Batterien für saisonale Stromspeicherung?

Autor: Jörg Hofstetter —
Die Preise für Batteriespeicher sind in den vergangenen zehn Jahren um den Faktor fünf gesunken (1). Dadurch werden Batterien – insbesondere in Kombination mit dem Ausbau der Photovoltaik (PV) – für Anwendungen wie die Glättung von Produktionsspitzen und die Stabilisierung des Stromnetzes zunehmend attraktiv.

Bei einer solchen Erfolgsgeschichte drängt sich natürlich die Frage auf, ob Batterien nicht auch für die saisonale Stromspeicherung eingesetzt werden können – also um im Sommer erzeugten Überschussstrom für den Winter zu speichern. Wie wir jedoch sehen werden, ist das keine gute Idee, denn für diesen Zweck gibt es deutlich kostengünstigere Lösungen. Und für eine wirksame Bekämpfung der Klimakrise ist es entscheidend, jeweils die effizienteste und umweltschonendste Variante zu wählen.

Um die Kosten verschiedener Speichertechnologien fair vergleichen zu können, müssen alle Ausgaben über die gesamte Lebensdauer berücksichtigt werden – von der ersten Investition bis zu den laufenden Betriebskosten.

Im Folgenden vergleichen wir exemplarisch die Stromgestehungskosten von Batterie– und Pumpspeichern für die saisonale Speicherung.

Bild 1: Batteriespeicher

Ein Batteriespeicher braucht neben den eigentlichen Akkus (Akkumulator = wiederaufladbare Batterie) einen Wechselrichter/Gleichrichter für die Wandlung zwischen Gleich- und Wechselstrom.
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Bild 2: Pumpspeicher

Ein Pumpspeicherkraftwerk besteht aus einem Oberbecken und einem Unterbecken. Mit Hilfe von Pumpen kann Wasser vom Unterbecken in das Oberbecken gepumpt werden, wenn es überschüssigen Strom gibt. Wenn später wieder mehr Strom gebraucht wird, lässt man das Wasser aus dem Oberbecken nach unten fließen. Dabei treibt es Turbinen an, die via Generatoren Strom erzeugen. So kann Energie in Form von Wasser, das höher liegt, gespeichert werden.

Speicher für die saisonale Speicherung müssen eine sehr grosse Kapazität (gemessen in GWh) haben, um im Sommer genügend Überschussstrom speichern zu können, der dann im Winter über längere Zeit relativ langsam wieder abgegeben (entladen) wird. D.h. die Entladeleistung (gemessen in GW) kann im Vergleich zur Kapazität relativ klein sein. Typischerweise wird der Speicher einmal im Jahr aufgeladen und wieder entladen, d.h. einem Zyklus pro Jahr.
Die eigentlichen Kostenrechnungen wurden mit dem in (2) beschriebenen Speicherkosten-Rechner „Energy Storage Ninja“ erstellt. Konkret haben wir angenommen, dass die gesamte Speicherkapazität 1’000 GWh beträgt, was ungefähr 10% der aktuellen Speicherkapazität der Schweizer Speicherseen entspricht (5), und einer Entladeleistung von 1.5 GW, was zu einer Entladezeit von ca. 666 Stunden führt.

In obiger der Grafik sehen wir die resultierenden Stromgestehungskosten pro erzeugter Energiemenge (gemessen in SFr/kWh) für Batterien (rot) und Pumpspeicher (blau) in Abhängigkeit der Anzahl Zyklen. Bei wenigen Zyklen stiegen diese Kosten stark ansteigen. Bei Pumpspeicherwerken (blau) erfolgt dieser Anstieg aber bedeutend langsamer als bei Batterien (rot).
Pumpspeicher sind also bei wenigen Zyklen, bei saisonaler Speicherung gehen wir von einem einzigen Zyklus aus, bedeutend kosteneffizienter!

Den Effekt des Anstieges bei wenigen Zyklen kennen wir im Grundsatz von der Kostenrechnung bei Autos: Der Preis pro Kilometer fällt mit der Anzahl gefahrener Kilometer, da die Anschaffungskosten damit auf mehr Kilometer verteilt werden können.

Die Unterschiede zwischen Batterien und Pumpspeicher ergeben sich im Wesentlichen durch die Investitionskosten für die benötigte grosse Speicherkapazität, d.h. Staumauer/Speichersee oder Batterien. Da ein Speichersee mit Staumauer eine bedeutend längere Lebensdauer als Batterien haben, verringern sich bei den Pumpspeichern die jährlichen Amortisationskosten. Detailliertere Erklärungen zu den Preisunterschieden finden sich für Interessierte im Kapitel „Nachtrag“.

Schlussfolgerungen

Es geht hier nicht um die Frage, welche Technologie besser ist. Vielmehr geht es darum, in welcher Situation eine Technologie optimal eingesetzt wird kann, und ob es allenfalls günstigere und Ressourcen schonendere Alternativen gibt.

Im Bericht “Saisonale Speicher Technologien im Vergleich” wird ersichtlich, dass die Investitionskosten von Batteriespeichern ca. um den Faktor 100 fallen müssten, damit diese als saisonale Speicher wirtschaftlich interessant würden. Dies ist aber aus heutiger Sicht in den nächsten Jahrzehnten kaum zu erwarten. Dort wird auch ersichtlich, dass selbst Pumpspeicherwerke bei wenigen Zyklen und grossen Speichermengen bevorzugt für den Ausgleich täglicher Schwankungen (= viele Zyklen) eingesetzt werden und bei grossen Speicherkapazitäten chemische Speicher (Wasserstoff, synthetisches Methan etc.) Preisvorteile bieten, diese Technologgien aber noch wenig etabliert sind.

Aus wirtschaftlicher Sicht dürfte es für die Schweiz um das Jahr 2040 am sinnvollsten sein, den im Winter fehlenden PV-Strom möglichst weitgehend durch alpine Photovoltaik (Sonne auch bei Nebel im Mittelland), Windenergie (Wind weht auch bei geringer Sonneneinstrahlung), Stromimporte (aufgrund unterschiedlicher Wetterlagen in Europa) und den koordinierten Einsatz bestehender Speicherseen (4) zu kompensieren, sodass große saisonale Speicher nur in Ausnahmefällen – etwa bei extremen Dunkelflauten und Import-Ausfällen – benötigt werden.
Dazu sind Reserve-Gaskraftwerke, betrieben z.B. mit synthetischen Gasen / eFuels, die wirtschaftlichere Variante. Bis diese Treibstoffe marktreif werden, kann auch fossiles Gas verwendet werden, da die Mengen durch den seltenen Einsatz sehr gering sind. Auch Wärmespeicher werden zukünftig im Winter eine zunehmende Rolle spielen. Siehe dazu auch “Saisonale Speicher gegen Dunkelflaute”.

Nachtrag: Details zur Begründung der Preisunterschiede

Nachfolgend sind die wichtigsten Kostentreiber der beiden Technologien Batterien und Pumpspeicher aufgeführt und miteinander verglichen::

	Pumpspeicher	Batterien
Betriebskosten	Strom zum Betreiben der Pumpen	Strom zum Laden der Batterien
Investitionen abhängig von Speicherkapazität (gemessen GWh) = Grösse des Speichersees	Speichersee und Staumauer	Akkus
Investitionen abhängig von Lade/Entlade-Leistung (gemessen in GW) = Mass für die Lade/Entladedauer	Generatoren und Pumpen	Wechselrichter/Gleichrichter

Die Betriebskosten sind in beiden Fällen vergleichbar. Die grossen Unterschiede ergeben sich bei den Investitionen. Dabei fallen Investitionen für die grossen Speicherkapazität mehr ins Gewicht, als Investitionen in die Lade-/Entladeleistung, da diese bei saisonalem Speicher anteilsmässig relativ klein sind.
Bei einem Batteriespeicher macht die Beschaffung der Akkus den grössten Anteil aus, da diese direkt abhängig von der Speicherkapazität sind. Zudem haben Speicherseen/Staumauer eine viel längere Lebensdauer, sind damit in der Amortisation günstiger.
Die Kostenrechnungen wurden mit dem in (2) beschriebenen Speicherkosten-Rechner „Energy Storage Ninja“ erstellt.
Bemerkung: Die Selbstentladung von Batterien, welche auf ein halbes Jahr etwa 15% ausmacht, sind nicht berücksichtig in dieser Berechnung.

Anhang:

(1) Kostenentwicklung

https://gruenes.haus/photovoltaik-preisentwicklung/#:~:text=Leistungs-Sieger %2B Preisentwicklung-,Preisentwicklung%3A Stromspeicher,nur noch knapp 350 €.

(2) Gesamtkosten von Strom-Speicherung

LCOS = Levelized Cost of Storage,  repräsentiert die Gesamtkosten für die Speicherung einer bestimmten Menge Strom über die gesamte Lebensdauer eines Energiespeichersystems, ausgedrückt pro Kilowattstunde entnommener Energie. Diese Kosten umfassen die Anschaffung, Installation, Wartung, den Ersatz und die Kosten für den zum Laden der Speicher benötigten Strom sowie die durch die Speicherung entstehenden Verluste, wie die Degradation der Batteriekapazität. https://energiespeicher.blogspot.com/2017/12/lcos-levelized-cost-of-storage-preis.html

Für die konkreten Berechnungen haben wir folgendes Werkzeug verwendet: O. Schmidt & I. Staffell, “Monetizing energy storage: a toolkit to assess future cost and value”. https://energystorage.shinyapps.io/LCOSApp/

(3) Pumpspeicherwerke (siehe dazu die Skizze im Nachtrag) werden heute in der Praxis kaum für die saisonale Speicherung verwendet, weil auch bei Pumpspeichern häufige Zyklen viel lukrativer sind. Aber als Vergleich zur Kostenberechnung mit Batterien wählten wir bewusst diese gut verständliche Technologie, um die grundlegenden Mechanismen der Kostenrechnung aufzuzeigen.

(4) Bei Speicherseen kommen sowohl Pumpspeicherwerke als auch Speicherkraftwerke, die sich grundsätzlich unterscheiden, zum Einsatz. Während Pumpspeicher zur Speicherung von Strom dienen, werden in Speicherkraftwerken natürliche Wasserzuläufe zurückgehalten, die später in Strom umgewandelt werden können.

(5) Vergleich der Grössenordnung der Speicherkapazität;

• Die Schweiz hat heute ca. 8,8 TWh Speicherkapazität in Form von Speicherseen (inkl. Pumpspeicher)
• In der Studie https://co2nettonull.com/saisonale-speicher-gegen-dunkelflaute/ wurden ca. 1 TWh an benötigter Reserveenergie errechnet.