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V2G

V2G = Vehicles to Grid = Fahrzeuge ins Netz

Die Lithium-Ionen Batterien von Elektrofahrzeugen als Stromspeicher

 

Funktion des Stromnetzes jetzt

 

Elektrizität ist nur im Moment der Erzeugung nutzbar. Es muss daher dafür Sorge getragen werden, dass immer so viel elektrische Energie in das Stromnetz eingespeist wie verbraucht wird.

Beim Jetzt-Zustand des Stromnetzes wird das Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und -nachfrage im Tages- und Jahresverbrauch durch regelbare Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerke, den so genannten Regelenergiekraftwerken, gesichert. In einem Abstand von 15 Minuten wird über den jeweiligen Einsatz entschieden. Gleichzeitig wird immer mehr versucht, mit Sensoren, und digitalen Steuerungs- und Analyseinstrumenten dem Netz „digitale Intelligenz“ (smart grid!) zu verleihen, um Stromverluste zu vermeiden und Wind- und Solarenergie sowie die Rückspeisung aus Batterien von Elektrofahrzeugen in das Netz zu integrieren.

Zusätzlich werden Kapazitäten, die innerhalb von Minuten und Sekunden reagieren können, bereit gehalten.

Gesetzlich geregelt ist der Vorrang der erneuerbaren Energien aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen, d. h. regelbare Kraftwerke werden erst zugeschaltet, wenn die Einspeisung durch erneuerbar Energien nicht mehr ausreicht, die Stromnachfrage zu befriedigen. Allerdings kommt es auch jetzt schon vor, dass Windkraftanlagen vom Netz genommen werden müssen, weil bei einem Stromüberangebot entweder Grundlastkraftwerke (Kernkraftwerke und Kohlenkraftwerke!) nicht schnell genug zurückgefahren werden können oder die Übertragungskapazitäten des Stromnetzes nicht ausreichend sind.

 

Folgen eines steigenden Anteils der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung für das Stromnetz

 

Das Problem der Aufrechterhaltung der Stabilität des Stromnetzes bestand bisher in der Hauptsache darin, die zentrale Stromeinspeisung in das Netz den Schwankungen der Nachfrage im Tages- und Jahresverlauf anzupassen. Mit steigendem Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung verlagert sich der Regelbedarf mehr und mehr auf den den Ausgleich von Schwankungen, die durch die Ungleichmäßigkeit der Stromerzeugung durch erneuerbare Energien bedingt sind. Je höher der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung ist, desto mehr muss die schwankende Stromerzeugung aus Wind- und Solaranlagen durch den Aufbau von Stromspeicherkapazitäten ausgeglichen werden. Denn die Abschaltung von Kern- und Kohlekraftwerken, die bisher die Grundlast bereit stellten, bedeutet, dass große Speicherkapazitäten bereit stehen müssen, die dann zur Verfügung stehen, wenn z.B. bei der Nacht kein Wind weht.

 

Formen der Speicherung

 

Bei einer vollständigen Energieversorgung aus erneuerbaren Energien sind folgende Arten von Speicherkapazitäten zum Ausgleich von Tages-, Wochen- und Jahreslastausgleich relevant:

 

  1. Potentielle Energie mit Hilfe von Pumpspeicherkraftwerken

  2. Mechanische Energie mit Hilfe von Druckluftspeichern

  3. Chemische Energie mit Hilfe von Wasserstoffverbindungen

  4. Elektrochemische Energie mit Hilfe von Batterien

 

 

zu 1.

Pumpspeicherkraftwerke verbinden große Speicherkapazitäten mit einem guten Wirkungsgrad von 70 – 80%. Das in Riedl geplante Pumpspeicherkraftwerk ist zum Beispiel auf eine Leistung von 300 Megawatt ausgelegt. Deutschland verfügt über eine Pumpspeicherleistung von 7,353 Giga(109) W (Deutsche Energieagentur, 2008 und eine Speicherkapazität von 9,2 Tera(1012)Wh (Deutsche Energieagentur Dema, 2007). Der Sachverständigenrat für Umweltfragen, der das Bundesumweltministerium berät, hält die Wahrscheinlichkeit des Baus weiterer Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland für eher gering, da Deutschland Gebirge fehlen und der Bau solcher Kraftwerke einen erheblichen Eingriff in Natur und Landschaft bedeuten. Er spricht sich daher für eine Kooperation mit Norwegen aus, das allein eine Speicherkapazität von 84 TWh besitzt, also das 11,4fache Deutschlands.

 

zu 2.

Druckluftspeicher, bei denen Luft in Salzkavernen ein gepumpt wird, haben einen schwachen Wirkungsgrad von circa 55%. Die in den Kavernen komprimierte Luft gibt nämlich Wärme an die Umgebung ab. Die abgekühlte Luft muss aber dann unter Energieverbrauch wieder auf eine Temperatur von mehreren hundert Grad gebracht werden, damit sie in Gasturbinen zur Elektrizitätserzeugung verwendet werden kann. Hierher gehören auch Schwungräderanlagen, die kurzfristig Regelenergie zur Verfügungstellen können.

 

zu 3.

Bei dem vom Frauenhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik entwickeltem System „Integrative-Renewable-Power-Methane-Konzept,“ wird mit Überschüssen aus Wind- und Solarenergie gewonnener Wasserstoff methanisiert. Mittels Elektrolyse verwandelt sich Wasser unter Zugabe von Kohledioxid in Methan. Mit diesem Verfahren ließe sich also aus überschüssigem Strom aus Wind- und Solarkraftanlagen produziertes Methan ins Erdgasnetz einspeisen. Erdgas besteht zu 85 – 98 % aus Methan. Der Wirkungsgrad dieser Speichermethode ist mit 36% gering, aber die Methanisierung hat entscheidende Vorteile: multifunktionale Einsetzbarkeit, hohe Energiedichte, bereits vorhandene Infrastruktur, da das Methan einfach in das bestehende Erdgasnetz ein gleitet werden kann.

 

zu 4.

Die Batterien von Elektrofahrzeugen können bei Einverständnis des Eigentümers als „Regelenergiekraftwerk“ genutzt werden, indem elektrische Energie von der Batterie in das Netz zurück gespeist wird. Der Vorgang wird unter dem Schlagwort V2G (Vehicles to Grid) diskutiert. Unter Berechnung aller Einschränkungen der Einspeisung aus Autobatterien zurück in das Stromnetz rechnet man damit, dass pro Fahrzeug circa 5 kWh in das Netz eingespeist werden kann.

 

V2G als Regelenergiekraftwerk

 

Die Frage, ob die Einspeisung elektrischer Energie aus den Lithium-Ionen Batterien von Elektrofahrzeugen ausreicht, die Stabilität des Stromnetzes zu gewährleisten wird kontrovers diskutiert. Der Sachverständigenrat für Umweltfragen schätzt in seinem Gutachten vom 5.5.2010 „100% erneuerbare Stromversorgung bis 2050: klimaverträglich, sicher, bezahlbar“ das Gesamtpotential von V2G zur langfristigen Energieeinspeisung wegen der dafür benötigten großen Speicherkapazitäten „als eher gering ein“. Er diskutiert deshalb die Speicherungsmöglichkeit durch Akkumulatoren nicht im Detail und sieht einen zukünftigen Einsatz von Akkumulatoren „überwiegend im Bereich der Systemdienstleistung . Eine Lösung des Speicherproblematik sehen die Experten des Sachverständigenrates in einer Kooperation mit Norwegen, wo genügend Speicherkraftwerke vorhanden sind, die zusätzlich zu Pumpspeicherkraftwerken ausgebaut werden können. Voraussetzung ist allerdings der Ausbau der Übertragungsnetze. Die schlimmsten Versäumnisse der letzten Jahre sehen sie im fehlenden Ausbau der Übertragungsnetze und der Speicher. Außerdem belastet das Stromnetz die Tatsache, dass die Stromerzeugung durch Windkraftanlagen hauptsächlich im Norden stattfindet und dann der Strom durch überlastete Netze zu den großen Verbrauchszentren im Westen, Mitte und Süden Deutschlands geleitet werden muss. Dabei genügt der Netzausbau jetzt schon nicht mehr den Anforderungen. Der Sachverständigenrat weist darauf hin, dass eine Verlängerung der Laufzeiten von Kernkraftwerken den Übergang zur Stromversorgung aus regenerativen Energien erschwert, wenn nicht gar unmöglich macht.

Dagmar Oertel von TAB Büro für Technikfolgen-Abschätzung stellt folgende Rechnung auf:

Ausgegangen wird von einem Elektrofahrzeug mit einer mittleren elektrischen Leistung von 25 kW (durchschnittliche Speichergröße 25kWh), dass etwa 5% aller Elektrofahrzeuge zum Laden am Netz angeschlossen sind und dass 20% des Traktionsspeichers als Regelenergie nutzbar sind. Bei einer Maximalannahme von ca. 10 Mio. Elektrofahrzeugen stünde damit eine Gesamtregelenergie von (10 Mio. x 25 kWh x 5% x 20% =) 2,5 GWh bei einer Gesamtregelleistung von (10 Mio. x 25 kW x 5%) = 12,5 GW zur Verfügung. Zum Vergleich: Das Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal hat eine Leistung von 1,06 GW und ist auf acht Stunden Volllastbetrieb ausgelegt (entspricht einem Speichervermögen von 8,48 GWh).“

Ein einziges Pumpspeicherkraftwerk stellt also das 3,39 fache der Speicherkapazität von 10 Mio. Elektrofahrzeugen zur Verfügung. Bis 2020 strebt die Bundesregierung die Zahl von 1 Mio. Elektrofahrzeugen an. Ob und wann 10 Mio. Elektrofahrzeuge wirklich zur Verfügung stehen ist unbekannt. In jedem Fall wird die durch sie mögliche Speicherkapazität bei weitem nicht ausreichen, die notwendige Regelenergie zur Verfügung zu stellen.

 

Problematik des V2G

 

V2G hat mit verschiedenen Problemen zu kämpfen.

 

  1. Die notwendige umfangreiche Soft- und Hardware, die notwendig ist, um Elektrofahrzeuge als Stromspeicher zu nutzen, ist in großem Maßstab noch nicht entwickelt und getestet. Um ruhende Fahrzeuge ans Netz zu schließen, müssen eine große Anzahl von öffentlichen Ladestationen gebaut werden.

 

  1. Die Lebenszeit einer Batterie ist abhängig von den Ladezyklen. Es ist nicht klar, wie die Netzbetreiber die Fahrzeugbesitzer, deren Batterien sie als Speicher nutzen, für die Verkürzung der Lebenszeit der teuren Batterien entschädigen. Zudem ist der Preisunterschied zwischen Strom zu Spitzenlastzeiten und Schwachzeiten in Deutschland geringer als zum Beispiel in den USA. Damit kann man in Deutschland geringere Einnahmen als in den USA erzielen, was den Anreiz, sich in das Netz eingliedern zu lassen, schwächt.

 

  1. Viele Fahrzeugbesitzer verfügen nicht über eine eigene Garage. Sie können sich ohne den Aufbau zahlreicher öffentlicher Ladestationen nicht am V2G beteiligen.

 

  1. Der Aufbau des V2G-Systems geht nur langsam voran. Denn einerseits behindert die fehlende Infrastruktur den Verkauf von Elektrofahrzeugen und andererseits verhindert die noch geringe Zahl von Elektrofahrzeugen die Investition in die Infrastruktur. Ohne aufwendige Marktstrategien kann auf Jahre hinaus die für das System notwendige große Anzahl von Elektrofahrzeugen, die in das Netz einspeisen können, nicht erreicht werden.

 

  1. Die Mobilitätsbedürfnisse des Fahrzeugeigentümer sind schwierig mit den den Bedürfnissen der Netzbetreiber in Einklang zu bringen. Man denkt an den Einsatz intelligenter Steuerungen. Der Fahrer könnte zum Beispiel einige Stunden vor der geplanten Fahrt die relativ gut vorhersehbare Fahrzeit dem Fahrzeug eingeben, um sicher zu gehen, dass der Netzbetreiber dem Fahrzeug nicht zu viel Energie entzieht. Eine andere Implementierung einer Steuerung könnte das Fahrverhalten eines Fahrzeuges über eine gewisse Zeit aufzeichnen und ausgehend von diesen Daten die Energie dem Netz zur Verfügung stellen oder speichern für die Zeiten, in denen das Fahrzeug wahrscheinlich genutzt wird. So stünde fest, welches Fahrzeug zu welcher Zeit mit hoher Wahrscheinlichkeit Netzhilfsdienste leisten könnte. Durch Zusammenfassung vieler Fahrzeuge zu einer Einheit würde sich eine sichere Versorgung ergeben. Ein solches System widerspricht allerdings dem Datenschutz.

 

  1. Das größte Problem für die Implementierung von V2G besteht darin, dass die Umstellung der Mobilität von fossilen Brennstoffen auf Elektrofahrzeuge bis 2050 sehr hohe Anforderungen an Stromerzeugung und vor allem -übertragung stellt. Die jetzt vorhandenen Kapazitäten sind dafür völlig unzureichend.

Zusätzlich zum bisherigen Verbrauch an elektrischer Energie würde sich für 10 Mio. Elektrofahrzeuge bei einer jährlichen Fahrleistung von 15.000 km und einem angenommenen Verbrauch von 15 kWh / 100 km ein Strombedarf von (10 Mio. x 15 kWh/100 km x 15.000 =) 22,5 TWh ergeben. Das entspricht 4% des deutschen Stromverbrauchs (Dagmar Oertel, TAB)

Die Financial Times berichtet zum Beispiel, dass die Gesamtkapazität des amerikanischen Stromnetzes nicht ausreichen würde, den Bedarf zu decken, der entsteht, wenn circa eine Million Fahrzeuge gleichzeitig ihre Batterien in drei Minuten laden wollten. Auch für Deutschland gilt: Wenn bei einer Umstellung auf Elektromobilität das Netz nicht entscheidend ausgebaut wird und die Stromerzeugung nicht hochgefahren wird, sind Stromausfälle nicht zu vermeiden und in der Folge würde der elektrisch versorgte Verkehr zusammen brechen.

 

 

 

 

Fazit:

Der Weg zur Energieversorgung mit Hilfe regenerativer Energien ist mit Schwierigkeiten gepflastert. V2G kann sicherlich Spitzenlasten oder starke Schwankungen in der Stromerzeugung abpuffern, aber ohne Ausbau von Pumpsspeicherkraftwerken oder Kooperation mit Norwegen und dem Einsatz anderer Speicherformen bei gleichzeitigen Erhöhung der Übertragungskapazitäten des Stromnetzes wird der Weg nicht gangbar sein.

 

 

 

K. Schürzinger, 25.06.2010