Technisch und physikalisch nicht vorgebildete Laien wie etwa Claudia Kemfert (siehe hier) und andere in der Sache unkundige Lobbyisten und Politiker behaupten regelmäßig, die allfälligen Stromexporte würden durch mit Braunkohlenstrom „verstopfte“ Stromleitungen verursacht.
Besser eine starke Behauptung als ein schwacher Beweis scheint die Maxime jener Damen und Herren zu sein, die Herrn Steinmeiers Klagen volle Berechtigung geben.
In der Tat ist die gebetsmühlenartig wiederholte These als kontrafaktisch zu erkennen:
Fehlende Korrelation der Stromexporte mit der Stromproduktion aus Braunkohle.
Bei genauem Hinsehen zeigt sich, dass nicht einmal die jährlichen Stromexporte mit der Produktion aus Braunkohlenstrom korrelieren: Während die Stromproduktion aus Braunkohle zwischen 1990 und 2014 unverändert geblieben ist, sind die Exporte gestiegen. Und weil es eine solche Korrelation nicht gibt, gibt es auch keinen kausalen Zusammenhang zwischen dem Stromexport und dem Strom aus Braunkohlekraftwerken.
Für das Niveau dieser Diskussion hat Herr Cem Özemir bereits 2011 ein trauriges Beispiel abgegeben, als er in seiner vollmundigen Erklärung wiederholt Gigabyte und Gigawatt verwechselt hat.
Das Niveau der Strompreise ist seither massiv gestiegen, das der Debatte leider kaum.
Um Abilfe zu schaffen, haben Dr.-Ing. Detlef Ahlborn und Professor Hans Jacobi im Herbst 2016 die Zusammenhänge zwischen Rekordmeldungen um “erneuerbare Energien” und der Entwicklung von Versorgungssicherheit, Stromexporten und Strompreisen
mit statistischen Methoden genauer untersucht.
Die Resultate sind so erhellend wie erschreckend: Die zufallsgesteuerte Stromproduktion aus Wind- und Solaranlagen erzwingt, dass ein Drittel dieses Stroms im Ausland entsorgt werden muss. Die ebenso kühne These, die sogenannten erneuerbaren Energien wären mit 30% am Stromverbrauch beteiligt, erweist sich als Makulatur.
Zwei Stromerzeugungssysteme kollidieren | ||
2015 war ein Rekordjahr für die Produzenten von Solar- und Windstrom. Es war vor allem ein „gutes Windjahr“. Nie zuvor wurde in Deutschland so viel Strom aus Wind und Sonne erzeugt. In der Summe waren es 125 TWh. Gemessen am Stromverbrauch liegt der Anteil des in Deutschland produzierten Wind- und Sonnenstroms damit bei 19,3%. Diese Zahl wurde von der Presse und der Erneuerbare Energien (EE) – Lobby gefeiert. Es wurde der Eindruck erweckt, die EE (Wind, Sonne, Biogas, Wasserkraft, Hausmüll und Sonstige) hätten damit tatsächlich 30 % zur Versorgung in Deutschland beigetragen. Doch das ist nicht der Fall. | ||
Rekorde und Nebenwirkungen | ||
Es wurden zwar Rekordmengen an Strom produziert, aber nicht im Lande verbraucht, sondern in großen Mengen ins angrenzende Ausland exportiert. Die Diskussion darüber, ob es sich bei den Exporten um Kohlestrom oder EE-Strom handelt, ist müßig. Auch der Hinweis darauf, dass der EE-Strom bei der Börse zu Grenzkosten von Null hereingenommen wird, führt an den eigentlichen Problemen vorbei. Unabhängig vom aktuellen Börsenpreis zahlt der Kunde immer den durch das EEG garantierten Strompreis, geht der Preis bei Überproduktion ins Negative, kommen diese Kosten noch hinzu. Kernproblem sind die immer größer werdenden Schwankungen der EE-Stromproduktion, die von den vorhandenen thermischen Kraftwerken vor allem aus physikalischen und technischen Gründen nicht mehr kompensiert werden können. Im Netz ist der Strom aus EE-Anlagen ein Unruhestifter, dessen Schwankungen ohne die erforderlichen Speicher nicht mehr beherrschbar sind. Mit der Rekordproduktion an EE-Strom stiegen in 2015 auch die Kosten für die Notmaßnahmen zur Verhinderung eines Netzzusammenbruchs: So schrieb DER SPIEGEL am 17. Januar, dass die Eingriffe zur Abwehr eines größeren Stromausfalls im vergangenen Jahr zu Rekordkosten von etwa einer Milliarde Euro geführt haben. Über die Netzentgelte gehen diese Kosten zu Lasten der Verbraucher. Unsere Nachbarn errichten Stromsperren an ihren Grenzen, um die eigenen Netze vor unserem Überschussstrom zu schützen. Die erforderlichen Phasenschiebertransformatoren lassen sie sich ebenfalls vom deutschen Stromkunden bezahlen. Kosten für die Verbraucher: 200 Millionen Euro. | ||
Der Kern des Problems und seine Hintergründe | ||
Dieses Debakel ergibt sich aus fundamentalen technischen und physikalischen Zusammenhängen und schon vor Jahren wurde davor gewarnt: In einer Untersuchung [1] hat das ISE Fraunhofer Institut in Freiburg schon im August 2013 davor gewarnt, dass ein weiterer Ausbau der erneuerbaren Energien zu anwachsenden Exportüberschüssen und zu länger andauernden Zeiten mit niedrigen oder gar negativen Börsenpreisen und zu einem langfristig unüberwindbaren Systemkonflikt führen wird. Aus Sätzen der mathematischen Statistik wurde bereits im Jahre 2014 abgeleitet, dass die Leistungsspitzen durch den Ausbau der Windkraft weiter ansteigen und die bekannten Probleme wie Überstromproduktion und Negativpreise an der Börse weiter verschärfen werden [2]. Der Konflikt entsteht durch zwei voneinander unabhängige Stromerzeugungssysteme in Deutschland:
Zum konventionellen Stromerzeugungssystem kann auch die Biogasanlagen zählen. Diese lassen sich kontinuierlich betreiben und gehören damit auch zu den regelbaren Stromerzeugern. Die konventionellen Anlagen lassen sich bedarfsgerecht betreiben. Aufgrund der Regelbarkeit der Kraftwerke folgt die Stromproduktion auf die Millisekunde genau dem Bedarf. Dieser momentane Ausgleich von Nachfrage und Erzeugung ist die physikalische Grundbedingung für ein stabiles Stromnetz.
Die Windausbeute hängt von den Wetterbedingungen ab. Wind- und Sonnenstrom sind daher in hohem Maße volatil. Bedarfsgerechte Stromerzeugung ist mit diesem System physikalisch nicht möglich. Die Kombination aus Wind- und Sonnenstrom verursachen für das konventionelle Versorgungssystem unterschiedlich schwierige und unterschiedlich teure Regelsituationen: Der einfachste und kostengünstigste Fall ist Windstille bei Nacht. Dann liegt der Regelungsbedarf bei Null. Der teuerste Fall ist viel Wind (beispielsweise bei einer Ost-Wetterlage) und tagsüber ein hohes Angebot an Solarstrom. Hier müssen konventionelle Kraftwerke vormittags schnell abgeregelt und nachmittags genauso schnell wieder heraufgeregelt werden. Nur so können Netzausfälle vermieden werden. Die Volatilität von Wind- und Sonnenstrom ist das bisher ungelöste Kernproblem der Energiewende. Liegt die Lösung in noch mehr Windrädern?  Tabelle 1: Statistische Kennzahlen Windkraft Ein Blick auf statistische Kennzahlen bringt Klarheit: Die Standardabweichung – ein Maß für die Volatilität – hat von 2010 bis 2015 gleichzeitig mit dem Anstieg der installierten Wind- und Sonnenleistung zu- und nicht etwa abgenommen. Offensichtlich erhöhen noch mehr Windräder lediglich die Spitzenerzeugung, ohne eine sichere Grundlast zur Verfügung stellen zu können. Eine sichere und unterbrechungsfreie Stromversorgung ist unabhängig von der Anzahl der Wind- und Sonnenkraftwerke nicht möglich. Einen Ausgleich der Erzeugung zu einer sicher zur Verfügung stehenden Leistung durch noch mehr Windkraftanlagen (WKA) gibt es in Deutschland nicht. Dies ist inzwischen hinreichend belegt [3], obgleich Studien zu erneuerbaren Energien immer wieder das Gegenteil behaupten und damit die Politik zu nachweisbar falschen Entscheidungen drängen. Strom aus Wind und Sonne hat gemäß Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) Vorrang in den Netzen und wird von der Börse zu Grenzkosten von Null hereingenommen. Dadurch ist das volatile und für den Stromverbraucher teure Stromerzeugungssystem gegenüber dem konventionellen System bevorzugt. Das bedeutet in letzter Konsequenz, dass die konventionellen Kraftwerke bei Nacht und Windstille die gesamte nachgefragte Leistung decken können müssen – und dies unabhängig von der Anzahl der installierten WKA. Die gesamte Sonnen- und Windleistung muss zu 100 % der nachgefragten Leistung ausreichend schnell durch regelbare Kraftwerke ersetzbar sein. Die maximale Residuallast - die Differenz zwischen der benötigten Leistung und der Leistung, die die nicht regelbaren Wind- und Sonnenkraftwerke erbringen, – beträgt in diesem Fall 100% der nachgefragten Leistung. | ||
Die minimale “Residuallast” – Grenze der Belastbarkeit | ||
Wenn ausreichend Sonnen- und Windleistung vorhanden ist, müssen die konventionellen Kraftwerke den Schwankungen der Wind- und Sonnenstromerzeugung schnell folgen und soweit heruntergefahren werden, wie dies technisch und wirtschaftlich vertretbar ist. Diese Schwelle bestimmt die mögliche minimale Residuallast, auf die die konventionellen Kraftwerke heruntergefahren werden können, ohne dass sie die Fähigkeit verlieren, bei Nachlassen von Wind und Sonne die Leistung kurzfristig wieder herauf geregelt zu werden. Welche Residuallast darf also nicht unterschritten werden? Zur Erinnerung: es sind bereits 85 GW Wind- und Sonnenleistung installiert. Als Maximalwert wurden bisher im Rahmen des Netzmanagements 50 % der Nennleistung zugelassen. Das sind etwa 42 GW. Bei weiterem Ausbau der Windenergie wird zumindest in Schwachlastzeiten sehr bald mit negativen Residuallasten zu rechnen sein, d.h. es kann theoretisch mehr EE-Strom produziert als verbraucht werden. Eine Prognos-Studie [4] geht davon aus, dass als Folge eines weiteren Ausbaus von Sonnen- und Windkraft in 2030 an ca. 1100 Stunden eine negative Residuallast anfallen wird:
Das Kernproblem der Energiewende ist die bedarfsgerechte Bereitstellung der Residuallast. Wie weit und wie schnell kann man die vorhandenen Kraftwerke auf- und abregeln und sind die Kraftwerke dann überhaupt noch wirtschaftlich zu betreiben? Für die Ermittlung der minimal zulässigen Residuallast sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:
Die Leistungsänderung erfolgt in einem technisch bestimmten Leistungsspektrum – nämlich zwischen der minimalen – und technisch sinnvollen – im Normalbetrieb fahrbaren Leistung und der (maximalen) Nennleistung des Kraftwerks.  Tabelle 2 Leistungskennwerte von Kraftwerken [5] Thermische Kraftwerke lassen sich schnell auf ca. 40 % ihrer Nennleistung herunterfahren. Zur Deckung der stark schwankenden Residuallast nutzt man die Regelkraftwerke, nämlich Pumpspeicher-Kraftwerke, Gasturbinen- (soweit verfügbar) und Steinkohlekraftwerke. KKWs sind aus wirtschaftlichen Gründen zunächst nicht für die Regelreserve geeignet. Nach Abschaltung der verbliebenen 8 KKWs in 5 Jahren stehen diese ohnehin nicht mehr zur Verfügung. Unterstellt man eine Mindestleistung von 40 % für einen gesicherten Betrieb, kann man die Produktion aus o.a. Kraftwerken auf ca. 20 GW absenken. Dabei sind KKWs und Laufwasserkraftwerke nicht berücksichtigt. Danach sind etwa 25 bis 30 GW die Mindestleistung, auf die man die konventionelle Erzeugung absenken kann, ohne Kraftwerke komplett „kalt“ fahren zu müssen. Ein Kaltstart dauert bei Gaskraftwerken min. 30 min. Bei einem Kohlekraftwerk dauert ein Kaltstart hingegen 7 bis 15 Stunden. Ein weiterer fundamentaler Grund, der eine Mindesteinspeisung konventioneller Kraftwerke erfordert, ist die Aufrechterhaltung der Systemstabilität, da Erzeugung und Verbrauch sich zu jedem Zeitpunkt in einem stabilen Gleichgewicht befinden müssen. Ein Abweichen von diesem Gleichgewicht äußert sich in einer Änderung der Frequenz (ein Überangebot führt zu Frequenzanstieg und ein Mangel zu Frequenzabfall). Dieses stabile Gleichgewicht wird durch die kinetische Energie der Turbogeneratoren gewährleistet, die im Netz als Kurzzeitspeicher wirken. Bereits bei einer Frequenzänderung von 0,01 Hz wird zu Maßnahmen der Primärregelung gegriffen. Zu Abweichungen gegenüber dem geplanten Gleichgewicht kann es kommen, da es Prognosefehler bei der Last und bei der Windeinspeisung geben kann und konventionelle Kraftwerke ungeplant vom Netz gehen können. Dann sind sogenannte Redispatch Maßnahmen erforderlich. Hierzu die Erklärung von Amprion [6]:
Die Übertragungsnetzbetreiber haben in einer Studie zur Ermittlung der Mindesterzeugung des konventionellen Kraftwerkparks folgende Ergebnisse veröffentlicht [7]:
PV-Anlagen und Windkraftanlagen verfügen nicht über Schwungmassen. Diese müssen auch in Zeiten hoher Wind- und Sonnenstromausbeute von konventionellen Kraftwerken bereitgestellt werden. Aus diesen Gründen darf die Residuallast nicht nennenswert unter 20 GW sinken. Das hat zur Folge, dass auch und gerade in Schwachlastzeiten bei hohem Aufkommen an Sonnen- und Windstrom konventionelle Kraftwerke zur Stabilisierung der Netze in Betrieb gehalten werden müssen, will man die Netzstabilität nicht gefährden. Daraus ergibt sich, dass überschüssiger EE-Strom exportiert oder abgeregelt werden muss. Um teure Exporte zu vermeiden, müssen Windkraft- und Solaranlagen abgeregelt werden. Es gibt also einen kausalen Zusammenhang zwischen der Überproduktion von EE-Strom und den Stromexporten. Das deutsche Stromnetz ist also aus Gründen der Systemstabilität schon heute nicht mehr in der Lage, die Erzeugungsspitzen aus EE-Strom in vollem Umfang aufzunehmen.  Abbildung 1 Stromexporte zwischen 2010 und 2015 [8] In der Tat haben sich die Exportmengen seit 2010 nahezu verdoppelt. Bevorzugte Exportländer sind Österreich, Niederlande und Belgien. Eine Reduzierung der Leistung unter 25 GW ist technisch und wirtschaftlich nicht möglich. Der in der Folge entstehende Überschussstrom muss in ausländische Netze geleitet werden. Ein typisches Beispiel ist die 45. Woche 2015.  Abbildung 2: Last und Stromerzeugung in KW 45 2015 Am Sonntag, den 8. November 2015 betrug die EE-Stromproduktion um 00:00 Uhr knapp 26 GW, die nachgefragte Last 42 GW. Die Residuallast wurde aber nicht auf die eigentlich erforderlichen 16 GW gedrosselt, sondern nur auf 26 GW, um genügend Schwungmasse für die Netzstabilität zur Verfügung zu stellen und um die Regelfähigkeit für den weiteren interessanten Lastverlauf des Tages zu sichern. Von 00:00 Uhr bis 02:00 Uhr gingen 10 GW in den Export. Mit steigender Nachfrage in Deutschland verringerte sich der Export auf ca. 2 GW. In der Nacht gab es wieder mehr Windstrom und um Mitternacht gingen wieder 12 GW in den Export.  Abbildung 3: Korrelation der Stromexporte mit Wind- und Solarproduktion im Februar 2015 (Stundenwerte) Wertet man die zugänglichen Daten mittels Regressionsanalysen aus, kommt man zu vergleichbaren Ergebnissen: Abbildung 3 zeigt einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der stündlichen EE-Stromproduktion und den Stromexporten: Je höher die EE-Leistung, desto höher sind die Stromexporte. Dies gilt nicht nur für die Stundenwerte, sondern auch für die summarische jährliche Stromproduktion. Die Regressionsanalyse der Jahresdaten zeigt einen signifikanten Zusammenhang zwischen EE-Stromerzeugung und ‑export (Abbildung 4). Der Regressionskoeffizient liegt mit 0.92 nur unwesentlich unter dem höchsten möglichen Wert 1. Zahlenmäßig hat das Anwachsen der EE-Stromerzeugung auf jährlich 120 TWh eine Erhöhung des Stromexports um rund 40 TWh zur Folge gehabt. Ein Drittel der EE-Stromproduktion wurde nicht in Deutschland verbraucht, sondern ins Ausland exportiert. Die verbreitete Behauptung, erneuerbare Energien hätten einen Beitrag von 30% zur deutschen Stromversorgung geleistet, hält daher einer kritischen Prüfung nicht Stand. Daher ist die EE-Stromerzeugung unter den gegebenen technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen die Ursache für den Export und für die Entsorgungsgebühren.  Abbildung 4: Zusammenhang zwischen Stromexport und Stromproduktion aus Wind- und Solarkraftwerken  Tabelle 3: Entwicklung von negativen Strompreisen In 2015 haben die abnehmenden Länder 44,2 Mio. € Entsorgungsgebühr erhalten, obwohl Windräder in zunehmendem Maße abgeschaltet wurden. Die sogenannte Ausfallarbeit [9] hat sich von 1,5 TWh in 2014 auf 3 TWh in 2015 fast verdoppelt. Ohne diesen Anstieg wären die Exportmengen und damit die Entsorgungsgebühren entsprechend höher gewesen. Folgende Gesetzmäßigkeit lässt sich ableiten: Sinkt die Residuallast unter die minimale Regelleistung, dann muss Strom exportiert werden oder die Wind- oder PV-Anlagen müssen vom Netz genommen werden. Eine weitere Schlussfolgerung: wird der vorgesehene weitere Ausbau der Sonnen- und Windkraft nicht gestoppt, muss es zu noch höheren Exporten kommen mit der Folge noch höherer Entsorgungskosten und / oder die neuen Anlagen müssen bei viel Sonne und Wind abgeschaltet werden mit der Folge noch höherer Kosten für die Ausfallarbeit. Eine im Auftrag des BMWi durchgeführte Studie [10] geht davon aus, dass es für Deutschland mit seinen „elektrischen Nachbarn“ bei weiterem Ausbau der Windkraft Ausgleichseffekte durch unterschiedlichen Lastgang und durch schwankende nationale Produktionen geben wird. Den Beweis für die Ausgleichseffekte erbringt die Studie nicht. Einen Ausgleich bei der Windkraft, und das ist hinreichend bewiesen, gibt es zwischen Deutschland und seinen „elektrischen Nachbarn“ nicht. Ein Ausgleich beim Lastgang ist höchst unwahrscheinlich: In allen europäischen Ländern beginnt der Industrietag am frühen Morgen, die Mittagspause gegen Mittag und das Ende der Produktion gegen Abend. Die Lastgangkurven sind in allen europäischen Ländern im Wesentlichen identisch.  Tabelle 4: Gleichzeitigkeitsfaktoren der Netzlasten [12] Die in Tabelle 4 dargestellten Gleichzeitigkeitsfaktoren zeigen, dass große Netzlasten in ganz Westeuropa im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt auftreten. Ein ausgebautes westeuropäisches Stromnetz kann daher keinen Ausgleich bewirken. | ||
Schlussfolgerungen | ||
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Literaturverzeichnis | ||
[1] Johannes N. Mayer, Niklas Kreifels, Bruno Burger: „Kohleverstromung zu Zeiten niedriger Börsenstrompreise“ Fraunhofer ISE, August 2013 https://www.ise.fraunhofer.de/de/downloads/pdf-files/aktuelles/kohleverstromung-zu-zeiten-niedriger-boersenstrompreise.pdf [2] Ahlborn, D.: „Korrelation der Einspeisung aus Windkraftanlagen macht Grundlastfähigkeit in Deutschland unmöglich“ in: Herbert Niederhausen, Andreas Burkert: Elektrischer Strom: Gestehung, Übertragung, Verteilung, Speicherung und Nutzung elektrischer Energie im Kontext der Energiewende Springer, Vieweg 2014 [3] Ahlborn, D.: „Glättung der Windeinspeisung durch Ausbau der Windkraft?“ in Energiewirtschaftliche Tagesfragen 65. Jg. (2015) Heft 12 S.37–39 [4] Ess, F. et al.: „Bedeutung der internationalen Wasserkraft-Speicherung für die Energiewende“ www.worldenergy.ch/file/Publikationen/Aktuell/prognos_wec_20121009.pdf [6] http://www.amprion.net/netzfrequenz [7] „Auswirkungen reduzierter Schwungmasse auf einen stabilen Netzbetrieb“ Studie im Auftrag der deutschen Übertragungsnetzbetreiber, Abschlussbericht, 20. Januar 2012 [8] Agora Energiewende Denkfabrik, BDEW Energiebilanzen [9] Bundesnetzagentur, Monitoringbericht 2015 [10] „Versorgungssicherheit in Deutschland und seinen Nachbarländern: länderübergreifendes Monitoring und Bewertung“ Consentec GmbH, r2b energy consulting GmbH 06.03.2015 Untersuchung im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie [11] Dipl.-Ing. Heribert Hauck: „Netzstabilisierung durch flexible Produktion“ Vortrag auf dem Tag der Metallurgie, Goslar, 04.03.2016 [12] Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2015 nach EnWG § 12 Abs. 4 und 5, Stand 30.09.2015 |
Die “Fachpolitiker” der Grünen und der Linken, die am 1. Juni 2016 im deutschen Bundestag anlässlich der EEG-“Reform” den schnelleren Ausbau der erneuerbaren Energien forderten, sind im Lichte dieser Tatsachen als ahnungsarme Agitatoren zu erkennen. Hier können Sie die Reden nachhören und sich ein Bild von der Kompetenz der Energiefachleute der jeweiligen Parteien machen. Frau Bulling-Schröter, vehemente Kämpferin für die Windindustrie, wäre ein Gespräch mit ihrem physikalisch gebildeten Parteikollegen Lafontaine zu empfehlen. Dem eingangs zitierten Herrn Krischer gibt die VERNUNFTKRAFT.-Physikern Dr. Julia Uwira einen Rat:
Lieber Herr Krischer,
besuchen Sie doch bitte eine Elektrodynamik-Vorlesung der Physik. Dort lernen Sie: Beim Wechselstrom “fließen” nicht die Elektronen (Driftgeschwindigkeit von Elektronen in Metallen: Zehntel mm/s), – damit “verstopft” also so gut wie jedes Elektron den metallischen Leiter/Draht, weil es verdammt langsam ist und nur um seinen Platz im Metall hin- und herschwingt – obwohl sich das Signal (z.B. Einschalten des Stromes durch Umlegen eines Schalters) mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Siehe z.B:
https://de.wikipedia.org/wiki/Driftgeschwindigkeit
http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_2/teilchenfeld/geschwelektronen.htm
