Grundlastfähigkeit

Warum löst der weitere Zubau von Solar- und Windstrom alleine ein zentrales Problem der Stromversorgung nicht?

Drei Fehlvorstellungen

Wenn eine Anlage zur Produktion von Strom errichtet wird – gleich welcher Art sie auch sein mag – dann hat sie immer eine bestimmte Maximalleistung, die sie unter idealen Bedingungen erbringen kann.

Die erste Fehlvorstellung besteht darin, dass die sogenannte installierte Leistung der Erneuerbaren (= Maximalleistung unter idealen Bedingungen!) einfach so groß werden müsse wie die Leistung aller konventionellen Kraftwerke, damit man auf diese verzichten und sie abschalten könne. Diese Zielmarke wird mit Begrifflichkeiten wie „100% Erneuerbare“ versehen und soll den Abschluss der Energiewende kennzeichnen. Zum Glück hat sich die Erkenntnis, dass diese Herangehensweise nicht zielführend ist, inzwischen weit genug durchgesetzt. Man hat verstanden und akzeptiert, dass die Spitzenleistung nur für wenige Stunden im Jahr erreicht wird und – je nachdem, ob Solar- oder Windstrom und je nach Standort – übers Jahr die erzielte Durchschnittsleistung nur etwa 20% der installierten (Maximal-)Leistung beträgt.

Die zweite Fehlvorstellung basiert auf demselben grundlegenden Unverständnis von Kausalitäten: Dann müsse man doch nur die installierte Leistung aller Anlagen entsprechend vervielfachen, und schon könne man auf alle anderen Kraftwerke verzichten. Klingt verlockend, ist aber ebenso falsch, denn die berühmte „Dunkelflaute“ (windstille Nacht, also weder Solar- noch Windstrom verfügbar) lässt sich auch damit nicht umgehen. Ein beliebiges Vielfaches von Null ist bekanntlich immernoch Null. Doch das Problem ist tiefgreifender.

Jede Solar- oder Windstrom-Anlage produziert übers Jahr eine bestimmte Menge elektrischer Energie. Diese ist abhängig von Art und Größe der Anlage und ihrem Standort und im statistischen Mittel recht genau angebbar. Die Summe aller so erzeugten Energiemengen wird dann ins Verhältnis zum Energieverbrauch gesetzt und damit der „Anteil der Erneuerbaren am Energiemix“ angegeben. Bezogen auf das Primärenergieaufkommen liegt der Anteil aktuell bei rund 20%, für den Bereich Endenergie Strom bei immerhin 55%.

Die dritte Fehlvorstellung liegt nun darin, man müsse bzw. könne diesen Anteil auf 100% bringen – genau das meint im Kern der Begriff „Klimaneutralität“ oder in gewisser Abwandlung der Begriff „CO2-Neutralität“. Für den Bereich der Primärenergieträger ist die Zielstellung ohnehin müßig, da ein Teil dieser (Kohle, Öl, Gas) einer stofflichen und keiner energetischen Verwertung unterliegt und somit nicht durch Strom ersetzbar ist. Dieser Aspekt spielt für die Betrachtung von Netzdienlichkeit aber auch keine Rolle.

Bezogen auf den erreichten Anteil von 55% an der Stromerzeugung klingt das 100%-Ziel aber doch gar nicht unrealistisch, oder? Ist es aber! Und dass wahrscheinlich selbst 70% mit der bisherigen Herangehensweise kaum zu schaffen sein werden, zeichnet sich bereits ab. Denn kürzlich war zu vernehmen, dass im letzten Jahr wieder eine bestimmte Menge an Energiegewinnungskapazität (angegeben üblicherweise in TWh – TeraWattStunden) an Erneuerbaren hinzugebaut wurde und ans Netz gegangen sei, aber der Anteil der Erneuerbaren an der Stromproduktion nicht um die gleiche Energiemenge zugenommen habe, sondern nur etwa um die Hälfte der zusätzlichen Erzeuger-Kapazität.

Reflexartig wurde darauf verwiesen, dass der schleppende Netzausbau Schuld habe und die zusätzlichen Strommengen aus dem Norden nicht ausreichend in den energiehungrigen Süden transportiert werden könnten, mit der Folge, dass Kapazitäten zwar installiert wurden, aber dafür häufiger abgeregelt werden müssten. Im Prinzip ist das auch ein Teil des Problems, die Beobachtung bzw. Analyse ist in soweit schon korrekt, aber sie greift viel zu kurz, weshalb die gezogenen Schlüsse falsch sind.

Warum sind die aus einer richtigen Beobachtung für den Netzausbau gezogenen Schlüsse im Kern falsch?

Offensichtlich bleibt trotz weiteren Zubaus von Solar- und Windstrom das Problem der fehlenden Grundlastfähigkeit bestehen. Zugleich ist ein Zustand erreicht, wo ein weiterer Zubau sich nicht mehr eins zu eins in nutzbarem Ertrag niederschlägt, weitere Anlagen also erst einmal weniger rentabel sind bzw. die Rentabilität aller Anlagen senken. Dies wird nachfolgend gezeigt werden.
Der Zusammenhang zwischen installierter Erzeugerkapazität und tatsächlich nutzbarem Ertrag folgt einem ertragsgesetzlichen Verlauf, der bisher unbeachtet geblieben zu sein scheint. Denn man hat durch die neuen Anlagen vor allem das Überangebot vergrößert, was folgerichtig zu mehr Abregelung führen muss, wodurch der potenziell zusätzlich erzeugbare Strom gar nicht erzeugt werden kann. Ein Netzausbau ist in gewissem Umfang nötig, aber er löst nur das Teilproblem, Ort des Angebots und Ort der Nachfrage besser zu verbinden. Das zweite Teilproblem, nämlich die fehlende zeitliche Kongruenz – dass das Angebot genau dann bereitgestellt werden kann, wenn es auch nachgefragt wird – kann mit einem Netzausbau alleine nicht gelöst werden.

Ein Gedankenexperiment

In einem Gedankenexperiment kann man sich eine beliebige Anlage zur Erzeugung von Strom aus Solar- oder Windenergie ersatzweise als eine Maschine vorstellen, die ein Getränk (auf magische Weise gewonnen aus Wind oder Sonnenlicht) in Portionen abfüllt. Die Getränkeportion steht dabei für eine bestimmte Menge an Elektroenergie oder eben Strom, die erzeugt wurde. Jeder Abfüllvorgang dauert eine definierte Zeit und geht umso schneller, je mehr Wind weht oder je mehr die Sonne scheint. Die vereinfachende aber wesentliche Einschränkung dabei ist, dass das Abfüllen der nächsten Portion erst beginnt, wenn die vorherige aus der Maschine entnommen wurde. Erfolgt die Entnahme jedoch nicht umgehend, kann die Maschine kaputt gehen.

Man entscheidet sich nun, diese Getränkeportionen nach Eigenbedarf selbst zu trinken (Eigenverbrauch) und den Rest am hauseigenen Kiosk 24/7 direkt zu verkaufen, also den überschüssigen Strom ins Netz einzuspeisen. Jeden Tag kommt eine bestimmte Anzahl durstiger Leute vorbei – Stromkunden, die Strom verbrauchen – und will Getränke kaufen. Die Anzahl der Leute ist zwar grundsätzlich beschränkt, weil sie nicht beliebig weit laufen können, aber es ist ein stetiger Bedarf, der gewissen Schwankungen unterliegt. Erreichen die Leute den Kiosk, warten sie jedoch nicht darauf, dass eine Portion fertig ist: entweder sie bekommen das Getränk direkt in die Hand gedrückt, wenn sie am Kiosk ankommen, oder sie kaufen sofort woanders.

Die Produktion der Maschine ist nicht groß, so dass auch an sonnigen / windreichen Tagen stets alle Portionen sofort aus der Maschine genommen und verkauft werden. Die Produktionskapazität der Maschine ist also vollständig nutzbar, der sogenannte Nutzungsgrad beträgt 100%. Allerdings kann die Maschine selbst an den besten Tagen zur Mittagszeit nur der Hälfte der ankommenden Leute ein Getränk liefern, weil sie nicht schneller / mehr abfüllen kann. In der übrigen Zeit des Tages ist der Anteil des gedeckten Bedarfs noch geringer, nachts am geringsten. Wenn es nachts windstill ist, macht der Laden sogar ganz zu. Dunkelflaute.

Um den Bedarf besser zu decken, wird eine zweite, identische Getränkemaschine installiert. Zumindest an den sonnigsten / windreichsten Tagen erhalten nun mittags alle durstigen Leute ein Getränk, wenn sie am Kiosk ankommen, den Rest der Zeit gehen wieder einige leer aus und kaufen woanders. Es wird doppelt so viel wie mit einer Maschine produziert und alles komplett verkauft. Der Zubau an Maschinenkapazität wurde vollständig in Zuwachs an Produktion/Verkauf umgesetzt.

Weil es so gut läuft, wird eine dritte Getränkemaschine installiert. Erfreulicherweise deckt das Abfüllen nun nicht nur am Mittag und nicht nur bei vollem Sonnenschein oder Wind den Bedarf. Allerdings wird jetzt in den sonnen- und windreichsten Abschnitten mehr Getränk produziert als rasch aus den Maschinen genommen werden kann. In der Folge müssen die Maschinen in diesen Zeiten abgeregelt werden, so dass nicht mehr die gesamte Produktionskapazität ausgenutzt werden kann. Der weitere Zubau wurde also nicht mehr vollständig in Zuwachs an Produktion/Verkauf umgesetzt, die Investition zahlt sich schlechter aus.
Man baut eine Lieferkette aus und bittet nun Nachbarn, die Getränke abzunehmen, was meist ganz gut funktioniert, aber wenn zu viele Getränke geliefert werden, wollen sie sogar Geld dafür haben, den Überschuss abzunehmen. Schlechtes Geschäft.
Und nachts bleiben immernoch Leute durstig.

Weitere Getränkemaschinen werden installiert, können aber nur noch die Sonne nutzen, da die Standorte für Windnutzung hier in der Umgebung schon alle belegt sind. Zwar kann nun an sonnenreichen Tagen von Sonnenauf- bis -untergang der Bedarf an Getränken gestillt werden, dafür müssen viele der Maschinen aber tagsüber ihre Produktion drosseln, was sie mehr und mehr unrentabel macht. Der Ausbau der Lieferketten zu teilweise weit entfernten Nachbarn hilft beiden Seiten, dauert aber, ist teuer und löst das grundsätzliche Problem dennoch nicht: Wenn wenig Sonne scheint, die Tage kurz sind oder in der Nacht bleiben viele Leute durstig, bei Überproduktion wollen die belieferten Nachbarn Geld für die Abnahme der Getränke und die Maschinen müssen abgeregelt werden, um einen Defekt zu verhindern.

Die richtigen Schlüsse ziehen

Ginge es wirklich um Getränkeproduktion wie in dem Gedankenexperiment, wüsste jeder intuitiv, wie die beschriebenen Probleme zu lösen wären: Lager für den Überschuss des Tages, um Vorrat für die Nacht zu haben. Für die Produktion von Solar- und Windstrom ist die Lösung dieselbe: Speicherakkus. Die kosten zwar Geld und das Ein- und Ausspeichern ist mit Verlusten verbunden. Angesichts der Börsenpreise am Abend und am Morgen ist es dennoch lohnenswert, denn diese Preise liegen je nach Wetterlage beim doppelten bis zehnfachen (!) des normalen Erzeugerpreises. Und es wäre ein enormer Beitrag zur Netzstabilisierung, den Strom auf diese Weise netzdienlich einzuspeisen.
Ein weitere Ausbau der Erzeugerkapazität alleine hingegen bringt nicht viel, die Rentabilität sinkt sogar. Grund ist, dass hier ein ertragsgesetzlicher Verlauf zugrunde liegt. Die folgende Grafik hilft beim Verständnis. Vereinfachend wurde hier nur eine Solarstrom-Anlage unter idealen Wetterbedingungen für einen Tag mit 12 Stunden Tageslicht modelliert und zudem von einer im Tagesverlauf konstanten Nachfrage ausgegangen. Auch wenn dies nicht exakt der Realität entspricht, werden die abgeleiteten grundsätzlichen Aussagen dadurch nicht falsch. Die Ertragsachse ist eine relative Skale, sie bildet das Verhältnis von Angebot und Nachfrage ab. Dadurch spielen die absoluten Zahlen in der Modellierung keine Rolle mehr.

Erläuterungen:

• Kurve 1 „50%“: Die Erzeugerkapazität ist so, dass im Maximum am Mittag genau 50% der Nachfrage (hier als Grundlast) gedeckt werden kann. Der gesamte Ertrag ist somit komplett nutzbar (Fläche A).
• Kurve 2 „100%“: Die Erzeugerkapazität wurde verdoppelt, am Mittag kann der Bedarf kurz zu 100% gedeckt werden. Der Ertrag hat sich ebenfalls verdoppelt und ist komplett nutzbar, der Zuwachs im Ertrag entspricht genau dem Zuwachs an Erzeugerkapazität (Fläche B).
• Kurve 3 „200%“: Erneut wurde die Erzeugerkapazität verdoppelt. Während zwei Dritteln der Sonnenphase des Tages kann die Nachfrage gedeckt werden, am Mittag könnte eine doppelt so hohe Nachfrage bedient werden, die jedoch nicht vorhanden ist. In der Folge muss der Erzeuger zwei Drittel der Sonnenphase mehr oder weniger abgeregelt werden, am Mittag bis auf die Hälfte seiner Kapazität. Im Tagesgang sind nur etwa 66% der theoretisch möglichen Erzeugung nutzbar, das restliche Drittel bleibt ungenutzt (Fläche C1). Einer Zunahme der Erzeugerkapazität um 100% gegenüber Kurve 2 steht eine Zunahme des Ertrages von nur noch 32% gegenüber (Flächenstücke C).
• Kurve 4 „400%“: Die Erzeugerkapazität wird wieder verdoppelt, wächst also erneut um 100% gegenüber vorher. Der Ertrag erhöht sich nur um knapp 10% (Flächenstücke D), und nur noch 36% der möglichen Erzeugung sind überhaupt nutzbar, die restlichen knapp zwei Drittel bleiben ungenutzt (Fläche D1).
• Selbst wenn die Erzeugerkapazität beliebig weiter gesteigert würde, wäre eine komplette Bedarfsdeckung (Flächenstücke E) nie erreichbar, mindestens 50% blieben in diesem Szenario immer unversorgt.

Werden Zunahme der Erzeugerkapazität und Zunahme des nutzbaren Ertrags einander gegenüber gestellt, zeigt sich das wachsende Missverhältnis sehr anschaulich:

Solange die maximale Erzeugung nicht höher ist als der maximale Bedarf (100% auf der waagerechten Achse), folgt der nutzbare Ertrag Eins zu Eins der Erzeugungskapazität. Steigt diese jedoch weiter, bleibt der weitere Zuwachs des nutzbaren Ertrags schnell immer stärker hinter dem Zuwachs der Erzeugungskapazität zurück. Bei fortschreitender Zunahme der Erzeugungskapazität nähert sich der nutzbare Ertrag einer Art Sättigung:

Für die Praxis bedeutet dies, dass ohne weitere Maßnahmen ab dem Punkt „100%“ (die erreichbare Spitzenleistung ist so hoch wie die Grundlast) die Rentabilität der Investition in weiteren Kapazitätszubau sinkt, während dieser gleichzeitig kaum einen nennenswerten weiteren Beitrag zur Bedarfsdeckung mehr leistet. Einzig in Phasen z.B. geringer Sonneneinstrahlung spielen höhere Erzeugungskapazitäten noch ihren Vorteil aus, da sie dann auch mit geringer Einstrahlung noch bedarfsdeckend produzieren, wo sie sonst bereits im Bereich des nicht mehr nutzbaren Überschusses wären. Dies ist sehr wichtig mit Bezug auf die Kapazitätsauslegung für die sonnenarme Jahreszeit.
Für Windstrom sind sowohl der Zusammenhang zwischen Erzeugungskapazität und nutzbarem Ertrag als auch die abzuleitenden Folgerungen grundsätzlich gleichlautend wie für Solarstrom, lediglich die zeitlichen Abläufe unterliegen einer anderen Rhythmisierung.

Zur Bedarfsdeckung in der Nacht (oder, um Windstrom wieder mit in die Perspektive zu nehmen, in Phasen mit zu wenig oder ohne Wind) trägt keine Erzeugungskapazität etwas bei. Genau darin liegt das Problem der fehlenden Grundlastfähigkeit von Solar- und Windstromanlagen, und es lässt sich mit keinem denkbaren Kapazitätsausbau lösen – aus prinzipiellen Gründen, wie gezeigt werden konnte.
Der Netzausbau, der hier oft als einzige „Lösung“ angegeben wird, ist zwar nötig zur räumlichen Verbindung von Angebot und Nachfrage und insoweit durchaus erforderlich. Zur Herstellung der zeitlichen Kongruenz jedoch, also der Schaffung einer zeitlichen Überdeckung von Angebot und Nachfrage und damit der Grundlastfähigkeit, trägt er alleine nicht bei.

Die einzige Möglichkeit zur Herstellung der Grundlastfähigkeit besteht darin, die überschüssige Erzeugung zu speichern und dann wieder abzugeben, wenn keine (ausreichende) Erzeugung stattfinden kannn. Dies betrifft sowohl Kurzzeitspeicher für den Tag-Nacht-Zyklus als auch Langzeitspeicher (z.B. Wassserstoff) für den jahreszeitlichen Ausgleich. Die Systematik ist skalierbar, sie gilt also im Grundsatz für kleine lokale Systeme (einzelnes Haus, Gemeinde) ebenso wie für das Versorgungsnetz im großen nationalen Maßstab.

Aus meiner Sicht ergeben sich folgende Thesen für die Auslegung eines Gesamtsystems von Solar- und Windstrom:

• Ausbau der Erzeugerkapazitäten so, dass in der ertragsarmen Jahreszeit im Schnitt ein relevanter Beitrag zur Grundlast möglich ist
• quantitativer Maßstab für Punkt eins ist, dass die Überschüsse der ertragsreichen Jahreszeit im Langzeitspeicher gespeichert zur Deckung des größten Teils des Bedarfs der ertragsarmen Jahreszeit ausreichen, wobei wirkungsgradbedingte Wandlungsverluste zu berücksichtigen sind
• Dimensionierung der Kurzzeitspeicher (jeweils pro Erzeugeranlage) so, dass mindestens der gesamte Tagesertrag abzüglich Direkteinspeisung gespeichert werden kann

Alleine der letzte Punkt stellt bereits eine vollkommene aktive Netzdienlichkeit her und ist zudem am leichtesten als erster Schritt zu realisieren. Gleichzeitig würde er die Erträge ad hoc erheblich steigern und Abregelungen und teuren Redispatch sowie die Volatilität insgesamt reduzieren. Die in nicht ausreichender Zahl vorhandenen Netzanschlusspunkte könnten viel besser genutzt werden, da sie für eine Erzeugeranlage mit Speicher nur noch für den Bereich etwa der Durchschnittsleistung und nicht mehr für die Maximalleistung ausgelegt sein müssten. Der Schaffung von Ausbaukapazitäten wären damit ganz neue Möglichkeiten eröffnet. Konventionelle (Spitzenlast-)Kraftwerke könnten kontinuierlicher und damit effizienter eingesetzt werden, auch deren planerische Auslegung würde sich – wie auch der daran anzupassende Netzausbau – wieder am Bedarfsdurchschnitt statt an der Bedarfsspitze orientieren, was Anzahl und Kosten dieser Systeme senken würde.