Die Herausforderung Überschussstrom – Eine perspektivische Analyse bis zum Jahr 2045

Einführung

Im Jahr 2022 wurden bereits Modellrechnungen von GES zur Volatilität im deutschen Stromnetz durchgeführt, bei denen die Frage im Mittelpunkt stand, ob die in Dunkelflauten fehlende Energie weitestgehend durch den Einsatz von Elektrolyseuren kompensiert werden kann, die den Überschussstrom nutzen und durch Spaltung von Wasser Wasserstoff produzieren, der in Kavernen zwischengelagert wird und dann bei Strombedarf in hierfür ausgerüsteten Kraftwerken wieder verbrannt werden kann. Da dieser Prozess einen schlechten Wirkungsgrad von etwa 28 % hat (ergibt sich aus h_El = 70 % bei der Elektrolyse und h_Aus = 40 % bei der Verstromung von H₂) werden gemäß diesen Berechnungen weiterhin Gaskraftwerke benötigt, die in den Dunkelflauten auch die hohen Bedarfsspitzen abdecken. Deren Kapazität muss sehr hoch sein, um die tiefen Täler der Dunkelflauten bedarfsgerecht aufzufüllen.

Je mehr Überschussstrom genutzt werden soll, um so höher müssen die Kapazitäten der derzeit noch teuren und raren Elektrolyseure sein, um den überschüssigen Strom zur Produktion von Wasserstoff nutzen zu können. Andererseits müssen die Kapazitäten der Gaskraftwerke ausgebaut werden, um in den Dunkelflauten durch Verbrennen eines Wasserstoff‑Erdgasgemisches den Bedarf decken zu können. Dies ist mit hohen Investitionen verbunden und mit u.U. sehr geringem Nutzungsgrad dieser Infrastruktur, was die Gestehungskosten für Strom in die Höhe treibt.

Die Quelldaten aus BNA23 dokumentieren die Erzeugung und den Verbrauch von Strom in Deutschland in einem Viertelstundenraster. Sie werden als Basis dazu genommen, einerseits eine detaillierte Strombilanz für das Jahr 2022 zu erstellen und andererseits durch Skalierung von erneuerbaren Erzeugungsleistungen und prognostizierten Verbrauchsdaten wie sie vom BMWK veröffentlicht werden, einen Blick auf die Situation in den Jahren 2030 und 2045 zu werfen. Er wird auf das Niveau des Jahrgesamtverbrauchs skaliert und der Verlauf der Verbrauchswerte für diese Jahre als ähnlich wie im Ausgangsjahr 2022 angenommen. Auch die Viertelstundenwerte der volatilen Erneuerbaren werden durch Skalierung aus den 2022er Werten gewonnen. Die wichtigste Annahme der Modellrechnungen ist, dass die Energie- und Leitungsbilanz im Stromnetz zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen sein muss. Hieraus lassen sich die minimal erforderlichen Import- und Exportströme aus dem europäischen Netzwerk ableiten.

Dieses Dokument ist die stark verkürzte Zusammenfassung eines Reports, der auf der Website des Global Energy Solutions e.V. zur Verfügung steht.

Aus Platzgründen wird an dieser Stelle auf die vollständige und umfangreiche Darstellung der Modellierung durch Tabellen und Grafiken verzichtet.

Verfahren der Modellierung

1. Das Rechenmodell berücksichtigt die Produktionswerte von allen Stromerzeugungsanlagen und von allen Verbrauchern in Deutschland für das Jahr 2022. Für die Modellierung von Szenarien werden die einzelnen Stromerzeugerarten (z.B. Wind offshore und onshore, PV, Kohle) mit Multiplikatoren skaliert, die von den geplanten Ausbaustufen der Wind- und PV‑Anlagenleistungen abhängen. Der volatile Verlauf der Erzeugung bleibt erhalten und wird durch die Multiplikatoren der Anlagen zur Erzeugung erneuerbaren Stroms bestimmt, d.h. verstärkt.
2. Das Modell des „optimalen Stromim‑ und ‑exports“ besagt, dass nur dann Strom importiert wird, wenn die Inlandsproduktion nicht ausreicht, den Bedarf zu decken und nur dann exportiert wird, wenn ein Überschuss der Erneuerbaren vorliegt.Leider sind die bei BNA23 vorliegenden Daten zu Im‑ und Export nicht mit den Erzeugungsdaten konsolidiert, d.h. sie erfüllen nicht die Forderung, dass die Strombilanz zu jedem Zeitpunkt und erst recht bei Betrachtung der Jahreswerte ausgeglichen sein muss. Sie werden im Modell durch die aus den Produktions‑ und Verbrauchsdaten berechneten Werte als „optimale Im‑ und Exportwerte“ ersetzt.
3. Um den Überschussstrom besser nutzen zu können, werden im Modell Stromspeicher angelegt, die in Abhängigkeit von ihrer Kapazität und der ihrer Zuleitungen Überschussenergie aufnehmen und vermindert durch Wirkungsgrade für Ein‑ und Ausspeichern bei Unterdeckung wieder ins Netz abgeben können.Wohlwissend, dass es in Deutschland im Gegensatz zu anderen Ländern wie z.B. USA noch keine Großspeicher auf Basis von z.B. Lithium‑Technologie für Strom gibt, soll das Potential untersucht werden, durch eben solche die Überkapazitäten bei der Erzeugung von erneuerbarem Strom besser zu nutzen.

Ergebnisse der Modellrechnungen

1. Import‑ und Export von Strom werden in den Modellrechnungen so „optimiert“, dass sich zu jedem Zeitpunkt das Netz in Balance befindet. Dies wird hier „optimaler Stromim‑ und Export“ genannt werden.

Insgesamt betrachtet scheint der massive Ausbau der Erzeuger erneuerbarer Energien wegen der zu erwartenden hohen Volatilität der Produktion und den hohen Überschussströmen, die in Europa zeitweise nicht zu verkaufen und nicht einmal zu verschenken sein werden, der falsche Weg zu sein, da er weitere sehr hohe Investitionen in Stromspeicher und auch neue Gaskraftwerke zur Abpufferung der Dunkelflauten nach sich ziehen wird. Global Energy Solutions hat schon an anderen Stellen darauf hingewiesen, dass die Stromerzeugung auf „zwei Beinen“, dem erneuerbaren und dem grundlastfähigen Bein, stehen muss und dass das Abfangen und Speichern des durch die Verbrennung fossiler Energieträger erzeugten CO₂ einen alternativen, aus vielen Gründen sogar gangbareren Weg eröffnet.

Weitere Beispiele zur Nutzung von Überschussstrom

Warmwasserbereitung

Der Verbrauch von Überschussstrom kann z.B. dadurch gefördert werden, dass er Verbrauchern, die einen Smart Meter installiert haben, zu einem günstigeren Tarif angeboten wird. Smart Meter sind Stromzähler, die die Strommenge mit einem aktuell im Netz verfügbaren Stromtarif verknüpfen und so die Verbraucher in die Lage versetzen, Strom dann zu nutzen und mit dem aktuellen Tarif abzurechnen. Will man den Stromverbrauch stärker steuern, so sind Smart Meter unerlässlich.

Zwischen 9:00 und 16:00 Uhr werden die Erneuerbaren im Jahresmittel einen Überschuss von etwa 171 GWh pro Tag produzieren. Aus Statistiken weiss man, dass etwa 27 % der elektrischen Energie in Haushalten genutzt wird; im Jahr 2030 werden das 461 GWh pro Tag sein. Hiervon werden etwa 12 % für die Warmwasserbereitung gebraucht, wenn die Warmwasserbereitung ausschließlich elektrisch erfolgen würde. Das sind 55 GWh, die durch die Überschussenergie zur Verfügung gestellt werden können.

Eine andere Ableitung geht davon aus, dass jede Person in Deutschland täglich 128 l Wasser verbraucht und davon 36 % für Duschen und Baden verwendet werden. Nimmt man an, dass für die Erwärmung von Wasser ein Temperaturbereich zwischen 15 °C und 55 °C zur Verfügung steht, der einerseits durch die Vermeidung von Legionellenbildung und andererseits durch die Reduzierung von Kalkbildung gegeben ist, so würden 80 Mio Bürger pro Tag etwa 3,8 Mt Wasser um 40 K erwärmen und hierfür etwa 177 GWh/Tag verbrauchen. Auch dieser höhere Energiebetrag wäre aus dem Überschuss im Jahr 2030 größtenteils verfügbar, vorausgesetzt die Netzwerkinfrastruktur würde den ohnehin über die Mittagszeit höheren Stromverbrauch zulassen.

Großwärmespeicher

Anstelle der Erhitzung privaten Badewassers erscheint auch das Betreiben von zentralen Wärmespeichern für die Fernwärmeversorgung mit Überschussenergie sinnvoll. Aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität wird Wasser dazu verwendet, Wärme zu speichern, die aus verschiedenen Energiequellen (z.B. Solarthermie) erzeugt werden kann.

Wärmespeicher können in einem Fernwärmenetz eingesetzt werden oder mit Hilfe des thermo‑elektrischen Effekts kann die Wärme auch — allerdings mit schlechtem Wirkungsgrad (deutlich kleiner als 17 %) — zur Stromerzeugung verwendet werden. Der Wirkungsgrad kann deutlich verbessert werden, wenn ein anderes Speichermedium wie z.B. Graphit verwendet und der Temperaturarbeitsbereich des Speichers hierdurch vergrößert wird.

Beladung von BEV

Die Bundesregierung geht davon aus, dass bis zum Jahr 2030 15 Mio BEV in Betrieb sein werden. Mit einer durchschnittlichen Fahrleistung von 15.000 km/a und einem durchschnittlichen Verbrauch von 20 kWh/100 km ergibt sich ein täglicher Energiebedarf von 123 GWh, der grundsätzlich als Überschussstrom im Jahr 2030 verfügbar sein wird. Problemtisch ist allerdings die Verfügbarkeit von Lademöglichkeiten vor allem von solchen mit hoher Leistung und daher geringen Ladezeiten. Obschon die Anzahl der Ladepunkte in den vergangenen Jahren sehr stark zugenommen hat (von 2022 bis 2023 ein Zuwachs von 35 % bei Normalladepunkten mit einer Leistung < 22 kW und 62 % bei Schnellladepunkten bis 300 kW) könnte es zu Zeiten des Überschussstroms ein Gedränge an den Ladestellen geben.

Nimmt man an, dass alle bis 2030 prognostizierten 15 Mio BEV ihren täglichen, durchschnittlichen Strombedarf von 8,22 kWh laden wollen, dann verbringen BEV an normalen Ladesäulen etwa 45 min, an Schnellladesäulen nur etwa 5 min, um den durchschnittlichen Tagesverbrauch zu laden. Für die Rüstzeit (Einparken und Anmeldung und Autorisierung) werden zusätzlich 5 min angesetzt. D.h. in den 7 h mit Überschussstrom können unter der Annahme, dass die Anzahl der Ladestellen um 10 % jährlich zunimmt, insgesamt nur 2,8 Mio Fahrzeuge mit ihrem Tagesbedarf aus 23 GWh Überschussstrom beladen werden. Wächst die Anzahl der Ladestellen mit 20 %/Jahr, dann sind es 4,7 Mio BEV, die insgesamt 39 GWh laden. Um alle BEV innerhalb der Mittagsstunden mit Überschussstrom bedienen zu können, müsste die Ladeinfrastruktur schon bis 2030 jedes Jahr um 45 % wachsen. Wenn die Infrastruktur des Netzwerkes es zulässt, sollte die Einrichtung von schnellen Ladesäulen bevorzugt erfolgen.

Die beschriebenen Maßnahmen zur Nutzung von elektrischer Überschussenergie sind keine Lösung zur Minderung der Folgen von Dunkelflauten im Stromnetz. Diese könnten durch Speicher reduziert werden. In einer nachfolgenden Veröffentlichung wird gezeigt, dass unter bestimmten Konstellationen bei den Preisen für Import‑ und Exportstrom der Einsatz von Stromspeichern zur Verringerung der Stromgestehungskosten führen kann.

Literaturverzeichnis

• Abschlussreport des BMZ‑Projektes Global Energy Perspectives, https://global-energy-solutions.org/wp-content/uploads/2023/10/2023-Abschlussreport-Global-Energy-Perspectives.pdf
• Bundesnetzagentur (BNA23): https://www.smard.de/home/downloadcenter/download-marktdaten/ mit den Kategorien Stromerzeugung/Realisierte Erzeugung/Deutschland, Stromerzeugung/Installierte Erzeugungsleistung und Stromverbrauch/Realisierter Stromverbrauch
• Bundesministerium für Wirtschaft und Klima (BMWK22): Neuer Schwung für erneuerbare Energien, https://www.bmwk.de/Redaktion/DE/Schlaglichter-der-Wirtschaftspolitik/2022/10/05-neuer-schwung-fuer-erneuerbare-energien.html (23.09.2022), zugegriffen 10.09.2023
• Bundesregierung (BR23): Mehr Windenergie auf See, https://www.bundesregierung.de/breg-de/schwerpunkte/klimaschutz/windenergie-auf-see-gesetz-2022968 (02.01.2023), zugegriffen 10.09.2023
• Fraunhofer ISE (2021): Stromgestehungskosten erneuerbarer Energien
• Fraunhofer ISE (2022a) Auf dem Weg zur GW Industrie – Fraunhofer ISE liefert Kostenanalyse für Wasserelektrolyse-Systeme (2022), https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/presseinformationen/2022/0322_ISE_d_PI_Studie_Kostenvergleich_Elektrolyse.pdf
• Fraunhofer ISE (2022b): https://www.zfk.de/energie/gas/fraunhofer-ise-liefert-detaillierte-kostenanalyse-fuer-wasserelektrolyse-systeme
• Lyhs, Wilfried und Bane, Siddhant (2022): https://global-energy-solutions.org/wp-content/uploads/2022/05/220506_WL_Bemerkungen-zum-Osterpaket-V1.3..pdf
• Netzentwicklungsplan Strom 2025 (NEP2025), www.netzentwicklungsplan.de, aufgerufen am 09.10.2023
• Netzentwicklungsplan Strom 2035 (NEP2035), https://www.netzentwicklungsplan.de/sites/default/files/2022-11/NEP2035_Bestaetigung.pdf
• Open‑Power‑Systems‑data (2020): Conventional power plants, https://data.open-power-system-data.org/conventional_power_plants/
• Stromdaten Deutschlands: https://www.stromdaten.info/ANALYSE/imexovertime/index.php
• Umwelt Bundesamt „Wassernutzung privater Haushalte, https://www.umweltbundesamt.de/daten/private-haushalte-konsum/wohnen/wassernutzung-privater-haushalte#direkte-und-indirekte-wassernutzung, zugegriffen am 30.12.2023
• Uni Wuppertal (2011): Potential und Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicheranlagen mit kleinen Fallhöhen, https://www.hydro.uni-wuppertal.de/fileadmin/bauing/hydro/berichte/Potential_und_Wirtschaftlichkeit_von_Pumpspeicheranlagen_mit_kleinen_Fallh%C3%B6hen_20110315.pdf, 34. Dresdner Wasserbaukolloquium 2011, S. 259
• Verivox (VV21): Studie: Stromverbrauch steigt bis 2030 deutlich an (verivox.de), https://www.verivox.de/strom/nachrichten/studie-stromverbrauch-steigt-bis-2030-deutlich-an-1118935/ (16.11.2021), zugegriffen 10.09.2023