Energy Storage North America

Konferenz und Ausstellung ESNA

Vom 13.-15. Oktober 2015 fand die ESNA in San Diego CA statt, die sich selbst als "The Largest Grid Energy Storage Event in North America" bezeichnet. Mit 2500 Teilnehmern aus 42 Ländern war sie auch fast zehnmal so groß als vor zwei Jahren, als ich sie in San Jose besucht habe.

Diesmal hatte die Heindl Energy einen eigenen Messestand, weshalb ich nicht ganz so viel Zeit für die Vorträge hatte. Meine Eindrücke von der Konferenz und der Messe gibt es hier im Blogbeitrag.

Energiespeicher sind das nächste große Wachstumsthema

Nach dem rapidem Wachstum von Windenergie und Photovoltaik (PV) wird von vielen gesehen, dass der Speichermarkt ein ähnliches exponentielles Wachstum haben wird wie die Konverter für Sonnen- und Windenergie.

Wachstum der Speicher

In der Keynote von Pratima Rangarajan, GE, sah man die obige Folie, die zeigt, dass mit dem Sinken der Kosten der verschiedenen Technologien die weltweiten Marktanteile von Wind, Solar PV und Energiespeichern exponentiell zunehmen. Dabei befinden sich die Speicher heute dort, wo die PV vor zehn Jahren lag. Der aktuelle Preis für Energiespeicher, hier sind Batterien gemeint, wird mit 600$/kWh angegeben. Laut der Grafik sollte der Preis bis 2020 auf 350$/kWh sinken. Mit BESS (Battery Energy Storage System) ist die vollständige Installation des Energiespeichers und nicht nur die Zelle gemeint. 

Energiespeicher rechnen sich bei mehrfachen Erlösquellen

Energiespeicher können sehr unterschiedliche Aufgaben im Stromnetz übernehmen. Garrett Fitzgerald vom Rocky Mountain Institut (RMI) betonte, dass erst die Erlöse aus verschiedenen Services, wie Arbitrage, Netzstabilisierung, Versorgungssicherheit und andere, Batterien wirtschaftlich werden lassen. Allerdings gibt es nur wenige Märkte, wo all diese Dienstleistungen bezahlt werden. Zumeist wir nur ein Aspekt genutzt und damit nur selten eine Wirtschaftlichkeit erreicht. 

Häufige Irrtümer bei Energiespeichern

In der Folie von STRATEGEN Consulting werden häufige Irrtümer über den Wert von Energiespeichern gut zusammengefasst. Energiespeicher sind nicht nur Batterien, man bedenke, dass im Stromnetz 99% aller Energiespeicher Pumpspeicher sind und neue Technologien wie der Lageenergiespeicher, Hydraulic Rock Storage, den Markt erheblich verändern können. 

Blackouts sind teuer

Shana Patadia betrachtete in ihrem sehr interessanten Beitrag die Kosten von "outages", bei uns als Blackout bezeichnete Ereignisse. Im Jahr 2013 wurden die Kosten in der USA auf über 100 Mrd. $ von ihr geschätzt. Das sind immerhin 30% der gesamten Stromkosten des Landes. Insbesondere in einzelnen Unternehmen kann ein Stromausfall zu massiven Problemen in der Produktion sorgen. Allerdings sind Produktionsausfälle nicht versicherbar und damit bleiben die tatsächlichen Schäden weitgehend verborgen, da sie selten in einer Statistik auftauchen. Das Problem ist, wie schafft man ein Bewusstsein für das Problem der Stromausfälle wenn es sich um seltene aber teure Ereignisse handelt?

Ein neuer Zink-Akku

Zink eignet sich sehr gut für die Herstellung von Batterien, das ist seit langem bekannt. Insbesondere ist Zink das viert-häufigste Metall hinter Eisen, Aluminium und Kupfer und mit dem theoretischen Wert von 1,7$/kWh sehr preisgünstig. Allerdings ist es bisher nicht gelungen einen Zinkakkumulator herzustellen. Das ist jetzt Gregory X. Zhang gelungen, der interessanterweise die Schwerkraft im Akkuaufbau mitbenutzt. Das Zink, das sich an der Kathode ablagert, fällt, unterstützt von einer art Scheibenwischer, herab und wird als Pulver gespeichert.

Die neue Zinkbatterie von e-Zn (Quelle: e-Zn)

Durch diese Anordnung gelingt es, zusätzliche Speicherkapazität einfach durch die Verwendung von mehr Zink zu erreichen. Der Preis für eine kWh liegt unter Berücksichtigung der Behälter und des KOH bei unglaublich niedrigen 25$/kWh. Allerdings gibt es zwei Probleme, aktuell liegt der Wirkungsgrad der Anordnung im Labor bei 50%, was für einen Akku wenig ist, dieser Wirkungsgrad könnte aber theoretisch bis auf 65% gesteigert werden, was immer noch eher wenig ist. Weiterhin sind die Elektroden aufwendig und damit sind die Leistungskosten hoch, etwa bei 1500$/kW. Die Anordnung ist zudem nur für stationäre Speicher geeignet, keinesfalls für Automobile, da sie sehr sorgfältig aufrecht stehen muss. 

The Hydraulic Rock Storage

Unser Messestand auf der der ESNA hatte sehr viele Besucher, unter anderem war Johannes Remmel (Minister für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes NRW) am Stand und lies sich den Lageenergiespeicher erklären.  

Messestand der Heindl Energy

Das neue Speichersystem hat in Kalifornien sehr viel Interesse gefunden und war Gesprächsthema auf der ESNA wie mir mehrere Besucher mitgeteilt haben.

Weitere Konferenzberichte: Konferenzberichte auf dem Blog.

Wind- oder Sonnenenergie speichern?

Energiespeicher für Wind oder Solarenergie

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

Das Problem der Zeiträume

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

Windenergie im Jahresverlauf (Daten: ISE)

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

Regelmäßigkeit bei der PV Produktion (Daten: ISE)

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

Wachstum der Solarinstallation

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

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

Verhältnis von Solarkraftwerken zu Windkraftwerken (Eigene Analyse)

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

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

Welcher Speicher ist sinnvoll?

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

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

Energiespeicher für das neue Strommarktdesign

Energiespeicher auf allen Ebenen

Die Speicherkonferenz von Management Circle fand dieses Jahr in Waldorf Astoria in Berlin vom 30.6. bis 1.7 2015 statt. Mehrere hochkarätige Referenten haben einen sehr aktuellen Überblick zu Speichern und den vorhandenen Markt für Speicher gegeben. Ein Highlight war der Vortrag des Zukunftsforschers Lars Thomsen.

Von klein bis Groß

Strom kann in kleinsten Mengen gespeichert werden, dazu eignen sich Batterien sehr gut. Es gibt einen Trend zu Hausspeichern, da für diese bereits heute im Haushalt wirtschaftlich sein können, wie Dr. Thomas Unnerstall, N-ERGIE, zeigte. Seine Annahme basierte auf einem Haushalt, der 1800kWh im Jahr verbraucht. Kommt der Strom aus der PV Anlage für 12ct/kWh und ein Speicher, der aufs Jahr umgerechnet 150€ kosten darf, liegt die Einsparung bei 200€/a.

Entwicklung der Strompreise und der Batteriepreise, aus dem Vortrag von Bernhard Schuhmacher

Ähnliche Betrachtungen wurden von mehreren Referenten angeführt, etwa von Berhard Rindt, egrid GmbH, der im Allgäu die Gemeinde Wildpoldsried betreut. Die Frage ist, nach welchem Kriterium entscheidet sich ein Privatkunde für einen Batteriespeicher. Ist es eine rein ökonomische Betrachtung und welche Verzinsung ist dabei relevant. Während Unternehmen bevorzugt zweistellige Renditen bei einer Investition erwarten, genügt dem Endkunden oft eine höhere Verzinsung als bei der Bank, die heute praktisch bei null Prozent liegt.

Ein weiteres Kriterium ist die von Dr. Ulrich Bünger angesprochene „Autarkielust“ der Bürger. Wer eine Batterie hat, kann sich als unabhängig vom Stromnetz empfinden. Dies lässt sich noch steigern, wenn man die aktuelle Technik von Viessmann in Form eines Mikroblockheizkraftwerks installiert, wie Timm Kehler, Vorstand „Zukunft Erdgas e.V.“, betonte. Wer einen Gasnetzanschluss hat, kann sich damit völlig vom Stromnetz abkoppeln. 

Kopplung Wärme und Strommarkt, eine Kombination aus PV und KWK kann sehr gut optimiert werden, aus dem Vortrag von Dr. Frank May

Viele kleine Batterien ergeben einen Schwarm der theoretisch das Stromnetz positiv unterstützen kann. Dr. Norbert Verweyen, RWE Effizienz GmbH, zeigte auf, dass bereits 2018 ein Haus theoretisch ökonomisch ohne Netzanschluss betrieben werden kann. Weiterhin betonte er, dass es durch kluge Elektronik möglich ist, sehr viel effizienter die einzelnen Ressourcen zu nutzen. So kann das Wasser mit einer Wärmepumpe elektrisch aufgeheizt werden, wenn Strom gerade im Überschuss vorhanden ist. Mit einer guten digitalen Vernetzung im Haus und zwischen den Gebäuden lassen sich dann viele Anforderungen aus dem Stromnetz lösen. Dies betrifft nicht nur die Speicherung von Strom sondern auch die Regelung der Frequenz sowie kurzfristige Leistungsspitzen.

Podiumsdiskussion mit Christoph Gatzen, Lars Waldmann, Nils aus dem Moore, Michael Sterner, Bernhard Schuhmacher

Regelenergie mit Batterien

Der Zubau von fluktuierenden erneuerbaren Energien erfordert neuartige Regeltechnik um das Stromnetz stabil zu halten. PV ist eben kein „Pillepalle“, wie Bernhard Fenn, HEAG, aus Darmstadt betonte. In mehreren Forschungsprojekten wie Web2Energy und SolVer wurde versucht, Speicher für verschiedene Systemdienstleistungen einzusetzen um gerade die Störungen des Stromnetzes durch fluktuierende Einspeisung auszugleichen.

Die Problematik hat Clemens Triebel von Younicos sehr plastisch dargestellt. Was bedeutet bevorzugte Einspeisung ins das Netz, wenn das Netz die Energie nicht mehr aufnehmen kann? Das Netz kann das nicht einfach „Wegschwitzen“ wie er sich in seiner plastischen Art ausdrückte. Daraufhin haben die Ingenieure von Younicos das Problem genauer analysiert. Auf der Insel Graciosa fanden Sie dazu ein hervoragendes Testgelände. Dort werden Dieselgeneratoren und Windgeneratoren parallel betrieben. Bereits bei 35% Wind am Energieanteil gibt es massive Probleme, der Diesel fängt zu stottern an. Die Lösung ist das elektronische Einbinden einer Batterie. Die Betreiber des Stromnetzes auf Graciosa hatten das nicht geglaubt, daher hat Triebel das Stromnetz von Graciosa in Berlin in einer Halle (Kosten 10 Mio.€) nachgebaut. Es zeigt sich, dass die Elektronik derart schnell auf Störungen der Frequenz reagiert, dass auch 65% Energie aus Windstrom möglich sind. Dies wurde dann tatsächlich auf der Insel umgesetzt.

In Deutschland laufen immer noch 30GW an Kraftwerksleistung um das Netz nicht zum Stottern zu bringen indem die rotierenden Massen Regelleistung erbringen. Ein Batteriekraftwerk mit 1 GW Leistung würde die Abschaltung von 10 GW thermischen Kraftwerken (Braunkohlekraftwerke!) erlauben. Um dies im Deutschen Stromnetz zu erproben, hat die WEMAG, wie Jost Broichmann vorstellte, ein Batteriekraftwerk mit 5 MW Leistung aufgebaut. Das System funktioniert sehr gut und verdient sogar Geld, da inzwischen die Regelleistung verkauft werden kann, 210.000 €/MW und Jahr, mit steigender Tendenz. Allerdings gab es einige die große Zweifel haben, ob die Preise für Regelenergie wirklich steigen.

Jenseits von Batterien

Die Kapazität der Gigafactory von Elon Musk liegt bei 50 GWh Batteriekapazität pro Jahr. Um das einzuordnen sei darauf hingewiesen, dass das etwas mehr ist als alle deutschen Pumpspeicherkraftwerke, die 40GWh speichern können. Doch in Europa gibt es viele Speicherkraftwerk, unter anderem in Österreich, die Otto Pirker, vom Verbund in Österreich, vorstellte. Dabei muss man sorgfältig unterscheiden, ein Pumpspeicherkraftwerk kann aktive Wasser hochpumpen wenn günstiger Strom im Netz ist, ein Speicherkraftwerk ist ein Staudamm, hinter dem das zulaufende Wasser gespeichert wird und dann bei Bedarf abgelassen werden kann, Österreich hat Speicherkraftwerke mit 3 TWh Kapazität, in ganz Europa, inklusive Norwegen, Schweiz und Türkei sind es 220 TWh.

Um diese gewaltige Speicherkapazität anzuschließen müssen allerdings Leitungen gebaut werden. So stellte Gunnar Sprengel, Nordlink, eine Stromleitung, die gerade nach Norwegen gebaut wird, vor. Diese Leitung hat eine Kapazität von 1400 MW und ist mit über 500 km durch die Nordsee die längste Leitung in Europa. Was den Laien wundert: Die Isolation basiert  auf ölgetränktem Papier, das die 500.000 Volt Spannung sicher isolieren kann. Mit 2 Mrd. € ist die Leitung nicht ganz billig und die Anschlussanlage mit Umwandlung von Wechselstrom auf Gleichstrom benötigen eine Fläche von jeweils 4 ha an den Enden. Der Wirkungsgrad für einen Zyklus, Windenergie aus Deutschland virtuell eingespeichert, Strom dann aus Norwegen wieder zurück in das deutsche Stromnetz, liegt bei 85%.

Die Einkopplung des Stroms in das Nordlink Kabel, vorgestellt von Gunnar Sprengel

Leitungsbau ist allerdings nicht immer von der Bevölkerung gewünscht, insbesondere wenn die Leitungen durch Bayern gehen, wie Michael Sterner, Professor an der Hochschule in Regensburg, betonte. Das alte Dreieck der Energiewirtschaft, Kosten, Sicherheit, Umwelt, muss um die Gesellschaft erweitert werden. Nur wenn eine Lösung gesellschaftliche Akzeptanz hat, lässt sich eine Lösung wirklich umsetzen.

Die Visionen von Thomson

Der Zukunftsforscher Lars Thomson vom Unternehmen future matters (Videos!), hat uns erst einmal auf den Zeitrahmen eingestimmt, vor neun Jahren gab es eine Fussball WM, an die sich alle erinnern, aber es gab noch keine Apps! Hätte damals jemand gesagt, eine Sonnenfinsternis ist ein Problem für das Stromnetz hätten die Experten aus der Energiewirtschaft gedacht, da hat sich jemand um eine Zehnerpotenz verrechnet. Wer kann sich heute vorstellen, dass die Firma SolarCity in 10 Jahren als Stromunternehmen der vierten Generation den US Strommarkt dominiert.

Fossile Kraftwerke werden in 5 Jahren endgültig die gesellschaftliche Akzeptanz verlieren, was dann?

2026 läuft das letzte Auto mit Verbrennungsmotor vom Band? Die Aussagen waren kühn, aber nicht unrealistisch. Sehr gefreut hat mich, dass er als zukünftige Möglichkeit des Energiespeichers auch den Lageenergiespeicher erwähnt hat!

Weitere Berichte von Energiespeicher-Konferenzen

5. VDI-Fachkonferenz Energiespeicher für die Energiewende

Speichertechnik für die Energiewende

Die fünfte Fachkonferenz wurde wieder von Professor Michael Sterner geleitet und fand in Fürth bei Nürnberg statt. Mit etwa 40 Teilnehmern war sie etwas schwächer als frühere Veranstaltungen besucht, was auch an der großen Zahl vergleichbarer Events liegen kann.

Im Kern wurden erste Forschungsergebnisse aus den verschiedenen Projekten vorgestellt, die im Rahmen der Energiespeicher Initiative der Bundesregierung gefördert wurden.

Bürokratie und Speicherpolitik

Stefan Nykamp, Leiter Technik-Center Netzspeicher, Westnetz GmbH, Dortmund, wies in seinem Vortrag darauf hin, dass Deutschland keine Kupferplatte ist, in der jede Stromquelle jeden Verbraucher ohne Probleme findet. Dies Annahme liegt aber vielen Analysen zu Speichern zugrunde. Das bedeutet, dass der Ort, an dem ein Speicher aufgebaut wird, eine erhebliche Bedeutung für den Netznutzen hat. Eine Tatsache, die von der Politik bei der Förderung von Speichern gerne übersehen wird.

Typischer Projektablauf, hier Energiepark Mainz

Auch die Bürokratie bei Speicherprojekten ist bemerkenswert, für seine Pilotanlage mit einem Container, der eine MWh speichern kann mussten 15 Anträge gestellt werden. Ähnliche Erfahrungen wurden auch von Jonas Aichinger, Stadtwerke Mainz AG, berichtet. Seine Pilotanlage für die Wasserstoffproduktion kann als Forschungsanlage laufen, sobald das Projekt abgeschlossen ist, droht die Abschaltung, da die Genehmigung einer Wasserstoffanlage extrem aufwendig ist und damit ein wirtschaftlicher Weiterbetrieb der 7 MW Anlage nicht rentabel ist.
Die Meinung der Politik, vertreten durch Dr. Ralf Sitte, Leiter des Referats Strom und Netze, Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWi, ist allerdings, dass es praktisch keinen Speicherbedarf gibt. Das mag im Moment stimmen, das wird sich aber in Zukunft ändern, denke ich, wenn wir dann nicht vorbereitet sind, haben wir das Nachsehen.

Wo sollten die Strom-Speicher in Deutschland stehen?

Eine interessante Analyse zur Speicherproblematik lieferte Martin Finkelmann, Amprion, mit der Überlegung, dass Windstrom in einer nördlichen Sammelschiene aufgesammelt werden sollte und die Solarenergie in einer südlichen Sammelschiene. 

Sammelschiene für Strom, aus dem Vortrag von Finkelmann

Bekanntlich weht im Norden viel Wind und im Süden scheint etwas mehr Sonne. In der Mitte liegen die konventionellen Kraftwerke mit gespeicherter Energie aus Kohle und Braunkohle. Meiner Meinung nach wäre es optimal, wenn genau in dieser Lage, in der Mitte Deutschlands mehrere Speicherkraftwerke gebaut würden, die sowohl den Strom vom Norden als auch den aus Süden, mit minimalen Leitungsaufwand, speichern können. 

Das Batteriekraftwerk

Clemens Triebel, Chef der Younicos AG, hat in seinem sehr lebendigen Vortrag erläutert, wie das Batteriekraftwerk funktioniert. Die Idee ist, dass heute konventionelle Kraftwerke nur mit 80% der Leistung laufen, damit sie die Möglichkeit haben, kurzfristig innerhalb von Sekunden oder Minuten mehr oder weniger Strom zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe kann von Batterien mit geeigneter Steuerung wesentlich besser übernommen werden. Da zum einem die Batterien sowohl Strom liefern können als auch Strom abgeben können und zum Anderem eine sehr schnelle Reaktion, weniger als 8 Millisekunden, möglich sind. Da die Batterien sehr LiIon-batteriefreundliche Arbeitsbedingungnen vorfinden, 17°C und keine Tiefenentladung, hat der Hersteller wohl 20 Jahre Gerantie gegeben.

Eine erste Anlage dieser Art wurde installiert, das "Batteriekraftwerk" der wemag kann 5 MW Leistung aufnehmen oder abgeben, wenn auch nur für einige Minuten. Damit könnte man immerhin auf ein Kohlekraftwerk mit 25  MW verzichten, soweit es die Minutenreserve betrifft. Die Batterie dient hier also nicht zum Speichern des Stroms über längere Zeit sondern zum kurzfristigen abfangen von Leistungsschwankungen. Damit sieht man auch, dass Speicher sehr unterschiedliche Bedeutung haben können.

Batterie im Netz, Quelle: Vortrag von Stefan Nykamp

Eine weitere Batterie im Netz wurde von Stefan Nykamp,Westnetz GmbH, vorgestellt, dort ging es um das Problem, vorübergehend eine Stromleitung zu entlasten. Es wurde eine Batterie in einem Container gewählt, da dies die günstigste Lösung war, bis dann ein größerer Netzausbau kommt.

Flexibilität oder Speicher

Nach dem Vortrag von Dr. Georg Markowz, Evonik Industries AG, der gezeigt hat, wie man durch abschalten von großen Verbrauchern der Chemieindustrie das Stromnetz sehr stark entlasten kann. So ist insbesondere die Erzeugung von einigen Grundstoffen, etwa Acetylen, sehr energieintensiv ca (6 GW!) aber leicht flexibel steuerbar. Im Anschluss an den Vortrag entbrannte eine Diskussion über die Frage, ist eine Flexibilität ein Speicher. 

Das Problem ist, dass nach unserer Gesetzgebung Flexibilitäten nicht die Privilegien von Pumpspeichern haben. Wer einen Stromverbraucher im richtigen Moment vom Netz nimmt, der verbessert zwar die Gesamtsituation, wenn gerade nicht genügend Wind- oder Solarenergie zur Verfügung stehen, andererseits ist es aber etwas anderes, wenn ein Pumpspeicher Strom aus dem Netz nimmt und später wieder liefert. Denn ein flexibler Verbraucher kann natürlich nicht Strom liefern, sondern nur den Verbrauch einstellen. 

Es wäre an dieser Stelle wünschenswert, wenn der Gesetzgeber auch flexible Verbraucher durch geeignete Anreize fördern würde. Das einfachste wären sinnvolle Tarife. Siehe auch den Blogbeitrag Stromsteuer oder Strom Steuern.

Flüssige Speicher

Gerade für den Verkehr wären flüssige Speicher, ähnlich Diesel, sehr wünschenswert, da die Handhabung sehr einfach und gewohnt ist. Dazu stellte Carl Berninghausen vonSunfire GmbH, Dresden, ein Verfahren zur Erzeugung von künstlichen Kraftstoffen vor. Im Prinzip eine gute Idee, allerdings habe ich das Gefühl, dass man damit in einer Alten Welt denkt, denn das Verbrennen dieser Kraftstoffe ist nicht besonders effizient. So wird die Kette von Strom bis zur Energie zum Antrieb in dieser Form nur einen Wirkungsgrad von 10-15% ermöglichen. 

Einordnung verschiedener Speichetechnologien aus der Präsentation von Teichmann, Hydrogenios

Eine spannende Alternative ist der Transport von Wasserstoff durch Einlagerung in einem wiederverwendbaren Trägeröl, etwa Dibenzyltoluol (4€/kg) , das Dr.-Ing. Daniel Teichmann, Geschäftsführer der Hydrogenious Technologies, vorstellte. Damit kann man 2 kWh/kg  Energie transportieren. Das liegt genau in der Mitte zwischen aktuellen Lithium Batterien und Diesel. Wasserstoff kann im Prinzip durch Elektrolyse hergestellt werden und durch eine Brennstoffzelle wieder in Strom umgewandelt werden. Die Verluste liegen zwar im Bereich von 50%, sind aber deutlich geringer als bei künstlichen Flüssigkraftstoffen, leider gibt es zusätzlich bei der Ein- und Ausspeicherung Verluste, so dass die Gesamtbilanz noch ungünstiger ausfällt.

Der hydraulische Felsspeicher

Freundlicherweise durfte ich auch den Lageenergiespeicher zum zweiten Mal auf der VDI Tagung vorstellen, insbesondere alle aktuellen Entwicklungen wie die neuartige Dichtung, die den Bau des Speichers wesentlich realistischer macht.

Die neue Dichtung des Lageenergiespeichers

Die Resonanz auf den neuen mechanischen Speicher war gut, wenn auch die Technologie im Umfeld all der chemischen Speicher ungewöhnlich war.

Fazit

Die Entwicklung von verschiedenen Energiespeichern ist angestoßen, viele verschiedene Lösungen für viele verschiedene Probleme im Stromnetz aber auch für mobile Anwendungen werden entwickelt. Kaum eine Lösung ist bereits erfolgreich am Markt. Über der Veranstaltung schwebte immer die TESLA Gigafactory, die öfter zitiert wurde. Spannend, ob deutsche Ingenieurkunst auch zu wirtschaftlichen Lösungen führt.

Weitere Konferenzberichte

World Energy Storage Forum 2015

Bericht vom World Energy Storage Forum 2015

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

Wie leistungsfähig werden Batterien?

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

Abbildung 1. Einordnung von Batteriesystemen, Quelle: JCESR

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

Preisentwicklung

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

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

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

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

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

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

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

Marktanteil von Speichertechnologien

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

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

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

Leistungsgradienten

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

 

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

Fazit:

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

Weitere Konferenzberichte

Sonne in der Wüste braucht Speicher

World Future Energy Storage

Nach einer Woche auf der Arabischen Halbinsel in Abu Dhabi will ich meine Eindrücke von der World Future Energy Storage hier weitergeben. Es handelt sich um eine Energiemesse, auf der alle großen Player der Energieversorgung zu sehen waren, Nicht nur PV Unternehmen wie First Solar, sondern auch die Ölkonzerne wie BP, Statoil, Stromkonzerne wie Alstom und ABB, haben auf großen Messeständen, neben der Heindl Energy GmbH (28m²), auf die zukünftigen Lösungen für die Energieversorgung hingewiesen.

Eröffnung durch den Staatspräsident Scheich Chalifa bin Zayid Al Nahyan der vereinigten Arabischen Emirate.

PV wird gewinnen

Die Photovoltaik beginnt einen Siegeszug in Ländern mit Sonne, den man sich in Deutschland aktuell nicht vorstellen kann. Rainer Baake, Staatssekretär im Bundeswirtschaftsministerium, wunderte sich sichtlich, dass hier ein Preis von 4,8 Cent/kWh für Solarstrom von den Kraftwerksbetreibern angeboten wird, ohne Subvention! Die Rechnung ist natürlich sehr einfach, wenn in Deutschland bei 14 Cent/kWh eine Solaranlage wirtschaftlich ist, dann ist Sie in Ländern mit der dreifachen Solareinstrahlung logischerweise bei 5 Cent/kWh wirtschaftlich.

Verschiedene Solarkonverter auf der Messe die für die Wüste geeignet sind, Modell am Stand von Masdar.

Jeder Stromversorger wird daher PV bevorzugen, wenn er die Chance hat, damit den teuren Brennstoff für den Dieselgenerator einzusparen. In den Ländern mit Öl ist das eine einfache Rechnung: Jedes Barrel Diesel, das nicht für Strom verwendet wird, kann auf dem Weltmarkt verkauft werden, aktuell für 50$ in naher Zukunft sicher auch wieder etwas teurer. Da aus einem Liter Diesel nur 3 kWh Strom erzeugt werden können, ist nur bei einem Preis unterhalb von 15 Cent/Liter ein Dieselgenerator wirtschaftlich. Rechnet man die Kosten für den Generator und die Umweltverschmutzung hinzu, wird der Kostenvorteil der Solarenergie noch extremer.

Eine direkte Folge ist, dass inzwischen in den Wüstenstaaten die Produktion von PV Produktionsstätten anläuft. Man will die Wertschöpfungskette Energie im Land behalten!

Speicher und PV

Eine PV-Anlage  kann heute in sonnenreichen Gegenden sehr wirtschaftlich betrieben werden. Leider scheint die Sonne aber auch in den Ländern des Südens nur am Tag, in den 365 Nächten des Jahres wird aber auch Strom benötigt. 

Damit eine durchgehende Stromversorgung möglich wird, benötigt man einen Speicher, der die gewaltigen Energiemengen, die eine Stadt benötigt, kostengünstig und langfristig bereit stellen kann. Leider können das Batterien heute nicht leisten, da neben dem Preis auch die Langlebigkeit bei vielen Ladezyklen schwierig ist.

Das Hydraulic Rock Storage System der Heindl Energy hat in der arabischen Welt großes Interesse gefunden.

Der Lageenergiespeicher

Der Lageenergiespeicher, den wir international Hydraulic Rock Storage nennen, kann das Problem lösen. Obwohl der Speicher auch Wasser benötigt, das in Wüstenregionen knapp ist, kann er für die Speicherung eingesetzt werden. Der Wasserverbrauch einer Stadt wie Abu Dhabi an einem Tag ist größer als der einmalige Bedarf an Wasser (1300 tausend m³) für einen Lageenergiespeicher mit einer Gigawattstunde Kapazität!

24 Stunden Solarstrom sind mit dem Lageenergiespeicher möglich

Wird eine Solaranlage  mit einer Leistung von 200 MW in einer sonnenreichen Region gebaut, dann kann diese Solaranlage zusammen mit einem Speicher der eine Gigawattstunde Kapazität hat, eine 24 Stunden Vollversorgung mit Solarstrom gewährleisten. 

Speicher sind in Regionen mit Solarstrom wesentlich wirtschaftlicher als in Deutschland, da sie über 300 Zyklen im Jahr fahren und nicht nur 170, wie in Deutschland üblich. Wird der Strom in der Nacht mit einen Aufschlag von wenigen Cent verkauft, ist er Konkurrenzfähig zu Dieselgeneratoren und finanziert die Investition in einen Lageenergiespeicher schnell.

Dauerhafte ökonomische Solarenergie

Obwohl man sich im Winter in Deutschland kaum eine reine Solarstrom-Versorgung vorstellen kann, ist diese in sehr vielen Ländern der Erde möglich. Der Durchbruch bei den Preisen für Photovoltaik und die neu gefundene Möglichkeit die Energie zu speichern werden innerhalb von zwei Jahrzehnten zu einer völligen Umstellung der Stromversorgung aus rein wirtschaftlichen gründen führen.

Quellen:

Eigene Bilder

Mehr zur Konferenz:

http://www.worldfutureenergysummit.com/

Hinweis: Bei der Bezeichnugn Cent wurde nicht zischen $ und € unterschieden.

Pumpspeicher, eine alte Erfindung

Wer erfand den Pumpspeicher?

Pumpspeicher oder genauer Pump Speicher Kraftwerke (PSK) oder im englischen Pumped Hydro Storage (PHS), stellen 99% der Energiespeicherkapazität der Welt dar!
Doch woher kommt diese Technologie?

Leibnitz der deutsche Mathematiker

Wir blättern in das Jahr 1679 zurück. Der Silberbergbau im Harz leidet unter Grubenwasser, je tiefer die Schächte angelegt werden, um so schwieriger wird es das Wasser wieder herauszupumpen. Die "Wasserkunst" ist weit entwickelt, mit Mühlräder wird die "Kunst" angetrieben und das Wasser zu Tage befördert. Leider gibt es ein Problem, nicht immer ist genügend Wasser da um die Mühlräder anzutreiben. Eine einfache Lösung ist, kleine Speicherseen oberhalb der Wasserräder anzulegen, aber auch diese werden mit der Zeit leer.

Der geniale Mathematiker und Philosoph Wilhelm Leibniz will das Wasser von Windmühlen nach oben pumpen und damit das Problem lösen.

Das Zitat ist dem Buch "Leibniz, Newton und die
Erfindung der Zeit" von Thomas de Padova, entnommen

Offensichtlich beschreibt Leibnitz hier das erste Pumpspeicherwerk. 

Leider konnte er sein Werk nicht verwirklichen, weil der Umweltschützer nicht wollten, dass die Windmühle auf dem Berg steht. Somit musste er die Windmühle im Tal aufstellen und dort gab es nicht ausreichend Wind. 

Der Umweltschützer war der Herzog Ernst August.

Der erste Untertagespeicher für Photovoltaik

Nachdem der Pumpspeicher sozusagen erfunden war benötigt man für die Energiewende noch einen Untertagespeicher für die Photovoltaik, die bekanntlich täglich einen "Nachtteil" hat.

Und wieder wundert man sich, wie früh die Lösung in einer Patentschrift beschrieben wird. Bereits im Jahre 1901(!) meldet ein gewisser Herr Reginald A. Fessenden ein "System of storing power." als Patent in der USA unter der Nummer "US 1247520 A" an.

Fessensen weist darauf hin, dass es bald eine Energieknappheit geben wird und erneuerbare Energieerzeuger, insbesondere Windenergieanlagen und "solar radiation" [2] eine Glättung erfordern.

Professor Busch weist auf die Erfindung des Unterwasserspeichers auf der Tagung "Altbergbau 2014" hin.

Lageenergie

Die Idee, mit Lageenergie große Energiemengen zu speichern ist also erstaunlich alt. Ich bin jetzt natürlich gespannt, ob meine Idee, eine große Felsmasse als Speichermedium zu nutzen genau so lange für die Umsetzung benötigt, als die Vorgänger. Der Lageenergiespeicher wurde 2010 zum Patent Nummer WO 2012022439 A1 angemeldet und wartet noch auf seine Umsetzung [3].

Aktueller Stand der Entwicklung des Lageenergiespeichers

Mehr zu Schwerkraftspeicher

• Pumpspeicherkraftwerke
• Energiespeicher Schwerkraft
• Unkonventionelle Pumpspeicher
• Unterirdische Pumpspeicher

Quellen:

[1] Thomas de Padova: „Leibniz, Newton und die Erfindung der Zeit“. Piper Verlag, München 2013. 339 S.

[2] Reginald A. Fessenden, System of storing power, Patent US 1247520 A

[3] Heindl Energy GmbH