Beobachtungen von Andreas Horn

Die Energiewende besteht nicht nur aus dem Ausbau der Erneuerbaren Energien: der Ausbau von Speichern, die Flexibilisierung von Verbrauchern, der Netzausbau und die Anpassungen des Marktdesigns sind weitere wichtige Komponenten für ein Gelingen der Energiewende. Auch wenn dies mittlerweile breit anerkannt wird, so gibt es doch viel offene Fragen, was die beste Strategie für den weiteren Weg ist. In Teil 1 dieser Artikelserie wurde deutlich gemacht, dass Erneuerbare Energien nicht mehr nur „fuel saver“ für fossile Kraftwerke sind, sondern jetzt die Systemverantwortung übernehmen. 2025 war insofern ein Wendepunkt, als ab jetzt im Sommer in zunehmendem Maß „Stromfülle“ existiert, also zunehmend öfter reichlich mehr Strom zur Verfügung steht, als unmittelbar verbraucht wird (Teil 2). Auch im Winter gibt es zeitweise Strom „in Hülle und Fülle“ aus Windkraft – aber eben auch weiterhin Flauten, in denen das Stromsystem mit gesichert verfügbarer Leistung ergänzt werden muss. In Teil 3 wurde gezeigt, dass länger anhaltende Dunkelflauten zwar relativ selten sind, aber dass etwa einmal pro Jahr für einen Zeitraum von 10 bis 19 Tagen durchgehend Residualleistung benötigt wird. Speicher unterschiedlichster Art transportieren Überschüsse in die Zeiten der Knappheit. Aber welche Speicher werden benötigt? Wie viel Speicher braucht man? Wie muss das Gesamtsystem konzipiert werden, damit die Energieversorgung nicht nur klimaneutral und sicher, sondern auch möglichst kostengünstig ist?

Zumindest eines ist klar: in den nächsten Jahren werden massiv Batteriespeicher zugebaut. Wie viele Batteriespeicher werden wohl benötigt werden?

Eine weit verbreitete Ansicht ist, dass genau so viele Erzeugungsanlagen gebaut werden müssen, dass deren rechnerischer Ertrag gerade den Verbrauch deckt. Sämtliche Überschüsse könnten dann gespeichert werden und in Strommangelzeiten verwendet werden. Klingt doch logisch, sparsam und nachhaltig! Aber dies würde bedeuten, dass die Speicher so groß gebaut werden müssten, dass auch noch die letzte Kilowattstunde an Stromüberschuss gespeichert und bis zu einem Jahr später verwendet werden könnte. Macht das wirklich Sinn?

Wirtschaftlichkeit von Speichern

Batteriespeicher haben zwei Kennzahlen für die Lebensdauer: die „kalendarische Lebensdauer“ und die „zyklische Lebensdauer“. Die „kalendarische Lebensdauer“ wird wesentlich von chemischen Alterungsreaktionen in der Batterie bestimmt: ab dem Moment des Zusammenbaus gibt es in den Batteriezellen Reaktionen, die zu einer Abnahme der Kapazität führen. Heutige Batterietypen können durchaus eine kalendarische Lebensdauer von 20 Jahren erreichen – abhängig z. B. von der Betriebsstemperatur (nicht zu kalt und nicht zu heiß) und dem Ladezustand (nicht zu voll und nicht zu leer). Ob die Batterie tatsächlich genutzt wird – also be- und entladen wird – spielt dabei keine Rolle: die Alterung durch die Nutzung wird durch die zyklische Lebensdauer bestimmt. Typische Zyklenzahlen von Lithium-Ionen-Akkus liegen bei 5.000 sogenannten Vollzyklen. Das bedeutet, dass im Laufe des Akkulebens die 5.000-fache Nennkapazität des Akkus entnommen werden kann, bevor dessen nutzbare Kapazität auf 80% des Nennwertes, also der Nennkapazität, absinkt.

Für die Wirtschaftlichkeit eines Speichers ist entscheidend, welche Energiemenge im Laufe des Akkulebens gespeichert werden kann. Wenn beispielsweise ein Heimspeicher 250 Zyklen im Jahr schafft, und dies für 20 Jahre (= kalendarische Lebensdauer), so erreicht der Akku gleichzeitig mit 5.000 Zyklen (20 Jahre x 250 Zyklen pro Jahr) seine zyklische Lebensdauer. Viele Anlagenbetreiber bestellen nach dem Prinzip „mehr ist besser“ und dimensionieren ihren Speicher lieber „größer“. Wenn der Speicher aber – bei kleinem Verbrauch – nachts nicht vollständig entladen werden kann, oder der Speicher – bei kleiner PV-Anlage – tags nicht vollgeladen werden kann, dann sinkt sehr schnell die jährliche Zahl der Vollzyklen. Wenn aber beispielsweise nur 125 Zyklen pro Jahr erreicht werden, dann kann aufgrund der kalendarischen Alterung die eigentlich mögliche Zyklenzahl nicht erreicht werden: die speicherbare Energiemenge sinkt – und im selben Maß steigen die Kosten für die Stromspeicherung – bei halb so viel Zyklen auf das Doppelte.

Wenn die Speicher so groß dimensioniert würden, dass sämtliche Stromüberschüsse tatsächlich verwendet werden, dann näme die Zyklenzahl drastisch ab: die „letzte Kilowattstunde“ an Stromüberschuss wird ja nur einmal im Jahr verwendet, so dass deren Speicherung extrem teuer ist! Merke: je länger die Speicherdauer ist, desto geringer ist die Zyklenzahl und desto schwieriger die Amortisation.

Wenn aber Speicher kleiner bzw. wirtschaftlicher dimensioniert werden, dann muss im Gegenzug die Erzeugungsleistung – also PV- und Windkraftanlagen – überbaut werden! Tony Seba hat in seinen Arbeiten zur U-Curve of Energy gezeigt, dass (zumindest für die USA) das Kostenoptimum für die Kombination von Erzeugungs- und Speicherkapazität bei einer bis zu fünffachen Übererzeugung liegt. Die Speicher können dann viel kleiner dimensioniert werden. Und als Nebeneffekt gibt es „Superpower“, also „nachhaltige Stromfülle“.

Diese Überlegungen gelten zunächst für „Tagesspeicher“, die auch als „intra-diem-Speicher“ bezeichnet werden. Die übliche Lade- und Entladedauer liegt bei wenigen Stunden. Großspeicher z. B. für den Handel der Preisdifferenzen an der Strombörse („Arbitrage“) erreichen aktuell sogar bis zu zwei Lade-/Entladezyklen pro Tag, da der Strompreis an der Börse im Sommer im Tagesverlauf je zwei Maxima (hoher Verbrauch bei auf- und untergehender Sonne) bzw. Minima (mittags = PV-Erzeugungsspitze, nachts = Verbrauchsminimum) aufweist. Diese Speicher erreichen bis zu 700 Zyklen pro Jahr, so dass die Zyklenlebensdauer bereits nach rund 10 Jahren erreicht wird. Dementsprechend sind die Umsätze der Speicher pro Zeiteinheit hoch und die Amortisationszeit vergleichsweise kurz. Das trägt zur guten Wirtschaftlichkeit bei und ist wesentlich für den derzeitigen Speicherboom mitverantwortlich. Die Intra-diem-Speicher harmonieren sehr gut mit den verlässlichen Tageszyklen von Solarstrom: die „nächtliche Sonnenpause“ hat schließlich den Vorteil, dass meist sichergestellt ist, dass die Speicher nachts entladen werden können – Windkraftstrom ist diesbezüglich schwerer zu speichern, da sowohl Flauten als auch kräftige Windlagen oft mehrere Tage andauern.

Wieviel Stromspeicher sind nun für den geplanten PV-Ausbau erforderlich? Für den Juni 2025 wurden (wie schon in Teil 2 und 3) wieder die realen Erzeugungs- und Lastprofile aus den Energy-Charts verwendet. Vereinfachend wurde nur die PV-Leistung von derzeit 100 GWp auf 215 GWp (für 2030) bzw. 309 und 400 GWp (für 2035 und 2040) skaliert. Mittels Excel wurde der Be- und Entladevorgang für Batteriespeicher simuliert (Wirkungsgrad 90%) und sinnvolle Speicherdimensionierungen für die unterschiedlichen PV-Leistungen ermittelt.

Die nachfolgende Tabelle zeigt denkbare Speicherkapazitäten für unterschiedliche PV-Ausbau-Stände: bei 100 GWp (im Juni 2025) wären 56 GWh Batteriespeicher sinnvoll gewesen – zu diesem Zeitpunkt gab es aber nur ca. 20 GWh. Wenn man bei 215 GWp installierter PV-Leistung 1.300 GWh Batteriespeicher installieren würde, dann könnte man Residuallast weitestgehend vermeiden: dies ist aber wirtschaftlich nicht sinnvoll, weil die Zyklenzahl der Speichernutzung dann stark sinkt und die Speicherung überproportional teuer wird. Daher ist es sinnvoll, die PV-Leistung weiter zu erhöhen auf 309 GWp (2035) bzw. 400 GWp (2040), denn dann braucht man auch mit weniger Batteriespeichern keine Residuallast (final wahrscheinlich rund 1 kWh/kWp).

Tabellenunterschrift: Kombination unterschiedlicher PV-Leistungen und Speicherkapazitäten: mit steigender Erzeugungsleistung braucht man weniger Speicher und die Residuallast sinkt.

Natürlich muss dieser „Sommerfall“ der Speicherauslegung auch noch mit einem Szenario mit winterlicher Dunkelflaute verglichen werden. Hier helfen dann „intra-diem-Speicher“ nicht weiter, sondern Zeiträume von bis zu 19 Tagen müssen gelegentlich überbrückt werden. Die dafür notwendigen „inter-dies-Speicher“ – also Speicher über mehrere Tage hinweg – müssen vor allem sehr kostengünstig sein, da die Zyklenzahl gering ist. In Frage hierfür kommen – zumindest für Heizwärme – thermische Speicher, oder für Kraftwerke H₂-Speicher.

Die gute Nachricht: dem angekündigten Speicherzubau zufolge können wir eine installierte Speicherkapazität von 1 kWh/kWp relativ zeitnah – bis Mitte der 2030er Jahre – erreichen. Und der weitere PV- und Windkraft-Ausbau macht auch Sinn, denn dies spart Speicher, schafft Stromüberschüsse für die Wasserstoffproduktion und hilft, die Klimaneutralität zu erreichen.