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Der deutsche Sonderweg zum Stromausfall

Zusammenfassung

Wind- und Solarstrom werden nicht immer dann produziert, wenn der Strom benötigt wird. Teilweise produzieren alle Windkraftanlagen Deutschlands über längere Zeit weniger Strom als ein einziges Kohlekraftwerk. Ausreichend Stromspeicher gibt es bisher nicht und sind auch nicht in Planung. Daher muss ständig eine grundlastfähige Kraftwerkskapazität vorgehalten werden, die den gesamten Strombedarf Deutschlands decken kann. Dies wird mit dem Atom- und Kohleausstieg nicht mehr der Fall sein.

Im Folgenden wird anhand konkreter Zahlen und offizieller Statistiken dargelegt, wie sich die Situation entwickelt hat, wie sie heute ist und wie die Stromversorgung zukünftig aussehen wird, wenn der Atom- und Kohleausstieg wie geplant umgesetzt wird.

Aufbau der erneuerbaren Energien

Gerne feiert sich die deutsche Bundesregierung dafür, dass der Anteil “erneuerbarer Energien” an der deutschen Stromerzeugung 2018 auf 38 % gestiegen ist. Tatsächlich steigt der Anteil der erneuerbaren Stromerzeugung, also Wind, Solar, Wasser und Biomasse seit Jahren kontinuierlich an.

Die folgende Grafik zeigt dabei, wie sich zwischen 2005 und 2021 die installierten Kapazitäten der volatilen Stromquellen (Wind&Solar) und grundlastfähigenStromquellen (Atomkraft, Kohle, Gas, Erdöl, Wasserkraft, Biomasse) entwickelt haben:

Die installierte Leistung von Wind- und Solarkraft nimmt stetig zu (Quelle: Fraunhofer ISE)

Die installierte Leistung der volatilen Energieträger hat sich zwischen 2005 und 2020 knapp vervierfacht. Die Menge an installierter grundlastfähiger Kraftwerksleistung dagegen ist in den letzten 15 Jahren nahezu konstant geblieben, sie pendelte zwischen 100 GW und 111 GW.
Normalerweise müsste man davon ausgehen, dass wenn Kapazitäten in einem Bereich aufgebaut werden, im Gegenzug Kapazitäten im anderen Bereich abgebaut werden, zumal der Energiebedarf sogar eine leicht sinkende Tendenz hat.
Die Entwicklung zeigt jedoch, dass Deutschland in den letzten 15 Jahren Doppelkapazitäten aufgebaut hat. Dem Aufbau von Wind- und Solarkraft steht kein nennenswerter Abbau von grundlastfähiger Kraftwerksleistung entgegen. Die Abschaltung mehrerer Kernkraftwerke ab 2011 wurde zunächst größtenteils durch den Neubau von Biomasse- und Gaskraftwerken ausgeglichen (siehe unten). Theoretisch liegt die insgesamt installierte Kraftwerksleistung damit schon seit 2015 bei über dem doppelten des Bedarfs.

Wichtig: Die installierte Leistung entspricht der theoretischen Höchstleistung der Kraftwerke. Praktisch erreicht aber kein Kraftwerk zu jeder Zeit 100% seiner Leistungsfähigkeit (u.a. durch Wartung, Reparaturen), weshalb insgesamt mehr installierte als tatsächlich benötigte Leistung vorhanden sein muss.
Zwar würde seit 2015 die installierte Leistung an Wind- und Solarkraft ausreichen, um über 100% des deutschen Strombedarfs zu decken. Dies war aber praktisch bisher noch an keinem Tag der Fall. De facto wird noch einmal genügend installierte grundlastfähige Leistung benötigt, um 100% des deutschen Strombedarfs zu decken, da Wind- und Solarkraft teils tagelang fast keine Energie liefern, wie der nächste Abschnitt zeigen wird.

Das Problem der volatilen Energieerzeugung

Wie bereits oben gezeigt, sind in Deutschland seit 2018 größere Kapazitäten an volatilen Energiequellen (Windkraft und Solarenergie) installiert, als an grundlastfähigen Energiequellen. Theoretisch könnten die beiden “erneuerbaren” Energieträger Wind und Sonne mit einer installierten Leistung von 105,3 GW im Jahr 2018 problemlos den Energiebedarf Deutschlands von in der Spitze knapp 80 GW decken.

Allerdings gab es bis heute keinen einzigen Tag, an welchem Wind und Sonne zusammen den deutschen Energiebedarf decken konnten. Im Gegenteil gibt es jedoch immer wieder tagelange Phasen, in welchen Wind & Sonne fast gar keinen Strom produzieren. Hier ein paar Beispiele aus 2018, 2019 und 2020:

Im Winter produzieren die Solarkraftwerke durch die schwache Sonne deutlich weniger Strom. (Quelle: Agora Energiewende)

Diese Tabelle zeigt im 4-Stunden Takt den Stromverbrauch vom 10.01.18 bis 12.01.18, sowie die jeweils produzieren Mengen Windkraft und Solarenergie. Während der Stromverbrauch nachts bei knapp 60 GW liegt, klettert er an den drei Werktagen mittags auf bis zu 80 GW.

Die Windenergie ist die gesamten drei Tage extrem schwach, am 11.01.18 gegen 12 Uhr werden nur 0,68 GW Windenergie (On- und Offshore kombiniert) erzeugt. Dies bedeutet, dass alle Windkraftanlagen Deutschlands zusammen weniger Energie erzeugen, als ein einzelnes mittelgroßes Kohlekraftwerk. Damit können gerade einmal 1,12% der installierten Leistung von 60,6 GW Windenergie abgerufen werden.

Der Wirkungsgrad der Solarenergie ist ebenfalls niedrig, bedingt durch die schwache Wintersonne. Sie kann in der Spitze bis zu 9,37 GW beisteuern, bei einer installierten Leistung von 48 GW.

Insgesamt stellen Wind und Sonne über drei Tage hinweg keinerlei nennenswerte Strommengen zur Verfügung. Ohne die grundlastfähigen Kraftwerke wäre es zu einem tagelangen landesweiten Blackout gekommen.

Im Sommer ist die Solarenergie tagsüber stark. (Quelle: Agora Energiewende)

Im Sommer ergibt sich ein leicht anderes Bild. Diese Tabelle zeigt wieder im 4-Stunden Takt den Stromverbrauch vom 07.06.18 bis 09.06.2018, sowie die jeweils produzieren Mengen Windkraft und Solarenergie. der 09.06.2018 ist ein Samstag, weswegen der Tagesverbrauch niedriger als an den beiden anderen Tagen ist. Während auch hier der Wind tagelang fast keinen Strom liefert, und am 09.08.18 mit gerade einmal 0,74 GW seinen Tiefpunkt findet, steuert die Solarenergie wenigstens tagsüber mit bis zu 26,6 GW einen nennenswerten Anteil zur deutschen Stromproduktion bei.

Es zeigt sich, dass die Solarenergie zumindest im Sommer bei guten Bedingungen (wolkenarmes Wetter) eine sinnvolle Ergänzung zum Energiemix sein kann, da relativ zuverlässig zu Zeiten produziert wird, zu welchen der Verbrauch steigt. Dennoch werden gerade nachts weiterhin zuverlässige Alternativen benötigt.

Die Windenergie kommt, die Windenergie geht (Quelle: Agora Energiewende)

Diese Tabelle zeigt im 4-Stunden Takt den Stromverbrauch sowie die jeweils produzieren Mengen Windkraft und Solarenergie exakt ein Jahr später, also vom 07.06.19 bis 09.06.2019.

Hier lässt sich verdeutlichen, wie volatil (schwankungsstark) Wind- & Solarenergie sind. Während alle deutschen Windräder in der Nacht des 07.06.19 gerade einmal 3,4 GW bereitstellen können, steigt dieser Wert im Verlaufe des 08.06.19 auf bis zu 31,5 GW. Um 12 Uhr erzeugen Sonne und Wind zusammen 51,5 GW Strom und können somit immerhin 78% des Strombedarfes decken. Am nächsten Tag bricht die Windenergie wieder ein und kommt um 16 Uhr auf nur noch 2,2 GW. Um 20 Uhr können Sonne und Wind zusammen nur noch 11,5% des Strombedarfes decken. Den Rest müssen grundlastfähige Kraftwerke übernehmen.

4 Tage Dunkelflaute im November 2020 (Quelle: Agora Energiewende)

Im November 2020 kam es vom 26.11 bis zum 30.11 zu einer viertägigen Dunkelflaute. Am 27.11 um 4 Uhr etwa erzeugten alle Windkraftanlagen in Deutschland zusammen nur 1,13 GW Strom, weniger als das Kohlekraftwerk Moorburg (Hamburg) mit einer Nennleistung von 1,6 GW. Somit wurden weniger als 2% des Strombedarfs gedeckt. Die Lücke konnten konventionelle Kraftwerke, vor allem Kohlekraftwerke, schließen.
Ohne die grundlastfähigen Kraftwerke, welche in den nächsten Jahren abgeschaltet werden sollen, hätte Deutschland einen mindestens 4-tägigen kompletten Stromausfall erlebt. Selbst die 10-fache Kapazität an erneuerbaren Energien hätte bei weitem nicht ausgereicht um den Strombedarf zu decken. Nötig wären 100x mehr Windkraftanlagen gewesen.
Es nützt auch nichts, wenn vorher oder nachher wesentlich mehr Strom aus Wind & Sonne erzeugt wurde, da keine effektiven Speicher zur Verfügung stehen. Der Strom muss zu dem Zeitpunkt erzeugt werden, zu welchem er verbraucht wird.

Die Tatsache, dass Wind & Sonne 2020 zusammen bereits einen Anteil von kapp 50% an der deutschen Stromproduktion hatten, bedeutet nicht, dass diese 50% auch dauerhaft und verlässlich bereitgestellt werden. Ein Industrieland wie Deutschland kann aber nicht tagelang auf Strom verzichten.

Verbrauch und Speicherung

Grundsätzlich muss der Strom dann erzeugt werden, wenn er verbraucht wird. Eine Speicherung im Stromnetz, wie von manchen Politikern behauptet, ist nicht möglich.

Man kann sich das Stromnetz vereinfacht vorstellen wie die die Dampfmaschinen zu Beginn der Industrialisierung, welche die Antriebswellen für die Maschinen bewegten. Die sich drehende Antriebswelle ist das Stromnetz, hier kann man keine Energie speichern. Anders ausgedrückt: Das Stromnetz funktioniert wie eine Wassermühle. Dreht sich das Wasserrad (Kraftwerk), dreht sich der Mahlstein (Verbraucher). Hört das Wasserrad auf sich zu drehen, stoppt auch der Mahlstein sofort und dreht sich nicht noch kurz weiter. Es wird in den Rädern und Speichen zwischen Wasserrad und Mahlstein keine Energie “gespeichert”, welche der Mahlstein noch nutzen könnte. Erzeugung und Verbrauch müssen gleichzeitig sein.

Auf ein Hausnetz übertragen gilt: Dreht man im Keller die Hauptwasserleitung ab, kann man aus der Wasserleitung dahinter dennoch das in den Rohren befindliche Wasser entnehmen. Eine kleine Menge Wasser ist gewissermaßen im Netz gespeichert. Schaltet man im Keller die Hauptstromsicherung aus, ist der Strom im Haus weg. In den Stromleitungen des Hauses ist kein Strom gespeichert, mit dem man noch kurz eine Lampe leuchten lassen könnte.

Das europäische Stromnetz ist auf eine Netzfrequenz von 50 Herz (Hz) ausgelegt, von welcher nur minimal abgewichen werden kann. Bereits Abweichungen von 3 Hz können zu größeren Schäden an angeschlossenen Anlagen führen. Die Netzfrequenz wird bislang insbesondere durch die Schwungmasse großer Turbinen in großen Kraftwerken stabil gehalten. Diese bilden auch die Momentan-Reserve und können die Leistung unmittelbar an den Bedarf anpassen. Fallen diese stabilen und flexiblen Erzeuger weg und werden durch schwankende und nicht planbare Energiequellen (Wind & Sonne) ersetzt, begrenzt das die Möglichkeiten das Stromnetz auf der Erzeugerseite stabil zu halten. Aufgrund der oben beschriebenen notwendigen Gleichzeitigkeit von Erzeugung und Verbrauch muss folgerichtig der Verbrauch reduziert werden. Dies erfolgt bereits jetzt über einen sog. “Lastabwurf”. Dabei werden große Verbraucher (z.B. Aluminiumwerke) gezielt vom Netz getrennt, haben also einen Blackout. Um Lastabwürfe oder größere Blackouts wegen mangelnder Erzeugung zu verhindern, benötigt man für eine auf Wind & Sonne basierende Stromversorgung zwingend große Stromspeicher, welche zusätzlichen Strom produzieren, wenn dieser benötigt wird.

Als Speicher dienen zurzeit hauptsächlich Pumpspeicherkraftwerke. In Deutschland sind heute Pumpspeicherkraftwerke mit einer installierten Kapazität von 6,5 GW vorhanden. Diese sind jedoch nicht geeignet, lang andauernde Stromflauten zu überbrücken. Das leistungsstärkste Pumpspeicherwerk Europas, das englische Pumpspeicherkraftwerk Dinorwig, kann für sechs Stunden Strom erzeugen, bevor das Becken leer ist. Danach wird Strom benötigt, um das Becken wieder zu füllen. Bei Wind- und Sonnenflauten von über 72 Stunden (siehe oben) könnten Pumpspeicherkraftwerke daher nur in den ersten Stunden stabilisierend eingreifen. Um für 72 Stunden kontinuierlich den Stromertrag eines solchen Pumpspeicherkraftwerkes bereitzustellen, würden 12 Pumpspeicherkraftwerke benötigt (72/6 = 12), welche nacheinander produzieren. Um den Ausfall von Wind und Sonne für drei Tage mit einer Leistung von 60 GW zu kompensieren, bräuchte Deutschland über 720 neue Pumpspeicherwerke der Größe Goldisthal, einem von nur zwei Pumpspeicherwerken in Deutschland mit einer Leistung von über 1 GW. Ein großflächiger Ausbau wäre mit entsprechenden Eingriffen in die Natur und Landschaft verbunden. Ob der Neubau von 720 großen Speicherwerken überhaupt realistisch ist, darf getrost angezweifelt werden. Das Fraunhofer ISE geht in einer Studie von 2012 (Seite 15) davon aus, dass sich die Pumpspeicherkapazitäten in Deutschland maximal auf 10 GW und eine Speichermenge von 60 GWh (ergäbe 10 Stunden Vollastbetrieb) steigern lassen. Aktuell gibt es in Deutschland lediglich 17 Pumpspeicherwerke mit einer Leistung von über 0,1 GW.

Andere Speichertechnologien mit nennenswerten Kapazitäten gibt es derzeit nicht und sind auch in den nächsten 10-20 Jahren nicht in Sicht (zu Power-to-Gas, Vehicle-to-Grid und der geplanten Überbrückung mit neuen Gaskraftwerken weiter unten).

Die Abschaltung der grundlastfähigen Kraftwerke

“Es gibt einen konkreten Zeitplan zur Abschaltung grundlastfähiger Kraftwerke, aber noch keinerlei Plan, wie diese ersetzt werden sollen.”

Da die volatilen Energieträger Wind & Sonne unabhängig von ihrer installierten Leistung – auch 10x so viele Windräder wie heute produzieren bei Flaute keinen Strom – wie gezeigt teils tagelang keine nennenswerten Strommengen erzeugen, muss jederzeit eine entsprechende Kapazität an grundlastfähigen Kraftwerken bereitstehen. Im Folgenden betrachten wir also die Entwicklung der grundlastfähigen Energieerzeugung in Deutschland und lassen Wind & Sonne außen vor.

Das Diagramm zeigt die grundlastfähige Stromerzeugung (blau) gegenüber dem Stromverbrauch (orange). Mit dem Kohle- und Atomausstieg wird spätestens 2023 die verfügbare Menge Grundlaststrom unter den Bedarf fallen. (Quelle: bis 2020 Fraunhofer ISE, danach Projektion nach beschlossenen Atom- und Kohleausstieg)

Insgesamt steht Deutschland im Jahr 2019 noch gut da. Das Land hat genügend installierte Kapazitäten, um seine Stromerzeugung sicherzustellen. Die real verfügbare Grundlast wird mit 85% der installierten Leistung berechnet, da nicht alle Kraftwerke jederzeit mit ihrer Vollast zur Verfügung stehen (z.B. wegen Wartung, Inspektion, Defekt, etc.) Dieser Wert ist eher optimistisch angesetzt, siehe hier.

Die Reduktion der verfügbaren Atomkraft (rot) um 13 GW seit 2002 (insb. 2011) wurde durch den Ausbau entsprechender Kapazitäten im Bereich Gas (gelb) und Biomasse (grün) ausgeglichen. Die Energieträger Kohle (schwarz), Wasser (blau) und Mineralöl (nicht in der Grafik) verändern sich zwischen 2002 und 2019 praktisch nicht. So konnten die verlässlichen Kapazitäten bisher insgesamt erhalten werden.

2019 machen Kohle und Atomstrom zusammen aber immer noch 54% der grundlastfähigen Stromerzeugung aus:

Erneuerbare Energien haben nur einen Anteil von 13 % an den zuverlässigen Energiequellen (Quelle: Frauenhofer ISE)

Nun hat die Bundesregierung bereits 2011 beschlossen, die restlichen Atomkraftwerke nach einem festen Plan bis 2022 vom Netz zu nehmen. Die 2019 noch verbleibende Kapazität der Atomkraftwerke von 9.5 GW, welche 2018 noch 14% des benötigten Stroms erzeugten, wird daher wegfallen.

Zusätzlich soll bis 2038 aus der Kohleverstromung (Braunkohle und Steinkohle) ausgestiegen werden. Dies bedeutet den Wegfall von zusätzlichen 43,9 GW verlässlicher Kapazität, welche 2018 immerhin 39% des benötigten Stroms erzeugte. Insgesamt fallen so bis 2038 ganze 53,4 GW an verlässlicher Kapazität weg. Spätestens 2023 sinkt dadurch die insgesamt installierte Kapazität verlässlicher Energiequellen unter den deutschen Strombedarf ab. Können unsere Nachbarn dies nicht kompensieren, wird es spätestens bei einer windstillen Nacht zum landesweiten Stromausfall kommen.

Strom Import und Export

Deutschland war lange im Saldo Stromexpoteur – im Juni 2019 änderte sich dies (Quelle: Agora Energiewende)

Deutschland hat jahrelang Strom exportiert, negative Monatsbilanzen gab es nicht. Dabei wurde allerdings nicht, wie gerne behauptet, überschüssige Wind- und Solarenergie exportiert, denn diese Energieträger haben noch nie 100% oder mehr des deutschen Strombedarfs erzeugen können, folgerichtig kann es hier auch keinen Überschuss geben. Da Deutschland aber wie oben dargestellt mittlerweile Doppelkapazitäten aufgebaut hat, war ein Stromexport möglich.

Seit März 2019 nehmen jedoch die Stromimporte zu, und die Exporte gehen zurück. Der Juni 2019 war der erste Monat seit Jahren, in welchem Deutschland insgesamt eine negative Import- Exportbilanz hatte. Am 28.05.2019 mussten im Tagesschnitt 8 GW importiert werden.

Es ist zu erwarten, dass der Importbedarf schnell weiter steigen wird, wenn deutsche Kapazitäten wegfallen. Da die Kraftwerksleistung unserer Nachbarn primär auf die Deckung des eigenen Energiebedarfs ausgelegt ist, wird sich zukünftig zeigen, wie viel Strom Deutschland importieren kann, bis auch die Nachbarländer keine freien Kapazitäten haben.

Kein Ausbau in Sicht

Der Bund der deutschen Energiewirtschaft hat eine Übersicht (2019) erstellt, in welcher alle derzeit geplanten Kraftwerksneubauten aufgelistet sind.

Demnach ist bisher bis 2025 an verlässlichen grundlastfähigen Energieträgern nur der Aufbau von weiteren 4,3 GW an Gaskraftwerken geplant. Weitere 5,5 GW Gaskraftwerke sind in Planung, jedoch noch ohne absehbares Fertigstellungsdatum. Zudem sind weitere 0,9 GW Pumpspeicherkraftwerke in einem frühen Planungsstadium. Diese neuen grundlastfähigen Kraftwerke wurden in der Abbildung oben bis 2038 berücksichtigt. Zudem wird davon ausgegangen, dass ab 2022 jedes Jahr 0,6 GW Erdgas zugebaut wird, auch wenn dafür bisher keinerlei Planungen vorliegen.

Zudem wird davon ausgegangen, dass ab 2030 Power-to-Gas (Wasserstofferzeugung) Kapazitäten aufgebaut werden. Bisher sind für Power-to-Gas nur einige wenige Pilotprojekte mit Leistungen um die 0,1 GW in Planung. Dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es mit einer Modellanordnung bereits gelungen, einen Wirkungsgrad von 75% zu erreichen. Für die Speicherung von 1 GW Strom in Wasserstoff müssten demnach zuvor ca. 1,3 GW investiert werden. Um eine viertägige Dunkelflaute zu überbrücken, müsste man die gesamte Tagesproduktion bzw. entsprechende Überschüsse von 5,3 Tagen speichern. Von derartigen Überschüssen sind die alternativen Energiequellen in Deutschland wie gezeigt noch weit entfernt.

Ein weiterer nennenswerter Ausbau von Wasserkraft und Biomasse gilt dagegen in Deutschland als unmöglich. Die vorhandenen Potenziale hier sind bereits ausgeschöpft. Dementsprechend haben beide Energieträger auch schon in den letzten Jahren keine nennenswerte Steigerung mehr erfahren. In der obigen Grafik wird dennoch davon ausgegangen, dass sich die Biomasseerzeugung um 0,1 GW pro Jahr steigern wird, auch wenn die Steigerung zwischen 2017 und 2019 pro Jahr nur bei 0,03 GW lag.

Ergebnis

Wind & Sonne können keine verlässliche Stromerzeugung sicherstellen. Bisher konnte dies durch genügend Kapazitäten verlässlicher Energieträger abgefangen werden. Nun will die Bundesregierung aber bis 2038 ganze 53 Gigawatt an verlässlichen Energiequellen abbauen, obwohl bisher nur Ersatz von 12,2 GW in Planung ist.

Durch diese neue Situation wird die deutsche Stromversorgung zwangsläufig zusammenbrechen, wenn die Beschlüsse und Gesetze tatsächlich umgesetzt werden.