Auch die Energiewende hat ein Integrationsproblem

Die Energiewende stockt. Vom Ziel einer massiven Reduzierung des Energieverbrauches hat man sich im vergangenen Jahr erneut entfernt. Daran ändert auch der fortschreitende Ausbau von Solar- und Windenergie nichts. Deren Integration in die Stromversorgung verursacht immer größere Schwierigkeiten und Kosten.

lichtblicke

Die Energiewende stockt. Von ihrem Ziel einer massiven Reduzierung des Energieverbrauches hat man sich im vergangenen Jahr erneut entfernt. Daran ändert auch der fortschreitende Ausbau von Solar- und Windenergie nichts. Deren Integration in die Stromversorgung verursacht dagegen immer größere Schwierigkeiten und Kosten.

Nach den Berechnungen der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen ist der Primärenergieverbrauch Deutschlands in 2015 um 1,3% gegenüber dem Vorjahr auf nun 13.335 PJ gestiegen. Das Ziel, diesen bis 2050 um die Hälfte zu reduzieren, rückt in weite Ferne. Etwa 40% der Primärenergie dienen der Produktion von Elektrizität. Die Bruttostromerzeugung hat im vergangenen Jahr mit 647 Milliarden kWh sogar den höchsten Wert seit 1990 erreicht. Auch in diesem Sektor ist man den Sparvorgaben der Bundesregierung nicht näher gekommen.

Dabei wurden für die alternativen Quellen Biomasse, Onshore-Wind und Photovoltaik die für 2020 und 2050 angestrebten Ausbauziele bereits erreicht oder gar übertroffen. Die Gier nach Subventionen erwies sich als größer, als von der Bundesregierung in 2010 vermutet. Einzig die Offshore-Windenergie hinkt hinterher. Nach wie vor aber stellen die konventionellen Energieträger die Basis unserer Stromversorgung dar. Es handelt sich bei diesen um die Technologien, für die in der Energiewende kein weiterer Ausbau (Wasser, Müll), eine deutliche Reduzierung (Steinkohle, Erdgas) oder gar ein Ausstieg (Mineralöl, Braunkohle, Kernenergie) vorgesehen sind.

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Die zentrale Idee der Energiewende besteht nicht wie häufig kolportiert darin, konventionelle Stromerzeugungskapazitäten durch Sonne und Wind zu ersetzen. Die gegenwärtige Energiepolitik will vor allem die fossilen Energieträger durch rigorose Einsparungen überflüssig machen, um den Ausstoß an Kohlendioxid zu senken. Der verbliebene Restbedarf soll dann weitgehend emissionsfrei bereitgestellt werden – ausgerechnet durch volatile Quellen. Das ist keine kluge Idee. Denn in einem Stromversorgungsnetz müssen sich Energiezufuhr und Energieentnahme stets ausgleichen.

Strom besteht nicht aus Elektronen, die durch Kabel fließen wie Wassermoleküle durch Rohre. Die Energie, die aus der Steckdose kommt, ist die eines elektrischen Feldes, das den Ladungsträgern in einem Verbraucher, in einer Spule, einem Widerstand, einem Kondensator oder sonst einem Bauelement, das Potential verleiht, Arbeit zu leisten.

Man stelle sich einen ungestörten Teich mit vollkommen glatter Oberfläche vor. In diesen werfe man einen Stein. Vom Punkt des Aufpralls aus werden sich Wellen ringförmig in alle Richtungen ausbreiten. Diese transportieren nur die Bewegungsenergie, die der Aufprall des Steins auf das Wasser übertragen hat. Die Wassermoleküle hingegen schwingen senkrecht zur sich ausbreitenden Welle, strömen aber nicht in Richtung Ufer.

Diese Bild kann als Analogie für ein Stromnetz dienen. Der Stein, der auf das Wasser prallt, entspricht dem Stromerzeuger. Nach einer Weile ebbt die Welle ab, die Wasseroberfläche liegt wieder ruhig und spiegelglatt da. Durch die Reibung der Wassermoleküle aneinander, mit dem Grund und dem Ufer, wurde die Energie der Welle aufgezehrt. Dies entspricht der Entnahme von Energie aus dem Stromnetz durch Verbraucher und Übertragungsverluste. Es ist ein weiterer Stein ins Wasser zu werfen, um wieder eine neue Welle (neue elektrische Energie) zu produzieren.

Nicht nur die technischen Systeme der Übertragungsnetze, sondern auch die verbrauchenden Geräte in Haushalten und Betrieben sind auf bestimmte Eigenschaften des erzeugten elektrischen Feldes angewiesen. Die Netzspannung („Wellenhöhe“) und die Netzfrequenz („Abstand zwischen zwei Wellenbergen“) müssen innerhalb kleiner Toleranzen überall und zu jeder Zeit konstante, fest definierte Werte aufweisen (230 Volt und 50 Hertz im deutschen Niederspannungsnetz). Sonst funktionieren elektrotechnische und elektronische Systeme nicht und werden möglicherweise sogar zerstört. Übersetzt in die Teich-Metapher darf die Wellenstruktur auf der Wasseroberfläche nur in engen Grenzen variieren. Dazu wären passende Steine in passenden Abständen mit passender Kraft auf den passenden Punkt zu werfen. Das könnte eine Maschine leisten, die aus einem Rohstoffvorrat die jeweils benötigten Steine erstellt,um diese dann zum richtigen Zeitpunkt in den Teich fallenzulassen. Ein Kraftwerk. Dessen Regelung aufgrund des schwankenden Verbrauches technisch durchaus nicht trivial ist. Es haben, stark vereinfacht ausgedrückt, mal größere Steine in kürzeren, mal kleinere in längeren Abständen auf die Teichoberfläche zu treffen. Das ist, was unser konventionelles Versorgungssystem leistet.

Zwei Kraftwerk-Parks nebeneinander – nicht integriert

Durch die Energiewende werden mit dem Geld der Stromkunden Leute dafür bezahlt, völlig willkürlich völlig unterschiedliche Steine zusätzlich in den Teich zu werfen. Mal stehen diese Leute untätig am Ufer herum und schauen zu, wie fein abgestimmt Steine ins Wasser fallen, um das notwendige Wellenmuster zu erzeugen. Mal kippen diese Leute gleich eimerweise Steine hinzu, und bringen das ganze System aus dem Takt. Man kann noch nicht einmal vorhersagen, wann sie welches Verhalten an den Tag legen.

Es handelt sich bei „diesen Leuten“ natürlich um die subventionierten Wind- und Solarkraftwerke. Zu manchen Zeiten erzeugen sie viel zu viel Strom, der dann nicht ins Netz eingespeist werden darf (die „Steine“ werden abgefangen, bevor sie „auf das Wasser prallen“), aber auf Basis der gegenwärtigen Gesetzgebung trotzdem zu honorieren ist. Im Jahr 2014 kostete dies die Stromkunden schon mehr als 100 Millionen Euro und der Trend zeigt bei weiterem Zubau natürlich nach oben. Da Windräder und Solarzellen zu anderen Zeiten wiederum gar keinen Strom erzeugen, kann man auf die konventionellen Kraftwerke auch nicht verzichten. Stattdessen müssen diese ständig herauf- und heruntergeregelt werden, um die Schwankungen der volatilen Quellen auszugleichen, um das Muster der Wellen auf dem Teich zu bewahren. Die immer häufiger erforderlichen Eingriffe in die Erzeugung erhöhen nicht nur das Risiko von Stromausfällen, sie kosten auch Geld. Von einer Milliarde Euro allein in 2015  ist die Rede, ebenfalls durch die Stromverbraucher über die Netzentgelte aufzubringen.

Im Prinzip leisten wir uns mit der Windenergie und der Photovoltaik in Deutschland etwa seit dem Jahr 2000 den Aufbau eines zweiten Kraftwerkparks, für den es keine Notwendigkeit gibt. Denn der Stromverbrauch hierzulande ist seit zwei Jahrzehnten nicht wesentlich gestiegen. Das konventionelle System, bestehend aus den grundlastfähigen Kraftwerken, die rund um die Uhr völlig unabhängig vom Wetter elektrische Energie bedarfsgerecht bereitstellen können (Kernenergie, Kohle, Öl, Gas, Wasser, Biomasse, Müll, Geothermie u.ä.), käme sehr gut alleine zurecht. Die vielen Windräder und Solarzellen haben noch nicht ein einziges Watt der herkömmlichen Kapazitäten ersetzen können. Deswegen sinken auch die Kohlendioxid-Emissionen nicht. Ganz im Gegenteil: Wenn man fossile Kraftwerke ständig fern ihrer optimalen Betriebspunkte betreibt, vermindert sich ihr Wirkungsgrad beträchtlich und die Emissionen pro produzierter Kilowattstunde steigen deutlich an.

Stromdiaet2

Für Deutschland beträgt die sogenannte gesicherte Leistung 85 GW. Das ist die Kraftwerkskapazität, die erfahrungsgemäß jederzeit zur Verfügung zu stehen hat, um alle Bedarfsspitzen abzufangen. Die Grundlastkapazität ist höher, weil immer einige Kraftwerke aufgrund von Reparaturen und Wartungsarbeiten nicht eingesetzt werden können. Volatile Quellen leisten keinen Beitrag zur gesicherten Leistung.

Nun kann man argumentieren, bei einer Verminderung des Stromverbrauchs um die Hälfte reduziere sich auch die gesicherte Leistung entsprechend. Dann und nur dann wäre es tatsächlich möglich, aus der Kernenergie und gleichzeitig in einem substantiellen Umfang auch aus der Kohleverstromung auszusteigen. Es existieren für diesen Weg aber nur die Zielvorgaben. Ein Konzept über die Art und Weise, wie er zurückgelegt werden könnte, fehlt nach wie vor.

Sollte man das Ziel tatsächlich erreichen, würden die für das Jahr 2050 vorgesehenen grundlastfähigen Kapazitäten immer noch die erforderliche gesicherte Leistung übersteigen. Der Ausbau volatiler Quellen erwiese sich auch dann auf Grund ihrer oben geschilderten Verhaltensauffälligkeiten als überflüssig und kontraproduktiv. Aber in Fragen der Integration hat unsere Regierung nicht nur in der Energiepolitik grundlegende Verständnisschwierigkeiten.

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Kommentare {11}

  1. So ganz einverstanden bin ich damit nicht: auch die volatilen Energieerzeuger (Photovoltaik und Wind) müßten einen Beitrag zur Grundlastversorgung liefern. Sobald die Sonne aufgeht liefern Solarzellen Leistung > 0, und offshore dürfte auch immer wenigstens etwas Wind wehen. So gesehen müßten schon ein paar GW selbst unter schlechten Bedingungen zustande kommen. Ich denke auch (ohne es allerdings zu wissen), daß mit einer guten “Wind- und Sonnenprognose” das Vorhalten und Zuschalten von “Pufferkraftwerken” wenigstens gut geplant und minimiert werden kann.
    Aber klar, daß A und O wird hier die Speicherung der erzeugten Energie sein. Ich habe nie verstanden, warum man sich nicht in Richtung Wasserstoffwirtschaft entwickelt. Die volatilen Energieerzeuger betreiben Elektrolyse, H2 und O2 werden gespeichert und zB über Brennstoffzellen gewandelt oder über bereits bestehende Infrastruktur (Pipelines) verteilt (im Ruhrgebiet gibt es eine H2 Pipeline seit vielen Jahrzehnten – ohne Probleme). Darüber hinaus lassen sich Ottomotoren mit H2 betreiben.
    H2 ließe sich wohl auch ohne weiteres in Gaskraftwerken verbrennen, vermute ich…

    Zur CO2 Senkung durch Energieeinsparung:
    der Astrophysiker weiß: spekuliert man über außerirdische Zivilisationen, so gelangt man zu der plausiblen Erkenntnis, daß sich ihr Entwicklungsgrad über ihren Energieverbrauch bestimmen läßt (https://de.wikipedia.org/wiki/Dyson-Sphäre) —> eine Absenkung des Energieverbrauchs käme entweder einer techn. Rückentwicklung gleich oder der Verringerung der Anzahl von Konsumenten. Bei beiden Faktoren erleben wir aber das Gegenteil. Eine Steigerung des Energieeffizienz bringt daran keine grundlegende Änderung.

    Ich befürchte daher, daß der Klimagipfel von Paris als größte Selbsttäuschung der Menschheit in die Geschichte eingehen wird. (ehrlich gesagt, fällt mir spontan kein einziger Fall von erfolgreicher Selbstverpflichtung ein…). Damit gewinnt eine spezielle Lösung des Fermi-Paradoxons zunehmend an Signifikanz (darf man so etwas schreiben, ohne als durchgeknallt zu gelten ? Ich glaube, nach den Erkenntnissen der letzten 10-15a darf man das. Oder ?)

  2. Ergo gibt es jetzt hier nur eine Lösung. Es müssen die volatile Erzeugung in eine nicht volatile Bereitstellung gewandelt werden. Photovoltaik- und Windanlagen nur noch mit ausreichend großen Speichern genehmigen!

  3. Ich habe nie verstanden, warum man als Nebenabrede in der Subvention der (sog.) “Erneuerbaren Energieen” keine Speicherkomponente vorgeschrieben hat. Ich hätte Wind- und Solarparks vorgeschrieben, daß sie 10% ihrer Peakleistung als Speicher- und Glättungsleistung vorhalten müssen, bevor sie die volle Subvention einstreichen (abgesehen davon, daß ich Subventionen prinzipiell ablehne).

    Ich denke, daß solche Speicher akute (=<1 Tag) Versorgungsprobleme abmildern können. Lösungen z.B. unter younicos.com (keine Interessen).

  4. Lieber Herr Heller,

    vielen Dank für diesen und ihre zuvor bereits veröffentlichten Beiträge, natürlich auch für ihren tollen Blog.
    Mich beschäftigen in diesem Zusammenhang zwei Fragen:
    1. Wie vernichtet man technisch elektrische Energie, doch nicht durch Entladungen?
    2. Ist bezifferbar, wieviel klassisch erzeugte Energie und damit auch CO2 eingesetzt wird, um die sogenannten regenerativen Energiequellen abzupuffern.

    In den WDR5 Radionachrichten wurde zu Wochenbeginn gemeldet: Boom für Erneuerbare, bereits dreissig Prozent des Stroms kommt 2015 aus diesen Quellen, weiteres Wachstum ist garantiert. Das klingt nach Erfolg!

    Ich frage mich dann immer, ob die Ursache für solche maximal manipulativen Formulierungen Unbedarftheit oder Bösartigkeit ist.

    Ich freue mich auf weitere Beiträge und grüsse herzlich.

    1. @ Ulli Baba,

      vielen Dank. Meine Mitwirkung hier ist ein langfristiges Projekt. Ich werde daher Ihre Fragen in kommenden Texten noch aufgreifen. Mit der Energiewende sind viele Aspekte verknüpft, die eine nähere Betrachtung verdienen.

  5. Sehr geehrter Herr Heller,

    Sie haben noch einen wichtigen Effekt vergessen. Denn die deutsche Wirtschaft verlagert seit Jahrzehnten Produktionskapazitäten ins Ausland. Und damit wird nicht nur CO2 sondern auch Energie indirekt über die Produkte importiert.

    Deshalb muss auch mindestens ein Drittel des Energieverbrauchs und CO2-Ausstoßes von China auf Europa, Japan und Nordamerika umgelegt werden. Berücksichtigen wir das hat es nicht mal mit dem minimalen CO2 Abbau geklappt, sondern er ist sogar noch gestiegen.

    Hinzu kommt das der Erntefaktor der EEG-Anlagen weit unterhalb des für ein hoch industralisierten Landes notwendigen Level liegt und damit fossil “quersubventioniert” wird. Betrachtet man die globalen Energieströme dann spart jede CO2 Anlage die hier aufgestellt wird kein CO2 und keine Primärenergie ein, sondern erhöht deren Verbrauch sogar noch.

    Die deutsche Energiewende als Projekt zur Maximierung des CO2-Ausstoßes. Irgendwie hatte ich das mal anders verstanden.

  6. Schaden entsteht auch durch den Aufwand an Energie und anderen Ressourcen sowie den CO2 Ausstoß für die Herstellung und den Anschluß der vielen überflüssigen Windräder und Solarzellen. Weiterhin sind zu bilanzieren: Die Entwertung der ca. 200 Mrd. Fördermittel, die der Deutsche Steuerzahler in die Kernkraft investiert hat, der Verlust an Kompetenz in der Kernforschung für Deutschlands industrielle Zukunft und die beobachtete gigantische Vernichtung von Vermögenswerten bei unseren Energieerzeugern mit deren kommunalen Aktionären. Im Ergebnis erfolgt eine Umverteilung von Vermögen zu Ungunsten der Stromverbraucher.

  7. Herr Heller – wie soll man als Wähler agieren, wenn man die Wahl zwischen Nicht-wählen, Ungültigmachen und Inkompetent 1, Inkompetent 2, Inkompetent 3, usw. usw. hat?

  8. @ Craig Morris:

    “You have simply taken primary energy targets and assumed that the electricity would be reduced in half as well.”

    No. Check the numbers in the energy concept by yourself (table A 1-7 on page A-12 in the appendix). And consider the difference between “Bruttostromerzeugung (in Germany)” and “Stromverbrauch”.

    “The chart in which you reference the Energy Concept from 2010 does not, however, contain that scenario at all.”

    What do you mean by that? The numbers I used are the results of scenario A1.

    “It does contain “nuclear as a bridge technology” and CCS – both of which are completely off the table now.”

    I used scenario A1 which proposed the nuclear phase out by 2025. Therefore there are no differences to the expected nuclear capacity in 2020 (note: phase out 2022 is the present decision) and especially no such differences for 2050 (nuclear capacity zero in all scenarios). Note how I aggregated the numbers to avoid such misinterpretations. Regarding CCS you are correct, but what should I do (see below)?

    “Not only does that document not say what you read into it, but it is outdated.”

    There is no other document containing the numbers for the target in 2050 (greenhouse gas reduction 85%). Until now our administration did not create a new plan. The concept I used is not outdated. In fact it is still the strategic base of all decisions in energy policy.

  9. Peter, you’re confusing something. You have simply taken primary energy targets and assumed that the electricity would be reduced in half as well. In fact, as the heat and transport sectors are electrified, electricity demand could rise slightly (maybe by 10 percent). All of this is in numerous studies.

    The chart in which you reference the Energy Concept from 2010 does not, however, contain that scenario at all. It does contain “nuclear as a bridge technology” and CCS – both of which are completely off the table now. Not only does that document not say what you read into it, but it is outdated.

  10. Ich darf im Hinblick auf die Debatte um die sogenannte “Lückenpresse” hinzufügen: Der Anteil von “Sonne und Wind” am deutschen Primärenergierverbrauch beträgt gerade einmal 2,6 %. Als Quelle füge ich einen Link zu einer Grafik des Wirtschaftsministeriums ein.

    https://www.bmwi.de/BMWi/Redaktion/PDF/E/energiestatistiken-energiegewinnung-energieverbrauch,property=pdf,bereich=bmwi2012,sprache=de,rwb=true.pdf

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