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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