Energiespeicherung – die nächste Herausforderung im Rahmen der Energiewende

Trotz des starken Gegenwinds erreichten die Investitionen in saubere Energien im Jahr 2023 1,7 Billionen USD, 65 % mehr als bei fossilen Brennstoffen. Ehrgeizige Ziele für die Energiewende stellen sicher, dass Investitionen in erneuerbare Energien und verwandte Technologien weiter steigen werden. Auf der COP28 in Dubai einigte sich die Welt darauf, die Kapazität für erneuerbare Energien bis 2030 zu verdreifachen. Nach Angaben von BNEF müssen sich die Investitionen in die Energiespeicherung auf 93 Milliarden USD jährlich verdreifachen, um Klimaneutralität zu erreichen.¹

Solar- und Windenergie sind von Natur aus sauber und reichlich vorhanden, doch sie stehen nur unzuverlässig zur Verfügung. Außerdem stimmen selbst bei idealen Wetterbedingungen die Zeiten eines starken Angebots an erneuerbaren Energien nicht immer mit den Zeiten einer starken Stromnachfrage überein. Die Energiespeicherung überbrückt diese Lücke, da sie dabei hilft, überschüssige erneuerbare Energie, die zu Spitzenzeiten erzeugt wird, zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen, wenn die Energienachfrage hoch ist (aber die Kapazität erneuerbarer Energien gering).

Zu wenig erneuerbare Energie bei hoher Nachfrage ist das eine Problem, ein zu hohes Angebot zu anderen Zeiten ein weiteres. Wenn die Sonneneinstrahlung oder der Wind stark sind, können die Übertragungsleitungen überlastet werden, was zu Engpässen, verminderter Leistung und sogar zu Stromausfällen führen kann. Infolgedessen müssen erneuerbare Energien oft abgeschaltet oder eingeschränkt („Curtailment“ bzw. Drosselung) werden, um eine Systemüberlastung zu vermeiden. In Kalifornien wurden im Jahr 2022 1,9 TWh an solar erzeugter Energie eingeschränkt. Das entspricht der Versorgung von 200.000 Haushalten für ein ganzes Jahr.² Im Jahr 2020 hat das Vereinigte Königreich so viel Windenergie eingeschränkt, dass damit jährlich über eine Million Haushalte versorgt werden könnten.³

Durch die Einschränkung werden nicht nur wertvolle Energieressourcen verschwendet, sondern es besteht auch die Gefahr, dass der Ausbau der erneuerbaren Energien verzögert wird. Die Netzbetreiber zögern, weiter in den Ausbau des Angebots zu investieren, wenn die Einnahmen aus den erneuerbaren Energien nicht vollständig erfasst oder die Wartungskosten nicht gedeckt werden können.

Energie kann auf viele Arten gespeichert werden, was zu einem breiten Spektrum an Speichertechnologien führt (siehe Abbildung 1). Die Technologien reichen von der Nutzung des Energiepotenzials elektrochemischer Reaktionen in Batteriezellen bis hin zu weitaus größeren Verfahren wie den Pumpspeicherkraftwerken, die das Energiepotenzial von Wasserströmen zwischen riesigen Stauseen speichern.

Jede Technologie weist bestimmte Merkmale auf, die je nach Marktbedingungen eine Stärke oder eine Schwäche darstellen können. Bei Superkondensatoren werden beispielsweise Magnetfelder genutzt, um kurze Impulse an Hochspannungsenergie zu speichern und abzugeben, etwa zum Ein- und Ausschalten von Elektromotoren an einer Ampel. Dadurch sind sie ideal für die Notstromversorgung in Krankenhäusern oder öffentlichen Verkehrsmitteln.

Die Pumpspeicherkraft ist für ihre Langlebigkeit und Zuverlässigkeit bekannt, wodurch sie unter den installierten Speicheranlagen bei weitem dominiert. Sie ist jedoch auf Regionen beschränkt, die mit reichlich Wasser und Platz gesegnet sind. Außerdem leiden sie unter einer verzögerten Reaktionszeit, womit sie für Energienetze der nächsten Generation, die ein nahezu sofortiges Ein- und Ausschalten erfordern, weniger geeignet sind. Die größten Nachteile sind jedoch die Dauer und die Kosten.

Auf der einen Seite stehen Technologien, die viel Energie für lange Zeiträume speichern, die aber auch viel Infrastruktur benötigen (und Kosten verursachen). Auf der anderen Seite gibt es solche mit schnellen Reaktionszeiten und weniger Infrastruktur, aber auch mit kürzerer Dauer (und teurer pro Energieeinheit). Batterien liegen irgendwo in der Mitte, dadurch sind sie für eine breite Palette von Anwendungsfällen beliebt.

Dank Elektrofahrzeugen hat sich die Batterietechnologie auch in den für Stromnetze erforderlichen großen Maßstäben erheblich weiterentwickelt. Noch wichtiger ist, dass die Batteriekosten in den vergangenen zehn Jahren um 80 % gesunken sind. Es wird erwartet, dass die Batteriespeicherung bei Versorgern bis 2030 jährlich um 29 % (CAGR) wachsen wird (siehe Abbildung 2) und um 18 % bei gewerblichen und industriellen Energieverbrauchern wie Rechenzentren und Krankenhäusern, die ihre eigenen Energiespeichersysteme betreiben.

Batterien bergen weitere Vorteile. Sie sind günstig, einfach zu installieren, vielseitig einsetzbar und können – wie Superkondensatoren – hohe Spannungen bereitstellen, die schnell hoch- oder heruntergeregelt werden können. Damit sind sie ideal, um Netzbetreibern zu helfen, die täglichen Ungleichgewichte zwischen Angebot und Nachfrage, die durch die Nutzung erneuerbarer Energien zunehmen, kosteneffizient auszugleichen. Außerdem können sie auch zur Netzstabilität beitragen, indem sie Energie aus dem Netz nehmen, um Überlastungen (d. h. zu viel Energie, die durch zu wenige Übertragungsleitungen fließen soll) zu vermeiden. Ebenso können Batterien in zeitlich begrenzten Intervallen Energie bereitstellen, um das Netz mit den von den lokalen Marktgesetzen vorgeschriebenen Frequenzströmen in Betrieb zu halten.

Batterien bringen allerdings auch Nachteile mit sich. Mit einer Speicherdauer von nur 4-6 Stunden zeigen sich viele Batterietypen für eine wochen- oder saisonübergreifende Speicherung ungeeignet. Die langfristige Speicherung ist jedoch entscheidend, um das Potenzial der erneuerbaren Energien voll auszuschöpfen. Andere Batterietypen befinden sich ebenfalls in der Entwicklung, darunter Redox-Flow-, Metall-Luft- und Festkörperbatterien, die zwar als vielversprechend erscheinen, aber bei der Netzintegration auf Hindernisse stoßen, die unserer Meinung nach eine breite kommerzielle Nutzung begrenzen werden.

Wir sind optimistisch in Bezug auf Lithium-Ionen-Batterien, da sie die wettbewerbsfähigste und vielseitigste Lösung für Versorger und Netzbetreiber darstellen. Um ihr Potenzial voll ausschöpfen zu können, müssen sie jedoch effizient in neue oder bestehende Netzinfrastrukturen integriert werden. Dieser Prozess erfordert häufig kompetente Dienstleistungen auf mehreren Ebenen. Unserer Ansicht nach sind Anbieter integrierter Speicher und Versorger für integrierte Energie damit am besten positioniert, um von den strukturellen Faktoren zu profitieren.

Anbieter integrierter Speicher vereinen Speicherlösungen wie Batteriestrom mit Systemintegration und digitalen Managementdiensten, die dazu beitragen, den Netzstrom dynamisch an die Nachfrage anzupassen. Vertikal integrierte Energieversorger erweitern die Bündelung von Dienstleistungen noch weiter. Sie besitzen nicht nur Solar- und Windparks, sondern verfügen auch über das Fachwissen, um netzunabhängige Stromversorgung für entlegene oder stromhungrige Kunden wie Rechenzentren einzurichten. Dadurch erhalten sie die Kontrolle über vielfältige Dienstleistungen im Netzmaßstab (und Ertragsströme davon). Außerdem werden ihre Projektportfolios geografisch ausgeweitet.

Einer der größten integrierten Betreiber der USA, der in 49 Bundesstaaten tätig ist, entwickelt die größte solarbetriebene Batterie Floridas. In ähnlicher Weise entwickelt der führender Anbieter erneuerbarer Energien in Australien sein größtes Batterieprojekt mit Technologie von Tesla. In Südamerika bauen chilenische Betreiber Batteriespeicher neben kritischen Solaranlagen in der Atacama-Wüste auf. Im Vereinigten Königreich rüsten die Energieversorger die ehemals mit Kohle betriebene Netzinfrastruktur für die Nutzung als Batteriespeicher um.

In dem Maße, wie die Ziele für erneuerbare Energien und die Zahl der Anlagen zunehmen, steigt auch der Bedarf an Speicherlösungen. Eine effiziente und vielseitige Speicherung ist entscheidend. Eine effiziente Integration und ein effizientes Management des Stromflusses sind jedoch ebenso wichtig, um den Nutzen der erneuerbaren Energien zu maximieren.

Das größte Potenzial für eine rentable Lösung der Netzspeicherproblematik liegt daher bei den integrierten Dienstleistern.



Wir möchten Patricia Garcia Abad für ihre wertvolle Research und Beiträge zu diesem Artikel danken.

Fußnoten

¹BloombergNEF, Energy Transition Investment Outlook. 2023.
² WEF, 2023. „Storage is the key to the renewable energy revolution“
³Lane, Clark und Peacock, LLP. Januar 2021. „Is Battery Storage a good investment.“