Ohne Netz aber mit doppeltem Boden

Update 27.06.15: Der erste Solarcontainer wurde über Bettervest erfolgreich finanziert und steht kurz vor der Auslieferung. Aktuell sucht die Plattform Greenvesting Investoren für einen zweiten Container. Gleiche technische Daten und Finanzierungskonditionen, ebenfalls Mali. Daher habe ich meinen Blogbeitrag entsprechend modifiziert.

Manchmal kommt mir das Wattrechnen ja wie eine Luxusbeschäftigung vor. Cloudspeicher oder Homeserver, Stromfressersuche im Haushalt – all das geht von einem rund um die Uhr zur Verfügung stehenden Netz aus – es muß halt erst einmal etwas da sein, bevor die Nutzung optimiert werden kann. Wobei „optimal“ niemals „Null Verbrauch“ bedeuten wird – zu wertvoll sind mir Dienste wie Kühlschrank, Licht, Computer usw.

Doch wo kommt der Strom für solche Dienste in Gemeinden ohne Netzanschluß her, zB in Afrika? Die effizienteste Lösung nach Kapitaleinsatz und Betriebskosten sind dort Dieselgeneratoren, die aktuell Strom für ca. 42 €-Cent die Kilowattstunde produzieren können. Vorteil: Das Verhältnis von Investitionskosten zu Betriebskosten ist nur 1:10. Nachteil: Die Betriebskosten folgen dem Dieselpreis, welcher über die nächsten Jahre (inbesondere vom aktuellen Niveau Anfang 2015) höchstwahrscheinlich weiter steigen wird. In Deutschland hat er das die letzten 15 Jahre mit im Durchschnitt 4% pro Jahr getan.

Nun liest man ja überall, daß die Gestehungskosten für Solarstrom in den letzten Jahren kräftig gefallen sind: Panel, Wechselrichter usw. seit 2006 um den Faktor Fünf, Speicher um den Faktor Drei. Trotzdem kostet ein Solarkraftwerk immer noch 8x so viel wie ein vergleichbares Dieselaggregat. Dafür sind über die Wartungskosten hinaus die Betriebskosten gleich Null. Stellt sich also die Frage, ob sich das ganze mit heutigen Preisen für autarken Solarstrom schon rechnet. Sowohl für Investoren wie auch für die Stromverbraucher.

Die Mobile Solarkraftwerke Afrika GmbH und Co. KG möchte Solarkraftwerke in Afrika betreiben. Der erste Container für Mourdiah in Mali wurde bereits über Bettervest finanziert. Greenvesting sucht gerade Investoren für einen zweiten Solarcontainer in Konna (ebenfalls in Mali). Die Investition wird mit 9% verzinst über sieben Jahre getilgt. Der Betreiber erwartet, daß das Solarkraftwerk 46.477 KWh Strom pro Jahr produziert.

Schauen wir uns die Kennzahlen im Zeitverlauf an (auf die Grafik klicken für größere Version):

Die Grafik zeigt die jährlichen Aufwände für 46.477 KWh pro Jahr autark erzeugten Strom, als „was wäre wenn“ Szenario zehn Jahre zurück und zwanzig Jahre in die Zukunft. In Blau die Kosten für einen Dieselgenerator, in dunkelgelb die Kosten des Solarcontainers. Das Dorf in Mali zahlt die ersten zehn Jahre 24.000€ inkl. Wartungskosten an die Projektgesellschaft. Dieser Preis erlaubt, über neun Jahre die Annuitäten an die Crowd-Investoren auszuzahlen (grüne Balken). Nach dem zehnten Jahr ist der Container abgeschrieben. Bis zum Ende seiner Lebensdauer fallen für die Nutzer nur noch Wartungskosten an. Die dunkelgelben Balken für die Vergangenheit spiegeln die Preisentwicklung für Panels und Batterien im Container (mit 50% der Systemkosten angenommen). Es ist zu erkennen, daß:

  • Erst in 2015 die Solarkosten in „Sichtweite“ des vergleichbaren Dieselpreises für das erste Betriebsjahr kommen.
  • Für die ersten zehn Jahre gerechnet, liegen Diesel- und Solarkosten gleichauf (bettervest nimmt einen etwas höheren Dieselpreis an und kommt auf einen leichten Vorteil für Solar).
  • Der große Sprung kommt in Jahr 11: Ab dann 4.000€ Wartungskosten (4% Steigerung pro Jahr) statt 30.000€ Dieselkosten – da könnten die Einsparungen schon nach vier Jahren einen weiteren Container finanzieren, der ab dem ersten Jahr (2030) für die Wartungskosten von dann 9cent/KWh Strom erzeugt.

Das ist der im Titel angesprochene „Doppelte Boden“: 1. Heutige Kosten für netzautarken Solarstrom in Afrika sind weit genug gefallen, daß die Annuität an Investoren und Betriebsgesellschaft über zehn Jahre komfortabel aus erspartem Diesel gezahlt werden kann. 2. Ab dem elften Jahr fallen nur noch Wartungskosten an.

Postscriptum: In Deutschland rechnet sich das Szenario „Autark mit Solarstrom“ noch nicht: Die Linie „Netzstrompreis Deutschland“ (aktuell ca. 30cent/KWh) schneidet die dunkelgelben Balken (die für deutsche Sonnenverhältnisse auch noch verdoppelt werden müßten) noch lange nicht – aber wer weiß wie das Bild in zehn Jahren aussieht?

Vierzehnfußballfeldgroße Supercharger Tankstellen

Tesla supercharger location in Tejon, Calif. - Quelle: Elon Musk Blog
Tesla supercharger location in Tejon, Calif. - Quelle: Elon Musk Blog

Einmal ein Auto kaufen, den Treibstoff gibt es später kostenlos. Dieses umgekehrte Druckertintenpatronenprinzip verspricht Tesla Motors allen Käufern einer Tesla Model S Elektrolimousine. Diese dürfen nämlich an allen Supercharger Stationen kostenlos neuen Strom tanken.

Auf dem Bild stehen zwei Model S unter einem etwa 100qm großen Solardach und tanken Strom – pro Fahrzeug 45 Kilowattstunden in einer halben Stunde. Für diesen Bedarf scheint das Solardach etwas klein dimensioniert, oder?

Rechnen wir nach: Wenn alle Fahrzeuge in Deutschland nur noch Strom tanken würden, wie groß müßte dann der an jeder Tankstelle angeschlossene Solarpark sein?

In Deutschland gibt es 15.000 Tankstellen, die jede im Durchschnitt pro Jahr drei Millionen Liter Benzin und Diesel verkaufen. Das entspricht 27 Millionen Kilowattstunden Energieinhalt.

Ein Elektromotor ist 3x effizienter als ein Verbrennungsmotor. Also würden Elektroautos statt 27 Millionen Kilowattstunden in Form von Benzin oder Diesel nur neun Millionen Kilowattstunden elektrische Energie tanken müssen.

Auf einem Quadratmeter Grundfläche erzeugt ein deutscher Solarpark etwa 90 Kilowattstunden im Jahr. Für neun Millionen Kilowattstunden wären also 100.000 Quadratmeter erforderlich – die Fläche von 14 Fußballfeldern oder zwei großen IKEA Märkten mit Parkplätzen drumherum.

Das klingt auf den ersten Blick viel – vor allem wenn man diese 14 Fußballfelder mit 15.000 Tankstellen multipliziert. Andererseits ist das Ergebnis – 1500 Quadratkilometer – nur das 5-fache der Fläche, die in Deutschland Jahr für Jahr als Flächenverbrauch für Häuser, Straßen, Wege, Plätze und Schienen hinzukommt.

Also: Auch wenn 100qm Solardach pro Tankstelle nicht reichen – es wäre theoretisch machbar, alle Tankstellen in Deutschland durch solarbefüllte Supercharger Stationen zu ersetzen.

Besser das Panel auf dem Dach als der Spiegel in der Wüste

Turbine im Kraftwerk Moabit
Turbine im Kraftwerk Moabit, Berlin

Ich mag große Maschinen. Auch aufgrund des Skaleneffekts: Je größer, je effizienter. Einer der Gründe, warum ich Cloud Computing für grün halte.

Aber gilt das auch für Kraftwerke, beziehungsweise Stromerzeugungsinfrastruktur allgemein? Muß man die Photovoltaikanlage auf dem bayerischen Hausdach belächeln, weil sie sich im verregneten Deutschland nur mit Subventionen rechnet? Wäre erneuerbare Großtechnologie, wie Offshore Windenergieparks oder riesige Solarkraftwerke in Nordafrika, nicht viel effizienter und kostengünstiger?

Nicht unbedingt. Die Studie „Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien“ des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme rechnet nämlich sehr interessant. Neben den reinen Investitions- und Betriebskosten bezieht sie auch Kapitalkosten mit ein. Großtechnologie ist kapitalintensiv. Je größer, je effizienter, aber auch risikoreicher: technische Probleme haben viel größere Auswirkungen. Das heißt Investoren wollen einen Risikoaufschlag, die Kapitalkosten steigen, und damit auch die Stromgestehungskosten.

Zweitens ist das Zinsniveau zu beachten. Im verregneten Deutschland gibt es für die Photovoltaik zwar nur 1100 Volllaststunden pro Jahr, im Gegensatz zu fast 2000 Volllaststunden in Spanien. Aber dafür ist das Zinsniveau (Renditeerwartungen für Eigenkapital und Zins Fremdkapital) nur etwa halb so hoch. Der höhere Wirkungsgrad von Photovoltaik im Süden wir also durch die höheren Kapitalkosten im Süden wieder aufgefressen.

Schauen wir uns die Zahlen an:

… und konzentrieren und zunächst auf die Spalte „Erzeugung“

  • Photovoltaik erreicht in Deutschland nur ca. 1100 Volllaststunden im Jahr. Und das Jahr hat 8760 Stunden. Trotzdem: Dank Preisverfall bei PV-Modulen und geringer Kapitalkosten liegen wir nur bei 15 Cent/KWh Erzeugungskosten
  • Noch günstiger ist Wind. Obwohl Windmühlen im Binnenland (nicht an der Küste) über’s Jahr nur soviel Strom erzeugen, als wenn sie 1300 von 8760 Stunden im Jahr mit voller Leistung laufen würden.
  • Nun zu den „Großtechnologien“ – Offshore und Wüstenstrom (am bekanntesten ist hier das Desertec Konzept): Überraschung bei Offshore-Wind: Trotz fast 3x so viel Volllaststunden (der Wind über der See weht halt beständiger) wie Binnenlandwindmühlen ist der Stromerzeugungspreis höher, dank deutlich höherer Investitions- und Kapitalkosten incl. Risikozuschlag. Aus den gleichen Gründen wäre Desertec-Strom ebenfalls teurer.

Aber halt – jetzt machen einen ungerechten Vergleich. Schließlich brauchen wir ja nicht nur 1100 Stunden im Jahr Strom, sondern 8760 Stunden. Wir möchten ja Kernkraftwerke ersetzen, die auf 7700 Volllaststunden kommen. Daher müßten doch 4000 regenerative Volllaststunden viel wertvoller sein als 1100 Stunden – weil aufwändige Speichertechnologie vermieden wird. Stimmt! Deswegen haben ich im zweiten Schritt mal inklusive Speicheraufwand gerechnet.

Dazu habe ich mit (zum Beispiel) Photovoltaik die Erzeugungscharakteristik eines Kernkraftwerkes simuliert. Während der Volllaststunden wird ein Speicher gefüllt, der in der (statistischen) Zeit zwischen 1100 und 7700 Stunden wieder entladen wird. Den Wirkungsgrad des Speichers habe ich mit 36% angenommen: 60% Power-to-Gas Wandlung, und nochmal 60% bei der Rückverwandlung des Gases in Strom. 36% mag niedrig erscheinen, aber ich sehe nicht, wie wir in Deutschland im großtechnischen Maßstab Pumpspeicherkraftwerke (die hätten 80% Wirkungsgrad) oder Batteriespeicher aufbauen können. Dann schon eher bewährte Technologie: Gasnetz und GuD-Kraftwerke. Bei Desertec habe ich zusätzlich 5% Verlust pro 1000km Transport eingerechnet.

Die Kombination „Erzeugung und Speicherung“ wird jetzt sicherlich das Pendel in Richtung der großen zentralisierten Anlagen mit der hohen Volllaststundenzahl ausschwingen lassen, oder?

Überraschenderweise immer noch nicht:

Der Solarstrom- und Binnenwindpreis steigt zwar um den Faktor 2,5, während der Desertec- und Offshorewindpreis nur um Faktor 2 steigt.

Trotzdem liegt Binnenwind immer noch vorne, und die kleine Photovoltaikanlage auf einem bayerischen Hausdach erzeugt Strom zu den gleichen Kosten wie in Solarkraftwerke in Nordafrika das könnten. Das Panel auf dem Dach heute ist also nicht schlechter als die erst geplanten Spiegel in der Wüste.

Ein Drittel des Stroms aus der Sonne – April, April?

Kein Aprilscherz: Am 1. April 2012 – bei strahlendem Frühlingswetter – wurden um 13 Uhr tatsächlich 16 Gigawatt (GW) erzeugt, fast ein Drittel der gesamten Stromerzeugung in Deutschland von etwas über 50 GW. Rechnen wir noch Windkraft hinzu, dann wurde die Hälfte des Mittagstroms aus erneuerbaren Energien erzeugt. [Hinweis: Die oben verlinkten schönen Übersichtsbilder stellt eex leider nur für den aktuellen Tag bereit – die tatsächlichen Daten des 1. April 2012 lassen sich aber über das Menü „Stromerzeugung“ einsehen und herunterladen]

Von den ca. 2 KJ, die am ersten Sonntag im April mittags im Biergarten zur Kühlung eines leckeren Weissbiers aufgewendet werden mußten (für jedes zwischen Keller- und Schanktemperatur herunterzukühlende Grad), stammt also 1 KJ aus nachhaltiger Erzeugung. Fein.

KJ? GW? Hier ein kurzer Exkurs angebracht. KJ steht für „Kilojoule„, eine Energieeinheit, GW für „Gigawatt„, eine Leistungseinheit. Ein Joule Energie erzeuge ich, wenn ich ein Watt Leistung eine Sekunde lang aufrechterhalten kann. Wer sich also 20 Minuten mit 200 Watt auf dem Hometrainer abrackert, erzeugt (20x200x60) 240.000 Joule, oder 240 Kilojoule (KJ). 240 Kilojoule nun kann man sich vorstellen – die entsprechen nämlich ca. 60 Kcal, oder gerade mal 150ml Weißbier.

Eine andere Einheit für Joule, oder „Wie viel Leistung, wie lange“, ist die Leistungseinheit (und Namengeber dieses Blogs) Watt mal der Zeiteinheit Stunde, also die Wattstunde (Wh) – oder gebräuchlicher tausend Wattstunden, die Kilowattstunde (KWh). So eine Kilowattstunde scheint nicht viel zu sein: Als Strom kostet sie gerade mal 25 Cent. Aber was bedeutet eine KWh am Heimtrainer? Fünf Stunden lang mit 200 Watt treten. Wer das schafft, der schafft auch die Tour de France

Inspiriert von David MacKay’s „Without the Hot Air“ werde ich auch in diesem Blog versuchen, so viele Zahlen wie möglich auf die Größe „Eine Kilowattstunde pro Tag pro Person“ zu normieren. Ein 60°C Waschgang. 1500 Meter Autofahren. Fünf Stunden verschärftes Fahrradfahren. Oder zwei Maß Bier.

Aber nun zurück zu den 16 Gigawatt Sonnenstrom. Ist das viel? Wie viele KWh pro Tag und Person hat denn jeder Deutsche am 1. April aus Solarstrom bezogen? Dazu dürfen wir – wie ein Bild auf die Produktionskurve zeigt, natürlich nicht einfach 16 GW mit 24 Stunden multiplizieren. Die Sonne scheint ja nur am Tag.

Die Aufsummierung der Solarstromerzeugung über den Tag mit 11 Sonnenstunden ergibt 123 GWh, 12,5% der gesamten Stromerzeugung in Deutschland am ersten April. Rekord für 2012 (bis jetzt).

Pro Person sind das 1,5 KWh/Tag/Person – ungefähr soviel Energie, als ob jeder Deutsche die ganzen 11 Sonnenstunden lang am Hometrainer mit 140 Watt Leistung getreten hätte. Oder gut zwei Kilometer mit dem Auto gefahren wäre. Oder so viel Energie wie der Kalorieninhalt von drei Maß Bier.

Der Vergleich mit dem Auto hilft nun auch, den Rekordwert von 12,5% Solaranteil an der Stromerzeugung einzuordnen. Jeder Deutsche verbraucht (Erzeugung gleich Verbrauch, Deutschland erzeugt im Mittel so viel Strom wie dort auch verbraucht wird) zwar nur 1,5 / 12,5% = 12 KWh/Tag/Person Strom, allerdings 125 KWh/Tag/Person sogenannte Primärenergie. Primärenergie ist Kohle für’s Kraftwerk, Benzin für’s Auto, Diesel für den LKW und vieles mehr. Allein 23 KWh/Tag/Person Primärenergie werden als Kraftstoffe für Transportleistungen (Personen- und Güterverkehr) verbraucht.

Also: Ein gutes Prozent (1,5 zu 125 KWh/Tag/Person) der Energie, die jeder Deutsche am 1. April verbraucht hat, kam aus der Sonne in Form von Photovoltaik. Mehr dazu – und zu den anderen 99% – in zukünftigen Wattrechnereien!