Die Problematik mit der Unstetigkeit von Wind- und Solarkraft

Das grundlegende Problem der Wind- und Solarkraft ist ihre Unstetigkeit. Weht kein Wind und scheint die Sonne nicht, liefern sie keinen Strom. Die damit verbundene Problematik wird leider unterschätzt oder gerne unter den Tisch gekehrt. Die Unstetigkeit von Wind und Sonnenschein macht den Strom aus diesen beiden Energiequellen weitgehend wertlos. Der Hauptgrund hierfür ist, dass die Windkraft und Photovoltaik so gut wie kein herkömmliches Kraftwerk ersetzen können, weil sie ohne Wind und Sonnenschein quasi nicht vorhanden sind. Selbst ich war am Ende ziemlich überrascht, wie gravierend die sich daraus ergebenden Folgen sind. Erst meine aufwändigen Simulationen haben aufgedeckt, wie sinnlos ein weiterer Ausbau der Windkraft und Photovoltaik bei uns in Deutschland ist. Aber eines nach dem anderen:

Sehen wir uns zuerst einmal an, welchen Beitrag unserer Wind- und Solarkraftwerke heute in etwa liefern. Dazu habe ich Lastverläufe erstellt, die auf vergangenen Daten für den Stromverbrauch und der Stromeinspeisung der regenerativen Energien Biomasse, Wind und Sonne, aufbauen, die vom Netzbetreiber 50hertz veröffentlicht wurden. Die Einspeisemengen der drei regenerativen Stromquellen habe ich dabei erhöht, um sie in etwa auf das Niveau1) der für letztes Jahr bundesweit durchschnittlichen Einspeisemenge zu bringen. Um es vorweg zu nehmen: es spielt keine große Rolle, welchen Lastverlauf man wirklich nimmt. Das wesentliche Ergebnis am Ende verändert sich nicht wirklich. Es braucht also kein Herauspicken einer besonders wind- oder sonnenarmen Zeit. Die Problematik mit der Unstetigkeit zeigt sich besser, wenn Wind und Sonnenschein vorhanden sind. 

Da vor allem der Sonnenschein von der Jahreszeit abhängig ist, sehen wir uns jeweils eine Periode aus Winter und Sommer an, um einen ersten Eindruck vom Verhalten der beiden Energiequellen zu erhalten:

Lastverlauf 12 Tage Januar mit 20Prozent EEG

Bild 1: repräsentativer Lastverlauf über 13 Tage im Winter, wobei die Stromlieferung aus Biomasse, Wind und Sonne in etwa 20% beträgt

Lastverlauf 12 Tage Juni mit 23Prozent EEG

Bild 2: repräsentativer Lastverlauf einer 12 Tage langen Periode im Sommer wobei durch Biomasse, Wind und Sonne etwa 23% des Stroms geliefert wurde

Wie die Grafiken gut visualisieren, liefern nur die Biogas-Anlagen einen kontinuierlichen Beitrag zur Stromerzeugung über das ganze Jahr (grüne Fläche im den Grafiken). Sie unterliegen keiner Unstetigkeit und sind daher frei von der damit verbundenen Problematik.

Ganz anders die Photovoltaik und die Windkraft. Die Photovoltaik liefert im Sommer tagsüber fast jeden Tag einen ordentlichen Beitrag (gelbe Zacken), aber im Winter kaum Strom. Nachts gibt es nie Sonnenstrom. Noch komplizierter beim Wind (hellblaue Flächen in den Grafiken): er hat nicht mal ein Verhaltensmuster. Er weht völlig nach Lust und Laune des Wetters, manchmal auch längere Zeit gar nicht. Zudem schwankt er stark von Jahr zu Jahr. Er ist schlichtweg mittelfristig nicht berechenbar.

Die graue Fläche in den Grafiken unterhalb der schwarzen Linie des Lastverlaufs (=Stromverbrauch) ist die Strommenge, die von den restlichen herkömmlichen Kraftwerken erzeugt werden muss. Es ist die „verbleibende“ Leistung, die die regenerativen Kraftwerke nicht liefern können, weshalb sie „Residuallast“ bezeichnet wird. Der Verlauf dieser Residuallast gibt nicht nur vor, über welche Maximalleistung die regelbaren Kraftwerke verfügen müssen, sondern auch, wie häufig oder selten sie Strom ins Netz liefern dürfen. Die Gestalt der Residuallast bestimmt den Strompreis aus den fossilen Kraftwerken.

Was passiert, wenn wir die Windkraft- und Photovoltaik weiter ausbauen…

Was passiert nun, wenn man die weitere Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen baut? Hierbei interessiert uns im Folgenden vor allem, wie sich ein Zubau neuer, unsteter Stromquellen auf die Stromerzeugung der herkömmlichen Kraftwerke auswirkt, also die Residuallast verändert.

Verdoppelt man ich die gemessenen Einspeiseleistungen für Windkraft und Photovoltaik und errechnet die dann verbleibenden Residual-Profile, erhalten wir die Lastverläufe, wie sie aussehen würden, wenn plötzlich doppelt so hohe Kapazitäten an Windkraft und Photovoltaik vorhanden wären. Dadurch würden sich unsere zwei obigen Lastverläufe in die zwei folgenden Bilder verwandeln:

Lastverlauf 12 Tage Juni 30 Prozent EEG

Bild 3: Lastverläufe für eine 12-Tage lange Periode im Sommer, wenn die Kapazitäten der Wind- und Solarkraft verdoppelt würden

Lastverlauf 12 Tage Januar 31Prozent EEG

Bild 4: Lastverläufe für die vorherige 13-Tage lange Periode im Winter, wenn die Kapazität von Wind- und Solarkraft verdoppelt würden.

Die eingezeichneten Rechtecke in obigen Bildern kennzeichnen die zeitlichen Perioden, innerhalb derer sich die Lastverläufe kaum verändern, weil es kaum Wind und Sonnenschein gibt. Eine Verdopplung der Kapazitäten von Wind- und Solarenergie verdoppelt zwar ihren Ertrag. Aber das Doppelte von Null bleibt Null. Während wind- und sonnenarmer Zeiten können die beiden Energiequellen einfach keinen Beitrag leisten und es braucht weiterhin den gleichen regelbaren Kraftwerkspark auf Basis fossiler Brennstoffe. Die Unstetigkeit der beiden Energiequellen führt daher dazu, dass bei weiterem Zubau von ihnen die Residuallast nur wilder wird. Dass der Ausgleich der zunehmden Sprünge aufwändiger und entsprechend teurer wird, liegt auf der Hand.

Die Residuallast bestimmt über den Strompreis aus fossiler Stromerzeugung

Untersuchen wir nun für die 13 Tage lange Periode aus dem Januar die Residuallast genauer, die von den herkömmlichen Kraftwerken zu decken ist, also jeweils die grauen Flächen, vor und nach Verdopplung der Wind- und Solarkapazitäten. Das folgende Diagramm stellt beide gegenüber. Nach Verdopplung der Kapazitäten ergibt sich die reduzierte Residuallast im Vordergrund (dunkelgraue Fläche); im Hintergrund die Residuallast vor Verdopplung von Wind- und Sonnenenergie:

Bild 5: Gegenüberstellung der Residuallast aus den Bild 1 (hellgrau) und Bild 4 (dunkelgrau)

Bild 5: Gegenüberstellung der Residuallast aus den Bild 1 (hellgrau) und Bild 4 (dunkelgrau)

In der reduzierte Residuallast werden vor allem die Leistungssenken am Ende noch tiefer. Die höchsten Spitzen bleiben dagegen weitgehend auf vorherigem Niveau, sind das die Zeiten, wo die unsteten Energien nicht viel beitragen. Je mehr von den unsteten Kapazitäten vorhanden sind, desto größer werden zwangsläufig die Sprünge in den Verläufen, weil dann bei Sonne oder Wind entsprechend mehr Strom ins Netz geflutet wird.

Sortieren wir jetzt die einzelnen 15-Minütigen Messintervalle der beiden Residual-Verläufe absteigend der Leistung nach, so erhalten wir das nächste Bild 6, das zusätzlich das sortierte Residual-Profil (noch dunkleres Grau) enthält, das sich ergibt, wenn die Kapazitäten von Wind- und Sonnenenergie sogar verdreifacht worden wären. Die schwarze Linie ist übrigens der Lastverlauf inklusive der regenerativen Wind- und Solarleistung, ebenfalls der Größe nach sortiert.

Bild 6: Residuallasten von Bild 5 der Leistung nach absteigend geordnet

Bild 6: Residuallasten von Bild 5 der Leistung nach absteigend geordnet

Das sortierte Profil nach Verdreifachung der beiden unsteten Energiequellen geht ganz rechts sogar in den negativen Bereich, was bedeutet, dass dann die unsteten Stromquellen zeitweise sogar mehr Strom erzeugen würden, als nach dem Lastprofil benötigt würde (die X-Achse ist die zeitliche Verteilung; in Zehntel auf der rechten Seite der Achse befindet sich das Residualprofil im Negativen, wonach die unsteten Energieformen nach Verdreifachung in etwa zu 10% der Zeit mehr Energie erzeugen würden, als nötig).

Ganz links finden wir die jeweiligen Leistungsspitzen. Alle drei Residual-Profile erreichen links hin zur Y-Achse fast exakt die selbe Höhe. Die Ursache ist simpel: es braucht nur eine hohe Stromnachfrage in eine Wind- und Sonnen-arme Zeit fallen, und schon spielt es keine Rolle mehr, wie hoch die installierte Leistung in die beiden unsteten Energiequellen ist. Dann muss die gesamte Leistung von anderen Kraftwerken geliefert werden. Aus diesem Grund kann weder die Windkraft noch die Photovoltaik ein anderes Kraftwerk ersetzen (für einen kurzen Zeitraum müssen die Leistungspitzen nicht zusammenfallen; aber langfristig tritt irgendwann der Fall ein, dass auch mal während hohem Strombedarfs kein Wind und keine Sonne, sodass die beiden Energieformen kein herkömmliches Kraftwerk ersetzen können, solange es keine Stromspeicher in großem Umfang gibt).

Über etwa die ersten 25% der höchsten Leistung (das erste Viertel der Profile von links weg) verlaufen die drei Profile weitgehend auf gleiche Höhe, bevor sie unterschiedlich schnell abzufallen beginnen. Die Logik dahinter ist einfach: über den zeitlichen Anteil der Periode, zu dem es keinen (oder kaum) Wind und Sonnenschein gibt, muss der Strombedarf von den restlichen Kraftwerken gedeckt werden. Sehen wir uns daher nochmal die Lastverläufe unserer 13-tägigen Periode in Bild 4 an: dort findet sich eine entsprechende Wind- und Sonnen-arme Periode, die mit dem eingezeichneten Rechteck markiert habe; sie erstreckt sich auch ziemlich über 25% der Zeit.

Folgt man dem Verlauf der sortierten Profile weiter nach rechts, beginnen sie je nach Höhe der installierten Leistung der unsteten Energien unterschiedlich schnell abzufallen. Je mehr und häufiger Strom aus Wind und Sonne ins Netz gespeist wird, desto früher und schneller fallen diese geordneten Residual-Profile ab. Entsprechend weniger Strom wird von den fossilen Kraftwerken benötigt und desto häufiger müssen diese dann ihre Leistung drosseln.

Bewerten wir die Unterschiede quantitativ, dann gilt natürlich, dass eine Verdopplung von Wind/Sonnenkraft dazu fürht, dass die beiden Energiequellen dann auch doppelt so viel Energie liefern. Aus ihrem Beitrag zur Stromerzeugung von 11,5% wird bei Verdopplung ein Beitrag von 23%. Bei einer Verdreifachung sogar 34,5%. Entsprechend fällt die Strommenge ab, die die restlichen Kraftwerke noch liefern dürfen. Dabei darf aber keines der regelbaren (im allgemeinen fossilen) Kraftwerke abgeschaltet werden, weil sie weiterhin alle gebraucht werden, das die von ihnen geforderte Maximalleistung nicht fällt, nur die Menge an Strom die sie liefern dürfen.

Wenn die gleichen Kraftwerke nur noch weniger Strom liefern dürfen, heißt das, dass sie häufiger drosseln müssen und weniger ausgelastet werden. Es wird nur noch ein geringerer Anteil der Strommenge von ihnen abgenommen, die sie liefern könnten, wenn sie stets unter Volllast Strom ins Netz speisen dürften.

Auch wenn es keine unsteten Energiequellen gäbe, könnten nicht alle Kraftwerke stets unter Vollast Strom produzieren, weil auch der Strombedarf schwankt, wie der Lastverlauf für den Strombedarfs in unseren Bildern zeigt. Entspräche die Leistung aller Kraftwerke genau der Spitze unseres 13-tägigen Lastprofils, entspräche der Stromverbrauch über die selbe Periode genau 82,5% der Strommenge, die die Kraftwerke liefern könnten, wenn sie die 13 Tage durchwegs unter Vollast laufen würden. Ihre Auslastung läge also bei 82,5%. Entsprechend niedriger fällt die zu liefernde Strommenge aus, wenn auch Strom von unsteten Energiequellen geliefert wird. Für unseren rechnerischen Fall, bei dem die zwei unsteten Energiequellen 34,5% des Stroms liefern, würden die regelbaren Kraftwerke nur noch zu etwa 55% ihrer Kapazität benötigt:

Bild 7: Darstellung der sich ergebenden Auslastung der für die Residuallast zuständigen Kraftwerke: die Fläche der Quadrate entspricht jeweils der Fläche (=Strommenge) der Residuallasten (Anmerkung: die negative Fläche für den Fall mit 34,5% Stromerzeugung durch Wind/Sonne ist nicht korrigiert)

Bild 7: Darstellung der sich ergebenden Auslastung der für die Residuallast zuständigen Kraftwerke: die Fläche der Quadrate entspricht jeweils der Fläche (=Strommenge) der Residuallasten (Anmerkung: die negative Fläche für den Fall mit 34,5% Stromerzeugung durch Wind/Sonne ist nicht korrigiert)

Auch wenn es gar keinen Wind- und Sonnenstrom gäbe, läge die Auslastung der Kraftwerke nur bei 82,5%, weil der Strombedarf nicht gleichmäßig ist und die Leistung der Kraftwerke sich an der höchsten Lastspitze des tatsächlichen Lastverlaufs orientieren muss (Höhe der Quadrate = höchsten Leistung). Liefen die Kraftwerke ständig unter Volllast, hätten sie den über die gesamte Periode benötigten Strom schon nach nur 82,5% der Zeit produziert (Breite des Rechtecks daher nur bis 82,5%).

Wenn nun 11,5% des Stroms durch Wind und Sonne erzeugt werden, verbleibt als Residuallast nur noch 88,5% des gesamten Stromverbrauchs (hellgraue Fläche). Und 88,5% von 82,5% sind nur noch 73,2%. Kämen gar 34,5% des Stroms aus Wind und Sonne, dürften die regelbaren Kraftwerke gar nur noch 54,6% des Stroms erzeugen, den sie liefern könnten.

Für die Verdopplung von Wind- und Solarkraft müssten zig Milliarden an Euro ausgegeben werden und trotzdem müssten alle herkömmlichen Kraftwerke weiter betrieben und erneuert werden. Dies bedeutet: jede weitere Windkraft- und Photovoltaik-Anlage kostet zusätzliches Geld ohne dass ein fossiles Kraftwerk eingespart werden kann. Die Einsparung an Brennstoff aufgrund der geringeren Residuallast bringt aber nicht die erhofften Kosteneinsparungen, weil die Brennstoffe kaum etwas kosten. Lesen Sie hier weiter.

Anmerkungen:

1) Für 2013 wird für den Beitrag zur Stromerzeugung für die regenerativen Energien folgende Werte genannt (Werte schwanken etwas, je nach Quelle und Berechnung): Biomasse: 7,9%; Windkraft: 9,0%; Photovoltaik: 5,1%; Wasserkraft: 3,3%; restliche Kraftwerke: 74,4%. Diese Werte sind der Durchschnitt für ganz Deutschland über das gesamte Jahr 2013; die Beiträge der regenerativen Energien fallen dabei im Winter und Sommer als auch in den verschiedenen Regionen unterschiedlich aus. Quelle: Verein deutscher Ingenieure (Hrsg.): BWK Das Energie-Fachmagazin, 2014 Heft 4. Düsseldorf, 2014

Quellen:

Lastverläufe EEG-Einspeisung von 50hertz Transmission GmbH, Berlin

Lastverlauf der Netzeinspeisung von 2013 von 50hertz Transmission GmbH, Berlin

Ausführliche Daten zu Stromproduktion von Wind und Solar sowie alle Lastverläufe für 2014 bis Ende August:

Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme: Stromerzeugung aus Solar- und Windenergie im Jahr 2014, Freiburg, 17.09.2014

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