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Dr. Björn O. Peters

Stromversorgung im 21. Jahrhundert
– im Licht der Witterung

Eine sichere, umweltfreundliche und kostengünstige Versorgung mit elektrischer Energie ist eine wesentliche Voraussetzung für volkswirtschaftliche Prosperität. Bislang wird in den OECD-Staaten die elektrische Energie zu vier Fünfteln aus fossilen und nuklearen Energierohstoffen bereitgestellt. Die Elektrizitätsversorgung verbraucht dabei nur etwa ein Fünftel der insgesamt verbrauchten Energierohstoffe, die anderen vier Fünftel fließen in Mobilität, Wärme/Kälte und Prozessenergie. In dieser Situation hat der G7-Gipfel im letzten Jahr erklärt, bis zum Ende des Jahrhunderts komplett aus fossilen Energierohstoffen auszusteigen. Gibt es hierfür ein realistisches Szenario für den Elektrizitätssektor? Dieser Artikel versucht eine Antwort.

Während der Stromverbrauch in den entwickelten Ländern aufgrund von Effizienzsteigerungen bei vielen Prozessen partiell zurückgeht, gibt es gegenläufige Trends, die noch viele Jahrzehnte anhalten werden. Dies sind die Elektrifizierung weiterer Lebensbereiche wie Wärme und Mobilität und die Entwicklung neuer Elektrogeräte für Kommunikation und Mediennutzung. In den letzten Jahren kommen verstärkt Wärmepumpen zum Einsatz, die für eine Einheit an elektrischer Energie drei bis fünf Einheiten Wärmeenergie aus der Luft, dem Grundwasser oder dem Boden entziehen und in das Heizsystem einspeisen. Ein weiterer wichtiger Sektor, dem die Elektrifizierung bis zur Jahrhundertmitte bevorsteht, ist die Mobilität. Allerdings hat die geringe Zahl von Elektrofahrzeugen bislang noch kaum einen Einfluss auf den Stromverbrauch insgesamt – etwa 2-3 TWh pro Million Fahrzeuge. Im Elektroniksektor hat die schnelle Marktdurchdringung mit Computern, Smartphones, Spielekonsolen und Großbildfernsehern zu einem spürbaren Mehrverbrauch an Strom geführt. In Ländern mit Bevölkerungswachstum wächst der Stromverbrauch tendenziell an, besonders in Ländern mit einem geringen Lebensstandard. Dort sorgt der steigende Lebensstandard für die Anschaffung von mehr Kühlgeräten, Waschmaschinen, Geschirrspülern usw., wodurch der Stromverbrauch von Jahr zu Jahr anwächst. Für Europa insgesamt ist also von einem ungefähr stagnierenden oder leicht steigenden Stromverbrauch auch für die Zukunft auszugehen, für den möglichst umweltfreundliche und verlässliche Quellen zur Verfügung stehen sollten.

"Erneuerbare" Energieträger sollen die Versorgung künftig übernehmen. Mit Ausnahme kleinerer Länder wie Norwegen, Schweden, Albanien und der Alpenländer kann die Wasserkraft als wichtigste "erneuerbare" Energieform aufgrund der natürlichen Gegebenheiten keinen entscheidenden Beitrag zur Stromversorgung leisten. Auch die Biomasse eignet sich wegen des hohen Flächenbedarfs nur in wenigen Ländern in geringerem Umfang für die Verstromung. Wesentliche Zubaukapazitäten gibt es derzeit nur für Solar- und Windkraftwerke, und das ist es, was die europäische Politik verfolgt.

Sie entschied sich daher für einen entschiedenen Ausbau von Wind- und Solarkraftwerken (kurz "WSK"). Dies wurde entschieden, ohne die Frage zu stellen, ob die Witterung in Deutschland oder Europa eine zuverlässige Versorgung aus WSK überhaupt ermöglicht. Die Meteorologie beschäftigt sich leider nur mit dem Geschehen in der Atmosphäre der jeweils nächsten 48 Stunden – für die Wettervorhersage – oder der nächsten 70-100 Jahre – für die Klimaforschung. Für den Zeitraum dazwischen gibt es dagegen noch nahezu keine Literatur. Dieser ist aber entscheidend für die Zuverlässigkeit der Stromversorgung aus WSK. Präziser: Es sind die raum-zeitlichen Eigenschaften des Wetters auf einer Zeitskale von Wochen bis zu mehreren Jahren zu studieren, in Deutschland oder besser auf dem gesamten Kontinent, um die Frage zu beurteilen, inwieweit WSK zur Stromversorgung beitragen können.

Eine Frage ist dabei die nach den räumlichen Ausgleichseffekten innerhalb von Deutschland oder Europa. Für die Solarenergie kann es diese offensichtlich nicht geben, denn in ganz Europa scheint die Sonne etwa zur gleichen Zeit. Für die Windenergie wurde von der Politik immer wieder behauptet, dass durch eine gleichmäßige geografische Verteilung von Windkraftwerken eine Glättung der Netzeinspeisung erreicht werden könne, ohne diese Hypothese zu überprüfen. Diesen Gefallen tut uns das Wetter aber nicht.

Wie man aus öffentlich zugänglichen Produktionsdaten leicht errechnen kann, lag die Korrelation der stündlichen Netzeinspeisung aus Windenergie zwischen den vier deutschen Netzbetreibern im Jahr 2013 zwischen 47% und 85%. Wenn ein Windkraftwerk im Harz Strom liefern konnte, konnten es also in der Regel auch diejenigen an der Küste und im Schwarzwald. Die Korrelation deutscher Windstromproduktion mit seinen Nachbarländern lag zwischen 43% (Tschechien, das aber ein sehr unbedeutender Windstromproduzent ist) und 66% (Dänemark). Man muss in Europa weit entfernt liegende Länderpaare wie Spanien und Finnland (auch ein unbedeutender Windstandort) heranziehen, um eine unkorrelierte Windstromproduktion zu messen.

Um räumliche Ausgleichseffekte nutzbar zu machen, müssten die innereuropäischen Stromtrassen vom Atlantik bis in den Ural beträchtlich ausgebaut werden. Dies scheint illusorisch, nachdem beispielsweise in Deutschland erst etwa ein Prozent (!) der von der Bundesnetzagentur geforderten Stromtrassen von ca. 6.100 km errichtet wurden. Dies ist leicht verständlich, da es in der Geschichte der Elektrizitätsversorgung immer gefordert wurde, dass jede regionale Netzzelle sich zunächst selbst mit Strom versorgt. Die Konnektoren zwischen den Zellen waren zum Spitzenlastausgleich dimensioniert. Würde man von diesem Paradigma abrücken, müssten die Konnektoren so dimensioniert werden, dass sie die gesamte Stromversorgung übernehmen könnten, da es immer wieder zu Wetterlagen kommt, wo in Gebieten so groß wie Deutschland die Stromproduktion aus WSK auf weniger als ein Prozent der installierten Leistung absinkt. Dies sind beispielsweise Inversionswetterlagen im Spätherbst nach Sonnenuntergang. Am 15. November 2012, als nach Sonnenuntergang von 16 Uhr bis zum nächsten Morgen kein Solarstrom eingespeist werden konnte, lieferten Windkraftwerke beispielsweise nur zwischen 0,18 und 0,43 GW an Windstrom. Gleichzeitig lag der Strombedarf am frühen Abend mit 72,6 GW nahe am Jahresmaximum von 74,5 GW. Dass in Spanien an dem Tag die Windproduktion mit ca. 30 GW recht gut war, hätte nur bei etwa verzehnfachten Leitungskapazitäten durch Frankreich hindurch zur deutschen Stromversorgung beitragen können – abgesehen davon, dass die Spanier diesen Strom selbst benötigten.

Würde man sich quer über Europa vom Windstrom abhängig machen wollen, würde dies zu technisch nicht beherrschbaren Problemen führen. Bei einer hypothetischen durchschnittlichen Vollversorgung aus WSK in ganz Europa wären so große Kapazitäten an WSK aufzubauen, dass man von jedem Punkt Europas ein Windkraftwerk sehen könnte. Die Windkraftwerke stünden so eng beieinander – in Deutschland etwa flächendeckend alle 6 km – dass sie sich gegenseitig abschatten würden, und die Erzeugungsleistung insgesamt absänke. Auch müsste die Überschussleistung in einem Land in alle anderen Länder transportiert werden können, was den politisch schwer durchsetzbaren Ausbau von sehr großen Stromtrassen erforderte. Zuletzt ein mathematisches Argument: Wird fluktuierende Windkraft großflächig ausgebaut, steigt der Abstand zwischen Minimal- und Maximalleistung immer weiter an und sorgt für Instabilitäten im Stromnetz, die dann nicht mehr von thermischen Kraftwerken aufgefangen werden könnten.

Die Solarenergie steht zwar nur tagsüber zur Verfügung, allerdings haben wir tagsüber auch den höheren Stromverbrauch – zeitgleich mit unseren wirtschaftlichen und sozialen Aktivitäten. Lediglich die abendliche Spitzenlast müsste aufgefangen werden, dies könnte allerdings mit Pumpspeicherkraftwerken heutiger Bauart bei weiterem Zubau erreicht werden.

Dies führt zur Frage nach den zeitlichen Ausgleichseffekten. Die Produktion von Solarenergie ist, wie gesagt, zeitlich gut mit unserem Lastverhalten korreliert. Anders sieht es mit der Windenergie aus. Der Wind weht nur zufällig dann, wenn wir ihn benötigen, Windenergie ist also zeitlich unkorreliert mit unserem Lastverhalten. Lediglich jahreszeitlich gibt es einen kleinen positiven Effekt: Mitteleuropa ist ein Winter-Windgebiet; es weht also im Winter stärker, wenn wir auch einen durchschnittlich höheren Stromverbrauch haben. Allerdings sind Stark- und Schwachwindzeiten typischerweise mehrere Tage bis wenige Wochen lang – viel zu lange, um sie mit Speichern jedweder Bauart ausgleichen zu können. Für Deutschland alleine müsste im hypothetischen Szenario einer Vollversorgung aus WSK ausgleichende Speicher im Umfang von ca. 80.000 GWh gebaut werden, was ich aus einer Szenariorechnung auf Basis von fünf Wetterjahren und dem tatsächlichen Lastgang errechnet habe. Dagegen gibt es in Deutschland Speicher bislang nur in einer Größe von ca. 44 GWh. Ein Pumpspeicherkraftwerk mit 80.000 GWh wäre so groß wie der ganze Bodensee mit einer Pumphöhe von ca. 600 Metern. Manche Hoffnungen ruhen auf der Umwandlung von "überschüssiger" Elektrizität in brennbare Gase wie Wasserstoff oder Methan. Allerdings liegen die Gesamtwirkungsgrade in der Praxis bislang unter 20 Prozent, was diese Technologie auch ad absurdum führt. Batterien anderer Bauart werden die erforderliche Größenordnung mindestens in den nächsten fünf Jahrzehnten nicht erreichen können. Lastmanagement liefert Flexibilität nur im Bereich von Minuten und wenigen Stunden, aber nicht auf Tage und Wochen hinaus.

Wenn schon die räumlichen Ausgleichseffekte von WSK-Produktion nicht gegeben sind, so führt die mangelnde zeitliche Verfügbarkeit von Strom aus WSK die Ziele der Politik, langfristig die Stromversorgung komplett auf "erneuerbare" Energieträger umzustellen, vollends ins Illusorische.

Was ist also zu tun? Zunächst müssten wir uns eingestehen, dass die angepeilte Art der Stromversorgung aus WSK unerreichbar bleiben wird. Sie scheitert an Naturgesetzen, technischen und statistischen Gegebenheiten – und sie wird politisch und wirtschaftlich nicht durchsetzbar sein. Alternative Technologien für die CO2-freie Stromproduktion wie die Kernenergie sind politisch in Deutschland derzeit nicht salonfähig oder wie die Kernfusion noch nicht marktreif. Andere stehen nicht zur Verfügung. Dieses Eingeständnis sollte zu einer Überprüfung der politischen Zielsetzung führen.

Bis dahin könnten wir Emissionen aller Art im Kraftwerkspark wirkungsvoll verringern, wenn Kohlekraftwerke, die gelegentlich als Brennöfen mit angeschlossenem Chemiewerk zur Abgasreinigung verspottet werden, bis etwa 2040 durch Gaskraftwerke ersetzt würden. In einem solchen Zeitraum könnte die Umstellung anhand der natürlichen Investitionszyklen im Kraftwerkspark bewerkstelligt werden. Dazu bedürfte es des Ausbaus der Gasinfrastruktur mit Flüssiggas-Terminals an Seehäfen und Pipelines. Durch neu erschlossene Gasquellen im Mittleren Osten und in den USA ist der Weltmarkt mit Gas für Jahrzehnte, wenn nicht für Jahrhunderte bestens versorgt. Und dank der Flexibilität der Gaskraftwerke kann die Produktion aus einer gewissen Menge von Solarkraftwerken ausbalanciert werden.

Das EEG sollte möglichst bald ersatzlos gestrichen werden. Wo sich "erneuerbare" Energieträger am Markt durchsetzen können, würden sie weiterhin gebaut werden. Wasserkraft und Solarenergie zum Eigenverbrauch sind bereits heute so preiswert, dass sie subventionsfrei wirtschaftlich sind. Jedes weitere Windkraftwerk richtet aber volkswirtschaftlich sehr viel größeren Schaden an als an betriebswirtschaftlichem Gewinn erzielt wird. Die kleinteilige Verstromung von biologischen Reststoffen ist in Kombination mit der Wärmenutzung bereits heute wirtschaftlich. Der Anbau von "Biokraftstoffen" in riesigen Monokulturen erfordert aber einen so hohen Energieaufwand für Dünger, Feldbearbeitung und Transport, dass daraus weder ein volks- noch ein energiewirtschaftlicher Gewinn entsteht. Auch sind die Schäden an der Biodiversität und die Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion aus umwelt- und sozialpolitischen Aspekten heraus nicht zu verantworten.

Die Forschung an der Kernfusion als einziger glaubwürdigen Alternative zu fossil betriebenen, grundlastfähigen Kraftwerken mit einer unendlichen Reichweite des dafür benötigten Rohstoffes (Wasserstoff-Isotope) sollte weiterfinanziert werden, auch wenn sie langwierig und teuer ist und mit kommerzieller Stromerzeugung nicht vor 2050 zu rechnen ist. Dann kann es aber sehr schnell gehen, dass sie sich durchsetzt, so dass das G7-Ziel, bis zum Ende dieses Jahrhundert auf fossile Rohstoffe zu verzichten, im Stromsektor zumindest denkbar erscheint.

04. Juli 2016

 
 

Dr. Björn Peters

Dr. Björn Peters ist Analyst und beschäftigt sich seit vielen Jahren mit dem Thema "Energiewende" unter wissenschaftlichen als auch wirtschaftlichen Gesichtspunkten