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Freitag, 7. März 2014

Speicherproblem, Erdgas, Krim und Putin

Energiespeicher ohne Erdgas

Will man die Energiewende, und das will zumindest die Bevölkerung in Deutschland, dann muss man die Schwankungen der Erneuerbaren Energiequellen, wie Windenergie und Solarenergie, ausgleichen. Das einfachste Mittel ist, sofern man noch in der Umstellungsphase ist, dass man bestehende Kraftwerke abschaltet, während viel erneuerbare Energie im Netz ist.

Vorbild USA

In den USA basiert die Stromversorgung zu über 40% auf Erdgaskraftwerken, im Vergleich, bei uns sind es 7%. Fällt also in den USA viel Windstrom oder Solarstrom an, und inzwischen ist 60GW Windenergie am Netz, dann können problemlos die entsprechenden Erdgaskraftwerke abgeschaltet werden. 
Erdgaskraftwerke bestehen im Wesentlichen aus einer Turbine, ähnlich wie am Flugzeug, und eine Turbine kann sehr schnell, innerhalb von Minuten, die Leistung massiv verändern.
Daher ist in den USA das Energiespeicherproblem bei der Einführung der fluktuierenden erneuerbaren Energien nicht sehr groß. 
Der Erfolg dieses Vorgehens ist bemerkenswert, die USA konnte ihren CO2 Ausstoß in den letzten Jahren reduzieren!
34 Prozent des deutschen Erdgas kommen aus Russland (Quelle: Wirtschaftsverband Erdgas)

Problem Deutschland

In Deutschland werden 34% des Erdgas aus Russland importiert, und im wesentlichen zur Wärmeerzeugung verwendet. Man hat bewusst darauf verzichtet, diesen Energieträger stark in der Stromerzeugung einzusetzen. Damit hat man in einer Zeit, wie der Krimkrise, den Vorteil, dass man Strom aus Braunkohlekraftwerken erzeugen kann. Das ist aber keine Lösung, wenn man etwas weiter denkt. Erneuerbare Energien werden immer Schwankungen unterliegen. Ein Braunkohlekraftwerk kann man aber nicht eben so mal abschalten, allein das "Anzünden" kostet dann 50.000€. Folge, Deutschland hat den CO2 Ausstoß in den letzten Jahren vergrößert!

Speicher statt Putin?

Will man das Problem der Abhängigkeit bei der Energieversorgung lösen und zugleich nicht massiv die Welt mit CO2 verschmutzen und das Land im Braunkohletagebau versinken lassen, dann gibt es nur eine Lösung:
Erneuerbare Energien plus Speicher!
Die Erneuerbaren liefern inzwischen so viel Strom, dass es an manchen Tagen bereits mehr Strom gibt, als in Deutschland verbraucht werden kann. Ein Blick auf die EEX Börse ist da immer sehr lehrreich.
Diesen Überschuss an Strom muss man einspeichern, dafür eignet sich im großem Maßstab nur das Konzept des Pumpspeichers, da nur mit ihm 80% Wirkungsgrad möglich sind. Auf keinen Fall Power to Gas, dort werden 75% des Stroms beim Speichern vernichtet (Wirkungsgrad 25%).

Lageenergiespeicher statt Pumpspeicherkraftwerke

Da der Bau großer Pumpspeicher in Deutschland schlecht möglich ist, kann man den Lageenergiespeicher einsetzen, der mit gleicher Technik bezüglich Pumpen und Turbinen arbeitet. Dabei wird jedoch eine große Felsmasse hydraulisch mit Wasser angehoben. 
Der Lageenergiespeicher

  • Wenig Geländeverbrauch
  • Wenig Wasserbedarf
  • Hoher Wirkungsgrad (80%)
Sind die entscheidenden Vorteile dieses Konzepts.
Ich hoffe daher sehr, dass mit der Krimkrise die Menschen aufwachen und verstehen wie wichtig effiziente und zukunftssichere Speicher für Strom sind.

Zum Weiterlesen


Samstag, 1. März 2014

Tesla und die Batteriepreise

Tesla und die Batterie-Preise

Mit der Meldung von Tesla Motors, man will eine Gigafactory für Lithium-Ionen-Batterien (LiIo)bauen, verändert sich der Batteriemarkt grundlegend. Wie stellt sich der Markt für Lithium Batterien in Zukunft dar? Eine entscheidende Größe wird sein, wie viele Elektroautos LiIo-Batterien nutzen werden. Alle bisherigen LiIo-Batterien wurden im wesentlichen in Laptops und anderen mobilen Endgeräten eingebaut. Der Bedarf an elektrischen Strom aus Batterien für einen Laptop oder iPad ist erheblich geringer als der für ein Elektroauto, daher muss bei einer weltweiten Einführung des Elektroautos eine massive Ausweitung der Batterieproduktion stattfinden.
Geplante Batteriefabrik der Firma Tesla Moors in den USA (Bild: Tesla [2])

Der Preis von Batterien

Heute kosten LiIo-Batterien für den Endverbraucher mindestens fünfhundert Euro pro Kilowattstunde Speicherkapazität. Dieser hohen Preis ist auch durch die kleinen Einheiten bestimmt da selten Batterien mit einer Kilowattstunde verkauft werden sondern nur mit dem Bruchteil davon. Eine typische Laptop Batterie hat etwa 0,05kWh. Will man ein erfolgreiches Elektroauto bauen, wie der Tesla S, der eine Reichweite von fünfhundert Kilometern hat, benötigt man 85 kWh Batteriekapazität. Tesla bietet den Austausch einer Batterie, mit 85 kWh Kapazität, für 12.000 Dollar an, das ist allerdings nicht der aktuelle Batteriepreis, da der Austausch nur bei Bedarf erfolgt [1]. Der tatsächliche Preis einer Ersatzbatterie auf dem freien Markt liegt bei 30.000$, mithin kostet eine Kilowattstunde nicht nur 100€ sondern eher 250€, immer noch ein günstiger Preis.

Anmerkung: Aktuelle Liste der Batteriepreise [Quelle: Wirtschafts Woche]

Solarbatterien

Die gewaltige Preisunterschied gegenüber stationieren Batterien für Solaranlagen, die heute angeboten werden, liegt im Wesentlichen an den kleinen Stückzahlen, in denen diese stationär Batterien verkauft werden und an dem Aufwand diese Lokal zu installieren. Nach einer Untersuchung von Prof. Sauer [3] liegen aktuell (2013) die Preise von stationären LiIo-Systemen bei 2000-3800€/kWh, das ist etwa der Faktor zehn gegenüber LiIo-Teslabatterien!

Batterien aus der Autofabrik

Die Zukunft soll mit Elektroautos fahren, daher werden enorme Mengen an Batterien benötigt. Tesla rechnet im Jahre 2020 mit 500.000 verkaufen Fahrzeugen, die dafür notwendigen Batterien liegt jenseits der aktuellen jährlichen Produktionskapazität alle LiIo-Batterien weltweit, siehe Abbildung. Das bedeutet, entweder bauen andere Hersteller ihre Kapazität aus oder das Unternehmen Tesla baut die Batterien selbst. Da Batterien der Kern der Wertschöpfung in Elektroautos sind, keine Komponente ist annähernd so teuer, ist der Aufbau einer eigenen Fertigung nur logisch. Tesla geht dabei von eine Kostensenkung um etwa dreißig Prozent aus. Das bedeutet zukünftig kann eine Batterie für 170€/kWh auf Basis von Lithium-Ionen verkauft werden!
Batteriemarkt und die Dimension der Gigafactory von Tesla (Bild: Tesla [2])

Folgen niedriger Batteriepreise im Süden

Die Folgen einer solchen massiven Preisreduktion gegenüber den aktuellen Werten im Handel führt zu einer starken Veränderung, die Möglichkeit lokal Photovoltaik mit Batterieunterstützung zur autonomen Stromversorgung zu verwenden wird kostengünstiger als ein Netzanschluss. Besonders in sonnenreichen Regionen, wie in den Südstaaten der USA oder auch in den südlichen Regionen Europas, kann damit fast eine vollständige autonome Stromversorgung realisiert werden. Dies berührt das Geschäftsmodell von klassischen Stromerzeugen und Netzbetreiber erheblich. Es entfallen Millionen von Endkunden, die ihren Strom dann selbst produzieren und speichern. Der kleinen restliche Bedarf an Tagen, an denen weder die Sonne scheint noch die Akkukapazität weiterhilft, kann mit einem preiswerte Notstromaggregat ersetzt werden. Es entstehen dann zwar an wenigen Tage im Jahr zusätzliche Kosten für den Treibstoff Diesel oder Benzin, diese sind aber erheblich unter den Gesamtkosten des externen Strombezugs.

Andere Situation im Norden

In Regionen wie Deutschland sieht die Situation leider nicht so günstig aus. Hier gibt es im Winterhalbjahr, insbesondere in den Monaten November bis Februar, derart wenig Sonne, dass selbst eine große, günstige Batterie nicht weiterhilft. Erst die Zusammenarbeit von Windenergie, die vor allem im Winter hohe Leistung liefert, und der Sonnenenergie im Sommer ermöglichen es für ein Land wie Deutschland ganzjährig im Wesentlichen auf erneuerbare Energien zu setzen. Dies erfordert allerdings immer noch eine hohe Speicherkapazität von einigen Tagen, die nicht von Batteriessystemen geleistet werden können sonder etwa vom Lageenergiespeichern geliefert werden können.

Notwendige Produktionskapazität für Batterien

Wenn Tesla im Jahr 2020 jährlich 500.000 Batterien erzeugen will, die in entsprechende Elektrofahrzeuge genutzt werden, kann man die Frage stellen: Wie groß ist der globale Bedarf an Batterien um alle Autos der Welt auf Elektroantrieb umzustellen? Aktuell gibt es etwa eine Milliarde Fahrzeuge auf der Welt:
Anzahl registrierter Kraftfahrzeuge weltweit in den Jahren 2005 bis 2013 (in 1.000)
Mehr Statistiken finden Sie bei Statista

Damit benötigt man eine Milliarde Batterien mit 100 kWh Kapazität. 100kWh nehme ich als Mittelwert, da Lastwagen deutlich mehr und Kleinwagen sicher weniger benötigen.
Das ergibt eine Gesamtkapazität von 100TWh an Batterien! Damit derart viele Batterien innerhalb von 10 Jahren hergestellt werden können, müssen jährlich 10TWh hergestellt werden. Das ist mit 200 Fabriken der Gigafactory-Klasse möglich. Damit ist es zumindest denkbar, dass derartige Fabriken innerhalb von 10 Jahren eine Batterie Kapazität Aufbau um den gesamten Verkehr global auf Elektroantrieb umzustellen. Interessanterweise können diese Fabriken auch vollständig ökologisch arbeiten, wenn sie nach einiger Zeit die alten Batterien recyceln und ihre Energie aus und Wind und Sonne beziehen wie es im Businessplan [2] der Tesla Motors Inc. bereits vorgezeichnet ist.

Fazit

Die Zukunft wird die Batterie ein zentrales Produkt der Industrie. Die Batterien werden, für heutige Verhältnisse, in unvorstellbaren Mengen hergestellt werden. Zum Glück sind die notwendigen Materialien, Lithium, Graphit, Aluminium und andere Materialien, weltweit gut verfügbar zumindest gibt es keine ernsthafte Rohstoffknappheit da diese Elemente relativ häufig auf der Erde vorkommen.
Andere Batterie Technologien neben Lithium werden unbedeutend, vergleichbar dem Siegeszug von Silizium gegenüber anderen Halbleitern.

Zum Weiterlesen: 
Teil 1: Meine Erfahrungen mit dem Tesla
Teil 2: Tesla auf großer Fahrt
Warum Speicher billig werden, die Wirkung der Lernkurve.

Quellen:

[1] Brad Berman,  What the Tesla Model S Battery Replacement Price Doesn’t Say
[2] Tesla Gigafactory (pdf)
[3] Dirk Uwe Sauer, Speicher in netzgekoppelten PV-Anlagen, 3. VDI-Fachkonferenz – Energiespeicher für die Energiewende, Mainz 04.06.2013