- von Dipl.-Phys. Karl Linnen­fel­ser, Neustadt -

Lastgang­li­nien als Erfolgs­kon­trolle der Energie­wende mit Windener­gie- und
Photovoltaik-Anlagen

Zurzeit wird die Energie­wende fast ausschließ­lich unter dem Aspekt der extrem hohen Kosten von bis zu einer Billion € disku­tiert. Weit wichti­ger als die Frage der Wirtschaft­lich­keit ist jedoch die Frage der Funktio­na­li­tät eines zukünf­ti­gen Strom­ver­sor­gungs­sys­tems mit überwie­gen­dem Anteil an Strom aus Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen, da beide Energie­trä­ger starken zeitli­chen Schwan­kun­gen unter­lie­gen, die nicht mit der Strom­nach­frage korre­lie­ren. Erneu­er­bare Energie­an­la­gen wie Brenn­stoff­zel­len oder Biogas­an­la­gen, die entspre­chend der Strom­nach­frage regel­bar sind, können auf Grund der gerin­gen Nennleis­tun­gen im Rahmen der hier anzustel­len­den Betrach­tun­gen zur Erfolgs­kon­trolle über Lastgang­li­nien außer Betracht bleiben.

Eine energie­wirt­schaft­li­che Bewer­tung der Strom­ein­spei­sung aus Windkraft- und Fotovol­taik-Anlagen kann sehr zuver­läs­sig über Lastgang­li­nien erfol­gen, die den zeitli­chen Verlauf der Einspei­se­leis­tun­gen der jewei­li­gen Erzeu­gungs­an­la­gen darstel­len. Bei Gegen­über­stel­lung der im deutschen Strom­netz benötig­ten Leistung kann anhand der Lastgang­li­nien wirkungs­voll kontrol­liert werden, welcher Energie­trä­ger mit welchem prozen­tua­len Anteil den durch­schnitt­li­chen Leistungs­be­darf von knapp 70 000 MW in Deutsch­land deckt. In Deutsch­land werden pro Jahr bis zu 600 Milli­ar­den kWh verbraucht (600 Milli­ar­den kWh/8760 Jahres­stun­den = 68 493 MW).

Diese effek­tive Erfolgs­kon­trolle mittels der Lastgang­li­nien unter­bleibt in allen öffent­lich geführ­ten Diskus­sio­nen. Dabei ist aus allen Daten der zu ihrer Veröf­fent­li­chung gesetz­lich verpflich­te­ten Übertra­gungs­netz­be­trei­ber Amprion, 50 Hertz, TenneT und Trans­net BW (www.eeg-kwk.net) und der European Energy Exchange (www.eex.com) klar zu erken­nen, dass die sichere Strom­ver­sor­gung in Deutsch­land ohne einen ausrei­chend großen darge­bots­un­ab­hän­gi­gen konven­tio­nel­len Kraft­werks­park nicht gewähr­leis­tet werden kann. Nur ein „allzeit berei­ter“ Kraft­werks­park ist in der Lage, die Diskre­panz zwischen Strom­an­ge­bot und Strom­nach­frage zu decken.Als Betrach­tungs­zeit­raum sind Winter­mo­nate beson­ders aussagekräftig.

Diagramm 1: Strom­ver­brauchs­kurve (Band bis ca. 73 000 MW) in den Winter­mo­na­ten 2012/13 und die Einspei­se­leis­tun­gen aller Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen in Deutsch­land 

Zur Erzeu­gung des in Deutsch­land verbrauch­ten Stroms speisen Kraft­werke mit einer Leistung von bis zu 80 000 MW in zeitli­cher Abhän­gig­keit vom Verbrauch in das öffent­li­che Strom­netz ein. Diese von den Anfor­de­run­gen der Strom­ver­brau­cher zeitab­hän­gige Einspei­se­leis­tung wird bisher von konven­tio­nel­len und seit einigen Jahren verstärkt von regene­ra­ti­ven Strom­erzeu­gungs-Anlagen bereit­ge­stellt, wobei die EEG-Anlagen mit gesetz­lich festge­leg­tem Vorrang ins Strom­netz einspei­sen, während die konven­tio­nel­len Anlagen dem stark variie­ren­den Strom­ver­brauch und der unste­ten Einspei­se­leis­tung der Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen nachre­geln. Im Diagramm 1 sind die akkumu­lier­ten Einspei­se­leis­tun­gen aller Windener­gie-Anlagen (Wind blau) und aller Fotovol­taik-Anlagen (Solar gelb) maßstäb­lich zum Strom­ver­brauch (roter Hinter­grund) für den Zeitraum Dezem­ber 2012 bis Februar 2013 wiedergegeben.

In Deutsch­land sind aktuell 24 000 Windener­gie-Anlagen mit einer Nennleis­tung von 32 300 MW und Fotovol­taik-Anlagen mit einer Nennleis­tung von ca. 35 300 MW instal­liert (Stand Okt 2013). Damit hat der Bestand an Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen mit zusam­men 67 600 MW Nennleis­tung fast die Größen­ord­nung der Einspei­se­leis­tung des Kraft­werks­parks erreicht, die zur Sicher­stel­lung einer stabi­len Strom­ver­sor­gung in Deutsch­land zeitgleich zum Verbrauch im Strom­netz zur Verfü­gung stehen muss. Als Nennleis­tung einer Strom­erzeu­gungs­an­lage wird die höchste Leistung definiert, die bei optima­len Betriebs­be­din­gun­gen dauer­haft zur Verfü­gung gestellt werden kann. Windener­gie-Anlagen errei­chen beispiels­weise ihre auf dem Typen­schild angege­bene Nennleis­tung erst bei Windge­schwin­dig­kei­ten ab 13 m/sec bis 15 m/sec, die bei starken bis stürmi­schen Windver­hält­nis­sen vorlie­gen und per Defini­tion zu „Wider­stand beim Gehen gegen den Wind“ führen. 

Lastgang­li­nien

Zuver­läs­sige Aussa­gen über die Wertig­keit der Strom­erzeu­gung aus Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen, d.h. Aussa­gen über die zeitad­äquate Erzeu­gung von kWh (elektri­sche Arbeit), können aus Lastgang­li­nien gewon­nen werden, da diese den zeitli­chen Verlauf der Einspei­se­leis­tung dokumentieren. 

Diagramm 2: Lastgang­li­nie (zeitab­hän­gige Einspei­se­leis­tung) aller deutschen Windener­gie-Anlagen ab 2010 mit aktuell 32 300 MW Nennleis­tung (Okt 2013)

Das Diagramm 2 stellt die gesamte Strom­ein­spei­sung aller Windener­gie-Anlagen in Deutsch­land im Zeitraum 2010 bis Oktober 2013 dar. In diesem Zeitraum wurde die instal­lierte Nennleis­tung des Windener­gie-Kraft­werks­parks auf 32 300 MW erhöht (blauer Hinter­grund). Die darge­stellte Lastgang­li­nie ist charak­te­ri­siert durch eine ausge­prägte Stochas­tik mit hohen Leistungs­spit­zen und langen Zeiträu­men minima­ler Einspei­se­leis­tung. Eine gesicherte Strom­ein­spei­sung mit einem akzep­ta­blen „Sockel“ an Einspei­se­leis­tung ist über den gesam­ten Darstel­lungs­zeit­raum nicht zu konsta­tie­ren. Daher bleibt die „gesicherte Minimal­leis­tung“ aller 24 000 Windener­gie-Anlagen in Deutsch­land trotz des starken Zubaus der letzten Jahre im gesam­ten Zeitraum und insbe­son­dere auch in den Winter­mo­na­ten mit höherem Strom­ver­brauch weiter­hin nahezu Null: „Wenn kein Wind weht, sind alle Windmüh­len betrof­fen“.

In der öffent­li­chen Diskus­sion der Regene­ra­ti­ven Energien werden gerne die Begriffe „Elektri­sche Leistung (kW)“ und „Elektri­sche Arbeit (kWh)“ mitein­an­der vermischt. Die Zuwachs­ra­ten an instal­lier­ter Nennleis­tung werden als Beleg für den Erfolg der regene­ra­ti­ven Strom­erzeu­gung gewer­tet, obwohl diese nur den Zuwachs an mögli­chem Poten­tial bei optima­lem Angebot an Windge­schwin­dig­keit und Sonnen­ein­strah­lung beschrei­ben. Zur Klarstel­lung sei nochmals dieses einfa­che Beispiel angefügt: Eine Windener­gie-Anlage mit einer Nennleis­tung von 1 MW liefert, wenn sie über einen Tag ständig mit ihrer maxima­len Leistung von 1 MW betrie­ben wurde, die elektri­sche Arbeit von 24 MWh (1 MW*24h=24 MWh). Bei Windge­schwin­dig­kei­ten unter 3 m/sec steht die Anlage still; die volle Leistung wird bei Sturm­stärke erreicht. Die oft geübte Praxis der Verrech­nung von Nennleis­tun­gen regene­ra­ti­ver Anlagen mit den Leistun­gen von „Atomkraft­wer­ken“ ist entwe­der raffi­niert angelegte Irrefüh­rung oder zeugt von völli­ger Unkennt­nis der Fakten.

Diagramm 3: Lastgang­li­nie (zeitab­hän­gige Einspei­se­leis­tung) aller deutschen Fotovol­taik-Anlagen ab Juli 2010 mit aktuell 35 300 MW Nennleis­tung (Okt 2013) 

Das Diagramm 3 mit Darstel­lung der Lastgang­li­nie aller deutschen Fotovol­taik-Anlagen und der Entwick­lung der Nennleis­tung dieser Anlagen mit aktuell ca. 350 Millio­nen m² Kollek­tor­flä­che spiegelt den rasan­ten Ausbau inner­halb der letzten drei Jahre und den krassen Wider­spruch zu den tatsäch­lich einge­speis­ten Leistun­gen wider. Auffäl­lig sind beson­ders die hohen Strom­im­pulse in den Sommer­mo­na­ten, die kurzzei­tig in den Mittags­stun­den ins Strom­netz einge­speist werden und mit dem starken Zubau der Anlagen in den letzten Jahren sehr hohe Ampli­tu­den mit steilen Flanken errei­chen. Zudem ist die Lastgang­li­nie des gesam­ten Fotovol­taik-Anlagen­parks durch den stark ausge­präg­ten Sommer-Winter­zy­klus charak­te­ri­siert. In den Winter­mo­na­ten wurden an vielen Tagen nur wenige Hundert MW Leistung als Maximal-Ampli­tude in der Mittags­zeit erreicht. 

Durch die Abhän­gig­keit von der Sonnen­ein­strah­lung können diese Anlagen grund­sätz­lich nur eine gepulste Strom­ein­spei­sung mit teilweise sehr hohen Strom­spit­zen zur Mittags­zeit vorwie­gend in den Sommer­mo­na­ten anbie­ten. In den Winter­mo­na­ten tendiert die Strom­ein­spei­sung auch um die Mittags­zeit zu Minimal­wer­ten. Die stark vermin­derte Bereit­stel­lung von elektri­scher Arbeit (kWh) aus Fotovol­taik in den Winter­mo­na­ten – hervor­ge­ru­fen durch den niedri­gen Sonnen­stand und die im Winter vorherr­schen­den Wetter­la­gen – läuft dem in dieser Jahres­zeit stark steigen­den Strom­be­darf der Verbrau­cher konträr entge­gen. In den Winter­mo­na­ten werden nur etwa 10 % der elektri­schen Arbeit (kWh) der Sommer­mo­nate erzeugt. Die Strom­ein­spei­sung der Fotovol­taik-Anlagen gleicht mit ihrer Pulsform generell der Anhäu­fung von „Nadeln unter­schied­li­cher Länge“.

Im Diagramm 4 werden vor dem hellgrü­nen Hinder­grund der Nennleis­tung aller Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen in Deutsch­land die akkumu­lier­ten Einspei­se­leis­tun­gen dieser Anlagen (dunkel­grüne Zacken­kurve) für den Zeitraum Okt 2012 bis Okt 2013 darge­stellt. Die dem Strom­ver­brauch in Deutsch­land äquiva­lente Einspei­se­leis­tung des gesam­ten konven­tio­nel­len und regene­ra­ti­ven Kraft­werks­parks ist als dunkel­rote Lastkurve überla­gert, wobei im Betrach­tungs­zeit­raum Verbrauchs­spit­zen vorwie­gend in den Winter­mo­na­ten bis 75 000 MW erreicht wurden. Die angege­bene Strom­ver­brauchs­kurve beruht auf den Daten des Verbands Europäi­scher Übertra­gungs­netz­be­trei­ber (kurz ENTSO‑E von European Network of Trans­mis­sion System Opera­tors fort Electri­city) mit Sitz in Brüssel.

Das Diagramm zeigt ebenfalls sehr deutlich die Diskre­panz zwischen der instal­lier­ten Nennleis­tung (hellgrüne Fläche) und der Lastgang­li­nie der unstet einspei­sen­den Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen. Der Zuwachs an Nennleis­tung dieser Anlagen betrug seit Anfang 2010 knapp 32 000 MW auf aktuell 67 500 MW. Die im Diagramm als dunkel­grüne Fläche ausge­bil­dete Lastgang­li­nie (Flächen­in­te­gral) reprä­sen­tiert die gewon­nene elektri­sche Arbeit (kWh). 2010 wurden laut Fraun­ho­fer Insti­tut 49,5 Milli­ar­den kWh, 2012 bereits 73,7 Milli­ar­den kWh ins Strom­netz einge­speist (Jahres­ver­brauch in Deutsch­land ca. 600 Mrd. kWh).

Diagramm 4: Lastgang­li­nie (zeitab­hän­gige Einspei­se­leis­tung) aller deutschen Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen ab Oktober 2012 mit aktuell 67 500 MW Nennleis­tung (Okt 2013) 

Beson­ders auffäl­lig bei allen Lastgang­li­nien ist die Charak­te­ris­tik der Strom­ein­spei­sung mit hohen Spitzen und tiefen Tälern über den gesam­ten Zeitraum, ohne dass über den starken Zubau an Anlagen in den letzten Jahren ein Trend zur Vergleich­mä­ßi­gung der Einspei­se­leis­tung oder eine „Sockel­bil­dung“ für die Minimale Einspei­se­leis­tung zu konsta­tie­ren ist. Auch 2013 wäre ohne Vorhal­ten eines vollum­fäng­li­chen konven­tio­nel­len Kraft­werks­parks mit grund­last­fä­hi­gen Anlagen die Strom­ver­sor­gung des Indus­trie­stand­orts Deutsch­land nicht machbar gewesen. Bisher konnte noch kein konven­tio­nel­les darge­bots­un­ab­hän­gi­ges Kraft­werk durch Anlagen auf Basis von „Sonne und Wind“ ersetzt werden. 

Das Diagramm 4 dokumen­tiert zudem eine für den deutschen Strom­kun­den teure Konstel­la­tion im Strom­netz an den Weihnachts­fei­er­ta­gen 2012. Ein starker Rückgang des Strom­ver­brauchs beson­ders in den Nacht­stun­den korre­lierte mit hohen Einspei­se­ra­ten der Windener­gie-Anlagen. Der im Zeitraum von jeweils Mitter­nacht bis 9 Uhr früh an den drei Feier­ta­gen nach dem EEG-Gesetz vorran­gig einge­speiste, aber in Deutsch­land nicht verwert­bare Strom wurde mit ca. 120 Millio­nen € an die Windan­la­gen­be­trei­ber vergü­tet. Weitere ca. 92 Millio­nen € mussten für den Zeitraum von 27 Stunden (3*9) von allen Strom­ver­brau­chern aufge­bracht werden, da an der Strom­börse nur hohe negative Strom­preise zu erzie­len waren. Insge­samt summier­ten sich die entstan­de­nen Kosten für die deutschen Strom­kun­den auf knapp 212 Millio­nen € (Quelle: Prof. Dr. Helmut Alt).

Im Diagramm 5 ist die akkumu­lierte Einspei­se­leis­tung aller deutschen Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen für die Monate August und Septem­ber 2013 nochmals mit höherer Zeitauf­lö­sung als Beispiel für einen hohen Anteil an „Solar­strom“ darge­stellt. An verschie­de­nen sonnen­rei­chen Tagen speis­ten die Fotovol­taik-Anlagen in der Mittags­zeit kurzzei­tig über 20 000 MW in die Übertra­gungs­netze ein. Bei Überla­ge­rung mit hoher Windener­gie­ein­spei­sung wurden kurzzei­tig Leistungs­ein­spei­sun­gen von über 30 000 MW erreicht.

Aus der unste­ten Einspei­se­leis­tung der Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen resul­tiert drama­tisch wachsen­der Regel­be­darf des konven­tio­nel­len Kraft­werks­parks. Extrem hohe Strom­ein­spei­sun­gen der Fotovol­taik-Anlagen zur Mittags­zeit während der Sommer­mo­nate wechsel­ten beispiels­weise an vielen Tagen mit extrem niedri­ger Einspei­sung der Windener­gie-Anlagen von wenigen Hundert MW zur Nacht­zeit aufgrund fehlen­der Windhöf­fig­keit ab. Der hohe Anteil an Regel­leis­tung zur Stabi­li­sie­rung der Netzfre­quenz reduzierte in den letzten drei Jahren in hohem Maße die Einsatz­zei­ten beson­ders der Gas- und Stein­koh­le­kraft­werke mit erheb­li­chen Auswir­kun­gen auf die Wirtschaft­lich­keit dieser Anlagen.

Diagramm 5: Lastgang­li­nie (zeitab­hän­gige Einspei­se­leis­tung) aller deutschen Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen im August und Sept 2013 mit aktuell 67 500 MW Nennleis­tung (Okt 2013) 

Die Diagramme 6 und 7 dokumen­tie­ren den Beitrag der Einspei­se­leis­tung aller deutschen Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen mit 67 500 MW Nennleis­tung zur Strom­ver­sor­gung jeweils im Zeitraum 12. bis 17. Januar 2013 bzw. 15. bis 18. Februar 2013. Diese „Lupen“ der im Diagramm 4 darge­stell­ten akkumu­lier­ten Lastgang­li­nie zeigen sehr deutlich, dass auch über relativ lange Zeiträume die Strom­nach­frage mit über 70 000 MW Einspei­se­leis­tung des gesam­ten Kraft­werks­parks nur durch minimale Beiträge von wenigen Hundert MW Leistung aus Fotovol­taik und Windener­gie gedeckt werden konnte.

Strom­ver­brauchs­spit­zen treten im Winter morgens um 9 Uhr und abends um 18 Uhr auf, zu Zeiten, zu denen die Fotovol­taik-Anlagen wegen des Sonnen­stands nur minimal beitra­gen können (siehe gelbe Strom­pulse). Minimale Leistungs­bei­träge gerade zu diesen Tages­zei­ten auf diesem niedri­gen Niveau sind keine Selten­heit. So haben am 17.2.2013 alle Wind- und Fotovol­taik-Anlagen nur 141 MW Einspei­se­leis­tung trotz der damals instal­lier­ten Nennleis­tung von 62 000 MWzur Verfü­gung gestellt, was 2,24 Promille entspricht.

Diagramm 6: Lastgang­li­nie (zeitab­hän­gige Einspei­se­leis­tung) aller deutschen Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen mit ca. 62 000 MW Nennleis­tung im Januar 2013 

Diagramm 7: Lastgang­li­nie (zeitab­hän­gige Einspei­se­leis­tung) aller deutschen Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen mit ca. 62 000 MW Nennleis­tung im Februar 201

Energie­spei­che­rung

Vor einem weite­ren Zubau von Wind- und Fotovol­taik-Anlagen sind Speicher­mög­lich­kei­ten zu schaf­fen. Ohne ausrei­chende Energie­spei­che­rung ist angesichts der Volati­li­tät der Einspei­se­leis­tung der Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen ein Ersatz von konven­tio­nel­len Anlagen nicht möglich. Pumpspei­cher­kraft­werke stellen die effek­tivste großtech­ni­sche Variante zur Speiche­rung von Energie, die zur Strom­ver­sor­gung genutzt werden kann, dar. In Deutsch­land sind über 30 große und kleine Pumpspei­cher­kraft­werke verfüg­bar. Das neueste und leistungs­fä­higste mit 1 060 MW Nennleis­tung ist das Pumpspei­cher­kraft­werk Goldis­thal mit zwölf Millio­nen Kubik­me­ter Wasser im Oberbe­cken und einer Gesamt­länge des Ringdamms des Oberbe­ckens von 3 370 Metern. Insge­samt sind in Deutsch­land zurzeit Kapazi­tä­ten von ca. 7 000 MW am Netz. Die Leerlauf­zei­ten dieser Pumpspei­cher­kraft­werke liegen größten­teils zwischen 5 bis 7 Stunden, abhän­gig von der Ausle­gung der Anlagen. Um die Leistung von 1 000 MW über einen Zeitraum von 24 Stunden durch­gän­gig  bereit­zu­stel­len, müssen also ca. 4 Pumpspei­cher a 1 000 MW vorhan­den sein. Ohne einen paral­lel betrie­be­nen konven­tio­nel­len Kraft­werks­park muss aufgrund der fehlen­den gesicher­ten minima­len Leistung der Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen (im Betrach­tungs­zeit­raum zeitweise weit unter 1 000 MW) nahezuder gesamte Strom­ver­brauch aus gespei­cher­ter Energie über mehrere Tage sicher­ge­stellt werden. Im Beispiel (Diagramm 6) hätten daher 6 Tage mit der Last bis 70 000 MW durch Speiche­rung überbrückt werden müssen. Daraus würden 1 680 Pumpspei­cher­kraft­werke (70*4*6) mit je 1 000 MW Nennleis­tung bzw. 70 Speicher­kraft­werke mit dem jeweils 24-fachen Wasser­vo­lu­men (bis 300 Millio­nen m³) von Ober- und Unter­see resul­tie­ren, was völlig illuso­risch ist.

Für den im Schwarz­wald geplan­ten Bau eines Pumpspei­cher­kraft­werks werden Milli­ar­den­be­träge an Baukos­ten geschätzt. Aus diesem Kosten­an­satz allein wird deutlich, dass die Speiche­rung von Energie für die an den Strom­ver­brauch angepasste Strom­ge­win­nung als Backup für Regene­ra­tive Anlagen nicht machbar ist. Zudem ist das in Deutsch­land etablierte Umwelt­schutz­ver­ständ­nis eine weitere Hürde für den Bau dieser Anlagen. Trotz­dem werden die Reali­sie­rungs­mög­lich­kei­ten und das techni­sche Poten­tial der Speiche­rung in allen öffent­li­chen Diskus­sio­nen völlig überschätzt und mit dem lapida­ren Hinweis auf Forschungs- und Entwick­lungs­be­darf, der sicher vorhan­den ist, abgehan­delt. Die Kosten­frage wird völlig ignoriert.

Eine nennens­werte Zwischen­spei­che­rung in Fahrzeug­bat­te­rien ist wegen des zu erwar­ten­den schlep­pen­den Ausbaues der Elektro­au­to­flotte und der ebenfalls zu erwar­ten­den Unein­sich­tig­keit der Fahrzeug­hal­ter in die Notwen­dig­keit zur Entla­dung ihrer Batte­rien zur Netzstüt­zung nicht realisierbar.

Ebenso illuso­risch ist die Idee der Produk­tion von „Windgas“ (Herstel­lung von Methan über den Sabatier-Prozess) an Windener­gie­an­la­gen als Speicher­me­thode für diese gewal­ti­gen Energie­men­gen. Aus dem mehrstu­fi­gen Prozess über Wasser­stoff zu Methan zur Bereit­stel­lung für die Wieder­ver­stro­mung in Gaskraft­wer­ken resul­tie­ren große Wirkungs­grad­ver­luste, so dass mit unter 30 % des ursprüng­li­chen Energie­ni­veaus (28,5 %: Quelle Bundestag.de) für die erneute Strom­ge­win­nung gerech­net werden muss. Zur Kompen­sa­tion dieser Verluste würde selbst­ver­ständ­lich der Bedarf an weite­ren Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen nochmals beträcht­lich anstei­gen. Daraus resul­tiert ein Kreis­lauf, der allein schon an der Kosten­frage schei­tern würde.

Gedan­ken­ex­pe­ri­ment Vollver­sor­gung mit Sonne und Wind

Vertre­ter der “100 % Regene­ra­tive-Option” gehen von der zukünf­ti­gen Instal­la­tion von Windener­gie-Anlagen im Onshore-Bereich von 200 000 MW Nennleis­tung, im Offshore-Bereich von 85 000 MW Nennleis­tung und für Fotovol­taik-Anlagen von 250 000 MW Nennleis­tung aus, also in der Summe von 535 000 MW Nennleis­tung.

Um die Auswir­kun­gen einer Verviel­fa­chung der Instal­la­tion von Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen auf die Stabi­li­tät der Strom­ver­sor­gung in Deutsch­land überprü­fen zu können, bietet sich ein Gedan­ken­ex­pe­ri­ment an. Es wird angenom­men, dass ein Bundes­land durch den gesam­ten in Deutsch­land bisher instal­lier­ten Kraft­werks­park aus „Sonne und Wind“ fiktiv versorgt wird. Ein gutes Beispiel für diese Überprü­fung ist Baden-Württem­berg, weil für dieses Versor­gungs­ge­biet die Lastgang­li­nien des Strom­ver­brauchs und der Einspei­se­leis­tun­gen über die von EEX (European Energy Exchange) und Entsoe bereit­ge­stell­ten Daten direkt verfüg­bar sind (Übertra­gungs­netz­be­trei­ber Trans­net BW). Zudem erreichte die bundes­weite Strom­pro­duk­tion aus Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen mit 73,7 Milli­ar­den kWh in 2012 fast den Strom­ver­brauch von Baden-Württem­berg von 80 Milli­ar­den kWh. 

Diagramm 8: Einspei­se­leis­tung aller Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen in Deutsch­land relativ zur Strom­ver­brauchs­kurve für Baden-Württem­berg (Band bis ca. 10 000 MW) im Winter 2012/13

Mit der Fokus­sie­rung der aktuell in Deutsch­land instal­lier­ten gesam­ten Wind- und Fotovol­taik-Kapazi­tä­ten auf dieses Bundes­land wäre die angestrebte Endaus­bau­stufe also fiktiv bereits heute erreicht. Auch der abgeschlos­sene Bau von Strom­tras­sen wäre simuliert, da fiktiv quasi alle Anlagen ideal mit dem Bundes­land vernetzt sind. Müsste Baden-Württem­berg bei diesen idealen Randbe­din­gun­gen nicht allein durch die regene­ra­tive Strom­pro­duk­tion der in Deutsch­land bereits instal­lier­ten Anlagen voll versorgt werden können?

Der Vergleich für Baden-Württem­berg (Diagramm 8) zeigt deutlich die Diskre­panz zwischen dem Strom­ver­brauch mit ca. 9 000 MW mittle­rer Einspei­se­leis­tung und der Strom­erzeu­gung der gesamt­deut­schen Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen (grüne Fläche) im Zeitraum Dezem­ber 2012 bis Februar 2013. Selbst bei extre­mem Ausbau der regene­ra­ti­ven Energien aus “Sonne und Wind” in Baden-Württem­berg um den Faktor 12 von ca. 5 000 MW (in BW aktuell instal­liert) auf über 60 000 MW Nennleis­tung kann das Bundes­land nicht versorgt werden. Die massive Unter­de­ckung (rote Flächen) über lange Zeiträume ist offen­sicht­lich, obwohl die Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen mit 62 000 MW Nennleis­tung und einer Erzeu­gung von 73,7 Milli­ar­den kWh einem Strom­ver­brauch in Baden-Württem­berg von 80 Milli­ar­den kWh mit einer mittle­ren Einspei­se­leis­tung von ca. 9 000 MW in 2012 gegen­über steht. Auch in diesem Vergleich zeigt sich der gravie­rende, aber meist nicht beach­tete Unter­schied zwischen Leistung und Arbeit. 

Aufgrund der bundes­wei­ten typischen Einspei­se­cha­rak­te­ris­tik gilt diese Aussage auch für alle anderen Bundes­län­der in unter­schied­li­cher Stufung. Selbst für Rhein­land-Pfalz („mein Heimat­land“) mit einem Strom­ver­brauch von „nur“ 30 Milli­ar­den kWh und einer mittle­ren Einspei­se­leis­tung von ca. 3 500 MW ist die Versor­gung nicht machbar, wie eine gedachte Horizon­tal­li­nie bei 3 500 MW im Diagramm 8 demons­triert. Zudem wäre der gesamte Kraft­werks­park eines fiktiv versorg­ten Bundes­lan­des generell nicht in der Lage, die auftre­ten­den Strom­spit­zen auszugleichen.

Zusam­men­fas­sung:

In Deutsch­land werden fast ausschließ­lich die beein­dru­cken­den Gesamt­zah­len der Energie­er­zeu­gung in „Haushal­ten“ bzw. die jährlich neuen Rekord­mar­ken für die instal­lierte Nennleis­tung der bundes­deut­schen Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen in Diskus­sio­nen einge­führt. Die energie­wirt­schaft­lich maßgeb­li­chen Lastgang­li­nien dieser Anlagen, die die einge­speiste Leistung der Anlagen als Funktion der Zeit dokumen­tie­ren, also das Resul­tat des Betriebs des Kraft­werks­parks aus „Sonne und Wind“ darstel­len, werden fast völlig ignoriert. Deshalb herrschen in weiten Teilen der Bevöl­ke­rung schwer­wie­gende Fehlein­schät­zun­gen zum Poten­zial dieser Erzeu­gungs­an­la­gen vor.

Ebenso wie durch den Mangel an Einspei­se­leis­tung bei sehr hohem Verbrauch – mehrfach Black­out-Gefahr im Winter wegen des extre­men Strom­ver­brauchs von bis zu 82 000 MW Einspei­se­leis­tung – kann die Stabi­li­tät der Strom­ver­sor­gung durch unkoor­di­nierte hohe Netzein­spei­sun­gen gefähr­det werden. Daher wurden bereits jetzt Abschalt­me­cha­nis­men für die Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen einge­führt, die zukünf­tig verstärkt zur Vergü­tung auch von nicht erzeug­tem Strom führen werden. 

Die Regene­ra­ti­ven Energien aus „Sonne und Wind“ sind Additive. Der Kraft­werks­park aus Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen kann prinzi­pi­ell den konven­tio­nel­len Kraft­werks­park nicht erset­zen, auch wenn dies oft unter dem Stich­wort „Entcar­bo­ni­sie­rung“ kolpor­tiert wird. Diese eminent wichtige Feststel­lung zur „Energie­wende“ wird perma­nent in allen öffent­lich geführ­ten Diskus­sio­nen u.a. mit Hinwei­sen auf die „Unzuläng­lich­keit der Bundes­re­gie­rung“ oder auf noch „ausste­hende Ergeb­nisse zur Speiche­rung“ und „fehlende Strom­tras­sen“ nebulös unter­schla­gen. Die ausste­hen­den Strom­tras­sen z.B. nützen zum Abtrag der Strom­spit­zen – also der Vertei­lung von lokalen Überschüs­sen z.B. von Nord- nach Süddeutsch­land. Bei Windflaute und zugeschnei­ten Fotovol­taik-Anlagen – also bei Mangel­si­tua­tio­nen – bieten sie keine Hilfe.

Letzt­lich wird das begrenzte Regel­band der konven­tio­nel­len Anlagen den Endpunkt der volati­len Netzein­spei­sung der Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen aus physi­ka­lisch-techni­schen Gründen bestim­men. Der Ausweg Energie­spei­che­rung zur Glättung der Lastgang­li­nien der Windener­gie- und Fotovol­taik-Anlagen in der notwen­di­gen Größen­ord­nung bis 70 000 MW über mehrere Tage, der konven­tio­nelle Kraft­werke verzicht­bar machen könnte, ist auch nicht ansatz­weise in Sicht. Zudem werden die Kosten, die ja gleich­zei­tig auch Verbrauch von Ressour­cen sind, über die Dauer und Inten­si­tät des Fortgangs der Energie­wende in jetzi­ger Ausge­stal­tung entschei­den. Durch die EEG-Festle­gung der vorran­gi­gen Netzein­spei­sung wird ein doppel­ter Kraft­werks­park faktisch erzwungen.

Ich danke herzlich Herrn Rolf Schus­ter für die inten­sive Zusam­men­ar­beit und die Beistel­lung der Diagramme, die auf Basis der Daten der Übertra­gungs­netz­be­trei­ber erstellt wurden, zu deren Veröf­fent­li­chung sie gesetz­lich verpflich­tet sind.

Zu meiner Person: Ich inter­es­siere mich seit mehr als 20 Jahren für die Effek­ti­vi­tät von Erzeu­gungs­an­la­gen für regene­ra­tive Energien. Mir geht es um effek­tive Strom­erzeu­gung und den Erhalt unserer Kulturlandschaft.

Dipl. Phys. Karl Linnen­fel­ser
67435 Neustadt
Wende­li­nus­straße 40

Quellen:

• Daten der Übertragungsnetzbetreiber
• BDEW
• Fraun­ho­fer Institut

Die Auswir­kun­gen des hier skizzier­ten Unter­fan­ges auf die Strom­preise hat Herr Linnen­fel­ser in diesem Artikel untersucht.

Den Artikel “Erfolgs­kon­trolle” finden Sie hier als pdf.