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Licht in der Dunkelflaute

Licht in der Dunkelflaute

Können uns die Erneuerbaren ganzjährig mit Energie versorgen, auch wenn im Winter wenig Sonne scheint und längere Windflauten eintreten? Die Antwort lautet: Ja! Man braucht dazu einen Überfluss an Wind- und Sonnenkraft, Stromleitungen, Reservekraftwerke und Speicher. Fossil- und Atomkraftwerke können dann gefahrlos abgeschaltet werden.
Von Aribert Peters

(4. Juni 2021) Erneuerbare Energie gibt es in Hülle und Fülle, auch in Deutschland. Genutzt wird davon leider noch wenig: Derzeit nutzen wir erneuerbare Energien für knapp 50 Prozent des Stroms und 15 Prozent des Gesamtenergiebedarfes. Wir müssen, können und wollen diesen Anteil in den kommenden Jahren schnell auf 100 Prozent erhöhen. Einerseits hat sich Deutschland vertraglich im Zuge des Klimaschutzabkommens von Paris dazu verpflichtet, andererseits gibt es sonst keine Chancen für die Stabilisierung des Weltklimas.

1900 Windräder in der Nacht / Foto: tickcharoen04 / stock.adobe.com

Photovoltaikausbau

Würde man auf allen Dächern Deutschlands PV-Anlagen installieren, könnte man damit allein so viel Strom erzeugen, wie in Deutschland verbraucht wird (504 TWh). Die auf Dächern installierbare PV-Leistung beträgt 500 GW, rechnet man die Fassadenflächen hinzu, dann sind es 900 GW (bdev.de/eggers). Würde man auch auf Äckern PV-Anlagen bauen, sogenannte Agri-Photovoltaik, und darunter weiter Landwirtschaft betreiben, könnte man theoretisch nochmals 1.700 GW PV-Leistungen installieren (bdev.de/agripv). In Städten könnte man zudem Photovoltaik mit einer Leistung von 154 GW über Parkplätzen und ähnlichen Flächen installieren (bdev.de/urbanepv). Zum Vergleich: Bisher wurden nur PV-Anlagen mit einer Leistung von etwa 50 GW installiert.

Windkraftausbau

Eine Untersuchung der Ingenieurgesellschaft Windguard zeigt, dass durch den Einsatz modernerer Windenergieanlagen, die auch bei Schwachwind hohe Leistungen erzielen, allein auf den bisher ausgewiesenen Flächen die Windstromerzeugung von 100 auf 200 TWh verdoppelt werden könnte. Heute ist in Deutschland nicht einmal ein Prozent der Gesamtfläche für Windenergie ausgewiesen. Doch schon damit könnten wir bei einer Modernisierung bestehender Anlagenstandorte – dem sogenannten Repowering – knapp 40 Prozent unseres Strombedarfes decken. Würde dieser Flächenanteil auf 2 Prozent verdoppelt, so würde allein die Windkraft 80 Prozent unseres Strombedarfes decken!

Überschussstrom

Zu den gerne erzählten Stammtischweisheiten zählt, dass schon heute Unmengen an erneuerbarem Strom nicht genutzt werden – insbesondere, weil es am Netzausbau fehle (siehe „Netzausbau im Überfluss“). Die Wahrheit ist: Nur zwei Prozent des mit den heutigen Anlagen erzeugbaren, erneuerbaren Stroms kann wegen Netzüberlastung oder Stromüberschuss nicht in das Stromnetz eingespeist werden (bdev.de/bnetaq3). Erst wenn dieser Überschuss an erneuerbarem Strom deutlich höher ist, würde es sich lohnen, ihn für knappe Zeiten zu speichern.

Dunkelflautenhäufigkeit

Der Deutsche Wetterdienst hat untersucht, wie oft Erneuerbare Erzeugungsanlagen pro Kalenderjahr über 48 Stunden hinweg weniger als 10 Prozent ihrer üblichen Leistung erbrachten: Bei Windkraftanlagen auf dem Land war das innerhalb eines Jahres 23-mal der Fall, bei Hinzunahme von Off-Shore-Windkraftanlagen nur 13-mal, mit PV-Anlagen nur 2-mal. Bei einer hypothetischen europaweiten Betrachtung tritt das Schreckgespenst 0,2-mal pro Jahr auf – also statistisch betrachtet alle fünf Jahre einmal. Häufigkeit und Dauer künftiger Versorgungslücken hängen folglich vom Stromverbrauch, dem Ausbaustand der Erneuerbaren und der Größe der betrachteten Region ab.

Sicherstellung der Stromversorgung bei Dunkelflauten 
Versorgungssicherheit im Energiebereich in der Gesetzgebung

Überkapazitäten als Lösung

Durch einen raschen Ausbau der Erneuerbaren verringert sich das Dunkelflautenproblem in doppelter Hinsicht: Dauer und Häufigkeit von Engpässen im Winter nehmen ab. Zudem steht im Sommer mehr Überflussstrom zur Verfügung, der in Wasserstoff sowie synthetische Kraftstoffe umgewandelt und im Winter genutzt werden kann. Die verbleibenden Versorgungslücken im Winter können Stromspeicher und Reservekraftwerke gemeinsam decken. Transportleitungen und Lastminderungen tun ein Übriges.

Die Höchstlast im Deutschen Stromnetz liegt derzeit bei rund 80 GW. Ein erneuerbares Stromversorgungssystem wird allen einschlägigen Studien zufolge eine Leistung zwischen 400 und 700 GW bereitstellen, also ein Vielfaches der aktuellen Höchstlast.

Beim derzeitigen Ausbautempo der Erneuerbaren wird es einen nennenswerten Stromüberschuss im Sommer frühestens in 10 Jahren geben. Bis dahin steigt aber auch die Stromnachfrage durch den Umstieg auf Stromheizungen und die Elektromobilität an. Deshalb muss die Ausbaugeschwindigkeit der Erneuerbaren deutlich zulegen.

Studie: Energiesystem Deutschland 2050
Forschungs-Projekte Kombikraftwerk2
Die populären Irrtümer des Professors

Studie über Lösungsansätze

Wie kann man künftig dann den erneuerbar erzeugten Strom aus Zeiten des Überflusses in die knappen Zeiten von Dunkelflauten ohne Wind und ohne Sonnenertrag hinüberretten? Dazu gibt es viele Möglichkeiten, die in einer Studie des Ingenieurbüros BET beziffert und bewertet werden.

Speichermöglichkeiten
  • Power-to-Gas bietet als Langfristspeichermöglichkeit ein praktisch unbegrenztes Potenzial. Der Wirkungsgrad Strom-Gas-Strom liegt nur bei rund 30 Prozent – lässt sich jedoch bei Nutzung der Abwärme (Kraft-Wärme-Kopplung und Nahwärmenetze) auf bis zu 90 Prozent erhöhen. Erneuerbares Gas ist einfach, in großen Mengen und langfristig in Kavernen speicherbar.
  • Nachfrageregelung: Durch zeitweise abschaltbare Stromlieferverträge kann die Leistungsnachfrage in der Spitze gekappt werden. Die Potenziale betragen rund 4 GW in der Industrie, 2 GW bei Haushalten und weitere 2 GW bei Wärmepumpen.
  • Pumpspeicherkraftwerke: Sie haben Kapazität, um den Stromverbrauch Deutschlands für rund 30 Minuten zu decken. Andere Länder in Europa wie die Schweiz, Österreich und Norwegen haben wesentlich größere Speicherkapazitäten.
  • Notstromaggregate: Sie können kurzfristig und für einige Stunden einspringen mit einer Leistung von 5 bis 8 GW.
  • Blockheizkraftwerke: Sie könnten mit Biogas, Erdgas oder Wasserstoff so betrieben werden, dass sie das Stromnetz stabilisieren. Dieses Potenzial wird heute kaum genutzt. Die meisten Bestandsanlagen werden für den Eigenverbrauch betrieben, da sich eine Stromeinspeisung aufgrund von Steuern, Umlagen und Abgaben sowie einer geringen Einspeisevergütung kaum lohnt. Sie könnten – richtig genutzt – eine Leistung von bis zu 25 GW bereitstellen.
  • Überflussstrom kann über elektrische Heizstäbe Häuser zeitweise beheizen. Der Strom spart dadurch fossile Brennstoffe und Emissionen ein. Bei Stromknappheit kann der eingesparte Brennstoff später genutzt werden.
  • Druckluftspeicher ermöglichen hohe Leistungen und können bei Nutzung vorhandener Salzkavernen (CAES) große Speichermengen nutzen, weisen dabei jedoch nur einen geringen Wirkungsgrad auf.
Regierungsbericht

Die Bundesregierung hat 2019 einen Bericht zur Versorgungssicherheit veröffentlicht. Dieser kommt zu dem Schluss, dass in den kommenden Jahren auf dem Strommarkt jederzeit ein bedarfsgerechter Ausgleich von Angebot und Nachfrage erreicht werden kann, man spricht von der „Lastausgleichswahrscheinlichkeit“. Der Bundesrechnungshof kritisierte diesen Bericht im März 2021: „Das Bundeswirtschaftsministerium muss dringend aktuelle und realistische Szenarien untersuchen. Außerdem muss es ein „Worst-Case“-Szenario untersuchen, in dem mehrere absehbare Risiken zusammentreffen, die die Versorgungssicherheit gefährden können“.

Netzausbau

Wenn ein Über- und Unterangebot von Stromerzeugung quer über Deutschland oder Europa hinweg ausgeglichen werden könnte, dann ist die Situation wesentlich einfacher, als wenn dieser Ausgleich nur kleinräumig möglich ist. Kommt ein maßvoller Netzausbau nur langsam voran, dann gibt es einen höheren Bedarf für ebenfalls teure kurz- und längerfristige Speicherung.

Regulierungsrahmen

Ein vollständig erneuerbares Energiesystem muss klug reguliert werden: Durch Gesetze, durch Steuern und Anreize sowie durch Schaffung von Verantwortlichkeiten für die Versorgungssicherheit. Ein solcher Ordnungsrahmen muss schnellstens geschaffen werden. Er schafft Sicherheit für die Versorgung, für die Verbraucher und die Investoren. Das ist, so Prof. Uwe Leprich, eine dringende gesellschaftliche Gestaltungsaufgabe. „Ein neues Design für das künftige Strom-Wärme-System muss vom Ende her neu gedacht und gestaltet werden.“

Fazit

Können die Erneuerbaren eine stabile Stromversorgung sicherstellen, wenn die Atom-, Kohle und Gaskraftwerke stillgelegt werden und wir unseren Strombedarf zu 100 Prozent erneuerbar decken? Die Skeptiker halten das – ganz pauschal – für unmöglich. In vielen Studien wurde
seit Jahren hingegen immer wieder genau durchgerechnet, wie mit geringen zusätzlichen Kraftwerkskapazitäten, die nur kurzzeitig benötigt werden, eine Versorgungssicherheit hergestellt werden kann. Die Rahmenbedingungen dafür müssen umfassend neugestaltet werden.

Der Ausbau der erneuerbaren Energien erfolgt angesichts der Klimakrise viel zu langsam. Noch immer gibt es gemessen an der Stromnachfrage viel zu wenig erneuerbare Erzeugungskapazitäten. Das ist angesichts der drastisch gesunkenen Erzeugungskosten für Wind- und PV-Strom nicht nachvollziehbar.