Windenergie und Fotovoltaik

Dichtung und Wahrheit.
Ein fachlicher Diskurs zum Thema Wind-/Solar-Energie.
Von Karl Linnenfelser

Zur Erzeugung des in Deutschland verbrauchten Stroms speisen Kraftwerke mit einer Leistung von bis zu 80.000 MW in zeitlicher Abhängigkeit vom Verbrauch in das öffentliche Stromnetz ein.

Diese von den Anforderungen der Stromverbraucher zeitabhängige Einspeiseleistung wird bisher von konventionellen und seit einigen Jahren verstärkt von regenerativen Stromerzeugungs-Anlagen bereitgestellt, wobei die EEG-Anlagen mit gesetzlich festgelegtem Vorrang ins Stromnetz einspeisen und die konventionellen Anlagen dem stark variierenden Stromverbrauch und der unsteten Einspeiseleistung der Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen nachregeln. Im Diagramm 1 sind die akkumulierten Einspeiseleistungen aller Windenergie-Anlagen (Wind blau) und aller Fotovoltaik-Anlagen (Solar gelb) maßstäblich zum Stromverbrauch (roter Hintergrund) für den Zeitraum Dezember 2012 bis Februar 2013 wiedergegeben.

Diagramm 1

Diagramm 1: Stromverbrauchskurve (Band bis ca. 73 000 MW) im Winter 2013 und die Einspeiseleistungen aller Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen in Deutschland

In Deutschland sind aktuell 24.000 Windenergie-Anlagen mit einer Nennleistung von ca. 30.000  MW und Fotovoltaik-Anlagen mit einer Nennleistung von ca. 32.000 MW installiert. Damit hat der Ausbau der Windenergie und der Fotovoltaik mit zusammen 62.000 MW Nennleistung fast die Größenordnung der Einspeiseleistung des Kraftwerksparks erreicht, die zur Sicherstellung einer stabilen Stromversorgung in Deutschland zeitgleich zur Abnahme im Stromnetz zur Verfügung stehen muss.

Begriffliche Klärung: Leistung (kW) - Energie/Arbeit (kWh)
Als Nennleistung einer Stromerzeugungsanlage wird die höchste Leistung definiert, die bei  optimalen Betriebsbedingungen dauerhaft zur Verfügung gestellt werden kann. Windenergie-Anlagen erreichen beispielsweise ihre auf dem Typenschild angegebene Nennleistung erst bei Windgeschwindigkeiten ab 13 m/sec bis 15 m/sec, die bei starken bis stürmischen Windverhältnissen vorliegen und per Definition zu „Widerstand beim Gehen gegen den Wind“ führen.

In der öffentlichen Diskussion werden die Begriffe „Elektrische Leistung (kW)“ und „Elektrische Arbeit (kWh)“ häufig miteinander vermischt: Die Zuwachsraten an installierter Nennleistung werden als Beleg für den Erfolg der regenerativen Stromerzeugung gewertet, obwohl diese nur den Zuwachs an möglichem Potential bei optimalem Angebot an Windgeschwindigkeit und Sonneneinstrahlung beschreiben.

Zur Klarstellung ein einfaches Beispiel: Eine Windenergie-Anlage mit einer Nennleistung von 1 MW (1 Million Watt) liefert, wenn sie über einen Tag ständig mit ihrer maximalen Leistung von 1 MW betrieben wurde, die elektrische Arbeit von 24 MWh (1 MW*24h=24 MWh, also 24 Millionen Wattstunden).

Unverständnis oder bewusste Irreführung?
Bei Windgeschwindigkeiten unter 3 m/sec steht die Anlage still; die volle Leistung wird bei Sturmstärke erreicht. Die oft geübte Praxis der Verrechnung von Nennleistungen regenerativer Anlagen mit den Leistungen von „Atomkraftwerken“ ist entweder raffiniert angelegte Irreführung oder zeugt von völliger Unkenntnis der Fakten.

Lastganglinien – Was ist das denn?

Zuverlässige Aussagen über die Wertigkeit der Stromerzeugung aus Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen, d.h. Aussagen über die zeitadäquate Erzeugung von kWh (elektrische Arbeit), können aus Lastganglinien gewonnen werden, da diese den zeitlichen Verlauf der Einspeiseleistung dokumentieren. Das hört sich erst mal komplizuierter an als es tatsächlich ist.

Im Diagramm 2 wurden die Einspeiseleistungen aller Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen in Deutschland für den Zeitraum 2010 bis 2013 aufsummiert. Das Diagramm zeigt sehr deutlich den Unterschied zwischen installierter Nennleistung (hellgrüne Fläche) mit einem starken Zuwachs von über 20.000 MW Nennleistung seit Mitte 2010 auf aktuell 62.000 MW Nennleistung. Die im Diagramm als dunkelgrüne Fläche ausgebildete Lastganglinie (Flächenintegral) repräsentiert die gewonnene elektrische Arbeit (kWh) über die Jahre. 2010 wurden laut Fraunhofer Institut 49,5 Milliarden kWh, 2012 73,7 Milliarden kWh elektrische Arbeit ins Stromnetz eingespeist. Der Verbrauch liegt bei über 600 Milliarden kWh in Deutschland.

Diagramm 2

Diagramm 2: Lastganglinie (Einspeiseleistung pro Zeit) aller deutschen Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen ab Juli 2010 mit aktuell 62 000 MW Nennleistung

Und was will uns das sagen?
Auffällig bei allen Lastganglinien ist die Charakteristik der Stromeinspeisung mit hohen Spitzen und tiefen Tälern über den gesamten Zeitraum, ohne dass über den starken Zubau an Anlagen ein Trend zur Vergleichmäßigung der Einspeiseleistung oder eine „Sockelbildung“ der Minimalen Einspeiseleistung zu konstatieren ist.
Auch in 2012 wäre ohne Vorhalten eines vollumfänglichen konventionellen Kraftwerksparks mit grundlastfähigen Anlagen die Stromversorgung des Industriestandorts Deutschland nicht machbar gewesen, auch wenn bereits 74 Milliarden kWh über „Sonne und Wind“ in 2012 eingespeist wurden.
Bisher konnte noch kein konventionelles dargebotsunabhängiges Kraftwerk durch Anlagen auf Basis von Fotovoltaik und Windenergie ersetzt werden.

Diagramm 3

Diagramm 3: Lastganglinie (zeitabhängige Einspeiseleistung) aller deutschen Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen mit aktuell 62 000 MW Nennleistung im Januar 2013

Diagramm 4

Diagramm 4: Lastganglinie (zeitabhängige Einspeiseleistung) aller deutschen Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen mit aktuell 62 000 MW Nennleistung im Februar 2013

Die Diagramme 3 und 4 dokumentieren den Beitrag der Einspeiseleistung aller deutschen Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen mit 62.000 MW Nennleistung zur Stromversorgung jeweils im Zeitraum 12. bis 17. Januar 2013 und 15. bis 18. Februar. Diese „Lupen“ der im Diagramm 2 dargestellten akkumulierten Lastganglinie zeigen sehr deutlich, dass auch über relativ lange Zeiträume die Stromnachfrage mit bis zu 70.000 MW Einspeiseleistung nur durch minimale Beiträge von wenigen Hundert MW Leistung aus Fotovoltaik und Windenergie gedeckt werden konnte.  Stromverbrauchsspitzen treten im Winter morgens um 9 Uhr und abends um 18 Uhr auf, zu Zeiten, zu denen die Fotovoltaik-Anlagen wegen des Sonnenstands nur minimal beitragen können (siehe gelbe Strompulse). Minimale Leistungsbeiträge gerade zu diesen Tageszeiten auf diesem niedrigen Niveau sind keine Seltenheit.

Gedankenexperiment Vollversorgung mit Sonne und Wind
Die Vertreter der “100 % Regenerative-Option” gehen von der zukünftigen Installation von Windenergie-Anlagen im Onshore-Bereich von 200.000 MW Nennleistung, im Offshore-Bereich von 85.000 MW Nennleistung und für Fotovoltaik-Anlagen von 250.000 MW Nennleistung aus, also in der Summe von 535.000 MW Nennleistung.

Um die Auswirkungen einer Vervielfachung der Installation von Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen auf die Stabilität der Stromversorgung in Deutschland überprüfen zu können, bietet sich ein Gedankenexperiment an. Es wird fiktiv angenommen, dass ein Bundesland durch den gesamten in Deutschland bisher installierten Kraftwerkspark aus „Sonne und Wind“ versorgt wird. Ein gutes Beispiel für diese Überprüfung ist Baden-Württemberg, weil für dieses Versorgungsgebiet die Lastganglinien des Stromverbrauchs und der Einspeiseleistungen über die von EEX (European Energy Exchange) und Entsoe bereitgestellten Daten direkt verfügbar sind (Übertragungsnetzbetreiber TransnetBW). Zudem erreichte die bundesweite Stromproduktion aus Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen mit 73,7 Milliarden kWh in 2012 fast den Stromverbrauch von Baden-Württemberg von 80 Milliarden kWh.

Diagramm

Diagramm 5: Lastganglinien (zeitabhängige Einspeiseleistung) aller Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen in Deutschland relativ zur Stromverbrauchskurve für Baden-Württemberg (Band bis ca. 10 000 MW) im Winter 2013

Mit der Fokussierung der aktuell in Deutschland installierten gesamten Wind- und Fotovoltaik-Kapazitäten auf dieses Bundesland wäre die angestrebte Endausbaustufe also bereits heute erreicht. Auch der abgeschlossene Bau von Stromtrassen wäre simuliert, da fiktiv quasi alle Anlagen ideal mit dem Bundesland vernetzt sind. Müsste dann nicht Baden-Württemberg durch diese regenerative Stromproduktion voll versorgt werden können? Die Antwort ist eindeutig NEIN.

Zusammenfassung
Der fiktive Vergleich für Baden-Württemberg (Diagramm 5) zeigt deutlich die Diskrepanz zwischen dem Stromverbrauch mit ca. 9.000 MW Einspeiseleistung und der Stromerzeugung der gesamtdeutschen Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen (grüne Fläche) im Zeitraum Dezember 2012 bis Februar 2013.
Selbst bei massivem Ausbau der regenerativen Energien aus “Sonne und Wind” um den Faktor 12 von derzeit 5 000 MW auf 62 000 MW Nennleistung kann das Bundesland Baden-Württemberg offensichtlich nicht versorgt werden.
Die massive Unterdeckung über lange Zeiträume ist frappierend, obwohl die Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen mit 62.000 MW Nennleistung und einer Erzeugung von 73,7 Milliarden kWh einem Stromverbrauch in Baden-Württemberg von 80 Milliarden kWh mit einer mittleren Einspeiseleistung von ca. 9.000 MW fiktiv gegenüber stehen. Auch in diesem Vergleich zeigt sich der gravierende, aber meist nicht beachtete Unterschied zwischen Leistung und Arbeit.
Für Rheinland-Pfalz mit einem Stromverbrauch von 30  Milliarden kWh und einer mittleren Einspeiseleistung von ca. 3.500 MW gelten die Aussagen entsprechend.

Ebenso wie durch den Mangel an Einspeiseleistung bei sehr hohem Verbrauch (mehrfach Blackout-Gefahr im Winter letzten Jahres wegen des  extremen Stromverbrauchs von bis zu 82 000 MW in Deutschland), kann die Stabilität der Stromversorgung durch unkoordinierte hohe Netzeinspeisungen gefährdet werden. Die besonders in der Sommerzeit stark ausgeprägten Stromimpulse mit Amplituden bis über 25.000 MW um die Mittagszeit durch die Fotovoltaik-Anlagen gefährden zunehmend die Stabilität der Stromnetze bereits jetzt im Verbundsystem in Deutschland. Der gesamte Kraftwerkspark eines fiktiv versorgten Bundeslandes wäre generell nicht in der Lage, diese Stromspitzen auszugleichen. Mit dieser Problematik wird Deutschland bei weiterem Ausbau der Regenerativen Energien mit stark steigendem Anteil der volatilen Stromeinspeisung sehr bald unverhältnismäßig hart konfrontiert werden.

Ohne einen vollständigen zweiten Kraftwerkspark, ausgestattet  mit konventionellen  Anlagen, die grundlastfähig den Stromverbrauch jederzeit abdecken können, ist die Stromversorgung in Deutschland nicht zu gewährleisten. Letztlich wird das begrenzte Regelband der konventionellen Anlagen den Endpunkt der volatilen Netzeinspeisung der Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen aus physikalisch-technischen Gründen bestimmen. Der Ausweg Energiespeicherung zur Glättung der Lastganglinien der Windenergie- und Fotovoltaik-Anlagen in der notwendigen Größenordnung bis 70.000 MW über mehrere Tage, so dass auf konventionelle Kraftwerke verzichtet werden könnte, ist auch nicht ansatzweise in Sicht.

Ich danke herzlich Herrn Rolf Schuster für die intensive Zusammenarbeit und die Beistellung der Diagramme, die auf Basis der Daten der Übertragungsnetzbetreiber erstellt wurden, zu deren Veröffentlichung sie gesetzlich verpflichtet sind.
Karl Linnenfelser März 2013