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Dr. Björn O. Peters, Physiker und Finanzanalyst

Speicher – die Lösung der Energiewende?

Auf meine beiden Artikel zur Energiepolitik im 21. Jahrhundert und besonders zum Zustand der Energiewende habe ich einige Zuschriften bekommen. Einige von ihnen hatten den Tenor, dass man mit Speichertechnologien doch der Energiewende zum Durchbruch verhelfen könne und dass viele Speichertechnologien kurz vor der technischen und wirtschaftlichen Marktreife stünden. Ich sehe das nicht so, und ich beobachte, dass es viele Missverständnisse in Bezug auf Energiespeicher auch bei Menschen gibt, die sich beruflich damit beschäftigen. Lassen Sie mich ein paar der Missverständnisse ausräumen und dann anhand der wichtigsten Anwendungsfelder von Stromspeichern erläutern, warum wir meines Erachtens fast überall noch mehrere Jahrzehnte von ihrem großtechnischen Einsatz entfernt sind – wenn dieser denn jemals kommt.

Erstens: Stromspeicher produzieren nichts und verdienen per se kein Geld. Speicher optimieren ein Energieversorgungssystem an anderer Stelle. Ob die Optimierung durch Speicher bspw. zur Erhöhung der Versorgungssicherheit volkswirtschaftlich sinnvoll ist, hängt davon ab, ob die nächstbesten Lösungen teurer sind oder nicht. So waren die Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland jahrzehntelang Gelddruckmaschinen für die Energieversorger, weil die Bereitstellung von Spitzenlaststrom durch andere Kraftwerke noch teurer war.  Und die Preisunterschiede beim Strom zwischen Nacht und Mittagsspitze waren so groß, dass mit der Differenz gute Gewinne erwirtschaftet werden konnten. (Pumpspeicherkraftwerke pumpen mit "überschüssigem" Strom Wasser von einem Talsee hoch zu einem Bergsee. Wenn Strom benötigt wird, wird Wasser über Turbinen wieder heruntergelassen. Die Seen werden in der Regel künstlich angelegt. Dass Pumpspeicherkraftwerke heutzutage kein Geld mehr verdienen können, werden wir weiter unten noch diskutieren.)

Zweitens hängt die Wirtschaftlichkeit von Stromspeichern empfindlich vom Anspruch an sie ab. Um sich zu Hause in den Sommermonaten mithilfe einer Photovoltaikanlage und einem Speicher für einige Zeit vom Stromnetz abkoppeln zu können, reicht ein Speicher mit wenigen Kilowattstunden an Kapazität. PV-Anlage und Speicher kosten zusammen einen deutlich fünfstelligen Betrag, der sich derzeit noch nicht rechnet, dennoch aber von manchen innovativ gesinnten Hausbesitzern ausgegeben wird. Würde man sich aber das ganze Jahr vom Stromnetz unabhängig machen wollen, benötigte man mehrere Tausend kWh an Speichern für einen Gegenwert einer Villa im Grünen. Die Kosten für Speicher schnellen also exponentiell in die Höhe, wenn man von 30% Selbstversorgung aus Wind- bzw. Solarkraftwerken auf vollständige Autarkie kommen möchte und überfordern uns wirtschaftlich und technisch. Dies gilt sowohl für einzelne Hausbesitzer als auch für die gesamte Volkswirtschaft.

Daraus folgt übrigens unmittelbar, dass es keinen profitablen Pfad zu einer Vollversorgung Deutschlands mit speicherüberbrückten Wind- und Solarkraftwerken geben wird. Solange thermische Kraftwerke benötigt werden, um sonnen- und windarme Zeiten zu überbrücken, wird es sich vorbehaltlich massiver staatlicher Eingriffe nicht rechnen, zusätzliche Speicher zu bauen, die um die gleichen Produktionsstunden konkurrieren.

Drittens kommt es bei Stromspeichern stark auf ihren Wirkungsgrad an. Da man Strom in nennenswerten Mengen nicht direkt speichern kann, muss man die elektrische Energie in Lageenergie (wie beim Pumpspeicherkraftwerk) oder chemische Energie (Batterien und Gase) umwandeln und bei Bedarf wieder zurück in elektrische Energie. Dies gelingt nie vollständig, sondern bei jeder Umwandlung von Energie in eine andere Form fallen Verluste an – mal mehr, mal weniger. Am Ende zählt der Gesamtwirkungsgrad, also wie viele Kilowattstunden am Ende herauskommen pro eingesetzter Kilowattstunde an Energie. Zuvor sind Verluste aus Umwandlung einer Energieform in die andere, ggf. Verdichtung und Kühlung, Transport und Lagerung abzuziehen. Bei guten Batterien und modernen Pumpspeicherkraftwerken liegt man im Gesamtwirkungsgrad bei über 80 Prozent, ein guter Wert. Bei allen mir bekannten Power-to-Gas-Technologien (P2G, d.i. die Umwandlung von elektrischer in chemisch gebundene Energie) liegt der Gesamtwirkungsgrad für die Wiederverstromung aber bei 10-20 Prozent je nach Technologie, wenn man ehrlich rechnet. Dies zeigt die enorme Herausforderung, vor denen die Ingenieure stehen, um P2G-Technologien für die Stromwirtschaft nutzbar zu machen.

Viertens sind vor einer technischen und wirtschaftlichen Planung eines Speichereinsatzes viele Daten zu den wahrscheinlichen Einsatzbedingungen zu erheben. Manche dieser Daten werden schwer verfügbar sein. Wenn Stromspeicher aber elektrische Energie so puffern sollen, dass sie immer ausreichend zur Verfügung steht, sollte ein genaues Verständnis des Lastverhaltens und des wetterbedingten Produktionsprofils von Wind- und Solarkraftwerken bereitstehen, bevor investiert und gebaut wird. Die raum-zeitlichen Eigenschaften der Witterung auf einer Zeitskala von Tagen bis Monaten und für kontinentale Gebiete wurden aber bislang noch nie systematisch untersucht, obwohl dies für die Planung der Energiewende mit Wind, Sonne und Speichern notwendig gewesen wäre. Solche Analysen werden in der Meteorologie jetzt erst begonnen, von einem hinreichenden theoretischen Verständnis der Wirtschaftlichkeit von Stromspeichern sind wir aber noch weit entfernt. Dies gilt sowohl für die volkswirtschaftliche Betrachtung ganzer Energienetze als auch für einzelne Insellösungen wie einsam gelegene Hotelanlagen.

Als gescheitert darf man beispielsweise ein Experiment auf der kanarischen Insel El Hierro betrachten.  Dort wurden bis Frühjahr 2015 Wind-, Solar- und Speicherkraftwerke errichtet, um sich von der Stromproduktion aus Dieselaggregaten komplett unabhängig zu machen und die gesamte Insel mit Strom zu versorgen. Dies gelang nicht einmal ansatzweise, nach einem Jahr stammten zwei Drittel des Stroms aus Diesel und er kostete durchschnittlich mehr als einen Euro je Kilowattstunde. Der Hauptgrund für dieses grandiose Scheitern ist, dass es auch auf den Kanaren lange windarme und bewölkte Perioden gab, die in der Planung nicht berücksichtigt wurden.

Wenn man heute über den Einsatz von Stromspeichern nachdenkt, sollten diese vier Missverständnisse berücksichtigt werden. Was bedeutet das nun für die sechs typischen Anwendungsfälle von Speichern?

Der Einsatz von Speichern in mobilen Kleingeräten vom Mobiltelefon bis zum Roboter-Rasenmäher ist technisch gut verstanden, weniger kostenkritisch und soll daher hier nicht weiter betrachtet werden. Ein neuer Anwendungsfall für Speicher ist die dezentrale Stromnetzstabilisierung mit Batteriespeichern. Dies ist ein Anwendungsfall, den es vor wenigen Jahren noch nicht gab, was ein wenig erläuterungsbedürftig ist. Um ein Stromnetz stabil zu betreiben, muss neben der Spannung auch Frequenz und Phase kontrolliert werden. Die Elektrotechniker sprechen von bereitzustellendem "Blindstrom". Weil Generatoren von Großkraftwerken große rotierende Massen haben, können kleine Instabilitäten in Phase und Frequenz durch die Trägheit der rotierenden Massen ausgeglichen werden, ein Stromnetz mit Großkraftwerken ist also in Teilen selbstregulierend. Erst die Abschaltung von Großkraftwerken zu Gunsten von kleinen, dezentralen Stromerzeugungskapazitäten hat es erforderlich gemacht, an vielen Stellen das Stromnetz auf zu stabilisieren. Beispielsweise wurde das stillgelegte Kernkraftwerk Biblis zu einer großen Schwungmasse umgebaut. Daneben gibt es viele Projekte, um dezentral Blindstrom über Batteriesysteme bereitzustellen. Ökonomisch wäre es angezeigt, die Verursacher der Netzinstabilitäten, also die Eigentümer von Wind- und Solaranlagen, an diesen Kosten angemessen zu beteiligen, statt sie über Netzentgelte zu sozialisieren.

Der kurzfristige Lastausgleich über 2-8 Stunden mit Pumpspeichern ist aktuell die einzige im Markt etablierte, großtechnische Speichertechnologie. Pumpspeicher liefern im Gigawatt-Bereich mit Reaktionszeiten von teilweise unterhalb einer Sekunde und Wirkungsgraden von 80 bis fast 90 Prozent die mit Abstand größten Mengen an Speicherenergie. Wirtschaftlich funktionieren sie aber zunehmend schlechter, da für die Abdeckung der Mittagsspitzen im Stromverbrauch fast jeden Tag ausreichende Mengen an Solarenergie zur Verfügung stehen. Dadurch haben sich die Stundenpreise an der Strombörse zwischen Tag und Nacht angeglichen. Pumpspeicherkraftwerke, die von dieser Preisdifferenz lange gut lebten, können daher ihre Betriebskosten kaum noch decken und Neubauprojekte kommen nur schleppend voran.

Der langfristige Lastausgleich von nur temporär verfügbaren Wind- und Solarkraftwerken erfordert im Szenario einer ausschließlich regenerativ erzeugten Stromversorgung nach meinen Berechnungen alleine in Deutschland Speicherkapazitäten von mindestens 80.000 GWh, also mehr als das Tausendfache der heute installierten Speicherkapazität von ca. 45 GWh. Diese enormen Speicherkapazitäten müssten zudem über mehrere Wochen sowohl negative als auch positive Leistung anbieten können. Dies dürfte sich erst realisieren lassen, wenn Speicher um mehr als 98% preisgünstiger geworden sind als heutige Technologien und deren Wirkungsgrade auf deutlich über 80 % angehoben wurden. Hierfür stehen keine Technologien am Horizont. Die wirtschaftlichsten mir bekannten Forschungsprojekte für großtechnische Speicher werden die Kosten heutiger Pumpspeicherkraftwerke (ca. 150 EUR/kWh) höchstens um die Hälfte unterbieten können, auch perspektivisch in den nächsten Jahrzehnten.

Ein Anwendungsfall, auf dem viele Hoffnungen ruhen, ist die Produktion von Massenchemikalien mithilfe des temporär zur Verfügung stehenden Wind- und Solarstroms (P2G). In der Diskussion ist die Produktion von Wasserstoff, Methan, Methanol und ggf. anderer Kohlenwasserstoffe. Deren Nutzung wird entweder zur Befeuerung von thermischen Kraftwerken, also direkt für die Wiederverstromung, für chemische Prozesse oder für die Elektromobilität erhofft. Tatsächlich liegen die Gesamtwirkungsgrade aller P2G-Wiederverstromungs-Technologien bei 10-20 Prozent, würden also im Verhältnis zur Direktnutzung die 5-10fache Kapazität an Wind- oder Solarkraftwerken erfordern. Die Nutzung der so erzeugten Massenchemikalien als Treibstoff, Heizbrennstoff oder als Ausgangsmaterial in der chemischen Produktion wird daher von vielen Marktbeobachtern als zweckmäßiger angesehen, das hülfe der Stromwirtschaft aber nicht bei der Deckung temporärer Versorgungslücken. Die Herausforderung hierbei ist nicht die unzureichende Speicherkapazität – das heutige Erdgasnetz kann Gas für mehrere Monate speichern – sondern Flächenverbrauch und die enormen Kosten, die eine solche Stromversorgung volkswirtschaftlich unsinnig machen.

Damit sind wir beim letzten wichtigen Anwendungsfall angelangt, der Elektromobilität. Die Speichertechnologien hierfür werden allerdings von vielen potentiellen Käufern noch als unausgereift beurteilt. Insbesondere haben die verbauten Batterien eine Energiedichte, die um einen Faktor von 100 unter der von Kraftstoffen liegt. Die Nachfrage nach Elektroautos ist daher viel geringer als sich die Politik derzeit erhofft, und für den Schwerlast- und Luftverkehr bieten derzeitige Stromspeichertechnologien noch keine praktikablen Lösungen.  Die Elektromobilität ist aber so wichtig, dass wir ihr den nächsten Artikel in unserer Serie widmen werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für den großtechnischen Einsatz von Stromspeichern die heute verfügbaren Technologien um einen Faktor 100-1000 von den wirtschaftlichen und technischen Notwendigkeiten entfernt sind. Neue Forschungsansätze mag es geben und sie sollten auch verfolgt werden.  Sie dürften die großen Lücken bei der Energiedichte, den Wirkungsgraden und Kosten aber erst in Jahrzehnten schließen können. Ich halte es für den wichtigsten Denkfehler der Energiewende zu glauben, dass Stromspeicher vor der Jahrhundertmitte eine wesentliche Lösung bei ihrer Umsetzung spielen könnten. Was wir meiner Meinung nach benötigen, ist ein grundsätzlicher Neustart in der Energiepolitik, der geeignet ist, bis zum Ende des Jahrhunderts den Ausstieg aus fossilen Rohstoffen zu bewältigen. Die Aufgabe wäre, "echte" Alternativen zu den fossilen Rohstoffen zu entwickeln. Vielleicht ergibt sich nach der nächsten Bundestagswahl dazu eine Chance.

05. September 2016

 
 

Dr. Björn Peters

Dr. Björn Peters ist Analyst und beschäftigt sich seit vielen Jahren mit dem Thema "Energiewende" unter wissenschaftlichen als auch wirtschaftlichen Gesichtspunkten