Pumpspeicher zwei Tagungen

Der Bedarf an Pumpspeicher 

Im Jahr 2017 war ich auf zwei Pumpspeicher Tagungen, "Pumpspeicherwerke" in Essen am 10. Juli 2017 und am 29./30. November auf der 3. Internationalen Pumpspeicherkonferenz in Salzburg, die Ergebnisse sind etwas widersprüchlich und ich will sie in diesem Blogbeitrag diskutieren

Internationale Verteilung von Pumpspeicherwerken.

Pumpspeicher in Deutschland

Die deutschen Pumpspeicher haben eine Kapazität von 40 Gigawattstunden und eine Anschlussleistung von 6 GB, dies sind gewaltige Zahlen allerdings im Verhältnis zum Stromsystem eher klein, die Leistung ist etwa ein Zehntel des deutschen Stromverbrauchs und die Kapazität könnte noch nicht einmal eine Stunde lang Deutschland mit Strom versorgen (Falls die Leistung reichen würde).

Die Aufgabe der Pumpspeicher lag aber in ihrer ursprünglichen Funktion nicht darin, Deutschland etwa über Nacht mit Strom zu versorgen, wenn die Sonne nicht scheint, sondern Ausfälle von Kernkraftwerken zu managen oder Spitzenlasten in der Mittagszeit, die insbesondere durch das Einschalten vieler Elektroherde früher entstanden sind, abzudecken.

Rene Kühne zur Entwicklung des Spotpreis, die Spitze am Mittag ist verschwunden. (Folien)

Heute hat sich das Bild massiv gewandelt. Tagsüber trägt die hohe Zahl an Fotovoltaik-Anlagen, mit etwa 40 GB installierter Leistung, erheblich zum Abbau von Strombedarfsspitzen bei. Wenn auch nicht immer insbesondere natürlich im Winter, wenn es sehr bewölkt ist und nur wenige hundert Megawatt von der Fotovoltaik erzeugt werden. Dies führt dazu, dass der Strompreis nicht mehr so stark schwankt wie früher und genau deshalb haben die Pumpspeicher Betreiber ein erhebliches Problem ihre Anlagen zu finanzieren.

Es ist inzwischen soweit, dass selbst fertige Anlagen kaum mehr den Erlös bringen um den Betrieb aufrecht zu erhalten. So gaben einige Sprecher auf der Tagung in Essen an, dass im Fall einer größeren Revision, etwa den Austausch einer Turbine, das Kraftwerke eigentlich aus wirtschaftlichen Gründen stillgelegt werden müsste.

Dies hätte natürlich erhebliche Folgen für das Stromnetz, denn die Pumpspeicher dienen eben auch zur Stabilisierung des Netzes und sollen zukünftig ja Solarstrom und Windstrom puffern um zu anderen Zeiten des Bedarfs die entsprechende Energie zur Verfügung zu stellen.

Einige steile Thesen zur Wirkung von Pumpspeichern, vorgestellt von Peter Stratmann (Folien)

An einen Neubau ist daher in Deutschland praktisch überhaupt nicht zu denken, was auch dazu führte, dass das bekannte Projekt Atdorf im Südschwarzwald, gestoppt wurde, obwohl bereits 60 Millionen Euro für die Planung ausgegeben wurden.

Ausbau der Pumpspeicherwerke ist fast zum Erliegen gekommen, dargestellt als gelbe Kreise, Reinhard Fritzer, ILF (Folien)

Pumpspeicher in Österreich

Anders die Situation in Österreich, dort stehen wesentlich mehr Pumpspeicherkraftwerke, insbesondere was die Speicherkapazität betrifft. Diese kommt von den großen Gefällen in den Alpen um den erheblich größeren Staumauern und damit Speicher.
Auf der Internationalen Pumpspeicher Tagung in Salzburg wurden die berühmte Anlage der Illwerke von Professor Helmut Jaberg vorgestellt. Ein Pumpspeicher mit über 800 m Fallhöhe und über einen Gigawatt Leistung.

Das Verhältnis Speicher zu Turbine ist in Österreich und in der Schweiz größer, womit länger gespeichert werden kann.

Durch die große Speicherkapazität können auch Überschüsse, wie sie aus längeren Starkwind-Perioden kommen aufgenommen werden, wenn die Leitungen ausreichen. Bei Flaute kann die Energie dann abgerufen werden und teurer verkauft werden.

Dies wird in den Medien oft irreführend dargestellt, als ob wir Strom ans Ausland verschenken und teuer wieder importieren. Nein, da liegt eine Dienstleistung dazwischen, dass die Energie gespeichert wird und genau dann geliefert wird, wenn wir bedarf haben!

Einnahmequellen für Speicher

Die sehr flache Preiskurve für Strom kann Speicher aktuell nicht finanzieren, aber es gibt auch andere Einnahmequellen für Speicher, etwa der Regelenergiemarkt. Dabei wird kurzfristig Energie bereitgestellt oder aufgenommen, um das Netz zu stabilisieren.

Regelenergie ist eine weitere Einnahmequelle für Pumpspeicher.

Im Vortrag der Beratungsfirma BET aus Aachen wurden weitere Einnahmequellen vorgestellt.

Verschiedene Einnahmequellen für Speicher

Das Problem sind aber oft die gesetzlichen Regelungen, die es sehr schwer machen alle Märkte fair zu behandeln. Hier zeigt sich oft, dass unsere Energiegesetze immer noch zu stark von der Denkweise im alten Energiesystem dominiert sind. Zudem wird der Transport von Energie nicht abgebildet, alle Preise gelten flächendeckend für Deutschland, obwohl vielleicht in Norddeutschland ein Überschuss und in Süddeutschland ein Mangel an Strom vorhanden sein kann.

Die Lastgradienten wachsen in den letzten Jahren, daher ist schnelle Regelleistung erforderlich. 

Eine Alternative zu Speichern ist der Netzausbau, aber der geht leider sehr schleppend voran, sodass langfristig viel Energie, die aus Wind und Sonne kommen, nicht den Verbraucher erreicht.

Netzausbau, erst 3% sind 2016 geschafft, Folie Team Consult.

Fazit

Pumpspeicher allein in einem Stromsystem zu betrachten ist nicht zielführend. Zukünftig müssen alle Komponenten eines modernen Stromnetzes zusammenarbeiten. Wind, Off- und Onshore, PV, Leitungen, Speicher in Deutschland aber auch jenseits der Grenze und das am besten mit fairen Regeln für alle Beteiligte.

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

 

Unterirdische Pumpspeicher

Unsichtbar: Unterirdische Pumpspeicher

Wie bereits mehrfach erwähnt, sind Pumpspeicher die verbreitetste Methode elektrische Energie in großer Menge abzuspeichern. Leider hat diese Technologie einige Nachteile, die gerade für die globale Energiewende problematisch sind. 

Damit ein Pumpspeicherkraftwerk arbeitet, benötigt man deutliche Höhenunterschiede, mindestens 400 Meter, besser mehr. Zudem sollte man große Täler haben, die man mit Staudämmen absperren darf und fluten kann, nicht optimal umweltverträglich.

Nicht zu vergessen, Fotovoltaik spielt sich in vielen Gegenden auf der Welt in der Wüste ab, nicht gerade mit Wasser gesegnet. Was tun?

Alte Bergwerke fluten

Eine erste Idee ist, alte Bergwerke zu fluten und dann das Wasser wieder hoch zu pumpen. Dabei wird die überschüssige  Energie von den Pumpen absorbiert und bei Bedarf kann man das Wasser wieder in die Tiefe stürzen lassen und über eine Turbine leiten. 

Je nach Anordnung benötigt man nur ein Oberbecken oder man nutzt zwei, unterschiedlich tiefe liegende Stollen und ist damit vollständig unterirdisch. Klingt verlockend, hat aber einen Haken: 

Bergwerke sind nicht gerade für das Speichern von Wasser ausgelegt. Die Stollen sind nur so gut stabilisiert, dass man Bergbau betreiben kann. Wasser regelmäßig einfüllen und abzupumpen erfordert eine sehr gute Abdichtung, damit keine Chemikalien aus dem umliegenden Gestein gelöst werden die das Wasser stark verschmutzen oder gar den Stollen zerstören.

Pumpspeicherkraftwerk, untertägig

Rechnet man die Sache durch, sieht man auch, dass die Energiemengen überschaubar bleiben. Angenommen man hat 1 km Stollen mit 20m² Querschnitt, einmal in 200m Tiefe und einmal in 700m Tiefe, dann kann man damit 

E = 20m² × 1000 m × 500 m × 1000 kg/m³ × 9,81 N/kg / 3.600.000 kW/J

E = 27.250 kWh = 27 MWh

einspeichern. 

Das klingt zwar gut, aber wenn man weiß, dass ein übliches Pumpkraftwerk 8.000 MWh speichern kann, ist es nicht sehr beeindruckend. Insbesondere, wenn man bedenkt mit welchem Aufwand die Stollen abgedichtet werden müssen. 

Würde man solch ein Kraftwerk neu bauen und einfach annehmen, dass die Herstellung von Volumen unter Tage ca. 800 Euro/m³ kosten, dann findet man einen Preis von 43,2 Mio. Euro, was umgelegt auf die Speicherkapazität 1600 Euro/kWh bedeutet, ohne Zubehör wie Pumpen und Turbinen.

Kraftwerk im Schacht

Eine Alternative ist, den Schacht zu nutzen, der ist ja oft sehr tief. Wird im Schacht, in halber Tiefe, eine Decke eingezogen, der die obere Hälfte von der Unteren trennt, dann kann man Wasser in die untere Hälfte füllen, über eine Pumpe in die obere Hälfte pumpen und genau wie oben beschrieben, elektrische Energie speichern und wieder gewinnen.

Schacht-Pumpkraftwerk

Auch hier wieder eine Energiebetrachtung:

Der Schacht soll 1000 m tief sein, nicht unüblich im Bergbau, und einen Durchmesser von 20 m haben.

E = 3,14  × 10 × 10m² × 500 m × 500 m × 1000 kg/m³ × 9,81 N/kg / 3.600.000 kW/J

E = 214.020 kWh = 214 MWh

Das Kraftwerk kann immerhin eine nennenswerte Energiemenge speichern! Allerdings ist der Bau von Schächten nicht wirklich billig, geht man von Baukosten im Bereich von 250 Mio. € aus, dann kostet die Speicherkapazität 1.168 Euro/kWh. Allerdings ist hier noch keinerlei Maschinen gekauft, zudem benötigt man eine zweiten Schacht um an die Pumpe und Turbine zu kommen. 

Gravity Power mit Betonkolben

Eine Alternative ist es, in dem Schacht statt Wasser einen Betonkolben hydraulisch auf- und absteigen zu lassen. Dies hat die Firma Gravity Power sehr weit entwickelt. 

Dort wird in einem Schacht ein Betonkolben einbetoniert und gegen die Umgebung abgedichtet. Die Dichtung muss bei 500 m Kolbenhöhe etwa 80 Bar Druck standhalten. Den unebenen Schachtwänden muss die Dichtung geeignet folgen. 

Schacht-Kolben-PSW nach Gravity Power

Während des Betriebs wird beim Einspeichern von Strom mit der Pumpe Wasser unter den Kolben gepumpt und dieser damit angehoben, bei der Rückgewinnung drückt der Kolben Wasser über die Turbine und sinkt dabei ab.

Nimmt man wieder einen Schacht mit 20 m Durchmesser und 1000 m Tiefe kann man damit bei einer Betondichte von 2600 kg/m³ folgende Menge Energie speichern:

E = 3,14 × 10 × 10m² × 500 m × 500 m × (2600 - 1000) kg/m³ × 9,81 N/kg / 3.600.000 kW/J

E = 342.433 kWh = 342 MWh

Speichern. Dabei ist allerdings der Systempreis etwas höher, da man ja den Betonzylinder herstellen muss. Dieser besteht auch 157.000 t Beton, den man optimistisch für 300 € pro Tonne hergestellt und verarbeitet bekommt. Damit kostet der Kolben 47 Mio. Euro. Die Baukosten liegen daher bei dieser Variante bei ca. 297 Mio. Euro. Damit kostet die Speicherkapazität 867 Euro/kWh. Dieser Preis liegt etwas unterhalb des reinen Schachtkraftwerks, allerdings handelt man sich damit ein nicht unerhebliches Problem beim Abdichten ein. 

Lageenergiespeicher vom Typ Gravity Storage

Eine weitere fast unterirdische Lösung ist ein Speicher, bei dem ein Felskolben aus dem umliegenden Gestein ausgeschnitten wird und ebenfalls mit Wasserdruck angehoben wird. 

Der Speicher arbeitet, indem bei Stromüberschuss eine Pumpe Wasser aus einem "Unterbecken" unter den Felskolben leitet und diesen dabei anhebt. Bei Strombedarf presst der Felskolben das Wasser wieder über eine Turbine und Strom wird mit einem Generator erzeugt.

Lageenergiespeicher nach dem Verfahren von Heindl

Auch für dieses Kraftwerk sollen, analog zu den vorherigen Rechnungen, die Kapazität und Kosten eingeschätzt werden. Nimmt man einen Durchmesser und Tiefe von 250 Meter für den Felskolben und eine Hubhöhe von 100 Meter, kann man bei einer Gesteinsdichte von 2600 kg/m³ folgende Energiemenge speichern:

E = Energie Kolben - Energie Wasser

E = (3,14 × 125 × 125 m² × 250 m × 100 m × 2600 kg/m³ - 3,14 × 125 × 125 m² × 100 m × 200 m × 1000 kg/m³) × 9,81 N/kg / 3.600.000 kW/J

E = 6.016.289 kWh = 6.016 MWh

Diese Energiemenge liegt im typischen Bereich eines Pumpspeicherwerks, aber wie teuer wird der Bau eines solchen Speichers? 

Hier wird die massiven Vereinfachung angenommen, dass analoge Preise pro Kubikmeter unter Tage gelten, wie oben verwendet. Dies waren ca. 800 Euro/m³ Baukosten für Schachtvolumen.

Im Lageenergiespeicher wird jetzt eine Schlitzbreite von drei Metern in allen Richtungen angenommen. Damit erhält man für das "Schachtvolumen" V = Wand × Boden

V = 3,14 × 250 m × 250 m × 3 m + 3,14 × 125² m² × 3 m

V = 736.000 m³

und damit Baukosten von 589 Millionen Euro, das ergibt Kosten pro kWh Speicherkapazität von 97 Euro pro kWh. Wie bei allen anderen Rechnungen wurde auch hier Pumpe, Turbine und all die anderen Sachen, die solch ein Kraftwerk teuer machen können, nicht berücksichtigt. Es geht um die reine Analyse der prinzipiell möglichen Geometrien von Pumpspeichern, die im wesentlichen unterirdisch arbeiten.

Fazit

Unterirdische Speicherkraftwerke sind von den Kosten nicht in einer anderen Welt als Batterien oder obertägige Pumpspeicher. Allerdings gibt es je nach Technologie erhebliche unterschiedliche technische Probleme und spezifische Kosten. 

Am kostengünstigsten erscheint mir der Lageenergiespeicher "Gravity Storage", allerdings muss ich zugeben, dass ich in diesem Fall voreingenommen bin. Gerne lasse ich mich aber von anderen Rechnungen überzeugen. 

Auf jeden Fall sind alle vorgestellten Technologien auch in trockenen Gebieten für lange Zeit nachhaltig einsetzbar. Aspekte die bei Batterien, Lebensdauer, Rohstoffe, bisher eine Schwäche darstellen.

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Energy Storage World Forum Konferenzbericht

Trends bei Energiespeicher 2017 

In Berlin fand von 10. bis 11. Mai das 10. ESWF statt. Ich habe den Teil zum Thema Großspeicher besucht und eigentlich erwartet, auch einige neue Ansätze zu Pumpspeicher und andere Technologien zu erfahren. Das war eher nicht der Fall, es ging hauptsächlich um Batterien.

Abschlusspräsentation auf dem ESWF, der Frauenanteil war nicht immer so hoch.

Was ist ein Energiespeicher

Das Problem liegt wohl eher darin, dass unter Energiespeicher jeder etwas anderes versteht. Aktuell scheint es so, dass im Markt für Großspeicher im wesentlichen Speicher beschrieben werden, die große Leistung für kurze Zeit liefern können. Das sind wichtige Systeme in einer Welt, in der die klassischen thermischen Kraftwerke langsam von Solar- und Windkraftwerken ersetzt werden.

Sehr unterschiedliche Speicher: Strom, Lebensmittel, Daten, und sehr unterschiedliche Reichweiten, aus dem Vortrag von  Julian Jansen, IHS Markit

Regelenergie

Um das Problem genauer zu verstehen, muss man wissen, dass ein normales Kohlekraftwerk nicht bei voller Leistung läuft, sondern für kurzzeitige Schwankungen immer noch eine gewisse Leistungsreserve (~10%) vorhält. Kommt es jetzt zu einem zusätzlichen Bedarf, weil gerade eine große Maschine eingeschaltet wird, muss einfach die Leistung etwas hochgeregelt werden. 

Bei einer Solarzelle oder auch bei einem Windkraftwerk geht das nicht, diese werden normalerweise hundert Prozent der Leistung an das Netz abgeben, obwohl theoretisch auch weniger möglich wären, was aber offensichtlich eine Verschwendung wäre.

Einsatzgebiete von großen Batterien zur Netzstabilisierung, Quelle: eon

Um diese Regelleistung ohne den Aufwand eines herunter geregeltem Kohle-, Erdgas- oder sonstigen thermischen Kraftwerks zu managen, scheinen Batterien zusammen mit leistungsfähiger Elektronik einen guten Dienst zu tun.  

Typisch an diesen Systemen ist, dass sie nur sehr kurz Energie liefern können, typische Werte liegen unter einer Stunde.

Speicherbedarf für große Energiemengen, Dunkelflaute

Eine der spannendsten Fragen in der Speicherbranche ist der Bedarf an Speicher für große Energiemengen, also nicht um kurzzeitig das Netz zu stabilisieren, sondern um etwa elektrische Energie vom Tag aus Solarenergie in die Nacht zu verschieben.

Hier war ein Vortrag von Dr. Björn Peters interessant, der für Deutschland die Situation mit 100% Wind und Solarenergie berechnet hat. Sind 120 GW PV und 120 GW Wind installiert, so genügt dies langfristig theoretisch, um den Strombedarf zu decken. Allerdings müssen ausreichend Speicher zur Verfügung stehen. In dem Modell wurde ein perfekter Speicher mit 100% Wirkungsgrad angenommen (Reale Speicher liegen eher bei 80 %, aber die Differenz ist nicht entscheidend).

Die Überraschung ist, dass für die Phasen ohne Wind und Sonne, sogenannte Dunkelflaute, massive Speicherkapazitäten nötig sind. So wäre zur Überbrückung der Dunkelflaute im Herbst 2016 etwa 80.000 GWh Speicherkapazität erforderlich gewesen. Bedenkt man, dass nur 40 GWh in Deutschland verfügbar sind, wird das Problem offensichtlich.

Die Dunkelflaute, der gefährliche Elefant, wie er in der Zeitschrift Sonne Wind & Wärme dargestellt wird.

Vermutlich können solche Phasen nur mit thermischen Reservekraftwerken, ob dies nun Blockheizkraftwerke oder Gasturbinen sind, überbrückt werden.

Alternativ könnte man Stromleitungen nach Afrika oder Sibirien legen, die insgesamt 8.000 km lang wären und eine Leitungskapazität von mindestens 50 GW benötigen, leider, im aktuellen politischen Umfeld, eher schwierig umzusetzen.

Wachstum des Speichermarkts

Sicher werden die extremen Speicher nicht so schnell kommen, aber das Wachstum der Speicher ist größer als das Wachstum der PV und Wind Märkte, da an vielen Orten das Netz langsam an die Grenzen seiner Steuerfähigkeit kommt. 

Speicherbedarf im UK erreicht 15 GW innerhalb von 15 Jahren

In mehreren Vorträgen wurden Folien aufgelegt, die den Speicherbedarf, zumeist aufgeschlüsselt nach Hausbatterien ("behind the meter") und anderen Batterien im Netz, analysierten. Zumeist wird hier nicht von Speicherkapazitäten, sondern von Leistungen gesprochen, da es noch um die Stabilisierung des Netzes geht. 

Gegenüber heute ist ein Faktor 10 bis 100 innerhalb von 15 Jahren zu finden.

Der größte Energie Speichermarkt ist wohl in 2017 in Südkorea! (Quelle: Jansen, IHS Markit)

Warum besuche ich solche Konferenzen?

Am Ende der Konferenz hat man immer das Gefühl, die Aussagen schon ein dutzend Mal gehört zu haben. Allerdings ist auch interessant, was fehlt, niemand hat mehr vom Power to Gas gesprochen und Wasserstoff ist ebenfalls nicht vorgekommen. 

Sehr gefreut hat mich, dass der Moderator meine Speichertechnologie, Gravity Storage, als mögliche Lösung für Großspeicher erwähnt hat. 

Ein weiterer wichtiger Punkt sind immer die Gespräche in der Kaffeepause, man erfährt viel über Märkte und kann seine Kontakte gut pflegen.

Bis zur nächsten Konferenz, weitere Konferenzberichte finden sich unter:

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

Wieviel Solarzellen und Speicher braucht die Welt?

Solarenergie für Deutschland Europa und die Welt

Es gibt in der Solar-Szene ein Bild (Bild 1), dass vermutlich fast jeder kennt, es zeigt, wie groß der Flächenbedarf ist, wenn die Welt auf Solarenergie umgestellt wird. Es wurde, soweit mir bekannt, von Frau Nadine May erstmals in ihrer Diplomarbeit bei der DLR veröffentlicht [1]:

Bild 1: Flächenbedarf für Solarkraftwerke, nach Nadine May [1]

Dieses Bild ist weitverbreitet und soll auf seine Richtigkeit überprüft werden. Zunächst ist zu bemerken, dass Algerien das Land, das die Quadrate für die Welt und Europa enthält und Libyen, das Land, das möglicherweise die Deutschen Solarkraftwerke bekommt, keine Kolonien mehr sind.

Die Quadrate haben eine Kantenlänge von: Welt 254 km,  Europa 110 km und Deutschland nur 45 km.

Wie groß ist der Energiebedarf der Welt?

Der Energieverbrauch der Welt wächst ständig (Siehe Bild 2), daher kann man schlecht den Energiebedarf nur mit einem Bezugsjahr angeben. Aktuell liegt der Bedarf bei über 30.000 TWh (30.000.000.000.000 kWh) wenn man die Angaben der Internationalen Energieagentur auswertet. Ich habe dabei Umwandlungsfaktoren für bestimmte Energieformen zu Strom berücksichtigt.

Bild 2: Weltweiter Energiebedarf für Strom, Transport und alle anderen Formen

Diese Energie soll nun mit Solarzellen aufgefangen werden und in Strom umgewandelt werden. Dabei gibt es mehrere Faktoren zu berücksichtigen, den Wirkungsgrad, die Einstrahlung im Lauf eines Jahres und die notwendige Speicherung der Energie für die Nacht.

Solarzellen aus Silizium erreichen einen Wirkungsgrad von rund 20% und sind aktuell die günstigste Methode in großem Umfang Strom aus Solarenergie zu erzeugen.

Die Einstrahlung ist in verschiedenen Regionen der Erde sehr verschieden, insbesondere muss man immer zwischen direkter und globaler Einstrahlung unterscheiden. Für die Photovoltaik (PV) spielt nur die globale Einstrahlung eine Rolle. Daher wird nur diese Betrachtet.

Bild 3: Globalstrahlung senkrecht zum Boden (Quelle: WEC [2])

Auf der Karte sieht man, dass viele Gebiete eine jährliche Einstrahlungsleistung von 2000 kWh pro Jahr haben, insbesondere die Sahara, aber auch auf anderen Kontinenten (Ausnahme: Europa!), derartig gute Standorte zu finden sind.

Notwendige Flächen

Die notwendigen Flächen der Solarzellen kann man jetzt einfach berechnen. Für die Welt benötigen wir 30.000.000.000.000 kWh im Jahr, da ein Quadratmeter eine Einstrahlung von 2000 kWh hat wären das theoretisch 15.000.000.000 m² oder 15.000 km². 

Jetzt kommt der Wirkungsgrad ins Spiel, da nur 20% in Strom umgewandelt werden, benötigen wir die fünffache Fläche, das sind 75.000 km². Allerdings muss man die Zellen aufbauen können und benötigt Wege und weitere Flächen für Wechselrichter und Speicher, das dürfte den Flächenbedarf verdoppeln. Damit liegt man bei 150.000 km².

Der Transport und die Speicherung von Energie, die zwingend nötig ist, da nachts die Sonne nicht scheint, wird etwa weitere 25% der Energie auffressen, damit wären wir bei 200.000km².

Dies entspricht einem Quadrat von 448 km Kantenlänge, ganz grob gesagt doppelt so groß wie in der Zeichnung.

Faire Welt

Aktuell verbrauchen nur wenige Menschen viel Energie und viel Menschen wenig Energie. Ich bin überzeugt, dass Langfristig alle Menschen mindestens den Lebensstandard wie in Deutschland erreichen wollen. Dafür dürfte pro Person eine Energiemenge von 15.000 kWh/a notwendig werden. Es gibt einige Länder, die bereits heute einen deutlich höheren Energiebedarf haben, aber wir wollen hoffen, dass Energieeffizienz auch eine gewisse Einsparung bewirkt. 

Bei einer Weltbevölkerung von 8 Mrd. Menschen wird das einen jährlichen Energiebedarf von 120.000 TWh oder 120.000.000.000.000 kWh, also das Vierfache des bisherigen Bedarfs, ergeben. Damit würde sich die Fläche mit Solarzellen immerhin auf ein Quadrat mit einer Kantenlänge von 1000 km vergrößern (Bild 4).

Bild 4: Die Welt vollständig mit Solarenergie in Zukunft versorgen

Weiterhin ist die Fläche von einer Million Quadratkilometer immer noch klein im Vergleich zur Sahara, aber ein ernsthafter Teil der festen Erdoberfläche. Die Welt hat etwa 15 Millionen Quadratkilometer sonnige Wüsten, das bedeutet, etwa 1/15 dieser Fläche muss in Zukunft mit Solarzellen für die Energieversorgung verwendet werden. 

Speicherbedarf

Geht man davon aus, dass die Energie mindestens für einen Tag gespeichert werden können muss, so erfordert das eine Speicherkapazität von 330 TWh (330.000 GWh), 

zum Vergleich: Deutschland hat Pumpspeicher mit einer Kapazität von 0,04 TWh. 

Sollten große Lageenergiespeicher mit 80 GWh Kapazität (500 m Durchmesser) das Problem lösen, müssten davon beachtliche 4000 Stück gebaut werden.

Will Elon Musk das mit Batterien aus der Gigafactory lösen, so muss die Gigafactory bei einer geplanten Kapazität von 50 GWh pro Jahr, über 6000 Jahre Produzieren oder 400 Gigafactories 15 Jahre lang produzieren, um erstmals die Kapazität zur Verfügung zu stellen und immer weiter Produzieren, da Batterien nach 15 Jahre ersetzt werden müssen.

Gigantische Umstellung

Soll die weltweite Umstellung auf Solarenergie gelingen, werden gewaltige Bauten in Form gigantischer Solarfelder nötig. Sicherlich reichen dafür nie die Dachflächen. Weiterhin geht es um Investitionen, die in der Größenordnung des globalen Bruttosozialprodukts von einem Jahr liegen (80.000 Mrd. $). Das klingt viel, ist aber von der Menschheit zu schaffen, insbesondere wenn man bedenkt, dass danach Energie sauber, ohne CO2 und zu geringen Kosten produziert wird.

Ich glaube, wir schaffen das!

Zum Thema: warum Solarstrom und Speicher billiger werden, die Lernkurve.

Quellen:

[1] Eco-balance of a Solar ElectricityTransmission from North Africa to Europe, Diploma Thesis of Nadine May, Braunschweig Mai 2005

[2] World Energy Resources Solar 2016, World Energy Council 2017

A 186 page paper going into details is from Jakobson et.al., 100% Clean and Renewable Wind, Water, and Sunlight (WWS) AllSector Energy Roadmaps for 139 Countries of the World

Wind- oder Sonnenenergie speichern?

Energiespeicher für Wind oder Solarenergie

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

Das Problem der Zeiträume

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

Windenergie im Jahresverlauf (Daten: ISE)

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

Regelmäßigkeit bei der PV Produktion (Daten: ISE)

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

Wachstum der Solarinstallation

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

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

Verhältnis von Solarkraftwerken zu Windkraftwerken (Eigene Analyse)

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

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

Welcher Speicher ist sinnvoll?

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

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

World Energy Storage Forum 2015

Bericht vom World Energy Storage Forum 2015

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

Wie leistungsfähig werden Batterien?

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

Abbildung 1. Einordnung von Batteriesystemen, Quelle: JCESR

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

Preisentwicklung

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

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

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

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

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

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

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

Marktanteil von Speichertechnologien

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

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

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

Leistungsgradienten

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

 

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

Fazit:

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

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Pumpspeicher, eine alte Erfindung

Wer erfand den Pumpspeicher?

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Doch woher kommt diese Technologie?

Leibnitz der deutsche Mathematiker

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

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

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

Offensichtlich beschreibt Leibnitz hier das erste Pumpspeicherwerk. 

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

Der Umweltschützer war der Herzog Ernst August.

Der erste Untertagespeicher für Photovoltaik

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

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

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

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

Lageenergie

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

Aktueller Stand der Entwicklung des Lageenergiespeichers

Mehr zu Schwerkraftspeicher

• Pumpspeicherkraftwerke
• Energiespeicher Schwerkraft
• Unkonventionelle Pumpspeicher
• Unterirdische Pumpspeicher

Quellen:

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

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

[3] Heindl Energy GmbH

Vergleich der Energiespeicher mit Lageenergie

Energiespeicher mit Lageenergie

Durch die starke weltweite Zunahme von Wind- und Solarenergieanlagen sind viele Erfinder mit der Frage beschäftigt, wie man die Energie möglichst ökologisch und ökonomisch speichern kann. Neben den vielen chemischen Konzepten spielt dabei die Nutzung der Schwerkraft in Form von Lageenergie eine wichtige Rolle. In diesem Blog sollen alle mir relevant erscheinenden Verfahren verglichen werden.

Kriterien für Energiespeicher 

Für alle Speicher werden dabei folgende Kriterien betrachtet:

• Flächenbedarf 
• Bautechnische Probleme
• Kosten pro kWh Speicherkapazität
• Besondere Anforderungen
• Offene Probleme

Der Wirkungsgrad wird hier nicht betrachtet, da vermutlich alle Verfahren zwischen 80% und 95% Zyklus-Wirkungsgrad erreichen und damit praktisch alle hier beschriebenen Ansätze die bekannten chemischen Speicherverfahren übertreffen (Ausgenommen: Batterien).

Alle vorgestellten Verfahren sind noch nicht in der praktischen Umsetzung und daher wird die Marktreife ebenfalls nicht berücksichtigt. Das klassische Pumpspeicherwerk wird als Referenzsystem zum Vergleich herangezogen, daher zunächst die Daten:

Pumpspeicherwerk 

Das klassische Pumpspeicherkraftwerk nutzt zwei Wasserreservoirs auf unterschiedlicher Höhe und pumpt zwischen beiden Wasser hin und her. Bei günstigen Strom wird hochgepumpt, bei hohen Strompreisen wird Wasser über eine Turbine mit Generator geleitet. Der Flächenbedarf ist erheblich, zusammen mit dem Unterbecken benötigt man pro Megawattstunde (1000 kWh) 200 Quadratmeter. Bautechnisch stellen der Damm und das Becken sowie die verschiedenen Stollen die größte Herausforderung dar. Die Kosten der Speicherkapazität werden in der Literatur sehr unterschiedlich angesetzt, 100 Euro pro kWh wird für bereits gebaute Anlagen oft angegeben. Die besondere Anforderung ist, dass ein natürlicher Höhenunterschied von mindestens 400 Meter vorhanden sein sollte. Weiterhin kann durch Verdunstung in warmen, ariden Gegenden erheblich Wasser verloren gehen. Technisch gibt es keine offenen Probleme, allerdings gibt es inzwischen erhebliche Widerstände gegen Neubauten, da oft wertvolle Hochflächen geflutet und verbaut werden. 

Energy Cache

Eine sehr originelle Idee ist das anheben von Schotter mit einer Art Skilift, wie es die Firma Energy Cache verfolgt und von Bill Gates [1] (teilweise) finanziert wird.

Dabei wird Schotter mit einer Kübelkette bei Stromüberschuss nach oben gezogen, dort automatisch entladen und bei Strombedarf wird der Prozess einfach umgedreht.

• Flächenbedarf: 100m²/MWh, stark vom Wirkungsgrad (Schütthöhe!) und Höhenunterschied abhängig
• Bautechnische Probleme: Seile nutzen sich ab
• Kosten pro kWh Speicherkapazität: Sehr hoch, vermutlich weit über 1000€/kWh
• Besondere Anforderungen: Großer Höhenunterschied, viel Schotter
• Offene Probleme: Prototyp funktioniert

Gesamturteil: Nicht geeignet da zu aufwendig.

Das Meer-Ei

Eine inverse Version des Pumpspeichers ist das Meer-Ei [2], eine Hohlkugel aus Beton, die tief in das Meer versenkt ist. Bei Stromüberschuss, insbesondere aus Offshore-Windparks, wird Wasser aus der Kugel herausgepumpt, bei Strommangel strömt das Wasser wieder über eine Turbine in die Kugel ein und erzeugt Strom.

Das Meer-Ei tief in der See versenkt kann günstig Energie speichern. Bild: Fraunhofer IWES

• Flächenbedarf: nur Meeresboden notwendig
• Bautechnische Probleme: Betonkugeln müssen sehr massiv und groß sein, Verschalung problematisch
• Kosten pro kWh Speicherkapazität: Unbekannt, aber vermutlich erträglich (200€/kWh denkbar)
• Besondere Anforderungen: Tiefe Meeresstelle erforderlich, daher nicht für die Nordsee geeignet.
• Offene Probleme: Seewasser erfordert gute Materialien und maritime Roboter-Techniken da nicht für Taucher zugänglich (Aufschwimmen denkbar).

Gesamturteil: System hat Potential im Offshorebereich.

Der Schottersack

Analog zum Ansatz des Meer-Ei arbeitet der Schottersack [3] unter Wasser. 

Das Prinzip des Schottersack Energiespeichers nach Heindl

Ein sehr großer Kunstoffsack, etwa aus LKW Plane, wird mit Schottersteinen unter Wasser gefüllt. In den Zwischenräumen befindet sich zunächst Wasser. Bei günstiger Energie wird das Wasser ausgepumpt, Luft strömt über einen Schnorchel nach. Bei Energiebedarf lässt man das Wasser über eine Turbine wieder einströmen. Vorteil, der Schotter kann nicht kollabieren, da er sehr fest ist.

• Flächenbedarf: nur Meeresboden notwendig
• Bautechnische Probleme: Herstellen eines großen Kunstoffplanenbehälters der Wasserdicht ist
• Kosten pro kWh Speicherkapazität: Abhängig von Tiefe und Schotterpreis, deutlich unter 100€/kWh möglich
• Besondere Anforderungen: Tiefe Meeresstelle erforderlich, daher nicht für die Nordsee geeignet.
• Offene Probleme: Seewasser erfordert gute Materialien und maritime Roboter-Techniken da nicht für Taucher zugänglich.

Gesamturteil: System hat Potential im Offshorebereich.

Gravity Power

Das kalifornische Unternehmen Gravity Power [4] will in alten Bergwerksschächten große Massen hydraulisch anheben und absenken. Dabei wird Wasser bei Stromüberschuss unter den Zylinder gepumpt oder bei Strommangel senkt sich der Kolben und presst Wasser über eine Turbine.

Gewichte im Schacht bei Gravity Power (Copyright Gravity Power)

• Flächenbedarf: sehr gering, da vollständig unterirdisch.
• Bautechnische Probleme: Sehr tiefer Schacht muss vorhanden sein und muss präzise ausgekleidet werden
• Kosten pro kWh Speicherkapazität: Abhängig von Tiefe, 100€/kWh möglich, wenn geeigneter Schacht mit 2000 m Tiefe vorhanden ist. Bei Neubau von Schächten völlig unwirtschaftlich.
• Besondere Anforderungen: Verwaister, tiefer Schacht in gutem Zustand erforderlich.
• Offene Probleme: Dichtung muss extrem hohe Drücke (200 Bar und höher) aushalten, da sehr große Bautiefe

Gesamturteil: System hat Potential falls Schacht vorhanden ist

Lagenergiespeicher, Gravity Storage

Der Lageenergiespeicher, nach Heindl [5], hat eine gewisse Ähnlichkeit zum Konzept von Gravity Power. Dabei wird eine große Felsmasse, 50 m Radius oder mehr, ausgeschnitten und als Kolben für die Energiespeicherung verwendet.

Der Lageenergiespeicher, eine große, natürliche Felsmasse wird angehoben

• Flächenbedarf: Deutlich geringer als bei Pumpspeicher, je nach Größe 10m²/MWh
• Bautechnische Probleme: Fels freilegen und abdichten
• Kosten pro kWh Speicherkapazität: Abhängig vom Radius, 100€/kWh möglich. 
• Besondere Anforderungen: Günstige Geologie
• Offene Probleme: technisch umsetzbar erfordert aber hohe Investitionen.  

 Gesamturteil: System hat großes Potential 

Fazit

Es gibt viele neue Ideen im Bereich der Schwerkraftspeicher. Leider gibt es praktisch keine öffentliche Förderung für die einzelnen Konzepte. Das ist insbesondere schade, da vorab schwer zu erkennen ist, welche Technologie optimal ist. Zudem ist das Speicherproblem drängend und muss rechtzeitig angegangen werden, da zwischen Forschung und Umsetzung immer einige Jahre vergehen.

Weitere Informationen:

• Unkonventionelle Pumpspeicherkraftwerke, Konferenzbericht
• Konferenzberichte zu verschiedenen Speichertechniken
• Unterirdische Pumpspeicher
• Energiespeicher Schwerkraft
• Lageenergiespeicher ohne Fels

Quellen:

[1] The startup behind Bill Gates’ ‘ski lift for energy storage’ Gigaom

[2] Das Meer-Ei, HORST SCHMIDT-BÖCKING, et al. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/piuz.201301330/pdf

[3] Eduard Heindl, Patentanmeldung DE2012100174

[4] Gravity Power

[5] Heindl Energy

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

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