Smart Grid Warum das Stromnetz von morgen Elektroautos braucht

Elektroautos laden am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) in Stuttgart.

(Foto: dpa)
  • Da die Erneuerbaren Energien bei der Erzeugung großen Schwankungen unterliegen, muss der Strom zwischengespeichert werden.
  • Diese Aufgabe könnten Elektroautos übernehmen. Digital vernetzt zu einer riesigen Schwarmbatterie könnten deren Akkus Lastspitzen ausgleichen.
  • Erste kleinere Projekte erproben, was in einigen Jahrzehnten womöglich Alltag ist.
Von Michael Neißendorfer

Atomkraftwerke sind stillgelegt und rückgebaut, Kohlekraftwerke auch. Tausende Kleinkraftwerke nutzen die Energie von Sonne, Wind oder Wasser und erzeugen unseren Strom - zu 100 Prozent erneuerbar. Was nicht sofort verbraucht wird, landet in Zwischenspeichern: in riesigen Batterieparks, in Wasser-Pumpkraftwerken oder als nachhaltig erzeugter Wasserstoff für stationäre Brennstoffzellensysteme. Gaskraftwerke gleichen Schwankungen bei der Energieerzeugung aus. Deren Brennstoff ist auch erneuerbar, erzeugt unter Einsatz von Ökostrom.

So könnte sie aussehen, die Energiewelt einer nicht allzu fernen Zukunft. Die keine Utopie bleiben dürfte. Denn dass sich etwas ändern muss, ist angesichts von Klimawandel und endlichen Ressourcen unausweichlich. Auf dem Gipfel von Schloss Elmau 2015 vereinbarten die G7-Staaten, die Weltwirtschaft bis spätestens 2100 vollständig zu dekarbonisieren. Der Zwischenschritt, die weltweiten CO₂-Emissionen bis 2050 um 40 bis 70 Prozent im Vergleich zum Jahr 2010 zu reduzieren, wurde im Pariser Klimaabkommen festgeschrieben.

Die ersten Schritte in Richtung einer erneuerbaren Stromerzeugung sind längst getan. Im vergangenen Jahrzehnt hat sich der Anteil an Ökostrom etwa alle fünf Jahre verdoppelt. Hält dieser Trend an, könnten die weltweiten CO₂-Emissionen bis 2050 auf fünf Milliarden Tonnen reduziert werden - von aktuell etwa 35 Milliarden Tonnen.

Aber nicht nur die Stromerzeugung muss nachhaltig werden. Vor allem der Verkehrssektor bremst das CO₂-Einsparpotenzial. Während Deutschland seine gesamten CO₂-Emissionen zwischen 1990 und 2014 um fast 28 Prozent verringern konnte, schaffte der Verkehrssektor im selben Zeitraum eine vergleichsweise sehr magere Senkung um 2,6 Prozent. Viele sehen deshalb das Elektroauto als Fahrzeug der Zukunft. Zwar ist es nur mit Ökostrom wirklich emissionsfrei unterwegs, aber mit steigendem Anteil der erneuerbaren Energien wird die Ökobilanz auch mit herkömmlich erzeugtem Strom immer besser. Und wer will, erzeugt seinen Strom per Photovoltaik einfach selbst.

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Ein durchschnittliches Elektroauto brauche etwa 2400 Kilowattstunden Strom pro Jahr. Das ließe sich problemlos mit einer 18 Quadratmeter großen Photovoltaik-Anlage erzeugen, "das hat Platz auf einem Garagendach", so Raimund Kamm, der bayerische Landesvorsitzende des Bundesverbands Windenergie.

Positiver Nebeneffekt der Solaranlage daheim: Die Sonne schickt keine Rechnung, die Energie ist umsonst. Im Idealfall lässt sich mit Photovoltaik auf dem Hausdach, einer Speicherbatterie im Keller und dem Elektroauto in der Garage sogar Geld verdienen. In Dänemark und demnächst in Großbritannien testet der japanische Autohersteller Nissan ein solches System: Dessen Elektroautos können nicht nur Strom aufnehmen, sondern auch abgeben. Bidirektionales Laden nennt man diese Technologie, oder auch Vehicle to Grid (V2G). Ist das Auto geladen, kann die Energie aus dem Akku auch wieder an das Netz abgegeben werden. Nissan geht davon aus, dass pro Jahr Einnahmen von durchschnittlich 400 Euro möglich sind, schließlich gibt man seinen selbst erzeugten Strom an die Allgemeinheit ab.

Am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) beschäftigt man sich ebenfalls mit Elektroautos im intelligenten Stromnetz. Im Parkhaus des Institutszentrums in Stuttgart haben die Wissenschaftler ein "Lebendes Labor" aufgebaut mit mehr als 30 Ladestationen für Elektroautos, deren Strom komplett von einer Photovoltaikanlage produziert wird. Ein zusätzlicher stationärer Lithium-Ionen-Batteriespeicher mit 100 kWh sowie ein Wasserstoffspeicher mit Energiekapazität für 2000 kWh Strom, der über eine Brennstoffzelle ans Netz angebunden ist, sollen das System optimieren. Mit der Anlage erproben die Forscher nicht nur die Praxistauglichkeit eines kleinen, energieautarken Systems. Sie wollen so auch eine Vorlage liefern für zukünftige Modelle, welche dann deutlich größer ausfallen dürften - schließlich soll ganz Deutschland "erneuerbar" werden.

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Mit V2G lässt sich gleichzeitig das Problem entschärfen, dass überschüssige Energie von Windrädern und Solarmodulen irgendwo zwischengespeichert werden muss. Im großen Maßstab können zum Beispiel Pumpspeicher-Wasserkraftwerke diese Aufgabe übernehmen. Erzeugen Windräder und Solaranlagen über den momentanen Bedarf hinaus Strom, nutzt man ihn, um Wasser in einen höher gelegenen Speichersee zu pumpen. Wird diese Energie wieder benötigt, etwa zu Spitzenlast-Zeiten am Morgen und am Abend, kann das Wasser wieder kontrolliert über stromproduzierende Turbinen abgelassen werden.

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Die Rolle eines Zwischenspeichers kann in einem intelligenten Stromnetz, dem Smart Grid, auch von Elektroautos übernommen werden - die wie alle anderen Autos auch ohnehin 23 Stunden am Tag ungenutzt parken. Sind sie während dieser Zeit mit dem Stromnetz und - digital gesteuert - zu einer riesigen Schwarmbatterie verbunden, können sie die in den Akkus gespeicherte Energie bei Bedarf wieder in das Netz einspeisen, und das deutlich reaktionsschneller und effizienter als ein Pumpspeicherkraftwerk.

Der Besitzer eines Elektroautos muss jedoch nicht befürchten, plötzlich mit leerem Akku dazustehen: Er kann angeben, zu welchem Zeitpunkt der Akku vollgeladen sein muss, oder welchen Prozentsatz der Akkukapazität er maximal freigeben möchte.

Ein Nachteil dieses Systems sei, dass die Leistungsfähigkeit eines typischen Lithium-Ionen-Akkus mit der Zahl der Ladezyklen abnimmt, sagen Kritiker der V2G-Technologie. Die übermäßige Nutzung des Akkus verursache erhebliche Kosten, wenn der Stromspeicher früher als beim reinen Fahrbetrieb verschlissen ist und ausgetauscht werden muss, so die Befürchtung.

Wissenschaftler der University of Warwick wollen jedoch herausgefunden haben, dass eine Elektroauto-Batterie im Smart Grid sogar länger halten kann als bei herkömmlichem Gebrauch. Voraussetzung dafür sei eine intelligente Steuerung der Lade- und Entladezyklen. Im Optimalfall sorge so eine Batteriemassage gar für eine um zehn Prozent erhöhte Lebensdauer.

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