Unkonventionelle Pumpspeicher

Konferenzbericht von der Tagung Unkonventionelle Pumpspeicher

Das Energie-Forschungszentrum Niedersachsens (efzn) hat vom 21.-22. November 2013 in das Hotel "Der Achtermann" zur ersten Tagung "Unkonventionelle Pumpspeicherkraftwerke" eingeladen und über 140 interessierte Teilnehmer aus Wirtschaft und Wissenschaft sind gekommen.

Einführende Betrachtungen

Wie gewohnt durften zuerst Politiker das Wort ergreifen, wobei einige abgesagt hatten, in Berlin liefen ja gerade die Koalitionsverhandlungen.

"Die Bedeutung von Speichern für die Industrie" betonte Johannes Sommer (Rockwood Lithium), dabei ging es entgegen der Erwartung einiger, nicht um Lithium Batterien, sondern um das Problem eines Stromausfalls in der chemischen Industrie. Man ist dort immer auf einen Stromausfall vorbereitet und muss alle Anlagen in einen sicheren Zustand fahren können! (Etwas was bei Kernkraftwerken bekanntlich nicht immer gelingt, Anm. Autor). Die Kosten eines Stromausfalls sind erheblich, da manche Prozesse einen langwierigen Prozess des Wiederanfahrens benötigen. Leider hat der Referent auch auf Rückfrage keine konkreten Zahlen genannt. Mir sind aus anderen Quellen Abschätzungen von 4$ für jede ausgefallene kWh Strom bekannt.

Wettbewerb der Technologien

Den Reigen der Technologien eröffnete der Vortrag "Gegenüberstellung Unkonventionelle Pumpspeicherwerke" von Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch (TUC).

Prof. Wolfgang Busch vergleicht die neuen Pumpspeichertechniken

In der Gegenüberstellung ging Busch nicht nur auf die prinzipielle Machbarkeit ein, sondern suchte auch typische "ko"-Kriterien, wie Umweltauflagen oder Kosten. Zumindest gab er allen Technologien eine Chance auf eine Verwirklichung.

Danach wurden in den eingeladenen Vorträgen die verschiedenen Konzepte präsentiert:

"Pumpspeicherkonzepte in den Anlagen des Steinkohlebergbaus im Ruhrgebiet"

Prof. Dr.-Ing. André Niemann (Uni Duisburg-Essen). Hier scheint die Stabilität der alten Schächte, das Gefälle in den Schächten und das Abdichten der Wände gegen Wasser ein ernsthaftes Problem zu sein. Sehr interessant war ein Kommentar, in dem darauf hingewiesen wurde, dass die Pumpen, die bereits heute das Bergwasser abpumpen, in Zukunft einfach dann angeschalten werden, wenn überschüssiger Strom im Netz ist. Damit können etwa 100MW Strom sinnvoll entnommen werden. Eine Wasserschwankung von wenigen Metern ist in alten Zechen kein Problem.

"Untertage Pump Speicher groß-skalige Stromspeicher in Salzkavernen"

Dr. Wolfgang Littmann (Nasser Berg Energie GmbH). Salzkavernen können in Norddeutschland sehr billig durch Auslaugen hergestellt werden. Da die Kavernen unterirdisch sind, stören sie niemanden. Hat man zwei Kavernen mit unterschiedlicher Höhe, kann man ein Pumpspeicherwerk bauen. Das Problem ist das hochkonzentrierte Salzwasser, das alle technischen Systeme, Leitungen, Turbinen, angreift. Man kann aber den Pegel auch mit Pressluft (oder Stickstoff) verändern. Sehr bemerkenswerte Idee, allerdings sind die nötigen Drücke und Druckunterschiede nicht mit bekannten Turbinen effizient herzustellen.

Power Tower und Buoyant Energy

Prof. Dr.-Ing. Markus Aufleger (Uni Innsbruck). In Innsbruck wurde schon ein kleiner "Lageenergiespeicher" mit immerhin 11 Tonnen Gewicht an der Universität gebaut. Die Technik läuft nach einigen anfänglichen Schwierigkeiten problemlos, was mich natürlich sehr gefreut hat.

Wasserpumpspeicherwerke auf dem Meeresgrund- das Meer-Ei“

Prof. Dr. Horst Schmidt-Böcking (Uni FfM). Die Idee, ein umgekehrtes Pumpspeicherkraftwerk zu bauen, geht mit Hohlräumen am Meeresgrund. Dazu versenkt man eine Betonkugel möglichst tief, pumpt die Kugel mit überschüssigen Strom leer und bei Bedarf lässt man wieder Wasser über eine Turbine einströmen. Im Vortrag wurde gezeigt, dass eine Betonkugel in 10.000m Wassertiefe ungeheuer viel Energie speichern kann. Gewissen technische Probleme in der Tiefe sind allerdings leicht zu erkennen.

Lageenergie-Speicher

Prof. Dr. Eduard Heindl (FH Furthwangen). Den Abschluss des ersten Tags bildete mein Vortrag über den Lageenergiespeicher. Er führte zu einer regen Diskussion und danach ging es zum wohlverdienten Dinner. Vor dem Dinner wurde ich noch vom Deutschlandfunk für die Sendung "Wissen aktuell" interviewt, ich halte das für ein gutes Zeichen.

Am zweiten Konferenztag wurden konventionelle Pumpspeicher vorgestellt.

Einige Vortragfolien sind unter http://www.efzn.de/ukps verfügbar!

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

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

Energiespeicher Konferenzberichte

Übersicht zu den Konferenzberichten

Da ich regelmässig Energiespeicherkonferenzen besuche und über diese berichte, will ich an dieser Stelle ein Inhaltsverzeichnis ins Netz stellen.

Dieser "Blogbeitrag" wird also regelmäßig um Links auf neue Berichte ergänzt.

Liste der Energiespeicherkonferenzen

Pumpspeichertagungen, 2017, Essen und Salzburg, 2017

SES2017 Student Energy Summit, Merida, Mexiko, 13.-16. Juni 2017 

10. Energy Storage World Forum, Berlin 10.-11. Mai 2017

23. World Energy Council, Istanbul 10-13. Oktober 2016

Energiespeicher für das neue Strommarktdesign, Berlin 30.6.-1.7. 2015

5. VDI-Fachkonferenz Energiespeicher für die Energiewende

Energy Storage World Forum, London 27.-30. April 2015

Energy Storage World Forum, London, 1.-4. April 2014

The World of Energy Storage, Düsseldorf, 25.-27. März 2014

Unkonventionelle Pumpspeicher, Goslar, 21.-22. November 2013 

IRES Speichertagung, Berlin 2013

Energy Storage World Forum, Berlin 2013

SZ Speichertagung, Düsseldorf 2013

Energy Storage, Düsseldorf 2013

VDI Speicherkonferenz, Karlsruhe 2012

IRES, Berlin 2011

Eine externe Verlinkung der Liste freut mich.

IRES Speichertagung 2013

Bericht von der Speichertagung

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

Segelschiffe als Windgeneratoren

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

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

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

Eröffnung mit Politikerreden

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

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

Simulation der Stromwelt

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

Chairman Sterner blickt auf den weltweiten Speicherbedarf.

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

Paneldiskussion

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

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

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

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

Ausstellung

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

Eduard Heindl erfreut sich am Funktionsmodell des Lageenergiespeichers

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

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

Windenergie und Speicherbedarf

Weltweite Analyse der Windenergie

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

Wo weht der Wind

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

• weit Oben
• in den mittleren Breiten

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

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

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

Energieentnahme mit segelnden Winddrachen

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

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

Flugdrachen der Firma Makani Power, Bildquelle: Makani Power

 Dieser Ansatz hat mehrere wichtige Vorteile:

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

Allerdings gibt es auch erhebliche ungelöste Probleme:

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

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

Speicherbedarf

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

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

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

Eine ähnliche Abhängigkeit hat man auch bei konventionellen Windkraftwerken.

Klimafolgen

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

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

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

Fazit:

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

Ähnliche Themen:

• Stromleitungen als Energiespeicher
• Wie oft braucht man Energiespeicher

Quellen:

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

Aluminium als Benzin der Zukunft

Aluminium als Treibstoff

Auf den ersten Blick klingt die Idee etwas verrückt, Aluminium, das wir aus dem Bau von leichten Autos kennen, als Treibstoff zu verwenden. Aber das Verfahren, das die Israelische Firma Alchemie Research entwickelt hat, bedarf einer genaueren Betrachtung.

Vergleich der Energiedichte verschiedener Materialien(Quelle: KFA Jülich)

Aluminium benötigt viel Strom

Bei der Herstellung von Aluminium wird sehr viel Strom benötigt. Derart viel Strom, dass dereinst das größte Wasserkraftwerke in Deutschland, das Innwerk in Töging, nur für die Aluminiumherstellung gebaut wurde.

Wenn aber die Herstellung von einem Kilogramm Aluminium 13kWh benötigt, dann sollte es auch möglich sein, diese Energie wieder zurückzugewinnen. Und genau das ist die Idee des neuartigen Energiespeichers Aluminium.

Leider geht das nicht ganz einfach, da Aluminium sich sofort mit einer Oxydschicht überzieht und damit für weitere Reaktionen nicht verfügbar ist. Der Vorteil, Alunminium "rostet" nicht, ist hier genau der Nachteil. 

Der Aluminiumreaktor

Die Lösung für das Problem ist ein kleiner Reaktor, bei dem Aluminiumkügelchen zusammen mit Wasser auf 900°C erhitzt werden. Dabei spaltet sich Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff auf, der Sauerstoff reagiert mit den Aluminiumkügelchen und oxidiert sie vollständig. Der Wasserstoff kommt in eine Brennstoffzelle, zusammen mit Sauerstoff aus der Luft kann damit bekanntlich Strom produziert werden.

Genaugenommen ist das Aluminium nur ein guter Trick, den Wasserstoff für die Brennstoffzelle bereitzustellen.

An der Aluminiumtankstelle

Möglicherweise fahren wir also zukünftig alle 2400km an die Aluminiumtankstelle, der 60 Liter Tank wird mit Aluminiumkügelchen gefüllt und das verbrauchte Aluminium, das in Form von Aluminiumoxid vorliegt, wird für das Recycling abgesaugt. 

Manchmal muss man noch etwas Wasser nachfüllen, wenn etwas Wasser aus der Brennstoffzelle entwichen ist, aber daran haben wir uns ja an der Tankstelle gewöhnt.

Beim aktuellen Aluminiumpreis würde eine solche Tankladung, 60kg Aluminium, 80€ ohne Steuern, kosten.

Sehr Umweltverträglich

Aluminium ist neben Sauerstoff und Silizium das dritt-häufigste Element der Erdkruste und damit weder Knapp noch besonders gefährlich. Im Tank, als Aluminiumkügelchen ist es völlig harmlos, selbst bei einem Autounfall gibt es keinerlei Probleme. Kein Vergleich mit einem auslaufenden Benzintank oder gar einem Wasserstoffdrucktank.

Aluminiumoxid ist derart Lebensmittelverträglich, dass wir sogar unser Pausenbrot in Alufolie einwickeln. 

Probleme

Leider gilt auch in diesem Fall, jede Technik hat auch Nachteile. Obwohl ich die Details der Technik aus Gründen der Vertraulichkeit nicht kenne, einige Überlegungen.

Herstellung von Aluminium: Der Energieaufwand bei der Herstellung von Aluminium ist, wie bereits angedeutet, hoch. Allerdings kann der notwendige Strom aus Wind- und Solarenergie gewonnen werden, am besten dort, wo diese natürlichen Ressourcen reichlich vorhanden sind. Da Aluminium mit 13kWh/kg eine höhere Energiedichte als Öl hat, sollte auch der Transport kein Problem sein.

Bei der Herstellung entsteht durch die Graphitelektrode etwas CO2, das sollte aber im Vergleich zu anderen Treibstoffen nicht überschätzt werden.

Technik im Auto: Für eine Auto mit "Aluminiumtreibstoff" benötigt man neben dem Tank zusätzliche einen Reaktor, der bei 900°C den Wasserstoff erzeugt. Weiterhin eine Brennstoffzelle und natürlich Elektromotoren. Möglicherweise ist dieser Aufwand zuerst bei großen Autos oder sogar LKW-Antrieben einfacher zu realisieren als im Kleinwagen. Dort könnte die Li-Batterie sinnvoller sein.

Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad des Aluminiumkonzepts ist leider schlecht. Aus den 13kWh/kg Aluminium, die bei der Produktion eingesetzt werden gehen nur 8,6kWh in das Aluminium. Bei der Umwandlung zu Wasserstoff und Sauerstoff im Reaktor gehen nochmals 25% verloren. In der Brennstoffzelle muss mit einem ähnlichen Verlust gerechnet werden. Verbleiben etwa 37% Wirkungsgrad.  

Nicht perfekt, aber im Vergleich zu vielen anderen Systemen vertretbar.

Fazit

Aluminium als mobiler Energiespeicher könnte eine große Zukunft haben, da die physikalischen Randbedingungen stimmen. Mit etwas Optimierung bestehen jedenfalls gute Aussichten, einen Energiespeicher für Schiffe, LKWs und große Autos zu haben, der eine sehr große Reichweite ermöglicht.

Ich wundere mich, warum man bei uns, soweit ich weis, kaum Forschung in diesem Bereich betreibt!

Anmerkung: Inzwischen gibt es zumindest in der Schweiz dazu (Aluminium als Energiespeicher) ein Forschungsprojekt: https://www.hsr.ch/fileadmin/user_upload/medienmitteilung_archiv/Medienmitteilung_HSR_Energiespeicher_Aluminium.pdf

zum Weiterlesen:

Aktueller Bericht bei CBCnews (Juni 2014)

• Lithium und Blei, ein Vergleich
• Gewicht von Energiespeichern

US Energiespeicherkonferenz

Energy Storage North America 2013

Vom 10-12 September fand in diesem Jahr die Energy Storage North America  in San Jose, CA, statt. Es ist die Partnermesse der Energy Storage Düsseldorf, zu der ich bereits einen Blogbeitrag beschrieben habe.

Zunehmend Solarenergie

In den USA wächst der Anteil der Erneuerbaren Energien, insbesondere PV in Kalifornien, das führt zur sogenannten "Duck Curve" wie die phantasievolle Bezeichnung für die Stromlast mit Solarenergie genannt wird.

Die "Duck Curve", rechts Carla Peterman, California Public Utilities Commission
Commissioner

Zwischen 17 und 19 Uhr steigt der Strombedarf extrem an, wenn die Sonne untergeht und zugleich alle von der Arbeit Nachhause kommen und die Klimaanlage auf höchste Stufe stellen. Um dieses Problem zu adressieren, sollen bis 2020 in Kalifornien 1300MW Speicherleistung installiert werden. Maximal darf ein Speicher 50MW haben, damit kein Pumpspeicher gebaut wird. Pumpspeicher sind in Kalifornien bei der Bevölkerung offenbar unbeliebt. Andererseits werden dadurch auch neue Technologien wie der Lageenergiespeicher verhindert, die erst ab 50MW sinnvoll sind.
Auf eine Frage aus dem Publikum, ob es nicht sinnvoll wäre, die Speicherkapazität im neuem politischen Programm festzulegen, war die Antwort, "Wir haben Kraftwerke bisher immer in MW gemessen, das soll auch so bleiben!", ich hatte das Gefühl, dass noch nicht angekommen ist, dass Leistung und Energie* verschiedene Dinge sind.
Der Außenstehende frägt sich zudem beim Betrachten der Kurve, ob es nicht viel billiger wäre, wenn in Kalifornien die Haushalte eine Zeitschaltuhr (Oder noch besser eine App für das iPhone) für die Klimaanlage kaufen. Dann wird am Nachmittag die Klimaanlage eingeschaltet und wenn man nachhause kommt ist es kühl und die Solarenergie des Nachmittags ist effizient genutzt, ganz ohne elektrischen Speicher, nur mit dem thermischen Speicher "Wohnung".

Wirtschaftliche Betrachtung

Wesentlich stärker als bei anderen Konferenzen stand in Amerika nicht die Ökologie oder die Technik im Vordergrund sondern die Wirtschaftlichkeit bei der Energieversorgung. In einem Vortrag von James P. Avery, Executive Vice President – Power Supply, San Diego Gas & Electric, wurde auf die Marktverzerrung bei der Bezahlung verschiedener Energieformen hingewiesen.

Subvention der Solarenergie in Kalifornien, präsentiert von James P. Avery,  San Diego Gas & Electric 

In San Diego muss der Versorger 0,37$/kWh an die Kunden für Solarstrom zahlen. Das führt, ähnlich wie beim EEG in Deutschland, zu einer Quersubvention, die von den Versorgern beklagt wird. Dort müssen die Versorger die Zusatzkosten nämlich in den Strompreis direkt einpreisen und es gibt keine Umlage wie im EEG, die der Verbraucher getrennt sehen kann. Daher sind Versorger mit vielen PV Kunden deutlich, gegenüber solchen mit wenig PV Kunden, im Nachteil.

Mehr Diskussion weniger Vorträge

Ein deutlicher Unterschied zu vergleichbaren Konferenzen in Europa war die Diskussionsform. Es gab immer ein Panel, das bequem in Sesseln sass, auch während einzelne Mitglieder ihren ca. zehn-minütigen Vortrag, zumeist im Sitzen, hielt.

Es gab viele Panel Diskussionen auf der Energy Storage North America

Das Publikum war stark eingebunden und stellte viele Fragen an die Experten. Allerdings hatte ich das Gefühl, dass es viel mehr politisch ökonomische Aspekte waren, die interessierten, als ich bei uns gewohnt bin.

Viele Fragen aus dem Publikum an das Panel

Fazit

Die weite Reise in das Silicon Valley nach San Jose war lohnend, ich habe jetzt eine genauere Vorstellung, wie die amerikanische Energiepolitik funktioniert. Es gibt auch dort noch keine genaue Vorstellung, wie viel Speicher notwendig ist, noch welche Technologie auf Dauer sich durchsetzen wird. Ein Gesprächspartner aus dem VC Bereich hat zu mir gesagt: "It is the energy storage poker table". Jeder behauptet, seine Technik sei optimal, aber keiner lässt sich in die Karten schauen, wenn es um die Probleme der jeweiligen Technologie geht.
Weiterhin habe ich gelernt, dass der Gesetzes-Dschungel im Energiebereich in den USA wohl noch viel schlimmer ist als in Deutschland. Dort gibt es 51 Bundesstaaten und jeder Staat hat eine eigene Gesetzgebung, aber selbst Provinzen und Landkreise können dazu entgegengesetzte Regelungen haben.
Dadurch, dass die USA fast alle Kohlekraftwerke abgeschaltet hat und 41% des Stroms aus flexiblen und relativ sauberen Erdgaskraftwerken kommt, ist die Integration von Wind und Solarenergie wesentlich einfacher als in Deutschland.
Es bleibt anzumerken: Die USA hat in den letzten Jahren die CO2 Emissionen reduziert, Deutschland hat sie gesteigert! 

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

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

Anmerkung:

* Leistung und Energie sind verschiedene Dinge, weil Leistung einen momentanen Wert für die Abgabe von Energie beschreibt. Die Leistung wird in Watt gemessen. Ein elektrisches Gerät hat immer eine Anschlussleistung, die angibt, wie viel Strom verbraucht wird, wenn es läuft. Bei Autos wir die Leistung oft in PS (statt kW) gemessen und jeder hat dafür ein gewisses "Gefühl".
Energie beschreibt wie viel Arbeit verrichtet werden kann, Energie wird in Joule oder kWh gemessen, also über eine gewisse Zeit. Im Auto hat die Tankfüllung eine gewisse Energiemenge, die viele Menschen in Form von "Liter Benzin" gut kennen. Mehr unter Energieeinheiten.

Lithium oder Blei Batteriespeicher, ein Vergleich

Welcher Speicher ist besser: Lithium oder Bleiakku?

Bei vielen Technologien gibt es immer wieder ein Kopf an Kopf rennen. Soll man ein Diesel- oder Benzinmotor fahren? Ist Solarenergie oder Windstrom besser? Letztendlich wird es der Markt entscheiden, oft bleiben aber auch beide Lösungen bestehen, bis eine Dritte die alten Lösungen ablöst.

Der Bleiakku

In der Batterietechnik gibt es das alte Schlachtross Bleiakkumulator, bereits 1854 wurde der Bleiakkumulator von Wilhelm Josef Sinsteden erfunden und entwickelt. Aufgrund der großen Atommasse von Blei benötigt man für das Abspeichern von einer kWh Strom einen 33kg schweren Bleiakku. Dies mach den Bleiakku für die Anwendung in normalen Kraftfahrzeugen viel zu schwer.
Für die stationäre Speicherung von Energie, etwa für eine Photovoltaik Anlage, spielt das Gewicht keine so große Rolle. Im Haus stört eher, dass in einem Bleiakku sehr viel gefährliche Schwefelsäure verwendet wird, daher müssen die Bleiakkumulatoren sicher gelagert werden.
Würde man Bleiakkus in großem Umfang einsetzen, stellt sich die Frage, ob Blei überhaupt in ausreichender Menge gewonnen werden kann. Aktuell werden auf der Welt 3 Millionen Tonnen Blei pro Jahr gefördert, dabei kommt ein Drittel aus China. Theoretisch könnte man mit dieser Menge 90 GWh speichern. Das entspricht etwa der Speicherkapazität der europäischen Pumpspeicherwerke (Ohne Norwegen).

Der Lithium Ionen Akkumulator

Erst seit 1991 gibt es Lithium Ionen Akkumulatoren, der erste Lithium-Kobaltdioxid Akkumulator wurde, da der Li-Akku sehr leicht ist, für eine Videokamera von Sony eingesetzt. Eine genaue Angabe, wie schwer ein Lithium Akku ist, ist nicht so einfach möglich wie bei Blei, da bei Lithium Akkus nicht das Gewicht von Lithium dominiert, sondern die anderen Bauteile und Elektrolyten. Theoretisch genügen 80 Gramm Lithium, um eine kWh Strom zu speichern, in der Praxis liegt der Wert aufgrund der notwendigen Elektrolyten deutlich über einem Kilogramm. Für mobile Anwendungen ist aber Lithium heute immer die erste Wahl, obwohl der Preis eines Lithium Akkus höher ist als bei anderen Akkumulatoren.

Kostenwettbewerb

Jetzt soll der Bleiakku in direktem Wettbewerb mit dem Lithium-Akku für die stationäre Stromspeicherung gestellt werden, wie er für eine PV-Anlage oft Verwendung findet. 

Folgende Ausgangssituation, die von Professor Sauer in Mainz auf der VDI-Tagung vorgetragen wurde, soll angenommen werden[1]. 

• Speicherkapazität 5kWh
• Systemlebensdauer 20 Jahre
• Kapitalzins 2%

Blei-Akku und Lithium Akku im Vergleich

Das verblüffende Resultat ist, beide Systeme sind in der Praxis mit 13,2ct/kWh gleich teuer. Die Investition in die Lithium-Ionen-Batterie ist zwar höher, als in die Blei-Säure-Batterie, aber die Lebensdauer des Lithiumsystems kompensiert diese Differenz wieder.

In der Berechnung von Sauer werden sehr viel geringere Preise für das Lithiumsystem angenommen, wie man es aktuell im Handel findet. Seine Argumentation ist, diese Preise entsprechen den Werten, die heute in der Elektromobil-Produktion bereits üblich sind. Mittelfristig werden Heimsysteme in gleichem Preisbereich liegen.

Batterien können sich rechnen

Unter der Annahme, dass eine Solaranlage für 13 ct/kWh Strom erzeugt und der Speicher die kWh für 13,2 ct/kWh, wie oben gezeigt, speichert, ist eine private Speicherung von Solarstrom ökonomisch sinnvoll. Da die meisten mehr als 27ct/kWh für den Strom zahlen. Allerdings muss man einen Händler finden, der das gesamte Speichersystem so günstig liefert.

Weitere Beiträge im Blog:

• Gewicht von Energiespeichern
• Batteriespeicher, Preisgrenze

Quelle:
[1] Sauer, Dirk, et.al., Speicher in netzgekoppelten PV-Anlagen, RWTH Aachen, VDI-Fachkonferenz Energiespeicher für die Energiewende, Mainz 2013 

Bericht von der Speicher Tagung des VDI

Bericht von der Speicher Tagung des VDI 

Zum dritten Mal fand die VDI - Fachkonferenz "Energiespeicher für die Energiewende", diesmal in Mainz, unter der Leitung von Professor Michael Sterner statt.

Die komplexe Gesetzgebung für Energiespeicher, visualisiert von Hauptmeier (RWE)

Überblick von T. Bischoff

Im Überblicksvortrag von Thorsten Bischoff aus dem Referat 14 des Bundesministeriums für Umwelt erläuterte einige Fehler bei der Speicher Diskussion.
Unternehmen suchen neue Geschäftsmodelle für Speicher, dabei muss man zwischen netzdienlichen* Leistungen im Sekunden und Minutenbereich und auf der anderen Seite mittel- und längerfristiger Speicherung unterscheiden. Bisher wurden alle diese Leistungen von Großkraftwerken erbracht, ohne dass man über einen Markt für diese Leistungen nachgedacht hat.
Im Gegensatz zur offiziellen Regierungsmeinung geht Bischoff davon aus, dass 2020 bereits 45% fluktuierenden Erneuerbare Energien (EE) am Netz sind und damit die Speicherung von großen Strommengen früher kommen wir.
Zunächst ist es billiger, Überschussstrom wegzuwerfen als zu speichern, aber nach der schwierigen Übergangsperiode werden Speicher sehr wichtig.
Die aktuelle Förderung von Batterien macht nur Sinn, wenn sie netzdienlich sind, da es damit möglich wird, die Mitttagsspitze bei der Solarenergie zu kappen, wie er eindrucksvoll zeigte.
Ein wichtiger Hinweis war noch, dass es sehr teuer ist wenn nationale Autarkie angestrebt wir, im Verbund mit den Nachbarstaat gewinnt jeder.

Verschiedene Speicheraspekte

Professor Albert Moser von der RWTH Aachen analysierte fünf Szenarien des Speichersausbaus. Dabei zeigt sich, dass erst ab 80% EE Anteil Langzeitspeicher ökonomisch sinnvoll werden. Allerdings hat er die Rechnung mit Power-to-Gas durchgeführt, das einen sehr schlechten Speicherwirkungsgrad hat (gezeigt sind bisher 25%, es wurde sehr optimistisch mit 40% gerechnet.)
Ein Szenario das gegenüber einer vollständigen Speicherung nur die halbe Speicherkapazität hat erreicht die wirtschaftlichste Nutzung. Es sei angemerkt, das dies empfindlich von der Flexibilität der Kraftwerke abhängt, wie Hans-Martin Henning zeigte, mithin von der Anzahl der Erdgas Turbinen die Strom ins Netz liefern können. Clemens Triebel zeigte, dass 1GW Batterien etwa 10GW "must run" Kapazität wie Braunkohle oder Kernkraftwerke im Bezug auf Netzstabilisierung ersetzen kann.
Professor Dirk Sauer, ebenfalls von der RWTH Aachen, analysierte den aktuellen Batterie Markt. Die Preise für Bleibatterien liegen im Bereich von 600–2500€/kWh und Lithium-Ionen-Akku im Bereich von 2000–3800€/kWh. Offensichtlich sind diese Preise weit überhöht, wenn man die Preise der Autobatterie-Systeme vergleicht. Hier werden offensichtlich die hohen Entwicklungskosten gerade umgelegt.
Thomas Bruckner von der Universität Leipzig zeigte, dass in einigen Regionen Norddeutschlands die Zukunft in Form von sehr hohen Windenergie Anteilen bereits begonnen hat und man dabei ein gutes Modell für das zukünftige Stromnetz hat.

Neue Speichertechnologien

Am 2.Tag präsentiert Horatio von John, Geschäftsführer von der gravity power GmbH Deutschland, einen neuen Typ Schwerkraft Speicher, wie er von Jim Fiske in Kalifornien erfunden wurde. Das System ähnelt dem hier allen bekannten Lageenergiespeicher, allerdings arbeitet es vollständig unterirdisch, was erhebliche Erd-, Gesteinsbewegungen erfordert. Leider hat das Unternehmen auch noch keinen Kunden für eine Pilotanlage gefunden.

Betonkugeln statt Betonköpfe, kreative Speicherlösungen, hier von Jochen Bard präsentiert.

Ein weiterer Schwerkraftspeicher wurde von Jochen Bard präsentiert, dabei werden Betonhohlkugeln im Meer in 700m Tiefe versenkt und mit Überschussstrom leergepumpt. Dies ist für viele Offshore Windparks interessant, allerdings nicht in der Nordsee, da diese nur 20–50m tief ist. Auch hier gibt es noch keinen Prototypen, allerdings plant die Firma Hochtief demnächst eine kleine Versuchsanlage.
Richard Brody aus den USA präsentierte ein weiteres physikalisches Verfahren, indem Luft komprimiert wird und die Wärme zum Verdampfen von Wasser eingesetzt wird. Originell an dem Konzept war, dass ein Generator, wie er in Windkraftanlage eingesetzt wird, mit einem Schiffsdiesel kombiniert wurde, beides relativ günstige Maschine, da aus der Serienproduktion. Die Dieselmaschine übernimmt die Verdichtung und wird vom Generator mit Überschussstrom angetrieben, es wird daher kein Diesel eingesetzt! Die Pressluft wird in preiswerten Pipelinerohren gespeichert. Bei Strombedarf wird der Vorgang einfach umgekehrt. Laut Brody hat solch ein System einen Wirkungsgrad von 55%,sehr viel im Vergleich zu den 42%, die man bisher bei nichtadiabatischen Druckluftspeichern erreicht, allerdings wurde der Wert nicht experimentell gezeigt, so hat der Autor Zweifel.
Interessant war der Hinweis, dass in den USA immer, gesetzlich vorgeschrieben, geprüft werden muss ob eine neue Hochspannungsleitung nicht durch einen Speicher vermieden werden kann.

Power to Gas für Autos

Hermann Pengg-Bührlen von Audi zeigte, wie ein Erdgasfahrzeug komplett CO2 neutral werden kann. Dazu wurde der Lebenszyklus eines Autos analysiert:
20% der CO2 Belastung entstehen bei der Herstellung, 79% während der Nutzung durch den Treibstoffverbrauch und 1% bei der Entsorgung.
Erneuerbare Kraftstoffe, wie Ethanol stehen im Wettbewerb zu Nahrungsmittel und sind damit nicht nachhaltig. Die Lösung von Audi ist, aus Windstrom Erdgas zu erzeugen, und dieses Erdgas an normalen Erdgastankstellen zu tanken. Dieser Ansatz ist sogar geringfügig besser als ein Elektroauto, da es keine CO2 aufwendige Batterie benötigt.

Fazit

Die Energiewende hat ein grundlegendes Nachdenken über die technische Struktur unseres Stromversorgungssystems eingeleitet. Viele neue Erkenntnisse zum Funktionieren eines zuverlässigen Stromnetzes sind untersucht worden oder werden gerade genauer betrachtet.
Inzwischen gibt es auch immer mehr Ideen zum Bau von Speichern. Dabei werden verschiedene Ideen der Schwerkraftnutzung immer wichtiger.
Welche Lösungen sich durchsetzen beleibt also spannend.

*netzdienlich: Ein Stromnetz muss die Frequenz halten und kurze Lastspitzen abfangen, alle Systeme die das unterstützen sind netzdienlich. 

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

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

Zukünftiger Speicherbedarf mit Crowdsourcing ermittelt

Wachstum Solarstrom und Windenergie

Die entscheidende Frage für den Speicherbedarf ist, wie schnell werden die fluktuierenden erneuerbaren Energien wie Solarstrom und Windenergie ausgebaut. Die Szenarien der Regierung gehen von einer Ausbauquote von 80% bis 2050 aus. Das erscheint ambitioniert, doch das ist ein geringes Wachstum. Aktuell werden 28 TWh Photovoltaikstrom und 46 TWh Windenergie erzeugt. Zusammen sind das 12,4% des gesamten Stroms (600TWh), der in Deutschland produziert wird. Will man 80% erreichen, müssen 480 TWh Strom aus Wind und Sonne erzeugt werden. Um das Ziel innerhalb von 37 Jahren zu erreichen, muss die Kapazität jährlich um 5% zunehmen. 

Das Wachstum von Solar- und Windenergie in Deutschland,
tatsächliche Werte in Rot, 2012 als rotes Kreuz.

In den vergangenen Jahren ist die Stromproduktion aus fluktuierenden, erneuerbaren Quellen aber jährlich um mehr als 15% gewachsen. 

Prognose durch Umfrage

Wie kann man die Zukunft richtig einschätzen? Die Institute wie Fraunhofer IWES oder die Bundesnetzagentur gehen von sehr geringem Wachstum, etwa 5% pro Jahr aus. Dabei ist anzumerken, dass die neuere Prognose von der Bundesnetzagentur zu einem etwas höheren Wert tendiert, siehe Abbildung oben.

Ich habe auf dem Blog eine Umfrage durchgeführt, die Frage lautete:

Wird noch vor 2025 die 15% Trendlinie Wachstum Solar&Windenergie gerissen?

Die möglichen Antworten waren:

• Ja, das Wachstum fällt dauerhaft unter 15%
• Nein, das Wachstum von Wind und Solarenergie bleibt ungebrochen

Beide Antworten waren fast gleich häufig (19:17), damit lautet die Antwort, das Wachstum von 15% ist die wahrscheinlichste Variante.

Bedeutung für Energiespeicher

Die Bedeutung des Ergebnisses für Energiespeicher lautet, ab 2027 werden über 80% des Stroms aus Solar- und Windkraftwerken geliefert. Es ist offensichtlich, dass bei einen so hohen Anteil fluktuierende Stromerzeugung der Bau von Speichern für den überschüssigen Strom sehr sinnvoll wird, andernfalls muss man bei Überproduktion den Strom "wegwerfen" oder, wie die Energiebranche das nennt, abregeln.

Allen die an der Umfrage teilgenommen haben, darf ich noch meinen Dank aussprechen, Sie haben eine wichtige Information geliefert!

Weitere Aspekte der Energiewende:

• Paradoxe Marktsignale
• Investitionsvolumen neue Speicher
• Speicherstudie der KfW

Der größte Energiespeicher

Der globale Energiespeicher

Energiespeicher sind alle Systeme, die Energie einlagern und dann wieder zur Verfügung stellen. Im geologischen Maßstab sind das die eingelagerten Kohlenstoffe (Kohle, Öl, Gas), die im Lauf der Erdgeschichte eingelagert wurden. Diese besondere Form der Energiespeicher will ich mal genauer betrachten.

Wie viel Kohle gibt es?

Niemand kennt die genaue Menge an Kohle, die in den Gruben der Welt liegt, aber eine grobe Abschätzung ist schon möglich, da wichtige Rohstoffquellen genau untersucht werden.
Es sind 861 Milliarden Tonnen[1]!

Die Weltreserven am Gas, Öl und Kohle[1].

Eine Tonne Kohle hat einen Heizwert von 8000 kWh, somit entspricht der Weltkohlevorrat einem Heizwert von etwa 7.000.000 Milliarden kWh=7.000.000 TWh, zum Vergleich, in Deutschland werden jährlich 3.700 TWh Energie verbraucht, weltweit 142.000 TWh.
Diese Zahlen kann sich wieder keiner vorstellen, daher umgerechnet in Geld: Wenn eine kWh Heizwert von Kohle 0,02€ wert ist, dann hat der Weltkohlevorrat einen Wert von 140 Billionen* Euro. Und das ist auch das Problem, die Eigentümer dieser Kohle werden sich nicht gerne durch eine CO2 Steuer oder andere "Maßnahmen" diesen unendlichen Reichtum nehmen lassen.

Öl und Gasreservern

Die Öl und Gasreserven haben eine ähnliche Größenordnung wie die Kohlereserven, allerdings ist der Handelswert von Öl wesentlich höher, da man Öl sehr bequem in Fahrzeugen und Flugzeugen verwenden kann. Es gibt noch 180 Milliarden Tonnen Öl [2], diese sind bei einem Ölpreis von 100€/Barrel 133 Billionen Euro wert, das ist fast der gleiche Wert wie der der Kohlevorräte, ein erstaunlicher Zufall. Die Erdgasvoräte sind mit 187 Billionen Kubikmeter 29 Billionen Euro** nicht ganz so wertvoll.

Wirkungsgrad des Speichers

Jetzt mache ich einen etwas exotischen Ausflug, wie hoch ist der Wirkungsgrad der natürlichen Energiespeicher. Gehen wir davon aus, dass die Steinkohlevorräte innerhalb von 200 Millionen Jahren gebildet wurden, was sicher nicht exakt stimmt, aber sicher die richtige Größenordnung trifft, dann kann man einen Wirkungsgrad für diesen Speicher angeben. Dazu muss man nur die eingespeiste Solarenergie in diesem Zeitraum in Bezug zur abgespeicherten Energie setzen. 

Die Sonne liefert jedes Jahr 1.500.000.000 TWh[3] Energie an die Erde, diese Menge an Energie wird auch oft SERPY (Solar energy received per year) genannt. Vergleicht man diesen Wert mit der gespeicherten Energie, so ist das bereits das Zweihundert-fache der gesamten geologisch gespeicherte Solarenergie. Innerhalb der letzten 200 Millionen Jahre wurde damit das 40 Milliarden-fache an Sonnenenergie geliefert gegenüber der eingespeicherten Energie. 

Der Wirkungsgrad dieses Speichers beträgt somit nur 0,0000000025%!

Dagegen ist jede andere Form der Energiespeicherung praktisch perfekt.

Solarenergie und Energiespeicher 

Moderne Solarzellen erreichen etwa einen Wirkungsgrad von 15%, in unseren Breiten bei vielen Wolken aber nur 5% im Jahreslauf im Vergleich zur tatsächlich eingestrahlten Sonnenenergie aus dem Weltall. zusammen mit einer Speichertechnik wie Power to Gas, die 25% Wirkungsgrad hat, werden immerhin 1,3% der Sonnenenergie gespeichert. Fast unendlich besser als die Kohle aus dem Bergwerk. Allerdings sieht kaum jemand die Kohle als erneuerbare Energie mit schlechtem Wirkungsgrad an, sondern der Mensch als "Eintagsfliege" der Erdgeschichte verbrennt eben was er zum Verbrennen findet. Dass dies nicht Nachhaltig ist, ist hoffentlich hiermit jedem klar geworden.

In diesem Zusammenhang andere Blogbeiträge:

• Power to Gas
• Superspeicher Diesel
• Natürliche Energiespeicher bald erschöpft

* Eine Billion sind 1000 Milliarden oder eine Million mal eine Million!
** Annahme: Erdgaspreis 0,014 €/kWh (4000€/TJ)
Quellen:
[1] World Coal Assoziation (2013) http://www.worldcoal.org/coal/where-is-coal-found/
[2] BP, Statistical Review of World Energy June 2010 
[3] TU Graz, Institut für Wärmetechnik

Energiespeicher länger laden

Wie oft braucht man Energiespeicher?

Neben der Frage nach dem Bedarf an Speicherkapazität muss man auch die Frage nach der Häufigkeit stellen, mit der Energiespeicher genutzt werden. 

Typische Lade- und Entladezyklen für einen Speicher der von Windkraftwerken versorgt wird (Quelle: DWS)

Dies liegt daran, dass jeder Energiespeicher gewisse Investitionen erfordert und ein selten genutzter Speicher am Energiemarkt nur selten Geld verdienen kann.

Die Deutsche Bank hat diese Frage untersucht, da es für eine Bank natürlich sehr interessant ist, zu wissen, welche Investition sich rechnet.

Wie oft werden Speicher benötigt, eine Analyse der DWS-Investments (Deutschen Bank)

Ausgegangen wurde von 80GW über Deutschland verteilte Windleistung, die im Mittel 25GW Strom produziert. Das Wetter aus den Jahren 2005-2009 liefert die Wind-Daten. Jetzt gibt es zwei Fälle, entweder wird mehr Strom produziert, als benötigt, dann kann man speichern oder es gibt zu wenig Strom, dann kann man die Energie aus den Energiespeichern abrufen.

Es zeigt sich, dass der häufigste Fall bei kurzen Zeiten, sechs Stunden, liegt. Etwa einhundert mal gibt es einen Überschuss und fast genau so oft, 90 mal einen Mangel, in dem der Speicher Energie abgibt. Besitzt man also einen Speicher, der für sechs Stunden den Strom aufnehmen kann, hat man im Lauf des Jahres 100 Speicherzyklen. Dies entspricht recht genau der Arbeitsweise heutiger Pumpspeicherkraftwerke.

Längere Speicherzyklen

Es gibt auch längere Zyklen, ein Speicher der 24 Stunden Vorrat aufnehmen kann, kann zusätzlich 210 mal Energie abgeben, und wie man der Grafik entnimmt, gibt es sogar 40 Fälle, in denen mehr als vier Tage lang Strom abgegeben werden könnte. Eine derart lange Zeit kann kein Batteriespeicher überbrücken, jedoch ein Speicher, der auf einer sehr günstigen Speicherkapazität beruht, wie der Lageenergiespeicher, kann diese langen Zyklen bedienen. 

Smart Grid hilft nur manchmal

Eine verbreitete Idee ist, dass man bei Strommangel einfach Last "abwirft", Stromverbraucher ferngesteuert abschalten kann. Dies hilft nicht in allen Fällen, da die meisten Geräte nicht wesentlich mehr als vier Stunden Abschaltung vertragen, danach taut etwa das Kühlfach oder die Waschmaschine wird wieder benötigt. Auch die Aluminiumproduktion kann nicht mehr als vier Stunden heruntergefahren werden, sonst erstarrt die Schmelze endgültig. Wie man aber dem Diagramm entnimmt, gibt es viele Situationen, in denen mehr als 6 Stunden Überbrückung erforderlich sind.

Eine andere Ansicht des Speicherproblems erhält man mit der Jahresdauerkennlinie der ein weiterer Blogbeitrag gewidmet ist.

Innovationen verhindern, mit Schutzzöllen!

EU will fast 50% Schutzzölle auf Photovoltaik erheben

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

Warum schaden Zölle?

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

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

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

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

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

Die Solarbranche

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

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

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

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

Vorteil billiger PV Module

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

Siehe: Weltweiter Trend zu Solarenergie

Stoppt die Zölle

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

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

*EEG: Erneuerbare Energien Gesetz

Stromsteuer oder Strom steuern

Warum Strom teuer ist

Strom war noch nie so billig wie heute, an der Strombörse zahlt man nur 0,04€ für eine Kilowattstunde. Leider können weder Verbraucher noch kleine Unternehmen dort einfach Strom kaufen. Ein Verbraucher musste 2012 etwa 26ct/kWh zahlen [1]. Davon waren über 50% Steuer und noch weitere Abgaben für den Stromtransport und den -Vertrieb.

Abgaben auf Strom in Deutschland für Privathaushalte (Quelle: BDEW)

Sinnvolle Stromsteuern?

Selbst wenn man davon ausgeht, dass es sinnvoll ist, Strom zu besteuern, dann kann man sich fragen ob sie Struktur der Steuer logisch ist. Eine Grundidee der Mehrwertsteuer ist, einfach einen festen Prozentsatz auf den Umsatz mit einem Produkt aufzuschlagen. Das ist einfach und sehr effizient. Damit kann etwa ein niedriger Preis bei der Herstellung einer Ware an den Kunden weitergegeben werden. Kostet etwa ein Tisch in der Herstellung inklusive Vertrieb 100€ so muss der Endkunde 119€ bezahlen. Es gibt nämlich keine spezielle Tischsteuer, keine Tischkonzessiosabgabe, Schreinerhaftungsumlage, Holztischumlage und keinen Tischplattenaufschlag, was es analog alles beim Strom gibt! Diese Sonderabgaben würden beim Kauf eines Tisches 100€ ausmachen und der Tischpreis wäre bei 238€ (Mehrwertsteuer geht ja auch auf alle anderen Steuern oben noch drauf!).

Würde ein Schreiner seinen Tisch nun besonders geschickt fertigen und 30€ einsparen, so läge der Preis weiterhin bei 70€ Herstellung + 100€ Abgaben + 32€ MwSt. = 202 €. Trotz der großen Anstrengung des Schreiners spürt der Endverbraucher von der optimierten Produktion  praktisch nichts. Das wäre bei Tischen vielleicht erträglich, bei Strom bewirkt es ein Desaster

Echter Strompreis ist fast unsichtbar

Aufgrund der vielen fixen Abgaben sind die tatsächlichen Stromerzeugungskosten für den Verbraucher nicht spürbar, oder wer hat bemerkt, dass der Strompreis in den letzten Jahren um 3ct/kWh gesunken ist, wer weiß, dass am Sonntag der Strom Mittags oft praktisch kostenlos herzustellen ist?

Diese verfälschten Preise beim Endverbraucher führen aber zu einem großen Problem, angepasster Stromverbrauch (Smart Grid) oder Stromspeicher sind unrentabel. Die Folge, eigentlich wertvoller Strom wird weggeworfen, Stichwort Abregeln von Wind- und Solarkraftwerken. Teuerer und CO2 aufwendig herzustellender Strom wird in Nachtspeicheröfen billig eingelagert. Eine völlig absurde Situation.

Lösung durch lineare Abgaben

All diese Probleme könnten vollständig gelöst werden, wenn es eine Abgabe auf Strom gäbe, die einfach ein fixer Prozentsatz der Stromerzeugungskosten ist. Ähnlich wie die Mehrwertsteuer ein fixer Prozentsatz auf den Umsatz bei allen Produkten ist.

Strompreis bei Weitergabe der Erzeugungskosten heute und mit verändertem  Abgabenmodell.

Damit für den Staat und die Netzbetreiber weiterhin genügend Einnahmen entstehen, könnte die Abgabe eine  Höhe von 200 % haben (Das würde genügen, damit die Stromwirtschaft jährlich weiterhin 60Mrd€/a Einnahmen hat). Das klingt zuerst erschreckend, würde aber bedeuten, wenn der Strom an der Börse EEX[2] nur 1ct/kWh kostet, wie am 1. Mai 2013, zahlt der Verbraucher nur 3ct/kWh wenn er kocht oder Musik hört. An anderen Tagen, wenn der Preis Nachts ohne Solarstrom und bei wenig Wind auf über 10ct/kWh ansteigt muss der Verbraucher 30ct/kWh zahlen. Jeder kann damit selbst entscheiden, wann er Strom einkauft, mit moderner Technik kann man diese Information problemlos an alle Stromzähler übermitteln, Stichwort "Smart Meter". Wichtig ist natürlich, dass alle den gleichen Strompreis zahlen, Endverbraucher, Industrie und öffentliche Einrichtungen, das Ergebnis sieht man in der Abbildung für mehrere Tage dargestellt.

Markt funktioniert wenn Preise funktionieren

Heute liest man viel über Probleme im Strommarkt, Hochspannungsleitungen werden auf Verdacht geplant, eine Subvention für die Bereithaltung von Kohlekraftwerken, Kapazitätsmarkt, ist geplant, Pumpspeicher, die dringend nötige Speicherleistung bereit stellen machen Verlust. 

All dies würde sich in einem Markt, in dem das Produkt Strom einen Preis proportional zu seinen Herstellungskosten hat, sofort Signale zum sinnvollen Einsatz der Ressourcen ergeben. Billiger Strom würde in neue Speicher abgespeichert, Verbrauch begrenzt, wenn der Strom gerade sehr teuer ist, Leitungen würden günstige Erzeuger mit starken Verbrauchern verbinden.

Und wer das alles zu kompliziert findet, der könnte weiterhin eine Art "Flatrate" für Strom zahlen, so wie bisher, wer flexibel ist, würde zum neuem Preismodell wechseln.

Mehr zum Strompreis: 

• Kostenloser Strom?
• Kapazitatsmärkte, wozu?

Quellen:

[1] BDEW-Strompreisanalyse Januar 2013

[2] Marktdaten an der EEX

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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