Aber wo soll der Strom denn sonst herkom­men?

Diese Frage bekom­men Skepti­ker und Kriti­ker des Windkraft­aus­baus regel­mä­ßig gestellt. Ganz so, als würde der Verzicht auf ebendie­sen die Strom­ver­sor­gung gefähr­den. Dem ist nicht so. Im Gegen­teil, der ungezü­gelte Ausbau von Windkraft­an­la­gen gefähr­det die Versor­gungs­si­cher­heit in zuneh­men­dem Maße. Denn Strom ist nicht gleich Strom.  

Die verläss­li­che Verfüg­bar­keit von Strom rund um die Uhr ist in der Bundes­re­pu­blik Deutsch­land eine Selbst­ver­ständ­lich­keit. Selbst­ver­ständ­li­ches wird oft wenig gewür­digt. Wer sich einmal näher mit der Bedeu­tung einer verläss­li­chen Strom­ver­sor­gung für unsere hochkom­plexe, hochtech­ni­sierte Gesell­schaft befasst hat, wird dieses hohe Gut zu schät­zen wissen: Es geht nicht nur um Komfort und Bequem­lich­keit. Es geht nicht nur darum, eine für viele wertschöp­fungs­in­ten­sive Produk­ti­ons­pro­zesse unerläss­li­che Randbe­din­gung und damit einen zentra­len Wettbe­werbs­vor­teil unseres Landes als Indus­trie­stand­ort aufrecht­zu­er­hal­ten. Es geht um nicht weniger als das Funktio­nie­ren unseres zivili­sier­ten Zusam­men­le­bens.

Strom ist nur ein (kleiner) Teil der Energie(wende)

Bislang macht der Strom ungefähr ein Fünftel des gesam­ten Energie­be­darfs aus. Entspre­chend ist der Beitrag der Windkraft als vermeint­lich “wichtigste Energie­quelle der Zukunft”  sehr überschau­bar:

[Abb.1] Primär­ener­gie­ver­brauch. Quelle: Bundes­mi­nis­te­rium für Wirtschaft und Energie, 2019

Alle Anlagen zusam­men trugen 2018 gerade einmal 3 % zur Deckung unseres Energie­be­darfs bei. Im Zuge der sogenann­ten “Sektor­kopp­lung” und der “Wasser­stoff-Revolu­tion” will man diesen Beitrag dadurch erhöhen, dass man die Elektri­fi­zie­rung voran­treibt. Die Frage, wo unser Strom denn herkommt bzw. herkom­men soll, ist also von elemen­ta­rer Bedeu­tung.

Bei deren Beant­wor­tung ist eine funda­men­tale Eigen­schaft des Stroms zu berück­sich­ti­gen: Er muss milli­se­kun­den­ge­nau im Augen­blick des Verbrauchs erzeugt werden. Diese Balance zwischen Leistungs­an­ge­bot und Leistungs­nach­frage, zwischen Strom­pro­duk­tion und Strom­ver­brauch wird von regel­ba­ren Kraft­wer­ken gewähr­leis­tet. Auf diesem Prinzip beruhen stabile Strom­netze. Gemäß politi­schem Wunsch sollen Windener­gie- und Photo­vol­ta­ik­an­la­gen die Haupt­last der Strom­ver­sor­gung überneh­men. Die Physik zeigt sich von diesem Wunsch aller­dings unbeein­druckt.

Strom ist nicht gleich Strom

In Deutsch­land sind Ende Juli 2020 zu Wasser und Land zusam­men über 31.000 Windener­gie­an­la­gen (WEA) mit ca. 62.300 Megawatt Nennleis­tung instal­liert. Nennleis­tung bezeich­net die höchste Leistung, die bei optima­len Betriebs­be­din­gun­gen (starke bis stürmi­sche Windver­hält­nisse) dauer­haft zur Verfü­gung gestellt werden kann. Also das, was auf dem Typen­schild steht.

In Abb. 2 dokumen­tie­ren die dunkel­blauen Flächen den zeitli­chen Verlauf der gesam­ten Einspei­se­leis­tung aller deutschen WEA im Juli 2020, aus der die einge­speiste elektri­sche Arbeit von 7.293 GWh (1 GWh = 1 Mio kWh) resul­tiert, was 15,7 % der theore­tisch mögli­chen Arbeit entspricht. Im Durch­schnitt leiste­ten alle deutschen Anlagen im Juli 2020 also rund 16 Prozent dessen, was auf dem Typen­schild steht (einen generel­len Kommen­tar zu diesem Arbeits­ethos finden Sie hier).

Die rote Begren­zungs­li­nie bezeich­net die instal­lierte Nennleis­tung aller WEA in Deutsch­land. In der Hälfte des Juli lag die Leistungs­ein­spei­sung unter­halb von 10 % der instal­lier­ten Nennleis­tung aller Anlagen. In 1,5 % der Zeit wurden Werte oberhalb von 50 % erreicht (Spitzen am 6. Juli oberhalb von 30.000 MW).

[Abb. 2] Nennleis­tung vs. tatsäch­li­che Einspei­sung aller dt. Windkraft­an­la­gen, Juli 2020

In Abb. 3 ist als Zusatz­in­for­ma­tion der Strom­ver­brauch (braun) den Leistungs­gangli­nien der Windener­gie- und PV-Anlagen überla­gert. Der maximale Strom­ver­brauch (= die maximale Einspei­se­leis­tung aller Kraft­werke) lag im Mai 2020 bei 66.515 MW, der Mittel­wert bei 50–135 MW.  Im Hinter­grund ist die instal­lierte Nennleis­tung aller WEA und PV-Anlagen in Deutsch­land von 95.965 MW als hellblaue Fläche mit Begren­zungs­li­nie (rot) als Vergleich zur Einspei­se­leis­tung dieser Anlagen zu sehen. Der Strom­ver­brauch im Mai 2020 lag bei 37 Milli­ar­den kWh. WEA stell­ten 6,3 Milli­ar­den kWh und PV-Anlagen 7,3 Milli­ar­den kWh bereit. Der Minimal­wert der Leistungs­ein­spei­sung aller PV- und Windener­gie­an­la­gen lag bei 751 MW. Dies entspricht 0,66 % der instal­lier­ten Nennleis­tung von 113.689 MW von „Sonne und Wind“.

[Abb. 3] Nennleis­tung und Einspei­sung von Wind- und PV-Anlagen vs. Strom­ver­brauch in DEU, MAI?? 2020

Die anderen  Kraft­werke mussten die Netzsta­bi­li­tät zu jedem Zeitpunkt – teilweise über längere Zeiträume – fast in vollem Umfang mit bis zu 66–515 MW Einspei­se­leis­tung absichern. Windkraft und Photo­vol­taik, die “Säulen der Energie­wende” brachen komplett ein. 

Am 17. Mai 2020 um 14 Uhr – bedingt durch die geringe Nachfrage durch die Corona­krise – traf die Einspei­sung von Wind + Solar mit 41.324 MW auf eine Nachfrage von 42.529 MW. Dies führte zum ersten mal zu einer negati­ven Residu­al­last von ‑1.250 MW.  Abb. 4 mit der Strom­ver­brauchs­kurve (braune Fläche) und den Einspei­sun­gen der Wind- und PV-Anlagen im Zeitraum 15. bis 21. Mai 2020 verdeut­licht das Dilemma:

[Abb. 4] Extrem­si­tua­tio­nen im Mai 2020 – negative Residu­al­last

Eine gesicherte Strom­ein­spei­sung mit einem akzep­ta­blen „Sockel“ an Einspei­se­leis­tung ist nicht vorhan­den. Wenn kein Wind weht, sind (nahezu) alle Anlagen betrof­fen. Gleiches gilt für die Photo­vol­taik in der Nacht oder an trüben Winter­ta­gen.  Die Kosten für zwei paral­lel betrie­bene Erzeu­gungs­sys­teme mit stark steigen­der Anzahl von Notein­grif­fen tragen die Verbrau­cher über EEG-Umlagen und Netzent­gelte.

Bilanz der letzten 10 Jahre – viel hilft nicht viel

Vielleicht haben wir einfach noch nicht genügend Anlagen aufge­stellt – vielleicht bringt die fünfzig­tau­sendste Windener­gie­an­lage den Durch­bruch? 

Die Abbil­dun­gen 5 und 6 dokumen­tie­ren die Einspei­sung aller deutschen Windener­gie und PV-Anlagen zwischen 2011 bis Mitte 2020 vor dem Hinter­grund der in den letzten Jahren rasant angestie­ge­nen instal­lier­ten Nennleis­tung. Man sieht:  Hier wurde geklotzt, nicht gekle­ckert. 

[Abb. 5] Windkraft­aus­bau und Einspei­sung, 2011 bis 2020
[Abb. 6] Windkraft­aus­bau und Einspei­sung, 2011 bis 2020 (offshore und onshore aufge­schlüs­selt)

Die Anlagen­zahl wurde binnen 10 Jahren fast verdop­pelt, die kumulierte Nennleis­tung mehr als verdop­pelt. Ab 2015 wurde auch auf See umfang­reich Kapazi­tät aufge­baut. Was die tatsäch­li­che Erzeu­gung, d.h. die Einspei­se­leis­tung betrifft, blieb das Grund­pro­blem aber ungelöst: Die Spitzen wuchsen, aber die Täler füllten sich nicht. 

Die „gesicherte Minimal­leis­tung“ aller 31.000 Windener­gie- und aller PV-Anlagen (zusam­men über 400 Millio­nen m² Kollek­tor­flä­che) bleibt aufgrund der Wetter­ab­hän­gig­keit (Flauten und Zeiten ohne Sonnen­ein­strah­lung) trotz des starken Zubaus der letzten Jahre im gesam­ten Zeitraum und insbe­son­dere auch in den Winter­mo­na­ten mit höherem Strom­ver­brauch weiter­hin nahezu Null.

Ein gegen­sei­ti­ger Ausgleich der Einspei­sung der Windener­gie­an­la­gen im gesam­ten Bundes­ge­biet ist trotz weiträu­mi­ger Vertei­lung der Anlagen nicht erkenn­bar. Offen­sicht­lich wachsen die Ausschläge und Schwan­kun­gen mit dem Zubau an Erzeu­gungs­ka­pa­zi­tä­ten immer weiter an.

Abb. 7 zeigt den Verlauf des Strom­ver­brauchs (gemit­telt über die Monate).

[Abb. 7] Entwick­lung des Strom­ver­brauchs im Kontrast zur Einspei­sung von Wind und Sonne.

Die konven­tio­nel­len Anlagen produ­zie­ren die fehlende Strom­menge zwischen den mit Vorrang einspei­sen­den “Ökostrom”-Anlagen und dem Strom­ver­brauch. Nach Abschal­ten des letzten Kernkraft­werks in 2022 verblei­ben nurmehr die Kohle- , Gas- und Ölkraft­werke zur Sicher­stel­lung der Strom­ver­sor­gung.

Ausbau wetter­ab­hän­gi­ger Erzeu­ger gefähr­det System­sta­bi­li­tät 

Ebenso ist in Abb. 7 zu erken­nen, dass mit der steigen­den instal­lier­ten Nennleis­tung der WEA und PV-Anlagen (hellblauer Hinter­grund) die Spitzen der Leistungs­ein­spei­sung (gelb PV, dunkel­blau Wind) ebenfalls an Höhe gewin­nen: Die Strom­spit­zen der volati­len Energien reichen immer öfter an die Minima des Strom­ver­brauchs heran – im Mai 2020 sogar erstmals darüber hinaus. Dies ist nicht etwa als Fortschritt zu bewer­ten, sondern reduziert die Regel­bar­keit des Gesamt­sys­tems, die von den konven­tio­nel­len Anlagen jeder­zeit gewähr­leis­tet werden muss.

  • Bei fehlen­der Einspei­sung von „Wind und Sonne“ ist die gesamte Kapazi­tät des konven­tio­nel­len Kraft­werks­parks vonnö­ten, um den Strom­ver­brauch abzusi­chern, bei hohem Verbrauch im Winter auch mit durch die Netzagen­tur unter Vertrag genom­me­nen Ersatz­kraft­wer­ken im Ausland. Die konven­tio­nel­len Erzeu­gungs­an­la­gen werden diese Puffer­funk­tion bei weiter steigen­der Einspei­sung volati­ler Leistung bald nicht mehr erfül­len können. Die bedroh­li­che Situa­tion einer unzurei­chen­den Puffe­rung zur Siche­rung der Netzsta­bi­liät wird zur Regel werden. Kraft­werke können keinen negati­ven Strom erzeu­gen.
  • Auch das „Verschrot­ten“ bzw. „Verklap­pen“ von Strom im Ausland zur Reduk­tion der Überlap­pungs­be­rei­che wird schwie­ri­ger werden, da sich die Nachbar­län­der mit Strom­sper­ren abschot­ten, um ihre eigenen Netze zu schüt­zen.  Überdies schwin­det die zur Stabi­li­sie­rung der Strom­netze zwingend erfor­der­li­che Schwung­mas­sen­re­serve der Turbi­nen und Genera­to­ren großer konven­tio­nel­ler Kraft-werke. Dadurch wird das Netz zusätz­lich gefähr­det.
  • Bei weiter anstei­gen­den Einspei­sun­gen der Windener­gie- und PV-Anlagen, die vermehrt an den minima­len Strom­ver­brauch z.B. in der Nacht und am Wochen­ende heran­rei­chen werden, wird die Regel­fä­hig­keit der konven­tio­nel­len Strom­erzeu­ger stark einge­schränkt. Die Konstanz von Frequenz und Spannung im Strom­netz wird gefähr­det bzw. nicht mehr gewähr­leis­tet sein.
Wer die Einspei­se­cha­rak­te­ris­tik der Strom­erzeu­gung aus Windkraft und PV gründ­lich studiert, erkennt: Sonnen- und Windener­gie haben wir meist viel zu wenig und manch­mal viel zu viel.  Man kann sich auf nichts verlas­sen – außer den Zufall, der sie liefert.  

Auf die Frage, wo der Strom herkom­men soll, kann “Wind und Sonne” nicht die Antwort sein, wenn man von einer siche­ren Versor­gung ausge­hen möchte.   

Als Auswege aus diesem Dilemma nennen Fürspre­cher des weite­ren Ausbaus von Windener­gie­an­la­gen regio­nale Ausgleichs­ef­fekte eines europäi­schen Vorge­hens (“irgendwo weht immer Wind”) sowie auf vermeint­lich bereits vorhan­dene Speicher­tech­no­lo­gien.  Warum diese Antwor­ten nicht überzeu­gen können, können Sie hier und hier lesen.

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