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DiplomarbeitStromspeicherungDie Gestaltung einer umweltfreundlichen und sicheren Energieversorgung als Herausforderungfür Recht und PolitikVorgelegt von:Jörn-Peter [email protected] FachsemesterMatrikelnummer: 2170262Bei:Prof. Dr. iur. Dr. h.c. Thomas SchomerusProf. Dr. rer. nat. Dirk Uwe SauerLüneburg, 11.07.2008

Vorwort und DanksagungDie erneuerbaren Energien spielen in Deutschland schon jetzt eine wichtige Rolle bei derStromerzeugung und ihre Bedeutung wird aufgrund der bestehenden gesetzlichenRahmenbedingungen in Zukunft noch zunehmen. Wie schnell oder umfangreich derAusbauprozess fortschreitet sei dahingestellt. Sicher ist aber, dass Anpassungsprozesse desGesamtsystems der Stromversorgung nötig sein werden, um diesen steigenden Anteilfluktuierender Energie aufzunehmen. In diesem Zusammenhang bin ich im Zuge meinerRecherchen für ein Diplomarbeitsthema auf die Stromspeicherung gestoßen, die mich aufgrundihrer Vielschichtigkeit und Komplexität zunehmend faszinierte. Problematisch war, dass sich diebisherige wissenschaftliche Auseinandersetzung mit diesem Themengebiet größtenteils auf dietechnischen Grundlagen beschränkt. Da ich zudem der Ansicht bin, dass die isolierte Betrachtungvon Themen allzu häufig in die Irre führen kann, entschloss ich mich, einen weiten Bogen von dergrundsätzlichen Notwendigkeit über die technische Realisierbarkeit hin zu den rechtlichenRahmenbedingungen zu spannen. Damit musste ich mich, neben natur- undsozialwissenschaftlichen Sachverhalten, die bereits vorher Teil meines Studiums waren, nun auchin technische Fachgebiete einarbeiten.An dieser Stelle wird daher ein erster Dank an Herrn Prof. Dr. Sauer überfällig, der mich erstensunbekannterweise als Diplomand aufnahm und zweitens für alle Fragen technischer Natur auchnach Dienstschluss noch eine erschöpfende Antwort parat hatte. Dieser Dank ist in ebensolcherWeise, nur für ein anderes Fachgebiet, an Herrn Prof. Dr. Schomerus zu richten, der stets einoffenes Büro und Ohr hatte und der, trotz seiner anfänglichen Skepsis bezüglich eines dochäußerst umfassenden Themas, ein stets konstruktiver und hilfreicher Betreuer war. Nur so war esmir möglich tatsächlich erfolgreich einen so gewagten Bogen zu spannen. Auch ansonsten habeich bezüglich der Diplomarbeit fast nur positive Erfahrungen gemacht. Stets schien es, als würdeder jeweilige Gesprächspartner sich an seine eigene Diplomarbeitszeit zurückerinnern und wäredaher gerne bereit jemand anderem bei diesem schwierigen Prozess helfen zu können. Zubesonderem Dank bin ich aber Herrn Siekhaus, Geschäftsführer der Stadtwerke Geesthacht, undHerrn Elvers, Einkäufer der Stadtwerke Geesthacht, verpflichtet, die mir in einem langen Gesprächdie Sichtweise der Praxis ermöglichten. In der Folge wurden einige Passagen der Diplomarbeitdeutlich kürzer. Weiterhin stellten mir für die Untersuchungen zur Variablität der verschiedenenerneuerbaren Energien über die Zeitbereiche die Nevisio GmbH und die SunEnergy Europe GmbHDaten von Beispielanlagen zur Verfügung. Auch dafür noch einmal ein ganz herzlichesDankeschön. Meiner damaligen Wohngemeinschaft und insbesondere Steffen Benz, UweBeständig, Gunther Störmer und Verena Verron möchte ich ebenfalls danken. Alle vier warenwichtige Diskussionpartner und halfen mir immer wieder, mich auf den roten Faden zubeschränken. Natürlich sollen aus vielerlei Gründen auch meine Eltern Bettina und Gerhard Bollnicht unerwähnt bleiben, die unter anderem durch ihre stetige Öffentlichkeitsarbeit ihren Teil dazubeigetragen haben, dass die erneuerbaren Energien heute eine zunehmend wichtige Rolle spielen.Und zu guter Letzt noch ein Dank, der nur am Ende steht um seine Wichtigkeit hervorzuheben. Ergeht an Sabine von Borstel, die dieser Arbeit den letzten formalen Schliff gab, etwas wofür ich garnicht oft genug danken kann.

Ich hoffe diese Arbeit kann mit ihrer sehr systematischen Herangehensweise ein wenig Ordnung indie Thematik bringen und ihren kleinen Teil zur Diskussion über neue Energiesysteme beitragen.Daher ist sie auch absichtsvoll frei und ohne jegliche Verschlüsselung im Internet verfügbar. Desweiteren habe ich stets versucht die Dinge nicht komplizierter auszudrücken als sie sind undunnötige Fachwörter zu vermeiden um eine Verständlichkeit für eine breite Gruppe von Lesern zuermöglichen. Allzu häufig wird die umfangreiche Nutzung von Fremd- und Fachwörtern alsKompetenzbeweis missbraucht, ein Vorgehen, das ich insbesondere für eine interdisziplinäreArbeit nicht für angebracht halte. Eine letzte Bitte an alle Leser dieser Arbeit wäre, sie nurauszudrucken wenn es wirklich nötig ist und bei einem Druck Recyclingpapier und Duplexdruckzu nutzen. Zwar ist auch dieses keine ideale Lösung aber es schont wertvolle Ressourcen. ImZeitalter der modernen IT-Technik gibt es längst eine ganze Reihe von Hilfsmitteln, die das Lesenam Bildschirm zunehmend angenehmer machen und es mir ermöglicht haben meineDiplomarbeit zwar nicht komplett aber doch sehr weitgehend papierlos zu schreiben.

-I-InhaltsverzeichnisAbkürzungsverzeichnis.VListe der verwendeten Einheiten.V1 Einleitung .11.1 Ausgangslage.11.2 Definitionen.21.3 Ziel der Arbeit.21.4 Gang der Untersuchung.21.5 Methodik.32 Speicherbedarf kurz-, mittel und langfristig.52.1 Speicherbedarf kurz- und mittelfristig.52.1.1 Zusammenfassende Ergebnisse.82.2 Speicherbedarf langfristig.92.2.1 Einführung.92.2.2 Szenarien der Stromversorgung.112.2.2.1 Stadtwerketeilautarkie.122.2.2.2 Deutschland plus.122.2.2.3 Euro plus.132.2.3 Potenziale der EE zur Stromerzeugung.132.2.3.1 Photovoltaik (PV).142.2.3.2 Windpotenzial.152.2.3.3 Bioenergiepotenzial.162.2.3.4 Wasserpotenzial.172.2.3.5 Geothermie.182.2.3.6 Weitere Erneuerbare Energien (EE).192.2.3.7 Anteile an der Gesamtstromerzeugung.192.2.4 Determinanten des Speicherbedarfs.202.2.4.1 Verteilte Erzeugung.202.2.4.1.1 Windkraft .202.2.4.1.2 Photovoltaik.222.2.4.1.3 Laufwasserkraft.232.2.4.2 Verteilter Verbrauch .232.2.4.3 Kombination der verschiedenen fluktuierenden Energien.232.2.4.4 Natürliche Übereinstimmung.242.2.4.5 Erneuerbare Grundlastkraftwerke.242.2.4.6 Erneuerbare Regel- / Spitzenlastkraftwerke.252.2.4.6.1 Wasserkraft .25

- II 2.2.4.6.2 Bioenergie .262.2.4.7 Demand Side Management (DSM).282.2.4.8 Netzausbau / Netzsteuerung.302.2.4.9 Effizienz.332.2.4.10 Nutzung / Anbindung bereits bestehender Speicheranlagen.342.2.5 Zwischenergebnis.352.2.6 Beispiele und Abschätzungen.362.2.6.1 Beispiele und Abschätzungen für Deutschland plus .362.2.6.1.1 Systemtechnik einer klimaverträglichen Elektrizitätsversorgung .362.2.6.1.2 Das Kombikraftwerk.372.2.6.2 Beispiele und Abschätzungen für Stadtwerketeilautarkie .382.2.6.3 Beispiele und Abschätzungen für Euro plus .402.2.6.4 Stand der Stromspeicherung weltweit.412.2.6.5 Speicherung in anderen Energiemärkten.432.2.7 Zusammenfassung der Ergebnisse.433 Technische Herausforderung Stromspeicherung.463.1 Dienstleistungen der Stromspeicherung.463.1.1 Verbrauchsseitig.463.1.2 Erzeugungsseitig.473.1.3 Gezielt im Netz.483.1.4 Ungezielt im Netz.493.2 Funktionsweise der Stromspeicherung.513.3 Speichertechnologien.523.3.1 Pumpspeicherwerke.523.3.2 Druckluftspeicher.553.3.3 Wasserstoff .583.3.4 Batteriespeicher.613.3.4.1 Konventionelle Batterien.623.3.4.2 Lithium-Batterien.643.3.4.3 NaS- und NaNiCl- Hochtemperaturbatterien.663.3.4.4 (Redox) - Flow Batterien.683.3.4.5 Weitere Batterietechnologien.723.3.5 Elektrochemische Kondensatoren.733.3.6 Supraleitende Magnetische Energiespeicher (SMES).733.3.7 Schwungräder.733.3.8 Thermische Speicherung.743.4 Speicherorte / Konzepte für Stromspeicherung.753.4.1 An Orten guten natürlichen Speicherpotenzials.753.4.2 Am Ort der Stromerzeugungsanlagen.77

- III 3.4.3 Am Ort des Verbrauchs.803.4.4 Gezielt im Netz.813.4.5 Virtuelle dezentrale Speicheranlagen.833.5 Zusammenfassung der Ergebnisse.844 Energierecht und Stromspeicherung.874.1 Energiewirtschaftsrechtliche Rahmenbedingungen für die Stromspeicherung.884.1.1 Deutsches Energiewirtschaftsrecht.884.1.1.1 EnWG und Verordnungen.894.1.1.2 EEG 2004 und 2009.904.1.2 Rechtliche Herleitung Stromspeicherung und Stromspeicheranlage .904.1.3 Potenzielle Akteure für Stromspeicherung.934.1.4 Potenzielle Märkte für Stromspeicherung (nach Zeiteinheit).934.1.4.1 Regelenergiemarkt.944.1.4.2 Intraday.964.1.4.3 Spotmarkt .964.1.4.4 Längerfristige Märkte.974.1.5 Mögliche Speicherorte nach EnWG.974.1.5.1 Energieversorgungsnetze der allgemeinen Versorgung.984.1.5.2 Objektnetze.984.1.5.3 Direktleitung.994.1.5.4 Kundenanlage.1004.2 Rechtliche Rahmenbedingungen für die Speicherkonzepte .1004.2.1 An Orten guten natürlichen Speicherpotenzials.1004.2.2 Am Ort der Erzeugung.1024.2.3 Am Ort des Verbrauchs.1034.2.4 Gezielt im Netz.1054.2.5 Virtuelle dezentrale Speicheranlagen .1064.3 Bewertung und Vorschläge zur Optimierung .1074.3.1 Briefmarkentarif.1074.3.2 Doppelte Netzentgelte.1094.3.3 Regelenergiemarkt.1114.3.4 Intraday-, Spot- und Terminmarkt.1124.3.5 Variable Strompreise.1124.3.6 Ausschreibung neuer Kapazitäten/Kapazitätsmärkte.1134.3.7 Alternative zum Netzausbau.1154.3.8 Netzengpassbewirtschaftung.1154.3.8.1 Netzengpassbewirtschaftung gemäß StromNZV.1154.3.8.2 Gebotszonenregelung der EEX.115

- IV 4.3.8.3 Erzeugungsmanagement.1164.3.8.4 Ergebnis Netzengpassbewirtschaftung.1174.3.9 Speicherbonus / Anreize im EEG.1174.3.10 Vorratshaltung.1194.4 Zusammenfassung der Ergebnisse.1205 Fazit.123Literaturverzeichnis.125Anhang.135

-V-AbkürzungsverzeichnisAA-CAESAdiabatic Compressed Air Energy Storage (adiabatische pressed Air Energy Storage nnungs-ÜbertragungDSMDemand-Side-Management (Steuerung der Stromnachfrage)EEErneuerbare EnergienEEAErneuerbare-Energie-AnlagenEEXEuropean Energy Exchange (Strombörse Leipzig)GuDGas- und ickel-MetallhydridOTC Over the Counter (außerbörslicher Handel, auch als Telefonhandel bezeichnet)PHEVPlug-in Hybrid Electric Vehicle (An das Stromnetz anschließbare Hybridautos)PVPhotovoltaikSMESSupraleitende Magnetische EnergiespeichersystemeUCTEUnion for the Co-ordination of Transmission of rechungsfreie StromversorgungVtGVehicle to GridListe der verwendeten EJExajoulehStundenaJahrpPeak (Spitzenleistung)

-1-1 Einleitung1.1 AusgangslageDie Stromspeicherung war lange Zeit ein Randthema und ist es im Kontext der Energiewirtschaftnoch immer. Strom breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, das Stromnetz an sich stellt keinenSpeicher dar. In der Folge müssen sich Ein- und Ausspeisung jederzeit entsprechen. Da derVerbrauch schwankend ist, die Energieträger zur Stromerzeugung bisher aber als eine Folge vonJahrmillionen dauernden Ablagerungs- und Verdichtungsprozessen in gespeicherter Formvorlagen, hat man die Erzeugung bis heute einseitig an den Verbrauch angepasst. Mit einerKombination aus Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerken wird der typische Lastgang desVerbrauchs möglichst effizient nachgebildet, durch zusätzlich vorgehaltene Regelkapazitäten kannauf unerwartete Verbrauchsschwankungen oder Kraftwerksausfälle reagiert werden. Einzig inrelevantem Umfang existierende Stromspeicher waren und sind die Pumpspeicherwerke, dieinsbesondere für Regelung und Spitzenlastdeckung Verwendung finden. Aber auch ihr Anteil istgering, da eine auf gespeicherten Energieträgern basierende Stromversorgung auf einenachgelagerte (Strom-) Speicherung weitestgehend verzichten kann.In den letzten Jahren und eigentlich bereits Jahrzehnten wird dieses System der Stromversorgungzunehmend in Frage gestellt, da die fossile und atomare Stromerzeugung Verursacher einerganzen Reihe von Umweltschäden und Risiken ist. Diese konnte größtenteils durch flankierendeMaßnahmen gesenkt werden. Mit dem Klimawandel und der zunehmend deutlichen Endlichkeitder fossilen Energieträger ist der Stromversorgung aber eine neue Herausforderung erwachsen.Wie bei den Vorherigen gibt es eine Lösung, nur führt sie diesmal zu tief greifendenVeränderungen. Erneuerbare Energieträger stehen zeitlich und mengenmäßig in fastunbegrenztem Maße zur Verfügung. Sie stehen in einem Fließgleichgewicht, ihre Nutzung zurStromerzeugung ist daher unschädlich für das Klima. Da insbesondere die Energieträger mit demgrößten Potenzial, Wind und Sonne, nicht in gespeicherter Form vorliegen, ist regenerativeStromerzeugung in hohem Maße fluktuierend und nicht am Verbrauch orientiert. Sie ist aber dievielleicht einzig langfristige Option zur Stromerzeugung, daher müssen neue Wege gefundenwerden, um Erzeugung und Verbrauch zur Deckung zu bringen. Einer dieser Wege wirdvermutlich die Stromspeicherung sein.Bisherige politisch und rechtlich zum Ausdruck gebrachte Bemühungen, sich der Herausforderungzu stellen, waren im Ergebnis hauptsächlich auf flankierende Maßnahmen beschränkt, währendgleichzeitig die Liberalisierung des Stromsektors als Hauptziel vorangetrieben wurde. Mit demErfolg vor allem des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG)1 in Deutschland zeigt sich aberzunehmend, dass eine isolierte Förderung der Erneuerbaren Energien alleine nicht ausreichend ist,sondern tiefer gehende Veränderungen im Energierecht erforderlich sind, um eine Integration zuunterstützen. Diese Diplomarbeit setzt sich daher mit den Folgen einer zunehmend regenerativenErzeugung für die Stromversorgung in Deutschland auseinander. Sie versucht zu antizipieren undverknüpft das bestehende deutsche Energiewirtschaftsrecht mit der Frage der Stromspeicherung.1Erneuerbare-Energien-Gesetz vom 21. Juli 2004 (BGBl. I S. 1918), zuletzt geändertdurch Artikel 1 des Gesetzes vom 7. November 2006 (BGBl. I S. 2550).

-2-1.2 DefinitionenDie Stromspeicherung rückt erst allmählich stärker in den wissenschaftlichen Fokus, daher bestehtnach Ansicht des Verfassers noch Definitionsbedarf. Um eine klare Abgrenzung gegenüberkonventionellen und erneuerbaren Kraftwerken zu gewährleisten, wird in dieser Arbeit statt Speicherkraftwerken" der Begriff Speicheranlagen" verwandt. Damit wird der TatsacheRechnung getragen, dass sich die Stromspeicherung in drei Verfahrensschritte unterteilt. DerStrom wird zuerst eingespeichert, also zumeist in eine andere Energieform umgewandelt, dannfür eine Zeiteinheit gespeichert und schließlich ausgespeichert, also wieder zu Stromzurückgewandelt in das Netz eingespeist.Der letzte Schritt erfolgt analog zu einem Kraftwerk, der Erste entspricht eher dem Verhalten einerVerbrauchseinheit und der Mittlere ist die eigentliche Speicherung, ähnlich z. B. einem Kohlelager,daher wird als Oberbegriff dieses Prozesses Anlage" verwandt, unter den sich die Einzelschrittesubsumieren lassen.Weiterhin wird der Begriff Speicherkraftwerk meist und auch in dieser Arbeit ausschließlich fürWasserkraftanlagen mit Speicher verwandt, die nur zu passiver und nicht zu aktiver Speicherung fähig sind, insofern keine Stromspeicherung im eigentlichen Sinne vornehmen,sondern nur eine Wasserspeicherung.1.3 Ziel der ArbeitZiel der Arbeit ist es, herauszufinden, ob das bestehende Energiewirtschaftsrecht in Deutschlandden Aufbau von ausreichenden Stromspeicherkapazitäten für eine langfristig sichere undumweltfreundliche Energieversorgung möglich macht.Zu diesem Hauptziel hinführend wird in einem ersten Schritt überprüft, ob und in welchem Maßeder Bedarf für Stromspeicherung voraussichtlich steigen wird und in einem zweiten Schritt dieEignung bestehender oder zukünftiger Stromspeichertechnologien und -konzepte analysiert.1.4 Gang der UntersuchungDie Arbeit unterteilt sich in drei Kapitel, die einen Bogen von der Zukunft der Stromversorgungund Maßnahmen zur Senkung des Stromspeicherbedarfs über die technische Machbarkeit undsystemische Gestaltbarkeit der Stromspeicherung hin zu der abschließenden rechtlichenEinschätzung spannen.Dabei sind Kapitel eins und zwei Grundlagen für und Hinführung zu Kapitel drei. Sie gehen aberüber die Wiedergabe von Grundlagen hinaus und schaffen jeweils ihren eigenen Ablauf vonBeschreibung, Analyse und Bewertung. Folgerichtig hat jedes Kapitel eine eigene kurzeZusammenfassung der Ergebnisse. Um den Überblick über die komplexen Zusammenhänge desgewählten Themengebietes zu erleichtern, ist den ersten Kapiteln zumindest einÜbersichtsdiagramm vorangestellt, das durch den folgenden Text ausgearbeitet und detailliertwird.Der Ablauf ist in der Form von Fragen formuliert folgendermaßen: Kapitel 1:Wie wird sich der potenzielle Bedarf für Stromspeicherung mittel- und langfristig bei

-3allmählicher Transformation der Stromerzeugung verhalten?Mit welchen Maßnahmen könnte der Bedarf für Stromspeicherkapazitäten langfristig beieinem klima- und umweltschonenden Auslaufen der fossilen und atomaren Erzeugung inDeutschland möglichst gering gehalten werden?Werden diese Maßnahmen bisher ergriffen und wird trotzdem der Zubau von neuenStromspeicherkapazitäten erforderlich sein und wenn ja, in welchem Umfang? Kapitel 2:Welche Stromspeichertechnologien sind vorhanden, die jetzt oder in naher Zukunft den inKapitel 1 ermittelten Bedarf zur Stromspeicherung decken und die Stromversorgungabsichern könnten?Im Rahmen welcher Speicherkonzepte wäre dies möglich, welche Zeitbereiche müsstenwie abgedeckt werden? Kapitel 3:Inwiefern ist die Stromspeicherung im deutschen Energiewirtschaftsrecht verankert?Ermöglichen die Regelungen im Energiewirtschaftsrecht die Deckung des in Kapitel 2ermittelten Bedarfs und die Realisierung der Speicherkonzepte aus Kapitel 3?Welche Regelungen haben unmittelbar oder indirekt Auswirkungen auf die Stromspeicherungund an welchen Stellen könnten Änderungen oder Anpassungen vorgenommen werden, umAnreize für den Aufbau von Stromspeicherkapazitäten zu erzeugen?1.5 MethodikDas erklärte Ziel der Arbeit ist, ergebnisoffen zu bleiben. Ein Wachstum der Erneuerbaren Energienwird vorausgesetzt, aber die Stromspeicherung nicht als alleinige Lösung für die Sicherung derStromversorgung gepriesen, genauso wenig wie es der Netzausbau vermutlich sein wird. DieStromspeicherung bringt die vierte Dimension in die Stromwirtschaft, ein wenig auch die dritte,zwangsläufig zeigt sie sich dabei als ein äußerst komplexes Thema, das sich manchmal einfachenAntworten verweigert.Diese Arbeit ist interdisziplinär und versucht daher die Frage der Stromspeicherung ausverschiedenen Blickwinkeln zu beleuchten. Sie tritt einen Schritt zurück und fragt sich, obunabhängig von den bestehenden rechtlichen Rahmenbedingungen der potenzielle Bedarf für dieStromspeicherung steigen wird. Dann stellt sie die Frage, wie weit die Technologien und Konzeptesind, die diesen Bedarf decken könnten, um abschließend das Energiewirtschaftsrecht aufVereinbarkeit mit den Ergebnissen zu überprüfen.Der Autor versucht einen guten Überblick in ein Thema zu geben, das bisher in der Literatur wenigbis kaum bearbeitet wurde. Aus diesem Grund erschien eine Beschränkung auf ein einzelnesSzenario oder einen kleinen Ausschnitt der Stromspeicherung wenig zielführend. Sie hättevermutlich mehr Fragen als Antworten aufgeworfen.Die Grundlagen der Arbeit beruhen verständlicherweise hauptsächlich auf der Sichtung, Analyseund Verdichtung von Sekundärliteratur. Nur in einem Fall wurden in kleinem Rahmen

-4Primärquellen hinzugezogen, da trotz aller Recherche keine geeignet erscheinende Darstellung zufinden war.

-5-2 Speicherbedarf kurz-, mittel und langfristig2.1 Speicherbedarf kurz- und mittelfristigDer Stromspeicherbedarf ist nicht allein an einer Zahl festzumachen. Die maximal benötigteLeistungsaufnahme/ -abgabe, die maximal benötigte Energiespeicherkapazität und die insgesamtmaximal zwischen zu speichernde Energiemenge über einen definierten Zeitraum ergeben einemehrdimensionale Größe.Dieser Stromspeicherbedarf ist kurz- und mittelfristig von vielen Faktoren abhängig. Im Ergebnisentscheidend ist die Wirtschaftlichkeit, die letztlich nur noch von wenigen Größen aufgespanntwird. Die Höhe der Preisdifferenzen und die Freque

besonderem Dank bin ich aber Herrn Siekhaus, Geschäftsführer der Stadtwerke Geesthacht, und Herrn Elvers, Einkäufer der Stadtwerke Geesthacht, verpflichtet, die mir in einem langen Gespräch die Sichtweise der Praxis ermöglichten. In der Folge