Energie

Faktencheck 1 der deutschen Energiewende

Wie gut funktioniert heute der Ersatz von Atomstrom durch Wind und Sonne in Deutschland?

Viele Schweizer Politiker behaupten, dieser Ersatz sei problemlos möglich, man müsse nur das Tempo des Ausbaus massiv erhöhen. Die konkrete Antwort auf diese Frage bekommt man mit einem Blick auf die deutsche Energiewende.
In meinem ersten Beitrag zur Energiewende habe ich die grundsätzlichen Probleme einer Atomausstiegsstrategie bereits erläutert. Nun geht es darum mit neusten Zahlen und Grafiken aus Deutschland – dem Musterland von Sonne und Wind – die dort besprochenen Thesen zu überprüfen.
Alle folgenden Grafiken sind der Website des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme entnommen. In diesen Grafiken sind die einzelnen Energieträger immer mit gleichen Farben markiert. Uns interessieren vor allem Solar = gelb, Wind = grau und Kernenergie = rot.

Vorab drei Begriffsdefinitionen, die für die nachfolgenden Untersuchungen zentral sind:
1) Nennleistung = Nettoleistung: die installierte Leistung einer Energieproduktionsanlage bei Idealbedingungen (in Gigawatt = GW, meist mit dem Zusatz e=elektrisch oder p=peak); zum Verständnis für die Grössenordnungen kann man sich die Nennleistung des KKW Gösgen von 1 GW vorstellen;
2) Einspeiseleistung: die Leistung, die zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich erbracht wird;
3) Stromproduktion: der reale Stromertrag, also die Einspeiseleistung pro Zeiteinheit, meist pro Stunde (Terawatt pro Stunde = TWh).

Schauen wir uns zuerst die Veränderungen der deutschen Stromproduktionsanlagen über die letzten 15 Jahre an. Grafik 1 zeigt die Entwicklung der Nennleistung aller Energieträger seit 2002:

Grafik 1 (Klick auf das Bild führt zu Vergrösserung)

Wie gross sind nun die aufsummierten Veränderungen der verschiedenen Energieträger über diese 15 Jahre? In der folgenden Tabelle 1 sind die genaue Zahlen für 2002 und 2016, sowie die Veränderungen in GW und in Prozent aufgeführt:

Tabelle 1: Energie-Nennleistung Deutschland 2002/2016

 2002
GW
2002
in %
2016
GW
2016
in %
Veränderung
in GW
Solar0.300.2640.2320.74+39.93
Wind11.9810.40
48.5825.04+36.60
Gas20.3017.6328.2714.57+7.97
Steinkohle28.2924.5728.3814.63+0.07
Braunkohle20.3017.6320.9010.77+0.60
Kernenergie22.4319.4810.805.57-11.63
Biomasse1.321.157.053.63+5.73
Total115.16100193.99100+78.83

Die wichtigsten Schlussfolgerungen aus Grafik 2 und Tabelle 1 sind:
– die Nennleistung des gesamten deutschen Energieparks ist innert 15 Jahren von 115 auf 194 GW um netto 79 GW (+68.5%) ausgebaut worden (dies entspricht 79 Gösgen-KKW),
– abgebaut wurde mit -12 GW die Hälfte der Kernenergie,
– zum massiven Ausbau von 91 GW haben die Neuen Erneuerbaren 83 GW beigetragen: Solar 40 GW, Wind 37 GW und Biomasse 6 GW,
– bei der fossilen Energie wurde Gas um 8 GW ausgebaut, Kohle blieb unverändert: in der Summe wurde kein Kohlekraftwerk abgestellt.

Bei einem derartigen Leistungsausbau stellt sich natürlich die Frage, ob dieser durch einen zunehmenden Stromverbrauch erforderlich wurde. Dies ist aber keineswegs der Fall: zwar stieg der Stromverbrauch von 2002 bis 2006 noch um gut 4% an, dann aber stabilisierte er sich um 540 TWh, bis er ab 2010 langsam zu sinken begann und 2015 530 TWh betrug.
Ein ab 2010 leicht sinkender Strombedarf, gekoppelt mit einem ab 2009 stark steigenden Leistungsausbau, passt aber auf den ersten Blick in keiner Weise zusammen. Was ist hier passiert?

Die Antwort auf diese Frage machen wir in zwei Schritten.
Antwort 1 erhält man, wenn man Nennleistung und Stromproduktion aller Anlagen eines Jahres in Beziehung setzt.
Als Beispiel nehmen wir die aktuellsten Werte, also das letzte abgeschlossenen Jahr 2015.
Zur Erinnerung zeigt Grafik 2 nochmals gesondert die Nennleistung der einzelnen Träger, bei denen wir uns jetzt auf Wind, Sonne und Kernenergie konzentrieren:

Grafik 2:

Wie wir bereits wissen haben Solar mit 39.33 GW (20.7% der gesamten Nennleistung) und Wind mit 44.61 GW (23.5%) eine viel grössere Nennleistung als die Kernkraft mit 10.8 GW (5.7%).
Grafik 3 zeigt nun die Netto-Stromproduktion des Jahres 2015:

Grafik 3:

Der grosse Unterschied ist augenfällig: grau (Wind) ist jetzt leicht kleiner als rot (KKW), und gelb (Solar) ist ganz abgeschlagen! Über das ganze Jahr haben Solar 36.6 TWh (6.5% der gesamten Stromproduktion), Wind 85.4 TWh (15.3%) und die KKW 87.0 TWh (15.6%) Strom produziert.

Tabelle 2 fasst Nennleistung und Stromproduktion in den Kolonnen 1 und 2 zusammen:

2015Nennleistung
GW
Stromproduktion
pro Jahr in GWh
Stromertrag pro
GW Nennleistung
Prozent von
Idealertrag
Solar39.33 36'580930 GWh10.6 %
Wind44.6185'4301'915 GWh21.9 %
Kernenergie10.8087'0708'062 GWh92 %

In Kolonne 3 ist der Stromertrag pro GW Nennleistung berechnet (Stromertrag geteilt durch Nennleistung). Da die Idealleistung einer Anlage von 1 GW 8’760 GWh beträgt (das ist der Stromertrag, der über die 8’760 Jahresstunden bei idealer Einspeiseleistung theoretisch erreicht werden könnte), kann damit in Kolonne 4 prozentual ausgedrückt werden, wie nahe die Energieträger bei diesem Ideal sind. Damit erhalten wir ein objektiv quantifiziertes
Fazit 1: Die Kernenergie hat 2015 pro GW Nennleistung fast 9 mal mehr Strom geliefert als Solar und gut 4 mal mehr als Wind. Wind produziert gut 2 mal mehr als Solar.

Nun fehlt noch eine Gesamtsicht der Netto-Stromproduktion von 2015 (Grafik 3) über Solar, Wind und Kernkraft hinaus.

In Tabelle 3 sind alle Energieträger mit ihren Anteilen an der Stromerzeugung 2015 aufgelistet:

2015Stromproduktion
in TWh
Prozent-Anteil
an Gesamtproduktion
Wasser20.543.7
Biomasse56.5710.1
Kernenergie87.0715.6
Braunkohle139.4424.9
Steinkohle103.9418.6
Gas29.955.4
Wind85.4315.3
Solar36.586.5
Totalerzeugung559.52100

Fazit 2: Der deutsche Strom von 2015 kommt zu zwei Dritteln aus fossilen und Kernkraftwerken, wobei der Kohlestrom, mit 43.5 % dominiert, und nur zu einem Drittel aus erneuerbaren Quellen (Wind und Solar = 21.8%).

Nun kommen wir zu Antwort 2 auf die Frage der Unvereinbarkeit von sinkendem Strombedarf und steigender Nennleistung.
Diese Antwort findet man erst, wenn man sich von Gesamtmengenangaben löst und nach dem zeitlichen Verlauf der Strom-Einspeisung ins Netz fragt: Wieviel haben die einzelnen Energieträger in einer bestimmten Zeiteinheit (z.B. einer Viertelstunde) produziert?
Wir schauen uns diese zeitlich aufgeschlüsselte Stromproduktion in einer Winterwoche an, im Wissen, dass dort die Versorgungsprobleme am grössten sind.

Grafik 4 zeigt die Netto-Stromproduktion der Woche 47, vom 21. bis 27. November 2016:

Grafik 4

Hier ist vertikal die momentane Einspeiseleistung und horizontal deren zeitlicher Verlauf dargestellt. Die gesamte Hüllkurve dieser Grafik folgt dem Stromverbrauch, der an den Arbeitstagen tagsüber um 75 und nachts um 60 GW beträgt, am Wochenende aber deutlich kleiner ist.
Damit ist zum ersten Mal klar zu sehen, was der fundamentale Unterschied von Band- und Flatterstrom ist:
– unten sehen wir die vier Bänder von Wasser, Biomasse, Kernenergie und teilweise Braunkohle, die immer gleich „dick“ sind, was konstante Tag- und Nacht-Einspeisung von Strom bedeutet;
– in starkem Kontrast dazu stehen die beiden obersten „Flatterbänder“: das graue Windband, das in seiner vertikalen Ausdehnung sehr stark wechselt und das gelbe „Solarband“, das natürlich gar kein Band ist, da die Sonne in der Nacht nicht scheint, und das hier im Winter nur noch magere wechselhafte Beiträge zwischen 08:00 und 15:00 liefert (weniger als zwei Drittel der Zeit).
Die dazwischenliegenden Bänder von Pumpspeicher, Gas und Steinkohle müssen die wetterbedingten Kapriolen von Wind und Sonne ausgleichen, damit das Netz nicht zusammenbricht.
Im Vergleich zum Jahresdurchschnitt ist die Solarproduktion in dieser Woche von 6.5 auf 1.8% markant gesunken; zum Ausgleich musste der Ertrag von Steinkohle von 18.6 auf 22.9% und derjenige von Gas von 5.4 auf 9.4% gesteigert werden.
Besonders kritisch ist es natürlich dann, wenn auch der Wind nicht bläst, wie z.B. am 3. Tag der Woche, am 23.11., wo Wind und Solar am Morgen vor 8 Uhr zusammen noch um die 3% beigetragen haben.
Fazit 3: In den kritischen Wintermonaten haben Solarpanels einen wesentlich geringeren Ertrag (noch etwa 2%) als im Jahresdurchschnitt; ersetzt wird der fehlende Strom durch Gas- und Steinkohlekraftwerke.

Zusammenfassung: Man kann es drehen und wenden wie man will, Stromproduktion aus Sonne und Wind hat in unseren Breitengraden durch ihre geringe Energiedichte und ihren ungünstigen Energie-Erntefaktor, sowie ihre prinzipielle Abhängigkeit vom Wetter (nicht bedarfsgerecht) eine viel tiefere Effektivität als alle andern Energieträger. Besonders stark kommt das im direkten Vergleich mit Kernenergie zum Ausdruck, die bei all diesen physikalischen Ausgangsparametern am besten abschneidet: Wie Fazit 1 gezeigt hat ist der Stromertrag pro installiertem GW etwa 9mal grösser als Solar und etwa 4mal grösser als Wind.
Dies ist der Hauptgrund für die hier mit den neusten Zahlen belegte Tatsache, dass trotz stabilisiertem Stromverbrauch in der Summe der letzten 15 Jahre in Deutschland kein Kohlekraftwerk vom Netz genommen werden konnte, obwohl Sonne und Wind um 77 GW, Biomasse um 6 GW und Gas um 8 GW ausgebaut (insgesamt ein Ausbau um fast 80%), die KKW aber um 12 GW reduziert wurden. Sogar im Gegenteil: In den letzten Jahren mussten die von der Bundesnetzagentur zusätzlich vorwiegend im europäischen Ausland unter Vertrag genommenen Reservekraftwerke verstärkt zum Einsatz gebracht werden. Dies ist ökonomisch und ökologisch eine miserable Bilanz: sie verursacht immense Kosten und ersetzt keine fossilen Kraftwerke!
Weiter ist auch deutlich geworden, dass eine vollständige Beurteilung der Ausgangsfrage, ob Atomstrom durch Wind und Sonne ersetzt werden kann, nur im Blick auf die tatsächliche Einspeiseleistung pro Zeiteinheit (Minuten, Stunden) möglich ist. Alle Statistiken zu Nennleistungen oder Jahresproduktionen erfassen die grundsätzlichen Differenzen zwischen Band- und Flatterstrom nicht.
Beim Faktencheck der Wochenbetrachtung in zeitlicher Auflösung hat sich gezeigt, dass praktisch immer, besonders aber im Winter, der Stromertrag aus Sonne und Wind – zeitweise mehrere Tage – gegen Null tendieren kann. Somit muss – solange keine nennenswerte saisonale Speicherung möglich ist – ein vollständiger konventioneller Backup-Kraftwerkspark im Hintergrund zur Verfügung stehen, der sehr rasch reguliert werden kann, um solche Lücken auffangen zu können. In letzter Konsequenz heisst das, dass auch jeder weitere Ausbau von Sonne und Wind nicht zu einem Abbau konventioneller Kraftwerke führen kann.

Noch ein letztes Wort zur Übertragung dieser Analyse auf die Schweiz: da bei uns 1. der Ausbau von Windanlagen in grösserem Ausmass sehr unrealistisch ist und wir 2. keine konventionellen Kraftwerke haben, die als Backup zum Solar-Flatterstrom fungieren können, sieht die Situation für uns aus dieser Sicht noch schlechter aus.
Vgl. auch Energiestrategie 2050: eine institutionelle und ökonomische Analyse, Borner. S et al, 2015.

 

  1. Sehr saubere Analyse – Gratulation ! Ein weiteres Problem ist die Netzstabilität – in D läuft der Generator des abgeschalteten KKW Biblis als rotierende Masse. Solaranlagen können zur Zeit nichts zur europäischen Netzstabilität beitragen – sollte grössere konventionelle Kraftwerke & KKW plötzlich ausfallen dann steigt die Gefahr von Brownouts/Blackouts ganz beträchtlich an !

  2. Martin Fehringer

    Sehr gute Analyse, Kompliment

  3. Klaus Ammann

    Danke Martin, endlich was weniger Irrationales zu Kraftwerken. Werde dafür sorgen, dass das auch bei der Lobby verbreitet wird, die das gar nicht so gerne sieht.

  4. Wo es primär um Ideologie geht, bewirken Faktenchecks leider wenig. Besonders weil die öffentliche Reichweite solcher Botschaften, die Denkarbeit verlangen, sehr beschränkt ist. Wer will sich schon mit Fakten beschäftigen, wenn doch die Politik und die Medien all die schönen Mythen um den Ersatz von zuverlässiger Bandenergie durch Solar und Wind so schön zubereitet haben, dass man nur noch gedankliches Copy-Paste betreiben muss, um bei der “Energiewende” mitreden zu können.

  5. Drei Schönheitsfehler hat diese sonst treffende Analyse:
    1) Das Verhältnis zwischen installierter Leistung und mittlerer Leistung ist irrelevant, es zählt nur der Preis der produzierten Energie zu einem gegebenen Zeitpunkt.
    2) Es gibt nicht nur Flatterstrom, sondern auch Flatternachfrage. Es braucht immer Regelenergie. Da KKW als Regler nicht taugen, müssen Gaskraftwerke und Kohlekraftwerke etwa 50% ausgleichen. Es gibt keine 100% Nuklearversorgung. Wind und Sonne sind leichter regelbar, wenn das Einspeisegesetz nicht gälte.
    3) Strom kann über längere Distanzen transportiert werden. China versorgt Shanghai aus 3-Gorges in 1000 km Distanz. Die Sonnenkollektoren könnten auch in Italien stehen, wo der Ertrag regelmässiger ist. Marokko wäre noch besser. Dort produzieren Solarthermische Kraftwerke Tag und Nacht.

    • Philippe Huber; ElGrid Consulting

      Das ist genau so. Alle neuen verfügbaren Technologien sollen Einsatz finden. Die Steuerung und Verschiebung von Lasten sowie der Einsatz von lokalen dezentralen Speichern sollen auch Anwendung finden. Hier liegt viel Potential. Die alten KKW können weiter laufen so lange sie sicher sind, aber ob der Bau von neuen KKW in Zukunft wirtschaftlich Sinn macht, ist aus heutiger Sicht mehr als fraglich.

    • martin.schlumpf

      Schön wärs, wenn Punkt 1) richtig wäre. Wenn aber 9 Mal mehr Leistung installiert werden muss, damit Solarpanels dieselbe Stromproduktion zustande bringen wie KKW, dann bedeutet das eine enorme Beanspruchung von Flächen und Material und zusätzlich ein teurer Umbau der Netze. Aber auch wenn das erreicht wird, fällt die Produktion immer wieder auf Null, was zwangsläufig heisst, dass ein vollständiger (!) Backup-Kraftwerkspark vorhanden sein muss, der den Bedarf deckt (ohne saisonale Speicherung).
      Zu 2) Natürlich gibt es eine Flatternachfrage, aber diese deckt sich in vielen Momenten absolut nicht mit der Flatterproduktion von Sonne und Wind. Und in Deutschland werden Kohle- und Gaskraftwerke nicht deshalb als Regelenergie eingesetzt, weil das die KKW nicht tun könnten, sondern weil diese das ganze Jahr praktisch unter Volllast laufen, um möglichst die Lücken von Sonne und Wind zu füllen. Wieder: wenn der Ertrag von Sonne und Wind schlecht ist, muss zuerst genügend Bandenergie produziert werden, und dabei werden die KKW zuerst eingesetzt, weil sie in der Merit-Order-Reihe am kostengünstigsten produzieren (siehe Faktencheck 2). Und ja, Wind und Sonne wären leichter regelbar, wenn es das Einspeisegesetz nicht gäbe, aber ohne diese massive Subventionierung würden wohl viele Besitzer bankrottieren.

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