Katastrophenvorbereitung (1): Wie vorbereiten?

Ohne vieeeeeel Speicher wird die Energiewende nichts

Ein zentrales Problem ist das Fehlen von viel Speicherkapazität – ich will mich nicht streiten, ob wir statt der aktuell 37 Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland 300 oder 3000 bräuchten. Klar ist nur, dass wir so viel Speicher nicht haben und auch nicht haben werden, wenn der nächste Schwung konventionelle Kraftwerke vom Netz gehen soll.

Das Thema will ich hier gar nicht groß auswälzen, das hat der Dresdner Physik-Professor Sigismund Kobe schon längst getan [36]. Der Kern seiner Aussage: Es gibt Zeiten, da ist es dunkel und auch großflächig weht kein Wind. Dann hilft auch eine beliebige Menge von Solaranlagen und Windrädern nichts. Mit grundlastfähigen Biomassekraftwerken kann man diese Dunkelflauten aber nicht überbrücken, weil wir in Deutschland gar nicht so viele dieser Kraftwerke betreiben könnten.

Besonders interessant wird dieses Interview durch die öffentliche Entgegnung eines Grünen-Landtagsabgeordneten [37], der selber Physiker ist. Die läuft nach dem klassischen Muster vieler Umweltschützer, heutige Probleme mit Lösungen bekämpfen zu wollen, die vielleicht irgendwann in der Zukunft zur Verfügung stehen könnten. Das ist ein sicherer Weg zum Blackout [38], [39]. Besonders dramatisch ist, dass unsere ersehnte Vorbildrolle, die wir bei der Solarenergie für die Welt so erfolgreich spielten, mit dem ersten so verursachten Blackout futsch wäre: Seht doch hin, nicht mal die Deutschen schaffen das!

Ins gleiche Horn stößt auch Hans-Werner Sinn [21], der das von der volkswirtschaftlichen Seite her beleuchtet. Eine seiner Thesen: Nur wenn wir die Braunkohle nicht mehr verstromen, sparen wir damit CO₂ ein, denn die Braunkohle bleibt dann zuverlässig im Boden. Wenn wir weniger (importierte) Steinkohle verbrennen, dann reduziert das nur den Kohlepreis für die Chinesen. Beispielsweise die Australier werden so lange Kohle fördern, wie die Gestehungskosten unter dem Welmarktpreis liegen. An Kohle mangelt es den Australiern nicht.

Ähnlich handeln auch die Norweger: Die können gar nicht so viel Wasserkraft nutzen, wie sie haben. Sie dekarbonisieren ihre Wirtschaft kräftig. Aber parallel dazu verkaufen sie an Öl und Gas aus der Nordsee, was sie auf dem dem Markt profitabel absetzen können. Volkswirtschaftlich ist das logisch und nachhaltig: Norwegen steckt die Gewinne in seinen Staatsfonds, der mittlerweile einer der größten der Welt ist. Zusätzlich ist die Belastung der Bürger sehr hoch: Norwegen geht gut vorbereitet in eine stürmische Zukunft.

Nachdem das mit dem Speicher im benötigten Maß wohl auch bis 2050 nichts wird [78], schlage ich eine zusätzliche Lösung vor: Ein mindestens gesamteuropäisches HGÜ-Netz von Spanien bis Finnland und von den Shetlandinseln und Norwegen bis Sizilien und Griechenland. Mit Gleichstrom lassen sich große Entfernungen mit deutlich geringeren Verlusten überbrücken als mit dem herkömmlichen Drehstrom. Dann könnte man die Speicher auch über größere Entfernungen gemeinsam nutzen. Zudem ist die Chance gut, dass irgendwo in diesem Gebiet doch noch die Sonne scheint oder steifer Wind weht: Mit der Türkei erstreckt sich das europäische Verbundnetz über vier Zeitzonen.

Im Vereinigen Königreich gab es schon jetzt Wochen, in denen kein konventionelles Kraftwerk am Netz war. Aber ohne die geht es auch bei der mit Wind und Küsten verwöhnten Insel noch längst nicht.

Auffällig ist, dass viele kompetente Stimmen zum Thema von Leuten im Ruhestand kommen. Das ist aber kein Wunder: Ich erwähnte Hans-Werner Sinn einmal in einem Forum und erntete einen Shitstorm. Ganz offensichtlich kann in unserer Gesellschaft mittlerweile nicht mehr wahr sein, was nicht wahr sein darf. Deshalb bin ich dankbar, dass unsere Nachbarn im Süden das viel offener sehen [35].

Etwas konkreter

Dieser Abschnitt soll helfen, die Hintergründe des Batterieproblems etwas besser zu verstehen. Dabei gehe ich viel von eigenen Überlegungen aus, denn die Quellenlage ist relativ dünn. Speziell von einem paneuropäischen HGÜ-Netz ist kaum die Rede.

Konventionelle Speichermöglichkeiten

Großtechnisch gibt es seit 100 Jahren Speicherkraftwerke, die mit Speicherbecken arbeiten. Beispielsweise das Wachenseekraftwerk südlich von München oder die meisten Wasserkraftwerke in Norwegen sammeln Wasser oben in den Bergen. Für das Walchenseekraftwerk wird beispielsweise Wasser aus der Isar umgeleitet. So kann man vergleichsweise viel Energie über längere Zeit (Monate) speichern. Diese Kraftwerke können also mehr oder weniger Strom ins Netz einspeisen, aber keine Energie aus dem Netz speichern. Wesentliches Ausbaupotential gibt es für diesen Typ von Kraftwerk eigentlich nur in Norwegen, also weit weg und außerhalb unseres Einflussbereichs.

Der nächste lange eingeführte Speichertyp sind Pump-Speicherkraftwerke. Hier wird erst mal Wasser nach oben gepumpt, um es später wieder herunterstürzen zu lassen. Diese Kraftwerke erfordern erst mal enorme Investitionskosten. Später leben sie davon, dass sie Strom billig einkaufen und ihn später wieder teuer verkaufen. Das schaffen sie mit einem Wirkungsgrad von etwa 80%. Von diesem Typ Kraftwerk gibt es in Deuschland ein paar 30. Die EnBW wollte vor Jahren ein Pumpspeicher-Kraftwerk im südlichen Schwarzwald bauen, scheiterte aber am Widerstand von Umweltschützern, letztlich gegen erneuerbare Energien.

Pumpspeicher-Kraftwerke baut aber schon deshalb niemand, weil für den so bereitgestellten Strom die ganzen Abgaben doppelt gezahlt werden müssten – einmal für den Weg zum Pumpspeicherkraftwerk und dann wieder aus dem Pumspeicherkraftwerk. Das wären an die 50 ct/kWh. So kann sich ein Pumpspeicher-Kraftwerk nicht rentieren.

Es gibt noch eine ganze Reihe von Ideen, Schwerkraft zum Speichern von Energie zu nutzen. So gibt es im Ruhrgebiet tiefe Bergwerksschächte und Hohlräume, in denen man entweder, wie oben, Wasser umpumpt oder Gewichte an Seilen bewegt. Das ist aber alles irgendwo zwischen Phantasie und Machbarkeitsstudie.

Die meisten Alternativen zu obigen physikalischen Speichermögichkeiten sind mehr oder weniger chemische Systeme, vulgo Batterien. So weit sie im Lauf des nächsten Jahrzehnts überhaupt großtechnisch möglich sind, erfordern sie riesige Investitionen. Um mal eine Zahl zu nennen: Um Strom für 1 EUR zu speichern, braucht man eine Batterie für 1000 EUR. Bei Systemen für Privatnutzer muss man mit dem Endnutzer-Preis jenseits der 30 ct/kWh rechnen, großtechnische Systeme kommen irgendwann vielleicht auf dieses Verhältnis beim Gestehungspreis von etwa 6 ct/kWh. Wohl gemerkt: Auf dem Weg zur Großtechnik gibt es einzelne kleine Pilotanlagen. Ich wüsste nicht, dass schon jemand einen Bauantrag für einen Akku mit 1 GWh Speicherkapazität gestellt hätte. Zum Vergleich: Ein einzelner AKW-Block könnte so einen Akku rechnerisch innerhalb einer Stunde füllen.

Hans-Werner Sinn hat schon 2013 anhand von Daten der Bundesnetzagentur gezeigt, wie teuer diese Infrastruktur würde und was wir davon überhaupt verwirkichen könnten [42].

Wasserstoff als Speicher

Aus vielen Gründen erscheint Wasserstoff als Speichermedium interessant: Er lässt sich relativ leicht aus Wasser und Strom herstellen und vergleichsweise gut speichern. Längerfristig könnte man dafür die Salzkavernen nutzen, in denen bislang Erdgas gespeichert wird. Intensiver untersucht das z.B. [80]. Allerdings verliert man dabei 2/3 der Speicherkapazität der Salzkavernen im Vergleich zu Erdgas.

Es sieht aber so aus, als ob das Thema bislang nicht voll durchdacht wäre [81]:

Eine Wasserstoffwirtschaft ist bislang nur unter Einsatz größerer Mengen von Platin und Iridium möglich. Platin ist nur teuer, aber ausreichende Mengen an Iridium wird es auf absehbare Zeit nicht geben.
Wasserstoff versprödet Metalle, speziell wenn es sich um Tanks mit bis zu 800 bar Druck handelt. Für dieses Problem gibt es wohl noch keine Lösung – wenn überhaupt: H₂ ist das kleinste bekannte Molekül. Das diffundiert durch so ziemlich alle Stoffe hindurch.
Die Entstehung von Methan ist in diesem Zusammenhang nicht zu vermeiden. Methan ist ein viel stärkeres Treibhausgas als CO₂. Auch die Wasserstofftechnik produziert also Treibhausgase, was sich aber wohl deutlich unter den spezifischen Ausstoß von Gaskraftwerken drücken lässt.
Die ganze Wasserstoffwirtschaft ist absehbar auch auf längere Frist sehr teuer.

Ich sehe nur den Web von Hypridsystemen: So viel Strom wie irgend möglich wird wohl in Akkus gespeichert werden. Das ist aber mit aktueller Technik nur für kurzfristige Speicherung (Stunden bis Tage) denkbar. Reflow-Akkus mögen noch etwas weiter gehen, weil hier die eigentliche Speicher von der Stromumsetzung getrennt ist. Aber für längerfristige Speicherung sehe auch ich keine Alternative zu Wasserstoff.

Hybrid beziehe ich nicht nur auf den Speicher, sondern z.B. auch auf Fahrzeuge: Ein elektrischer Anstriebsstrang ist sowieso gesetzt. Aber der Strom sollte im Normalfall aus dem Akku stammen. Nur wenn weite Strecken ohne Zwischenlandung überbrückt werden müssen oder Strommangel herrscht, wird die Brennstoffzelle eingeschaltet. Die kann relativ klein sein, weil sie den Akku kontinuierlich laden kann und die Leistungsspitzen vom Akku gedeckt werden können. Schönes Anwendungsbeispiel: Busse in einem dünn besiedelten Landstrich.

Wo wären Speicher am wirkungsvollsten?

Wenn Speicher so teuer ist, dann sollte man ihn erst mal da aufstellen, wo er den größten Effekt erzielt. Dafür sollte man sich zunächst an zwei Fakten erinnern:

Die Verluste in Leitern gehen mit dem Quadrat des Stroms, der durch sie fließt. Das ist eine direkte Folge des Ohmschen Gesetzes und nicht zu diskutieren.
Auf absehbare Zeit werden wir zu wenig Leitungskapazität zwischen Stromerzeugern und Stromverbrauchern haben.

Das führt zu Forderung, Speicher möglichst nah an den Erzeugern und an den Verbrauchern zu bauen:

Speicher in Windparks und Fotovoltaik-Anlagen könnten Erzeugungsspitzen kappen und die Lieferzeiten verlängern. Statt, wie heute, die Erzeugung bei Netzüberlastung einzustellen, könnten die Anlagen wenigstens im Stundenbereich weiter produzieren. Sie könnten auch Regelenergie liefern, also die eingespeiste Energie an den Verbrauch anpassen. Das betrifft ausdrücklich auch die Momentanreserve, die wegen der Abschaltung der rotierenden Massen in den herkömmlichen Kraftwerken immer weniger wird. So lieferten Akkus unmittelbar an der Quelle einen wertvollen Beitrag zum Stabilisieren der Netze.
Speicher an der Quelle reduzierten die übertragenen Spitzenleistungen und damit auch die Leitungsverluste. Wenn man die Übertragungszeit bei gleichem Strom verlängert, steigt die in der Leitung verheizte Energie linear mit der Zeit. Wenn die Stromstärke stark schwankt, schwanken die Leitungsverluste noch viel stärker. Das gilt übrigens auch für die ganze Infrastruktur zwischen Solarmodulen und Stromnetz wie Wechselrichtern.
Mit Fotovoltaik ließen sich Akkus sehr einfach laden. Solarmodule liefern Gleichspannung und Akkus arbeiten mit Gleichspannung. Dazwischen braucht man nicht sehr viel. Aus dem gleichen Grund arbeiten Schnellader für Elektroautos auch mit Gleichstrom. Dazu kommen so kleine Nebeneffekte, dass direkt mit den Solarmodulen verbundene Akkus die Wechselrichter Richtung Stromnetz entlasten würden: Die Leistungsspitze am Mittag schiebt man erst mal in den Akku.
Akkus an Anfang und Ende einer HGÜ-Leitung ermöglichten eine besser Auslastung der Leitung. Es gäbe dann deutlich längere Zeiten, in denen die Leitung ihre Nennleistung übertragen kann. Wenn gerade zu wenig erzeugt wird, schiebt man Leistung aus dem Akku in die Leitung. Wenn der Verbrauch gerade geringer ist, kann man die Leitung trotzdem mit voller Leistung betreiben. Man kann auch sagen: So braucht man etwas weniger der teueren und angefeindeten HGÜ-Leitungen.
Akkus am Ende einer HGÜ-Leitung erhöhten die Versorgungsicherheit. Es gäbe der Netzsteuerung wertvolle Zeit, um Leistungsspitzen und Störungen abzufangen.
Akkus unmittelbar beim Verbraucher verhindern Stromausfälle. Hier denke ich vor allem an Privathaushalte mit einem Elektrofahrzeug auf dem Grundstück. Der Akku im Auto hat selten weniger als 50 kWh Kapazität. Wenn man nicht gerade die Großgeräte betreibt, kommt eine Familie mit 10 kWh am Tag doch ziemlich weit. Ein bis zwei Tage Stromausfall sind so problemlos zu überbrücken. Zusammen mit einer Fotovoltaik-Anlage kann das Leben dann erst mal normal weitergehen, bis die Wasserversorgung ausfällt. Natürlich ist das nur eine Nischenlösung für die obersten 10%.

All das sind aber nur Lösungen für ganz kurze Zeiträume, denn wir reden hier über die Deckung des Verbrauchs im Stunden- oder bestenfalls Tagesbereich. Wenn wir klimaneutral werden wollen, müssen wir Energie vom Sommer bis in den Winter speichern, so wie das bislang beispielsweise mit Gasspeichern machen. Die Gaspipelines werden genau nach obiger Methode gefahren: Im Sommer transportieren sie bedeutend mehr Gas, als gerade gebraucht wird. Ihre Kapazität reicht überhaupt nicht aus, um um Winter den Bedarf zu decken.