Solarstrom krempelt die elektrische Energieversorgung um

Früher liess man Stromzähler rückwärtslaufen, um den eingespeisten Solarstrom unbürokratisch vom bezogenen Strom abzuziehen. Man sagte dem Net-Metering. Ist der Solarstromanteil in einem System ausreichend klein, ist das ein effizienter Fördermechanismus für Eigenverbrauchsanlagen. Er wirkt wie die ehemalige kostendeckende Einspeisevergütung (KEV): Jede bezogene Kilowattstunde wird für alle Endverbraucher geringfügig teurer. Mit dem Geld wird die eingespeiste Solarenergie vergütet.

Net-Metering und KEV waren sich also recht ähnlich. Und beide sind aus ähnlichen Gründen nicht zukunftsfähig: Eingespeister Solarstrom wird jederzeit gleich vergütet – unabhängig davon, ob er dringend gebraucht wird, überflüssig ist oder gar destabilisierend auf das System wirkt. Auch die Minimalvergütung, wie sie im Stromgesetz von 2024 vorgesehen war, war so angedacht.

Lokale Netzverstärkungen unterliegen heute oft demselben Denk- und Designfehler wie das Net-Metering und die KEV: Sie basieren auf der Annahme, dass Solarstrom keinen relevanten Beitrag zur Energieversorgung liefert und jederzeit vom System aufgenommen werden kann, wenn nur die Leitung dick genug ist. Der Leistungsüberschuss resp. das überlastete Netz werden als lokales Phänomen betrachtet, das lokal gelöst werden kann. Bis heute hat das recht gut funktioniert. Denn in diesem Jahr erreichen wir erst rund 14% Solarstrom im Netz. Doch mit Netzverstärkungen allein lässt sich die Energiewende nicht realisieren. Die wahren Herausforderungen zur Integration von mehr Solarstrom lauern anderswo und sind mit Kupfer nicht zu meistern.

Engpass: Netz, System oder Markt?

Engpässe können an verschiedenen Orten auftreten und an verschiedenen Orten gelöst werden. Zu unterscheiden sind insbesondere folgende drei Bereiche:

1. Netz: Netzengpässe sind überlastete Kabel oder Transformatoren. Auch wenn die Spannung auf einem Kabel zu stark ansteigt, spricht man von einem Netzengpass. Netzengpässe sind lokale Phänomene und können mit mehr Kupfer wirkungsvoll bekämpft werden.
2. System: Systemengpässe beziehen sich hier auf Themen wie Frequenzstabilität, Kompensation von Produktions- oder Verbrauchsrampen, Regelleistung oder Trägheit im Netz. Systemintegrationsfragen treten systemweit auf und sind entsprechend systemweit zu lösen, insbesondere auch länderübergreifend.
3. Markt: Der Strommarkt bildet Angebot und Nachfrage ab. Marktengpässe bedeuten, dass Angebot und Nachfrage sich nicht mehr finden, z. B. wenn es trotz negativer Preise mehr Angebot als Nachfrage gibt.

Erste Engpässe treten typischerweise mit dem Anschluss von wenigen, aber dafür leistungsstarken Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) im Verteilnetz auf. Während Übertragungsnetz und Strommarkt keine Notiz dieser Anlagen nehmen, können lokale Leitungen und Transformatoren bereits überlastet sein.

Werden hingegen schweizweit viele PV-Anlagen gebaut, wie dies in der Energiestrategie 2050 vorgesehen ist, so ist es der Strommarkt, der den Solarstrom nicht mehr aufnehmen kann. Negative Strompreise im Sommer am Mittag zeugen davon, dass der Markt zwar gut funktioniert, Marktteilnehmer jedoch fürs Stromverbrauchen bezahlt werden müssen, da sich für den Solarstrom ansonsten keine Abnehmer finden. Werden diese schweizweiten Solarstromüberschüsse an deren Quelle – das heisst am Netzanschluss – begrenzt, so lösen sich gleichzeitig viele Überlastungsprobleme im Verteilnetz.

Einfluss des Strommarktes auf den Wert des Netzanschlusses

In einer Untersuchung hat die Berner Fachhochschule (BFH) gemeinsam mit Swissgrid Szenarien für eine Schweiz mit 30 GW Photovoltaikleistung geprüft [1]. Dies entspricht dem ehemaligen «Szenariorahmen für die Stromnetzplanung» des Bundesamts für Energie (BFE) und ist mit dem neuen Stromgesetz schon wieder überholt – die Photovoltaikleistung dürfte wohl deutlich grösser werden als 30 GW. Trotzdem lassen die Resultate erahnen, was bei einer Vervierfachung der Solarstromleistung auf die Schweiz zukommt.

Die Untersuchung nimmt zunächst mal an, dass die Schweiz eine Kupferplatte ist: Es gibt keine Netzengpässe, und jede PV-Anlage kann demnach physikalisch so viel einspeisen, wie sie will. Nun wird eine klassische Marktsimulation ausgeführt: Das Kraftwerk mit den höchsten Grenzkosten setzt den Preis. Solarstrom hat Grenzkosten Null. Energie, die keinen Abnehmer findet, kann nicht eingespeist werden. Diese Simulation zeigt eindrückliche Konsequenzen für den Solarstrom: Rund ein Viertel der Solarstromproduktion findet am Strommarkt keine Abnehmer. Selbst dann nicht, wenn er verschenkt wird. Abbildung 1 zeigt das kumulierte Produktionsprofil für die Schweiz.

Diese Marktsimulation von Swissgrid ergänzt die BFH mit energetischen Simulationen von unterschiedlich geneigten und ausgerichteten PV-Anlagen im Mittelland und in den Alpen. Es wird folgende Annahme getroffen: Der Prozentsatz der vom Markt nicht aufgenommenen Solarenergie entspricht zu jeder Zeit dem Prozentsatz der Produktion, die eine PV-Anlage nicht ins Stromnetz einspeisen darf. Diese Berechnung wird mit und ohne Eigenverbrauch durchgeführt.

Für jede der simulierten Anlagen ergeben sich zwei Produktionsprofile: Einmal das, was die Anlage eigentlich produzieren könnte, und einmal das, was der Strommarkt aufnehmen kann. In beiden Fällen wird anschliessend simuliert, welcher Netzanschluss notwendig ist, um die nicht vor Ort benötigte Energie im Netz aufzunehmen.

Weil die Resultate für alle simulierten PV-Anlagen recht ähnlich ausfallen, wird im Folgenden nur noch eine PV-Anlage in Zollikofen betrachtet, deren Module nach Süden ausgerichtet und 20° geneigt sind. Zunächst wird geprüft, wie gross der Ertragsverlust aufgrund der reduzierten Netzanschlusskapazität ist (Abbildung 2). Dabei zeigt sich: Könnte der Markt alle Energie aufnehmen (schwarze Linien mit/ohne Eigenverbrauch), so würden die Ertragsverluste ab ca. 50-60% Netzanschlusskapazität stark zunehmen. Wird jedoch berücksichtigt, dass der Markt einen Teil der Energie sowieso nicht aufnehmen kann, treten die relevanten Ertragsverluste unterhalb von ca. 40% Netzanschlusskapazität auf (blaue Linien).

Noch deutlicher ist dieser Effekt, wenn nicht der entgangene Energieertrag, sondern der entgangene Marktwert des Solarstroms betrachtet wird. Die vom Markt nicht aufgenommene Energie hat nur einen geringen Marktwert. Selbst bei einer unlimitiert voll ins Netz einspeisenden PV-Anlage wird mit den Kilowattstunden, die mit einer Leistung über 40% eingespeist werden, praktisch kein Geld verdient.

Trotzdem sollte aus ökologischen Gründen möglichst viel der erzeugten elektrischen Energie verbraucht und nicht verworfen werden. Das gelingt mittels netzdienlicher Eigenverbrauchsoptimierung. Verbraucher sollen möglichst dann eingeschaltet werden, wenn lokaler Stromüberschuss vorhanden ist. Dafür können Wärmepumpen, Warmwasserboiler oder auch Elektrofahrzeuge verwendet werden. Ist das entsprechende Potenzial zu gering, bieten sich stationäre elektrische Speichersysteme an.

Abbildung 3 zeigt, mit wie vielen Stunden Speicherkapazität die Ertragsverluste bei geringer Netzanschlusskapazität reduziert werden können. Lesebeispiel: Ist eine 10 kWp-PV-Anlage mit 4 kW ans Netz angeschlossen (also 40% Anschlusskapazität), können mit einem 20 kWh-Batteriespeicher (also 2 h Speicherkapazität) die Verluste von rund 30% ohne Speicher auf unter 3% gesenkt werden.

Diese Grafik zeigt damit auch, wie stark die Überlastsituationen im Netz mit dem Solastromüberschuss am Strommarkt korrelieren. Werden mit einem Batteriespeicher die vom Markt nicht aufgenommenen Energieüberschüsse abgefangen, reduziert sich gleichzeitig der Bedarf eines stärkeren Netzanschlusses.

Fazit

Dieser Artikel zeigt auf, dass Solarstromüberschüsse mit Netzverstärkungen nicht aufgefangen werden können. Die Lösung liegt darin, die Überschüsse gar nicht erst ins Netz einzuspeisen. Ob dies mittels Lastverschiebung oder mit Batteriespeichern gelöst wird, ist aus Netz- und Marktsicht nicht relevant. Es wird jedoch die Annahme getroffen, dass neue, flexible Lasten und Speicher am Ort der Produktion installiert werden und dort die Überschüsse auffangen. Dieser Artikel macht zudem keine Aussage zu einem allfälligen, durch die Verbraucher bestimmten Netzausbau.