Batteriespeicher für Privathaushalte: Die Art und Weise, wie wir Strom erzeugen, neu gestalten

Viele Haushalte investieren in Batteriespeicher, auch wenn sich dies oft nicht lohnt. Warum ist das so und wie verändern diese Privatbatterien die Stromtarife in Zukunft?

Batterien können Haushalten mit Solarpaneelen dabei helfen, den Solarverbrauch zu steigern. Haushalte mit hohem Wert auf selbst erzeugte Solarenergie setzen früher auf Batterien.

Eigenheimbesitzer haben erst seit 2015/16 damit begonnen, zusätzlich zu ihren Solarmodulanlagen Batteriespeicher zu installieren, doch die Zahl der Installationen steigt insbesondere in einigen europäischen Ländern sprunghaft an (siehe Abbildung 1). Aufgrund hoher Energiepreise, Nachhaltigkeitsbedenken und sinkender Batteriekosten installieren heute die meisten Haushalte in Deutschland, die Solarenergie nutzen, auch eine Batterie mit.

Das Versprechen von Batterien ist einfach: Immer wenn Ihre Solarmodule mehr Energie produzieren, als Sie benötigen (z. B. an einem sonnigen Nachmittag), können Sie diese Energie mit einer Batterie speichern, anstatt die überschüssige Energie an den Energieversorger1 zurückzuverkaufen. Wenn dann die Sonne untergeht und Sie mehr Strom benötigen, als die Module erzeugen, können Sie die Batterie entladen und den Kauf vom Stromnetz vermeiden, bis die Ladung aufgebraucht ist.

Auf diese Weise kann ein Haushalt mit Speicher den Anteil erneuerbaren Stroms, den er verbraucht, erhöhen (Abbildung 2), aber, was noch wichtiger ist, auch Geld sparen. Abbildung 2 stellt gegenüber, welche Stromquellen zur Deckung des Strombedarfs eines Haushalts verwendet werden, indem zwei Haushaltstypen in unserem Datensatz verglichen werden: a) der durchschnittliche Haushalt mit 4,8 kWh2 Speicher3 und b) der durchschnittliche Haushalt ohne Speicher.

Anstatt den Strompreis an den Energieversorger zu zahlen (einschließlich Netz- und Verteilungsgebühren, Steuern und anderen Gebühren), nutzt die Batterie theoretisch den eigenen, günstigeren Solarstrom. In Abbildung 3 finden Sie ein Beispiel, das den Preisunterschied zwischen selbst erzeugtem Solarstrom (Panelpreis, Installation, Wartung) im Vergleich zum Strompreis im Jahr 2019 in Deutschland veranschaulicht.

In der Praxis sparen Batterien zwar bei jedem Lade-/Entladezyklus Geld, sind aber nicht kostenlos. Auch wenn die Preise für Lithium-Ionen (die ab 2023 am häufigsten verwendete Batterietechnologie) im Laufe der Jahre deutlich gesunken sind, kann eine Kilowattstunde (kWh) Speicher immer noch fast 1.000 Euro kosten4. Wenn also ein Haushalt mit jedem Batteriezyklus 15 Cent einspart (Strompreis von 25 Cent minus Eigenerzeugungskosten für Solarstrom von 10 Cent), müsste man die Batterie theoretisch 6.667 Zyklen lang nutzen, bevor sie einen Gewinn abwirft. Wenn Sie Ihre Batterie jeden Tag vollständig laden und entladen, beträgt die Lebensdauer mehr als 25 Jahre.

In unserem Datensatz, in dem Haushalte durchschnittlich 45 % der Batteriekapazität pro Tag verbrauchen, würde es fast 56 Jahre dauern, bis diese 6.667 Zyklen erreicht sind. Dies ist länger als die prognostizierte Lebensdauer der meisten Batterien (im Rahmen der Garantie) von 10 bis 15 Jahren und berücksichtigt weder Zeitrabatte (Sie zahlen im Voraus, profitieren aber über Jahrzehnte von den Vorteilen), Wartung noch Batterieverschlechterung. Und wohlgemerkt: Haushalte, die im Jahr 2018 Batterien kauften, mussten mehr für ihre Batterien bezahlen als in unserem heutigen Beispiel, was ihre Investition noch unrentabler machte – so scheint es zumindest.

Doch allein in Deutschland wurden zwischen 2018 und 2020 150.000 neue Speicheranlagen gebaut, die 1,3 Millionen kWh Energie speichern und etwa zwei Milliarden Euro kosten5. Warum kaufen diese Haushalte Speicher? Schließlich sind die Deutschen nicht dafür bekannt, einfach nur Geld zu verbrennen. Um herauszufinden, was passiert, haben wir uns mit Solarwatt zusammengetan, einem Dresdner Hersteller und Installateur von Solarmodulen, der sein Angebot im Jahr 2015 um Speicher erweitert hat.

Das Unternehmen stellte uns Daten von Tausenden seiner Kunden6 zur Verfügung, die zwischen 2018 und 2020 Solar- und Speicheranlagen installiert haben – die meisten davon sind deutsche Haushalte. Anekdotisch nennen Haushalte auf die Frage, warum sie Speicher gekauft haben, zwei Hauptgründe: 1) den gestiegenen Solarverbrauchsanteil und 2) die größere Unabhängigkeit vom Energieversorger (Autarkie genannt).

Wir nennen diesen Wunsch, nachhaltiger zu sein und weniger von der Ökobewertung des Netzbetreibers abhängig zu sein, und wollen ihn mit den von Solarwatt bereitgestellten Daten quantifizieren – mit anderen Worten, um zu verstehen, wie viel Haushalte die Nutzung ihres eigenen Solarstroms über den finanziellen Nutzen hinaus wertschätzen , um ihre Speicherinvestitionen zu rechtfertigen.

Für jeden Haushalt beobachten wir, wie viel Solar- und Batteriekapazität er hat, und wir sehen auch alle 15 Minuten die tatsächliche Solarerzeugung und den Energiebedarf für die Jahre 2018–2020 (siehe Abbildung 4 für eine grafische Darstellung der Gesamtenergie aller Haushalte pro Woche). Energiebedarf und Solarstromerzeugung). Darüber hinaus kennen wir die Technologiekosten und Strompreise in Deutschland sowie die Bundesförderung für Solar und Batterien. Wir kombinieren alle Daten, um a) zu verstehen, wie Haushalte im Laufe des Tages Strom verbrauchen, b) wie hoch ihre Ökobewertung ist und c) wie die Existenz von Speichern die Energieversorgung der Zukunft verändern wird.

Konzeptionell besteht unser Ansatz aus drei Schritten, die wir für jeden Haushalt individuell anwenden (eine genauere Erläuterung des Modells finden Sie im Forschungspapier):

Im ersten Schritt nutzen wir die Nachfrage- und Solarerzeugungsdaten, um die Verbrauchspräferenzen des Haushalts über den Tag hinweg zu ermitteln, da der Zeitpunkt der Stromzufuhr einen großen Einfluss auf die Nützlichkeit der Speicherung hat. Ebenso ist es wichtig, die Solarenergieerzeugungsmuster eines Haushalts zu kennen, da diese auch Auswirkungen auf die Speichervorgänge haben – der Standort des Gebäudes, die Ausrichtung des Daches, der Winkel der Paneele und sogar das Vorhandensein von Bäumen tragen alle dazu bei charakteristisch.

In einem zweiten Schritt untersuchen wir die finanziellen Aspekte des Stromverbrauchs – wie viel ein Haushalt seinem Netzbetreiber jeden Monat zahlt, wie viel Geld er erhält, wenn er Energie zurück ins Netz verkauft, und die Kosten für die Installation von Solar- und Speicheranlagen.

Im dritten Schritt treffen wir Annahmen über die Haushalte. Wir gehen insbesondere davon aus, dass Haushalte die optimalen Investitionsentscheidungen treffen (d. h. sie kennen den Strompreis, die Subventionen und die Kosten für Panels und Batterien sowie ihre eigenen Präferenzen) und auf der Grundlage dieses Wissens die Höhe der Investitionen wählen Solarpaneele und die Anzahl der Batteriemodule, die am besten dazu passen.

Die Idee dabei ist, dass Batterien in Modulen gekauft werden (stellen Sie sich eine mikrowellengroße Batterie vor, die 2,4 kWh oder etwa zwei bis drei Stunden Energiespeicherung enthält) und jedes dieser Module etwa 2.000 US-Dollar kostet. Wir gehen davon aus, dass die Haushalte bewusst entscheiden, ob sie z. B. 0, 1, 2 oder 5 solcher Module wünschen und nicht einfach zufällig eine Anzahl auswählen.

Schließlich gehen wir davon aus, dass die Haushalte Strom verbrauchen, obwohl sie wissen, dass sie Solaranlagen und Speicher installiert haben, ohne jedoch die Energieproduktion/-speicherung in Echtzeit zu überprüfen. Mit anderen Worten: Haushalte überprüfen nicht zuerst den Ladezustand ihrer Batterie, bevor sie entscheiden, ob sie ihren Computer oder ihre Klimaanlage einschalten oder nicht.

Mit diesem Ansatz erhalten wir die Ökobewertung (Abbildung 5) und die stündlichen Konsumpräferenzen für jeden Haushalt. Die wichtigsten Erkenntnisse aus unseren Ergebnissen diskutieren wir in den folgenden drei Segmenten.

Wie Abbildung 5 zeigt, haben die deutschen Haushalte in unserem Datensatz eine erhebliche Ökobewertung mit einem Median von 0,29 €. Dies ist wichtig, da es die Bewertung der Umweltfreundlichkeit in der Bevölkerung quantifiziert und eine klare Botschaft vermittelt: Ein Unternehmen im Bereich der nachhaltigen Technologie kann Käufer, die bereit sind, mehr für ein umweltfreundliches Produkt zu zahlen, gewinnen und das Geschäft skalieren, bevor seine Technologie Preisparität erreicht . Natürlich handelt es sich bei den Haushalten in unserem Datensatz um eine besonders grüne Untergruppe der deutschen Bevölkerung, aber genau diese „grüne Zielgruppe“ ist mit größter Wahrscheinlichkeit die erste Kundschaft für ein neues Produkt im Nachhaltigkeitsbereich. Mit diesen frühen Kunden kann ein Unternehmen sein Produkt verbessern, seine Infrastruktur skalieren und sein Geschäftsangebot weiterentwickeln. Und die Identifizierung dieser Gruppe könnte zu Kunden für andere mögliche nachhaltige Angebote führen, wie etwa Recyclingdienstleistungen, Wärmepumpen oder synthetische Kraftstoffe.

Beachten Sie, dass wir in Abbildung 57 keine Haushalte mit positiven, aber geringen Ökobewertungen (weniger als fünf Cent pro kWh) haben. Das liegt nicht daran, dass diese Haushalte nicht existieren, sondern lediglich daran, dass sie keinen Speicher zu den Preisen von 2018–2020 gekauft hätten. Vermutlich werden viel mehr Kunden in diesem Bereich mit niedriger, aber positiver Ökobewertung mit der Einführung von Batterien beginnen, wenn die Strompreise steigen oder sobald die Technologie billiger wird.

Für Haushalte ist die wichtigste Erkenntnis aus unserer Arbeit, dass es im Laufe des Tages große Schwankungen beim Stromverbrauch gibt, die sich drastisch auf die Nützlichkeit der Speicherung auswirken (siehe Abbildung 6 zum Vergleich der stündlichen Stromverbrauchspräferenzen von drei verschiedenen Haushalten). Dieser Effekt ist so ausgeprägt, dass Haushalte mit gleichem jährlichen Energieverbrauch, gleicher Solarkapazität und gleicher Batteriekapazität ihre Batterie möglicherweise um den Faktor drei unterschiedlich nutzen – und im Idealfall möchte man vor dem Kauf wissen, in welche Kategorie der eigene Haushalt fällt eine Batterie.

Um zu wissen, ob man sich als Haushalt eine Batterie anschafft oder nicht, reicht es daher nicht aus, nur auf die monatliche Stromrechnung zu schauen oder den Bedarf anhand der Anzahl der Personen in einem Haushalt abzuschätzen. Wir sind vielmehr der Meinung, dass der Zeitpunkt von überschüssiger Solarenergie und Engpässen berücksichtigt werden muss.

Der ideale Haushalt für die Speichernutzung ist ein Haushalt, in dem alle morgens das Haus verlassen, tagsüber wenig Strom verbraucht wird (damit die Batterie durch Solarenergie aufgeladen werden kann) und abends beim Abendessen oder bei Unterhaltungsmöglichkeiten viel Strom zum Entladen verbraucht wird die Batterie. Das Arbeiten von zu Hause aus, die häufige und intensive Nutzung des Stromnetzes sowie der insgesamt niedrige Stromverbrauch wirken sich allesamt negativ auf den Nutzen von Batterien aus.

Wir haben unser Modell und die geschätzten Parameter verwendet, um kontrafaktisch vorherzusagen, was in der Zukunft passieren könnte. Uns interessierte insbesondere der große Teil der Bevölkerung ohne Umweltbewertung, der lediglich die Stromkosten minimieren möchte. Die hypothetische mittelfristige Zukunft, die wir uns vorstellen, ist eine, in der Solarenergie 20 % billiger ist, Batterien 35 % billiger, der Strompreis 38 Cent pro kWh beträgt8,

und es gibt keine Subventionen.

Wir haben untersucht, in welche Solar- und Speicherkapazitäten die Haushalte aus unserem Datensatz investieren würden, wenn sie den ganzen Tag über die gleichen Strompräferenzen hätten, sich aber nur um den niedrigstmöglichen Preis kümmerten und nicht bereit wären, für Ökostrom extra zu zahlen. In diesem Zukunftsszenario würden 72 % der Haushalte eine gewisse Speicherkapazität erhalten und fast jeder würde Solarenergie nutzen. Dies sind aus drei Gründen schlechte Nachrichten für das Versorgungsunternehmen (siehe Abbildung 7 für eine Visualisierung der Gründe eins und zwei).

Der erste Grund ist, dass, wenn die meisten Haushalte Solar- und Speicheranlagen installieren, der durchschnittliche Bedarf, den das Versorgungsunternehmen decken muss (im Folgenden Netzlast genannt), um 43 % niedriger ist. In Abbildung 7 stellt die schwarze Linie die durchschnittliche Netzlast ohne Investitionen dar, während die blaue Linie die Netzlast mit Investitionen zeigt.

Der zweite, weniger offensichtliche Grund ist, dass billige Solarenergie und Speicher die Schwankung der Netzlast im Laufe des Jahres erhöhen (vergleichen Sie den grau schattierten Bereich mit dem blau schattierten Bereich, der den Bereich der Tage mit der höchsten und niedrigsten Netznutzung angibt). Günstiger selbst erzeugter Strom ermöglicht es Haushalten, ihren Haushalt stärker zu elektrifizieren, was bedeutet, dass sie mehr Strom verbrauchen (Elektrofahrzeuge, Wärmepumpen, Klimaanlagen, mehr Geräte usw.).

An sehr sonnigen Tagen wird fast die gesamte Energie selbst erzeugt und der Energieversorger hat nur eine sehr geringe Belastung für Privathaushalte, aber an sehr dunklen Tagen, z. B. im Januar (dies basiert auf deutschen Daten), muss fast der gesamte Strombedarf gedeckt werden durch den Energieversorger, was zu enormen Schwankungen der Netzlast im Jahresverlauf führt.

Der dritte Grund, warum die Speicherung eine schlechte Nachricht für den Energieversorger ist, besteht darin, dass die bestehenden Stromtarife möglicherweise nicht gut funktionieren, wenn Haushalte die Möglichkeit haben, ihren eigenen Strom zu erzeugen, und jetzt auch entscheiden können, wann sie ihn den ganzen Tag über nutzen möchten. Angesichts der geringeren durchschnittlichen Nachfrage und der höheren Schwankungen möchten die Energieversorger natürlich die Preise erhöhen, aber eine Preiserhöhung schafft einen weiteren Anreiz für mehr Haushalte, Solarenergie und Speicher zu nutzen.

Ein weiteres typisches Beispiel für die Speicherung ist die Hinzufügung von Nutzungszeitpreisen (oder die Verteuerung des Abendkonsums). Natürlich gibt es feste Anschlussgebühren, Gebühren auf der Grundlage der maximalen Nachfrage oder der Nachfrageschwankungslast oder andere Instrumente als mögliche Lösungen, aber es ist wahrscheinlich, dass sich die Stromtarife in den kommenden Jahren parallel zur Speichertechnologie weiterentwickeln müssen.

Regulatorische Erkenntnisse lassen sich nur schwer verallgemeinern, da sie sehr marktspezifisch sind. Wir beginnen daher mit einer deutschlandspezifischen Erkenntnis zum Thema Solar und gehen dann zu einer länderunabhängigen Sicht auf die Speicherung über. Die Bundesregierung sollte die Subventionierung von Solardächern stoppen.

Für Ökonomen ist diese Erkenntnis vielleicht nicht neu, aber wir konnten beziffern, wie viele Euro an Subventionen nötig sind, um eine Tonne CO2-Emissionen zu reduzieren. Mit dem aktuellen Subventionssystem zahlen die deutschen Steuerzahler 615 Euro pro Tonne entfernten Kohlenstoffs, vor allem weil Solarenergie für Privathaushalte an sich bereits rentabel ist und die Subventionierung die Amortisation für die Haushalte verringert, die sich dafür entscheiden, in sie zu investieren.

Was die Lagerung betrifft, sind die Dinge differenzierter. Solange Batterien unrentabel bleiben, können Regierungen, die sich Ziele für die Einführung von Haushaltsspeichern gesetzt haben, die Erkenntnisse der Ökobewertung nutzen, um ihre Anreizsysteme zu kalibrieren. Da es sich bei der Einführung um eine Kombination aus finanziellen Vorteilen, Subventionen und der Bewertung der Umweltverträglichkeit handelt, könnte eine Regierung, wenn sie die Verteilung der Umweltbewertung in ihrer Bevölkerung kennt, eine Subvention in einer Höhe festsetzen, die die Speicherung nicht direkt rentabel macht, sondern sie für diese eher günstig genug macht mit einer hohen Ökobewertung, in die man investieren kann.

Angesichts der Netzherausforderungen, die im Abschnitt zum Thema „Netzbetreiber“ erörtert wurden, könnte es für die Regulierungsbehörden ratsam sein, die Beziehung zwischen privaten Verbrauchern und dem Stromnetz neu zu bewerten. Als einige Prozent der Haushalte über reine Solaranlagen verfügten, war es nicht allzu problematisch, sie nach Belieben am Netz verkaufen und kaufen zu können.

Wenn jedoch ein großer Teil der Gebäude mit Solarenergie ausgestattet ist (einige Bundesstaaten und Städte schreiben sogar die Installation von Solaranlagen für Neubauten vor) und private Speicher zur Norm werden, wird es eine Regelung geben, wer die Speicher betreiben darf und unter welchen Umständen Privatpersonen sie an ihre Netzbetreiber verkaufen dürfen für den stabilen Betrieb des Energienetzes der Zukunft notwendig werden.

Figgener, Jan, Christopher Hecht, Jakob Bors, Kai Spreuer, Kai-Philipp Kairies, Peter Stenzel, and Dirk Uwe Sauer. 2023. “The Development of Battery Storage Systems in Germany: A Market Review (Status 2023).” 10.48550/arXiv.2203.06762

Kaps, Christian und Serguei Netessine. 2023. „Batteriespeicher für Privathaushalte: Die Art und Weise, wie wir Strom erzeugen, neu gestalten.“ SSRN. https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4219247