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Eine Frage der Zuverlässigkeit Der Wind weht, wo er will. Manchmal auch nicht.
Das Netz
Wenn wir die Perspektiven erneuerbarer Energien realistisch einschätzen wollen, müssen wir zuerst einige physikalische und technische Grundlagen klären. Nötig ist das deshalb, weil Naturgesetze nicht verhandelbar sind.
Elektroenergie wird an einigen Punkten erzeugt und an anderen Punkten verbraucht. Diese Punkte sind durch ein Stromnetz verbunden. Das Netz kann die Energie nur transportieren. Es speichert keinen nennenswerten Anteil davon. Die von den Erzeugern eingespeiste Energie muss deshalb zum gleichen Zeitpunkt von den Verbrauchern entnommen werden. Umgekehrt muss die von den Verbrauchern benötigte Energie zum gleichen Zeitpunkt von den Erzeugern bereitgestellt werden. Ich möchte hoffen, dass diese Dinge soweit inzwischen allen Spitzenpolitikern klar sind, auch denjenigen der Grünen. Weil Spitzenpolitiker Entscheidungen im Energiebereich treffen, hängt von solchem Verständnis die Zukunft der Gesellschaft ab.
Während das Netz keine Energie speichern kann, verliert es doch welche. Der Übertragungsverlust wird mit steigender Spannung geringer. Die meisten Erzeuger produzieren Wechselstrom und die meisten Verbraucher benötigen Wechselstrom. Aus diesen Gründen wird Strom derzeit fast ausschließlich mit Hochspannungs-Drehstrom-Leitungen transportiert. Diese verlieren etwa 10% der Leistung über 900 Kilometer. Um zu veranschaulichen, was das bedeutet, betrachten wir den Ersatz eines Braunkohlekraftwerks in Schwarze Pumpe (Lausitz, nahe Berlin) durch ein Solarkraftwerk in der Sahara. Die Entfernung beträgt etwas mehr als 9000 Kilometer. Der Anteil der Energie, die über diese Entfernung noch ankommt, ist die zehnte Potenz von 0,9. Das sind etwa 35%. Das Solarkraftwerk müsste also etwa die dreifache Menge an Strom erzeugen, die das stillzulegende Braunkohlekraftwerk erzeugt. Wegen der Infrastruktur- und Transportkosten würde sich der Strompreis mehr als vervierfachen. Über so lange Strecken lohnt es sich allerdings, Gleichstrom zu transportieren und ihn dann in Wechselstrom umzuwandeln. Der Verlust kann so im günstigsten Fall bis auf 3% je 1000 Kilometer verringert werden. Zusätzlich fällt dann ein einmaliger Umwandlungsverlust von etwa 3% an. Diese Technologie wird beispielsweise zur Verbindung einiger Offshore-Windparks mit dem Festland eingesetzt. In unserem Beispiel kämen so etwa 73% der in der Sahara erzeugten Elektroenergie in Schwarze Pumpe an. Demgegenüber ist eine Umwandlung in andere Energieträger für den Transport nicht konkurrenzfähig.
In einer langfristigen Strategie ist ein Transport von Elektroenergie über lange Distanzen eine mögliche Lösung. Sie würde wohl etwa zu einer Verdopplung des Strompreises führen (plus Inflation). Kurz- und mittelfristig gilt das allerdings nicht. Selbst nach einer politischen Entscheidung und internationalen Einigung würde der Aufbau einer solchen Infrastruktur mehr als ein Jahrzehnt beanspruchen. Wenn wir zunächst über einen Zeithorizont bis 2035 sprechen, können wir uns auf regionale Lösungen mit Transportwegen unter etwa 1000 Kilometern beschränken.
Energieerzeuger
Zunächst betrachten wir die Situation ohne Speicherung von elektrischer Energie. Dann muss immer noch alle Energie, die zu einem Zeitpunkt verbraucht wird, zum gleichen Zeitpunkt erzeugt werden. Deshalb sind Energieerzeuger attraktiv, deren Produktion dem Bedarf angepasst werden kann. Das ist für alle Kraftwerke gegeben, die fossile Energieträger verwenden. Auch Atomkraftwerke können das. Wasserkraftwerke können es, solange die Kapazität des oberen Stausees ausreicht. Bei den am meisten diskutierten erneuerbaren Energien, Solarstrom und Windkraft, kann hingegen in nur eine Richtung gesteuert werden. Eine Überproduktion lässt sich verhindern, indem man die Anlage abschaltet. Wenn aber der Lichteinfall zu gering ist oder eine Flaute herrscht, muss der Bedarf durch andere Energieerzeuger gedeckt werden.
Hat man keine hinreichend großen Speicherkapazitäten, so folgt daraus eine harte Wachstumsgrenze für diese erneuerbaren Energien. Es muss eine ausreichend hohe Kapazität an anderen Energieerzeugern vorgehalten werden, um den Bedarf auch dann noch decken zu können, wenn die Erzeugung von Solar- und Windenergie am Geringsten ist. Die anderen Energieerzeuger müssen dafür schnell genug hochgefahren werden können.
Die Solarkraft unterliegt einer Tag-/Nacht-Schwankung, einer witterungsbedingten Schwankung über mehrere Tage und in Mitteleuropa auch einer saisonalen Schwankung. Die Windkraft unterliegt ebenfalls der witterungsbedingten Schwankung über mehrere Tage und saisonalen Schwankungen. All diese Schwankungen muss der Mix anderer Energieerzeuger abfangen können. Der oben dargestellte Überblick über die vergangenen 31 Tage zeigt, dass vor allem die konventionellen Kraftwerke den Tagesgang und Wochengang im Energiebedarf ausgleichen.
Betrachtet man die Entwicklung über ein ganzes Jahr, so erkennt man extreme Schwankungen in der Erzeugung erneuerbarer Energien, die oft auch schlagartig eintreten. Schnelle Einbrüche lassen sich besonders günstig mit Gaskraftwerken abfangen. Die deutsche Energiestrategie sah deshalb den Ausbau der Kapazität an Gaskraftwerken vor, um die steigende Fluktuation beim Ausbau erneuerbarer Energien zu kompensieren. Nur mit dieser Kompensation konnte main einen sehr hohen Anteil erneuerbarer Energien in kurzer Zeit anpeilen, ohne die Netzstabilität zu gefährden. Die Politiker haben der Bevölkerung noch nicht erklärt, dass diese Strategie am 24. Februar 2022 hinfällig geworden ist.
Beim Blick auf den Jahresgang stellt man fest, dass die Produktionsmenge erneuerbarer Energien nicht planbar ist. Das Wetter kann man nicht für die nächsten zwei Wochen vorhersagen. Genauso wenig kann man die Produktionsmenge erneuerbarer Energien für die nächsten zwei Wochen vorhersagen. Die Gründe sind die gleichen. Aus der Sicht eines Netzbetreibers sind Solarstrom und Windkraft vor allem unzuverlässig.
Energiespeicherung
Die Tagesschwankungen, Wochenschwankungen und Spitzen im Strombedarf waren bereits lange vor dem Aufkommen erneuerbarer Energien ein Problem. Ihnen durch eine Steuerung der Energieerzeugung zu begegnen, war mit konventionellen Kraftwerken möglich. Allerdings war das mit erheblichen Kosten verbunden. Deshalb wurde bereits sehr früh über Speicherlösungen nachgedacht.
Die klassische Lösung ist das Pumpspeicherwerk. Wenn die Energieproduktion den Bedarf übersteigt, verwendet man den Überschuss, um Wasser von einem unteren in einen oberen Stausee zu pumpen. Auf diese Art wandelt man die elektrische Energie in potentielle Energie um. Diese ist verlustarm und billig speicherbar. Wenn umgekehrt der Bedarf die Energieproduktion übersteigt, lässt man das Wasser wieder vom oberen in den unteren Stausee laufen. Dabei treibt es eine Turbine an, die elektrischen Strom erzeugt.
Diese Lösung ist nahezu perfekt, aber ihre Kapazität ist beschränkt. Man benötigt geografische Gegebenheiten, welche die Anlage nahe beeinander gelegener oberer und unterer Stauseen erlauben. Zudem muss der Höhenunterschied ausreichen, damit sich die Investition lohnt. Im Großen und Ganzen ist diese Lösung in Deutschland und der Schweiz inzwischen ausgereizt. Die deutsche Maximalleistung beträgt etwa 7 GW bei einer Kapazität von etwa 40 GWh. Diese Zahlen stammen von der deutschen Wikipedia und aus dem Jahr 2010. Angesichts der ständigen Diskussion über erneuerbare Energien ist es bezeichnend, dass aktuelle Information schwer auffindbar ist. Die Deutsche Energie-Agentur gibt 6.7 GW installierte Leistung an, mit der 9.6 GW Netto-Nenn-Leistung bereitgestellt werden könnten. Vergleicht man diese Zahlen mit den Abbildungen oben, so wird ersichtlich, dass Pumpspeicherwerke nur etwa 10% der deutschen Spitzenlast abdecken können. Deutlich wird auch, dass bereits beim jetzigen Ausbaustand der erneuerbaren Energien deren Erzeugung viel stärker schwankt als um 7-10 GW. Interessant ist noch eine andere Zahl, die sich ebenfalls bei der Deutschen-Energie-Agentur findet: 99% der weltweiten Stromspeicherkapazität wird derzeit von Pumpspeicherwerken bereitgestellt. Diese Technologie hat praktisch ein Monopol.
Ohne eine Einführung anderer Speichertechnologien in großem Maßstab können bestehende konventionelle Kraftwerke nicht durch Anlagen gleicher Leistung auf der Basis erneuerbarer Energie ersetzt werden. Aus der Jahresgrafik wird ersichtlich, dass mehr als die dreifache Leistung an erneuerbaren Energien installiert werden müsste, um eines der zuverlässigen konventionellen Kraftwerke zu ersetzen. Diese Einschätzung ist vermutlich etwas zu optimistisch. Die bereits für die Solar- und Windstromerzeugung genutzten Standorte dürften im Durchschnitt günstiger sein als diejenigen, die in Zukunft erschlossen werden können. Bezüglich des Abschaltens von Atomkraftwerken und Kohlekraftwerken folgt daraus, dass die meisten durch andere konventionelle Kraftwerke ersetzt werden müssen. Diese neuen konventionellen Kraftwerke werden im Durchschnitt mit niedriger Kapazität laufen und daher teuer produzieren. Sie werden aber unbedingt benötigt, wenn es bei Flaute im Winter nicht zu Stromausfällen kommen soll.
Neue Speichertechnologien
Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG-Gesetz) ist in Deutschland in seiner ersten Version im Jahr 2000 in Kraft getreten. Bezieht man seinen Vorläufer mit ein, das Stromeinspeisungsgesetz vom 7.12.1990, so ist der Ausbau erneuerbarer Energien in Deutschland seit über 30 Jahren ein politisches Desiderat. Mindestens ebenso lange ist bekannt, dass Solar- und Windenergie unzuverlässig sind, dass also ein weitgehender Übergang zu erneuerbaren Energien nur mit hoher Energiespeicherkapazität möglich sein wird. Mindestens ebenso lange gibt es Forschungs- und Entwicklungsbestrebungen in diese Richtung. Was ist dabei bisher herausgekommen? Wenig.
Der aktuelle Stand lässt sich auf einer Seite kurz zusammenfassen, wahrscheinlich auch in wenigen Sätzen. Außer Pumpspeicherwerken ist keine Technologie auch nur einigermaßen wirtschaftlich und auf große Kapazitäten skalierbar. In Batteriespeicher ist auch aus anderen Gründen erheblicher Entwicklungsaufwand gesteckt worden. Die meisten Batterietechnologien sind daher bereits ausgereizt. Oft wird die Wirtschaftlichkeit von Batteriespeichern am Beispiel von Privathaushalten diskutiert, die selbst Solarstrom produzieren und diesen entweder einspeisen oder speichern. In diesem Fall ist die Speicherung bereits unwirtschaftlich, allerdings nicht um einen hohen Faktor. Die Bezugsgröße ist dabei die Differenz zwischen dem Strompreis für Privathaushalte von 0.32 €/kWh und der Einspeisevergütung von 0.08 €/kWh. Wenn Strom einen Preis von 0.24 €/kWh hätte, wäre Batteriespeicherung also immer noch unwirtschaftlich. An der Börse liegt der Strompreis bei um die 0.2 €/kWh.
Der weltweit größte netzintegrierte Batteriespeicher soll in Kupferzell (Baden-Württemberg) von der Fluence AG für den Übertragungsnetzbetreiber Transnet AG errichtet werden. Erstaunlicherweise war das Genehmigungsverfahren schwierig. Der Speicher soll eine Größe von 250 MWh (wie etwa 2500 der größten verfügbaren E-Auto-Batterien) haben und hat ein Investitionsvolumen von rund 200 Millionen Euro. Die Lösung ist allerdings nicht geeignet, um Schwankungen der Erzeugung über Wochen oder gar saisonal auszugleichen, sondern nur über Minuten oder Stunden.
Realistisch ist eigentlich nur eine chemische Speicherung in Form von Wasserstoff oder in Form synthetischer Treibstoffe. Für die Schweiz ergibt eine Überschlagsrechnung einen Bedarf von 116 Quadratmetern Solarfläche pro Kopf der Bevölkerung (unrealistisch) und einen Tag-Nacht-Speicher von 57 kWh/Kopf (um die 500 Schweizer Franken). Die Energiekosten würden dabei auf etwa das Anderthalbfache steigen (plus Inflation). Auf einen weiteren Haken an diesem Szenario komme ich weiter unten zu sprechen.
Heizenergie
Selbst wenn die Erderwärmung sehr viel schneller voranschreitet als erwartet, wird auch im Winter 2049/2050 in Deutschland und der Schweiz noch ein erheblicher Bedarf an Heizenergie bestehen. Das Leben hat sich auf diesem Planeten entwickelt als er viel wärmer war als heute. Die Evolution hat befunden, dass die optimale Temperatur für das Funktionieren eines menschlichen Organismus bei etwa 37°C liegt. Der Unterschied zur Außentemperatur wird zum Teil dadurch ausgeglichen, dass biochemische Prozesse Wärme erzeugen. Diese stammt aus der in Nahrungsmitteln enthaltenen Energie. Die optimale Umgebungstemperatur liegt für den menschlichen Körper bei etwa 20 bis 25°C. Ist sie geringer, so steigt der Energiebedarf des menschlichen Körpers – er heizt zusätzlich von innen. Dieses Heizen mit Nahrungskalorien ist keine ökologisch sinnvolle Lösung.
In Deutschland beträgt der Jahresbedarf an Heizenergie etwa 2000 Petajoule bei einem Gesamtenergieverbrauch des Landes von 2500 TWh. Die Heizenergie macht damit etwa 22% des gesamten Energieverbrauchs aus. Will man sie unter Verzicht auf fossile Energieträger bereitstellen, so steigt der Elektroenergiebedarf in den Monaten Dezember-Februar, in denen etwa 50% der Heizenergie verbraucht wird, um etwa 50%. Da in diesen Monaten nicht mehr, sondern weniger erneuerbare Energie erzeugt wird, müsste die nötige Heizenergie im Sommer erzeugt und gespeichert werden. In Schweizer Modellrechnungen erschien nur eine Untergrundspeicherung von Wasserstoff (25 Gotthard-Tunnel voll Wasserstoff bei 200fachem Atmosphärendruck) oder eine Speicherung in Form synthetischer Flüssigtreibstoffe annähernd realistisch. Dass man bis 2035 oder auch 2050 Wasserstoffspeicher im benötigten Umfang bauen wird, ist schon in der Schweiz ausgeschlossen, geschweige denn in Deutschland. Eine Umstellung auf synthetischen Flüssigkraftstoff ist zumindest bis 2035 ebenfalls unrealistisch. Zudem würden sich dadurch nach der Schweizer Modellrechnung die Energiekosten nicht auf das Anderthalb- sondern auf das Dreifache erhöhen.
Fazit
Eine CO2-neutrale Energieerzeugung bzw. einen kompletten Übergang zu erneuerbaren Energien wird es in der Schweiz, in Deutschland und in der EU weder bis 2035 noch bis 2050 geben. Die Technologien dafür stehen nicht zur Verfügung und können auch nicht so schnell für den nötigen Maßstab entwickelt werden. Selbst wenn es sie gäbe, könnten die Planungen, Genehmigungen und Investitionen nicht schnell genug erfolgen. Die zu erwartenden Preissteigerungen dürften politisch auch kaum durchsetzbar sein.
Ist das ein Problem? Man kann natürlich der Meinung sein, dass wir den CO2-Ausstoß unbedingt schnell drastisch verringern müssen, um die weitere Erderwärmung zu bremsen. Man kann aber auch der Meinung sein, dass dieser Planet zur Versorgung von perspektivisch 10 Milliarden Menschen zu kalt ist und nicht zu warm. Wenn man letzterer Meinung ist, favorisiert man eine Anpassung an die Erderwärmung anstelle einer Vermeidung.
Tatsächlich handelt es sich dabei nur um Meinungen. Wollte man auf wissenschaftlicher Basis feststellen, ob eine davon richtig ist und die andere falsch, dann müsste man Folgendes tun. Die für die Vermeidungsstrategie nötigen Ressourcen und die damit verbundenen indirekten Kosten und gesellschaftlichen Verwerfungen müsste man den nötigen Ressourcen, indirekten Kosten und Verwerfungen in der Anpassungsstrategie gegenüberstellen. Einen seriösen Vergleich dieser Art kann derzeit niemand leisten. Insofern ist die Entscheidung zwischen den beiden Meinungen eine Frage von Ideologie oder Glauben, nicht das Ergebnis einer rationalen Überlegung. In westlichen Ländern neigt die herrschende Ideologie zur Vermeidung. Böse Zungen behaupten, dass man hier das größere Absatzmarktpotential sieht.
In der Praxis scheitern allerdings viele Vermeidungsansätze oder leisten doch zumindest nicht annähernd das, was man von ihnen erwartet hatte. Im Jahr 2021 wurden in Deutschland 19.7% des Endenergieverbrauchs (Strom, Wärme, Verkehr) durch erneuerbare Energien abgedeckt. Laut den EU-Klimazielen soll dieser Anteil 2030 jedoch bereits 32% betragen. Das würde eine erhebliche Beschleunigung der Umstellung erfordern. Es wird nicht stattfinden.
Zu erwarten ist auch im Westen ein Mix aus Vermeidung und Anpassung, der sich in den nächsten Jahren eher in Richtung Anpassung verschieben wird. Die mediale Begleitung wird indessen noch lauter nach Vermeidung schreien.