Anforderungen an einen Speicher

Wind und Sonne sind unstete Stromquellen. Das Wetter bestimmt, wann und wie viel Strom sie liefern. Dadurch können sie auch mal für viele Tage am Stück ausfallen. Die Ausfälle sollen langfristig mit Hilfe von Stromspeichern überbrückt werden. Man warte nur noch, bis solche Stromspeicher auch verfügbar wären.

So einfach ist es aber leider nicht. Das hat auch die Branche längst erkannt, weshalb es inzwischen so ruhig um das Thema geworden ist. Tatsächlich werden auch Stromspeicher das Problem der Unstetigkeit nicht lösen, weil sie nämlich unbezahlbar bleiben, auch wenn sie noch viel billiger würden. Und genau das sehen wir uns hier an.

Will man die Kosten für Stromspeicher wenigstens annähernd abschätzen, müssen wir uns zuerst Gedanken darüber machen, welche Anforderungen an die Stromspeicher zu stellen sind, damit Wind und Sonne zu zuverlässigen Energiequellen werden könnten. Beginnen wir daher erst mal damit, die zwei unsteten Energiequellen genauer zu charakterisieren, um daran die Speicheranforderungen abzuleiten:

Verhalten von Wind und Sonnenschein

Wind und Sonnenschein unterscheiden sich in ihrem Vorkommen sehr stark. Sie ergänzen sich nicht, weil sie nicht voneinander abhängig sind. Trotzdem gibt gewisse Muster für ihr jeweiliges Vorkommen.

Bild 1: Stromeinspeisung der Photovoltaik an einem sonnigen, langen Sommertag gegenüber dem Lastverlauf, wenn die installierte Photovoltaik-Leistung den Lastverlauf weit überschreitet

So gibt es für den Sonnenschein ein grundlegendes festes Muster: er scheint  nur tagsüber und nachts nie. Im Winter scheint die Sonne nur kurz und zudem selten. So kann es vorkommen, dass es im Winter auch mal über Wochen gar keinen Sonnenschein gibt. Im Sommer strahlt die Sonne dagegen fast jeden Tag mehr oder minder irgendwo in Deutschland. Das bedeutet, dass die Photovoltaik in der warmen Jahreszeit durchaus in der Lage ist, über die Mittagszeit fast regelmäßig einen ordentlichen Beitrag (siehe Bild 1 am Beispiel für einen Sommertag) zu leisten dafür aber im Winter kaum verfügbar ist.

Für den Wind lassen sich kaum Regelmäßigkeiten in Deutschland fest machen. Von ihm weiß man zwar aus Erfahrung, dass er im Winter deutlich häufiger und intensiver vorkommt als im Sommer. Trotzdem kann er auch im Winter weitgehend aus bleiben. Sein Verhalten lässt sich nicht vorhersagen. Wir können bestenfalls ein paar Tage zuvor bestimmen, ob, wann und wie heftig der Wind bläst. Eine Vorhersage über längere Zeit im Voraus ist schlicht nicht möglich. Der Beitrag der Windkraftanlagen zur Stromerzeugung ist kaum berechenbar.

Betrachtet man beide Energiequellen zusammen, wissen wir, dass es insbesondere im Winter vorkommen kann, dass sogar über mehrere Wochen weder Wind weht noch die Sonne scheint und damit beide unsteten Stromquellen auch mal über längere Zeit komplett ausfallen können.

Aus diesen Erkenntnissen leiten sich zwei sehr unterschiedliche Anforderungen an einen Stromspeicher ab:

I. Zyklischer Tag-Nacht-Speicher für Sonnenstrom

Das zyklische Verhalten des Sonnenstroms ermöglicht eine sehr regelmäßige Speichernutzung: über die Mittagsstunden wird der Stromüberschuss in den Speicher geladen und in der Nacht durch Entladen des Speichers der fehlende Sonnenstrom ersetzt. Der Speicher wird dadurch im 12-Stunden-Rhytums ge- und wieder entladen. Seine Speicherkapazität orientiert sich daran, wie viel Strom über eine Nacht im schlimmsten Fall aus dem Speicher benötigt wird. Er müsste also nicht mehr als etwa die Hälfte des täglichen Strombedarfs speichern können (was jedoch auch schon gewaltig ist!). Der Speicher würde täglich einen Ladezyklus absolvieren, sofern die Sonne scheint, also jeden Tag einmal auf- und wieder entladen.

Bild 2: Speicherung des Stromüberschusses tagsüber, wenn die installierte Photovoltaik-Leistung den Lastverlauf weit überschreitet, und Entnahme des Stroms aus dem Speicher über Nacht

Der große Vorteil eines solchen Tag-Nacht-Speichers ist seine ziemlich regelmäßige Nutzung zumindest über den Sommerzeitraum. Der Speicher setzt sehr viele Ladungen im Jahr um, sodass sich seine Kosten auf viele Ladungen verteilen. Das senkt die Speicherkosten jeder einzelnen Ladung.

Versuchen wir eine Abschätzung der Speicherkosten für so eine Tag-Nacht-Speicher unter sehr optimistischen Annahmen. Drei Faktoren sind dabei wichtig: die Kosten des Speichers (in €/kWh), die Häufigkeit seiner Nutzung innerhalb seiner Lebensdauer (in vollen Ladezyklen) und die unter den gegebenen Bedingungen zu erwartende Lebensdauer dieses Speichers. Nehmen wir für alle drei Kriterien sehr günstige Werte an: einen Speicherpreis von nur 200€/kWh an Speicherkapazität, eine Lebensdauer von 15 Jahren für den Speicher und 150 volle Ladezyklen im Jahr. Dann sieht die Rechnung so aus:

Speicherkosten:

200 €/kWh / (125 Zyklen/a  * 15a) = 10,7ct/kWh

Eine Lebensdauer von 15 Jahren bei gleichzeitig 1875 Ladeyzklen erreichen bis heute nur sehr teuere Stromspeicher-Systeme. Solche kosten ein Vielfaches der hier angenommen 200€/kWh.

Warum nur 125 vollen Ladezyklen im Jahr? Das liegt vor allem daran, dass die Kapazität der Batteriespeicher nur zu einem Teil (etwa 50%) genutzt werden darf, um eine hohe Lebensdauer zu erreichen. Entsprechend wird in jeder Nacht auch nur ein halber Ladezyklus erreicht. Dazu muss der Speicher sowieso größer ausgelegt sein, als der durchschnittliche Strombedarf über Nacht ist, um eine Reserve zu haben. Schon alleine daher, weil die Länge der Nacht im Sommer geringer ist als im Frühjahr oder Herbst. Zuletzt scheint die Sonne im Winter kaum und auch nicht an allen der 250 wärmeren Tage.

Gäbe es dennoch 250 Sonnentage, an denen der Speicher im Durchschnitt zu 50% seiner Kapazität würde, wären das 125 volle Ladezyklen über das Jahr. Eine durchschnittlich 50%ige Kapazitätsausnutzung wäre aber viel zu optimistisch und würde einen extremen Leistungsüberhang der Photovoltaikleistung erfordern. Diese übertrieben optimistische Musterrechnung zeigt auf, dass die Speicherkosten selbst unter idealisierten Annahmen noch gut 10ct/kWh betragen würden. In der Realität liegen sie wohl eher bei einem Vielfachen davon.

Für die auf dem Markt bereits verfügbaren Solarbatterien werden Speicherkosten ab 20ct/kWh genannt, wobei auch hier idealisierte Bedingungen unterstellt werden. Die Speicherpreise beginnen erst bei etwa 1000€/kWh für Blei-Gel-Batterien (siehe eine Übersicht hier). Dabei muss berücksichtigt werden, dass unter den geforderten Nutzungsbedingungen die theoretisch möglichen Ladezyklen innerhalb der Lebensdauer der Batterien kaum realisierbar sind, sodass die Speicherkosten entsprechend höher ausfallen. Selbst wenn sich diese Speichersysteme im Preis halbieren (inklusive aller Wartungskosten!) und sie eine Lebensdauer von 20 Jahren erreichen, sieht die Rechnung in etwa so aus:

Speicherkosten: 500 €/kWh / (100 Zyklen/a  * 20a) = 25ct/kWh

Zuletzt darf nicht vergessen werden, dass Speichersysteme nicht verlustfrei arbeiten. Ihre Speicherverluste nehmen mit dem Alter der Akkus zu, was im allgemeinen nicht erwähnt wird. Dennoch können solche Speicher auf Batteriebasis zumindest für eine sehr regelmäßige, zyklische Tag-Nacht-Speicherung ein Ansatz sein. Auf absehbare Zeit sind sie aber noch zu teuer.

II. Großer Reservespeicher

Ganz anders fällt die Rechnung für große Reserve-Speicher aus, die ein Ausbleiben von Wind und Sonne auch über mehrere Wochen am Stück überbrücken könnten. Niemand weiß dabei genau, wie groß der Speicher dazu ausfallen müsste. Muss er für zwei, vier oder sogar sechs Wochen Strom speichern können? Selbst der größte Speicher könnte trotzdem nicht garantieren, dass er auch für den schlimmsten Fall groß genug wäre.

Das Problem liegt aber nicht nur in der schieren Größe des Speichers. Sondern auch darin, dass der größte Teil der riesigen Speicherkapazität nur selten benutzt würde. Bis in die Nähe seiner Kapazitätsgrenze würde der Speicher nur sehr selten beansprucht. Nur wenn der Wind- und Sonnenstrom wirklich mal länger aus blieben. Im Regelfall reicht ein Bruchteil des Speichers für die Überbrückung einer Stromlücke sodass der Speicher über das Jahr nur wenige volle Ladezyklen absolviert.

Das Problem: vor allem die selten verwendete „Speicherreserve“, die nur alle paar Monate oder gar nur alle paar Jahre einmal be- und wieder entladen würde, verursacht exorbitant hohe Speicherkosten. Kostet der Speicher beispielsweise 500€ je Kilowattstunde in der Anschaffung und würden 50% seiner Kapazität innerhalb seiner Lebenszeit nur 20 mal genutzt (oder 100 mal zu je 20% der Kapazität), verteilen sich die Anschaffungskosten dieses Speicheranteils auf lediglich 20 Ladungen. Für die abgegebene Kilowattstunde Strom ergäben sich daraus dann Speicherkosten von 25€/kWh. Das ist mehr als das 250-fache von dem, was für Windstrom aktuell bezahlt wird. Oder fast das 700fache von neu erzeugtem Strom aus Braunkohle.

Auch eine andere Rechnung verdeutlicht die Problematik: verteilen wir die gesamten Kosten für den Speicher auf den gesamten Stromverbrauch, zeigt sich, dass ein selten genutzter Speicher sehr teuer ist. Nehmen wir einen Speicher an, der so groß ist, dass er den Strombedarf über zwei Wochen aufnehmen kann. Kostet er wieder 500€/kWh (wie oben) und verteilen wir seine Anschaffungkosten auf den gesamten Stromverbrauch über 20 Jahre, verteuert der Speicher den gesamten Strom um gewaltige 96,2ct/kWh:

500 €/kWh * ( 2 Wochen / ( 52 Wochen/Jahr * 20 Jahre ) = 0,962 €/kWh

Solche Langzeitspeicher sind schlichtweg nicht finanzierbar. Ihr Bau wäre auch aus ökologischen Gründen nicht vertretbar, weil die Speicher über ihr Leben nur einen Bruchteil an Energie speichern, als ihr Bau vorher verschlingt.

III. Strom speichern in Form regenerativ erzeugter Brennstoffe

Will man Energie über längere Zeit speichern, geht das nur über die Form von künstlich erzeugten Energieträgern. So sind beispielsweise in einem Liter Diesel-Kraftstoff, der ohne Steuern keine 50 Cent kostet, fast genau 10 Kilowattstunden an Energie gespeichert. Ein Batteriespeicher für 10 Kilowattstunden ist auch in näherer Zukunft kaum für 2000 Euro zu haben. So gibt es längst Synthese-Verfahren, über die sich Strom chemisch in Form flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe speichern lässt. Am weitesten ist die Erzeugung von Methan mit Hilfe elektrischer Energie. Dieser Ansatz ist auch unter dem Begriff „Power-to-Gas“ bekannt.

Natürlich müssen auch hierfür die Anlagen für die Gas-Synthese finanziert werden. Da die Anlagen aber ständig laufen können, verteilen sich deren Kosten auf die Menge des erzeugten Gases. Diese Kosten fallen irgendwann auf das Niveau weniger Cent je gespeicherter Kilowattstunde. Das Problem ist hier ein Anderes: die Speicherung von Energie in chemischen Brennstoffen (=Synthese) ist mit hohen Verlusten behaftet wie auch der Verbrennungsprozess, der nötig ist, um wieder an die gespeicherte Energie zu gelangen. Für die Synthese werden Wirkungsgrade von 60% erhofft. Die Stromerzeugung aus Gas hat auch bestenfalls einen Wirkungsgrad von 60%. Im Endeffekt würde nur noch 36% des eingesetzten Stroms wieder zurück erhalten. Die Speicherverluste sind hier also entsprechend hoch. Dafür sind die Speicherkosten, die Synthese- und die anschließende Verbrennungsanlage, je zurück gewonnener Kilowattstunde Strom entsprechend niedrige. Die Fixkosten eines Gaskraftwerks liegen bei weniger als 2ct/kWh.

Würde der Synthese-Prozess 3ct für jede in Form von Methan gespeicherter Kilowattstunde kosten, so würde die Kostenrechnung für den aus dem Methan wieder zurück gewonnene Strom wie folgt aussehen:

1) Erzeugung von regenerativem Methan mit Hilfe von Strom:

Synthesekosten für die Erzeugung von regenerativem Methan mit Hilfe Stroms: 3ct/kWh

Für die Erzeugung von Methan mit dem Brennwert von 1khW bedarf es 1,67kWh an Windstrom, da der Prozess nur 60% Wirkungsgrad hat. Der Windstrom kostet 9,1ct/kWh. Kosten der Erzeugung von Methan mit 1kWh an Brennwert:

(1kWh / 60%) * 9,1ct/kWh + 3ct/kWh =18,2ct/kWh

2) Strom-Rückgewinnung aus regenerativem Methan:

Die Stromerzeugungskosten für ein Gaskraftwerk sind wie folgt: fixe Kraftwerkskosten von 2ct/kWh + Kosten für den Brennstoff Methan. Da das Kraftwerk wieder nur einen Wirkungsgrad von 60% hat, muss Methan mit dem Brennwert von 1kWh/60%=1,67kWh verbrannt werden, um 1kWh an Strom zu gewinnen. Das vorher regenerativ erzeugte Methan kostete 18,2ct/kWh (siehe oben). Damit kostet die Stromerzeugung im Gaskraftwerk mit regenerativ erzeugtem Methan:

1kWh /60% * 18,2ct/kWh + 2ct/kWh = 32,3ct/kWh

Insgesamt kostet der auf diese Weise regenerativ aus Wind erzeugte, in Methan gespeicherte und wieder im Gaskraftwerk zurückgewonnene Strom dann 32,3ct/kWh. Nachdem Strom aus Windkraft inklusive der Kosten für die Schattenkraftwerke (ca. 2,5ct/kWh) aber korrekt berechnet 9,1ct/kWh+2,5ct/kWh=11,6ct/kWh kostet, verbleiben Kosten von 20,6ct/kWh für die Speicherkosten inklusive der Speicherverluste. Aber auch hier haben wir die Prozesskosten für die Power-to-Gas-Technologie mit 3ct/kWh vermutlich viel zu niedrig angesetzt.

Ergebnis: Speichern von Strom ist verlustbehaftet und sehr teuer

Will man Strom speichern, geht immer ein Teil des eingesetzten Stroms verloren, (=Speicherverluste). Batteriespeicher besitzen zwar geringe Speicherverluste – die aber auch zwischen 10%-25% liegen! – kosten aber sehr viel, sodass sie sehr hohe Speicherkosten verursachen. Über den Umweg über chemische Speicherung in Form von Brennstoffen verursacht zwar weit höhere Speicherverluste (>60%), dafür sind die Speicherkosten entsprechend geringer.

Die zyklische Tag-Nacht-Speicherung von Strom mag irgendwann bezahlbar werden. Diese helfen aber nicht im Winter. Sonnen- und Windkraftanlagen werden also auch in Zukunft auf Schattenkraftwerke angewiesen bleiben. Deren Brennstoffe könnte vielleicht eines Tages regenerativ aus Wind- und Sonnenstrom erzeugt werden. Von den Kosten her ist aber auch dieser Ansatz erst mal auf absehbare Zeit nicht bezahlbar.

 

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