Bedeutung von Speichern für die Energiewende

Schon heute stammt mehr als die Hälfte der Stromerzeugung in Deutschland aus erneuerbaren Energien. Perspektivisch wird Strom zu über 90 Prozent aus Windenergie- und PV-Anlagen kommen. Biomasse, Wasserkraft und Wasserstoff liefern die weiteren Mengen. Dies bedeutet – und das ist die zentrale Herausforderung des künftigen Stromsystems –, dass die Stromerzeugung perspektivisch immer stärkere Schwankungen aufweist: Bei guten Wind- bzw. Sonnenverhältnissen wird viel Strom erzeugt, bei schlechten Wind- und Sonnenverhältnissen wird wenig Strom erzeugt. Die Schwankungen in der Stromerzeugung haben zudem unterschiedliche zeitliche Dimensionen: Schwankungen innerhalb einer Stunde oder eines Tages sind mit anderen Herausforderungen verbunden und erfordern andere Lösungen als Schwankungen über mehrere Tage und saisonale Schwankungen.

Teilweise können die zunehmenden Schwankungen beim Energieangebot durch kosteneffizienten Ausgleich im europäischen Stromnetzverbund oder durch Flexibilität bei der Energienachfrage ausgeglichen werden. Dabei geht es darum, nicht Teilsysteme (wie z. B. die Stromversorgung) isoliert zu betrachten, sondern das Gesamtsystem. Denn über die Sektorkopplung sind die verschiedenen Bereiche künftig zunehmend miteinander verbunden. Mit einer Abstimmung zwischen den einzelnen Sektoren und Optimierung im Gesamtsystem lassen sich in erheblichem Maße Kosten sparen.

Darüber hinaus spielen Speicher in allen Bereichen (Strom, Wasserstoff, Wärme) eine wichtige Rolle. Insbesondere können perspektivisch auch Wasserstoff- und Wärmespeicher die Systemintegration der erneuerbaren Energien erleichtern und Speicherfunktionen im Energiesystem übernehmen. Speicher werden daher teilweise als Troubleshooter und „Schweizer Taschenmesser“ der Energiewende bezeichnet.

Der beste Steuerungsmechanismus für das Zusammenspiel von erneuerbaren Energien, Speichern und anderen Flexibilitätsoptionen ist grundsätzlich der Preis.

Speicher lassen sich wie folgt in das Spektrum an Flexibilisierungsoptionen einordnen:

• Zentral für die Flexibilisierung ist der großräumige Ausgleich innerhalb Deutschlands sowie im europäischen Strommarkt. Die Voraussetzung dafür ist der – auch grenzüberschreitende – Netzausbau. Der europäische Strommarkt sorgt dafür, dass die Stromnachfrage durch die günstigsten Erzeugungsoptionen gedeckt wird. Insgesamt federt somit der großräumige Ausgleich einen erheblichen Teil der Schwankungen der erneuerbaren Stromerzeugung ab. Bei der Dimensionierung des Netzausbaus muss auch der Hochlauf der Speicher (Strom, Wasserstoff, Wärme) berücksichtigt werden.
• Darüber hinaus gleichen neue flexible Stromverbraucher kurzfristige zeitliche Ungleichgewichte zwischen Erzeugung und Verbrauch aus. Elektrolyseure, Wärmepumpen (in Verbindung mit Wärmespeichern) und Elektroautos werden künftig zunehmend in Zeiten hoher Stromerzeugung betrieben bzw. geladen und gleichen somit ebenfalls Schwankungen in der Stromerzeugung aus. Elektroautos können zudem perspektivisch auch Strom ins Netz oder in das „Heim“ rückspeisen („vehicle to grid“, „vehicle to home“).
• Auch über E-Fahrzeuge hinaus werden Batteriespeicher eine wichtige Rolle spielen, um (vergleichsweise kurzfristige) Flexibilität beizusteuern. Dabei ist zu unterscheiden zwischen
  • kleineren stationären Batteriespeichern („PV-Heimspeicher“), die in Verbindung mit einer PV-Anlage vor allem genutzt werden, um durch Verschiebung eines Teils der Stromerzeugung in die Abendstunden höhere Eigenversorgungsanteile zu erreichen, und
  • größeren stationären Batterien, die – wie auch Pumpspeicherkraftwerke – kurzfristige Schwankungen im Stromsystem ausgleichen und damit z. B. im Intradayhandel oder zur Frequenzstabilisierung (Regelleistung) eingesetzt werden.

Sowohl PV-Heimspeicher als auch Großbatterien werden derzeit marktgetrieben in erheblichem Umfang zugebaut. Der aktuelle Netzentwicklungsplan Strom geht für 2037 von etwa 67 GW Batterie-Kleinspeichern und etwa 24 GW Großbatterien aus. 2045 sind es 98 bis 113 GW bzw. 43 bis 54 GW. Daraus leitet sich erheblicher Handlungsbedarf ab.

• Für die erforderliche saisonale Flexibilität sind weder die o.g. Flexibilitäten bei der Stromnachfrage noch Batterien geeignet. Vielmehr werden hierfür insbesondere Wasserstoffspeicher benötigt. Diese werden in Zukunft energetisch voraussichtlich die bedeutsamste Speichertechnologie sein und dienen vor allem als saisonale Langfristspeicher. Der Speicherbedarf für Wasserstoff in Deutschland erreicht bis 2045 eine erhebliche Größenordnung. So gehen die BMWK-Langfristszenarien von 70 bis 100 TWh aus, weitere Analysen hierzu laufen. Ein erheblicher Teil des Speicherbedarfs für Wasserstoff in Deutschland kann vermutlich durch Umwidmung bestehender Gasspeicher bereitgestellt werden, wobei auf der Zeitschiene die Wechselwirkungen mit Bedürfnissen des Erdgasmarktes und der Versorgungssicherheit bei Erdgas zu beachten sind. Darüber hinaus ist aber auch die umfangreiche Erschließung neuer Wasserstoffspeicher notwendig.
  
  Wasserstoffspeicher sind insbesondere für die Versorgungssicherheit im Stromsektor zentral. Wasserstoffkraftwerke ergänzen die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien insbesondere in den Wintermonaten (siehe nachfolgende Grafik). Während die Stromnachfrage dann höher ist als im Sommer (z. B. wegen des Betriebs von Wärmepumpen), ist die Stromerzeugung aus Erneuerbaren von März bis Oktober höher (siehe Grafik).
  
  Im Ergebnis können Elektrolyseure, Wasserstoffspeicher und Wasserstoffkraftwerke die im Sommer hohe PV-Stromerzeugung und die insgesamt hohe EE-Stromerzeugung im Frühling und Herbst teilweise in den Winter „verschieben“ und so für den erforderlichen saisonalen Ausgleich sorgen.
• Auch werden Wasserstoffspeicher in Zeiten geringer Stromerzeugung aus PV- und Windenergieanlagen benötigt, um im Stromsektor Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Aber auch in anderen Sektoren (z. B. Industrie) können Wasserstoffspeicher zur Versorgungssicherheit beitragen. Denn ein erheblicher Teil des künftigen Wasserstoffbedarfs wird durch Importe gedeckt werden müssen. Wasserstoffspeicher sichern hier gegen etwaige Ausfälle oder Verzögerungen ab.
• Darüber hinaus werden Wasserstoffspeicher als kurzfristige Puffer zur Verstetigung schwankender, flexibler Wasserstoffproduktion und variabler Wasserstoffimporte für die industrielle Wasserstoffnachfrage sowie für den sicheren Wasserstoffnetzbetrieb benötigt.
• Auch in Wärmenetzen steigt mit der Dekarbonisierung der Bedarf an Flexibilität. Wärmespeicher bieten Flexibilität in Wärmenetzen. Wärmespeicher sind deshalb eine Schlüsseltechnologie für den klimaneutralen und kostengünstigen Aus- und Umbau der Wärmenetze. Der Bedarf an Wärmespeichern wächst im Energiesystem der Zukunft sehr stark an. Langzeitwärmespeicher können Energieüberschüsse aus Solarthermie, Geothermie oder unvermeidbarer Abwärme aus dem Sommer zu den Bedarfsspitzen in die Heizsaison übertragen. Großwärmepumpen und andere Power-to-Heat- Systeme bieten in Verbindung mit Wärmespeichern zudem auch erhebliche Flexibilitätspotenziale für das Stromsystem, indem sie vor allem in Zeiten hoher Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien betrieben werden. So können z.B. temporär hohe Stromerzeugungsmengen aus PV- oder Windenergieanlagen in Form von Wärme gespeichert und so in das Energiesystem integriert und werden.
• Der Hochlauf von Speicherkapazitäten soll technologieoffen ausgestaltet sein, also z. B. für verschiedene Technologien wie Druckluft-, Schwerkraft- und Pumpspeicher offen sein. Dabei ist klar, dass alle Speichertechnologien sich dem Kostenwettbewerb untereinander und mit anderen Formen der Flexibilität stellen müssen.

Insgesamt zeigt sich, dass Speicher eine zentrale Rolle bei der kosteneffizienten Integration der erneuerbaren Energien ins Gesamtsystem spielen.