Energy Storage Düsseldorf 2013, Eindrücke

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

Janice Lin vom kalifornischen Speicherverband CESA

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

Der Flächenbedarf von Batterien ist erheblich.

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

Kalifornien geht nach Vorne

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

Duck Curve

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

Peter Altmeier ohne Geld

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

Bundesumweltminister Peter Altmeier hinter dem Namenschild von Michael Sterner

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

Bundesverband gegründet

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

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

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

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

Weltweiter Trend zur Solarenergie

Weltweites Wachstum der Solarenergie

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

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

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

Weltweite Entwicklung der Solarenergie (update 2014 mit China)

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

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

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

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

2030 Weltweiter Strombedarf mit PV gedeckt

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

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

Ursache des Wachstums

Günstige PV-Module

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

Banken lieben Solarstrom

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

Sinkende Preise

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

Lernkurve der Photovoltaik, Quelle: SolarValley

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

Folgen bei der Umstellung

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

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

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

Die Entwicklung bleibt also sehr spannend!

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

[1]OECD Factbook

[2]www.Solarserver.de

Autobatterien

Das Benzinauto

Mit dem Ende des Mineralöl-Zeitalters wird viel über Elektroautos diskutiert. Worum geht es dabei eigentlich. Die erste Frage ist, mögen Menschen, die mit Benzinautos aufgewachsen sind und oft einige wichtige Erlebnisse mit dem Auto verbinden, auf das Benzinauto verzichten.
Benzin ist eine sehr besondere Substanz, für uns im Alltag die Substanz mit der höchsten Energiedichte, aber auch mit einem charakteristischen Geruch. Da Menschen Gerüche unbewusst assoziieren, bleibt unklar welche Gefühle es weckt.
Ein weiterer Aspekt ist das Autorennen, insbesondere Formel 1, das Geräusch wurde von der Musikgruppe Beatles als das schönste Geräusch bezeichnet. Manche Autos werden sogar speziell so optimiert, dass sie ein charakteristisches Benzinmotor-Geräusch abgeben.
Damit ist klar, eine emotionslose Debatte über Elektroautos wird schwierig!

Batteriewechselstation, Bildquelle: Spiegel online

Das Elektroauto

Worin liegt der größte Mangel des Elektroautos? Es ist die Batterie, oder genaugenommen die Reichweite der Batterie. Wenn man mit einem Benzinauto 600 km fährt, muss man sich genau fünf Minuten um die Energieversorgung des Autos kümmern. Das ist bei geschätzten 10 Stunden Fahrzeit weniger als ein Prozent "Energiezeit".

Mit der Autobatterie wird man entweder bei jedem Halt einen Stecker einstecken müssen und vor dem Losfahren wieder entfernen. Das ist pro Fahrt eine Minute, und bei 600 km, die in 10km "Häppchen" abgefahren werden [1], immerhin eine Stunde Energiewartung. Das ist sicherlich kein besonderer Komfortgewinn. 

Selten fahren Menschen Strecken, die weit über die Reichweite von heutigen Elektroautos hinausgehen. Handelsvertreter blende ich jetzt absichtlich aus. Aber das ist nicht die entscheidende Frage, wieder sind es die Emotionen und Machtphantasien, die uns suggerieren, wir könnten jetzt in unser Auto einsteigen und in Südfrankreich aussteigen. Das haben wir vielleicht erst zweimal im Leben gemacht, aber es ist ein Erlebnis, das stark im Gedächtnis eingebrannt ist. 

Welche Batterielösung hilft?

Ein kritischer Faktor ist das Aufladen von Batterien. Stellen wir uns vor, ein Elektroauto hat eine 50kWh Batterie, was eine Fahrstrecke von drei- bis sechshundert Kilometern ermöglicht, wie lange dauert das Laden? Soll das Laden in fünf Minuten erfolgen, müssen pro Minute 10kWh in die Batterie fliesen, das ist eine Leistung von 600kW! Maschinen mit derartigen Leistungsanschlüssen benötigen dicke Hochspannungskabel, die auf keinen Fall an jeder Laterne zur Verfügung stehen. Damit kann diese Aufladung nur an speziellen Stromtankstellen erfolgen. Dabei sei bemerkt, dass heutige Batterien ein derart schnelles Aufladen nicht vertragen, aber das könnte technisch lösbar sein.

Batteriewechsel

Eine sehr logische Weiterentwicklung ist das Austauschen der Batterie. Bereits heute kann man ohne Probleme innerhalb von fünf Minuten eine Batterie in einem Elektroauto austauschen, wie die Firma better place gezeigt hat, die bereits heute in Dänemark arbeiten. Das Argument, dazu müsste man die Batterien standardisieren und das gelingt nicht verstehe ich nicht, auch heute hat man standardisierte Autobatterien.

Der Wechsel hat mehrere fundamentale Vorteile:

• Unbegrenzte Fahrstrecke
• Sehr kurze Energiewartung
• Unabhängig von "vergessenem" Aufladen
• Bekannte Infrastruktur, Tankstellen
• Sicherheit, weniger Starkstromkabel

Daher gehe ich davon aus, dass der Wechsel zum Elektroauto über den Wechselakku erfolgen wird. Auch wenn es heute noch Widerstände bei den Herstellern gibt. Die an zwei Aspekten liegen, zum einem gibt es kein wirkliches Interesse an Elektroautos, zum Anderem sind die Hersteller noch zu sehr in der alten Benzinwelt verhaftet, die den individuellen Benzintank als relevantes Designmerkmal sieht.

Anmerkung vom 18.7.2013: Offensichtlich wird auch Tesla Batteriewechsler!

Ein Tesla kann in weniger als 90 Sekunden die Batterie wechseln, doppelt so schnell als konventionelles Tanken!

Mehr zum Thema:

• Meine Erfahrungen mit dem Tesla
• Gewicht von Energiespeichern
• Benzin, ein teurer Energiespeicher
• Kosten von künstlichem Öl

Das Gewicht von Energiespeicher

Energie Speicher sind schwer

Jede Form der Energiespeicherung erfordert den Einsatz von Materialien, die Gewicht haben. Ich will mal versuchen das Gewicht der Speicher einheitlich zu betrachten.

Besonders bei Fahrzeugen, Autos, Fahrräder und natürlich Flugzeugen spielt die Masse pro gespeicherte Energiemenge, ich nehme wieder die kWh, eine große Rolle. Aber auch andere mobile Systeme wie Laptop, Handy und viele andere mobile Geräte nutzen heute Energiespeicher, die möglichst leicht sein sollen.

Die physikalische Grenze

Zur Orientierung will ich mal angeben, wie viel eigentlich die Energie "eine Kilowattstunde" wiegt. Hier hilft die weltbekannte Formel von Einstein weiter:

E = mc²

und umgeformt

m = E/c²

Dabei ist E die Energie, eine Kilowattstunde sind 3.600.000 Joule (Nm=kg m² /s²), c ist die Lichtgeschwindigkeit mit 300.000.000 m/s und schon erhält man:

m = 3600000 kg m²/s²/(300000000 m/s)²

m =  0,00000000004kg

m = 0,00000004g

m = 0,00004 mg

m = 0,04 µg

m = 40 ng

Die Kilowattstunde wiegt gerade mal 40 nano Gramm, das Gewicht von Batterien liegt also nicht an der Energie, sondern am Energieträger. Der Wert 40ng/kWh ist daher rein theoretischer Natur, wichtig für den Raketenbauer in Star Trek oder ähnlichen Science Fiktion.

Wasserstoff, das leichte Element 

Wasserstoffatome bestehen nur aus einem Proton und einem Elektron, daher sind Wasserstoffatome sehr leicht. Da die Energie in chemischen Bindungen, grob gesagt, immer gleich ist, spielt das Gewicht der Atome eine erhebliche Rolle. Wasserstoff, genauer gesagt H2 Moleküle, kann man mit Sauerstoff verbrennen. Dabei wird sehr viel Energie frei. Das ist auch der Grund, warum Weltraumraketen oft Wasserstoff nutzen, man denke an den großen Tank des Spaceshuttles. Mit einem Brennwert von 141,8MJ/kg kann man leicht berechnen, dass eine Kilowattstunde Energie nur 25 Gramm wiegt. Aber das ist weniger als die halbe Wahrheit, weil zum Wasserstoff kommt ja Sauerstoff dazu, und der ist deutlich schwerer!

2H + O ⇒ H2O

Berücksichtigt man dies, muss man 228 Gramm Materie einsetzen, um eine Kilowattstunde Brennwert zu bekommen, das ist insbesondere bei Brennstoffzellen zu berücksichtigen, die den Sauerstoff nicht aus der Luft nehmen.

Diesel, das Energiewunder

Es gibt einen guten Grund, warum alle Lkw und viele andere Fahrzeuge Diesel tanken, die hohe Energiedichte. Eine Kilowattstunde, gespeichert in Form von Diesel, wiegt nur 80 Gramm und ist wesentlich leichter zu handhaben als Wasserstoff, ganz abgesehen davon, dass Diesel praktisch ohne aufwendige Prozesse aus Rohöl destilliert werden kann. Auch hier wurde der Sauerstoff nicht berücksichtigt, da bekanntlich dieser aus der Luft genommen wird. (Siehe auch: Superspeicher Diesel)

Brennwert oder Arbeit

Leider hilft der Brennwert wenig, wenn man statt Wärmeenergie Arbeit benötigt. Arbeit erzeugt hier zumeist ein Verbrennungsmotor oder eine Turbine. Die besten Wirkungsgrade liegen im Bereich von 50%, das bedeutet, dass man jeweils doppelt so viel Material mitnehmen muss, um die entsprechende Arbeit zu erhalten. Diese Situation ist bei Batterien anders, hier ist es oft möglich einen sehr hohen Wirkungsgrad (besser als 90%) zu erreichen, sodass man die Masse der Batterie direkt für die Berechnung der Arbeit einsetzen kann. (Hinweis: Eigentlich muss hier Brennwert und Heizwert unterschieden werden)

Batterien

Batterien sind Stromspeicher und da Strom perfekt in Arbeit umgesetzt werden kann, es gibt Elektromotoren mit 99% Wirkungsgrad, sind sie sehr attraktiv für Antriebe aller Art. Allerdings gibt es zwei Probleme, die Masse der Elektrolyten ist oft sehr groß, man denke nur an Blei. Ein Bleiatom ist 207-mal schwerer als ein Wasserstoffatom, das führt daher zu sehr großen Massen, die man benötigt, um eine Kilowattstunde zu speichern. In der Praxis verwendete Bleiakkumulatoren wiegen 20 kg pro Kilowattstunde. Damit sind sie um den Faktor Hundert schwerer, als die vergleichbare Menge an Diesel, wenn man die Umwandlungsverluste bereits berücksichtigt. 

Eine Reduzierung des Gewichts erreicht man am einfachsten, indem man ein Metall verwendet, bei dem jedes Atom leicht ist, und hier kommt Lithium ins Spiel, es ist das leichteste Metall, ein Atom Lithium wiegt nur so viel wie sieben Wasserstoffatome. Und tatsächlich kann man Lithium Akkumulatoren bauen, die pro Kilowattstunde nur 7kg wiegen. Das Problem ist, dass zum Lithium noch andere Materialien für den elektrochemischen Prozess benötigt werden, die letztendlich das Gewicht bestimmen. 

Theoretische Batterie

Die Forschung versucht das Problem etwa dadurch zu verringern, indem man Sauerstoff aus der Luft verwendet. Eine Gewichtsreduktion um den Faktor zehn ist zumindest nicht ausgeschlossen, wenn auch sehr schwierig. Damit wäre es möglich, in etwa einem Kilogramm Batterie eine Kilowattstunde zu speichern. Das ist immer noch schlechter als Diesel, aber es wäre für die Praxis völlig ausreichend, da auch der schwere Dieselmotor entfallen würde.

Fazit

Kohlenwasserstoffe, wie Diesel, sind optimale Energiespeicher und werden in den nächsten Jahrzehnten sicher den Antrieb von Flugzeugen und Transportfahrzeugen dominieren. Allerdings ist es denkbar, diese Treibstoffe aus Solarstrom herzustellen, siehe "synthetisches Öl aus Solarenergie". Batterien haben nur eine Chance, wenn erhebliche Verbesserungen bei der Energiedichte erzielt werden.
Für den Einsatz in Stadtautos oder Fahrrädern sind sie aber bereits heute optimal. Die Speicherkosten bei Batterien sind aber so hoch, dass sie für die Stromspeicherung im Netz keine bedeutende Rolle spielen können.

Noch ein Hinweis, der Lageenergiespeicher hat eine Energiedichte von 734kg/kWh, wenn er mit 500m Radius arbeitet.

Aktuelle Ergänzung (5. Juni 2020):

Die Preisentwicklung bei Lithium Akkumulatoren ging in den letzten Jahren steil nach unten, aktuell kostet eine kWh LiIon Akkumulator im Großhandel nur noch ca. 100 Euro und damit wird die Technik zu allen anderen Speichern vollständig Konkurrenzfähig!

Fluktuierende Erneuerbare Energien

Die aktuellen Zahlen für Solar und Windenergie für 2012 sind verfügbar! Die Folgerungen für das weitere Wachstum von Wind und Solarenergie sollen hier untersucht werden, das Resultat ist verblüffend.

Die drei Arten der Energiequellen

Es gibt eigentlich drei Klassen von Energiequellen, konventionelle Energiequellen wie Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Kernenergie. Die Kraftwerke, die auf Basis konventioneller Energieträger beruhen können dem Bedarf folgen und brauchen eigentlich keine Speicher, weil sie ja selbst "Energiespeicher" in Form der Brennstoffen verwenden. Allerdings werden sie in Anlagen verbrannt, die es nicht mögen, wenn sich der Verbrennungsprozess abrupt ändert. Da dabei thermische Spannungen auftreten und viele weitere Probleme. Insbesondere ist das Vollständig Abschalten ein Problem, daher hat man früher "Nachtspeicheröfen" eingesetzt.

Die zweite Gruppe der Energiequellen sind erneuerbare, die nur geringe Schwankungen aufweisen, und daher kontinuierlich zur Verfügung stehen, das ist die Wasserkraft, Biogas und auch das Verbrennen von Abfällen sowie die Geothermie. Die Regelbarkeit ist gerade bei Flusskraftwerken begrenzt, man kann diese bestenfalls abschalten. Biogas bietet gute Regelmöglichkeiten, obwohl diese Möglichkeit heute leider nicht genutzt wird.

Die dritte Gruppe, und die mit Abstand am schnellsten wachsende Gruppe, sind die fluktuierenden Erneuerbaren Energien, wie Windkraft und Solarenergie. Hier kann außer Abschalten keine nennenswerte Regelung vorgenommen werden, daher benötigen diese Energiequellen die stärksten Speicher.

Die Fluktuierenden wachsen schnell

Das Wachstum der fluktuierenden Erneuerbaren Energien

In den letzten zehn Jahren sind die fluktuierenden Erneuerbaren Energien im Schnitt mit mehr als 15% pro Jahr gewachsen. Dies kann man in der Grafik gut sehen, in der die installierte Leistung der Wind- und Solarkraftwerke zusammengefast dargestellt ist. 

In den letzten vier Jahren wurden sogar jährlich mehr als 20% zugebaut. Bemerkenswert ist, dass die Prognosen der "professionellen" Institute, wie das Fraunhofer Institut IWES (Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik), den Trend massiv unterschätzt (hat). So ist der prognostizierte Wert (65,1GW) für das Jahr 2020 bereits heute mit 63,2 GW nahezu erreicht! Wie kann eine derart eklatante Fehlprognose entstehen? Vermutlich werden einfache Zusammenhänge, wie der Preisverfall bei Vergrößerung des Marktes nicht richtig in die Modelle eingespeist, oder, noch schlimmer, es werden "Wünsche" der Auftraggeber abgebildet.
Aber auch die Regulierungsbehörde in Bonn geht von einem sehr zaghaften Wachstum der Wind und Solarenergie aus (Dunkelrote Punkte in der Grafik). Dies ist um so weniger verständlich, da die Studie deutlich neueren Datums ist und daher die aktuellen Trends berücksichtigen könnte.

Solche Trends sind nicht neu

Um solche Trends in der Energiewirtschaft zu verstehen hilft ein Blick in die Vergangenheit. Zwischen 1900 und 1930 hat man in den USA die Energieversorgung auf Erdöl umgestellt. Dabei sieht man ein ähnlich kontinuierliches Wachstum über 30 Jahre, siehe Abbildung:

Entwicklung der Ölproduktion in den USA

Die Produktion ist so lange gewachsen, bis der Markt praktisch gesättigt war. Und das Wachstum lief trotz Weltkrieg sehr kontinuierlich. Die Wachstumsrate lag damals etwas niedriger, was ein typisches Phänomen älterer Umstellungen ist. Auch die Einführung des Telefons ging nicht annähernd so schnell wie die des PCs oder gar die des Handys. 

Was lernen wir daraus?

1. Vermutlich wird der Zubau von Solar- und Windenergie erst enden, wenn praktisch aller Strom aus diesen Quellen kommt.
2. Die Wachstumsrate, wenn sie erst einmal konstant ist, wird durch keine externen Ereignisse wesentlich verändert.

Folgerung: Die Annahme, dass die fluktuierenden Erneuerbaren in den nächsten 15 Jahren praktisch kontinuierlich Wachsen ist wahrscheinlicher, als dass es zu einem völligen Erliegen des Zubaus kommt.

Wenn das aber so ist, werden ab 2015 Speicher wichtig und spätestens 2025 zwingend erforderlich. 

Ehrlich gesagt bin ich sehr gespannt, ob die installierte Leistung der Wind- und Solarenergie vor 2025 meine Trendlinie, die ich oben mit 15% moderat eingetragen habe schneidet.

 Lesen Sie auch: Investitionsvolumen neue Energiespeicher

Jahresdauerkennlinie und Speicher

Woher kommt der Strom

Der Strom kommt jede Minute aus anderen Energiequellen. Und der Strombedarf ist in jeder Minute anders!

Diese zwei Tatsachen kann man mit einer Grafik veranschaulichen, in der man einfach über ein Jahr aufträgt, wie viel Strom aus welcher Quelle geliefert wird, wie in der ersten Abbildung.

Stromverbrauch im Jahr 2007, Quelle: IWES Gutachten Pumpspeicher 2010

Die schwarze Kurve zeigt, wie viel Strom tatsächlich verbraucht wurde, die unteren Kurven zeigen die Erzeugung durch verschiedene erneuerbare Energiequellen. Die "Rest" dazwischen wurde mit konventionellen Kraftwerken (Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Kernenergie) erzeugt.

Da diese Darstellung nicht besonders gut zu lesen ist, gibt es eine alternative Darstellung, die Jahresdauerkennlinie. Dabei zählt man, in wie vielen Stunden eine bestimmte Last auftritt und sortiert das Resultat zu einer hübschen Kurve:

Jahresdauerkennlinie 2007, Quelle: Fraunhofer IWES und BEE 2009

Damit erkennt man, dass 8000 Stunden lang der Verbrauch größer als 45GW war, 6000 Stunden lag er sogar über 53GW. Dies ist für die Planung von konventionellen Kraftwerken (Hier der graue Bereich) sehr praktisch, da damit die Auslastung schnell erkennbar ist. 

Wesentlich schwieriger wird es, wenn man damit die fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen einträgt. Diese halten sich nicht an den Bedarf und werden erzeugt, wenn eben gerade der Wind weht oder die Sonne scheint. Erstaunlich ist es, wenn man in der Literatur verschiedenen Jahresdauerkennlinien der Zukunft vergleicht.

Hier ein Beispiel der Leitstudie "Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global Schlussbericht"

Aus dem Bundesumweltministerium:

Strom im Jahr 2050, Quelle: BMU - FKZ 03MAP146

Das erstaunliche an dieser Studie ist, obwohl offensichtlich während der Spitzenlaststunden, siehe rechten Teile der Abbildung, die Sonne scheint, wird die Solarenergie (Photovoltaik) fälschlicherweise in der Jahresdauerkennlinie im wesentlichen bei den Schwachlaststunden eingetragen, wenn gerade niemand Strom braucht. 

Die Konsequenz ist, dass man dann mit unverhältnismäßig viel Speicher rechnen muss. Ob dieser Fehler Absicht oder einfach nur Inkompetenz ist, kann ich nicht beurteilen. Zumindest in der Studie des IWES, Abbildung darüber, ist die Photovoltaik noch links, das bedeutet bei hoher Netzlast, eingetragen.

Vereinfachung der Modelle

Alle obigen Modelle und Kurven entstammen umfangreichen Computersimulationen, für die Millionen ausgegeben wurden. Ich befürchte aber, dass es sich dabei um massives "over-computing" handelt. Es wird viel gerechnet, aber wenig nachgedacht. Denn Keiner kann genau sagen wie die Welt im Jahr 2050 aussieht, außer der Aussage, die Sonne wird auch in Zukunft am Tag scheinen und in der Nacht werden viele Menschen schlafen!

Ich habe es daher mit einer stark vereinfachten Jahresdauerkennlinie versucht:

Jahresdauerkennlinie bei 90% Wind- und Solarenergie

Dabei habe ich berücksichtigt, dass die Last unterschiedlich ist, die Sonne maximal 4400 Stunden im Jahr scheint und der Wind unterschiedlich stark weht. 

Man erkennt dabei sofort, dass der Überschuss (150TWh) so gewählt wurde, dass mit einem Speicher damit die Unterdeckung von 100TWh gut ausgeglichen werden kann. Insgesamt wurden 500TWh verbraucht und dafür 267TWh Wind, 178TWh Solar und 50 TWh sonstige Energie erzeugt. Dies könnte man mit einer Windkapazität von 150GW Leistung und 170GWpeak Photovoltaik erreichen.

Die Größe des notwendigen Speichers hängt allerdings von der Anzahl der Ladezyklen ab, bei zehn Zyklen wären 10TWh nötig, wie viele Computermodelle ebenfalls ergeben.

Der große Vorteil von einfachen Modellen ist, man kann wesentlich schneller erkennen, wo wirklich die Eckdaten liegen, zudem erkennt man dabei leichter Logikfehler, wie sie oben wohl gemacht wurden.

Wie oft muss man den Energiespeicher einschalten? Mehr dazu im Blog http://energiespeicher.blogspot.de/2013/05/energiespeicher-langer-laden.html

Batterien als Stromspeicher

Batterien sind echte Stromspeicher

Die Diskussion um die Veränderungen bei der Einspeisung von Solarstrom ins Stromnetz, insbesondere die günstige Möglichkeit, Solarstrom selbst zu verbrauchen, lassen Batterien attraktiv erscheinen. Können Batterien auch wirtschaftlich das Speicherproblem für die Erneuerbaren Energien lösen? Das will ich mal näher für den Privatbereich betrachten.

Bleibatterie mit 0,3 kWh Kapazität (Bild: Wikipedia)

Was macht eigentlich eine Batterie

Vorab, eine Batterie ist ein chemisches System das Spannung liefert, sogar das Älteste (1800: erste Batterie), das man kennt. Letztendlich funktionieren Batterien, indem sie die Differenz im elektrochemischen Potential nutzen. Das bedeutet, jedes Element hat so einen Spannungswert, verbindet man zwei Elemente mit unterschiedlichen Spannungswert mit einer Flüssigkeit (Elektrolyt) so kommt es zu einer chemischen Reaktion und Strom fliest. Ist dieser Vorgang umkehrbar hat man einen Akkumulator, den man laden und entladen kann.
In der Praxis gibt es einige Einschränkungen, die Spannung, die man zum Aufladen anlegen muss ist immer größer als die Spannung die die Batterie abgibt, dadurch vermindert sich der Wirkungsgrad.
Weiterhin sind viele geeignete Elemente, insbesondere Blei, selten, giftig schwer und teuer.

Wann lohnt sich ein Batteriespeicher?

Für viele stellt sich die Frage, soll ich meinen Solarstrom mit einer Batterie speichern?

Dazu gibt es keine eindeutige Antwort. Es gibt Menschen, die wollen nie etwas wegwerfen und speichern daher den Strom auch wenn es nicht direkt wirtschaftlich ist. Diese Situation will ich nicht näher betrachten.

Damit sich ein Speicher lohnt, muss es eine ausreichende Differenz im Strompreis geben!

Rechenbeispiel:

Bezieht man etwa den "normalen" Strom aus dem Netz zu einem Preis von 25ct/kWh und kann selbst Strom aus Solarenergie für 15ct/kWh erzeugen, dann hat man bereits eine Voraussetzung erfüllt: Eine Differenz (10ct/kWh) im Strompreis. 

Produziert man Mittags eine Kilowattstunde, speichert diese Energie ab und nutzt Abends die Energie um zu kochen, hat man 10ct eingespart. Wiederholt man dies jeden Tag, hat man am Ende eines Jahres bei gutem Wetter, 300 Tage an dem man diesen Effekt nutzen kann. Damit hat man 30€ eingespart. Funktioniert die Batterie fünf Jahre, das sind 1500 Zyklen, dann hat man 150€ eingespart, die man für die Finanzierung der Batterie verwenden kann. Mehr als 3000 Zyklen erreichen nur wenige Batterien, genau genommen beginnen Batterien ab den ersten Zyklus immer etwas an Kapazität zu verlieren.

Schaut man auf den Markt, findet man nur Bleiakkumulatoren, die etwa 150€ pro Kilowattstunde kosten, also für das obige Beispiel geeignet wären. Allerdings muss man noch einige weitere Kosten  berücksichtigen:

• Wechselrichter, da Batterien nur Gleichstrom benötigen, muss der Wechselstrom umgewandelt werden, diese Wandler können ähnlich viel wie die Batterien kosten.
• Der Wechselrichter senkt den Wirkungsgrad um etwa 4% (2% pro Umwandlung)
• Wirkungsgrad: Je nach Batterie werden nur 90% Wirkungsgrad erreicht, das bedeutet, man bekommt von einer eingespeicherten Kilowattstunde nur 0,9kWh zurück. Damit kostet das Laden 15ct, entnehmen kann man nur 0,9*25ct=22,5ct. Damit hat man nur 7,5ct eingenommen!
• Alte Batterien muss man entsorgen.

Damit wird die zunächst sehr optimistische Rechnung erheblich schlechter, nach 1500 Zyklen hat man nur 1500*7,5ct =  112,5€ eingenommen (Oder eingespart).

Das System kostet aber mit Wechselrichter 300€, mit Installation oft auch das Doppelte (600€-1000€).

Offensichtlich ist ein Batteriespeicher in diesem Fall nicht lohnend.

Erstes Resultat

Bei den üblichen Strompreisdifferenzen ist ein Batteriespeicher völlig unwirtschaftlich!

Wann könnte es sich doch lohnen?

Keine Rechnung ohne Ausnahme. 

Notstrom: Sollte jemand für die Zuverlässigkeit eines Computersystems eine Notstromversorgung auf Batteriebasis planen, wird oft völlig anders gerechnet und der Gewinn besteht in den unverhofften Einnahmen. Allerdings muss die Batterie dann etwas größer ausgelegt werden, da bei einer fast entladenden Batterie natürlich keine Notstromversorgung möglich ist.

Insellösung: An manchen Orten ist der Strom wesentlich teurer als 25ct, dann wird die Rechnung für die Batterie günstiger, und es kann sich wieder lohnen.

Allgemein kann man folgende Rechnung aufstellen (ohne Zinsen):

Kosten Batteriesystem < Preisdifferenz * Wirkungsgrad * Zyklen

Folgende Werte einsetzen:

Kosten Batteriesystem: Alle Kosten, insbesondere Akkumulator (Nutzbare Kapazität), Wechselrichter, Entsorgung, Raumbedarf, ggf. Versicherung, Garantiekosten, Wartungskosten.

Preisdifferenz: Preis den man für Netzstrom zahlt - Vollkosten der Eigenstromerzeugung

Wirkungsgrad: Alles was den Wirkungsgrad reduziert, insbesondere Batterie und Wechselrichter, realistisch sind oft 85% (0,85 einsetzen)

Zyklen: Wie oft kann das System einen vollen Ladezyklus durchlaufen, insbesondere bis die Batterie ersetzt werden muss. Realistisch sind Werte zwischen 2000 (Blei) und 6000 (Lithium)

Und damit kann man leicht selbst entscheiden, ob ein Batteriesystem lohnt.

Allgemeine Wirtschaftlichkeit von Speichern