Energie­wende geschei­tert

 

Detlef Ahlborn – März 2017

Die deutsche Energie­wende steht im Wider­spruch zu funda­men­talen physi­ka­li­schen Gesetzen wie etwa dem Zweiten Haupt­satz der Thermo­dy­namik, der Additi­ons­regel für elektri­sche Ströme und zu grund­sätz­li­chen Zusam­men­hängen der mathe­ma­ti­schen Statistik. Mit der Energie­wende führen wir einen milli­ar­den­schweren Großver­such durch, der syste­ma­tisch gegen diese Gesetz­mä­ßig­keiten verstößt.

 

In einem vor Kurzem hier erschie­nenen Artikel von Reinhard Lange wurden die ökono­mi­schen Aspekte der Energie­wende ausführ­lich bespro­chen. Lange zieht das richtige Fazit „Ohne Speicher ist die Energie­wende technisch nicht möglich, mit Speichern ist sie wirtschaft­lich nicht möglich.“ Dass dieses Projekt nicht gelingen konnte, stand von Anfang an fest. Es wurde von einer unseligen Allianz aus Lobby­isten und univer­si­tären Profi­teuren betrieben, die sich gegen­seitig dabei übertroffen haben, die für jeden Natur­wis­sen­schaftler und Ingenieur offen­sicht­li­chen Probleme klein­zu­reden oder zu leugnen. 

Rund um die Energie­wende ist, wie Frank Drieschner in DIE ZEIT sehr treffend formu­liert hat, ein öko-indus­tri­eller Komplex entstanden, dessen Inter­esse darin besteht, die Probleme lösbar erscheinen zu lassen, damit Subven­tionen weiter fließen. Das Energie­wende-Debakel ist damit auch Ausdruck des Versa­gens unserer natur­wis­sen­schaft­li­chen und  techni­schen Eliten.

Die Additi­ons­regel für elektri­sche Ströme, dem Fachmann als Kirchhoff’scher Knoten­satz bekannt, erzwingt, dass der Strom milli­se­kun­den­genau im Augen­blick des Verbrauchs erzeugt werden muss. Diese haarfein ausge­gli­chene Balance zwischen Leistungs­an­gebot und Leistungs­nach­frage wird von regel­baren Kraft­werken gewähr­leistet. Auf diesem Prinzip beruhen alle unsere stabilen Strom­netze. Wie groß dabei die durch­schnitt­li­chen Leistungs­werte sind, ist völlig unerheb­lich.

Ist es nun grund­sätz­lich möglich, elektri­sche Leistung in jedem Augen­blick durch Wind- und Solar­kraft­werke bedarfs­ge­recht zur Verfü­gung zu stellen?

Die Antwort auf diese Frage stand von Anfang an fest: Unsere Wetter­sta­tionen zeichnen seit Jahrzehnten die Windge­schwin­dig­keiten über ganz Deutsch­land verteilt auf. Jeder Physik­stu­dent im Grund­stu­dium ist in der Lage, aus diesen Windge­schwin­dig­keiten die zu erwar­tende elektri­sche Leistung der Strom­erzeu­gung auszu­rechnen  – und natür­lich schlum­mern solche Auswer­tungen in den Schub­laden der einschlägig bekannten wissen­schaft­li­chen Insti­tute. Aus diesen Unter­su­chungen ist bekannt, dass die sicher zur Verfü­gung stehende Leistung bei exakt null liegen würde. Das Gleiche gilt für Solar­kraft­werke, schließ­lich liefern diese nachts keinen Strom.

Gespro­chen wird darüber nicht. Übrigens tritt dieser Total­aus­fall der Windstrom-Produk­tion mehr oder weniger regel­mäßig auf und ist längst Realität, z.B. als die Windstrom­erzeu­gung am 13. März 2014 auf 34 MW, entspre­chend 0,1% der instal­lierten Nennleis­tung, abgesunken ist. Da flächen­de­ckende Hochdruck­ge­biete in Zentral­eu­ropa häufiger auftreten, ist nichts anderes zu erwarten.

Abbil­dung 1: Häufig­keit von Windstrom- und Netzleis­tung

Wertet man aus, wie häufig welche Leistung aus Wind darge­boten wird, erhält man Verläufe wie Abbil­dung 1: Niedrige Leistungen sind häufig, hohe Leistungen treten selten auf. Dieser Verlauf ergibt sich aus der räumli­chen Vertei­lung der Windge­schwin­dig­keit über Deutsch­land und ist durch keine noch so intel­li­gente Anord­nung von Windrä­dern irgendwie zu beein­flussen. Deshalb ist es inner­halb Deutsch­lands prinzi­piell unmög­lich, die Häufig­keit des Darge­bots mit der Häufig­keit des Bedarfs zur Deckung zu bringen. Ein Ausbau der Produk­ti­ons­ka­pa­zi­täten bewirkt allen­falls eine Verschie­bung des Darge­bots zu höheren Werten hin. Angebot und Nachfrage sind folglich auch im langfris­tigen Mittel nicht zur Deckung zu bringen [3]. Der tiefere Grund dafür ist schlicht:

Wenn im Norden Deutsch­lands viel Wind weht, ist das meist auch im Süden der Fall; für geringe Windge­schwin­dig­keiten gilt das in der gleichen Weise. Die Windstrom­pro­duk­tion über Deutsch­land ist hochgradig korre­liert und auch diese Korre­la­tion stand von Anfang an fest und war von Anfang an bekannt.

Gerade der Januar 2017 hat gezeigt: Nicht virtu­elle, sondern konven­tio­nelle Kraft­werke gewähr­leisten die sichere Strom­ver­sor­gung in Deutsch­land. Wer Kernkraft­werke abschaltet, muss entspre­chende Kohle-, Öl- oder Erdgas­kraft­werke neu bauen, schließ­lich sind großtech­nisch verfüg­bare Speicher­tech­no­lo­gien Jahrzehnte entfernt.

Die einzige Möglich­keit, der wetter­be­stimmten Korre­la­tion zu entgehen, besteht darin, die Windstrom­pro­duk­tion über eine größere Fläche zu verteilen: Über sehr große Distanzen, wir reden hier von 3000km Abstand, ist die Leistungs­er­zeu­gung dann kaum oder nicht mehr korre­liert. Allein durch den ausrei­chend großen Abstand der Produ­zenten lässt sich der Häufig­keits­ver­lauf des Darge­bots beein­flussen. Diese Aussage ist erwiesen und wird durch einen funda­men­talen Satz der mathe­ma­ti­schen Statistik, den sogenannten „Zentralen Grenz­wert­satz“, sicher­ge­stellt. Mit Blick auf die Windstrom­pro­duk­tion besagt er, dass sich die Häufig­keits­ver­tei­lung des Darge­bots einer gaußschen Normal­ver­tei­lung annähert, je größer die Zahl der nicht korre­lierten Windstrom­pro­du­zenten ist. Dann und nur dann ist es zumin­dest theore­tisch denkbar, Dargebot und Nachfrage wenigs­tens im statis­ti­schen Mittel ungefähr zur Deckung zu bringen. Um zu einer ausrei­chend großen Zahl an nicht korre­lierten Produ­zenten zu kommen, muss  man eine entspre­chende Fläche zur Produk­tion von Windstrom dann aber weit über Europa hinaus denken. Wie Abb. 2 eindring­lich nahelegt,

Abbil­dung 2: Windwet­ter­karte von Europa am 21. November 2011

ist eine flächen­de­ckende Windstille in ganz Europa ebenso Realität wie in Deutsch­land. Auch in Europa gibt es Situa­tionen ohne Ausgleich. Diese Situa­tionen sind zwar selten, aber nicht ausge­schlossen. Nicht einmal in ganz Europa weht der Wind immer irgendwo. Damit ist auch klar, dass selbst ein paneu­ro­päi­sches Strom­netz ein hundert­pro­zen­tiges (wie auch immer beschaf­fenes) Kraft­werks-Ersatz­system bräuchte, um die Sicher­heit der Strom­ver­sor­gung in jedem Augen­blick zu gewähr­leisten.

Aus heutiger Sicht ist ein Strom­netz, das Europa mit den Weiten Sibiriens, Nordafrikas und Saudi-Arabiens verbindet, politisch wie ökono­misch nicht mehr als eine Illusion. Ebenso illusionär ist die Vorstel­lung, außer­halb Europas Produk­ti­ons­ka­pa­zi­täten zu schaffen, die ganz Europa mit Strom versorgen könnten.

Obgleich Jahrzehnte von einer Reali­sie­rung entfernt, wird aller­orten über sogenannte Power To Gas– „Techno­lo­gien“ philo­so­phiert. Der Gedanke ist so alt wie simpel:

Überschüs­siger Strom wird durch Elektro­lyse und durch einen nachge­schal­teten chemi­schen Prozess zunächst in Wasser­stoff- und dann in Methangas verwan­delt. Das speicher­bare Methangas soll dann als Brenngas in Gaskraft­werken dienen und in elektri­sche Energie zurück­ver­wan­delt werden. Energe­tisch gesehen hat dieses Verfahren ungefähr die Logik, einen Kraft­werks­kessel mit einem Tauch­sieder zu beheizen. Worüber nicht geredet wird: Die energe­ti­sche Effizienz der Wandlung des Brenn­gases Methan in elektri­sche Energie ist durch den Zweiten Haupt­satz der Thermo­dy­namik begrenzt.

Für den Gesamt­pro­zess der Speiche­rung sind Wirkungs­grade oberhalb von 30% eher Wunsch­denken. Bei 70% Verlusten ist schon der Begriff Speiche­rung reiner Etiket­ten­schwindel; und jede Kilowatt­stunde elektri­scher Energie, die bei der Energie­wand­lung als Abwärme verloren geht, erfor­dert entspre­chende elektri­sche Ersatz­ka­pa­zi­täten. Aus diesem Grund ist überschüs­siger Strom gerade nicht umsonst, sondern muss mit zusätz­li­chen Wind- oder Solar­kraft­werken teuer bezahlt werden. Aufgrund der gewal­tigen Verluste sind bis zu 100% zusätz­liche Produk­ti­ons­ka­pa­zi­täten erfor­der­lich. Allein das bewirkt eine Verdop­pe­lung der Kosten für die Strom­pro­duk­tion.

Nicht die gesicherte Leistung null allein, sondern die Schwan­kungen der Windstrom­pro­duk­tion entpuppen sich inzwi­schen als unlös­bares und technisch unbeherrsch­bares Problem.

Abbil­dung 3: Windstrom­pro­duk­tion Deutsch­land von 2011 bis 2016

Die Varia­bi­lität der deutschen Windstrom­pro­duk­tion ist um 70% größer als die Schwan­kungen der Augen­zahlen beim Würfeln. Würden die deutschen Elektri­zi­täts­ver­sorger die Strom­pro­duk­tion ihrer Kraft­werke täglich auswür­feln, würde der Strom gleich­mä­ßiger fließen [1].

Von Energie­wende-Protago­nisten wie dem Kasseler Fraun­hofer IWES wird gern behauptet, ein Ausbau in der Fläche würde die Windstrom-Produk­tion glätten und damit das Kernpro­blem der extremen Leistungs­schwan­kungen zumin­dest mildern. Dass diese These erwie­se­ner­maßen nicht zutrifft, verdeut­licht Abb. 3, schließ­lich ist der Anstieg der Schwan­kungen eine ganz offen­sicht­liche Tatsache [3].

Kann es überhaupt eine Glättung der Windstrom­erzeu­gung geben?

Die hohen Leistungs­spitzen und die tiefen Leistungs­täler der Strom­erzeu­gung könnten theore­tisch reduziert werden, wenn es einen kausalen Zusam­men­hang zwischen der Strom­pro­duk­tion an unter­schied­li­chen Orten gäbe: Immer wenn an einem Ort eine hohe Leistung zur Verfü­gung steht, müsste die Leistung an einem anderen Ort niedrig sein und umgekehrt. Es bedürfte einer ursäch­li­chen, kausalen Verknüp­fung der Strom­pro­duk­tion an unter­schied­li­chen Orten. Dann wäre es möglich, die Leistungs­ein­brüche auszu­glei­chen und die Spitzen zu glätten. Der Ausgleich der Leistungs­täler erfor­dert also eine negative bzw. Antikor­re­la­tion. Und gerade diese negative Korre­la­tion der momen­tanen Strom­pro­duk­tion gibt es nicht! Die in der politi­schen Ausein­an­der­set­zung weit verbrei­tete Behaup­tung, ein Ausbau der Produk­ti­ons­ka­pa­zi­täten führe zu einer Glättung der Strom­erzeu­gung, erweist sich als Irrtum!

Wie Abb. 3 und 4 eindeutig beweisen, führt jeder Ausbau der Erzeu­gungs­ka­pa­zi­täten immer zu anstei­genden Ausschlägen und zu größeren Leistungs­spitzen.

Abbil­dung 4: Windstrom­pro­duk­tion von 15 europäi­schen Ländern

Warum sich wissen­schaft­lich vorge­bil­dete Mittel­eu­ro­päer angesichts eines Leistungs­ver­laufs wie in Abb. 4 dazu hinreißen lassen, hier von Glättung zu sprechen, soll hier nicht weiter bewertet werden. 

Dass die Leistungs­schwan­kungen der Windstrom­pro­duk­tion nur anwachsen können, stand von Anfang an fest: Ein zusam­men­hän­gendes Strom­netz fasst die Strom­pro­duk­tion vieler einzelner, letzt­lich zufäl­liger Strom­erzeuger zu einer Summe zusammen. Bei dieser Summen­bil­dung addiert sich die Varia­bi­lität der einzelnen Erzeuger nach einer wohlbe­stimmten Gesetz­mä­ßig­keit, die in der Statistik als Gleichung von Bienaymé bekannt ist.

Sie besagt sinngemäß, dass die Volati­lität einer Summe aus positiv korre­lierten zufäl­ligen Größen immer nur anwachsen kann. Konse­quenz: Jeder Zubau an Erzeu­gungs­ka­pa­zi­täten erhöht die Volati­lität.

Die Folgen sind verhee­rend: Weil wir zur Stabi­li­sie­rung des Strom­netzes immer eine bestimmte Mindest­zahl an konven­tio­nellen Kraft­werken am Netz halten müssen, expor­tieren wir inzwi­schen 30% des Stroms aus Wind- und Solar­energie ins Ausland [2]; für einen nennens­werten Anteil davon zahlen wir eine Entsor­gungs­ge­bühr, die im Energie­wende-Neusprech gern als Negativ­preis daher­kommt. Unsere elektri­schen Nachbarn errichten inzwi­schen auf unsere Kosten Strom­sperren an ihren Grenzen, um die Überflu­tung ihrer eigenen Strom­netze mit deutschem Überschuss­strom zu kontrol­lieren. Die Kosten für die Stabi­li­sie­rung des Strom­netzes lagen 2015 bei rund 1 Milli­arde € und noch immer gibt es Politiker, die uns eine Erhöhung der Produk­ti­ons­ka­pa­zi­täten empfehlen und die gesetz­li­chen Voraus­set­zungen dafür schaffen.


Das Fazit ist bitter:

Diese Energie­wende ist eines Landes mit der natur­wis­sen­schaft­lich-techni­schen Tradi­tion Deutsch­lands geradezu unwürdig.

Wir konnten es wissen, wenn wir ein bisschen nachge­dacht hätten. Aber wer wollte es wissen?

Wir werden es erfahren – spätes­tens dann, wenn wir die Schul­digen für dieses Debakel suchen und die Politik versu­chen wird, sich der Verant­wor­tung für dieses Desaster zu entziehen. Unser ehema­liger Wirtschafts­mi­nister ist den ersten Schritt gerade gegangen. 


Anmer­kungen

[1] Ahlborn, D.: Statis­ti­sche Vertei­lungs­funk­tion der Leistung aus Windkraft­an­lagen in: World of Mining – Surface & Under­ground 67 (2015) No. 4 

[2] Ahlborn, D.; Jacobi, H.: Zwei Strom­erzeu­gungs­sys­teme kolli­dieren in: World of Mining – Surface & Under­ground 68 (2016) No. 5

[3] Glättung der Windeinspei­sung durch Ausbau der Windkraft? in: Energie­wirt­schaft­liche Tages­fragen, 65. Jg., Heft 12, 2015

 

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