Investitionsvolumen neue Energiespeicher

Sobald die Energieproduktion aus Wind und Sonne den Bedarf übersteigt, ist es sinnvoll, Strom in großem Umfang zu speichern. Mittags, am 28. März 2012 wurde erstmal in Deutschland über die Hälfte des Stroms aus Windkraftwerken und Solaranlagen erzeugt. Innerhalb weniger Jahre wird es völlig normal sein, dass zeitweise deutlich mehr Strom produziert wird als von allen Verbrauchern benötigt wird.

Vermutete Umsätze im Speichermarkt bis 2021 laut Pike Research

Speichervolumen
Das zu erwartende Speichervolumen ist dabei abhängig von den Stromleitungen, eine gute Schätzung ist, dass innerhalb Deutschlands eine Verbesserung des Stromnetzes erfolgt, aber kein perfektes Stromnetz in Europa aufgebaut werden wird. Damit entsteht ein Speicherbedarf von sieben Tagesladungen Strom, das sind 11.000 GWh. Es ist dabei zu beachten, dass die Speicher wohl nie innerhalb von sieben Tagen vollständig entladen werden, jedoch in ungünstigen Zeiten, wenn wochenlang wenig Wind weht und wenig Sonne scheint, die Speicher diese Energiemenge zusätzlich zu den schwachen anderen Stromquellen liefern.

Preise für große Speicher 
Die günstigsten Speicher sind bis heute Pumpspeicherkraftwerke, dort kostet eine Kilowattstunde Speicherkapazität etwa 100 €. Würde man in Zukunft nur auf diese Technik setzen, kosten die Speicher 1100 Milliarden Euro, das ist vergleichbar mit dem sogenannten Rettungsschirm für den Euro, der angeblich 800 Milliarden Volumen hat. Dies ist offensichtlich extrem viel Geld, das nicht in einem Jahr ausgegeben werden wird.
Eine Analyse von Pike Research geht davon aus, dass bereits im Jahr 2020 weltweit mehr als 20 Milliarden $ für große Speicher pro Jahr ausgegeben werden. Nach fünfzig Jahren wären das aber erst die notwendigen Investitionen, die für Deutschland alleine nötig sind (bei konstanten Ausgaben gerechnet).

Mögliche Alternativen
Die Studie von Pike Research verteilt die Ausgaben auf verschiedene Speichertechnologien. Dabei ist anzumerken, dass "Advanced" Lithium oder Flow Batterien noch nicht existieren. Natrium Schwefel Batterien sind nach einem schweren Zwischenfall in Japan etwas in Verruf geraten und mit weit über 100€/kWh auch nicht billiger als Pumpspeicher. CAES bedeutet Compressed Air Energy Storage, auf deutsch Druckluftspeicher, diese sind zwar mit 100€/kWh günstig aber aus physikalischen Gründen liefern sie nur 40% der eingespeicherten Energie zurück.
Bleibt noch der Lageenergiespeicher, der hier nicht erwähnt wird, aber das Potenzial hat, um den Faktor 50 günstiger als ein Pumpspeicherkraftwerk zu sein.

Weltweiter Bedarf
Analysiert man nicht nur den deutschen Markt, sondern den Weltmarkt, dann ergeben sich extrem große Zahlen. Längerfristig wird weltweit ein Wechsel zu Wind- und Solarenergie stattfinden. Nicht, weil es ein CO2 Problem gibt, sondern weil es einfach billiger ist, ein Wind oder Solarkraftwerk aufzubauen. Eine Situation die bereits jetzt an vielen Orten der Welt eingetroffen ist. Damit wird es nötig, eine Speicherkapazität von der gleichen Größenordnung wie in Deutschland aufzubauen, mit den weltweiten Stromverbrauchsdaten aus 2008 ergibt sich damit ein Speicherbedarf von 360 TWh, was bei der Nutzung der preiswertesten verfügbaren Technik, dem Pumpspeicherkraftwerk, auf 36.000 Milliarden Euro führt. Damit ist klar, dass der Markt für die Speicherung von Strom einer der bedeutendsten Märkte der nächsten 30 Jahre wird, der Zeitraum, in dem die globale Energieversorgung auf erneuerbare Energien umgestellt wird. Könnte man den Lageenergiespeicher zum erwarteten Preis von 2€/kWh realisieren, wäre das eine weltweite Einsparung von etwa 35 000 Milliarden Euro!

Paradoxe Marktsignale

Die Energiewende wird in den nächsten Jahren die bisherigen Energielieferanten, Kohle- und Kernenergie, durch Windkraft und Solarenergie ablösen. Damit werden aber nicht nur die Energiequelle einfach ausgetauscht, sondern auch ein fundamentaler Wandel von gespeichert Energie, die in Strom umgewandelt wird, hin zu zeitlich fluktuierender Energie, die gespeichert werden muss, eingeleitet.

Verlauf der Stromproduktion, Grau: konventionelle Kraftwerke, Grün: Windkraft, Gelb Solarenergie. (Quelle: eex)

Der Tagesverlauf
Im Lauf eines Tages ändert sich der Energieverbrauch merklich, siehe Bild. In der Nacht, gegen drei Uhr ist er am niedrigsten, im Lauf des Vormittags steigt er an um kurz nach 12:00 sein Maximum zu erreichen, ab 20:00 geht der Verbrauch dann wieder deutlich zurück. Dabei gibt es gewisse Unterschiede in den Wochentagen, diese sollen jetzt aber nicht betrachtet werden. Um diesen Tagesverlauf optimal mit Kraftwerken abzubilden, gibt es Grundlastkraftwerke, die immer Strom erzeugen, wie Kernkraftwerke, und Spitzenlastkraftwerke die genau während der Verbrauchsspitzen laufen. Es ist ökonomisch natürlich vorteilhaft, Kraftwerke möglichst viele Stunden in Betrieb zu halten, da dies bei den Spitzenlastkraftwerken nicht geht, ist der Preis dieses Stroms auf dem Markt teurer. Der Verbraucher merkt davon jedoch nichts, da wir eine Art "flatrate" für die kWh haben.
Die Marktsignale
Auf dem Strommarkt ist der Strompreis von der Nachfrage abhängig, hohe Nachfrage hoher Preis. Daher hat man schon vor vielen Jahren begonnen, mit Pumpspeicherkraftwerken diesen Preisunterschied auszunutzen. In der Nacht, wenn der Strom billig war, hat man Wasser hochgepumpt, Mittags, wenn alle die Herdplatte eingeschalten haben, hat man diese Energie zu einem höheren Preis verkauft. Mit der Preisdifferenz hat man den Speicher finanziert.
Heute haben wir jedoch viele Solarzellen auf den Dächern und genau am Mittag, wenn die Menschen die elektrischen Maschinen nutzen, gibt es Strom aus den Solarzellen, der Strompreis steigt nicht an, da die Photovoltaik genau diesen Bedarf deckt. Der Pumpspeicherkraftwerksbetreiber schaut in die "Röhre". Er kann den Strom nicht sinnvoll verkaufen. Sieht man in den Geschäftsbericht der EnBW von 2011, dann wird dort genau über die geringen Einnahmen der Schluchseekraftwerke gejammert.
Irreführendes Signal
Dieses Marktsignal ist jedoch sehr irreführend, da in Zukunft die Situation völlig anders aussehen wird. Wächst  die Photovoltaik weiter, so wird am Tag nicht nur die Verbrauchsspitze abgedeckt, sondern so viel Strom erzeugt, dass andere Kraftwerke abgeschalten werden müssen, da Solarstrom per Gesetzt Vorfahrt hat. Damit verlagert sich der ungedeckte Strombedarf in die Nacht und plötzlich geht die Schere zwischen Angebot und Nachfrage wieder auf.
Für den Investor in Speicherkraftwerke ist das natürliche eine riskante Angelegenheit, sollte aus irgendeinen Grund die Energiewende ins Stocken geraten und kein weiterer Zubau von Solarkraftwerken erfolgen, könnte die Investition eine Fehlinvestition werden.
Große Energieunternehmen haben eine hohe Verantwortung und sind bei solchen Geschäftsmodellen mehr als vorsichtig. Daher sind klare politische Vorgaben für den Ausbau der Erneuerbaren Energien notwendig, da sonst die notwendigen Investitionen in  Speicher nicht getätigt werden.
Mutige Investoren gesucht  
Da aber absehbar ist, dass die Politik mit dem Wechsel auf Erneuerbare Energien ebenfalls überfordert ist, sind mutige Investoren gesucht, die das Problem verstehen und sehen, dass mit Speichern in naher Zukunft viel Geld zu verdienen ist. Genau weil die bisherigen Akteure zu zögerlich sind.
Ähnliches kann man übrigens in vielen Märkten beobachten. Oder kennen Sie ein Zeitungsportal im Internet, das alle Newsmeldungen durchsucht? Nein, das macht die marktfremde Firma Google.

Energieeinheiten uneinheitlich

Wer sich mit der Energieversorgung beschäftigt, der stößt bald auf viele verschiedene Energie-Einheiten, die immer das Gleiche beschreiben. Obwohl eigentlich im Warenverkehr nur das SI-System zulässig ist, hält das die Berichterstattung nicht davon ab, völlig obscure Einheiten zu verwenden.

Beliebte Energieeinheit: das Barrel (Bildquelle: Wikipedia)

Aber zuerst mal die physikalisch übliche Energie-Einheit, das ist das Joule. Mancher der seine Kalorien zählt, hat davon schon gehört. Eine Kalorie ist eigentlich 4,12 Joule, da aber die Kalorienzähler immer Kilokalorien zählen, sind eben 4,12 kJ gleich einer Kilokalorie. Ausserhalb der Physik und der Ernährung ist es aber eine eher seltene Einheit. Oder haben Sie schon mal an der Tankstelle gefragt, wie viel Joule ein Liter Benzin hat? Es sind 30.000 kJ.

Die kWh ist sinnvoll
Eine Kilowattstunde, das ist die Energie, die ein Haarföhn mit 1000 Watt (1 kW) in einer Stunde verbraucht. Oder jedes andere elektrische Gerät, das eine Stunde lange 1000 W Leistung aufnimmt. Etwa ein kräftiger Halogenstrahler oder eine starke Bohrmaschine. Dafür hat man ein gewisses Gefühl, auch deshalb, weil dann auf der Stromrechnung pro kWh abgerechnet wird. Mit den aktuellen Preisen zahlt man etwa 0,23 Euro für eine kWh, was vor allem an den Steuern liegt.
Ein Mensch als Radfahrer kann etwa 200 Watt leisten, das bedeutet, nach einer Radtour von fünf Stunden haben wir eine (mechanische) Leistung von 1 kWh abgegeben und sind vielleicht 100 km weit gekommen.
Danach haben wir kräftig Hunger und müssen mindestens drei kWh essen. Das gelingt mit 500g Mohnschnecken oder was man eben gerne zu sich nimmt. Hat man sich an die kWh gewöhnt, dann kann man die anderen Einheiten leichter verstehen.

Weitere Einheiten
Sehr beliebt bei jeder Energiediskussion ist das Barrel, das ist ein Fass mit 159 Liter Öl. Obwohl es da etwas unterschiedliche Fässer gibt, in denn früher Öl transportiert wurde, hat man sich auf dieses Volumen geeinigt. Öl ist jetzt nicht gleich Öl, Rohöl kommt in sehr unterschiedlichen Zusammensetzungen aus den Quellen, aber als groben Anhaltspunkt halten wir fest, dass in dem Fass 1.600 kWh Energie gespeichert sind. Will man aus dieser Energie im Öl Strom erzeugen, dann gibt es ein Problem, höchstens die Hälfte der Energie wird zu Strom, der Rest ist Abwärme. Kostet so ein Fass 125$ oder etwa 100€, dann kann man berechnen, wie teuer der Strom daraus wäre, es sind 0,12€/kWh.
Obwohl das nach einen niedrigen Preis aussieht, ist das für den Strommarkt viel, aktuell kostet eine kWh auf dem Strommarkt 0,07€/kWh und das liegt daran, dass man immer noch hofft, dass der Ölpreis wieder deutlich absinkt. Nebenbei sei natürlich bemerkt, dass die Stromhändler immer gleich 1.000 kWh verkaufen und das ist dann eine Megawattstunde (MWh). Und die kostet eben 70€ auf dem Strommarkt, mal mehr mal weniger, wie man leicht bei der Strombörse unter eex nachlesen kann.

Und die Solarzellen?
Solarzellen die Strom erzeugen, werden nach ihrer Leistung gemessen. Die Leistung hängt von der Sonneneinstrahlung ab und beträgt bei voller Sonneneinstrahlung auf 6m² Photovoltaik etwa 1.000 Watt was 1 kW ist.
Hält man diese Zellen ein Jahr lang in die Sonne, so liefern diese Zellen bei deutschen Wetterverhältnissen etwa 1.000 kWh oder eben eine MWh Strom ab, da die Sonne 1.000 Stunden scheint. Würde man diesen Strom an der Börse verkaufen, erhält man dafür, wie oben beschrieben, 70€, wenn es keine EEG Sonderzulage gäbe. Nach 20 Jahren sind das immerhin 1400€, womit man unter sehr günstigen Umständen die Solarzellen tatsächlich erwerben kann. Völlig anders sieht es im Süden aus, wo die gleichen Solarzellen 2.500kWh Strom abliefern und nach 20 Jahren immerhin 3.500€ verdienen.  

Alte Einheiten
Früher, als noch Kohle verheizt wurde, war die Grundeinheit für Energie eine Tonne Steinkohle (tSKE). Aus dieser Tonne Kohle kann man durch Verbrennen 8.140 kWh Wärme gewinnen und mit einem Kohlekraftwerk erzeugt man damit 3200 kWh Strom. Diesen kann man für 227€ verkaufen. Da aktuell auf dem Weltmarkt eine Tonne Steinkohle weniger als 100€ kostet, kann man mit Kohlekraftwerken natürlich viel Geld verdienen.
Damit dieser Beitrag nicht zu lange wird, beende ich jetzt die Liste der Energieeinheiten und hoffe die Betrachtung war nützlich.

PS. In diesem Blog sind einige Vereinfachungen vorgenommen, im Detail sind Energiepreise sehr komplex, aber ich habe immer die Einheiten auf Geldbeträge umgerechnet, da dies sehr hilfreich ist.

Hinweis:
Einen guten Rechner für Energieeinheiten findet man bei Volker Quaschning

Das Märchen vom Smart Grid

Wenn wir heute kochen, waschen, bügeln, computern, telefonieren, Licht anschalten, dann achten wir nicht auf den aktuellen Strompreis. Es gibt aber die Überlegung, dass man die Verbraucher davon Überzeugt, bestimmte elektrische Geräte nur dann einzuschalten, wenn gerade genügend Strom auf dem Markt ist. Etwa, wenn gerade die Sonne scheint oder der Wind kräftig weht.
Da es nun reichlich unpraktisch ist, den Strompreis ständig im Blick zu haben, hat man etwas neues erfunden das "Smart Grid"
Smart Grid 
Mit einem Computer am Stromzähler wird der aktuelle Strompreis ermittelt und im Haus werden alle Geräte, die smart sind, ein oder ausgeschaltet, je nach Situation. Es ist natürlich klar, dass man schlecht einfach das Licht ausschalten kann, wenn jemand gerade die Treppe herunter läuft. Daher werden nur einige bestimmte Geräte smart. Das ist zunächst mal der Kühlschrank, der hatte ja schon bisher ein Eigenleben. Immer wenn es gerade still ist, schaltet er ein. In Zukunft eben, wenn gerade Strom da ist.
Ein weiteres Gerät ist die Waschmaschine und die Spülmaschine. Die laufen erst los, wenn der Strom günstig ist, etwa tief in der Nacht, wenn der Wind weht und niemand arbeitet. Allerdings ist unklar, ob in einer Mietwohnung alle Nachbarn das so gut finden.
Einige weitere Geräte wie die aufzustellende Wärmepumpe oder das e-Auto könnten zukünftig auch aktive Teilnehmer am Strommarkt werden.
Das Märchen
Es war einmal vor langer Zeit, da haben Kühlschränke viel Energie verbraucht. Da wäre es sicher schlau gewesen, diese entsprechend optimiert zu steuern. Weiterhin lohnt es, einen Blick auf die Stromrechnung zu werfen. Hat ein Haushalt 1000 Euro im Jahr für den Strom bezahlt, dann waren davon Steuern, Abgaben, Grundgebühr und so weiter, etwa 700 Euro. Verbleiben 300 Euro, die man optimieren könnte. laut einer optimistischen Studie [1] kann man mit einem Smart Grid etwa 18 Euro im Jahr einsparen. Das ist schön, allerdings hat diese Einsparung, wie viele ähnliche Einsparungen einen Haken, man muss erstmal investieren. Und pro Haushalt rechnet man mit etwa 1000 Euro, es muss ja ein entsprechender Computer in den Schaltkasten, eine Internetverbindung für die aktuellen Strompreise muss eingerichtet werden, die Geräte wie Waschmaschine benötigen einen entsprechenden Zusatz. Und das alles vom Elektromeister mit seinem noblen Stundenlohn eingerichtet kostet eben.
Kleinvieh macht auch Mist
Jetzt werden viele sagen, ja aber sehr viele Haushalte zusammen ergeben einen richtig großen Effekt! Bei 30 Millionen Haushalten liegt die Einsparung bei der Maximalleistung bei etwa 5 GW [2]. Achtung, hier wird nicht Strom eingespart, sondern nur zu einer anderen Zeit verbraucht. Fünf Gigawatt sind weniger als 10% des Strombedarfs. Hier stellt sich sofort die Frage, ob es nicht günstiger wäre, einige weitere Windkraftwerke aufzubauen, oder noch besser, Strom-Speicher einzusetzen.
Fazit
Soweit ich die Effekte von Smart Grid verstehe, sind sie eher gering, Das Smart Grid mit seinen vielen Systemkomponenten ist aber eine interessante Möglichkeit, den Endverbraucher Geräte zu verkaufen, die möglicherweise vom Staat subventioniert werden. man sollte also vorsichtig sein, wenn man hofft, das Smart Grid könnte ein grundlegendes Problem der erneuerbaren Energien lösen.

Weitere Blogbeiträge:

• Zukünftiger Speicherbedarf mit Crowdsourcing ermittelt
• Stromsteuer oder Strom steuern

Quellen: 
[1] Droste-Franke, Bert, Balancing Renewable Electricity: Energy Storage, Demand Side Management, and Network Extension from an Interdisciplinary Perspective (Ethics of Science and Technology Assessment), Seite 107, Verlag: Springer 2012, ISBN: 3642251560
[2] Droste-Franke, Bert, aaO. Seite 105

Gibt es einen Klimawandel?

In der Diskussion um den Wechsel zu erneuerbaren Energien spielt die Frage des Klimawandels eine entscheidende Rolle. Doch gibt es überhaupt einen Klimawandel?

Hier will ich als Physiker einige Aspekte der Argumentation aufgreifen, das Urteil überlasse ich den Leser.

Was ist Klima?

Klima ist die langfristige Änderung etwa der Temperaturen, unter langfristig versteht man mindestens Jahrzehnte, oft auch Jahrhunderte. Die Tatsache, dass gerade Sibirische Kaltluft nach Deutschland eingeflossen ist hat also überhaupt nichts mit Klima sondern mit Wetter zu tun. In der Presse, die jeden Tag (und nicht jedes Jahrzehnt) eine neue Wettermeldung braucht, wird das gerne vermischt.

Historisch, in den letzten tausend Jahren, hat sich das Klima immer gewandelt, allerdings muss der Unterschied nicht all zu groß gewesen sein, in Deutschland gab es immer Frost aber es reichte zum Weinbau in einigen Gegenden. Aus den Ringen der alten Bäume kann man auch sehen, dass diese im Wesentlichen gleichmäßig gewachsen sind.

Temperatur im Kohlezeitalter

Das Kohlezeitalter    

Vor gut hundert Jahren haben wir begonnen, Kohle zu verbrennen, aber in wirklich großen Mengen geschieht das erst seit wenigen Jahrzehnten. Der Zeitraum von 1960-1990 gilt in der Klimatologie immer noch als ein „normaler“ Zeitraum, obwohl die CO2 Konzentration schon ein wenig gestiegen ist. In den letzten 20 Jahren scheint aber die Temperatur etwas anzusteigen, vielleicht um 0,5°C.

Das ist nicht besorgniserregend, da eine derartige Temperaturveränderung historisch vermutlich auch aufgetreten ist. Wenn auch sehr selten.

Jetzt wird es unübersichtlich, da viele damit argumentieren, dass dieser Anstieg völlig eindeutig durch das CO2 kommt. Wie kann man dies belegen? Ein eindeutiger Beleg wäre, die Situation zu wiederholen. Zurück nach 1950, keine Kohle und Öl verbrennen und nach 60 Jahren die Veränderung überprüfen. Genau das ist aber nicht möglich. Damit haben die Wissenschaftler zunächst ein Beweisproblem.

Beweisführung

Wie kann man den Beweis noch führen? Eine Ursachenanalyse ist hilfreich. Was kann die Temperatur erhöhen? Seit 1890 ist bekannt, dass CO2 ein Treibhausgas ist, oder besser gesagt, ein Gas, das mit der Infrarotstrahlung wechselwirkt. Das macht auch Wasserdampf und einige andere Gase wie Methan, jedoch nicht Stickstoff und Sauerstoff, die Hauptbestandeile der Luft.

Eine relativ einfache Rechnung zeigt, dass damit die Temperatur eines Planeten erhöht wird, und das geht so: Sonnenstrahlung fällt auf den Boden und wird in Wärme umgewandelt. Wo geht diese Wärme hin? Diese wird als Infrarotstrahlung in das Weltall abgestrahlt. Wäre das nicht so, hätten wir bald 6000°C auf der Erde! CO2 behindert diese Abstrahlung etwas, die Oberfläche des Planeten wird etwas wärmer. Bei der Venus, die sehr viel CO2 in der Atmosphäre hat, führt das zu einer Bodentemperatur, die Blei schmelzen lässt.

Führt man die Rechnung zu Ende, erhält man einen Temperaturanstieg, der gut mit der gemessenen Veränderung übereinstimmt. Für die Zukunft gibt es zwei Probleme, wie wird sich der CO2 Anstieg weiterentwickeln und gibt es Rückkopplungen.

Die billigste Energiequelle gewinnt 

Solange Kohle der billigste Brennstoff ist, um Strom zu erzeugen, wird Kohle verbrannt werden, da kaum ein Land bereit ist, günstige Energie nicht zu nutzen. Daher kann man vermuten, dass noch viel weiteres CO2 in die Atmosphäre kommt. (So billig kann Solarenergie werden!)

Das Rückkopplungsproblem

Wesentlich kritischer ist die Frage der Rückkopplung. Das Klima wird durch weitere Faktoren bestimmt, insbesondere Wasserdampf, der noch besser als CO2 die Infrarotstrahlung absorbiert. Wird es wärmer, verdampft mehr Wasser, wie jeder am Herd selbst feststellen kann. Damit kommt eine sogenannte Rückkopplung zustande, etwas wärmer, mehr Wasserdampf, noch wärmer usw. Dies wäre ein Teufelskreis, der uns in wenigen Jahren einen unbewohnbaren Planeten bescheren würde.

Wenn da nicht auch noch die Wolken wären. Wolken reflektieren das Sonnenlicht sehr gut, und daher ist es an einem bewölkten Tag auch kühler. Leider ist es sehr schwierig dies quantitativ zu untersuchen. Die Wissenschaftler versuchen daher das Klima in Wettermodellen zu analysieren. Aber Wetter ist schwierig zu analysieren und damit sind wir wieder am Anfang der Geschichte. Wer das Klima verstehen will muss auch das Wetter verstehen und das ist schwierig.

Interessanterweise führen aber praktisch alle Annahmen die man in die Modelle steckt immer zu einer deutlichen Erhöhung, oder genauer gesagt zu einem gewissen Rückkopplungseffekt, der höher ist, als der reine CO2 Effekt.

Ist ein warmes Klima ein Problem?

Ist warmes Klima ein Problem? Im Prinzip gab es auf der Erde schon sehr warme Zeiten, etwa als all die Kohle entstand, die wir jetzt verbrennen. Das Problem ist zum einem, dass der Wandel, wenn er sehr schnell kommt, und erdgeschichtlich sind tausend Jahre bereits sehr schnell, für die Natur bereitet das Schwierigkeiten. Aber man kann sagen, das ist deren Problem. Die aktuelle menschliche Zivilisation ist, nebenbei bemerkt, für den Artenreichtum vermutlich ein viel größeres Problem.
(Offensichtlich nimmt die Begrünung der Erde aktuell zu, Nature Climat Change Letter)

Für uns Menschen dürfte die Änderung des Meeresspiegels, der in erster Linie durch die Erwärmung und damit Ausdehnung des Wassers verursacht wird, das größte Problem sein. Sehr viele Städte sind an den Küsten und auf geringer Meereshöhe gebaut. Ein weiteres akutes Problem könnte in der Landwirtschaft entstehen, wenn sich Wüsten ausdehnen. Aber bereits hier sind genaue Prognosen sehr schwierig. Hier gilt es also Kosten abzuwägen.

Billige Solarzellen sind wichtiger als CO2 Zertifikate

Letztendlich ist man auf der sicheren Seite, wenn man nicht zu sehr in die Zusammensetzung der Atmosphäre eingreift. Daher sollte der CO2 Ausstoß verringert werden. Dies wird aber nur gelingen, wenn die erneuerbaren Energien preiswerter sind als die Verbrennung von Kohl und Öl. Vermutlich sehen wir gerade diese Wende. An vielen günstigen Standorten ist Wind günstiger als Kohlekraftwerke, im Süden wird das bald flächendeckend für Solarenergie gelten. (Untere Preisgrenze für Solarenergie)

Nur mit Energiespeicher wird das Klima so erhalten

Bleibt noch das Speicherproblem, wenn dieses gelöst ist, ist auch das Klimaproblem gelöst. Daher ist die Erforschung günstiger Energiespeicher von globaler Bedeutung!

Weitere Betrachtung:

Wie sich die CO2 Konzentration entwickelt

Wann kommt der Speicherbedarf?

Alle Berichten vom Wachstum der erneuerbaren Energien und einem zunehmenden Speicherbedarf.
Aber wann kommt der Bedarf genau, oder besser gefragt, wann lohnen sich Energiespeicher?
Damit man mit Energiespeichern Gewinne erwirtschaften kann, muss man in der Lage sein, Strom sehr günstig einzukaufen und am besten mit wenig Verlust wieder zu verkaufen, wenn der Strompreis hoch ist.
Der Strompreis wird extrem niedrig, wenn mehr Strom aus Wind- und Solarkraftwerken produziert wird, als der gesamte Stromverbrauch in Deutschland aufnehmen kann!

Die Kapazität der Wind- und Solarkraftwerke wächst seit 10 Jahren jährlich mit 15%. 2011 waren es sogar 23%. Dies wird dazu führen, dass ab 2013 mehr Kapazität vorhanden ist, als der durchschnittliche Stromverbrauch in Deutschland, 60 GW, und damit "kostenloser" Strom zum Speichern verfügbar wird.

Trend bei der installierten Leistung erneuerbarer Energien
Eine gute Methode um Trends in der Markteinführung neuer Produkte zu erkennen, ist es, die Anzahl logarithmisch gegen die Jahre aufzutragen. In der Abbildung wurde die gesamte installierte Leistung an Wind- und Solarenergie seit 1992 als rote Quadrate aufgetragen. Bis ca. 2000 gab es ein extrem steiles Wachstum, seit her wächst die Kapazität mit etwa 15% pro Jahr. Die Förderprogramme oder deren Kürzung sind in der Grafik erstaunlicherweise kaum zu erkennen! Siehe auch: Die Wirkung des EEG
Verlängert man den Trend der letzten 10 Jahre sieht man, wann die installierte Leistung bestimmte Zielwerte erreichen wird. Dabei ist zu beachten, dass installierte Leistung nicht mit verfügbarer Leistung verwechselt werden darf, da Wind nicht immer weht und die Sonne nicht immer scheint.
Phase I
Im Moment befinden wir uns noch in Phase I, wenn Wind- und Sonne Strom produzieren, werden konventionelle Kraftwerke, Kohle, Gas, usw. abgeschaltet.
Phase II
In Phase II, die ungefähr im Jahr 2013 beginnt, wird manchmal soviel Strom produziert, dass er nicht mehr verbraucht werden kann und daher "kostenlos" zur Verfügung steht. Zunächst wird das nur an einigen Tagen im Jahr der Fall sein, aber rasch geht das Wachstum weiter, im Jahr 2018 kann bereits manchmal doppelt so viel Strom produziert werden als benötigt wird.

Ein Versuch den Speicherbedarf zu quantifizieren. Annahme: Der überschüssige Strom (Überproduktion von Wind- und Solar) wird auf dem Mark aufgekauft und abgespeichert. Es gibt im Lauf des Jahres 20 Speicherzyklen. 

Im Jahr 2028 ist die Energiewende abgeschlossen. Jetzt produzieren die erneuerbaren Energien so viel Energie, wie Energie in Deutschland benötigt wird, etwa 600.000.000.000kWh (600TWh).
Das macht allerdings nur Sinn, wenn die Energie gespeichert werden kann, andernfalls entsteht sehr viel völlig nutzlose Energie, die nicht verwendet wird. Die einzige Speichertechnologie, die derart große Energiemengen aufnehmen kann und mit geringen Verlusten wieder abgibt, ist der Lageenergiespeicher!

Weiter Informationen zu Energiespeicher:

• Speicherbedarf mit Crowdsourcing ermittelt
• World Energy Storage Forum, Konferenzbericht

Energieversorgung in Deutschland

Das folgende Papier wurde als Einführungstext für die Sylter Runde "Energie" erstellt.

Sylter Runde Energie

Energie ist die entscheidende physikalische Größe, die es erlaubt, Ordnung in die Welt zu bringen.

Mit der Fähigkeit, gespeicherte Energie in Form des Feuers aktiv für eigene Zwecke zu nutzen, hat die Menschheit praktisch unbegrenzte Fähigkeiten für die Organisation der Welt gewonnen. Dieser mythologisch mit Prometheus verbundene Vorgang ist einmalig, und wir stehen möglicherweise am Ende einer Jahrtausende währenden Entwicklung.

Gespeicherte Energie ist eine Rarität und ist daher schnell konsumiert,  jedoch schwer wieder zu gewinnen, da einmal verbrauchte Energie nicht, wie bei Metallen üblich, recycelt werden kann. Daher werden die Prognosen von Meadows über die Grenzen des Wachstums auch zuerst an den endlichen Vorräten gespeicherter Energie in Form von Öl, Gas und Kohle sichtbar. Zudem ist die CO₂-Müllhalde Atmosphäre endlich und droht unter dem hohen CO₂-Anteil, gefährliche Veränderungen des Strahlungshaushalts zu verursachen, die eine unkontrollierbare Veränderung der Temperatur der Biosphäre bedeutet. Daher wird es zwingend zu einer Entcarbonisierung der Energieproduktion kommen.

Die Alternativen bei der Energieerzeugung sind überschaubar, es kann die in Uran und Thorium gespeicherte Kernenergie mit geeigneten Reaktoren in Strom umgewandelt werden. Dieser Weg verursacht verschiedene Probleme, die unsere Gesellschaft in Deutschland nicht tragen will. Letztendlich ist aber auch die Nutzung der Kernenergie aufgrund der endlichen Ressourcen nicht beliebig lange möglich, da innerhalb einiger Generationen auch diese Speicher erschöpft sind.

Verbleibt als einzige dauerhafte Energiequelle die Sonne, deren Strahlkraft für die nächsten Äonen gesichert erscheint. Sonnenenergie ist zwar scheinbar kostenlos, die Umwandlung in nutzbringenden Strom erfordert aber erhebliche Investitionen, unabhängig davon, ob man eine direkte Umwandlung in Solarzellen, in konzentrierenden Solarkraftwerken oder eine indirekte in Form von Wind- oder Wasserkraftwerken anstrebt. Wobei letztere inzwischen weitgehend alle verfügbaren Gefälle nutzen.

Da die Strahlungsleistung der Sonne, die auf die Erde fällt, um etwa den Faktor 10.000 größer als der Energiebedarf unserer heutigen Zivilisation ist, kann von Energieknappheit im weiterem nicht gesprochen werden. Allerdings gibt es zwei neuartige Engpässe. Zum einem sind die Flächen und Investitionen, die für die Umwandlung der Energie benötigt werden nicht beliebig vorhanden, mithin besteht also ein einfaches wirtschaftliches Knappheitsproblem, das letztendlich über den Preis gemanagt werden kann. So ist es gelungen, dass bereits heute 20% der elektrischen Energie in Deutschland aus erneuerbaren Quellen stammen. Eine Verfünffachung erscheint in den nächsten zwanzig Jahren auch unter pessimistischen Annahmen nicht unmöglich.

Wesentlich schwieriger ist das Problem der fluktuierenden Quellen. Sowohl Wind als auch Sonne und im geringerem Maße Wasser, sind schwankende Energiequellen, die sich nicht an den Bedarf der Gesellschaft anpassen. Daher kann sich entweder die Gesellschaft an den Bedarf anpassen, was heute unter dem merkwürdigen Begriff „smart Grid“ propagiert wird, oder die Energie wird gespeichert.

Das Speichern von Strom ist allerdings eine äußerst schwierige Angelegenheit. Letztendlich gelingt es großtechnisch nur in Pumpspeicherwerken, in denen Wasser von einem tieferen Niveau mittels überschüssiger elektrischer Energie auf ein höheres Niveau angehoben wird. Bei Bedarf treibt das herabstürzende Wasser eine Turbine mit Generator für die Stromerzeugung an.  Der Wirkungsgrad von 80% ist dabei so gut und die Investitionen sind so gering gewesen, dass dieses Verfahren heute eingesetzt wird, um kommerziell Arbitragegewinne aus dem geeigneten Betrieb solcher Anlagen einzufahren.

Betrachtet man die gespeicherten Energiemengen, sieht man allerdings sofort das Problem. Alle Speicherkraftwerke in Deutschland, die im Verlauf von 80 Jahren gebaut wurden, können gerade einmal 30 Minuten das Land mit Strom versorgen. Aus präzisen Analysen und Simulationsrechnungen wird der Speicherbedarf für eine vollständig auf erneuerbare Quellen basierende Stromversorgung auf sieben Tage geschätzt. Das ist das 280-fache der bisherigen Speicherkapazität oder in anderen Worten,  die Speicherkapazität muss innerhalb von wenigen Jahren um 28.000% gesteigert werden.

Dies ist offensichtlich nicht mit Pumpspeicherkraftwerken innerhalb der Landesgrenzen möglich. Daher könnte eine Alternative die Speicherung in Norwegen sein. Ein Land, das aufgrund seiner günstigen Orographie mehrere Tagesladungen deutscher Stromversorgung speichern könnte. Dabei sind erhebliche Investitionen in Fernleitungen zu tätigen, die aber prinzipiell nicht unmöglich sind. Eine andere Frage ist die politische Abhängigkeit von einem Land als Speichereigner.

Eine besondere Form des Pumpspeichers ist der Lageenergiespeicher, der mit Wasserdruck einen sehr großen Felszylinder anhebt, der mit bergmännischen Verfahren aus der Umgebung abgelöst wurde. Dieses Verfahren hat den Charme, dass die Speicherkapazität mit der vierten Potenz des Systemradius wächst, während die Baukosten, die im Wesentlichen durch die Freilegung der Oberfläche bestimmt sind, nur mit der zweiten Potenz wachsen. Damit sind theoretisch beliebig preiswerte Speicher möglich.

Chemische Verfahren der Energiespeicherung skalieren nur bei der Umwandlung in Wasserstoff, da Wasser praktisch unbegrenzt vorhanden ist. Die Speicherung großer Wasserstoffmengen bereitet aber durchaus Probleme, weshalb die weitere Umwandlung in Methan vorgeschlagen wurde. Aus diesem Methan kann letztendlich wieder Strom über Gasturbinen gewonnen werden. Bei dieser langen Kette der Umwandlung bleibt allerdings nur ein Drittel der ursprünglich eingesetzten elektrischen Energie übrig, das entspricht einen Wirkungsgrad von 33%.

Andere Konzepte sehen die Nutzung von Biomasse in Zeiten zu geringer Energielieferung vor, dabei ist jedoch die Biomasse wesentlich ökonomischer für zukünftige Konzepte des Verkehrs geeignet. So ist der Luftverkehr praktisch zwingend auf kohlenstoffhaltige Speicher, heute Kerosin, angewiesen. Der Gütertransport benötigt Diesel, zukünftig wohl Biodiesel, die Schifffahrt ist ebenfalls auf solche Treibstoffe angewiesen.

Generell ist der Verzicht auf ein Speicherkonzept sehr unökonomisch, da große Energiemengen sowohl bei Wind als auch bei Sonne nicht direkt verbracht werden können, wenn diese im Überfluss anfallen. Eine generelle Entschärfung des Problems stellt die Verbesserung des Stromnetzes dar. Bei einem hypothetischen Netz, das den gesamten europäischen Kontinent optimal überspannen würde, werden nur noch zwei, statt sieben, Tagesladungen Speicherkapazität benötigt. Die Rechnung mit sieben Tagesladungen geht, das sei angemerkt, von einem perfekten Stromnetz in Deutschland aus, das in dieser Form noch keineswegs existiert.

Die Entwicklung des Stromverbrauchs wird von verschiedenen Quellen unterschiedlich angesetzt. Dabei geht man in allen Szenarien von einer energetischen Optimierung der stromverbrauchenden Systeme aus. Ein Trend, der praktisch seit fünfzig Jahre anhält, genauso, wie die ständige Elektrifizierung aller Systeme, die der Verbrauchsminderung entgegenläuft. In der Summe ist der Stromverbrach in Deutschland daher seit fast 40 Jahren annähernd konstant und es ist keine gewagte Prognose, dies für die nächsten 40 Jahre genauso anzunehmen. Am Rande sei hier bemerkt, dass es kein Land auf der Erde gibt, das mit weniger als 5.000 kWh Stromverbrauch pro Einwohner und Jahr eine durchschnittliche Lebens­erwartung von über 80 Jahren seinen Einwohnern bieten kann!

Die Bundesrepublik hat als führende Industrienation eine hochgradig von der Stromversorgung abhängige Industrie- und Gewerbestruktur. Aufgrund der bisherigen Zuverlässigkeit der Stromversorgung, die auf gespeicherter Energie basiert, ist noch kein Bewusstsein für die kommende Problematik eines schwankenden Angebots vorhanden. Es gibt eine Energiebörse, die EEX in Leipzig, die eine sehr hohe Transparenz bietet, wie das aktuelle Angebot ist, aber auch dort werden nur aktuelle Strommengen verteilt und nicht zukünftige Situationen, die erst in zehn oder zwanzig Jahren auftauchen, gehandelt.

Damit liegt ein „terra inkognita“ der Stromversorgung vor uns. Welche Pfade sicher und wirtschaftlich ans Ziel führen sollte man frühzeitig analysieren. Geeignete Entscheidungen müssen im Konsens mit der Bevölkerung gefunden werden, die zwar sehr streng ist was die richtige oder vermeintliche Schonung der Welt betrifft, die aber auch erstaunlich offen für neue Entwicklung und daraus entstehende Kosten ist, man denke nur an das EEG.


Das Memorandum der Sylter Runde zum Thema Energie ist online.

Autor: EduardHeindl