Weltweit boomt die Stromspeicherung. In Deutschland entwickeln sich Solarstromspeicher zum Massenmarkt – und die Bedingungen werden immer besser. Der Bedarf an „seltenen Erden“, Ausbeutung und Umweltbelastungen in Rohstofflieferländern werfen Nachhaltigkeitsfragen auf. Auf EU-Ebene soll die Nachhaltigkeit von Batterien jetzt besser geregelt werden.

„Experten erwarten eine 14-fache Steigerung der weltweiten Nachfrage nach Batterien bis zum Jahr 2030. Das Fortschreiten der Digitalisierung sowie der Ausbau schwankender Erneuerbarer Energien und – vor allem – der Elektromobilität sind die wesentlichen Treiber dieser Entwicklung.“ Im März hat das EU-Parlament herausgestellt, dass beim Übergang der Europäischen Union zu einer klimaneutralen Wirtschaft Batterien als eines der wichtigsten Elemente gelten. Das Parlament in Brüssel verabschiedete deshalb mit großer Mehrheit eine Überarbeitung der EU-Batterieverordnung von 2006, mit der zukünftiges Design, Produktion, Entsorgung respektive Recycling von Batterien besser geregelt werden soll.

Vor kurzem haben die „Trilog“-Verhandlungen zwischen Vertretern von EU-Parlament, Rat und Kommission über den im Rahmen des „Green Deal“ erarbeiteten Entwurf begonnen. Dieser zielt darauf ab, den Binnenmarkt zu stärken, die Kreislaufwirtschaft zu fördern und die ökologischen und sozialen Auswirkungen in allen Phasen des Lebenszyklus von Batterien zu verringern. Batterien sollen ein Label tragen müssen, das ihren CO2-Fußabdruck widerspiegelt, damit ihre Umweltauswirkungen transparenter werden. Außerdem möchte das Parlament mit dem Label die gesamte Lebensdauer der Batterie abdecken: Es soll garantiert werden, dass neue Batterien einen Mindestgehalt an recyceltem Kobalt, Blei, Lithium und Nickel enthalten. Auf die Abfallwirtschaft werden höhere Recyclingquoten für Altbatterien zukommen.

Während bei mobilen Anwendungen aufgrund der hohen Energiedichte kaum ein Weg an der Lithium-Ionen- (LI) Technologie vorbeiführt, sind bei stationären Batterien mehrere Alternativen möglich – und in vielen Fällen auch wirtschaftlich (siehe Kasten). Doch auch bei Stationärbatterien dominiert wegen der mittlerweile aufgebauten Massenproduktion die LI-Technik. Der weltweite Batterieboom auf der Basis von nur einer Technologie, die immer die gleichen „seltenen Erden“ als Ausgangsmaterialien braucht, wirft natürlich Nachhaltigkeitsfragen auf: Wie Dr. Marcel Weil vom Karlsruher Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) schildert, sind der hohe Bedarf an Energie und an teils kritischen, unter hoher Umweltbelastung und schlechten Arbeitsbedingungen gewonnenen Materialien signifikante Auswirkungen der Batterieherstellung.

„Der Einsatz von Batterien ist nicht per se ökologisch sinnvoll“, weist der Leiter der Forschungsgruppe für nachhaltige Energietechnologien am ITAS hin. Neben den Umweltauswirkungen der Produktion müssten auch die Leistungsparameter während des Betriebs beachtet werden: die Energiedichte (je höher, desto geringer der Materialaufwand pro kWh Kapazität und damit die Umweltauswirkungen), die Effizienz, Lebensdauer und Recyclingfähigkeit. Insgesamt würden aktuelle LI-Batterien in vielen Anwendungsgebieten über den ganzen Lebenszyklus gesehen sehr gut abschneiden. Allerdings sei das Lithiumrecycling technisch schwierig und aufwendig. Im Gegensatz dazu seien zum Beispiel Blei- oder Redox-Flow-Batterien sehr gut zu recyceln. Außerdem: „Für eine hypothetische, zu 100 % auf Erneuerbaren Energien basierende Weltwirtschaft stellen Ressourcenknappheiten ein Problem dar“, so Weil.

Fragwürdig erscheint vor allem, ob hierfür die Lithiumreserven des Planeten ausreichen. Laut einer Studie des Öko-Instituts von 2020 findet der größte Teil des weltweiten Lithiumabbaus (siehe Bild 1) in Australien statt: Dort wird Lithium aus Festgestein gewonnen und zur Batterieproduktion hauptsächlich nach China verschifft. Der fünfte Kontinent verfügt über die zweitgrößten bekannten Lithiumreserven der Erde – hinter dem Dreiländer-Eck Chile, Bolivien und Argentinien.

Dort, vor allem in der Atacamawüste von Chile, wird seit Jahren aus Salzseen Lithium abgebaut. Die Sole wird aus unterirdischen Grundwasserleitern an die Oberfläche gepumpt, wo sie verdunstet, bis eine ausreichend hohe Lithiumkonzentration erreicht ist. Der Lithiumabbau verschärft in der Trockenregion die Wasserknappheit, was Flora und Fauna gefährdet und auch schon zu sozialen Konflikten geführt hat. Während die Endlichkeit der Lithiumreserven noch kein absehbares Problem darstellt, ist dies bei Kobalt, einem vorzüglichen Kathoden-Material für LI-Akkus, anders: Würde der Verbrauch proportional zur Lithiumnachfrage steigen, könnten die weltweiten Ressourcen um 2050 knapp werden.

Kobalt aus dem Kongo

Rund 60 Prozent des Kobalts der Welt wird im Kongo abgebaut. Dort stammt rund ein Fünftel aus nicht reglementiertem Kleinbergbau, wo unzureichende Ausbildung und Sicherheitsstandards sowie Kinderarbeit zu beklagen sind. Bei Neuentwicklungen wird deshalb oftmals versucht, Kobalt zu ersetzen. Viele Stationärspeicher haben eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode. Dieser Batterietyp zeichnet sich durch hohe Lade- und Entladeströme, eine sehr gute Temperaturstabilität und eine lange Lebensdauer aus. LI-Akkus gelten zwar als entflammbar, die Gefahrenlage ist aber beherrschbar, was die wenigen schweren Unfälle angesichts millionenfacher Verbreitung zeigen. An der Seltenheit von Zwischenfällen ändert auch die Fernabschaltung von LI-Speichertypen eines deutschen Solarspeicherherstellers kaum etwas, nachdem es kurz hintereinander zu drei Bränden gekommen war.

Als „Solarbatterien“ haben LI-Akkus in den letzten Jahren eine starke Ausbreitung gefunden. Den Eigenverbrauch von Strom einer PV-Anlage mithilfe eines Batteriespeichers kräftig zu erhöhen, spart mehr an Kosten für den Strombezug ein, als man an Vergütung für die Einspeisung ins Netz bekommen würde. Die Nachfrage nach Solarstromspeichern steigt ständig. Nach Angaben des Bundesverbandes Solarwirtschaft wurden 2021 circa 141.000 neue Heimspeicher in Deutschland installiert. Vermutlich könnte die Zahl noch höher sein, doch in letzter Zeit häuften sich Lieferschwierigkeiten auch bei einigen Batterien aus Fernost. Insgesamt sind in der Bundesrepublik schon rund 400.000 Batteriespeicher für Solarstrom im Einsatz. Während ungefähr jede zweite neue PV-Anlage gleich mit einem Speicher ausgestattet wird, besteht noch ein ungeheures Nachrüstpotenzial bei den rund zwei Millionen bestehenden PV-Anlagen (siehe Kasten).

Die Stromspeicherpreise sind in den letzten Jahren um fast die Hälfte gesunken: Eine Untersuchung der Hochschule RWTH Aachen hat für Kleinspeicher mit einer nutzbaren Kapazität von 5 kWh einen Durchschnittspreis von brutto 1.747 Euro/kWh ergeben. Bei Speichergrößen über 10 kWh sinkt der spezifische Preis auf 1.212 Euro/kWh. Abhängig von der Zyklenzahl über die Lebensdauer ergeben sich Kosten von 10 bis 30 Cent für die einzelne Kilowattstunde. Der Skaleneffekt bei größeren Speichern macht sich für Gewerbe- und Landwirtschaftsbetriebe mit höherem Stromverbrauch bezahlt. Zudem wird die Optimierung des Eigenverbrauchs künftig umso interessanter, wenn die EEG-Umlage ab Juli wegfällt, wie es die Bundesregierung schon angekündigt hat. Noch müssen bei PV-Anlagen größer 30 kW für den Selbstverbrauch 1,5 ct/kWh anteilige EEG-Umlage abgeführt werden.

Um die Strombezugskosten zu senken, ist darüber hinaus die Spitzenlastkappung (Peak Shaving, siehe Bild 5) lukrativ, da neben dem klassischen Arbeitspreis in ct/kWh immer ein Leistungspreis, der sich nach der Spitze im Leistungsbezug richtet, bezahlt werden muss. Außerdem haben stromintensive Letztverbraucher gemäß § 19 der Stromnetzentgeltverordnung Anspruch auf ein individuelles Netzentgelt, wenn ihre Stromabnahme mindestens 7.000 Benutzungsstunden (Bh) im Jahr erreicht und der Stromverbrauch 10 GWh/a überschreitet. Die Benutzungsstundenzahl ergibt sich aus dem Quotienten der bezogenen Jahresenergie und der maximalen Bezugsleistung eines Unternehmens. Bei mehr als 7.000 Bh müssen in der Regel nur noch 20 % der regulären Netzentgelte bezahlt werden, da durch den konstanten Betrieb das Netz weniger belastet wird.

Peak-Shaving-Projekt

Die Molkerei Zott etwa hat an ihrem Standort Günzburg zehn Outdoor-Gewerbespeicher mit einer Gesamtkapazität von 685 kWh errichtet. Das System besteht aus einer Batterie, einem Umrichter, einem Notstromaggregat für lange Lastspitzen und einem Energiemanagementsystem. Es kappt die Lastspitzen der Molkerei um 618 kW und erzielt 7.031 Jahres-Benutzungsstunden. Eine gefragte Funktion von Batteriespeichern ist die Überbrückung von Stromausfällen: Dient der Speicher gleichzeitig als Netzersatzanlage oder USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung), die in sensiblen Bereichen wie Krankenhäusern erforderlich ist, können Investitionen in wartungsintensive BHKW oder ähnliches vermieden werden. Batteriespeicher können aber nicht nur Geld sparen, sondern auch Geld verdienen: Durch die Bereitstellung von Regelenergie zur Stabilisierung des Stromnetzes – und das ohne nennenswerten Mehraufwand oder Investitionskosten.

Für die Netzstabilisierung sind Batterien geradezu prädestiniert: Sie können prompt auf Frequenzschwankungen im Netz reagieren und mit hoher Leistungsorientierung Strom aufnehmen und abgeben. Das macht sie interessant als Anbieter von Primärregelenergie, die innerhalb von 30 Sekunden für die Übertragungsnetzbetreiber zur Verfügung stehen muss. Weil einzelne Batterien selten die Mindestgröße von 1 MWel erreichen, gibt es virtuelle Kraftwerke, in die Batterien integriert sind, und auch Pools aus vernetzten Heimspeichern. Die Next Kraftwerke zum Beispiel, die eins der größten virtuellen Kraftwerke in Europa betreibt, arbeitet bei kleineren Speichern mit dem Solarbatteriehersteller Sonnen aus Wildpoldsried zusammen: Während Sonnen die Aggregation, Steuerung und Verfügbarkeitsberechnung der flexiblen Batterieleistung übernimmt, verantworten die Kölner die Anbindung des Batterieschwarms an die Leitstellen der Übertragungsnetzbetreiber und Regelenergiemärkte sowie die Gebote und deren Abrechnung.