Peter Heller, Gastautor / 07.03.2016 / 17:00 / Foto: Michael / 10 / Seite ausdrucken

Auch die Energiewende hat ein Integrationsproblem

Die Energiewende stockt. Von ihrem Ziel einer massiven Reduzierung des Energieverbrauches hat man sich im vergangenen Jahr erneut entfernt. Daran ändert auch der fortschreitende Ausbau von Solar- und Windenergie nichts. Deren Integration in die Stromversorgung verursacht dagegen immer größere Schwierigkeiten und Kosten.  

Nach den Berechnungen der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen ist der Primärenergieverbrauch Deutschlands in 2015 um 1, Prozent gegenüber dem Vorjahr auf nun 13.335 PJ gestiegen. Das Ziel, diesen bis 2050 um die Hälfte zu reduzieren, rückt in weite Ferne. Etwa 40 Prozent der Primärenergie dienen der Produktion von Elektrizität. Die Bruttostromerzeugung hat im vergangenen Jahr mit 647 Milliarden kWh sogar den höchsten Wert seit 1990 erreicht. Auch in diesem Sektor ist man den Sparvorgaben der Bundesregierung nicht näher gekommen.

Dabei wurden für die alternativen Quellen Biomasse, Onshore-Wind und Photovoltaik die für 2020 und 2050 angestrebten Ausbauziele bereits erreicht oder gar übertroffen. Die Gier nach Subventionen erwies sich als größer, als von der Bundesregierung in 2010 vermutet. Einzig die Offshore-Windenergie hinkt hinterher. Nach wie vor aber stellen die konventionellen Energieträger die Basis unserer Stromversorgung dar. Es handelt sich bei diesen um die Technologien, für die in der Energiewende kein weiterer Ausbau (Wasser, Müll), eine deutliche Reduzierung (Steinkohle, Erdgas) oder gar ein Ausstieg (Mineralöl, Braunkohle, Kernenergie) vorgesehen sind.

Das Geheimnis des Stromnetzes

Die zentrale Idee der Energiewende besteht nicht wie häufig kolportiert darin, konventionelle Stromerzeugungskapazitäten durch Sonne und Wind zu ersetzen. Die gegenwärtige Energiepolitik will vor allem die fossilen Energieträger durch rigorose Einsparungen überflüssig machen, um den Ausstoß an Kohlendioxid zu senken. Der verbliebene Restbedarf soll dann weitgehend emissionsfrei bereitgestellt werden – ausgerechnet durch volatile Quellen. Das ist keine kluge Idee. Denn in einem Stromversorgungsnetz müssen sich Energiezufuhr und Energieentnahme stets ausgleichen.

Strom besteht nicht aus Elektronen, die durch Kabel fließen wie Wassermoleküle durch Rohre. Die Energie, die aus der Steckdose kommt, ist die eines elektrischen Feldes, das den Ladungsträgern in einem Verbraucher, in einer Spule, einem Widerstand, einem Kondensator oder sonst einem Bauelement, das Potential verleiht, Arbeit zu leisten.

Man stelle sich einen ungestörten Teich mit vollkommen glatter Oberfläche vor. In diesen werfe man einen Stein. Vom Punkt des Aufpralls aus werden sich Wellen ringförmig in alle Richtungen ausbreiten. Diese transportieren nur die Bewegungsenergie, die der Aufprall des Steins auf das Wasser übertragen hat. Die Wassermoleküle hingegen schwingen senkrecht zur sich ausbreitenden Welle, strömen aber nicht in Richtung Ufer.

Diese Bild kann als Analogie für ein Stromnetz dienen. Der Stein, der auf das Wasser prallt, entspricht dem Stromerzeuger. Nach einer Weile ebbt die Welle ab, die Wasseroberfläche liegt wieder ruhig und spiegelglatt da. Durch die Reibung der Wassermoleküle aneinander, mit dem Grund und dem Ufer, wurde die Energie der Welle aufgezehrt. Dies entspricht der Entnahme von Energie aus dem Stromnetz durch Verbraucher und Übertragungsverluste. Es ist ein weiterer Stein ins Wasser zu werfen, um wieder eine neue Welle (neue elektrische Energie) zu produzieren.

Von Wellenbergen und Wellenhöhen

Nicht nur die technischen Systeme der Übertragungsnetze, sondern auch die verbrauchenden Geräte in Haushalten und Betrieben sind auf bestimmte Eigenschaften des erzeugten elektrischen Feldes angewiesen. Die Netzspannung („Wellenhöhe“) und die Netzfrequenz („Abstand zwischen zwei Wellenbergen“) müssen innerhalb kleiner Toleranzen überall und zu jeder Zeit konstante, fest definierte Werte aufweisen (230 Volt und 50 Hertz im deutschen Niederspannungsnetz). Sonst funktionieren elektrotechnische und elektronische Systeme nicht und werden möglicherweise sogar zerstört. Übersetzt in die Teich-Metapher darf die Wellenstruktur auf der Wasseroberfläche nur in engen Grenzen variieren. Dazu wären passende Steine in passenden Abständen mit passender Kraft auf den passenden Punkt zu werfen. Das könnte eine Maschine leisten, die aus einem Rohstoffvorrat die jeweils benötigten Steine erstellt,um diese dann zum richtigen Zeitpunkt in den Teich fallenzulassen. Ein Kraftwerk. Dessen Regelung aufgrund des schwankenden Verbrauches technisch durchaus nicht trivial ist. Es haben, stark vereinfacht ausgedrückt, mal größere Steine in kürzeren, mal kleinere in längeren Abständen auf die Teichoberfläche zu treffen. Das ist, was unser konventionelles Versorgungssystem leistet.

Durch die Energiewende werden mit dem Geld der Stromkunden Leute dafür bezahlt, völlig willkürlich völlig unterschiedliche Steine zusätzlich in den Teich zu werfen. Mal stehen diese Leute untätig am Ufer herum und schauen zu, wie fein abgestimmt Steine ins Wasser fallen, um das notwendige Wellenmuster zu erzeugen. Mal kippen diese Leute gleich eimerweise Steine hinzu, und bringen das ganze System aus dem Takt. Man kann noch nicht einmal vorhersagen, wann sie welches Verhalten an den Tag legen.

Geld fürs Nichtliefern von Strom

Es handelt sich bei „diesen Leuten“ natürlich um die subventionierten Wind- und Solarkraftwerke. Zu manchen Zeiten erzeugen sie viel zu viel Strom, der dann nicht ins Netz eingespeist werden darf (die „Steine“ werden abgefangen, bevor sie „auf das Wasser prallen“), aber auf Basis der gegenwärtigen Gesetzgebung trotzdem zu honorieren ist. Im Jahr 2014 kostete dies die Stromkunden schon mehr als 100 Millionen Euro und der Trend zeigt bei weiterem Zubau natürlich nach oben. Da Windräder und Solarzellen zu anderen Zeiten wiederum gar keinen Strom erzeugen, kann man auf die konventionellen Kraftwerke auch nicht verzichten. Stattdessen müssen diese ständig herauf- und heruntergeregelt werden, um die Schwankungen der volatilen Quellen auszugleichen, um das Muster der Wellen auf dem Teich zu bewahren. Die immer häufiger erforderlichen Eingriffe in die Erzeugung erhöhen nicht nur das Risiko von Stromausfällen, sie kosten auch Geld. Von einer Milliarde Euro allein in 2015 ist die Rede, ebenfalls durch die Stromverbraucher über die Netzentgelte aufzubringen.

Im Prinzip leisten wir uns mit der Windenergie und der Photovoltaik in Deutschland etwa seit dem Jahr 2000 den Aufbau eines zweiten Kraftwerkparks, für den es keine Notwendigkeit gibt. Denn der Stromverbrauch hierzulande ist seit zwei Jahrzehnten nicht wesentlich gestiegen. Das konventionelle System, bestehend aus den grundlastfähigen Kraftwerken, die rund um die Uhr völlig unabhängig vom Wetter elektrische Energie bedarfsgerecht bereitstellen können (Kernenergie, Kohle, Öl, Gas, Wasser, Biomasse, Müll, Geothermie u.ä.), käme sehr gut alleine zurecht. Die vielen Windräder und Solarzellen haben noch nicht ein einziges Watt der herkömmlichen Kapazitäten ersetzen können. Deswegen sinken auch die Kohlendioxid-Emissionen nicht. Ganz im Gegenteil: Wenn man fossile Kraftwerke ständig fern ihrer optimalen Betriebspunkte betreibt, vermindert sich ihr Wirkungsgrad beträchtlich und die Emissionen pro produzierter Kilowattstunde steigen deutlich an.

Für Deutschland beträgt die sogenannte gesicherte Leistung 85 GW. Das ist die Kraftwerkskapazität, die erfahrungsgemäß jederzeit zur Verfügung zu stehen hat, um alle Bedarfsspitzen abzufangen. Die Grundlastkapazität ist höher, weil immer einige Kraftwerke aufgrund von Reparaturen und Wartungsarbeiten nicht eingesetzt werden können. Volatile Quellen leisten keinen Beitrag zur gesicherten Leistung.

Es fehlt nach wie vor ein schlüssiges Konzept

Nun kann man argumentieren, bei einer Verminderung des Stromverbrauchs um die Hälfte reduziere sich auch die gesicherte Leistung entsprechend. Dann und nur dann wäre es tatsächlich möglich, aus der Kernenergie und gleichzeitig in einem substantiellen Umfang auch aus der Kohleverstromung auszusteigen. Es existieren für diesen Weg aber nur die Zielvorgaben. Ein Konzept über die Art und Weise, wie er zurückgelegt werden könnte, fehlt nach wie vor.

Sollte man das Ziel tatsächlich erreichen, würden die für das Jahr 2050 vorgesehenen grundlastfähigen Kapazitäten immer noch die erforderliche gesicherte Leistung übersteigen. Der Ausbau volatiler Quellen erwiese sich auch dann auf Grund ihrer oben geschilderten Verhaltensauffälligkeiten als überflüssig und kontraproduktiv. Aber in Fragen der Integration hat unsere Regierung nicht nur in der Energiepolitik grundlegende Verständnisschwierigkeiten.

Den Text ergänzende Grafiken finden Sie hier auf Science Skeptical, wo dieser Beitrag auch zuerst erschien.

Nächste Folge morgen: Die technischen Grenzen von Wind und Sonne

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Bernd Knipperdolling / 09.03.2016

Hellers Argumente sind nur auf den ersten Blick schlüssig. Dass noch keine fossilen Kapazitäten ersetzt wurden hat vor allem den Grund, dass Kohlekraftwerke zum einen zunehmend als Reserve gehalten werden, das heißt sie werden nur bei Bedarf hochgefahren, zum anderen werden sie als Quelle von Regelenergie verwendet. Die Kraftwerke fahren dann nicht auf Volllast, um kurzfristig im Minutenbereich oder kürzer die Leistung etwas zu erhöhen oder zu vermindern. Sobald es andere Quellen für Regelenergie und für im Stundenbereich planbare Energie gibt, wird sich dieses Problem erübrigen, und die fossilen Überkapazitäten können abgebaut werden.  Das Problem des um 5 Prozentpunkte schlechteren Wirkungsgrades bei Teillast erübrigt sich dann ebenfalls. Regelenergie ist in der Tat der zentrale Knackpunkt bei bei Energiewende. Die erneuerbaren Energieträger können und werden nur den dem Maße ihren Beitrag zur Energieerzeugung erhöhen, in dem auch der deutlich erhöhte Regelbedarf/Planungsbedarf sichergestellt ist. Gaskraftwerke sind zum Beispiel perfekt als Quelle kurzfristiger Planung oder für Regelleistung. Sie lohnen sich aber derzeit nicht wegen der niedrigen Preise am Energiemarkt. Daneben besitzt Norwegen genug Wasserkraft um nicht nur den einheimischen Strombedarf zu decken, sondern auch noch den Regelbedarf von halb Europa, es fehlt nur an den nötigen Leitungskapazitäten. Und wenn sich in 15 bis 20 Jahren Elektromobilität durchgesetzt haben wird, dann wird sich der Regelbedarf komplett dadurch decken lassen, dass Autobatterien dann aufgeladen werden, wenn gerade zu viel Strom bereitsteht und nicht aufgeladen werden, wenn es zu wenig Strom gibt. Kurzfrist-Planung mit fossilen Energieträgern ist also nur ein Zwischenschritt über den zu lamentieren an einer grundsätzlichen Bewertung der Energiewende vorbeigeht. Wie lange es genau dauert, bis es genügend Regelkapazität gibt ist offen, aber wenn es sie gibt, dann wird die Energiewende nochmal einen großen Sprung machen und zumindest Kohle ist dann komplett überflüssig. Was Subventionen angeht, so werden nicht nur Erneuerbare massiv subventioniert, sondern Kohle und Kernkraft gleichermaßen, indem sie massiv externe Effekte erzeugen, die nicht in die Erzeugerpreise eingehen. Bei der Kernenergie sind das die Kosten für den Rückbau ausgedienter Kernkraftwerke, die offene Frage der Endlagerung, deren Kosten massiv unterschätzt sein dürften, sowie die Bewertung der Risiken eines GAU. Bei der Kohle ist das nicht nur der CO2-Effekt (dessen Einbeziehung durch Zertifikate krachend gescheitert ist), sondern auch die vielfachen Folgen des Kohlebergbaus und vor allem Staub und Dreck in der Atemluft. Der Staat subventioniert also den Verbrauch von Strom generell. Hätten wir eine marktgerechte Struktur, die tatsächliche Erzeugerpreise Inklusive externer Effekte und ohne direkte Subventionen abbildet, dann dürfte Kohle überhaupt nicht mehr konkurrenzfähig sein. Die ganze Argumentation hängt natürlich entscheidend an der Frage, wie die Folgen der seit 100 Jahren massiv angestiegenen CO2-Emissionen tatsächlich zu bewerten sind. Wenn man genauer hinschaut, so reduziert sich Hellers Argumentation, auch in seinen anderen Beiträgen bei Tichy und Science-Sceptic darauf, dass er diese Wirkungen anzweifelt.

Paul Peter / 08.03.2016

Danke für den leicht verständlichen Beitrag zu einer hochkomplexen Materie. Doch leider argumentieren Sie am Gefühl der an den Gott der Energiewende Glaubenden vorbei. Da geht es vordringlich um die Angst vor unsicheren AKW’s, um die Angst vor ewiger Strahlung und deren Folgen, um die Angst vor CO2 usw. usw.  So irrational diese Ängste bisweilen erscheinen mögen, sie müssen erst einmal ernst genommen werden, um ihnen dann sachlich begegnen zu können. Ich weiß, das klingt leichter gesagt als getan, denn wir leben in hysterischen Zeiten - und da gilt Sachlichkeit nicht viel. Doch Beiträge wie Ihrer oder zuletzt “Der Irrsinn mit Irsching” machen Hoffnung auf bessere Zeiten. P.S. Noch eine Anmerkung: Persönlich bin ich vom Onshore-Windenergie-Virus seit meinem Urlaub vor vielen Jahren in Ostfriesland geheilt: Das war SMOG für die Sinne - denn wohin das Auge blickte, überall waren diese verdammten sich drehenden Windräder.

Dr. Michael Stiehl / 08.03.2016

Und für diesen “zweiten Kraftwerkspark, für den es keine Notwendigkeit gibt” wird in großem Stil Natur und Landschaft geopfert, Greifvogel- und Fledermausarten (auf längere Sicht) ausgerottet, Immobilienbesitz in der Nähe der Anlagen massiv entwertet und wahrscheinlich die Gesundheit von Menschen durch Licht- Schall- und Infraschallemissionen deutlich beeinträchtigt - alles geopfert auf dem Altar der Klimaschutzreligion, um uns von unseren “Klimasünden” reinzuwaschen.

Gernot Kloss / 08.03.2016

Leute, insbesondere Politiker, informiert euch besser: Was fehlt, von der Politik ignoriert, nicht gefördert und außerdem zusätzlich belastet wird, sind neuartige Energie-Massenspeicher in Form von überall einsetzbaren PUMPSPEICHERN MIT SCHWIMMENDEM SPEICHERTEIL. Diese sind in der Herstellung und Wartung extrem billig und super leistungsfähig. Das Interessanteste aber ist, dass Sie, obwohl kein Perpetuum Mobile, durch das intelligente Nutzen der Schwer- und Auftriebskraft mehr Energie abgeben können als sie aufgenommen haben. Ihr Vorhandensein wurde bisher von der Politik erfolgreich ignoriert.

Stefan Deitz / 08.03.2016

@Erich Feller Ich finde das Bild mit dem Teich passt schon besser auf unser Wechselspannungsnetz.  Ihr Wasserleitungsbild veranschaulicht ja nur eine Gleichspannung. Unser Stromnetz als Teich gesehen bedeutet eben, dass überall wo Verbraucher sind die Frequenz (Abstand Wellenberge) und die Höhe der Wellenberge (Spannung) nahezu gleich sein müssen. Aber ob das Grünen-Politiker verstehen, die hauptsächlich gelernt haben Empörung zu heucheln, daran habe ich so meine zweifel.

Karl- Heinz Geiger / 08.03.2016

Karl Heinz Geiger, Dipl.- Ing. Soll am deutschen Wesen wieder einmal die Welt genesen? Keine einzige Nation auf der Erde folgt unserer wahnwitzigen Idee der Energiewende! Warum? Ich behaupte, dass die Energiewende eine Fahrt in eine Sackgasse als Einbahnstraße ist. Die Volatilität von Sonne und Wind, die Nicht- Speicherbarkeit des täglich, stündlich, auch noch bedarfsgerecht benötigten BRD- Strombedarfs und der Vorrangeinspeisung von Sonne und Windenergien führen dazu, dass Gaskraftwerke mit 60%  nur noch für die von den volatil fehlenden Netzeinspeisungen zur Bedarfszeit von 8760 Std/a, noch in Flauten, bei wolkenverhangenem Himmel und in Nächten zur Netzstabilisierung, liefern dürfen. In 2011 lief das Gaskraftwerk noch 4000 Std/a, in 2014 lediglich noch 191 Volllaststunden. Da bleibt die Rentabilität auf der Strecke. Unsere Regierung, in Personalunion A. Merkel einfach nicht erkennen kann oder will, dass die Sonne und der Wind unabhängig von unserem Bedarf, nur 950 Vollaststunden/a bzw. 1650 Volllaststunden/a liefern kann!!! Dann werden die umweltbelastenden, vorzugsweise Braun- Kohlekraftwerke nach Std. wieder hochgefahren, nicht wegen der Umweltbelastung sondern der Produktionskosten wegen. Der Ehrlichkeit halber sei noch darauf hingewiesen, dass A. Merkel durch Ihre Entscheidung des Ausstiegs aus der sichersten KKW- Technik der Welt, nur den Grünen das angstmachende, aber stimmengewinnende, kerntechnische Thema, gestohlen hat. Kosten für den dt. Steuerzahler > 2 Billionen € ! 

Erich Feller / 07.03.2016

Lieber Herr Heller, es ist ein Problem, die physikalischen Gegebenheiten der Elektrizität Leuten nahezubringen, deren Wissen und Erfahrungen weit überwiegend auf ganz anderen Feldern vorhanden ist. Das liegt vor allen Dingen an der Abstraktheit dieser Materie, für die Menschen keine Sinne haben, man kann Strom, Spannung, Ladung, die Wechselwirkungen von Strom und Magnetismus nicht sehen , hören oder riechen, nur gelegentlich die Auswirkungen mit anderen Stoffen, z.B. die Geräusche bei der Magnetostriktion (einige haben dies schon bei MRT-Untersuchungen erleben können) oder haben im Nebel unter Hochspannungsleitungen das Knistern der Sprühentladungen gehört. Oder schon, Gott sei Dank ziemlich selten, beim Berühren spannungsführender Teile einen schmerzhaften elektrischen Schlag bekommen. Aber wenn Sie schon das Wassermodell als Analogie zu elektrischen Erscheinungen im Leiter verwenden, so geht dies wirklich wesentlich einfacher und plausibler mit Wasserrohren als mit Ihrem Teichmodell. Da können Sie den Strom benennen, die fließende Wassermenge pro Zeiteinheit, die Spannung als Höhendifferenz eines speisenden Wasserbehälters und eines tiefer liegenden Auffangbehälters, das Wasserrohr als Leiter, den Querschnitt des Wasserrohres als Analogon zum Widerstand, sogar über Wasserpumpen und Wasserräder die Analogien zu Generatoren und Motoren herstellen. Aber ansonsten bin ich mit Ihren Darstellungen weitgehend einig. Sogar als Nichtfachmann (der ich nicht bin, ich habe dieses Fach vor mehr als 50 Jahren studiert) merkt man, daß die “Erfinder” des EEG zwei Lehrer waren und 2 Juristen, alle vier auch noch Politiker dazu. Viele Grüße

Alexander Zeiler / 07.03.2016

Vielen Dank für diese verständliche und klare Analyse des Status Quo der Energiewende. Die politischen Entscheider verstecken sich seit Jahren hinter ihren Kampfbegriffen. Deutschland muss mal eben den Klimawandel stoppen und die Welt retten. Das ist auch so ein deutscher “Alleingang” der sich auf unsere europäischen Nachbarn auswirkt, ob es denen passt oder nicht. Das Stromnetz endet ja nicht an den Grenzen und etwaige Netzprobleme wirken sich auch auf Ländern aus, die eine komplett andere Energiepolitik verfolgen, siehe Frankreich. An Widersprüchen mangelt es nicht: Einerseits argumentiert man mit der Verminderung des Stromverbrauchs um die Hälfte, andererseits will man die Elektrifizierung des Automobiles noch stärker subventionieren. Die offenen Fragen warten auf Antworten, doch die Politik liefert nicht. Ein Armutszeugnis für das Industrieland Deutschland-AG.

Hermann Kanther / 07.03.2016

Alles richtig, aber die Politik wäre nicht die Politik, wenn sie eine aussichtslose Situation nicht noch verkomplizieren könnte. Denn wenn demnächst nach dem Willen der Bundesregierung erst mal eine Million und dann sehr viel mehr E-Autos an die Steckdose gehen, wird der Verbrauch (und die Anforderungen an die Grundlast) nochmals kräftig steigen. Ach, Konsistenz in einem religiösen Gebilde wie der Energiewende zu suchen, ist etwa so wie einen praktischen Nutzen einer Pilgerfahrt zu erwarten. Selbstkasteiung scheint in beiden Fällen das wahre Ziel zu sein.

Joseph Jäger / 07.03.2016

Mit etwas gutem Willen kann das ein durchschnittlich begabter Neuntklässler verstehen. Warum eine studierte Physikerin wider alle Vernunft trotzdem an dieser Politik festhält, ist mir völlig unbegreiflich.

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