Wasserkraft versus Batterien?

Das Thema Energiespeicher ist von zentraler Bedeutung für die Energiestrategie 2050 und inzwischen auch in den Medien und der Politik angekommen. Oft wird dabei sehr allgemein von Speichern gesprochen, ohne zu spezifizieren, über welche Zeitachse oder Energiemenge gesprochen wird. Dies sind aber die zentralen Punkte, welche bei jeder Diskussion um Speicher zuerst geklärt werden müssen. Speicher, die ein paar kWh Energie über ein paar Stunden speichern können, sind verfügbar und längst aus dem Status von Prototypen oder Kleinserien heraus. Anspruchsvoller wird es jedoch, wenn sehr viel Energie über mehrere Monate gespeichert werden muss, um die (zukünftig hoffentlich grosse) Überproduktion vom Sommer in den Winter zu verschieben. Dies wird notwendig werden, weil im Sommer mehr erneuerbare Energie zur Verfügung steht als verbraucht wird und weil im Winter mehr Energie verbraucht wird, als aus erneuerbaren Energien gewonnen werden kann. Bisher gibt es keine bekannte Technologie, welche diese Aufgabe wirtschaftlich und klimafreundlich erbringen könnte. Der Import von Energie im Winterhalbjahr wird zukünftig schwierig werden, da viele europäische Länder fossile und nukleare Kraftwerke abschalten und somit selbst auf Importe im Winter angewiesen sein werden.

Kurzfristige Speicherung kleiner Energiemengen

Zur kurzfristigen Speicherung kleiner Energiemengen werden heute überwiegend Lithiumionen-Systeme eingesetzt, während Bleibatterien höchstens noch bei USV zur Anwendung kommen. Viele weitere Technologien werden getestet und erforscht, fristen aber noch ein Nischendasein. Offen ist auch, ob kleine dezentrale Lithiumionen-Batterien die Ziele der Energiestrategie 2050 überhaupt unterstützen oder nicht. Die Herstellung dieser Batterien verursacht grosse Umweltbelastungen und auch soziale Probleme. Insbesondere das zur Herstellung momentan unverzichtbare Kobalt ist aufgrund der fragwürdigen Gewinnungsmethoden im Kongo umstritten. Auch der Abbau von seltenen Erden und Lithium, welches beispielsweise aus Salzseen stammt, ist nicht ganz unproblematisch. Der Transport der Rohstoffe zu den Fabriken, die Herstellung mittels vermutlich oft fossiler Energie sowie der Transport der fertigen Batterien zu den Endverbrauchern verursachen grosse Belastungen der Umwelt und des Klimas. Es ist sinnlos, eine klimafreundliche Politik in der Schweiz mit klimaschädlichen Aktivitäten im Ausland zu erkaufen. Daher sollte ein klarer Nutzen vorhanden sein, um diese Belastungen zu rechtfertigen. Was bringen also solche dezentralen Kleinspeicher in Ein- und Mehrfamilienhäusern für die Energiewende? Die dezentralen Kleinspeicher führen zu keiner direkten Erhöhung der Produktion von PV oder Wind­energie. Und weil der Netzbetreiber sein Netz auf 40 Jahre ausbauen und jederzeit genügend Leistung anbieten muss, kann er sein Netz auch nicht kleiner dimensionieren, nur weil in den Quartieren Speicher stehen. Wenn diese auch nur einmal alle zehn Jahre nicht wie geplant zur Verfügung stehen, muss der Netzbetreiber das Netz so ausbauen, als ob grundsätzlich keine Speicher vorhanden wären. Dezentrale private Speicher unterstützen die Energiestrategie daher eigentlich nicht. Nur wenn Endverbraucher ihren Leistungsbezug langfristig und verbindlich reduzieren, können Einsparungen beim Netzbau realisiert werden. Netzbetreiber können aber nur über Tarife mit hohem Leistungsanteil Anreize für eine solches Verhalten setzen. Solange jedoch 50?% und mehr der Netzkosten als Arbeitstarife ausgestaltet werden müssen, werden die Speicherbetreiber Netznutzungsgebühren sparen, ohne die Netzkosten zu reduzieren. Private Speicher bei Endverbrauchern führen mit den heutigen Tarifvorgaben somit nur zu einer Entsolidarisierung bei der Kostentragung, ohne dass entsprechende Ziele der Energiestrategie erreicht würden.

Wasserkraftwerke könnten virtuellen Speicher anbieten

Es gibt auch alternative Möglichkeiten, um Energie zu speichern. Anstatt die PV-Produktion über Mittag in private Speicher zu speichern und am Abend aus dem Speicher zu beziehen, sollten beispielsweise Wasserkraftwerke die Produktion verzögern und virtuelle Speicher anbieten. Anstatt über Mittag Energie zu produzieren, könnten Wasserkraftwerke die Produktion mit den PV-Anlagen koordinieren und die Energie am Abend produzieren, wenn sie von den Prosumern benötigt wird. Um die Verluste zu minimieren, sollte aber nicht ein Kraftwerk Energie produzieren, während andere den Überschuss aus der PV-Produktion hochpumpen. Solche Lösungen sind heute aus regulatorischen Gründen und aufgrund des freien Marktes (keine Absprachen) schwierig oder gar nicht umsetzbar, obwohl sie klimafreundlich und volkswirtschaftlich sinnvoll wären. Auch Flusskraftwerke können kurzfristig die Produktion etwas verlagern, wobei hier die Mengen aufgrund von Auflagen zum Gewässerschutz beschränkt sind. Endverbraucher könnten insbesondere in der Heizperiode die Wärmepumpe laufen lassen und die Energie in Form von Wärme im Wärmespeicher, Boiler oder auch im Betonboden (zum Beispiel Temperaturanhebung um 1° C) speichern. Diese Speicherformen kommen ohne zusätzliche Geräte oder Infrastruktur aus und verursachen weder grosse Mehrkosten noch Umweltprobleme wie Lithiumionen-Speicher. Noch hinken aber insbesondere die Heizungshersteller bei der Entwicklung von adäquaten Gerätesteuerungen hinterher.

Kurzfristig viel Energie speichern

Die Pumpspeicherkraftwerke wurden gebaut, um kurzfristig sehr viel Energie zu speichern. Das neueste Kraftwerk Linth-Limmern kann mit 1000 MW im Pumpbetrieb 40 GWh Energie speichern und wieder 34 GWh abgeben. Innert weniger Minuten kann die Richtung geändert und die Leistung kann über 40 Stunden produziert oder gepumpt werden. Abgesehen von der Leittechnik werden die Anlagen mehrere Jahrzehnte in Betrieb bleiben können.

Könnte das eine Batterie auch? Die momentan grösste Batterie der Welt steht in Australien und wurde von Tesla gebaut. Sie kann kurzfristig 100 MW abgeben und 129 MWh Energie speichern. Sie benötigt ungefähr eine Hektare Platz. Eine 1000-MW-Batterie bräuchte daher zirka 1 km² Fläche. Eine Batterie, die 40 GWh Energie speichern kann, bräuchte aber schon über 3 km² Platz. Zudem ist aufgrund von Alterungseffekten nach 15 Jahren je nach Betriebsweise mit einer verbleibenden Kapazität von nur noch 60–65 % zu rechnen. Aussagen zur Lebensdauer sind heute aber noch schwer zu treffen, da die Alterungseffekte auch in der Forschung noch nicht vollständig ergründet sind.

Diese Batterien sind aber sehr schnell und können teilweise in Millisekunden höchste Leistungen zur Verfügung stellen. In Europa wird durch den Wegfall rotierender Masse sowohl bei der Produktion als auch bei den Verbrauchern die Ausregelung von grossen Produktionsausfällen immer anspruchsvoller. Rotierende Maschinen und Generatoren stabilisieren die Frequenz und verhindern in den ersten wenigen Sekunden nach dem Ausfall eines grossen Kraftwerks einen Blackout. Die schnellen Batterien könnten hier eine wichtige Aufgabe übernehmen und eine schnelle Primärregelung erbringen. Sie könnten ihre Energie innert weniger Sekunden abgeben, um den Wasserkraftwerken die Zeit zu verschaffen, hochzufahren. Batterien könnten die Wasserkraftwerke in der Netzregelung daher sehr gut ergänzen – aber kaum ersetzen. Insbesondere zur Sekundär- und zur Tertiärregelung fehlt die Energiemenge, welche teilweise über mehrere Stunden produziert werden muss.

Langfristig viel Energie speichern

Die Schweizer Elektrizitätsstatistik 2017 gibt für den Winter 2016/2017 einen Import von über 9000 GWh an. Grande Dixence, der grösste Schweizer Stausee, kann zirka 2000 GWh speichern, was beinahe einem Viertel der gesamten Speicherkapazität der Schweizer Stauseen entspricht. Die Schweiz müsste das Fassungsvermögen ihrer Stauseen daher grob verdoppeln, um den Winter mit eigener Energie zu überstehen. Grand Dixence ist wie die meisten Wasserkraftwerke auf den Zufluss aus Niederschlag und Gletscherschmelze angewiesen. In einem trockenen Sommer (wie er in letzter Zeit immer wieder vorgekommen ist) kann der See nicht ganz gefüllt werden. Die fehlenden Pumpen können auch nicht nachgerüstet werden, da im Talboden nicht genügend Wasser verfügbar ist, um hochgepumpt zu werden. Pumpspeicherkraftwerke benötigen immer zwei grossen Speicherseen, einen oben und einen unten. Die ES2050 rechnet mit einem leichten Ausbau der Wasserkraft, was in Kombination mit den steigenden Anforderungen aus dem Gewässerschutz nur unter optimalen Umständen erreicht werden kann. Obwohl sich die Energiepreise langsam erholen, sind sie – im Gegensatz zu den Wasserzinsen – immer noch tief. Investitionen rechnen sich daher nicht, während für Gewässerschutzmassnahmen mehr Wasser ungenutzt in die Flüsse geleitet werden muss. Leider ist es eine durchaus plausible Hypothese, von einer abnehmenden Speicherfähigkeit auszugehen.

Die einzige Technologie, welche immer wieder als Saisonspeicher ins Gespräch gebracht wird, ist Power-to-Gas. Die überschüssige Energie soll insbesondere im Sommer zur Wasserstoffproduktion (oder Methan, dessen Produktion aber einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad hat) verwendet werden. Aus dem gespeicherten Wasserstoff (respektive Methan) wird bei Bedarf (also primär im Winter) wieder elektrische Energie erzeugt. Technisch sind die notwendigen Geräte ausgereift und verfügbar, aber ein kommerzieller Betrieb ist noch nicht möglich. Zum einen sind die Verluste bei der Energieumwandlung mit einem Wirkungsgrad von 30 % (Strom zu Gas zu Strom) zu hoch, anderseits sind die Unterschiede zwischen hohen und tiefen Energiepreisen zu klein, wodurch die Betriebs- und Speicherkosten nicht erwirtschaftet werden können. Aus Sicht der ES2050 gibt es durch die grossen Verluste ein weiteres Problem: Im Sommer müsste der Energieüberschuss mehr als dreimal so gross sein wie die Menge Energie, welche im Winter benötigt wird. Noch ist ein solcher Ausbau in weiter Ferne, was mit der Elektrifizierung der Gebäudewärme (Wärmepumpen statt Ölheizungen), der Mobilität (E-Mobility) und dem wachsenden Energiebedarf durch die Digitalisierung sicher nicht einfacher wird.

Andere Technologien, wie beispielsweise Druckluftspeicher werden erprobt, sind aber noch weit von einem kommerziellen Betrieb entfernt.

Stauseen bleiben mittelfristig die wichtigsten Speicher

Für die Problematik der Speicherung grösserer Energiemengen über eine längere Zeit ist noch keine Lösung in Sicht. Die aktuell verfügbaren Batterien haben nicht die erforderliche Energiedichte und verursachen bei der Herstellung grosse Umweltbelastungen. Sie könnten die Wasserkraftwerke bei der Netzregelung mit schneller Primärregelleistung zwar ergänzen, aber nicht ersetzen. Abgesehen davon könnten Sie die Netzkosten reduzieren, sofern die Vorgaben für die Netznutzungstarife geändert werden, um verursachergerechte Tarife zu ermöglichen. Bei der Po­wer-to-Gas-Technologie müsste der Wirkungsgrad um Faktoren verbessert werden, um einen signifikanten Beitrag zu leisten. Eine solche Entwicklung ist heute aber nicht abzusehen. Das Potenzial von Wasserkraft ist leider nahezu ausgeschöpft. Auch wenn die bestehenden Kraftwerke nicht ausreichen, um die Schweiz im Winter zu versorgen, werden sie auch in Zukunft die wichtigsten Speicher bleiben. Daher muss dafür gesorgt werden, dass sie langfristig auch finanziell nachhaltig betrieben und möglichst ausgebaut werden können.