Großtechnische Stromspeicherung, das ungelöste Problem

Früher kannte man den Begriff „Volatilität“ hauptsächlich von den Aktienkursen an der Börse, der dort das teilweise schlecht planbare „Rauf und Runter“ der Kurse mit einem klug klingenden Fremdwort versah. Inzwischen wird der Begriff auch zunehmend in der Energieversorgung gebräuchlich: mit Blick auf den schwankenden Beitrag von Wind und Solar (W+S) zur Stromversorgung.

Nun besteht aber das Ziel, mit Zubau von Wind- und Solaranlagen möglichst bald Kern-, Kohle- und Erdgaskraftwerke unnötig zu machen. – Was bedeutet dann aber die Volatilität?

Technisch kann man das natürlich so regeln: Bei „Dunkelflaute“, wenn also nur wenig Strom verfügbar ist, werden Stromverbraucher gestaffelt abgeschaltet, z.B. machen Fabriken wetterabhängig einige Tage oder Wochen Pause und Wäschewaschen und Fahrten mit E-Auto oder Bahn werden verschoben. Wenn man das aus gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Gründen nicht so regeln will, muss man für Ersatz-Stromquellen sorgen.

Da man dafür nicht Kern-, Kohle- und Erdgaskraftwerke einsetzen will, wird folgende Lösung angestrebt: Es werden erheblich mehr Wind- und Solaranlagen gebaut, als für den maximalen Stromverbrauch benötigt. Der bei schwächerem Verbrauch überschüssige Strom wird in irgendeiner Form gespeichert und in Dunkelflauten wieder in Wechselstrom zurückverwandelt. Für die Speicherung kommen vor allem drei Möglichkeiten in Betracht:

a) Pumpspeicherwerke

b)  Speicherung in Akkumulatoren/Batterien

c)  Herstellung von Wasserstoff in Elektrolyseuren, Speicherung des Wasserstoffs, bei Bedarf Rückverwandlung in Strom über Brennstoffzellen oder Gasturbinen

Die Speichersituation

Für die Stromversorgung im öffentlichen Netz hängt die Speicherkapazität bisher praktisch vollständig an Pumpspeicherwerken, für Batteriespeicher gibt es ein paar Versuchsanlagen, alles zusammen mit einer Speicherkapazität von weniger als 40 Millionen kWh (= 40 GWh) [1], [2]. Da im deutschen Netz Leistungen zwischen 40 und 80 GW benötigt werden, heißt dies: Rein rechnerisch würde der Spei- cherinhalt günstigstenfalls für eine Stunde reichen, wenn alle Energie aus den Speichern kommen müsste. Aber Dunkelflauten können durchaus 300 h und mehr andauern. (Detaillierte Darstellung in [3])

Bisher war das kein Problem: Aufgabe der „auf Knopfdruck innerhalb Sekunden“ liefernden Pumpspeicher war es, bei Ausfall größerer Kraftwerksblöcke die Lücke zu überbrücken, bis andere Kraftwerke hochgefahren sind. Dafür reichten die Pumpspeicher durchaus.

Wenn aber in einer Dunkelflaute Wind und Sonne – trotz einer gegenwärtig installierten Spitzenleistung von insgesamt 130 GW – großflächig kaum Strom liefern (nur etwa 5 % der Spitzenleistung), hilft es wenig, weitere Wind- und Solaranlagen zuzuschalten, die vom selben Problem betroffen sind. Wollte man diese Lücke mit Speichern abdecken, wäre man schnell bei einer benötigten Speicherkapazität von 10.000 GWh und mehr. Vorhanden sind weniger als 40 GWh.

Bei Pumpspeichern ist die Erhöhung der Kapazität in Deutschland nur begrenzt möglich. Selbst wenn alle mal angedachten Projekte einschließlich der zurückgestellten oder eingestellten realisiert würden, käme es nur zu etwas mehr als einer Verdopplung [2]. Die für Pumpspeicher günstigen Lagen (Berge mit Tälern für Talsperren) sind eben nur in Teilen Deutschlands vorhanden und stehen oft unter Naturschutz.

Bei Batteriespeichern (Li-Ionentechnik) lägen die Kosten für eine solche Kapazität nach heutigem Stand im Bereich von mehreren 1000 Milliarden Euro – wobei die Verfügbarkeit der entsprechend benötigten Rohstoffe und Produktionskapazitäten noch ungeklärt ist [4].

Im Wohnbereich kann zwar die Kombination von Solaranlage mit Batteriespeicher sinnvoll sein, da der Stromverbrauch einfacher an das Angebot angepasst werden kann. Aber in Industrie und anderen Verbrauchsbereichen ist das mit der Flexibilität des Verbrauchs wesentlich schwieriger.

Ebenfalls länger ist der Weg zur größeren Speicherkapazität über Wasserstoff mit der noch notwendigen Weiterentwicklung von Elektrolyseuren und dem Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur, zumal auf diesem Weg auch die Prozessverluste bei den Umwandlungen eine verstärkte Rolle spielen. Bei der Entwicklung insbesondere eines LKW-Fernverkehrs könnte Wasserstoff durchaus vielversprechend sein, aber auch hier ist der Weg von (subventionierten) Pilotprojekten bis zu einer breiten Anwendung noch weit.

Insgesamt ist somit nicht absehbar, dass das Problem der Volatilität, insbesondere mit Blick auf Dunkelflauten, in der öffentlichen Elektrizitätsversorgung durch den Aufbau von Speichermöglichkeiten in wirtschaftlich tragfähiger Weise in den nächsten 10-15 Jahren gelöst werden könnte.

Claudia Kemfert, Leiterin der Abteilung Energie, Verkehr und Umwelt am Deutschen Institut für Wirt- schaftsforschung (DIW), ist zwar kürzlich zur Behauptung gekommen, „Speichermöglichkeiten gebe es noch und nöcher“. Nachvollziehbar ist diese Behauptung mit Blick auf die tatsächliche Situation jedoch nicht. 2018 wurde von Kemfert/DIW zwar etwas mit der Überschrift veröffentlicht „Die Energiewende wird nicht an Stromspeichern scheitern“ [5], wie bei ihr üblich mit vielen Quellenangaben zu von ihr beworbenen Rechenmodellen und zu Studien, die sie bestätigen würden. Aber bei zwei sehr entscheidenden, im Text etwas versteckten Annahmen für ihre Berechnungen, nämlich

• dem großräumigen Stromtransport zum Ausgleich verschiedener regionaler Last- und Erzeugungsprofile (S.5) und
• einer Wasserstoff-Elektrolysekapazität von 50 GW mit 2000 Vollaststunden (S.8),

gibt es keinerlei Quellenangabe und Information, durch wen und bis wann diese Annahmen Realität werden könnten. „Großräumig“ bei den Stromtrassen müsste nämlich „europaweit“ bedeuten – wer setzt denn solche Vorhaben durch und baut die Trassen, nachdem wir in 10 Jahren innerhalb Deutschlands nur einen Bruchteil der geplanten Trassen geschafft haben? Und zur Elektrolysekapazität kommt gemäß einem Bericht eine aktuelle Analyse der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (aca- tech) und der DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. zu dem Ergebnis, dass bis 2030 mit maximal 7,6 GW zu rechnen sei [6], weit weg von Kemferts 50 GW. Selbst stärkste Anhänger der Energiewende wie Agora oder das Ariadne-Projekt erwarten für 2030 Elektrolysekapazitäten in Deutschland im Bereich zwischen 6 und allenfalls 19 GW. Da hätte man doch gerne gewusst, wie Kempferts Annahme belegt ist, die das Speicherproblem gegenstandslos machen soll.

Denn: Wenn Kemferts Annahmen Realität wären oder würden, ist es auch ohne Rechenmodelle klar, dass dann kaum zusätzliche Pump- oder Batteriespeicher benötigt würden. – Wird hier mit „ungedeckten Checks“ gearbeitet?

Nicht umsonst hatten auch Strategen der Energiewende einen außerordentlichen Zubau von Gaskraftwerken – rund 50.000 MW auf insgesamt 70.000 MW – vorgesehen, um für die nächsten Jahre das Speicherproblem nach Abschaltung aller Kern- und Kohlekraftwerke zu umgehen. Dabei wird das Problem noch wachsen, da durch das vielfältige Ersetzen fossiler Energieträger durch elektrische Energie der jährliche Stromverbrauch sich eher verdreifachen als verdoppeln wird. Die Gaskraftwerke sollten bis ins nächste Jahrzehnt mit Erdgas gefeuert werden, anschließend (hoffentlich) mit Wasserstoff, der mit Strom aus Wind und Sonne hergestellt wird. – Nun ist das Konzept mit Erdgas-Kraftwerken aus geopolitischen Gründen obsolet geworden.

Wie geht es aber nun weiter?

Was soll jetzt an die Stelle der Gaskraftwerke treten? – Nach den Plänen des Bundeswirtschaftsministers sollen es reaktivierte Kohlekraftwerke richten, was mehrere 10 Millionen t pro Jahr an zusätzlichen CO2-Emissionen verursachen wird. – Ist das eigentlich mit der Klimaschutzentscheidung des Bundes- verfassungsgerichts vom 24.03 2021 vereinbar, die verstärkte Bemühungen um eine raschere Reduktion von CO₂-Emissionen nahelegte?

Die Begrenzung des zweiten Stresstests auf den kommenden Winter impliziert, dass ab kommenden Sommer das Problem erledigt sei. Aber wodurch? Wenn hier oft von einem beschleunigten Zubau von W+S gesprochen wird, der dann die Kohlekraftwerke ersetzen könnte, ist das – solange es keine adäquate Speicherung gibt, völlig unrealistisch. Denn fehlende Speicher werden den Ausbau von W + S behindern, s. vereinfachte Veranschaulichung im Anhang.

Das ungelöste Problem der Stromspeicherung für die Energiewende wird uns noch viel länger beschäftigen als bis zum nächsten Frühjahr.

Dabei hatte bereits 2014 Stephan Kohler, damals Chef der Deutschen Energie-Agentur und sicherlich keiner großen Nähe zur Kernenergie verdächtig, auf das Problem der fehlenden Systemintegration/Speicherung bei W + S hingewiesen [7]. Er kritisierte, dass in dem Eckpunktepapier für eine Reform des Erneuerbare-Energien-Gesetzes des damaligen Wirtschaftsministers Gabriel und seines Staatssekretärs Rainer Baake zwar der Ausbau von Wind- und Photovoltaik-Anlagen begünstigt, aber die Integration des W + S-Stroms in das Gesamtsystem nicht ausreichend beachtet werde. Dies werde absehbar den Ausbau von W + S behindern. Kohler zum Eckpunktepapier: „Paradoxer geht es nicht.“

Wie lange also müssen wir mit erhöhten CO₂-Emissionen aus Kohlekraftwerken rechnen? – 5 Jahre? 10 Jahre? 15 Jahre? – Nachvollziehbare Angaben dazu erhält man nicht.

Stattdessen Behauptungen gegen den Weiterbetrieb der einsetzbaren KKW zu konstruierten und vorzuschieben, mag von der Diskussion dieses Stromspeicherproblems ablenken, zur Lösung dieses Problems trägt es jedoch nicht bei.

Quellen

[1] Für eine schnelle Übersicht: Wikipedia. Liste von Pumpspeicherkraftwerken, https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Pumpspeicherkraftwerken

[2] Für eine detaillierte Darstellung: Stephan Heimerl und Beate Kohler, Aktueller Stand der Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland, WASSERWIRTSCHAFT 10/2017, S.77-79, https://www.fwt.fichtner.de/userfiles/fileadmin-fwt/Publikationen/WaWi_2017_10_Hei- merl_Kohler_PSKW.pdf

[3] Detaillierte Darstellung der Problematik in
Kai Kosowski, Frank Diercks, Quo vadis, Netzstabilität? Wachsende Herausforderungen bei sich veränderndem Erzeugungsportfolio, in Herbert Niederhausen, Hrsg., Generationenprojekt Energiewende: Elektroenergiepolitik im Spannungsfeld zwischen Vision und Mission, Books on Demand, 2022

[4] Wissenschaftliche Dienste des Bundestags, Großbatteriespeicher – Einzelfragen zur Lithium-Ionen- Batterietechnologie, WD 8 – 3000 – 002/19, 28. Januar 2019, https://www.bundestag.de/resource/blob/627424/74e15e4e6f393a030176b8cb29effc24/WD-8-002-19-pdf-data.pdf

[5] Wolf-Peter Schill, Alexander Zerrahn, Claudia Kemfert und Christian von Hirschhausen, Die Energiewende wird nicht an Stromspeichern scheitern, DIW Berlin, Nr. 11, 7. Juni 2018

[6] Thomas Siebel, H2-Bedarf in Deutschland wird Elektrolysekapazität übersteigen, SpringerProfessional, 2022, https://www.springerprofessional.de/wasserstoff/produktion—produktionstech- nik/h2-bedarf-in-deutschland-wird-elektrolysekapazitaet-uebersteigen/23349848

[7] Stephan Kohler, Paradoxer geht es nicht – Analyse des Eckpunktepapiers von Minister Gabriel zur Energiewende, Handelsblatt Nr. 20, 29.01.2014

Anhang

Stromversorgung innerhalb eines Tages – vereinfachende, schematische Darstellung zur Veranschauli- chung des Problems (https://www.agora-energiewende.de/service/agorameter/chart/power_genera- tion/13.06.2021/13.06.2021/today/)

Was zeigt das Diagramm?

• Mittags an einem sehr sonnigen Sonntag kam die Stromerzeugung „regenerativ“ (W+S, Laufwasser, Biomasse) dem aktuellen Verbrauch schon recht nah.
• Der Restbedarf wurde von Kohle, Gas, Kernenergie (KGK) gedeckt, die zusätzlich noch für Auffüllen der Pumpspeicher sowie Versorgung in Nachbarländern produzierten.
• Nach ca. 18 Uhr, mit abnehmender Erzeugung „regenerativ“, wurden KGK hochgefahren, zusätzlich auch Beitrag von Pumpspeichern, um den Verbrauch zu decken.Wie ändert sich das, wenn z.B. die Stromerzeugung aus Solaranlagen verdoppelt würde (angedeutet durch schwarze Kurve im Diagramm)?

• Es würden zusätzlich 300 GWh erzeugt, aber mittags läge die Erzeugung „regenerativ“ weit überdem Verbrauch.
• Vor 4 Uhr und nach 21 Uhr würde die Verdopplung von Solaranlagen nichts verändern.
• Zwischen 4 und 8 Uhr bzw. zwischen 17:30 und 21 Uhr hätten KGK rascher runter bzw. späterraufgefahren werden können.

Zwischen 8 Uhr und 17:30 würden 120 GWh über dem Verbrauch erzeugt.Was bedeutet das? Wenn man die 120 GWh speichern und nachts wieder abgeben könnte, wäre es – zumindest für einen sonnigen Sommertag – möglich, auf einen nennenswerten Teil der KGK-Kapazität zu verzichten.

Wenn aber diese Speicherung nicht verfügbar ist, läuft es darauf hinaus, dass

a)  KGK-Anlagen mittags ihre Leistung noch stärker reduzieren müssen (ganz abschalten geht nicht, da nachts der Bedarf bleibt), was aber vor allem bei etlichen Kohlekraftwerken an Grenzen stößt, oder

b)  Photovoltaik-Anlagen mittags abgeschaltet werden müssen („Abregelung“) oder

c)  der Strom im Ausland oft praktisch verschenkt werden muss, damit ihn dort jemand nimmt.

Ohne eine entsprechende Speicherkapazität führt somit bereits die hier angenommene Verdopplung der Solar-Kapazität zu Problemen, dabei ist bis 2035 rund eine Vervierfachung vorgesehen.

Für Windkraft kann eine ähnliche Betrachtung durchgeführt werden, die müsste sich jedoch über deutlich längere Zeiträume als einen Tag erstrecken, da die Schwankungen im Windangebot weniger durch einen Tagesrhythmus bestimmt sind.

Für die insgesamt zu betrachtende Kombination von Wind und Sonne mit ihrer unterschiedlichen Volatilität im jahreszeitlichen Verlauf einschließlich Phasen mit „Dunkelflauten“ wird die Darstellung noch um einiges komplexer, aber im Kern bleibt es bei dem Ergebnis:

Ohne eine wirtschaftlich vertretbare, in großem Umfang verfügbare Speicherkapazität in der Stromversorgung steht ein beschleunigter Ausbau von Wind- und Solaranlagen ziemlich bald vor erheblichen wirtschaftlichen und technischen Problemen.