Was Sie schon immer über Strom wissen wollten (3)

Von Horst-Joachim Lüdecke.

Vor dem näheren Eingehen auf die Erzeugungsmethoden von elektrischer Energie in Deutschland ist eine aktuelle Bestandsaufnahme sinnvoll, um eine konkrete Vorstellung über die Größenverhältnisse zu erhalten: Elektrische Energie hat, wie schon erwähnt, hierzulande nur einen Anteil von 15 Prozent an der deutschen Primärenergie, weltweit ist der Wert ähnlich. 80 Prozent der Primärenergie Deutschlands kommen immer noch aus Kohle, Erdöl und Erdgas, weltweit ist dieser Anteil etwa gleich groß. Deutschland unterscheidet sich daher in der Primärenergie mit den beiden Werten 15 Prozent elektrischer Energie und 80 Prozent Energie aus fossilen Brennstoffen kaum von der weltweiten Situation. 

Ganz anders sieht es dagegen bei den Methoden zur Erzeugung von elektrischer Energie aus. Hier macht Deutschland zusammen mit wenigen Ländern eine auffällige Ausnahme im weltweiten Vergleich. Im Jahr 2024 wurde die elektrische Energie Deutschlands zu etwa 37 Prozent aus Kohle und Erdgas, aber bereits schon zu 31 Prozent aus Windrädern und zu 14 Prozent aus Photovoltaik erzeugt. Weltweit sind dagegen Kohle und Erdgas mit 47 Prozent deutlich stärker, Wind mit acht Prozent und Photovoltaik mit sieben Prozent viel schwächer. Deutschland betreibt eine deutliche Verschiebung seiner Erzeugungsmethoden von Strom hin zu mehr Wind und Sonne und weg von Kohle und Gas. Ob dieser Sonderweg technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist und welche Konsequenzen er für die Versorgungssicherheit mit Strom nach sich zieht, wird hier noch näher untersucht. 

Bezieht man freilich für Deutschland die Anteile von Wind und Photovoltaik nicht auf die elektrische Energie (also die Sekundär- bzw. Endenergie, Anm. d. Red.), sondern auf die Primärenergie, bleibt von den eindrucksvollen Zahlen nichts mehr übrig, nämlich nur 4,5 Prozent Primärenergie-Anteile aus Wind und 1,8 Prozent aus Photovoltaik. Weltweit ist es noch einmal weniger. Nur ein Prozent der Primärenergie aus Wind und ein Prozent aus Photovoltaik wurden schon erwähnt. Die stolzen Erfolgsmeldungen in den öffentlich-rechtlichen Sendern über deutsche Windenergie von 31 Prozent, wobei dabei oft gerne vergessen wird zu erwähnen, dass diese Zahl sich nur auf elektrische Energie bezieht, sind korrekt. Die wohl wichtigere Zahl von nur 4,5 Prozent Wind an der Primärenergie war dagegen in den Öffentlich-Rechtlichen noch nie zu vernehmen. Somit ist der Widerspruch der in den Medien genannten Zahlen mit den realen Verhältnissen geklärt.

Eine Frage der Dichte

Die viel wichtigeren, wesentlich kleineren Anteile von Wind- und Sonnenstrom an der Primärenergie werden salopp verschwiegen, weil die langfristige Planung über die jetzige Energiewende hinaus die sogenannte Sektorenkoppelung vorsieht. Dabei soll der Einzelsektor „elektrische Energie“ auf alle Sektoren bis hin zur Wärmedämmung von Gebäuden erweitert werden. Sektorenkoppelung ist im Klartext auch Dekarbonisierung, denn so gut wie alle Primärenergie soll dabei nur noch aus CO2-freiem Strom von Wind und Sonne kommen. Dies bei heute mickrigen 4,5 Prozent Windstromanteil trotz 30.000 Windrädern. Der Energie-Experte Professor André Thess, Institutsleiter der Universität Stuttgart, hat die Kosten von Dekarbonisierung bis 2045 rechnerisch gut nachvollziehbar auf 10 Billionen Euro geschätzt. Diese Summe belegt, dass den politischen Planern des Abersinns Energiewende und auch noch Sektorenkopplung jede Wirklichkeitsnähe, jedes Verständnis von Physik und Technik und jede Beachtung von Verhältnismäßigkeit abgeht. 

Will man nun ganz allgemein die in modernen Batterien gespeicherte elektrische Energie mit der aus fossilen Brennstoffen oder Uran vergleichen, benötigt man die hier schon einmal verwendete Energiedichte als Quotient von Energie pro Gewicht. Ihre Maßeinheit ist die Wattsekunde pro Kilogramm. Lehrreich ist der Vergleich der Energiedichte einer modernen Lithium-Ionen-Batterie von 0,2 Kilowattstunden pro Kilogramm, mit der Energiedichte von Dieseltreibstoff von 5,3 Kilowattstunden pro Kilogramm, wobei in dieser Zahl die prinzipiellen Carnot-Verluste des Diesels mitberücksichtigt sind (siehe Teil 2). Wir werden diesen Wert später noch einmal brauchen. Die 5,3 Kilowattstunden des Diesel dividiert durch die 0,2 der Batterie ergeben rund 26. Diesel hat also einen 26-fachen Energievorsprung vor einem E-Auto, beim Benziner ist der Vorsprung nur um etwa 20 Prozent kleiner. Oder anders ausgedrückt: Ein Diesel-Auto hat bei gleichem Gewicht im Tank wie ein E-Auto 26-mal mehr Antriebsenergie zur Verfügung. Die geringe Reichweite von E-Autos wird nun besser verständlich. Hinzu kommt, dass E-Autos bei Temperaturen unter Null Grad Celsius dramatisch an verfügbarer Reichweite verlieren. 

Wichtiger und interessanter ist dann allerdings der Vergleich der Energieeffizienz von Wind mit Kohle. Er erfordert den Begriff der Leistungsdichte als Leistung pro Fläche, also Watt pro Quadratmeter. Die Art der Fläche hängt von der Anwendung ab, hier wird die „verbrauchte Bodenfläche der jeweiligen Methode“ verwendet. Bei Windrädern ist dabei zu beachten, dass sie aus technischen und Kosten-Gründen in Windparks, oder genauer ausgedrückt, in Windrad-Industriegebieten installiert werden. Dort sind Mindestabstände gegen leistungsmindernde gegenseitige Strömungsbeeinflussung erforderlich. Über das Jahr 2024 und ganz Deutschland Onshore gemittelt, betrug die mittlere Wind-Leistungsdichte 3,7 Watt pro Quadratmeter Bodenfläche. Für Kohle sind es dagegen um die 8.000 Watt pro Quadratmeter Bodenfläche. Der Flächenverbrauch eines Windrads ist also mehrtausendfach größer als der von einem Kohlekraftwerk. Die 3,7 Watt pro Quadratmeter werden hier später noch einmal benötigt.

Große Leistungsdichte, große Umweltschonung

Unterschiedliche Leistungsdichten sind für den realen Nutzen der miteinander verglichenen Methoden absolut ausschlaggebend. Je höher die Leistungsdichte einer Methode zur Erzeugung von elektrischer Energie ist, um so effizienter, naturschonender und materialschonender ist sie. Das erkennt man sofort, wenn man die Definition Leistungsdichte ist Leistung durch Fläche umkehrt und als Leistung ist Leistungsdichte mal Fläche formuliert. Bei zu geringer Leistungsdichte benötigt man eine sehr große Fläche, damit das Produkt Leistungsdichte mal Fläche, also die gewünschte Leistung, noch ausreichend groß wird. Große Systemflächen bedeuten zudem noch großen Materialverbrauch des Systems. Man braucht dabei nur an Windrad-Riesenmonster zu denken, bei denen ausschließlich die zu geringe Leistungsdichte der Grund ist, warum sie so riesig sind. In einem schon älteren Artikel der ZEIT wurden Energien aus Wind und Sonne wegen ihrer Sanftheit dagegen als optimal umweltschonend bezeichnet. Das ist bereits absurd, denn es ist genau umgekehrt. Je sanfter eine Methode der Stromerzeugung ist, um so kleiner ist ihre Leistungsdichte, und um so größer ist ihr Flächenverbrauch, ihr Materialaufwand und ihre Umweltschädigung.

Historisch verlief die bisherige Entwicklung aller technischen Energiemethoden grundsätzlich immer von kleineren zu höheren Leistungsdichten. Das Umgekehrte gab es nie. Das Aufkommen von Windrädern verletzt dieses – man ist versucht zu sagen Naturgesetz –, weil es den Weg zurück ins energetische Mittelalter beschreitet. Windräder basieren trotz modernster eingebauter Technik auf der mittelalterlichen Methode der Windmühle. Selbst modernste Technik vermag aber nicht die physikalischen Gesetzmäßigkeiten des mittelalterlichen Windmühlenprinzips auszuhebeln. Man kann aus der Wind-Leistungsdichte von den schon erwähnten 3,7 Watt pro Quadratmeter Bodenfläche nun auch den Flächenverbrauch bei hypothetisch allem Strom Deutschlands aus Onshore-Wind abschätzen. Das Ergebnis nähert sich der Gesamtfläche Thüringens. Bei Sektorenkoppelung wären es 15-mal Gesamtfläche mehr. Das belegt wieder, wie schon betont, die meilenweite Entfernung der deutschen Energiepolitik von Wirklichkeit und Verhältnismäßigkeit.

Das hier bisher Geschilderte wird von der begutachteten wissenschaftlichen Fachliteratur vollumfänglich bestätigt. Es handelt sich dabei um eine begutachtete Studie von Weißbach und Mitautoren, die im Fachjournal Energy des renommierten Elsevier-Verlags erschien. Hier findet Sie das Paper. Bild 3 auf Seite 219 zeigt die Verhältnisse an gelben Balken mit Schrägstrichen, wobei die Effizienz von acht Methoden von Photovoltaik bis hin zu Kernenergie miteinander verglichen wird. Das Ergebnis ist überdeutlich: Wind, Photovoltaik und Biomasse sind die ungünstigsten Methoden zur Erzeugung von elektrischer Energie überhaupt, sie liegen sogar unter der im Bild 3 eingetragenen ökonomischen Schwelle von OECD-Ländern und kommen daher für die Erzeugung elektrischer Energie großen Maßstabs nicht infrage. Zu geringe Leistungsdichte bei der Erzeugung von elektrischer Energie mit Wind, Sonne und Biomasse wird hier im Folgenden als ihr „erster Fundamentalmangel“ bezeichnet. Es gibt nun aber noch einen zweiten Fundamentalmangel, der nur Wind- und Sonne betrifft.

Weitere Schwächen der Erneuerbaren

Die dringend erforderliche Bekanntheit des ersten Fundamentalmangels von Wind- und Sonnenstrom wird leider durch weitgehende Unkenntnis des Begriffs „Leistungsdichte“ verhindert. Der zweite Fundamentalmangel von Wind- und Sonnenstrom ist dagegen wesentlich anschaulicher und daher besser bekannt. Er hat es schon bis in alle Medien geschafft. Es ist die Wetterabhängigkeit von Wind- und Sonnen-Energie, die die Stromlieferungen dieser beiden Methoden zufällig und zappelig macht. 

Zufalls-Strom kann ohne weitere Maßnahmen nicht in das deutsche Wechselstromnetz eingespeist werden. Die gelegentlich geäußerte Annahme, dass ein europaweiter Windradverbund schon für Glättung sorgt, weil irgendwo immer Wind wehen würde, hat eine ausführliche Studie des technischen Fachverbands für Energieanlagenbetreiber VGB widerlegt. Wörtlich heißt es in der VGB-Studie: „Windenergie trägt damit praktisch nicht zur Versorgungssicherheit bei und erfordert 100 % planbare Backup-Systeme nach heutigem Stand der Technik.“ Zitatende.

Die erwähnten Backup-Systeme sind heute schnell reagierende Gaskraftwerke, Kohlekraftwerke oder auch alte Ölkraftwerke. Diskussionswürdige Stromspeicherlösungen gibt es nicht, wie es hier bereits belegt wurde. Man muss daher für ausfallenden Wind- und Sonnenstrom ein gleichstarkes fossiles Backup-System installieren, das die Gesamtkosten der Stromversorgung mit Wind- und Photovoltaikanlagen zumindest verdoppelt. Genau dies ist bereits erfolgt, aber unvollständig. Schaut man sich die Grafiken der stündlichen Energieeinspeisungen von Wind- und Sonnenstrom an, fallen die extremen Fluktuationen auf, bei Wind noch wesentlich stärker als bei Sonne. 

Das liegt an folgendem physikalischen Gesetz für alle Strömungsmaschinen, so auch für Windräder. Ihre Leistung ist grob proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Nur grob, weil die nur für Windräder gültige Betz-Joukowsky-Grenze noch eine Rolle spielt. Ist die Windgeschwindigkeit nur noch halb so groß, halbiert sich nicht die erbrachte Leistung wie man eigentlich vermuten könnte, sondern wird zu ½ hoch drei gleich 1/8 oder 12 Prozent. Windräder in schwachwindigen Wäldern sind daher besonders unsinnig. Der zweite Fundamentalmangel und das v-hoch-3-Gesetz bewirken, dass Onshore-Windräder über Deutschland und das Jahr gemittelt nur etwa 20 Prozent ihrer Nennleistung erbringen, Offshore ist es etwa das Doppelte.

Ein Dieselauto zu betanken, reicht bereits aus, um die Schwächen von Windrädern zu veranschaulichen. Durch den Zapfhahn einer Tankstelle fließen etwa 0,7 Liter Diesel pro Sekunde, das sind etwa 2.000 Kilogramm pro Stunde unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichts von Diesel. Multipliziert man dies mit der schon erwähnten Diesel-Energiedichte von 5,3 Kilowattstunden-pro-Kilogramm, ergibt sich für den strömenden Dieseltreibstoff eine Leistung von 12 Megawatt. Im Zahlenwert 5,3 ist der Carnot-Verlust bereits berücksichtigt. Auf der anderen Seite hat ein modernes Windrad wie zum Beispiel die Enercon E-160 EP5 mit 5 Megawatt Nennleistung nur 20 Prozent Realleistung, gemittelt über ganz Deutschland und ein Jahr. Das sind ein Megawatt. Tanken Sie Diesel, so erfolgt dies demnach mit rund der 10-fachen Realleistung eines großen Windrads. Oder anders ausgedrückt: Ein einziger Diesel-Füllhahn hat die gleiche Leistung wie zusammen 10 große deutsche Windräder. Dies macht der Diesel-Füllhahn aber, ohne die insgesamt 70.000 Tonnen Material der 10 Windräder inklusive der Fundamente und auch ohne die von den 10 Windrädern belegte Bodenfläche von etwa 270 Hektar zu bemühen. Die fast unwahrscheinlich erscheinenden extremen Zahlen dieses Beispiels sind leider zutreffend und belegen die fatalen Konsequenzen der zu geringen Leistungsdichte von Wind. Die Photovoltaik zeigt als Besonderheit einen deutlichen Leistungshügel mit dem Gipfel im Sommer. Im Winter kommt nur noch wenig Sonnenstrom an, nachts das ganze Jahr überhaupt nichts. 

Blackout dank Wind und Sonne

Noch einmal zurück zum zweiten Fundamentalmangel. Infolge der Abschaltung aller deutschen Kernkraftwerke, der Beseitigung von selbst mit modernsten Filtern ausgestatteten Kohlekraftwerken und infolgedessen zunehmenden Wind- und Sonnenstroms entsteht immer öfter die Situation von Stromunterdeckung oder umgekehrt von Stromüberschuss, der genauso gefährlich ist. Wenn zu viel Wind herrscht und auch noch die Sonne mithilft, muss Strom ans Ausland verkauft oder sogar gegen Aufpreis verschenkt werden. Im Fall von zu wenig Strom müssen die fossilen Ersatzkraftwerke gestartet oder Strom vom Ausland eingekauft werden. Die Soll-Netzfrequenz von 50 Hertz ist in engen Grenzen stabil zu halten. Bereits bei höheren Abweichungen als ± 0,2 Hertz droht ein großflächiger Blackout, wie er erst jüngst im einem Großbereich von Spanien, Portugal und Südfrankreich vorkam. So etwas war von den früheren Kohle-, Gas- und Kernkraftwerken mit ihren problemlos dem schwankenden Verbrauch anpassbaren Grundlaststrom unbekannt. Wetterabhängiger Zufallsstrom ist ohne Ersatzkraftwerke oder die Mithilfe französischer Kernkraftwerke nicht in der Lage, immer den Strombedarf zu decken. Fossile Ersatzkraftwerke sind aber infolge Teilbetriebs und hoher Lastwechselfrequenz schnellem Verschleiß unterworfen und daher wirtschaftlich unrentabel. Auf Profit angewiesene Unternehmen haben kein Interesse, sie zu bauen.

Inzwischen sind zur Aufrechterhaltung sicherer Stromversorgung sogenannte Dispatch-Maßnahmen in drei Regelungsstufen erforderlich. Primäre Stufe sind Störungen im Sekundenbereich, sekundäre im Bereich mehrerer Minuten und tertiäre ab 15 Minuten aufwärts. Von Hand können meist nur im Tertiärbereich Ersatzstromquellen zugeschaltet oder vom Netz genommen werden. Solche Maßnahmen gab es bis Ende des 20. Jahrhunderts nur in einstelliger Anzahl pro Jahr. Heute liegt die Anzahl der jährlichen Dispatch-Eingriffe – automatisch oder von Hand – bei rund 20.000, und ihre jährlichen Kosten gehen in die Milliarden Euro. 

Wegen ihrer extrem kurzen Reaktionszeit ist die Primärregelung kritisch und entscheidend. Sie kann weder durch Eingreifen per Hand noch durch automatische Dispatch-Regelung erfolgen. Fällt beispielsweise ein großer Umspannungstransformator durch einen Defekt, Terroranschlag, oder Blitzschlag aus, ist dies ein Vorgang im Sekundenbereich. Die inzwischen vorliegenden Fachuntersuchungen der Gründe des jüngsten großen Blackouts in Spanien deuten tatsächlich auf das Fehlen ausreichender Primärregelung. Zu wenige Grundlastkraftwerke liefen und zu viel Sonnenstrom wurde eingespeist.

Stark schwankendes Terrain

Die einzige Abhilfe bei Sekundenstörungen vermag nur die Physik zu liefern. Es sind die extrem hohen Rotationsenergien der Dampfturbinen-Rotoren aller Grundlastkraftwerke mit Kohle und ehemals Uran. Plötzliche Leistungsungleichgewichte durch Störungen im Sekundenbereich werden durch Abbremsen oder Beschleunigen dieser riesigen Rotoren verzögerungsfrei ausgeglichen. Ihre Rotorwellen sind bis 40 Meter lang, können bis 300 Tonnen wiegen und drehen sich mit genau der Netzfrequenz von 50 Hertz pro Sekunde oder 3.000 Umdrehungen pro Minute. Bei plötzlichem Leistungsabfall infolge einer schnellen Netzstörung springen sie ohne jedwedes Zutun ein und bügeln die Störung ausreichend lang weg, bis die Sekundärregelung eingreifen kann. Kurz, die einzige Lösung der Primärregelungsproblematik ist die ausreichende Rotationsenergie aller Stromerzeuger im deutschen Stromnetz. Sie gibt es nur mit ausreichend vielen Grundlastkraftwerken. Kommt der Strom nur noch aus Wind und Sonne, ist das deutsche Wechselstromnetz grundsätzlich instabil und nicht mehr regelbar. 

Daraus ergibt sich die dringende Frage, wie viele Grundlastkraftwerke unabdingbar vorhanden sein müssen. Exakt ist sie nicht zu beantworten. Die Mindestanzahl an Grundlastkraftwerken hängt von der aktuellen Netzstruktur und davon ab, welches Blackout-Risiko man noch toleriert. Eine Untersuchung der vier großen Netzbetreiber 50Hertz, Amprion, Tennet und TransnetBW ging dieser überlebenswichtigen Frage in einer Fachstudie nach. Als Ergebnis wird eine Mindestregelleistung von 20 Gigawatt für den Regelblock Deutschland angegeben, was einem Drittel der mittleren Gesamtleistung von etwa 60 Gigawatt an deutschem Strom entspricht. Mit den momentan noch vorhandenen Rotationsmassen der Grundlastkraftwerke und zusätzlichem Einkauf von Strom im Ausland scheint die erforderliche Sicherheit gegen Blackout vielleicht gerade noch vorhanden zu sein. Man bewegt sich aber auf stark schwankendem Terrain. Tatsächlich trägt die aktuelle Energiewende Deutschlands nicht nur zur maßgeblichen Schädigung seiner Industrie bei. Die Versorgung mit Heizenergie ist in einem wirklich kalten Winter nicht mehr sicher. Und zu all dem wird auch noch durch das weiter geplante Abschalten von Kohlekraftwerken in unverantwortlicher Weise das Blackout-Risiko erhöht. Die bei einem längeren Blackout zu erwartenden Personenschäden werden dabei billigend in Kauf genommen.  

Dies ist der dritte Teil eines Vortrages, der am 9. November 2025 bei Kontrafunk gesendet wurde.

Teil 1 finden Sie hier.

Teil 2 finden Sie hier.

Prof. Dr. Horst-Joachim Lüdecke ist Physiker für Strömungsmechanik und pensionierter Professor für Physik, Informatik und Operations Research der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW). Er ist Co-Autor des technischen Standardwerkes „Strömungsberechnung für Rohrsysteme“. Bereits vor seinem Ruhestand begann er, sich der Klimaforschung und Energiepolitik zu widmen. Einer größeren Öffentlichkeit wurde er bekannt als Autor der populärwissenschaftlichen Bücher „CO2 und Klimaschutz. Fakten, Irrtümer, Politik (ClimateGate)“ und „Energie und Klima. Chancen, Risiken, Mythen“.

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