Energy Storage World Forum, Konferenz Bericht

Energy Storage World Forum Berlin 2013

Auf dem 6. Energy Storage World Forum, 22.-26. April 2013 in Berlin, gab es einen guten Überblick zur weiteren, weltweiten Entwicklung auf dem Speicher-Mark. Vorab, aktuell ist der Speicherbedarf noch sehr gering, und Björn Peters von der Deutschen Bank wies auf die Probleme bei der Kostenstruktur hin. Günstige Batterien haben weniger Lebensdauer, etwa Blei Akkus, gute Batterien mit vielen Zyklen, wie etwa Lithium Akkus, sind sehr teuer,  wie Olivier Vallee von NATUREO FINANCE betonte.

Podiumsdiskussion auf dem Forum

Preis und Bedarf

Marco Anuedi vom London Imperial College zeigte einige sehr interessante Diagramme, in denen er den Zusammenhang zwischen Speicher Preis, Auslastung und Stromerzeugungskosten darstellte. Entscheidend ist dass der Markt für Speicher explodieren würde, könnte man für unter 100€ eine kWh abspeichern. Das ist aber mit Batterien kaum zu schaffen. Auf der anderen Seite können Pumpspeicherkraftwerke bereits heute zu diesem Preis Speicherleistungen anbieten.

Wie viel Geld kann mit Speichern eingespart werden? Marco Anuedi vom London Imperial College.

Spezielle Märkte

Aktuell gibt es einige Marktnischen, sehr erstaunlich war etwa ein Kohlekraftwerk in Chile, das kurze, extreme Lastspitzen mit einem 10MW Lithium Puffer abfängt (Stichwort primäre und sekundäre Regelung) . Ein weiterer Aspekt ist die Optimierung von Diesel Generatoren, im Umfeld weniger großer Verbraucher, etwa Landwirtschaft mit Bewässerung und Strom aus Photovoltaik. Hier kann eine Batterie mit entsprechender Steuerung das System erheblich optimieren, wie Mathias Vetter vom ISE in Freiburg erläuterte.
Robert De Groot von ENEXIS aus Holland stellte ein Batterieprojekt für Siedlungen dar. Eine Batterie mit 2h Kapazität kann 75 % der Netzausfälle verhindern, im Beispiel wurde eine 232kWh Batterie für einen Straßenzug, mit  einigen hundert Bewohnern und 186kW verteilte PV-Anlagen, erfolgreich installiert.
Elektrische Omnibusse würden sich bereits heute im Stadtverkehr klar lohnen, leider sind die Kommunen "dumme" Investoren, ein Dieselbus kostet nur 100.000€ und den teuren Diesel muss man erst nach der Wahl zahlen! Einen Lithium-Ionen-Akku Bus muss man im aktuellen Haushalt zahlen, die erheblichen Einsparungen kommen aber erst im Laufe von 10-20 Jahren.

Stromspeicher sind wohl ein Thema für Männer?

Der Stromzähler

Bemerkenswert ist die Aufteilung des Speicher Marktes in die Kategorie "vor dem Zähler" und "hinter dem Zähler",  die von Olivier Vallee eingeführt wurde. Im Stromnetz gibt es den Preis, wie er von der Strombörse festgelegt wird. Dieser Preis schwankt heute in Ländern mit viel PV wenig, etwa in Deutschland. Völlig anders ist die Situation hinter dem Zähler, dort entscheidet  der Verbraucher zwischen eigenem PV Strom und Strom aus dem Netz. Inzwischen ist der PV Strom billiger als der private Strom, was an den extrem vielen Steuern und Abgaben bei Haushaltsstrom liegt. Damit entsteht ein Geschäftsmodell für Batterien.
Dies ist in Deutschland sehr ausgeprägt, da hier ab Mai 2013 erstaunlicherweise sogar Subventionen für Batterien gezahlt werden. Auf diesen deutschen Markt hat Shu Shu aus China hingewiesen, und so werden uns die Chinesen bald nicht nur mit PV beliefern sondern auch mit Batterien.
Einen Vorteil haben diese Batterien bei richtiger Nutzung für das Stromnetz, sie können die Stromspitzen am Mittag abbauen, wie Hauptmeier von der RWE erläuterte. Wenn man es etwas spitz formulieren will, Batterien im Haus ermöglichen den kontinuierlichen Betrieb von Braunkohle Kraftwerken
Wind auf der Insel Irland
Eine bemerkenswert Entwicklung gibt es in Irland, von der Denise O Leary, ESB, Irland, zu berichten wusste  Inzwischen gibt es viele Windturbinen und aufgrund der guten Windverhältnisse werden es immer mehr. Das führt dazu, dass Nachts die Windturbinen abgeregelt werden. Die Lösung ist ein HGÜ (Hochspannung Gleichstrom Übertragung) Kabel nach Wales und England mit einer Kapazität von 5GW, das dürfte Rekord sein, um den Strom Nachts nach England zu exportieren.

Zunehmend weniger Auslastung der konventionellen Kraftwerke, Bernd Calaminus von der EnBW

Technische Batterie Entwicklung

Noch immer ist nicht klar, welche Batterien optimal sind. Vermutlich werden dauerhaft mehrere Systeme, je nach Einsatzgebiet, Verwendung finden.
Bei den flow Batterien  hier werden die Elektrolyten in Tanks gespeichert, gibt es inzwischen viele verschiedene Systeme, die teilweise auch mit organischen Substanzen arbeiten, wie Marcel Skoumal aus Spanien darstellte.
Bei Lithium Akkus gibt es ebenfalls Optimierung, man versucht bis zu 5V Zellspannung zu erreichen.
Die Entsorgung, oder besser das Recycling von Lithium-Ionen-Akkus könnte in Zukunft so aussehen, dass degenerierte Batterien (80% Rest-Kapazität) aus Autos in stationären Speichersystemen weiterarbeiten, da dort das Gewicht nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Ein erhebliches Problem bei der Finanzierung von Batterieprojekten stellen technische Sicherheitsprobleme dar, Stichwort Dreamliner und andere Fälle, in denen große Batteriesysteme in Rauch aufgegangen sind, hier bekommen Investoren kalte Füße, da ein unbekanntes Risiko vorliegt.

Solarer Wasserstoff

Eine alte Idee ist die solare Wasserstofferzeugung. Allerdings ist das nicht lohnend, wenn man daraus wieder Strom erzeugen will, ein Diskussionsteilnehmer wies darauf hin, dass dabei nur 25% wieder aus der Steckdose kommen. Die Verluste bei der Elektrolyse liegen großtechnisch bei 40% (Grund ist die notwendige Überspannung), dazu kommt 8% Verlust durch Kompression und bei der Umwandlung in der Turbine weitere 50%. Allerdings ist es sehr interessant den Wasserstoff direkt an die Chemieindustrie zu verkaufen. Dort wird bisher der Wasserstoff aus Methan unter Abgabe von CO2 gewonnen. Der Markt ist mit 16 Millionen Tonnen erheblich. Auf jeden Fall ist das erstmal sinnvoller als aus solarem Wasserstoff Methan zu erzeugen wie das die Anhänger von Power-to-Gas propagieren.
Eine Publikumsumfrage Wasserstoff oder Lithium-Ionen-Akku als Speichersystem ist unentschieden ausgegangen. Das Hauptproblem bei Wasserstoff sind wohl längerfristig die Brennstoffzellen.

Fazit

Weltweit gibt es einen Roll-out der fluktuierenden Erneuerbaren Energien wie Solarenergie und Windkraft, aber nur an wenigen Stellen ist das Speichern schon sinnvoll. Da zunächst Nischen bedient werden, haben Batterien eine gute Chance.

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

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

SZ Speichertagung in Düsseldorf

Eindrücke von der SZ Speichertagung 

Vom 21-22. April 2013 fand in Düsseldorf die Süddeutsche Zeitung Speichertagung statt, zu der ich als Referent eingeladen war. Thematisch wurden Strom- und Wärmespeicher sowie politische Aspekte der Energiewende vorgestellt.
Mehrere Referenten,  wie Dr. Weng, ehemals Südwest Strom wiesen auf den Grund für die Energiewende hin, CO2 Einsparung und Ausstieg aus der Kernenergie. Dies wird oft vergessen, daher kritisierte er deutlich die Politik, die oft kontraproduktiv subventioniert um Partikularinteressen zu unterstützen. Etwa ist die Förderung von Batterien unter diesen Aspekt nicht zu rechtfertigen.

Strom oder Wärme

Obwohl die Erzeugung von Wärme wesentlich mehr CO2 verursacht als die Stromversorgung wird praktisch nur die CO2 arme Stromerzeugung mit dem EEG gefördert. Die Sache ist allerdings sehr komplex, da Strom auch Energie und damit CO2 einsparen kann, man denke nur an die Wärmepumpen,  wie  Prof. Dr. Wolfgang Winkler, aus Hamburg erläuterte.
Andererseits ist das speichern von Wärme wesentlich einfacher als das Speichern von Strom. Hierzu stellte Dr. Marc Lindner von der DLR beeindruckende Speicherleistungen von thermochemischen Speichern wie Kalk vor, die bis zu einer kWh Wärme pro kg speichern können, Möglicherweise für das Heizen in Elektroautos zukünftig von Interesse.

Brauchen wir Speicher für Strom? 

Erstaunlicherweise kann man relativ große Anteile von Wind- und Solarenergie ohne Speicher nutzen, solange die anderen Kraftwerke flexibel sind. Dr. Martin Kleimeier, Consultant VDI/VDE, rechnete vor dass ein Absenken der Spitzenleistung von PV-Anlagen auf 70% des peak-Wertes im Bedarfsfall nur einen Verlust von wenigen Promille der Energie bedeutet, ähnlich verhält es sich mit Wind. Auf der anderen Seite gibt es einen starken psychologischen Wunsch, nichts wegzuwerfen. Manfred Volker Haberzettel von der EnBW erläuterte das an einem netten Beispiel, die Hausfrau investiert in eine Tupperdose um manchmal noch eine halbe Zwiebel aufzuheben, ökonomisch nicht begründbar. Er berichtete vom Wunder von Forbach dort wünschen sich die Bürger, im Gegensatz zu Attdorf, ein Pumpspeicherkraftwerk im Nordschwarzwald. Wir leben in (Energie) revolutionären Zeiten und da ist es oft unübersichtlich, wie er meinte. Aktuell lohnen sich Pumpspeicherkraftwerk nicht, da der Strom Mittags wegen der Solarenergie nur noch selten teuer ist,  wie Sebastian Schröer, MVV Energie AG, meinte.
Neue Ansätze wie Power  to Gas haben unter den jetzigen Bedingungen keine Chance, da der Wirkungsgrad mit 25% viel zu niedrig ist, eine Aussage von Dr. Andrei Zschocke,  E.ON,  der die Power-to-Gas Pilotanlage in Falkenhagen vorstellte. Dr. Manuel C. Schaloske stellte den Speicher der Zukunft, Wasserstoff, vor, ich glaube das wird so bleiben, da, es extrem schwer ist, die Infrastruktur in Form eines Tankstellen-Netzes aufzubauen.

Neue Technologien 

Einige Vorträge stellten (mir) neue Technologien vor. Prof. Dr. Sven Steinigeweg von der Hochschule Emden berichtete von der Integration der Methane Nutzung in einer Kläranlage, die in Verbindung mit den vielen Windkraftwerken eine wesentliche Optimierung der Auslastung und damit des Windenergie-Ausbaus erlaubt.
Etwas Science fiction wirkten die supercap Kondensatoren, die immerhin 2600m2 Fläche pro Gramm haben und etwa 10Wh/kg speichern.
Am Montag Abend habe ich dann meinen Lageenergiespeicher vorgestellt, wie immer sehr viele Fragen und große Verblüffung.

Politik 

Aktuell sind alle Änderungen am EEG bis zur Wahl vor Herbst eingefroren, danach ist aber mit einer grundlegenden Änderung zu rechnen,  wie MinDir. Dr. Karin Freier vom Bundesministerium für Umwelt erläuterte. Politisch will Bayern keine "Strompreisbremse" da das EEG die Wirtschaft antreibt und man nicht die EEG Umlage nach "Norden" zu den Windkraft Betreiber senden will.

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

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Ist der Lageenergiespeicher realistisch?

Strom mit dem Lageenergiespeicher speichern

Als Erfinder des Konzepts Lageenergiespeicher muss ich natürlich vorwegnehmen, dass ich etwas voreingenommen bin, was die Machbarkeit betrifft. Aber ich werde versuchen, so gut wie möglich, objektiv zu sein.

Arbeitsweise Lageenergiespeicher

Das Prinzip des Lageenergiespeichers

Im Prinzip ist der Betrieb eines hydraulischen Lageenergiespeichers [1] sehr einfach, ein Felszylinder wird mit elektrisch angetriebenen Pumpen durch den Wasserdruck angehoben, bei Strombedarf wird das Wasser aus der Druckkammer über eine Turbine geleitet und liefert Strom. Dass man entsprechende Pumpen und Turbinen bauen kann, die im Stromnetz ökonomisch arbeiten, ist unbestritten, sonst gäbe es keine Pumpspeicherkraftwerke. In der obigen Abbildung ist dies auf der linken Bildhälfte vereinfacht angedeutet. Dass Pumpspeicherkraftwerke momentan wenig Gewinn abwerfen ist ein anderes Problem, das ich unter "paradoxe Marktsignale" schon diskutiert habe.

Bau des Zylinders

Wesentlich schwieriger ist die rechte Hälfte im Bild zu realisieren, der anhebbare Steinzylinder. Hier geht es zuerst um die Frage, kann man einen solchen Felsen freilegen. Ein einfaches Beispiel ist das künstliche Loch des Höwenegg Vulkans, das, bei recht senkrechten Außenwänden, einem "Lageenergiespeicher" mit 100m Radius recht nahe kommt.

Gesägte Steinwände in Salzburg (Googlemaps)

Senkrechte Wände kann man auch sägen, das sieht man in jedem Marmorsteinbruch. Originell ist die Situation in Salzburg, dort wurde versucht, einen Teil des Burgbergs abzusägen, trotz des schlechten Nagelfluh-Gesteins steht die senkrechte Wand immer noch sehr gut:
Noch überzeugender sollte aber das folgende Bild vom Kanal von Korinth sein:

Kanal von Korinth (Bildquelle Wikipedia)

Der Kanal von Korinth besteht aus zwei fast senkrechten Wänden, ähnlich wie beim Lageenergiespeicher, nur sind hier die Wände nicht zu einem Zylinder gerundet.

Geht man davon aus, dass man die Wände frei sägen kann, bleibt bei der Freilegung die Abtrennung des Zylinderbodens ein Problem. Hier könnte eine Maschine zum Einsatz kommen, wie sie im Bergbau oft Verwendung findet, eine Schrämmaschine. Damit werden im Kohleflöz die Kohlen aus dem Berg geholt, aber auch bei vielen anderen Aktivitäten im Bergbau entfernt man damit Gestein.

Schrämmwalze (Bildquelle: Wikipedia)

Abdichtung

Die Abdichtung des Systems besteht aus zwei Teilproblemen, zum Einem muss man alle Oberflächen die mit Wasser in Berührung kommen, mit einer wasserdichten Folie bekleben. Dies geschieht heute bei Staudämmen regelmäßig mit Geo Membranen (Hintergrundartikel: Geomembrane). Das sind Kunststofffolien, die haltbar mit dem Untergrund verschweißt werden. Bekannte Hersteller geben auf diese Folien sogar 100 Jahre Garantie, da sie hier nicht mit Sonnenlicht in Kontakt kommen, sollte es daher kein Problem mit der Dauerhaftigkeit geben.

Der zweite Teil der Abdichtung bezieht sich auf den Dichtungsring. Dieser muss den Wasserdruck von einigen 10 Bar aufnehmen. Bei einem Speicher mit 125m Radius und 8GWh Kapazität beträgt der Druck an der Dichtung etwa 50 Bar. Damit dieser Druck homogen abgeführt wird, werden mehrere Dichtungsringe mit jeweils 10 Bar Dichtungsdruck verwendet. 10 Bar ist etwa der Druck in jeder Wasserleitung oder in einem Lkw Reifen, nicht sehr ungewöhnlich. Allerdings erfordert eine Dichtung immer eine Wand, an der sie gut entlang laufen kann, hierfür ist es notwendig die entsprechende Außenfläche des Schafts mit blanker Metallfolie zu belegen. Die Form des Dichtungsrings, sehr groß, ist aus dem Tunnelbau bekannt, dort werden ebenfalls Dichtungen eingesetzt, damit ein Wassereinbruch an der Tunnelbohrmaschine abgefangen werden kann.

Verkannten und Erdbeben

Häufig wird gefragt, kann ein so großer Zylinder nicht im Schaft festklemmen? Nein, das kann er nicht, wenn die Dichtung oberhalb des Schwerpunkts liegt, das liegt daran, dass er dann wie ein Schiff schwimmt, und ein richtig gebautes Schiff ist in einer physikalisch stabilen Lage. 

Die Situation bei Erdbeben ist etwas komplizierter. Ein Erdbeben ist eine elastische Welle im Gestein, dabei bewegt sich das Gestein etwas nach Vorne und dann wieder zurück. Am Lageenergiespeicher wird diese Bewegung an das Wasser übergeben und dann an den Zylinder. Die Welle läuft sozusagen durch den Speicher hindurch, da sowohl Wasser wie auch Fels praktisch inkompressibel sind. Dass bei einem Erdbeben Gebäude einstürzen liegt hingegen daran, dass die Seitenwände zwar hervorragend die Kräfte in der Senkrechten aufnehmen können, jedoch kaum Scherkräfte, die bei einem Erdbeben so zerstörerisch wirken.

Verbleibende Probleme

Das größte Problem ist vermutlich, einen Investor zu finden, der das Risiko eingeht, einen solchen Speicher zu bauen, da er neu ist. Insbesondere kann man keinen sehr kleinen Lageenergiespeicher bauen, da der Preis aus geometrischen Gründen mit 1/r² fällt. Das bedeutet, große Speicher haben einen sehr kleinen Preis pro kWh Kapazität, sehr kleine aber einen sehr hohen Preis. Ab einem Radius von etwa 50 Meter sollte der Lageenergiespeicher aber wirtschaftlich zu bauen sein.

Mehr zu Schwerkraftspeicher

• Pumpspeicherkraftwerke
• Energiespeicher Schwerkraft
• Unkonventionelle Pumpspeicher
• Unterirdische Pumpspeicher

Weitere Information:

[1]http://lageenergiespeicher.de/

Der erste Blog zum Lageenergiespeicher: http://heindl.blogspot.de/2010/09/energiespeicher-ohne-grenzen-wind-und.html

Energy Storage Düsseldorf 2013, Eindrücke

Am 18. und 19. März 2013 fand die Energy Storage in Düsseldorf statt.
Die international sehr gut (500+ Teilnehmer) besuchte Konferenz bot einen aktuellen Einblick in die Aktivitäten der Branche.

Janice Lin vom kalifornischen Speicherverband CESA

Jeremy Rifkin, USA, hat den aktuellen Wandel in der Energieproduktion hin zu Wind und Sonne als die dritte industrielle Revolution bezeichnet, nach Kohle und der Einführung des Strom- und Telefonnetzes.
Sehr viele Vorträge haben wieder auf die Speicherung mit Batterien verwiesen, allerdings benötigen Batterien erhebliche Flächen, wie das folgende Bild zeigt:

Der Flächenbedarf von Batterien ist erheblich.

Eine 5MWh Vanadium Redox Flow Batterie benötigt offenbar mindestens 500m². das sind 10kWh pro m², was der Seefläche eines Pumpspeichers bei gleicher Kapazität entspricht. Ehrlich gesagt ist mir da der See lieber als das Chemiesystem mit seiner Betonplatte.

Kalifornien geht nach Vorne

Der Bundesstaat Kalifornien hat bei Speichern vermutlich bald große Bedeutung, da dort der Ausbau der Photovoltaik sehr schnell voran schreitet. Wie Janice Lin gezeigt hat, wird es bereits ab 2015 dort zwei sehr ausgeprägte Bedarfsspitzen, Morgens und Abends, geben. Um diese als "Entenkurve" (Duck Curve) bezeichnete Situation auszugleichen sind sehr große Speicher nötig.

Duck Curve

In Gesprächen mit dem kalifornischen Speicherverband gab es ein reges Interesse am Lageenergiespeicher, der genau die Anforderungen, wenig Flächenbedarf, hohe Speicherkapazität, gut erfüllen könnte.

Peter Altmeier ohne Geld

Der Bundesumweltminister hielt zwar eine engagierte Rede, in der er die Verantwortung der Branche betonte, selbst die besten Lösungen zu finden, aber leider hat er kein Geld um Förderung oder Forschung zu finanzieren.

Bundesumweltminister Peter Altmeier hinter dem Namenschild von Michael Sterner

Er führte als Gründe für den Geldmangel unter anderem die CO2 Zertifikat Regelung auf, die noch unter Trittin nicht besonders vorausschauend eingeführt wurde. Da heute die Zertifikate, nicht zuletzt wegen der Energiewende, sehr billig sind, sind die Erlöse daraus gering, mithin sind die Mittel für die daran gekoppelten Forschungsmitte nicht vorhanden, so habe ich das zumindest verstanden.

Bundesverband gegründet

Am Abend des 19.3.2013 gab es die erste Sitzung des Bundesverbands Energiespeicher Deutschland, BVES. Der Verband wird von Eicke Weber, Institutsdirektor des ISE in Freiburg geleitet. Bereits jetzt hat der Verband, bei dem ich ein persönliches Mitglied bin, über 50 Mitglieder aus allen Bereichen der Energiespeicher-Technik, den Betreibern von Speicherkraftwerken bis hin zu Bauunternehmen.

Es ist zu hoffen, dass es damit gelingt, die Politik noch stärker auf das drängende Problem der Energiespeicher aufmerksam zu machen.

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

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Weltweiter Trend zur Solarenergie

Weltweites Wachstum der Solarenergie

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

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

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

Weltweite Entwicklung der Solarenergie (update 2014 mit China)

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

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

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

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

2030 Weltweiter Strombedarf mit PV gedeckt

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

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

Ursache des Wachstums

Günstige PV-Module

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

Banken lieben Solarstrom

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

Sinkende Preise

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

Lernkurve der Photovoltaik, Quelle: SolarValley

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

Folgen bei der Umstellung

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

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

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

Die Entwicklung bleibt also sehr spannend!

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

[1]OECD Factbook

[2]www.Solarserver.de

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!