Studie zeigt: Grossbatterien und Wärmespeicher sind wirtschaftlich am sinnvollsten

Energie lässt sich speichern: Strom in Batterien, als Speicherseen, in Wasserstoff, Wärme in Erdbecken, im Untergrund oder in Tanks. Solche Speicher sind für die nötige Flexibilität des Schweizer Energiesystems der Zukunft wichtig. Doch: Welche Speicher-Technologien eignen sich am besten – aus energiewirtschaftlicher und netzorientierter Sicht? Und wie gross ist der Bedarf für 2035 und 2050? Eine Studie im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE) hat dies untersucht.

Das Schweizer Energiesystem der Zukunft ist auf grosse Flexibilität angewiesen. Die Produktion von PV- und Windstrom ist wetterabhängig. Auf der Verbraucherseite belasten die Elektrifizierung der Wärmebereitstellung und des Mobilitätssektors das Stromnetz zunehmend. Optimiertes Laden von E-Fahrzeugen oder die Steuerung von Erzeugungsanlagen bieten zwar eine gewisse Flexibilisierung. Doch um das System im Gleichgewicht halten zu können, muss diese Flexibilität jederzeit – also sekündlich und saisonal – sichergestellt sein. Darum ist das System auch auf Speichertechnologien angewiesen.

Das kann die Batterie eines Elektroautos sein, der Speicher im eigenen Haus für den überschüssigen PV-Strom, eine Grossbatterie beim Energieversorger, ein Wasserstoff-Tank oder der Aquifer im Untergrund (Beispiel Swatch in Biel oder Flughafen Zürich) oder auch die Gebäudemasse zur Speicherung von Wärme.

Die Studie kommt nun zum Schluss, dass sich Grossbatterien und Wärmespeicher in Wärmenetzen punkto Wirtschaftlichkeit am besten eignen. Gas- und Wasserstoffspeicher hingegen sind für die Schweiz in den untersuchten Szenarien nicht effizient. Batterie-Heimspeicher sind zwar für Besitzer von PV-Anlagen sinnvoll, da diese so den Eigenverbrauch erhöhen und Netzkosten sparen können. Doch aus Systemsicht – so die Studie – sind Heimbatteriespeicher nicht wirtschaftlich.

Durchgeführt wurde die Studie von der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), der Hochschule Luzern (HSLU) und vom Fachberatungsunternehmen Consentec im Auftrag des BFE. Ingmar Schlecht ist Mitautor der Studie. Er arbeitet am Zentrum für Energie und Umwelt der ZHAW.

Energeiaplus: Laut Studie sind Grossbatterien für die Energieversorgung zentral und wirtschaftlich sinnvoll. Solche Grossbatterien sind in Planung (z.B. in Laufenburg) oder bereits realisiert (in Glarus). Welche Rolle spielen sie in Zukunft?

Ingmar Schlecht arbeitet am Zentrum für Energie und Umwelt der ZHAW und ist Mitautor der Studie über den Bedarf an Energiespeichern. Bild: Vlada Maksimova

Ingmar Schlecht: Grossbatterien haben in den letzten Jahren eine beeindruckende Kostensenkung erfahren und sind nun plötzlich für viele Einsatzzwecke im Stromsystem wirtschaftlich. Heute sind Batterien vor allem für den kurzfristigen Ausgleich im Stromsystem im Regelleistungs- und Regelenergiemarkt attraktiv. Dieser Spezialmarkt ist jedoch in seiner Grösse überschaubar. Die relevantere Rolle von Batterien für die Schweiz liegt langfristig darin, Energieüberschüsse vor allem aus solar-reichen Stunden in die verbrauchsstarken Abendstunden zu verschieben. Ihre Fähigkeit zum sehr kurzfristigen Stromausgleich werden sie aber auch dabei immer beibehalten und nutzen.

Die Studie kommt weiter zum Schluss, dass Speicher im Einfamilienhaus für den überschüssigen PV-Strom für das Gesamtsystem nicht sinnvoll sind? Erklären Sie bitte.

Kurz gesagt: Weil sie im Vergleich zu Grossbatterien teurer sind und weniger effizient im Sinne des Gesamtsystems eingesetzt werden.

Nun kann man sich aber fragen: Warum lohnt sich dann ein Heimspeicher für Haushalte mit Solardach dennoch oft? Der Grund ist einfach: Der Strompreis enthält nicht nur den eigentlichen Energiepreis, sondern auch regulierte Komponenten wie Netzentgelte. Mit der Batterie kann ich den Eigenverbrauchsgrad erhöhen, also noch mehr des selbst erzeugten Solarstroms selber nutzen. Dadurch spare ich den Strompreis inklusive der regulierten Komponenten wie Netzentgelte. Das ist für mich attraktiv, aber für die Allgemeinheit sinken dadurch die Einnahmen, die zur Finanzierung von fixen Kostenblöcken dienen. Für alle anderen wird dadurch der Strom teurer: Die fixen Kosten für das Netz müssen nun auf die verbleibenden Kunden umgelegt werden, was es für diese teurer macht. Dieser Effekt führt dazu, dass Heimspeicher zwar aus individueller Perspektive oft wirtschaftlich sind, das Gesamtsystem jedoch teurer machen.

Stichwort Netz- und Systemstabilität: Welche Technologie kann welche Funktion übernehmen? Angebot und Nachfrage müssen ja jederzeit im Gleichgewicht sein.

Ein wichtiger Beitrag wird hier durch die bestehende Wasserkraft geleistet. Sie ist die wichtigste Säule der Schweizer Systemstabilität, sowohl im Bereich des kurzfristigen Ausgleichs von Angebot und Nachfrage, als auch für spezialisiertere Systemdienstleistungen wie Schwarzstartfähigkeit, also die Fähigkeit auch nach einem Blackout das Stromnetz wieder hochfahren zu können. Für den kurzfristigen Ausgleich wird sie jedoch zunehmend Konkurrenz durch günstigere Grossbatterien bekommen, die in den Markt kommen.

Beim Umgang mit Engpässen im Verteilnetz ist die effizienteste Lösung wieder eine andere: Hier kommt die Nachfrageseite ins Spiel. Um Überlastungen von Stromleitungen in Städten und Gemeinden zu verhindern, brauchen wir keine neuen Speicher oder Kraftwerke, sondern sollten Elektroautos und Wärmepumpen nach den Engpässen im Netz ausrichten. Dynamische Netztarife, wie sie einzelne Verteilnetzbetreiber in der Schweiz schon eingeführt haben, können dazu sinnvolle Anreize geben.

Das bedeutet dann, dass beispielsweise das Laden des Autos nicht direkt nach dem Feierabend um 18:00 erfolgen sollte, sondern zeitverzögert, wenn das Netz weniger ausgelastet ist oder gar am Wochenende, wenn der Stromverbrauch insgesamt niedrig ist. Damit macht man sich den ohnehin vorhandenen Speicher des Elektroautos zunutze. Eine ähnliche Pufferfunktion kann im Bereich der Wärme auch das Haus selber durch einen smarten Betrieb von Wärmepumpen und Vorheizen des Gebäudes haben. Auch dafür wären dynamische Stromtarife der passende Anreiz für Haushalte.

Welche Besonderheiten des Schweizer Energiesystems beeinflussen den Speicherbedarf?

Die Schweiz ist heute bereits ein Flexibilitäts-Powerhouse. Durch die Wasserkraftwerke hat die Schweiz heute bereits mehr innertägliche Ausgleichsmöglichkeiten im Stromsystem, als es für ihren eigenen Bedarf nötig wäre. Sie ist also bereits Flexibilitäts-Exporteurin und generiert damit Einnahmen für die Wasserkraftwerke, die oft indirekt an die Kantone oder Gemeinden fliessen.

Dadurch ist die Schweiz weniger als andere Länder auf den Ausbau kurzfristiger Speicherkapazität angewiesen als andere Länder.

Anders sieht es beim langfristigen Ausgleich aus, also den Jahres- und Mehrjahresspeichern. Auch dort haben Wasserkraft-Speicherwerke zwar eine bedeutende Funktion, dennoch kann die Schweiz im Winter ihre eigene Nachfrage nicht selbst decken und importiert regelmässig im Winter Strom aus dem Ausland. Da die Windkraft im Ausland besonders im Winter viel produziert, ist das ein sinnvoller Handel. Zur Absicherung gegen Importausfälle kann aber auch eine Speicherung im Inland Sinn ergeben.

Welche Investitionen sind denn aus heutiger Sicht besonders sinnvoll?

Aus heutiger Sicht sind Investitionen in Grossbatterien und in thermische Speicher in Fernwärmenetzen sinnvoll.

Wir empfehlen ausserdem, die grossen Ölspeicher in der Schweiz zu erhalten, die heute bereits als Pflichtreserve existieren. Passend dazu sollten Reservekraftwerke zudem so gebaut werden, dass sie nicht nur Gas, sondern im Krisenfall auch Heizöl verbrennen können. Denn Öl lässt sich sehr günstig speichern – Grössenordnungen günstiger als andere Energiespeicher.

Die Verbrennung von Öl ist jedoch mit hohen CO₂-Emissionen verbunden. Es eignet sich also insbesondere zur Krisenvorsorge, denn es lässt sich günstig lagern, aber man möchte es möglichst nicht oder nur sehr selten verbrennen. Mit einer solchen Reserve kann man in normalen Jahren, also Jahren ohne Krise, im Winter problemlos Strom aus dem Ausland importieren, ohne die eigene Versorgungssicherheit zu gefährden. Denn bei einem (unwahrscheinlichen) Importausfall hätte man eine Alternative.

Die Studie hat den Bedarf an Energiespeichern für die Jahre 2035 und 2050 analysiert. Kann man den Bedarf beziffern?

Ja, konkret liegt das ökonomische Optimum laut unserem Modell bei rund 4 GW Grossbatterien – sodass die Batterien einen bedeutenden Teil der Schweizer Spitzenlast von heute rund 10 GW abdecken könnten.

Für saisonale Wärmespeicher hingegen liegt das ökonomische Optimum in unserem Modell bei 0.6 GW thermisch. Bei ihnen kommt es jedoch vor allem auf die gespeicherte Energiemenge an, die im berechneten Optimum bei rund 350 GWh thermisch liegt. Dadurch lässt sich der Winterstromverbrauch um etwa den Stromverbrauch eines halben Wintertages reduzieren.

Für die Schweizer Energiebilanz im Winter ist die Rolle der thermischen Speicher also eher klein, für die jeweiligen Fernwärmenetze mit Speichern würden aber rund 15% der Jahreslast aus diesen Speichern bedient. Wenn insgesamt mehr Fernwärme ausgebaut wird, als in dem eher konservativen Szenario angenommen wurde, gehen wir davon aus, dass die absolute Grösse daher auch noch steigen könnte.

Um auch seltene Krisenjahre ohne die Möglichkeit von Stromimporten durchstehen zu können wäre in unserem Modell ein weiterer Zubau von Photovoltaik (4.7 GW zusätzlich zur Grundannahme von 22 GW) und Wind (1.8 GW) sowie ein zur Verbrennung von Heizöl ausgerüstetes Zweistoffkraftwerk von 600 MW kosteneffizient.

Welche Faktoren spielen für die Berechnung eine Rolle?

Der wichtigste Faktor sind die Kosten der jeweiligen Technologien. Grossbatterien sind auch deshalb so eine relevante Speichertechnologie geworden, weil sie heute so viel günstiger sind als noch vor wenigen Jahren. Zudem spielen natürliche Faktoren wie die angenommene Stromnachfrage und die angenommene Flexibilität der Nachfrageseite eine Rolle, da auch diese den Bedarf an Speichern beeinflussen.

Verändert sich der Speicherbedarf über die Zeit?

Wir haben in unserer Studie für die Zieljahre 2035 und 2050 gerechnet. Dabei bleiben die Grössenordnungen der Resultate überraschend konstant. Bei den aktuell angenommenen Kostenentwicklungen dürfte also bis 2035 der Grossteil an für die Schweiz kosteneffizienten Speichern bereits gebaut worden sein. Aber natürlich kann sich in der Zukunft noch viel verändern, was unsere Modelle aktuell noch nicht berücksichtigen können.

Wie sieht es mit der Speicherung von Wärme aus? Was wird hier in Zukunft zentral sein?

Im Bereich der Wärme ist zuerst einmal hervorzuheben, dass die Gebäude selbst ein wichtiger Energiespeicher sind und diese Rolle in Zukunft weiter an Gewicht zunehmen wird. Durch die Elektrifizierung der Wärmeversorgung mittels Wärmepumpen bietet sich das Potenzial durch geschickte Steuerung der Wärmepumpe die Heizlast möglichst auf die Zeiträume zu verschieben, in denen Strom im Überfluss vorhanden oder zumindest nicht besonders knapp ist. Dadurch kann wichtige Flexibilität zum Ausgleich des Gesamtsystems bereitgestellt werden.

Zudem ergibt sich aus unserer Studie, dass saisonale Wärmespeicher wie z.B. Erdbecken-Wärmespeicher eine günstige und effiziente Technologie zur Wärmeversorgung sein können. Hier wird zentral sein, zu klären, ob die rechtlichen Rahmenbedingungen im Bereich der Raumplanung und Umweltauflagen so ausgestaltet werden können, dass solche Speicheranlagen in nützlicher Frist realisierbar sind.

Schliesslich ist auch noch ein kleiner Anteil an Tankwärmespeichern (ein isolierter, mit Wasser gefüllter Behälter) ökonomisch sinnvoll, um den spezifischen Bedarf der Industrie zu decken.

Was für Fragen ergeben sich aus den Erkenntnissen Ihrer Studie?

Eine Frage, die sich aus unserer Studie ergibt, ist, welche Anreize nötig sind, damit das optimale Niveau an Speicherausbau auch erreicht werden kann. Eine wichtige Stellschraube können dabei dynamische Preissignale sein, also Energietarife, die die jeweilige Knappheit von Strom im System abbilden: Hohe Preise, wenn Strom am Grosshandelsmarkt knapp und teuer ist und tiefe Preise, wenn Strom im Überfluss vorhanden ist. Da Speicher sich durch Preisunterschiede rechnen, ist es wichtig, dass diese auch bei der Planung beispielsweise von Fernwärmenetzen oder beim Laden von Elektroautos und dem Betrieb von Wärmepumpen berücksichtigt werden, also bei den ohnehin vorhandenen Energiespeichern.

In Bezug auf thermische Speicher stellt sich die Frage, wo die Speicher am besten positioniert werden und wie Risiken für die Betreibenden am besten minimiert werden können, um damit sicherzustellen, dass die Speicher gebaut werden. Da stellen sich nicht nur technische Fragestellungen, sondern auch rechtliche Fragen und Fragen zur Raumplanung.

Text: Brigitte Mader, Kommunikation, Bundesamt für Energie 
Bild: Keystone-sda; Gaetan Bally