Freitag, 23. Februar 2024

Stromversorgung
Die Auswirkung der Dunkelflaute auf die deutsche Energiewende

Erneuerbare Energien sollen in Deutschland den Hauptanteil der Energieversorgung übernehmen und konventionelle Energieträger mehr und mehr ersetzen. Doch was geschieht bei längerer Dunkelheit oder wenn über Tage hinweg kein Wind weht?

24.04.2023
    Windräder im Sonnenuntergang
    Wenn stunden- oder tagelang kein Wind weht, sackt auch der Stromertrag aus Windkraft ab (picture alliance / Goldmann)
    Deutschland will die Energiewende: Strom soll immer mehr aus Windrädern und Photovoltaik-Anlagen bezogen werden, laut dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ab 2030 schon zu 65 Prozent.
    Im Jahr 2021 wurden 238 Terawattstunden des gesamten Bruttostroms in Deutschland aus erneuerbaren Energieträgern erzeugt. Das entspricht rund 41 Prozent der gesamten Strommenge. In den vergangenen knapp 20 Jahren nahm der Anteil der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien deutlich zu. Gleichzeitig verzeichneten insbesondere Steinkohle und Kernenergie einen deutlichen Rückgang.
    Im Jahr 2021 wurden 238 Terawattstunden des gesamten Bruttostroms in Deutschland aus erneuerbaren Energieträgern erzeugt. Das entspricht rund 41 Prozent der gesamten Strommenge. In den vergangenen knapp 20 Jahren nahm der Anteil der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien deutlich zu. Gleichzeitig verzeichneten insbesondere Steinkohle und Kernenergie einen deutlichen Rückgang. (Statista/BDEW)
    Ein Problem bei erneuerbaren Energien ist aber, dass Sonne und Wind die Energie nicht immer dann erzeugen, wenn sie gebraucht wird, sondern höchst ungleichmäßig. Das kann auch bedeuten, dass bei Dunkelheit oder Windstille nicht genügend Strom produziert wird, während die Menschen zum Beispiel im Winter mehr Strom für Licht oder das Heizen verbrauchen. Für die Energiewende ist dieses Szenario die große Bewährungsprobe.

    Was versteht man unter einer Dunkelflaute und wann tritt sie auf?

    Eine allgemeingültige Definition gibt es nicht. Vereinfacht gesagt bedeutet eine Dunkelflaute einen tiefen Einbruch in der Stromeinspeisung durch Wind- und Photovoltaik-Anlagen aufgrund lange anhaltenden schwachen Windes und wetter- oder jahreszeitbedingter Dunkelheit. In Deutschland kann die Stromerzeugung aus Windenergie auf unter zwei Prozent der installierten Leistung absinken.
    Treffen geringes Angebot und hohe Nachfrage aufeinander - wie etwa im Winter - spricht man von "kalter Dunkelflaute", wie das Umweltbundesamt in seiner Klimawirkungs- und Risikoanalyse erklärt: eine "wetter- und jahreszeitbedingte Dunkelheits- und Schwachwindphase mit gleichzeitig erhöhter Nachfrage an Energie".
    "Kalte Dunkelflauten" treten in Deutschland laut der Umweltbehörde besonders im Zeitraum zwischen dem 23. Januar bis 6. Februar auf. Zwischen 2006 bis 2016 mussten in diesem Zeitraum meist konventionelle Kraftwerke die Stromnachfrage decken.
    Auch nach einer Analyse des Science Media Centers (SMC) der Jahre 2015 bis 2020 traten Stromflauten im Winter auf. Kurze Stromflauten gab es demnach aber auch über das Jahr verteilt. Längere - über acht Tage andauernde - fanden nach Angaben des SMC drei Mal zwischen 2015 und 2020 statt. Diese seien Stress-Phasen für erneuerbare Stromsysteme.

    Mehr zum Thema Energiewende

    Erneuerbare Energien müssen dringend ausgebaut werden
    Der schnellste Weg zur Wärmewende: Wie heizen wir denn jetzt?
    Experten fordern Fokus auf grünen Wasserstoff
    Nord Stream 2: Wie abhängig ist Deutschland von russischem Erdgas
    Hohe Energiepreise: Wie können Verbraucher entlastet werden?

    Wie lässt sich die Stromversorgung sicherstellen?

    Die Leistung und der Anteil von Wind- und Photovoltaik an der Stromversorgung kann stark absinken.
    Das Science Media Center SMC hat anhand eines Tools Szenarien für die Zukunft ab 2030 nach dem Kohleausstieg anhand historischer Stromerzeugungsdaten errechnet. Es kommt dabei zu dem Ergebnis, dass in einer Dunkelflauten-Situation wie am 24.1.2017 über 95 Prozent des Gesamtbedarfs über ein Back-up abgedeckt werden müsste, durch einen Kraftwerkspark, Batterien, Pumpspeicher, Stromimporte oder einer Kombination aus diesen Lösungen. Das SMC betont dabei, dass das Tool Szenarien liefert, keine Vorhersagen.
    Das SMC folgert daraus: "Es zeigt, dass ein Back-up für Dunkelflauten nötig ist. Fallen die Erträge der Erneuerbaren für längere Zeit stark ab, gibt es derzeit kaum eine andere Möglichkeit als eine große Zahl steuerbarer Gaskraftwerke als Back-up vorzusehen." Diese Back-up-Kraftwerke müssten unter Umständen lange stillstehen und trotzdem schnell anfahren. Eine andere Möglichkeit seien Importe von großen Mengen erneuerbarer Energie aus anderen Teilen Europas oder des Mittelmeerraums.

    Notfallmechanismen der Bundesnetzagentur

    In Deutschland ist die Bundesnetzagentur für die Versorgungssicherheit zuständig. Zur Sicherstellung der Stromversorgung überprüft sie, welche Kraftwerke stillgelegt werden dürfen und welche weiterhin das Stromnetz stabilisieren müssen. Sie betont: "Die Stromnachfrage in Deutschland kann in allen untersuchten Szenarien bis 2030 zu 100 Prozent gedeckt werden. Dies gilt auch für ein Szenario, welches einen verstärkten Rückgang der Kohleverstromung in Deutschland berücksichtigt, um das Klimaschutzziel der Energiewirtschaft für 2030 zu erreichen."
    Zudem berechnet sie regelmäßig, wie oft und wie lang Extremsituationen auftreten könnten. Im Extremfall greifen Notfallmechanismen, sodass im Endeffekt nur ein kleiner Teil von Stromausfall betroffen sei, erklärt die Bundesnetzagentur - also große Industrieanlagen, mit denen das vertraglich geregelt ist. Außerdem gebe es Ersatzkraftwerke mit einer Kapazität von zwei Gigawatt ab Oktober 2022.

    Reichen Wind- und Photovoltaik-Anlagen für die Stromversorgung in Deutschland aus?

    Noch nicht. Eine Dunkelflaute stellt ein Stromsystem mit einem hohen Anteil von Erneuerbaren Energien vor große Herausforderungen. Fossile Kraftwerke könnten diese Flaute aber ausgleichen.
    Laut den Berechnungen des SMC ist ein Kohleausstieg 2030 von den Bilanzen her machbar, aber nur, wenn

    - der Ausbauplan der Windanlagen von derzeit 71 auf mindestens 80 bis 120 GW angehoben wird und die genehmigten Anlagen auch tatsächlich gebaut werden
    - der Ausbau der Offshore-Windparks wieder in Gang kommt und auf 25 GW angehoben wird
    - der Ausbau der Photovoltaik von derzeit 100 auf 150 bis 200 GW angehoben wird
    - ein Ausbau von Gaskraftwerken als Back-up in der Größenordnung von 53 bis womöglich 80 GW angestrebt wird
    Diese Kraftwerke sollen die Stromerzeugung der Kohlekraftwerke nicht ersetzen, sondern nur dann in Aktion treten, wenn Wind- und PV-Anlagen weniger erzeugen als gebraucht wird.
    In der aktuellen Studie "The impact of weather in a high renewables power system" kommt Aurora Energy Research zu dem Schluss, dass Deutschland im Jahr 2050 zusätzlich bis zu 10 Gigawatt an flexiblen Kraftwerken für Extremwetterlagen brauchen wird, um "kalte Dunkelflauten" zu vermeiden.

    Welche Rolle werden Back-up-Kraftwerke in Zukunft spielen?

    Vom Science Media Center befragte Forscher kommen übereinstimmend zu dem Ergebnis: Um Dunkelflauten künftig zu überbrücken, führt an Back-up-Kraftwerken im Grunde kein Weg vorbei. Diese kämen allerdings nur zum Einsatz, wenn Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen nicht ausreichend Strom produzieren. Dafür am besten geeignet seien gasbetriebene Anlagen, die zügig hochfahren könnten und Versorgungsengpässe mit erneuerbarem Biogas oder Biomethan überbrücken könnten. Kohlekraftwerke könnten sich hier als zu langsam entpuppen - Atomkraftwerke hingegen kommen nicht infrage. Sie sind auf den Dauerbetrieb eingestellt.
    Klar ist aber auch: Durch diese Art der Energiegewinnung entsteht CO2. Dieses müssten kompensiert werden - etwa durch die Abscheidung von CO2 aus der Atmosphäre. "Da dies aufwändig, teuer und energieintensiv ist, erscheint es ratsam, den Bedarf nach Back-up-Kraftwerken möglichst klein zu halten", sagt Dr. Jan Wohland von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich. Prof. Dr. Christian Rehtanz sieht hier Handlungsbedarf: "Erst wenn wir Back-up-Kraftwerke, die kurzfristig mit Gas betrieben werden, errichten, dann können wir aus der Kohleverstromung aussteigen. Um dann aber Gasmangellagen zu entgehen, müssen neue Gaslieferquellen oder Wasserstoff erschlossen werden."
    Der reale Energiebedarf schwankt je nach Modellszenario: Bei flexibler Nachfrage und hoher Speicherkapazität könnten schon 40 Gigawatt ausreichen, andere Szenarien gehen von bis zu 90 Gigawatt Bedarf aus, der von Back-up-Kraftwerken geleistet werden müsste.
    Nötig werden dürfte nach Ansicht der Forscher allerdings eine Art Mix-Strategie: Dabei sollen Bedarfsspitzen abgeflacht werden (etwa, indem die Nachfrage flexiblisiert wird) und und zugleich die Energienetze Europas besser vernetzt werden, um Leistungs- und Bedarfsspitzen wechselseitig auszugleichen. "Eine Flaute in der Nordsee kann dann beispielsweise von starken Winden in Griechenland kompensiert werden", erklärt Dr. Jan Wohland. "Ähnlich ist es auch möglich, die starken saisonalen Zyklen von Wind und Solarenergie optimal zu kombinieren, um dem saisonalen Zyklus des Strombedarfes möglichst nahe zu folgen."

    Welche Probleme gibt es beim Ausbau von Windkraft und Photovoltaik?

    Der Ausbau ist in den letzten Jahren ins Stocken geraten: Bei der Windkraft an Land sorgten beispielsweise langwierige Planungs- und Genehmigungsverfahren und auch verbindliche Abstandsregeln zu Wohngebäuden für einen Rückgang beim Zubau der Windkrafträder. In den kommenden Jahren wird der Strombedarf wachsen, vor allem durch die steigende Elektromobilität oder die Produktion von grünem Wasserstoff. Die Stiftung Klimaneutralität fordert daher, dass künftig zwei Prozent der Flächen in Deutschland für die Nutzung der Windkraft zur Verfügung stehen sollte. In diesem Sinne hat auch Robert Habeck, Wirtschafts- und Klimaminister, erklärt, den Zubau von Windrädern und Solaranlagen drastisch beschleunigen zu wollen. Dafür bedarf es vor allem, genehmigungsrechtliche Hindernisse zu beseitigen.
    Quellen: Science Media Center, Helmholtz Klima Initiative, Bundesnetzagentur, energie-experten.org, og