Die Kosten für tragbare Energie

Elektrische Energie von nicht aufladbaren (primären) Batterien ist verhältnismässig teuer und ihre Anwendung ist begrenzt auf Applikationen mit kleinem Strombedarf, wie Uhren, Blitzlichter und tragbare Unterhaltungselektronik. Mobile Telefone, Laptops und Werkzeuge arbeiten mehrheitlich mit aufladbaren (sekundären) Batterien.

In diesem Artikel berechnen wir die Produktionskosten von 1000W während einer Stunde (1kWh) von verschiedenen Medien für Energiespeicherung. Wir sehen uns zuerst primäre und sekundäre Batterien an; dann vergleichen wir die Energiekosten von einem internen Verbrennungsmotor, den Brennstoffzellen und schliesslich aus dem elektrischen Netz.

Die primäre (nicht aufladbare) Batterie

Figur 1 stellt die Energiekosten dar, bei der Verwendung von kommerziellen Alkaline-Zellen. Die rechte Spalte zeigt eine Lithium Batterie für Fotoapparate oder Geräte für Sicherungskopien.
Man kann feststellen, dass grössere Zellen kleinere Kosten pro kWh erzeugen als kleine Zellen. Die Energiekosten von AA-Zellen sind kleiner als die Hälfte als diejenigen von AAA-Zellen. Die C-Zellen erzeugen die tiefsten Kosten pro kWh. Die D-Zellen werden teurer, da sie nur wenig eingesetzt werden. Moderne Systeme, wie Lithium, erbringen sehr hohe Energiedichten zu Spitzenpreisen. Die Kosten einer 6V-Kamerabatterie sind mehr als 10 mal höher als jene einer Alkaline C-Zelle.

Figur 1: Energiekosten, erhalten mit einer primären Batterie. Die Energiekosten von einer Primärbatterie sind hoch und steigen an mit kleineren Batteriedimensionen und Systemen mit höherer Energiedichte. _______________ * Die Nominalspannung wird verwendet, um die Wh zu berechnen. Wegen dem Sinken der Spannung während der Entladung, ist die wirkliche Energie kleiner als die angezeigte.

Primärbatterien enthalten mehr Energie als Sekundärbatterien, bei gleichen Abmessungen und Gewicht. Funktionsbereitschaft, lange Lagerfähigkeit und sofortiger Zugriff sind andere Pluspunkte. Primärbatterien enthalten wenig giftige Substanzen und können als umweltfreundlich betrachtet werden.

Die Sekundärbatterie

Sekundärbatterien liefern wirtschaftlich viel mehr Energie als Primärbatterien, wie Figur 2 zeigt. Diese Studie basiert auf geschätzten Einkaufspreisen von kommerziellen Batterien, und auf der Anzahl von Entladezyklen, die eine Batterie erträgt, bis sie ersetzt werden muss. Die kalkulierten Kosten enthalten weder die Elektrizität, die für die Ladung gebraucht wird, noch wurden die Einkaufskosten einbezogen für das Ladegerät.

Figur 2: Vergleich von Energie und Kosten bei aufladbaren Zellen. Ältere Chemien sind normalerweise günstiger als neuere Systeme (in Kosten pro kWh). Grössere Batterien sind kostengünstiger als kleine.

Neuere Chemien ergeben höhere Energiedichten pro Dimension und Gewicht als konventionelle Batterien, aber der Preis pro kWh ist höher. Dieser Preis wird, in einem weiteren Rahmen, beeinflusst durch die Anzahl von Lade-/Entladezyklen, die die Batterie ertragen kann.

Die tiefen Kosten bei Nickel-Kadmium-Batterien können nur erreicht werden, wenn alle 1 - 2 Monate eine volle Entladung durchgeführt wird, als Teil des Wartungsprogramms zur Verhinderung des Memory-Effektes. Wenn dies versäumt wird, sind Nickel-Kadmium-Batterien gleichzusetzen mit Nickel-Metallhydrid und Lithium-Ion, in bezug auf die Anzahl Zyklen. Das Fehlen der Wartung wird die Kosten verdreifachen. Umgebungsbedingungen, wie erhöhte Temperatur oder falsches Laden reduzieren die Batterielebenserwartung aller Batteriechemien. Die errechnete Anzahl möglicher Zyklen basiert auf den besten Bedingungen.

Bei weitem die tiefsten Kosten pro kWh liefern Blei-Säure-Batterien für Rollstühle und Roller. Das speisen eines Laptops ab einer Blei-Säure-Batterie würde die Energiekosten um ein 20-faches reduzieren. Allerdings wäre dies schwierig zu verkaufen.

Der Verbrennungsmotor

Figur 3 vergleicht die Energiekosten um 1 kWh zu erzeugen, aus einer primären Alkaline AA-Zelle, einer Nickel-Kadmium-Batterie, einem Verbrennungsmotor verwendet in einem Mittelklassewagen, Brennstoffzellen und dem elektrischen Netz. Die Kostenschätzung beinhaltet ebenfalls Initialinvestitionen, Brennstoffpreise wo nötig und schliesslich das Ersetzen des Systems.

Figur 3: Kosten zur Erzeugung von 1kWh. Dies beinhaltet die Initialinvestitionen, den Treibstoffverbrauch, wo nötig, den Unterhalt und schliesslich die Kosten zum Ersetzen des Gerätes. Die billigste Leistungsquelle ist die allgemeine Stromversorgung; die teuerste sind die Primärzellen.

Die Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle bietet die effizienteste Art zur Erzeugung von Elektrizität, aber sie ist aufwendig bezogen auf die Kosten pro kWh. Brennstoffzellen, als Ersatz von Batterien, werden erst dann wirtschaftlich realisierbar sein, wenn solche Einheiten in kompakter Form und zu erschwinglichen Preisen vorliegen.

Brennstoffzellen für stationäre Anwendungen sind noch immer viel teurer als Diesel. Die am wenigsten realisierbare Anwendung in bezug auf die Kosten sind Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Der Verbrennungsmotor, wie wir in heute kennen, ist schwierig zu schlagen. Gemäss dem US Departement für Energie ist Wasserstoff 4 mal teurer als Benzin und die Herstellung der Brennstoffzelle ist 10 mal so teuer wie ein Benzinmotor. Es werden andere Anreize als nur die Kostenfrage nötig sein, um die Motorenhersteller dazu zu bringen, auf die umweltfreundlichen Brennstoffzellen umzustellen.

Die tiefsten Kosten pro kWh kommen aus dem Elektrizitätsnetz. Die Energie kann weit entfernt erzeugt werden. Die Kosten für den Transport und den Unterhalt sind verhältnismässig tief. Alle Preisangaben basieren auf heutige Schätzungen und Annahmen.