Ausbau von Stromnetzen und Speichern

Zusammenfassung:

Ein beschleunigter Zubau von Solar- und Windanlagen gefährdet zwar die Netzstabilität nicht - es wird aber zunehmend dazu kommen, dass das Solar- und Windangebot gerade bei geeignetem Wetter nicht vollständig genutzt werden kann. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist die allgemeine Verstärkung der Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetze nur die zweitbeste Lösung, da sie die gestellte Aufgabe nicht grundsätzlich lösen kann.

Erheblich besser wäre die Lösung, überall dort, wo Solaranlagen errichtet werden, oder auch in den Nachbarhäusern, dementsprechend dezentrale Tag-Nacht-Speicher mit einer intelligenten Steuerung einzubauen. Würde man damit gleich anfangen, könnte man erhebliche Mittel für den Netzausbau sparen und Energieverluste durch unnötige Abschaltung oder Abregeln von Solaranlagen vermeiden.

Dezentral installierte wiederaufladbare Batterien mit intelligenter Steuerung könnten im Niederspannungsnetz vollautomatisch Netzmanagementaufgaben übernehmen, z.B. Verminderung der Spitzenlast. Sie können auch dann aktiv werden, wenn gerade keine Sonne scheint.

Netzausbau wäre bei Einführung der dezentralen Speicher nur noch dort notwendig, wo die große Zahl noch zu errichtender Binnenland-Windanlagen an das Versorgungsnetz angeschlossen werden soll. Auch hier empfiehlt sich der Einsatz von dezentralen Stromspeichern - in diesem Fall in räumlicher Zuordnung zu den Windparks. Sie können das unstetige Angebot glätten und die Anforderung an die Übertragungskapazität der zu errichtenden Stromleitungen vermindern.

Planungen, die Umstellung der Energieversorgung auf Erneuerbare Energien mit einem europaweiten System aus Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Leitungen, Offshore-Windparks an den Küsten, solaren Großanlagen im Süden und Pumpspeicherkraftwerken in Norwegen sowie den Alpen zu verwirklichen, haben gegenüber dem Bau eines dezentralen Systems den gravierenden Nachteil, dass ihre Umsetzung zu langsam erfolgen würde.

Gefährden die Erneuerbaren Energien die Stabilität des Stromnetzes?

Mit der Behauptung, Wind- und Sonnenenergie würden bei „zu schnellem Ausbau“ die Stabilität des Stromnetzes gefährden, wird besonders unter technischen Laien die Angst vor einem Zusammenbruch der Stromversorgung geschürt.

Die Stabilität sei gefährdet, heißt es, weil bei sonnig-windigem Wetter zu viel Solar- und Windstrom in die Netze drängen könnte. Was dann geschehen würde, darüber herrschen unterschiedliche und teilweise auch abenteuerliche Vorstellungen.

Bei einigen Politikern - sogar Freunden der Solarenergie - führt die allgemeine Unsicherheit dazu, dass sie den Zubau von neuen Solaranlagen bis zu einer überzeugenden Klärung des angeblichen Problems nicht mehr beschleunigen wollen. (1)

Bei ihren Bedarfsabschätzungen gehen viele Politiker davon aus, dass durch Effizienzverbesserungen und Einsparungen der Stromverbrauch sinken wird, doch das ist ein Irrtum! Zwar sind gewaltige Anstrengungen bei der Wärmedämmung im Gebäudebestand und bei Neubauten unumgänglich, und die Umstellung des Verkehrs wird ihren besten Erfolg haben, wenn der Verkehr weitgehend auf Elektroantrieb umgestellt wird. Aber da die Mehrzahl der Erneuerbaren Energien im Strombereich gewonnen wird, werden viele Energieanwendungen auf Strom umgestellt werden müssen. Dabei wird der Stromverbrauch wohl kaum sinken. Einen groben quantitativen Überblick gibt dazu der Energiewenderechner (siehe http://www.energiewenderechner.de).

Wir wollen im Folgenden in allgemein verständlicher Form erläutern, wie der rasche Ausbau von Sonnen- und Windenergie ohne Gefährdung der Versorgungssicherheit weitergehen kann, selbst wenn der Ausbau des Stromnetzes oder der Speicher nicht vorankommt. Wir wollen aber auch zeigen, wie ein besseres Konzept aussieht als das von der Bundesregierung verfolgte Konzept.

Gefährdet ein Überschuss von Solar- und Windstrom die Versorgungssicherheit?

Die ärgste Besorgnis können wir gleich zu Beginn unserer Darlegungen ausräumen. Zuviel Sonnen- und Windstrom im Netz bedeuten keine unmittelbare Gefahr für die Stromversorgung - weder bei einem lokalen Überschuss an Sonne und Wind noch bei einem europaweiten Überschuss, der sich auf das gesamte europäische Verbundnetz UCTE (Union for the Coordination of Transmission of Electricity) auswirken würde.

Dazu die drei folgenden Überlegungen:

Was würde bei europaweitem Überschuss geschehen?

Wenn es zukünftig - hoffentlich möglichst bald - europaweit zu zeitweiligen Solar- und Windstromüberschüssen kommt, dann werden sich diese langsam im Laufe einiger Viertelstunden aufbauen. Den Sonderfall eines schlagartigen Überschusses behandeln wir gleich anschließend in einem Exkurs. Erst einmal geht es um den Normalfall, um eine langsame Zunahme der Solar- und Windleistung.

Die Sonne steigt höher, die Wolken verziehen sich, der Wind briest auf. Nach und nach werden immer weniger konventionelle Kraftwerke gebraucht und schalten nacheinander ab. Die restlichen noch am Netz befindlichen konventionellen Kraftwerke müssen immer weniger elektrische Energie liefern und brauchen deshalb immer weniger Energie aus Dampf- oder Wasserkraft zum Antrieb. Anders ausgedrückt: Ihre Generatoren lassen sich immer widerstandloser drehen, erzeugen keine elektrische Energie mehr und werden vom Netz getrennt.

Wichtig ist zu wissen, dass die Frequenz im gesamten UCTE Verbundnetz überall gleich ist und dass die Drehzahl aller dampf- oder wassergetriebener Generatoren mit der Frequenz des Stromnetzes streng gekoppelt ist. Alle Generatoren im Verbundnetz drehen sich deshalb gleich schnell. Sie werden deshalb auch "Synchrongeneratoren" genannt.

Wenn mehr Energie ins Verbundnetz hineingesteckt als herausgeholt wird, gleichgültig ob die hineingesteckte Energie aus Kohle-, Atom-, Wasserkraft- oder Wind- und Sonnenenergie stammt, dann nimmt die Drehzahl der Synchrongeneratoren zu und damit auch die Frequenz im Stromnetz.

Man hat sich europaweit auf eine Normfrequenz von 50 Hertz geeinigt. Das bedeutet, dass die Wechselstrom-Spannung 50 mal in der Sekunde ansteigt und wieder abfällt. Die Frequenz ist die Regelgröße, die von den Reglern der Kraftwerke auf ihrem Sollwert 50 Hz gehalten werden muss. Ein Ansteigen der Frequenz über 50 Hz führt dazu, dass alle Kraftwerke, die an der Frequenzregelung beteiligt sind, ihre Leistung vermindern und schließlich vorübergehend einstellen.

Aus Klimaschutzgründen müssen - so schreibt es auch das Erneuerbare-Energien-Gesetz vor - die fossilen und nuklearen Kraftwerke zuerst ihre Stromproduktion einstellen. Dann bleiben zum Schluss nur noch die Anlagen der Erneuerbaren Energien übrig. Und genau das wünschen wir uns ja auch aus Umwelt- und Klimaschutzgründen!

Aber wenn die Leistungsminderung schnell erfolgen muss, dann sind technische Besonderheiten der Wärmekraftwerke zu berücksichtigen.

Exkurs zum 50,2 Hertz -Problem

Die Notwendigkeit für eine schnelle Leistungsminderung könnte sich z.B. ergeben, wenn die Hochspannungsleitung zu einem großen Stromverbraucher plötzlich unterbrochen würde und wenn in dessen Netzbereich keine Solarenergie erzeugt würde (weil es dort keine Solaranlagen gibt oder sein Gebiet im Wolkenschatten liegt). Es fallen dann erheblich mehr Verbraucher als Erzeuger weg und im verbleibenden europäischen Verbundnetz würde dann das Gleichgewicht zwischen Verbrauch und Erzeugung von Strom gestört. Die Frequenz im Stromnetz würde sehr schnell ansteigen.

Am schnellsten können bei den konventionellen Kraftwerken die sogenannten Spitzenlastkraftwerke (Wasser-Speicherkraftwerke und Gasturbinen) ihre Leistung vermindern.

Bei den großen thermischen Grundlastkraftwerken (Atomkraftwerken und Braunkohlekraftwerken) hingegen führt eine zu schnelle Leistungsreduzierung wegen der abnehmenden Temperaturen zu inneren Wärmespannungen und sehr starkem Verschleiß. Zwar müssen auch Atom- und Braunkohlekraftwerke im Notfall plötzlich angehalten werden können, aber nach einer Notabschaltung muss dort eine komplizierte Wiederinbetriebnahmeprozedur durchgeführt werden. Es müssen Verschleißteile ausgetauscht und viel Zeit für zusätzliche Wartungsarbeiten aufgebracht werden. Darüber hinaus haben, wie alle Welt nach Fukushima weiß, die Atomkraftwerke das zusätzliche Problem, dass sie die Nachzerfallswärme durch Kühlung loswerden müssen.

Wenn also die Leistungsminderung sehr schnell gehen muss, was glücklicherweise bisher fast nie vorgekommen ist, dann müssen die am schnellsten reagierenden Kraftwerke zuerst abschalten. Und welche Kraftwerke lassen sich am allerschnellsten abschalten?

Am allerschnellsten können die Wechselrichter der Solaranlagen abschalten. Die Wechselrichter der bisher installierten Solaranlagen schalten allesamt bei 50,2 Hz ab. Auf einen Schlag! Ganz zuverlässig, so wie es die Stromwirtschaft selbst angeordnet hat, weil sie nie damit gerechnet hat, dass Solaranlagen mal so viel Leistung ins Netz einspeisen könnten wie die großen Atom- und Braunkohlekraftwerke. Und wenn diese alten Wechselrichter abgeschaltet haben, schalten sie richtig ab und warten mit dem Wiedereinschalten einige Minuten, ohne sich weiter an der Regelung zu beteiligen.

Da an sonnigen Tagen zur Mittagszeit bereits Solaranlagen insgesamt über 10 Gigawatt Leistung in das Netz einspeisen, hätte ihr gleichzeitiges Abschalten dann (glücklicherweise nur in netztechnischer Hinsicht!) die gleiche Folge, wie wenn 10 Atomkraftwerksblöcke gleichzeitig eine Notabschaltung durchführen würden.

Noch einmal: Wenn die Netzfrequenz den Wert von 50,2 Hz erreicht, würden alle bisher installierten Solarstromanlagen gleichzeitig abschalten; viel zu viele! Und noch schlimmer, sie würden erst wieder einschalten, wenn die Frequenz sich bei 50 Hz stabilisiert, allerdings mit einer Verzögerung von einigen Minuten! Bis dahin wäre die Netzfrequenz viel zu weit abgesunken, denn wenn 49,5 Hz unterschritten werden, schalten sich auch noch viele ältere Windenergieanlagen ab und der Abfall der Netzfrequenz wird noch beschleunigt. Hier liegt ein planungstechnischer Fehler vor, dessen Beseitigung jetzt in die Wege geleitet wurde (2).

Endlich haben sich die Netztechniker dazu durchgerungen, die technischen Tatsachen anzuerkennen und auch die Solaranlagen an der Frequenzregelung vernünftig zu beteiligen. Alle größeren Solaranlagen ab 10 kW müssen deshalb umgerüstet werden. Technisch ist das sinnvoll, aber es wäre eine skandalöse Entscheidung, wenn die Solaranlagenbetreiber dafür die Kosten tragen müssten. Verantwortlich für die unsinnige Einstellung der Wechselrichter-Frequenzregelung war immerhin die Stromwirtschaft.
Abschließend noch einmal eine Zusammenfassung des 50,2 Hertz-Problems.

Wenn die hier angedeutete Umstellung erledigt ist, wird die Frequenzregelung wie folgt ablaufen:

  • Bei langsamem Anstieg der Solar- und Windleistung werden zuerst die fossilen und nuklearen Kraftwerke abgeschaltet.
  • Bei schnellen Leistungsänderungen im Netz beteiligen sich die Solar- und Windanlagen aktiv an der Frequenzregelung.

Der weitere Ausbau der Solarenergie muss deshalb nicht verzögert werden, wichtig ist nur, dass die neu hinzukommenden Solaranlagen bereits mit der berichtigten Abschaltprogrammierung versehen sind und dass die Umrüstung der bisher installierten Wechselrichter zügig durchgeführt wird.

Was geschieht bei lokalem Überschuss?

in europaweiter Solar- und Windstromüberschuss ist zur Zeit (leider) noch nicht zu erwarten. Dagegen kommen lokale Überschüsse in einigen Regionen Deutschlands durchaus vor, während in anderen Gegenden Deutschlands oder Europas noch Mangel an Solar- und Windanlagen herrscht. Aber auch dann, wenn wir nur in Bayern oder nur in Westholstein lokale Überschüsse aus Sonne oder Wind erzielen, kann der Ausbau von Sonne und Wind in Bayern oder Westholstein (und natürlich auch in allen anderen Ländern Deutschlands) ohne Gefährdung der Versorgungssicherheit weitergehen.

Was geschieht denn in technischer Hinsicht, wenn ein Solar- bzw. Windstromüberschuss regional vorliegt? Die Frequenz im UCTE-Netz steigt dadurch nicht an, lediglich im regionalen Netzbereich steigt die Spannung. Auch dabei besteht keine Gefahr für die Versorgungssicherheit, denn lange bevor die Netzspannung den zulässigen Höchstwert erreicht (3)), schalten in diesem Netzbereich die Wind- und Solaranlagen vollautomatisch ab.

Ergebnis: In beiden Fällen, also sowohl beim lokalen als auch beim europaweiten Solar- und Windüberschuss besteht keine Gefahr für die Versorgungssicherheit. Es kommt lediglich - bedauerlicher Weise - zur Abregelung, d.h. zur Nichterzeugung von umweltfreundlich erzeugbarem Strom, der eigentlich für Zeiten der Stromknappheit hätte erzeugt und gespeichert werden können. Das Ergebnis wäre also „nur“ eine unnötige Verschwendung von Energie.

Abschalten oder Speichern?

Wenn es europaweit zu Solar- und Windüberschüssen käme, so gibt es zur Vermeidung von Energieverschwendung nur eine Möglichkeit der Abhilfe, nämlich die Speicherung des überschüssigen Stroms für Zeiten knapper Sonnen- und Windenergie.

Stromspeicher würden dann aus volkswirtschaftlichen Gründen unumgänglich - denn wer kann es sich leisten, Solar- und Windanlagen, deren Errichtung mit zusätzlichen Zahlungen der Stromkunden finanziert wurden, gerade bei Sonnenschein und gutem Wind NICHT voll zu nutzen?

Man müsste sich dann um Stromspeicher ernsthaft kümmern - was momentan von Seiten der Energiepolitik leider immer noch nicht geschieht. Der angeblich hohe Preis kann nicht der Grund sein, zumindest nicht der einzige, denn hohe Kosten haben die Stromwirtschaft noch nie abgeschreckt, wenn sie sie auf die Verbraucher umlegen kann. Vermutlich gibt es andere Gründe.

Man könnte vermuten, die Stromwirtschaft findet keinen Platz mehr für Stromspeicher und schiebt diese Aufgabe weiterhin auf die lange Bank - obwohl absehbar ist, dass sie diese Aufgabe irgendwann lösen muss, und obwohl (oder vielleicht auch: gerade weil) abzusehen ist, dass hier später ein erhebliches Hindernis für die vollständige Umstellung auf Erneuerbare Energien liegen wird.

Stattdessen kümmert sich die Stromwirtschaft lieber um ein ihr näher liegendes Problem, die Frage der örtlichen Überschüsse. Am liebsten wäre ihr, die Solar- und Windanlagen einfach abzuregeln.

Dafür hat sie den derzeitigen Gesetzgeber überreden können, die Leistungen kleiner Solaranlagen grundsätzlich und auch ohne akute Notwendigkeit auf 70 Prozent der Spitzenleistung zu kappen und für größere Anlagen ein Einspeisemanagement mit stufenweiser Abregelung einzuführen. Das ist die schlechteste Lösungsvariante, eine offensichtlich unsinnige Vernichtung von Energie (4).

Etwas besser klingt der Vorschlag, den Netzausbau zu forcieren. Da ein europaweiter Überschuss an erneuerbar erzeugtem Strom bisher noch nie vorgekommen ist, hingegen örtliche Überschüsse in manchen Gegenden Deutschlands bereits an der Tagesordnung sind, überlegt sich die Stromwirtschaft, die örtlichen Überschüsse dadurch zu vermindern, dass sie diese auf ganz Deutschland oder sogar ganz Europa verteilt, und dazu braucht sie einen Ausbau der Stromnetze, insbesondere der Fernübertragungsnetze.

An die beste Lösung denkt die Stromwirtschaft leider nicht. Es wäre höchste Zeit, endlich Investitionsanreize für Speicher zu setzen. Doch diese Entscheidung muss in einem größeren Zusammenhang gesehen werden.

Die Energiewende - eine Frage der angestrebten Strukturen

Exkurs für Laien: Wie ist das Stromnetz gegliedert

Zum Verständnis der vorgesehenen Steuerungsmöglichkeit für Stromspeicher im Niederspannungsnetz wird eine gewisse Vorstellung von der Struktur des Stromnetzes vorausgesetzt, die hier in diesem Kapitel genauer beschrieben wird. Leser, denen die Begriffe „Niederspannungsnetz“ und „Toleranz der Netzspannung“ geläufig sind, mögen dieses Kapitel überschlagen. Verschaffen wir zunächst den mitlesenden technischen Laien eine Vorstellung vom Stromnetz:

Das Stromnetz verbindet Stromerzeuger und -verbraucher durch Stromleitungen. Diese sind verästelt und verzweigt - ähnlich wie die Stämme, Äste und Zweige eines mehrstämmigen Baumes (allerdings gibt es im Stromnetz noch zusätzliche Querverbindungen zwischen den einzelnen Stämmen, den Ästen und den Zweigen - das System ähnelt insofern auch ein wenig dem deutschen Straßennetz von den Bundesautobahnen bis zu den Hofeinfahrten - aber bleiben wir lieber beim Vergleich mit einem Baum).
Die verschiedenen Wurzeln des Baumes stellen die Großkraftwerke dar. Die Stämme des Baumes entsprechen den Hoch- und Höchstspannungsleitungen, die Äste den Mittelspannungsleitungen, die Zweige den Niederspannungsleitungen und die Blätter stellen die Verbraucher dar. Im Folgenden wird wiederholt von den Zweigen des Niederspannungsnetzes die Rede sein. Stellen Sie sich darunter die Stromkabel unter den Straßen vor, an denen über kurze Stichleitungen die einzelnen Haushalte und mittelständischen Betriebe angeschlossen sind. Die Blätter entsprechen dann den Haushalten und Betrieben, in denen der Strom verbraucht wird und auf deren Dächern zunehmend Solarstromanlagen installiert werden.

Vor dem Aufkommen der Erneuerbaren Energien floss der „Saft“ nur in einer Richtung, von den verschiedenen Wurzeln (den Großkraftwerken) über Stämme, Äste und Zweige bis in die Blätter. Mit dem Aufkommen der Erneuerbaren Energien gibt es inzwischen eine wachsende Anzahl von „Blättern“, in denen selbst Saft erzeugt und sozusagen „rückwärts“ in die Zweige, ja sogar bis in die Äste „zurückgepresst“ bzw. rückgespeist wird.

Der Idealfall - Unabhängigkeit der einzelnen Netzzweige

Wenn in einem Zweig des Niederspannungsnetzes die erzeugte Strommenge mit der verbrauchten Strommenge übereinstimmen würde, dann wäre dieser Netzzweig auch ohne Versorgung aus dem Mittelspannungsnetz lebensfähig. Dieser Idealzustand lässt sich nur erreichen, wenn die Solaranlagen auf den Hausdächern im Lauf eines Jahres genau so viel (sicherheitshalber deutlich mehr!) Strom erzeugen würden wie die elektrischen Geräte in diesem Straßenzug verbrauchen und - nicht zu vergessen - wenn es genügend Speicherbatterien in dem Netzzweig gibt, die den Stromüberschuss des Tages für die Stunden der Nacht speichern. Stromspeicher, die den Solarertrag eines Tages bis in die Nacht speichern können (sogenannte Tag-Nachtspeicher) gibt es bereits. Einige Solarfirmen bieten sie mit ihren Solaranlagen gemeinsam an. Sie sind leider noch teuer (es fehlt die verbilligende Massenproduktion und ein Markteinführungsprogramm, das hilft, die Speicher wirtschaftlich zu betreiben).

Minimierung des Stromflusses

Wenn im betrachteten Niederspannungszweig der solare Zubau so weit fortgeschritten ist, dass die jährliche Stromerzeugung aller installierten Solarstromanlagen bereits mit dem jährlichen Stromverbrauch aller Stromverbraucher etwa übereinstimmt, oder ihn sogar übersteigt, wenn aber noch keine dezentralen Speicher installiert sind, dann gibt es an sonnigen Tagen ein Problem. Die Maximalleistung der angeschlossenen Solaranlagen ist - was leicht vergessen wird - etwa acht bis zehn mal so hoch wie ihre Durchschnittsleistung. Deshalb wird um die Mittagszeit eine recht beträchtliche Strommenge solaren Überschussstroms ins Mittelspannungsnetz abgegeben. Gehen wir einmal davon aus, dass das Niederspannungsnetz auf diese Belastung hin verstärkt wurde (andernfalls würde, wie eingangs geschildert, die Spannung im Niederspannungsnetz so weit ansteigen, dass die Überspannungsabschalter in den Wechselrichtern etliche Wechselrichter und die dazugehörigen Solaranlagen abschalten). Auch das Mittelspannungsnetz, welches aus allen seinen Niederspannungszweigen erhebliche solare Überschusseinspeisungen aufnehmen muss, wird extrem belastet, vielleicht sogar das Hochspannungsnetz. In sonnigen Stunden fließt kurzzeitig sehr viel solarer Überschussstrom von den Niederspannungszweigen zum Mittelspannungs- und Hochspannungsnetz.
Stellen Sie sich vor, dass im Einzugsbereich eines großen Flusses heftige Wolkenbrüche niedergehen. Jedes Rinnsal, jeder Bach, jedes Flüsschen und jeder Fluss schwillt an und dann steht flussabwärts, z.B. beim Elbehochwasser 2002 zwischen Dresden und Magdeburg, eine ganze Region unter Hochwasser.
Weitsichtige Planer empfehlen zur Vermeidung solcher Katastrophen, vorbeugend nicht den Fluss zu vertiefen und zu verbreitern, damit das Wasser schneller abfließen kann (Netzausbau), sondern die natürlichen Überschwemmungsgebiete im Einzugsbereich wieder herzustellen (Bau von dezentralen Speichern im Niederspannungsnetz), damit das Regenwasser dort länger aufgehalten und nur langsam dosiert weitergegeben wird.

Nun zur Anwendung auf eine „Überschwemmung“ des Stromnetzes mit Solarstrom.
Nehmen wir eine 100 kW Dachanlage auf einer großen Feldscheune. Um ihre Solarleistung ins Mittelspannungsnetz zu übertragen, muss die Stichleitung für die Spitzenleistung von 100 kW ausgelegt sein. Würde man jedoch unter der Solaranlage in der Scheune einen Batteriesatz mit einer Ladekapazität von etwa 400 kWh installieren, so könnte der maximal fließende Strom auf 25 kW reduziert werden. Die aufladbare Batterie „streckt“ dann die Stromlieferung auf 24 Stunden. Statt 100 kW in der Zeit von 11 bis 13 Uhr braucht dann nur eine Dauerleistung von 25 kW übertragen zu werden. Die Stichleitung könnte also mit einem Viertel des Querschnittes auskommen.

Dieses Beispiel ist recht nett, zeigt aber noch nicht die zusätzlichen Dienste, die eine Batterieanlage mit intelligenter Regelung im örtlichen Niederspannungsnetz bereitstellen kann. Sogar in Zeiten trüben Wetters bleibt sie nicht untätig, sondern speichert in diesem Fall vorsorglich ganz gewöhnlichen Netzstrom. Bei Überlastung des Netzes durch Stromverbraucher gibt sie Strom ab und kann auf diese Weise den Spitzenlastbedarf des Versorgungsnetzbetreibers vermindern. Batterieanlagen im Niederspannungsnetz haben deshalb auch in Häusern ohne Solarstromanlage einen hohen Wert. Dazu im nächsten Abschnitt noch einige Hinweise.

Die Eigenschaften von Batteriespeichern

Batteriespeicher können MEHR als Kraftwerke und Netzausbau: Sie können extrem schnell auf wechselnden Bedarf reagieren, sie können Energie liefern und aufnehmen. Sie können lokal die Spannungsqualität verbessern. Sie sind ohne zusätzlichen Aufwand schwarzstart- und inselfähig (7) und sie können bei entsprechender Steuerung Schwingungen dämpfen.

Die Steuerung sollte so ausgeführt sein, dass die Grundfunktionen - (Stabilisierung von Spannung und Frequenz, Bereitstellung von Primärregelleistung für das Netz oder Unterstützung eines Inselbetriebs), autonom ausgeführt werden können und somit auch ohne Kommunikation funktionieren. Damit wird auf jeden Fall funktionale Sicherheit erreicht. Darüber hinaus ist auch eine zusätzliche Steuerung über z.B. das Internet möglich, bei der es dann aber nicht mehr darauf ankommt, dass die Steuerbefehle im „richtigen“ Bruchteil einer Sekunde ankommen müssen.

Ausbau der Stromnetze - Zentralisierung

Die Stromwirtschaft, der Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) [5], das Wirtschaftsministerium und die Deutsche Netzagentur (dena) wollen die Stromnetze weiter ausbauen. Die Bundesnetzagentur verlangt sogar von den Übertragungsnetzbetreibern jährliche Berichte über den Fortschritt beim Ausbau ihrer Übertragungsnetze (6).

Die Argumentation in den Medien läuft allerdings anders, etwa so: Bei der Umstellung auf Erneuerbare Energien werden die Versorgungswege von den Energieerzeugern bis zu den Steckdosen der deutschen Stromverbraucher immer länger. Um die wachsenden Entfernungen zu überbrücken, brauche man stärkere und längere Stomnetze.

Zunächst sind wir verblüfft, wenn wir etwas von wachsenden Entfernungen zwischen Stromerzeugern und -verbrauchern hören, denn einen kürzeren Weg als die Stromleitung von der Solaranlage auf dem Dach bis zur Waschmaschine im Badezimmer gibt es wohl kaum. Aber die Stromwirtschaft, der SRU, das Wirtschaftsministerium und die Deutsche Netzagentur denken gar nicht an dezentrale Solaranlagen auf den Dächern der Stromverbraucher, sondern haben völlig andere Vorstellungen von den Strukturen, die sich im Zuge der Energiewende bilden sollen. Sie denken an riesige Offshorewindparks, die in Zukunft von den Stromkonzernen in der Nord- und Ostsee betrieben werden sollen. Sie denken auch an Solar- und Windanlagen in Nordafrika, Stichwort Desertec. Wahrscheinlich denken sie auch - ohne groß darüber zu sprechen - an ihre Grundlastkraftwerke, die sie bei sonnig-windigem Wetter manchmal schon heute abregeln müssen (viel lieber würden sie deren Strom in andere Länder verkaufen, in denen ihnen noch nicht so viele Solar- und Windanlagen das Geschäft verderben - und dazu brauchen sie leistungsfähigere Verbindungsleitungen).

Auch an Stromspeicher denken sie - allerdings (fast ausschließlich) an Pumpspeicherkraftwerke. Das sind traditionell die Lieblingsspeicher der Stromwirtschaft, denn sie sind robust und haben eine lange Lebensdauer und die Energieverluste selbst bei längeren Speicherzeiten sind nicht groß. Allerdings ist ihr Raumbedarf unverhältnismäßig groß. Man spricht hier treffender schon von „Landschaftsverbrauch“.
Machen wir eine Überschlagsrechnung, wie viele Langzeitspeicher wir zukünftig wohl brauchen werden: Sicherheitshalber sollten wir uns nach Umstellung auf 100 Prozent Erneuerbare Energien letztendlich auf vier Wochen fast ohne Wind und Sonne einrichten. Der Vierwochen-Strombedarf nur einer einzigen Person beträgt etwa 0,1 Megawattstunde. Um diese Strommenge in einem Pumpspeicherkraftwerk zu speichern, müsste man viertausend (!) Kubikmeter Wasser hundert Meter hoch pumpen. Und das multiplizieren wir dann mit der Einwohnerzahl von Deutschland und dann müssen wir noch an den zukünftigen nicht-privaten Strombedarf (also Wirtschaft, Industrie, Bahnen usw.) denken, der drei bis fünfmal so groß ist und ebenfalls bis zu vier Wochen gespeichert werden muss.

Da es in Deutschland praktisch schon jetzt kaum Platz für weitere Pumpspeicherkraftwerke gibt, schlägt der Sachverständigenrat für Umweltfragen vor, Pumpspeicherkraftwerke in Norwegen zu nutzen. Doch dieser Gedanke ist - so scheint es - nicht besonders realitätsnah. Es ist bekannt, dass Norwegen viele Bergseen hat, von denen energetisch nutzbares Wasser zu Tal fließt. Und es ist bekannt, dass Norwegen fast nur Wasserkraft nutzt. Doch ihre Wasserkraftwerke haben die Norweger für den eigenen Strombedarf ausgelegt. Pumpspeicherkraftwerke für Deutschland, Niederlande, Belgien und Polen müssten erst noch zusätzlich gebaut werden. Da besonders die Oberbecken für rasch wechselnde Wasserstände eingerichtet werden müssen, ist die Schönheit der ursprünglichen Bergseen rasch dahin. Die Ufer müssen betoniert oder asphaltiert werden, natürlicher Bewuchs und Fischbesatz fallen weitgehend weg. Es fragt sich, wie weit norwegische Naturschützer dem zustimmen werden (siehe dazu den Artikel Rechnung ohne den Wirt gemacht). Ja und es fragt sich wieder einmal, ob überhaupt genügend Platz vorhanden ist.

Unsere Schlussfolgerung: Mit der zugegebenermaßen bewährten Pumpspeichertechnik lässt sich das Speicherproblem für Deutschland allenfalls zu einem kleinen Bruchteil lösen. Es müssen Techniken mit deutlich geringerem Landschaftsverbrauch bzw. erheblich höherer Energiedichte (MWh/m³) verwendet werden. Wir denken an recycelbare aufladbare Batterien für Tag-Nachtspeicher und an
Langzeitspeicherung von Energie in chemischer Form, z.B. in künstlich hergestelltem Methanol (ein nicht genießbarer Alkohol). Für den Chemie-Laien klingt es wie Zauberei, aber man kann tatsächlich aus dem CO2 der Atmosphäre und aus Wasser Methanol erzeugen - mit Hilfe überschüssiger Sonnen- und Windenergie. Und gleichzeitig hätte man damit einen Teil des klimaschädlichen CO2 wenigstens vorübergehend aus der Atmosphäre entfernt. So lange das Methanol in großen Tanks als stille Notfallreserve aufbewahrt wird, solange kann es keinen Beitrag zur weiteren Erderwärmung leisten. Eine geniale Lösung! Um dezentral einen Notvorrat für 4 Wochen ohne Wind und Sonne anzulegen, genügt pro Haushalt etwa ein Tank ähnlichen Volumens wie die alten Heizöltanks.

Mindestens genau so wichtig wie die Frage des Landschaftsverbrauchs ist auch die Frage danach, wo im Verbundnetz die Speicher angeschlossen werden. Wichtig und sinnvoll ist es, den Anschluss dort vorzunehmen, wo die starken Verbrauchsschwankungen oder Einspeiseschwankungen entstehen, damit das „Übel“ direkt an der Wurzel bekämpft werden kann. Bei Pumpspeichern gibt es jedoch nur die Möglichkeit eines Anschlusses im Hoch- oder Höchstspannungsnetz. Wir werden weiter unten auf diese Frage zurückkommen, wenn es um den Anschluss von Batteriespeichern im Niederspannungsnetz geht.

Kurze Verbindungswege zwischen Stromerzeugern, Stromspeichern und Verbrauchern - Dezentralisierung

Der SFV hat andere Vorstellungen von der Energiewende als die Stromwirtschaft. Wir wollen eine dezentrale Stromversorgung. Wir wollen den Aufwand für die Stromleitungen minimieren, indem wir die Wege verkürzen, die der Strom zwischen Erzeuger, Speicher und Verbraucher zurücklegen muss. Wir brauchen:

  • Solaranlagen auf den Dächern und Kurzzeitspeicher für Strom in den Kellern,
  • Windanlagen mit Großspeichern vor den Toren der Städte und Dörfer,
  • Langzeitspeicher auf chemischer Grundlage (z.B. Methanol) in der Nähe der Verbraucher.

Die Stromwirtschaft strebt dagegen Windparks in Nord- und Ostsee an und Solarkraftwerke in Südeuropa und Nordafrika. Dazu setzt sie auf Pumpspeicherkraftwerke in Norwegen und in den Alpen. Dies ist eine völlig andere Struktur.

Bewertung der Lösungsvarianten durch den SFV

Man kann lange über die Vor- und Nachteile der beiden Lösungsvarianten streiten, über ihre Kosten, die Veränderung des Landschaftsbildes, die Sicherheit vor einem europaweiten Zusammenbruch der Stromversorgung, die gesellschaftlichen Auswirkungen, die politische Durchsetzbarkeit, die globale und die europäische Beispielwirkung und noch mehr.

Wir ordnen deshalb die Beurteilungskriterien nach ihrer Wichtigkeit. Aus Gründen des Klimaschutzes und der Vermeidung weiteren radioaktiven Abfalls ist uns die rasche Umsetzbarkeit besonders wichtig. Und die ist bei der dezentralen Lösungsvariante bei weitem besser.

Der größte Nachteil der zentralistischen Lösung liegt in der vorhersehbaren immensen Zeitdauer ihrer Umsetzung. Die Akteure sind Großkonzerne, die derzeit mit der konventionellen Energieversorgung ihr Geld verdienen. Ihr Interesse an einer schnellen Veränderung ist deshalb nur gering. Die Akteure der dezentralen Lösungsvariante hingegen sind die Hersteller von Solarsilizium, Solarzellen, Solarmodulen, Solarzubehör, die Solarinstallateure sowie Bürger mit eigenem Dach. Es sind ferner die Land- und Forstwirte mit windhöffigen Flächen, sowie einige Windanlagenhersteller, die sich auf Windkraftanlagen für das Binnenland spezialisiert haben. Sie alle haben großes Eigeninteresse an einer Beschleunigung der dezentralen Energiewende.

Dass unsere Beurteilung der Umsetzungsgeschwindigkeit nicht aus der Luft gegriffen ist, zeigen die bisherigen praktischen Ergebnisse. Ein erster Anfang ist bereits gemacht. Während die Verfechter der zentralen Lösung noch planen, erzeugen die dezentralen Solaranlagen schon 3,5 Prozent und die dezentralen Windanlagen an Land sogar schon etwa 7 Prozent des deutschen Strombedarfs.
Wie unwahrscheinlich eine rasche Umsetzung der zentralistischen Lösungsvariante ist, ergibt sich auch aus zwei weiteren wichtigen Details, den politischen Unruhen in Nordafrika und der strikten Weigerung der größten norwegischen Umweltorganisation, die norwegische Bergseenlandschaft zu Pumpspeichern für Europa umbauen zu lassen.

Und schließlich wollen wir weder deutsche noch norwegische Pumpspeicherkraftwerke, sondern wir setzen auf Kurzzeit-Speicher, Tag-Nachtspeicher (aufladbare Batterien) und Langzeitspeicher auf chemischer Basis. Die haben einen Volumenbedarf von weniger als ein Hundertstel der Pumpspeicherkraftwerke.

Für größere Speicheraufgaben, wie dezentrale Speicherung des Windstromüberschusses in der Nähe eines Windparks, kommen auch Natrium-Schwefel-Batterien in Frage. Die dafür verwendeten Rohstoffe sind praktisch unbegrenzt verfügbar und billig. Dieser Batterietyp muss jedoch immer unter einer hohen Temperatur von über 300 Grad gehalten werden. Der Aufwand für die dazu notwendige Wärmeisolierung fällt um so weniger ins Gewicht, je größer die Batterie ist (z.B. hat eine Batterie mit dem achtfachen Volumen nur die vierfache Oberfläche, die wärmeisoliert werden muss).

Anmerkungen

(1) Hans-Josef Fell in einer Mail vom 13.05.2011 an den SFV: "(...) Ob wir unser aktuelles jährliches Ausbauziel für die nächsten Jahre in Höhe von 5 GW im Jahr anheben, wird u.a. davon abhängen, wie sich die Speichersituation in Deutschland entwickelt und wie schnell die Netze dadurch entlastet werden können. Der BSW hat hier im Vergleich zu anderen Organisationen mit seiner Roadmap den Nachweis gebracht, dass ein jährlicher Zubau von 5 GW für die Netzstabilität machbar ist, wenn gezielte Maßnahmen getroffen sind. (...)"

(2) Die neue Anwendungregel VDE-AR-N 4105 ersetzt gerade das bisher in der VDE0126.1.1 geforderte Abschalten bei 50,2 Hz. Damit ist überhaupt erst mal die Vorraussetzung geschaffen, dass das Netz zuverlässig mit einem hohen Anteil PV laufen kann. Wichtig ist nämlich, nicht nur einfach abzuschalten, sondern möglicht geregelt Leistung zur Verfügung zustellen. Bei 50,2 Hz ist allerding die Nennfrequenz überschritten und es sollte die Erzeugungsleistung ETWAS reduziert werden, um wieder auf die Nennfrequenz zu kommen. Es werden die Anlagen deshalb erst dann wieder langsam zugeschaltet, wenn die Frequenz auf 50 Hz zurückgegangen ist.

(3) Nennspannung plus minus zehn Prozent bedeutet an der Steckdose 230 Volt + 23 Volt = 253 Volt als Obergrenze und 230 Volt - 23 Volt = 207 Volt als Untergrenze

(4) § 11 Einspeisemanagement EEG 2012, § 12 Härtefallregelung EEG 2012

(5) Wege zur 100 % erneuerbaren Stromversorgung Sondergutachten Januar 2011

(6) Bericht gemäß § 63 Abs. 4a EnWG zur Auswertung der Netzzustands- und Netzausbauberichte der deutschen Elektrizitätsübertragungsnetzbetreiber

(7) "Schwarzstart" bedeutet, ein stromloses Wechsel- oder Drehstromnetz erstmals oder nach nach einem vollständigen blackout wieder unter Strom und Spannung zu setzen. Diese Aufgabe ist nicht trivial, denn die meisten Wärmekraftwerke sind nicht schwarzstartfähig. Sie brauchen bereits vor dem Anlaufen ihrer Generatoren elektrische Energie, damit sie ihr Feuerungs- und Dampferzeugungssystem starten können. Diese Energie entnehmen sie dann dem Stromnetz. Wasserkraftwerke sind hingegen schwarzstartfähig. Bei ihnen braucht "nur" ein Schieber geöffnet zu werden.