Wie sich das solare Matterhorn einebnen lässt

Die Produktionskurve der Photovoltaik (PV) gleicht an sonnigen Tagen der Silhouette des Matterhorns: Am Morgen steigt sie mit der Sonne, erreicht die Spitze am Mittag und sinkt bis Abends wieder auf Null zurück, wo sie bis zum nächsten Sonnenaufgang verharrt. An trüben Tagen flacht die Kurve ab aufs Niveau eines Hügels im Mittelland. 70 Prozent ihrer Produktion erzeugen Schweizer PV-Anlagen im Sommerhalbjahr. In den Alpen hingegen, so zeigen Studien des Berner Solarforschers Heinrich Häberlin*, sind höhere Winteranteile möglich.

Die Herausforderung besteht darin, die schwankende Produktion von Solarstrom dem Bedarf anzupassen. Heute ist das kein Problem. Denn gegenwärtig deckt Photovoltaik erst 0,15 Prozent des Schweizer Elektrizitätsbedarfs. Der Überfluss in der Mittagsspitze, den PV-Anlagen auf einzelnen Hausdächern erzeugen, lässt sich noch problemlos in die Niederspannungsnetze zurück speisen und dezentral ausgleichen.

Das Swissolar-Szenario

Doch dieser Zustand ändert sich rapid, wenn das Szenario des Branchenverbandes Swissolar Wirklichkeit wird: Swissolar will bis 2025 den Anteil des Solarstroms am Schweizer Stromkonsum von 0,15 auf 20 Prozent steigern, um mittelfristig wegfallende Atomkraft zu ersetzen. Dieses Ausbauziel kündigte der Verband nach der Atomkatastrophe von Fukushima an und will es an seiner nächsten Tagung konkretisieren. Um die Folgen zu ermessen, die dieses Szenario im Extremfall nach sich zieht, muss man neben der – willkommenen – Menge auch die schwankende Leistung der solaren Stromproduktion berücksichtigen. Dazu dienen folgende gerundete Zahlen:

• Eine PV-Anlage produziert in einer sonnigen Spitzenstunde pro Kilowatt Leistung eine Kilowattstunde (kWh) Strom. In einem Jahr mit 8760 Stunden resultieren aber nur 1000 kWh. PV-Anlagen erreichen also tausend Volllaststunden. Zum Vergleich: Atom- oder Kohlekraftwerke, die rund um die Uhr laufen, produzieren mit der gleichen Leistung acht Mal mehr Strom.

• Die Schweiz erzeugt und verbraucht jährlich 60 Milliarden kWh oder 60 000 Gigawattstunden (GWh) Strom. Die Photovoltaik-Anlagen müssten im Jahr 2025 also 12 000 GWh Strom produzieren. Bei 1000 Volllaststunden benötigen sie dafür eine installierte Leistung von 12 Gigawatt.

• Die Spitzenleistung aller Schweizer Kraftwerke, die im Sommer an Werktagen zwischen 12 und 13 Uhr Strom produzieren, liegt heute ebenfalls nahe bei 12 Gigawatt. Die zusätzliche Photovoltaik-Leistung würde an Sommertagen, in denen zwischen 12 und 13 Uhr die Sonne in der ganzen Schweiz vom wolkenlosen Himmel strahlt, die Produktionsspitze also verdoppeln und den Spitzenverbrauch um das zwei bis dreifache übertreffen (siehe Graphik unten: Das solare Matterhorn).

Solares Matterhorn glätten

Es geht hier nicht darum, die Nutzung der Solarkraft schlecht zu schreiben. Sondern darum, das Problem frühzeitig darzustellen und Lösungen aufzuzeigen: Je mehr Solarstrom auf Hausdächern produziert wird, desto grössere Anforderungen stellen sich an die Speicherung von Spitzenstrom sowie an die künftige Regulierung von Angebot und Nachfrage im Stromnetz. Die Herausforderung besteht sozusagen darin, das «solare Matterhorn», das sich an sonnigen Sommertagen aufbaut, aufs Verbrauchsniveau (plus Exportkapazität) herunter zu brechen. Auf der andern Seite benötigt die Schweiz weiterhin flexible Reserve-Kapazitäten, nämlich für bewölkte Tage, den Winter und die Nächte, in denen die Solaranlagen wenig oder keinen Strom liefern.

Die Produktionsspitze lässt sich deutlich senken, wenn die Elektrizitätsunternehmen ihre flexibel einsetzbaren Speicherkraftwerke in sonnigen Spitzenstunden abstellen. Die Basis der Solarstrom-Pyramide, die unsere Grafik zeigt, sinkt damit auf das Niveau der Bandstrom-Produktion. Und das Bandstrom-Niveau sinkt ebenfalls, weil ab 2020 die alten Atommeiler in Beznau und Mühleberg pensioniert werden.

Die Betreiber des Stromnetzes können die Spitze zusätzlich kappen, indem sie die maximal zulässige Einspeisung von Solarstrom auf 50 bis 80 Prozent der installierten Leistung begrenzen. Zudem lassen sich Solarmodule vermehrt nach Osten und Westen ausrichten, um die Produktion Richtung Randstunden zu verlagern. In Berggebieten können Module vertikal platziert werden, um die tief stehende Wintersonne besser zu nutzen. Allerdings vermindern diese Massnahmen zur Glättung der Spitzen die produzierten Mengen.

Vom Hausdach in den Stausee

Um den verbleibenden Teil des temporär überschüssigen Solarstrom zu speichern, gibt es zwei Strategien. Die erste, weiträumige wird längst praktiziert: Alpine Stauseen speichern Regen- und Schmelzwasser. Ausserdem wird überschüssiger Strom aus Atom-, Kohle- und Windkraftwerken aus dem In- und Ausland eingesetzt, um Wasser in die Stauseen hinauf zu pumpen; dies geschieht heute primär nachts und an Sonn- und Feiertagen, wenn die Nachfrage nach Strom klein ist. An Werktagen und im Winter, wenn die Nachfrage gross ist, wird das gespeicherte Wasser über die Turbinen geleitet und in Strom umgewandelt.

Die Photovoltaik erhöht wie erwähnt den Überfluss in sonnigen Mittagsstunden. Soll diese Elektrizität ebenfalls in inländischen Stauseen gespeichert werden, müsste die Stromwirtschaft ihre bestehenden und geplanten Pumpspeicher-Kraftwerke weiter ausbauen und deren Produktion von den Mittags- in die Morgen- und Abendstunden verschieben. Zudem müssten sie ihre Netze und Transformatoren aufrüsten, um die mittags wachsende Menge an Solarstrom von den Hausdächern übers Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetz als Pumpstrom zu den alpinen Stauseen zu leiten – und abends in Form von Haushaltstrom wieder zurück.

Die Integration und zentrale Speicherung von dezentral erzeugtem Solarstrom erhöht neben den Speicher- also auch die Transportkosten – und dürfte damit die sinkenden Produktionskosten der Photovoltaik weitgehend kompensieren.

Solarstrom dezentral ausgleichen

Näher läge die dezentrale Speicherung. Als Mittel dienen aufladbare Batterien. Solche Akkus können den am Mittag erzeugten Überschuss an Solarstrom kurzfristig zwischenlagern und erst am Abend, wenn die Nachfrage nach Strom das Angebot wieder überschreitet, ins Haus- oder Niederspannungsnetz einspeisen. Das erspart Investitionen in Stromnetze und zentrale Speicher. In Deutschland, wo pro Kopf schon heute zehnmal mehr Solarstrom produziert wird als in der Schweiz, werden mit Akkus gekoppelte Photovoltaik-Anlagen bereits angeboten. Ihr Nachteil: Die Speicherung in Lithium-Akkus ist heute viel teurer als in Pumpspeicherwerken, und diese Kosten lassen sich nur langsam senken.

Um die Speicherkosten zu begrenzen, gilt es primär, einen intelligenten Ausgleich zwischen dezentraler Produktion und Verbrauch zu finden. Dazu eignen sich sogenannte «Smart-Grids» (intelligent gesteuerte Verteilnetze). Sie sorgen dafür, dass variabel einsetzbare Geräte wie Waschmaschinen oder Kühlschränke dann eingeschaltet werden, wenn die Sonne am intensivsten auf die Dächer strahlt.

Die Menge vermindern

Intelligente Technik kann Spitzen glätten, aber das Mengenproblem nicht aus der Welt schaffen: Je mehr Photovoltaik-Anlagen gebaut werden, und je stärker die Produktionskosten damit sinken, desto stärker steigen die Kosten zur Regulierung von temporärem Mangel und Überschuss. Die Ernte und Integration der Solarenergie ist teuer und wird es wohl bleiben. Das muss kein Nachteil sein. Höhere Stromkosten bieten einen Anreiz, den Verbrauch und damit die Menge zu reduzieren. Es sei vorteilhaft, dass Solarenergie teuer sei, sagte einst der 2011 verstorbene ETH-Professor und Solarförderer Pierre Fornallaz, denn wäre sie billig, würde man sie ebenso verschwenden wie den Atomstrom.

Die Solarstrahlung

Die Daten über die Solarstrahlung, die «MeteoSchweiz» uns auf Anfrage lieferte bestätigen: Das Szenario einer Verdoppelung der Spitzenstrom-Produktion, die der von Swissolar angestrebte Ausbau der Photovoltaik im Extremfall nach sich zieht, ist nicht aus der Luft gegriffen: Von 2004 bis 2011 gab es in den drei Monaten Juni bis August jährlich sieben bis elf Tage, an denen die Sonne zwischen 12 und 13 Uhr auf mehr als 90 Prozent der Schweizer Landesfläche strahlte. In diesen Stunden können die Schweizer Photovoltaik-Anlagen die erwähnte Spitzenleistung von 12 Gigawatt zu 90 bis 100 Prozent erreichen.

*Möglichkeiten zur Integration von Solarstrom ins Stromnetz hat der Solarexperte Heinrich Häberlin vertieft studiert und publiziert unter: www.pvtest.ch, Publikationen, Nr. 153, 154 und 155.