Blick in die Zukunft

Diese Seite verdeutlicht, was passiert, wenn man die unsteten Stromquellen Windkraft und Photovoltaik weiter kräftig ausbaut. Wir sehen uns an, wie problematisch die Wetterabhängigkeit ist. Sie macht die beiden Energiequellen nicht nur unzuverlässig. Sie verursacht zudem eine sehr geringe Verfügbarkeit, sodass Wind- und Sonnenkraftwerke im Durchschnitt nur zu einem kleine Bruchteil der installierten Leistung laufen. So komme die Photovoltaik bei uns auf etwa 10% und die Windkraft auf nicht viel mehr als 15% ihrer installierten Leistung. Gäbe es bezahlbare Speicher, könnte man eine entsprechend höhere Leistung installieren, den Überschuss in den Speicher geben und bei Bedarf sich aus dem Speicher bedienen. Diese Speicher gibt es aber nicht.

Zudem ergänzen sich Wind- und Sonnenstrom nur wenig. Sonnenstrom gibt es im Winter kaum, Windstrom fehlt dagegen im Sommer weitgehend. Fällt der Wind im Winter aus, kann die Photovoltaik nicht aushelfen. Umgekehrt die Situation im Sommer.

Da die zwei vom Wetter abhängigen Energiequellen eine sehr unterschiedliche Charakteristik besitzen, sehen wir sie uns getrennt an, und zwar jeweils zu der Zeit, wo sie die meiste Energie liefern: die Photovoltaik im Sommer und die Windkraft im Winter. Die Biomasse findet hier übrigens keine Berücksichtigung, weil sie nicht vom Wetter abhängig ist und die hier beschriebenen Probleme daher nicht kennt.

I. Wenn wir die Photovoltaik weiter ausbauen

Befassen wir uns zuerst mit der Stromgewinnung aus Sonnenschein. Sie liefert im Winter kaum Strom, weil die Sonne kaum scheint und zudem die Tage in der kalten Jahreszeit sehr kurz sind. Daher betrachten wir den Monat Juni, in dem die Photovoltaik ihr höchstes Potenzial hat, weil der Juni die längsten Tage hat (kürzeste Nacht zwischen 21. und 22. Juni). Hierfür habe ich Grafiken für den Monat Juni erstellt, deren Ausgangssituation sich an den Gegebenheiten von 2014 orientiertet:

Einspeise-Situationen 4fach Juni

Bild 1: Simulationen, wie die Stromerzeugung in einem Sommermonat Juni aussehen würde, wenn die zwei regenerativen Energiequellen Windkraft und Photovoltaik um ein Vielfaches ausgebaut wäre (gegenüber dem Ausbau von 2014).

Die erste Grafik links oben von Bild 1 stellt die Ausgangs-Situation dar: die installierten Leistungen von Windkraft und Photovoltaik aber auch der Biomasse sind so gewählt, dass sie den Werten vom Juni 2014 entsprechen: die Photovoltaik produzierte etwa 11,5% des Stroms, die Windkraft gut 6%. Fast 9% kamen aus der Biomasse. Nimmt man die Wasserkraft (knapp 3%) noch hinzu, erzeugten die regenerativen Energien rund 30% im Juni 2014 (siehe Quelle 1). Die verbleibenden 70% des Stroms erzeugten konventionelle Kraftwerken.

Die restlichen drei Diagramme simulieren die Fälle, wie die Stromerzeugung unter den ansonsten gleichen Bedingungen wie im ersten Diagramm ausgesehen hätte, aber die beiden unsteten Energiequellen Wind und Sonne bereits erheblich weiter ausgebaut wären. So zeigt das Diagramm oben rechts von Bild 1 das Ergebnis, wenn die installierte Leistung von Wind und Sonne doppelt so hoch gewesen wäre wie in 2014. Die beiden unteren Diagramme simulieren die Situation bei vierfacher oder sogar sechsfacher installierter Leistung von Wind und Sonne gegenüber 2014, also die Annahme, dass wir nochmals das Dreifache oder gar Fünffache der Menge an Photovoltaik- und Windkraftanlagen neu bauen würden, wie wir im Juni 2014 bereits hatten. Wie unser Land dann aussehen würde, wäre eine ganz andere Frage. Hier interessiert uns nur, wie sich die Stromproduktion verändert hätte.

Man erkennt sofort: gibt es wenig Wind, versagen die beiden Energiequellen in den Nächten, weil es da nie Sonnenschein gibt. Dann ist es fast egal, wie hoch ihre installierte Leistung ist.

Führt man obige Simulation vom Ausbaugrad von 2014 (100%) durchgehend bis sogar zum 10-fachen dessen (1000% von 2014) durch, und trägt man die Einspeiseverluste auf, die eine zusätzlich neu gebaute Anlage zur jeweiligen Situation erleiden würde, erhalten wir die Grafik unten (Bild 2). Ab einem Ausbaugrad von 200% beginnen die Einspeiseverluste schnell zu steigen.

Verlustkurve WindSonne Juni

Bild 2: Entwicklung der Einspeiseverluste mit steigender installierter Leistung von Windkraft und Photovoltaik.

Die 200%-Marke ist hier daher von Bedeutung, weil die installierte Leistung der Wind- und Sonnenkraft-Anlagen in 2014 jeweils auf etwa der Hälfte des Stromverbrauchs lag. Erst nach einer Verdopplung dieser Leistung (also 200% von 2014) würde die installierte Leistung jeder der beiden erneuerbaren Energiequellen den Stromverbrauch zu überschreiben beginnen. Baut man dann noch weiter aus, wird die installierte Leistung die Lastkurve immer überragen.

Empfindlich reagiert hier vor allem die Photovoltaik: ist ihre installierte Leistung erst mal höher als der Stromverbrauch, kann sie mittags allein den Strombedarf decken, sofern im ganzen Land die Sonne scheint. Je weiter ihre installierte Leistung den Strombedarf überschreitet, desto geringer kann der Anteil an Photovoltaik-Anlagen ausfallen, auf die Sonnenschein fällt, um dennoch den gesamten Strombedarf mittags zu decken. Und dementsprechend häufiger wird es dann vorkommen, dass mittags alleine die Photovoltaik bereits genug Strom erzeugt. Gleichzeitig nimmt mit der Leistung der Leistungsüberschuss an sehr sonnigen Tagen zu, sodass mehr Anlagen abgeschaltet werden müssen, damit nicht zu viel Strom ins Netz gelangt.

Je höher also die installierte Leistung schon ist, desto weniger Beitrag kann eine zusätzliche Photovoltaikanlage noch leisten: immer wenn die bestehenden Anlagen bereits zu viel Strom erzeugen, sodass erste Anlagen abgeschaltet werden, kann eine weitere Anlage gar keinen Beitrag mehr leisten. Ihr zusätzlicher Strom ging dann komplett verloren. Je höher die installierte Leistung, desto seltener kann eine weitere Anlage überhaupt noch einen Beitrag leisten und dementsprechend größer wird der Anteil des von ihr erzeugen Stroms, der durch Abschaltung verloren geht.

Diskussion der Verlustkurven:

Hätten wir bereits die dreifache Leistung (300%) von Wind- und Sonnenkraft gegenüber 2014 installiert, könnte nach Bild 2 eine weitere Photovoltaik-Anlage nach dieser Simulation im Juni nur noch rund 40% des erzeugten Stroms einspeisen; 60% des Stroms gingen verloren. Der Strom aus dieser zusätzlichen Anlage würde uns dadurch das 2,5-fache der garantierten Einspeisevergütung kosten, weil nach dem EEG auch der verlorene Strom zu bezahlen ist.

Der steile Anstieg des Verlustanteils wird in der Realität sogar früher einsetzen als nach unserer Simulation, die wenig konkurrierenden Strom aus andern erneuerbaren Energien zugrunde legt, lediglich 9% aus Biomasse. So wird auch die Biomasse bis dahin weiter ausgebaut werden. Gleichzeitig erzeugen die konventionellen Kraftwerke eine gewisse Mindestleistung, weil sich nicht alle ohne weiteres auf Null gedrosselt werden können (z.B. wegen KWK-Kopplung). Demgegenüber besteht aber die Möglichkeit, die existierenden Biogas-Anlagen nachträglich flexibler zu machen, indem das Biogas tagsüber gespeichert und nachts mit etwa doppelter Leistung verbrannt wird, wodurch die Grundleistung im Netz wieder absinken würde, sodass unsere Kurve wieder zurück verschoben würde, und am Ende doch wieder eher unserem Bild näher kommt.

Allgemein ergibt sich für die beiden unsteten Energiequellen:

Letztlich haben wir es bei den unsteten Energiequellen mit einer Häufigkeitsverteilung über die Auslastung zu tun. Mit steigender installierter Leistung reichen niedrigere Nutzungsgrade aus, um eine bestimmte Leistung zu erreichen. Das Aussehen der Häufigkeitsverteilung wird neben der installierten Leistung natürlich auch noch von der Jahreszeit (Tageslänge, Häufigkeit von Sonnenschein) und vom vorliegenden Wetter geprägt. Neben der installierten Leistung bestimmt somit auch das Wetter, wie hoch der Verlustanteil einer neuen Anlage ausfällt und wie schnell die Verlustkurve ansteigt. Dazu aber mehr in der Simulation des Wintermonats Januar.

Hier zur Simulation für den Wintermonat Januar

Verlustkurve Wind-Sonne Januar

Simulation Wintermonat

Diese Seite ist die Fortsetzung der Effizienzanalyse von Wind- und Sonnenkraft über deren weiteren Ausbau. Die Erläuterung der Diagramme finden Sie im ersten Teil, der Simulation für den Sommermonat Juni. Diese Seite gibt einen Einblick darüber, wie sich insbesondere die Ausbeute der Windenergie mit weiterem Ausbau entwickelt. Dafür betrachten wir einen Wintermonat, weil der Wind …

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