Erfolgs­kon­trolle der Energie­wende-Politik

Herr Dipl. Phys. Karl Linnen­felser aus Neustadt

hat sich die Mühe gemacht, die Energie­wende – verstanden als den Versuch, Kernkraft­werke durch Windkraft- und Photo­vol­ta­ik­an­lagen zu ersetzen – einer Erfolgs­kon­trolle zu unter­ziehen. Herr Linnen­felser inter­es­siert sich seit mehr als 20 Jahren für die Effek­ti­vität von Erzeu­gungs­an­lagen für regene­ra­tive Energien. Ihm geht es um effek­tive Strom­erzeu­gung und den Erhalt unserer Kultur­land­schaft. Herzlich dankt er Herrn Rolf Schuster für die inten­sive Zusam­men­ar­beit und die Beistel­lung der Diagramme, die auf Basis der Daten der Übertra­gungs­netz­be­treiber erstellt wurden.

 

VERNUNFTKRAFT. dankt beiden Herren für diese sehr aufschluss­reiche Ausar­bei­tung.

- 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 

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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)

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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) 

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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) 

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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) 

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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 

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

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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

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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.

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