkraftwerke

Da der Bau großer Pumpspeicher in Deutschland schlecht möglich ist, kann man den Lageenergiespeicher einsetzen, der mit gleicher Technik bezüglich Pumpen und Turbinen arbeitet. Dabei wird jedoch eine große Felsmasse hydraulisch mit Wasser angehoben. 

Der Lageenergiespeicher

• Wenig Geländeverbrauch
• Wenig Wasserbedarf
• Hoher Wirkungsgrad (80%)

Sind die entscheidenden Vorteile dieses Konzepts.

Ich hoffe daher sehr, dass mit der Krimkrise die Menschen aufwachen und verstehen wie wichtig effiziente und zukunftssichere Speicher für Strom sind.

Zum Weiterlesen

• Ist der Lageenergiespeicher realistisch?
• Sind Speicher für Strom ökonomisch?

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

Kennziffern für Energiespeicher

Energiespeicher oder Äpfel mit Birnen vergleichen 

Für eine optimale Auswahl der geeigneten Speichertechnik ist es wichtig die relevanten Kennziffern zu kennen oder selbst zu bestimmen. Da Energiespeicher für viele noch "Neuland" sind,  herrscht oft wilde Verwirrung wenn Vergleiche angestellt werden.

Absolute Kennzahlen

Die wichtigste absolute Kennzahl eines Energiespeichersystem ist seine Energie-Speicherkapazitat! Als Einheit bewährt sich in der Praxis die Kilowattstunde, abgekürzt kWh (mehr zu Energieeinheiten), insbesondere wenn man es mit Batterien im Elektro-Auto oder bei PV-Systemen zu tun hat. Ein typischer Bleiakku im Auto hat eine Kapazität von einer kWh.
Die zweite, häufig genannte Größe ist die Leistung,  die ein Energiespeicher maximal abgeben kann. Leistung wird in Watt, oder praktischer in Kilowatt, abgekürzt kW, gemessen. Die Größe ist bei Elektroautos wichtig,  da wir die Leistung von Autos oft über die "Pferdestärken" beurteilen. Will man etwa ein Elektroauto mit 100 PS bauen,  das entspricht einer Leistung von 72 kW, muss die Batterie eine Leistung von mindestens 72kW haben. Auch das Aufladen der Batterie erfordert eine kontinuierliche Leistung. Gerade schnelles Aufladen erfordert eine sehr hohe zulässige Ladeleistung.
Ladezyklen, die Anzahl der zulässigen Zyklen, die eine Batterie geladen und Entladen werden darf. Während Bleiakku oft schon nach 300 Zyklen massiv in der Leistung abfallen,  können Supercaps,  das sind Kondensatoren, praktisch unendlich oft geladen werden.
Der Wirkungsgrad einer Batterie beschreibt, wie viel Prozent der beim Laden verwendeten Energie wieder von der Batterie abgegeben wird. Gute Batterien erreichen über 90% Wirkungsgrad, Systeme mit Brennstoffzellen selten 70% und Speicher-Lösungen wie "power to gas" nur 25%. Mehr zum Thema Wirkungsgrad in einem Blogbeitrag.

Ragone Diagramm für elektrische Speicher.  Quelle Wikipedia 

Relative Kennzahlen 

Bei vielen praktischen Fragen sind die absoluten Kennzahlen nicht entscheidend, da man leicht die Kapazität durch Zukauf weiterer Batterien vergrößern kann. Wesentlich relevanter sind hier relative Größen,  wie der Preis pro kWh! 

Relative Größen entstehen durch Division einer absoluten Kennzahlen durch eine andere Messgröße. Bei Energiespeicher sind das oft:

• Preis in € oder $
• Gewicht in kg
• Volumen Liter oder m³
• Flächenbedarf  m²

Manchmal findet man dann Graphiken, die mehrere Größen gemeinsam für verschiedene Produkte aufführen.

Energiedichte und Leistungsdichte

Beispiel  eines relativen Kenngrößen-Vergleichs. Quelle Siemens 

Diese sind nicht ganz leicht zu lesen, durch die logarithmische Darstellung muss man sorgfältig auf die Skala sehen.
Im Beispiel oben, in der die Energiedichte (Wh/kg) und Leistungsdichte (W/kg) verglichen wird erscheinen Kondensatoren eher ähnlich wie Batterien, aber Achtung: Der Unterschied in der Energiedichte zeigt, dass Batterien etwa hundert mal mehr Energie, bei gleichem Gewicht, aufnehmen können als Doppelschicht-Kondensatoren.

Volumen und Gewicht

Kapazität und Gewicht (Quelle: Energiesparrechner)

Für mobile Anwendungen ist es entscheidend, dass das Gewicht der Batterien gering ist, in der Abbildung oben sieht man, dass Lithium Polymer Batterien bis zu 0,25kWh/kg speichern können, hingegen kann eine Bleibatterie nur 0,025kWh/kg speichern, da liegt der Faktor 10 dazwischen. Geht es allerdings um den Platzbedarf, der etwa in einem Keller eine rolle speilt, wenn man dort Solarstrom einspeichern will, sieht man, dass der Volumenbedarf bei Bleibatterien nur um den Faktor drei größer ist.

Jeder Bedarf ist anders

Energiespeicher für Strom benötigt man an unterschiedlichsten Stellen in der Technik, daher ist ein einfacher Vergleich verschiedener Techniken nur dann sinnvoll, wenn man die Anforderungen genau kennt. So wird ein Hersteller von Diesel-LKWs für eine Starterbatterie völlig anders kalkulieren als ein Hersteller von Elektroautos.

Bei Elektroautos gibt es zwei entscheidende Faktoren, wenig Gewicht und geringer Preis, aktuell gewinnt dabei die Lithium-Batterie, weshalb das erfolgreiche Elektroauto Tesla S eine Lithiumbatterie mit 85kWh eingebaut hat, die 500km Fahrleistung erlaubt.

Für die Speicherung von Solarstrom im Keller, bei der das Gewicht praktisch keine Rolle spielt, kann aber bereits eine Bleibatterie gute Dienste leisten.

Zu empfehlen:

• Blei oder Lithium
• Autobatterien