Energiewende – Stromspeicher

Strom ist ein sekundärer Energieträger, der in der Natur für den Menschen nachhaltig und in notwendigen Umfang verfügbar, nicht vorkommt. Bis zum Einläuten der Energiewende wurde der benötigte Strom nahezu ausschließlich in Kraftwerken erzeugt, deren Energiezufuhr kontinuierlich über die primären Energieträger Kohle, Erdöl, Gas und Kernkraft erfolgte. Hinzu kam der Strom aus Wasser- und Biomassekraftwerken, Kraftwerke, die heute zur Stütze der Energiewende zählen, weil sie klimaneutralen und grundlastfähigen Strom liefern. Aus verschiedenen Gründen ist diese Form der Stromerzeugung und deren weiterer Ausbau in Deutschland nur begrenzt möglich.

Die so wichtige planbare und kontinuierliche Stromerzeugung können Wind- und Solarkraftwerke nicht leisten. Wind- und Solarkraft können nur dann in Strom gewandelt werden, wenn der Wind weht und/oder die Sonne auf Solarmodule scheint. Das ist vielleicht eine Binse, hat für die Stromerzeugung mittels der erneuerbaren Energieträger Wind- und Solarkraft jedoch erhebliche Konsequenzen. In einem nachfrageorientierten Stromversorgungssystem muss Strom immer genau dann zur Verfügung stehen, d. h. erzeugt werden, wenn er benötigt wird. Strom ist ein Gleichzeitigkeitsgeschäft. Strom wartet nicht auf seine Abnahme. Es liegt in der Natur der Sache, dass Stromerzeugung mittels Windkraftwerken und Fotovoltaikanlagen volatil, d. h. schwankend und unplanbar ist.

Volatile, schwankende Stromerzeugung in Deutschland 2020 mittels Wind- und Solarkraft. Quelle: www.energy-charts.de

Dass es bei dieser Form der Stromherstellung zu einer Übereinstimmung von Stromerzeugung und Strombedarf kommt, ist unwahrscheinlich. Zumal die Sonne im Schnitt nur 12 Stunden pro Tag scheint, und dies auch noch unterschiedlich stark. Wind hingegen weht rund um die Uhr. Oder eben auch nicht. Mal sehr stark, mal ziemlich schwach. Auf jeden Fall weht Wind nicht kontinuierlich. Deshalb ist der Satz von Prof. Schmidt-Böcking, der Mann, der mit RWE und seinem Kollegen Dr. Gerhard Luther das Hambacher Loch zu einem riesigen Stromspeicher ausbauen will, richtig:

„Ohne Stromspeicher gibt es keine Energiewende“

Der Plan: überschüssiger Strom, der mittels erneuerbarer Energieträger hergestellt wurde, wird gespeichert. Dann, wenn aktuell nicht genügend erneuerbar erzeugter Strom vorhanden ist, wird der gespeicherte Strom abgerufen und gleicht das Defizit aus. Die Idee ist so gut, wie einfach. Damit wäre Kontinuität in der nachfrageorientierten Stromversorgung mittels erneuerbarer Energieträger denkbar. Der Teufel steckt allerdings im Detail.

Der fertig gestellte Speicher im Hambacher Loch (Das Funktionsprinzip des Wasserspeichers Hambacher Loch – hier in einer anschaulichen FAZ-Darstellung) könnte z.B. 24 Stunden jeweils 11,25 GW Strom (0,27 TWh in der ersten Ausbaustufe) zur Verfügung stellen.

Dann allerdings muss er wieder mit überschüssigem Strom aus erneuerbaren Quellen „aufgeladen“ werden. Das dauert etwa 4 Tage. Wenn der Strom denn vorhanden ist und nicht anderweitig benötigt wird, also tatsächlich überschüssig ist.

Phasen mit wenig Strom aus erneuerbaren Energieträgern dauern oft länger als einen Tag. Selbstverständlich könnten die zur Verfügung stehenden 0,27 TWh über einen längeren Zeitraum mit weniger Strom pro Stunde verteilt werden.

Ein konkretes Beispiel verdeutlicht das Dilemma. Angenommen bis zu Fertigstellung des Großspeichers in einigen Jahren wäre auch der Ausbau der Windkraftwerke und Fotovoltaikanlagen in Deutschland so weit fortgeschritten, dass sie die doppelte Menge Strom bezogen auf die Gegenwart erzeugen. Der Strombedarf entspricht dem des bisherigen Jahres 2020 Stichtag 1.8.2020. Es ergäbe sich für den folgendes Bild für den Sommer:

Ausschnitt 12.6. bis 1.8.2020 angenommene Verdoppelung der installierten Leistung. Quelle der Werte: www.energy-charts.de

Der in diesem Zeitraum erzeugte überschüssige Strom (Graue Linie) reicht rein rechnerisch bereits nicht aus, um den zusätzlich benötigten Strom (braune Linie) zu erzeugen. Doch auch wenn der Strom vorhanden wäre: Wo soll er gespeichert werden? Im Hambacher Loch? Angesichts der täglich benötigten Strommengen ist selbst solch ein gigantischer Speicher mit seinen 0,27 TWh pro Tag an einem Tag nur ein Tropfen auf den heißen Stein. Ein ähnliches Bild ergibt sich, wenn man einen Winterzeitraum betrachtet.

Ausschnitt 12.6. bis 1.8.2020 angenommene Verdoppelung der installierten Leistung. Quelle der Werte: www.energy-charts.de

Auch da ist die zusätzlich benötigte Strommenge im Schnitt größer als der erzeugte überschüssige Strom. Allerdings fällt der Unterschied nicht so eklatant aus, wie im Sommer. Grund ist die starke Windstromerzeugung im Winter, die in den Sommermonaten durch Strom aus Fotovoltaikanlagen selbst an kräftigen Sonnentagen nicht annähernd ersetzt werden kann. Es gibt praktisch jedes Jahr ein bis zwei längere Zeiträume, in denen die Stromerzeugung mittels erneuerbarer Energieträger schwach ist. Hinzu kommt, dass die Darstellungen oben sich immer auf einen kompletten Tag beziehen. Ausreichender Strom pro Tag im Durchschnitt bedeutet noch lange nicht, dass dieser auch jede Stunde, Minute, Sekunde ausreicht. Allein die Verteilung des Stroms aus Fotovoltaikanlagen auf die 24 Stunden eines Tages verfälscht das Bild. Andererseits würde eine zu detaillierte Übersicht den Rahmen sprengen. Doch eines ist gewiss. Wenn der Strom für den Tag nicht reicht, reicht er auch für kleinere Zeiteinheiten nicht.

Unter den aktuell gegebenen Bedingungen des sehr schleppenden Zubaus neuer Windkraftwerke und des zukünftigen Wegfalls vieler tausend Alt-Anlagen, die in den nächsten Jahren aus der Förderung herausfallen, und damit unrentabel werden, ist die Wahrscheinlichkeit einer Verdoppelung der installierten Leistung Wind- und Sonnenkraft z. B. bis 2040 gering. Doch auch wenn die Verdoppelung gelänge, ist z. B. eine Wasserstoffwirtschaft mit dem Ziel den überschüssigen, regenerativ erzeugten Strom in Form von Wasserstoff zu speichern, nicht ausreichend. Von den knapp 28 TWh im Zeitraum vom 1.1.bis 1.8.2020 überschüssig erzeugten Strom würden bei der Umwandlung ´Strom zu Wasserstoff zu Strom` nur etwa 7 TWh übrigbleiben. Trotz Verdoppelung fehlten im Zeitraum von 7 Monaten insgesamt gut 39 TWh Strom.  Blieben immer noch 32 TWh Differenz.

Erste eine Verdreifachung der installierten Leistung Wind- und Solarkraft würde das Problem zumindest mengenmäßig lösen.

Ausschnitt 1.1. bis 29.2.2020 angenommene Verdreifachung der installierten Leistung. Quelle der Werte: www.energy-charts.de

Ob der Bürger das allerdings mittragen würde, ist zumindest zweifelhaft. Nicht nur die Landschaft würde weiter mit Windkraftanlagen übersät, auch die Kosten würden massiv steigen. Für die industrielle Erzeugung von Wasserstoff im Elektrolyseverfahren wird kontinuierlich fließender Strom benötigt. Trotz einer stark ausgebauten Wasserstoffwirtschaft, die gleichwohl nur regelmäßig anfallenden Stromüberschuss verarbeiten kann, käme es immer wieder zu erheblichen Stromüberschüssen in der Spitze, die – wie ab und zu bereits heute –  sehr günstig verkauft, verschenkt oder sogar mit Bonus abgegeben werden müssen.

Die horizontale graue Linie ist die 0 €/MWh-Grenze. Weiße Felder zwischen der blau-grauen Fläche und der lilanen Bedarfslinie (Stromverbrauch) signalisieren Stromimporte. Quellen: www.agora-energiewende.de und https://www.netztransparenz.de/EEG/Marktpraemie/EEG-negative-Preise

Ob das oben beschriebene Vorgehen Vorbildcharakter für andere Länder hat, darf bezweifelt werden. Neben fossilen Brennstoffen spielt dort die Kernkraft eine wesentlich größere Rolle. Deren Nutzung ist sicher, praktisch CO2-frei und macht eine umfassende Speicherwirtschaft unnötig.

Zum Schluss noch ein Wort zu Lithium-Ionen-Speichern und anderen Speicherkonzepten. Diese haben insgesamt nicht die Kapazitäten, um Deutschland durch eine mehrtägige Stromflaute (Beispiele oben) zu bringen. Denken Sie an den angedachten Riesenspeicher im Hambacher Loch. 0,27 TWh Strom könnte dieser zur Verfügung stellen. Das entspricht durchschnittlich etwa einem Fünftel des bundesdeutschen Strombedarfs pro Tag.

Diese Speicheranlagen dienen in erster Linie dazu, mittels der so genannten Regelenergie Schwankungen im Stromnetz auszugleichen. Ein großer Stromspeicher wurde beispielsweise von der STEAG in Essen gebaut (http://www.steag-grossbatterie-system.com/). Insgesamt errichtete die STEAG Speicher mit einer Kapazität von mehr als 120 MWh – mehr als alle anderen Anlagen mit gleicher Technologie zusammen. Mit dieser Speicherkapazität könnte man theoretisch 300.000 Haushalte eine Stunde lang versorgen. Bei über 41 Millionen Haushalten in Deutschland, die insgesamt noch nicht mal den Bedarf eines Viertels des bundesdeutschen Gesamtstrombedarfs netto haben, kann man sich ausrechnen, wie viele dieser Speicher nötig wären, um „einzuspringen“. Es wären 137 dieser Großspeicheranlagen nötig nur um die Haushalte in Deutschland eine Stunde mit Strom zu versorgen. Deutschland auch in einer Dunkelflaute mit ausreichend Energie zu beliefern, um die Gesamtversorgung Deutschlands aufrecht zu erhalten, das geht aktuell nur mittels riesiger Backupkraftwerk- und Brennstoffzellenparks, die mit fossilem Gas und/oder mit grünem Wasserstoff, in welchem der mittels Wind- und Solarkraft erzeugte Strom gespeichert ist, betrieben werden. Das allerdings ist teure, sehr teure Zukunftsmusik.