Die Umsetzung der Energiewende erfordert einen weiteren starken Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland. Jedoch werden in der energiepolitischen Debatte immer wieder Zweifel geäußert, ob eine weitgehend auf fluktuierender Wind- und Solarenergie basierende Energieversorgung möglich sei. So droht einer im Frühjahr viel diskutierten Analyse des früheren ifo-Chefs Hans-Werner Sinn zufolge der weitere Ausbau der Wind- und Solarenergie in Deutschland aufgrund fehlender Stromspeicher an eine Grenze zu stoßen. Wissenschaftler des DIW Berlin geben jetzt Entwarnung: „Die Energiewende wird nicht an Stromspeichern scheitern“.

Die DIW-Wissenschaftler Wolf-Peter Schill, Alexander Zerrahn, Claudia Kemfert und Christian von Hirschhausen zeigen in einem jetzt in der Reihe DIW Aktuell veröffentlichten Beitrag, dass der von Sinn ermittelte Speicherbedarf „aufgrund methodischer Schwächen“ weit höher liege als in anderen relevanten Studien. „Er kann um rund zwei Größenordnungen niedriger ausfallen, wenn eine moderate Abregelung erneuerbarer Stromerzeugungsspitzen erlaubt wird, wenn also nicht jede von Windkraft- und Solaranlagen erzeugbare Kilowattstunde eingespeichert werden muss“, heißt es in der DIW-Analyse. Zudem könnten neue flexible Stromnachfrager den Speicherbedarf noch deutlich weiter verringern. „Der Stromspeicherbedarf stellt somit kein Hindernis für den weiteren Fortgang der Energiewende dar.“

Hohe Anteile erneuerbarer Energien zu relativ geringen Systemkosten erreichbar

Bereits seit vielen Jahren beschäftigt sich die angewandte Energieforschung und -beratung mit Fragen der Markt- und Systemintegration fluktuierender erneuerbarer Energien. Dabei gilt es in der Wissenschaft mittlerweile als weitgehend unstrittig, dass sehr hohe Anteile erneuerbarer Energien nicht nur möglich, sondern auch zu relativ geringen Systemkosten zu erreichen sind, schreiben die DIW-Experten und verweisen unter anderem auf eine Arbeit des KIT-Wissenschaftlers Tom Brown, der jüngst seinerseits mit einer umfassenden Analyse auf Zweifler an der Machbarkeit einer Energiezukunft mit 100 Prozent erneuerbaren Energien eingegangen ist.

Zu diesen Zweiflern zählt auch Hans-Werner Sinn, der in seinen Beiträgen zum Thema zum Schluss kommt, dass der weitere Ausbau der Wind- und Solarenergie in Deutschland aufgrund eines übermäßigen Stromspeicherbedarfs demnächst an eine Grenze stößt.

DIW-Kritik an Sinn-Analyse: Fokus auf unrealistische Extremfälle, Gesamtkosten bleiben unberücksichtigt

Die DIW-Wissenschaftler halten fest, dass Sinn in seinen Analysen Extremfälle modelliert, bei denen Deutschland zudem weitgehend als „elektrische Insel“ ohne Interaktion mit dem Ausland betrachtet wird. Der Fokus werde auf zwei Szenarien gelegt, in denen entweder keinerlei Speicher verfügbar sind oder keinerlei Abregelung erneuerbarer Stromerzeugung erlaubt ist .

Extremfälle als Ausgangspunkt für Empfehlungen?

Die Kritik am Beitrag Sinns machen die DIW-Wissenschaftler an dessen Extremfallbetrachtung fest. Sinn betrachtet im Kern zwei Fälle:

► Unter der Annahme, dass in Deutschland überhaupt keine Stromspeicher zur Verfügung stünden (erster Extremfall), würde eine Vollversorgung aus Erneuerbaren demnach mit einer Abregelung von 61 Prozent der möglichen Stromerzeugung aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen einhergehen. Grund hierfür ist, dass das Zeitprofil der erneuerbaren Stromerzeugung schlecht mit dem der Stromnachfrage korreliert ist. So weist die Stromnachfrage beispielsweise ein regelmäßiges Tagesmuster auf und ist in den Abendstunden des Winterhalbjahrs besonders hoch, während die Stromerzeugung aus Photovoltaik in den Mittagsstunden des Sommerhalbjahrs ihr höchstes Potenzial hat. Auf dem Festland installierte Windkraftanlagen weisen im Vergleich deutlich unregelmäßigere Stromerzeugungsmöglichkeiten auf.

► Ganz ohne Abregelung erneuerbarer Stromerzeugung (zweiter Extremfall) könnte der gemeinsame Anteil von Wind- und Solarenergie hingegen ohne Speicher in Deutschland nicht über 30 Prozent steigen. Sollen größere Anteile fluktuierender erneuerbarer Energien vollständig „abregelungsfrei“ erreicht werden, wären stark zunehmende Speicherkapazitäten zur Aufnahme temporärer Stromüberschüsse erforderlich. Für den Extremfall einer erneuerbaren Vollversorgung, bei der alle Überschussstrommengen in Deutschland vollständig durch Stromspeicher integriert werden müssten, ergibt sich ein Speicherbedarf von 16,3 TWh – ungefähr das Vierhundertfache der heute in Deutschland installierten Pumpspeicherkapazität und weit mehr als das gesamte europaweite Ausbaupotenzial von Pumpspeichern, der bis heute weltweit am meisten genutzten großtechnischen Stromspeichertechnologie.

Auf Basis dieser Berechnungen zieht Sinn die Schlussfolgerung, dass andere Optionen als erneuerbare Energien zur Emissionsvermeidung im Energiesektor geprüft werden sollten. Genannt werden beispielsweise die CO2-Abscheidung und -speicherung, ein Festhalten an der Atomkraft und die – auch nach Jahrzehnten der Forschung noch immer im Stadium der Grundlagenforschung befindliche – Kernfusion.

Aus Sicht der DIW-Experten sind die Ergebnisse von Sinns Überlegungen nicht geeignet, derartige energiepolitische Schlussfolgerungen ziehen zu können, „da der Untersuchungsansatz methodische Schwächen aufweist“.

Erstens betrachte Sinn ausschließlich Randlösungen, so dass es entweder zu exzessiver Abregelung oder zu einem übermäßigen Speicherbedarf kommt. „Ökonomisch plausibler ist dagegen eine Kombination aus Speicherung und Abregelung“, stellen Schill und seine Kollegen am DIW fest.

Zweitens werde lediglich die Energiespeicherkapazität minimiert, ohne die Gesamtkosten des Systems zu betrachten. „Ein solcher Ansatz wird in der Regel nicht zu einer möglichst kostengünstigen und damit effizienten Stromversorgung führen“, gibt das DIW zu bedenken.

Drittens bleiben weitere Optionen für Flexibilität und damit verbundene andere Energiespeicherformen unberücksichtigt. Dazu gehören beispielsweise die flexible Nutzung von Strom im Wärmebereich (Power-to-Heat) oder die Erzeugung von Wasserstoff und ggf. dessen Transformation in gasförmige oder flüssige synthetische Energieträger (Power-to-X).

Speicherbedarf in anderen Studien wesentlich geringer

Im Vergleich mit anderen relevanten Studien zum Speicherbedarf für die Integration erneuerbarer Energien stellen Sinns Ergebnisse „eindeutig Ausreißer“ dar, stellt das DIW im Vergleich verschiedener Beiträge zum Thema fest. Sinns Ergebnisse liegen fast immer weit über den Befunden anderer Studien, oft im Bereich von zwei Größenordnungen.

Wie in der energiewirtschaftlichen Analyse üblich erlauben im Gegensatz zu Sinn alle anderen untersuchten Analysen, dass das Stromerzeugungspotenzial erneuerbarer Energien nicht in jeder Stunde vollständig ausgenutzt werden muss. Dies hat einen großen Einfluss auf den Speicherbedarf, da erneuerbare Stromüberschüsse ein extremes Zeitprofil haben: Sie treten nur in relativ wenigen Stunden des Jahres auf, aber dann teilweise mit sehr hohen Überschussleistungen. Sollen wachsenden Anteile dieser Überschussenergien mit Stromspeichern aufgenommen werden, erfordert dies sehr stark steigende Speicherkapazitäten.

Viele energiewirtschaftliche Studien berücksichtigen im Gegensatz zu Hans-Werner Sinn neben Stromspeichern auch weitere Optionen für die Bereitstellung von Flexibilität im Stromsektor. Dazu gehört insbesondere der großräumige Stromtransport zum Ausgleich verschiedener regionaler Last- und Erzeugungsprofile. Außerdem kann die Sektorkopplung zu einem besseren Ausgleich von erneuerbarem Stromangebot und Stromnachfrage führen, wenn beispielsweise Strom flexibel für Wärmeanwendungen, im Verkehrsbereich oder für die Produktion von Wasserstoff genutzt wird.

Abregelung erneuerbarer Energien senkt Speicherbedarf deutlich

Das DIW hat die Berechnungen Sinns repliziert und den Einfluss unterschiedlich starker Abregelungen erneuerbarer Energien auf den Speicherbedarf quantifiziert. Es zeigt sich, dass der Speicherbedarf schon bei geringen Abregelungsniveaus stark sinkt. So ließe sich beispielsweise ein Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien von 50 Prozent bei einer Abregelung von nur fünf Prozent der maximalen Stromerzeugung aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen mit einer Speicherkapazität von knapp 0,02 TWh erreichen – deutlich weniger als die derzeit installierte Pumpspeicherkapazität in Deutschland.

Abbildung: Wirkung der Abregelung auf Stromspeicherbedarf

Wirkung der Abregelung auf Stromspeicherbedarf
Quelle: A. Zerrahn, W.-P. Schill und C. Kemfert (2018): On the economics of electrical storage for variable renewable energy sources. arXiv preprint, https://arxiv.org/abs/1802.07885. Dargestellt sind die Ergebnisse einer energieorientierten Abregelungsstrategie. FEE steht für fluktuierende erneuerbare Energien.

Dagegen wäre bei einem Verzicht auf eine derartige Abregelung und vollständiger Integration der Überschüsse eine mehr als 200-mal so große Speicherkapazität von 2,1 TWh erforderlich. Die von Sinn errechneten Extremlösungen entsprechen dabei den Schnittpunkten der Kurven mit den Achsen: die vertikale Achse illustriert den Speicherbedarf bei vollständiger Aufnahme aller Überschüsse durch Stromspeicher, die horizontale Achse die Abregelung im Fall ohne jegliche Speicherung.

Kostenminimierung führt zu plausibleren Ergebnissen

Die beschriebene Methodik zielt auf eine reine Minimierung der erforderlichen Speicherkapazitäten ab. In energiewirtschaftlichen Modellanalysen wird der Speicherbedarf aber üblicherweise im Kontext einer Gesamtkostenminimierung bestimmt, merkt das DIW an. „Dies erlaubt es, sowohl die Kosten der Speicher selbst als auch die der erforderlichen Stromerzeugungsanlagen zu berücksichtigen.“

Am DIW Berlin wurde hierfür ein einfaches Kostenminimierungsmodell entwickelt, das den deutschen Stromsektor in stilisierter Weise abbildet. Entscheidungsvariablen des Modells sind für jeden vorgegebenen Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien unter anderem die nach Energie und Leistung differenzierten Speicherkapazitäten sowie die Abregelungsniveaus, die zu einem die Gesamtkosten minimierenden Stromsystem führen.

In diesem Analyserahmen haben Stromspeicher einen weiteren Systemnutzen: Einerseits vermindert die Integration der ansonsten abgeregelten Stromüberschüsse den Einsatz und damit auch die variablen Kosten anderer Kraftwerke (Arbitragewert); andererseits ermöglichen Speicher die Verschiebung erneuerbarer Energien in solche Stunden, in denen die Residuallast besonders hoch ist, so dass die von anderen Kraftwerken vorzuhaltende gesicherte Leistung verringert werden kann (Kapazitätswert). Daher ist der Speicherbedarf etwas größer als bei einer reinen Minimierung der Speicherkapazität, aber immer noch wesentlich geringer als von Sinn berechnet. Beispielsweise ergibt sich bei einem Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien von 50 Prozent eine kostenminimale Lösung bei einer Abregelung von 4,6 Prozent und einer Stromspeicherkapazität von 0,035 TWh – weniger als die heute bereits in Deutschland installierte Pumpspeicherkapazität.

Weitere Senkung des Speicherbedarfs durch P2X

In weiteren Modellrechnungen wurde der Effekt flexibler neuer Stromnachfrager illustriert. Die Politik strebt im Kontext der Energiewende eine verstärkte Kopplung des Stromsektors mit Endenergieverbräuchen im Wärme- und Mobilitätsbereich an. Dabei können weitere Flexibilitäten für den Stromsektor erschlossen werden, da sich beispielsweise Wärme oder synthetische strombasierte Energieträger (z.B. auf Wasserstoff basierendes synthetisches Erdgas oder synthetische Kraftstoffe) im Vergleich zu Elektrizität oft sehr günstig speichern lassen.

Um die Wirkung von P2X im Modellrahmen zu illustrieren, hat das DIW eine zusätzliche P2X-Jahresnachfrage in Höhe von 100 TWh hinzugefügt, die im Rahmen einer installierten Leistung von 50 GW flexibel erfüllt werden kann. Während diese allgemeine Parametrierung eine Vielzahl künftiger Sektorkopplungsoptionen umfasst, kann als greifbares Beispiel eine Wasserstoff-Elektrolysekapazität von 50 GW mit 2.000 Volllaststunden dienen. Dabei wird vereinfachend davon ausgegangen, dass der erzeugte Wasserstoff (oder daraus erzeugte synthetische Energieträger) in existierende Speicher- oder Gastransportinfrastrukturen eingespeist wird, so dass keine weiteren Speicherkosten anfallen.

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Eine derartige zusätzliche Power-to-X-Nachfrage, die annahmegemäß vollständig aus zusätzlichen erneuerbaren Energien gedeckt werden muss, induziert einerseits einen zusätzlichen Ausbau fluktuierender Windkraft- und Solaranlagen; andererseits kann sie aber „den Stromspeicherbedarf und die Abregelung erneuerbarer Energien deutlich verringern, da ansonsten gespeicherte oder abgeregelte Strommengen aufgenommen werden“, heben die DIW-Wissenschaftler hervor. Im Beispiel sinkt der Stromspeicherbedarf durch Einbezug von 100 TWh flexibler P2X-Nachfrage bei einem Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien von 50 Prozent von 0,035 TWh auf 0 TWh. Werden 80 Prozent fluktuierende Erneuerbare angepeilt, so sinkt der Stromspeicherbedarf von 0,461 TWh auf 0,242 TWh.

„Stromspeicher sind kein Engpass für die Energiewende“, fasst das DIW die Ergebnisse der Betrachtungen zusammen. Erheblich reduzieren lasse sich der Speicherbedarf insbesondere durch eine moderate temporäre Abregelung der Erzeugungsspitzen von Windkraft- und Solaranlagen. Zudem könnten durch eine künftig verstärkte Sektorkopplung neue flexible Verbraucher in Kombination mit nachgelagerten anderen Energiespeicherformen den Bedarf an Stromspeichern weiter senken. „Gleichwohl bleibt auch weiterhin die Förderung von Forschung und Entwicklung bei Speichertechnologien im Kontext der Energiewende sinnvoll, um weitere Kostensenkungspotenziale zu erschließen.“ Dies gelte auch für die aus klimapolitischer Sicht wichtige Sektorkopplung im Wärme- und Mobilitätsbereich.

Der Artikel der DIW-Wissenschaftler befindet sich derzeit im Reviewprozess bei einem internationalen Fachjournal. Ein Preprint ist bereits kostenlos abrufbar; A. Zerrahn, W.-P. Schill und C. Kemfert (2018): On the economics of electrical storage for variable renewable energy sources.

Klares Ergebnis: „Eine Zukunft mit 100 Prozent erneuerbarer Energie ist möglich“

2 KOMMENTARE

  1. Und wie überstehen wir eine längere Dunkelflaute wie im Januar vorigen Jahres, wenn wir keine Kraftwerke mehr haben, die einspringen können ? Dann brauchen wir eine gigantische Speicherkapazität, denn bei einer Dunkelflaute können wir uns nicht auf Importe verlassen (die ausländer brauchen dann ihre Strom selbst!)

    • Hallo Herr Behrenwaldt,
      vielen Dank für Ihre Anmerkung. In der Analyse des DIW geht es zunächst einmal “nur” um die “Stromspeicher”. Dass es einen Bedarf für Langzeitspeicher gibt, bestreitet das DIW nicht. Es gibt zur Adressierung dieser Frage unterschiedliche Ansätze. Das Problem der “Dunkelflaute” besteht, wird aber geringer, wenn sämtliche Flexibilitäten im System genutzt werden, also der Bedarf optimal auf das Angebot abgestimmt wird – das geht aber natürlich auch nicht komplett ohne zeitlichen Ausgleich. Einen möglichen Speicheransatz für den saisonalen Ausgleich bietet Power-to-Gas – heute ist die Technologie aber noch teuer.
      Zu bedenken ist zudem, dass es doch selten vorkommt, dass Wetterlagen kontinental gleichartig ausfallen (https://www.euwid-energie.de/am-wetter-scheitert-die-energiewende-nicht/).
      Es ist noch eine Reihe von Fragestellungen zu lösen, aber es gibt gerade eine sehr große Dynamik, die sich mit den technologisch-ökonomischen Fragen rund um die Speicherthematik befasst.

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