Eifel: Ein Ingenieur und ein Physiker von VGB PowerTech, einem internationalen Fachverband für die Erzeugung und Speicherung von Strom und Wärme mit Sitz in Essen, haben kürzlich den ersten Teil einer neuen VGB-Studie über den Status quo, Potenziale und Herausforderungen der Windenergienutzung in der Grundversorgung mit Elektrizität vorgestellt. Den ersten Teil dieser Untersuchung unter dem Titel „Entwicklungen in Deutschland seit 2010“ veröffentlichte der Fachverband in diesen Tagen.

Die Autoren der Studie haben dafür mehr als sechs Millionen Datensätze der vier deutschen Übertragungsnetzbetreiber, der Leipziger Strombörse (EEX) und des Verbandes europäischer Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E) ausgewertet. Das Ziel der Studie bestand darin, Aussagen zur Leistungsfähigkeit der Windstromproduktion in Deutschland und Europa auf Plausibilität zu überprüfen.

Grafiken: VBG-PowerTech

Die Autoren beschäftigte unter anderem die Frage, ob eine deutschland- und europaweite Verteilung der Windenergieanlagen zu einer deutlichen Glättung der Windstrom-Einspeisung führen würde. Bestätigt sich der Anspruch: „Irgendwo weht immer Wind und eine weiträumige Verteilung der Windenergieanlagen führt zu einer Stabilisierung des lokal unterschiedlichen Stromeintrags ins Netz.“ Damit, so die landläufig häufig getroffene Annahme, könne man sich Energiespeicher oder Backup-Kraftwerke, die einspringen, wenn der Wind wegbleibt, sparen, wenn nur genügend Windenergieanlagen vorhanden sind. Bis zum Jahresende 2016 waren in Deutschland circa 28.000 Windmühlen mit einer installierten Nennleistung von rund 50.000 Megawatt (MW) errichtet. Diese Nennleistung erreichen die Windanlagen allerdings im Normalbetrieb äußerst selten, wie die Statistik belegt.   

Leider stimmt die Annahme „irgendwo weht immer Wind“ nicht, wie die Studie anhand realer Betriebsdaten für Deutschland aufzeigt. Auch die mittlerweile mehr als 150.000 Megawatt kumulierter Nennleistung der europaweit installierten Windenergieanlagen können das Problem augenscheinlich nicht lösen, wie der zweite Teil der Studie im Detail belegen wird.

Großwetterlagen halten sich nicht an theoretische Vorgaben

Weil die Windbedingungen in einer Region, zum Beispiel Ostfriesland, häufig von denen in einer anderen Region, zum Beispiel Bayern, abhängen, kommt kein erforderlicher Ausgleich im Sinne einer Glättung zustande, die einen Verzicht auf konventionelle Kraftwerke ermöglichen würde, zeigen die realen Betriebsdaten. Die großräumigen europäischen Wetterlagen halten sich im Betrachtungszeitraum für Deutschland von 2010 bis 2016 nicht an das angedachte Modell. Und das weder bei Windparks an Land, noch bei Windanlagen „offshore“ in der Nord- und Ostsee.

Die großräumigen Wetterereignisse korrespondieren meist europaweit. Ändert sich die Windgeschwindigkeit, zum Beispiel in Süddeutschland, so ändert sich auch die Windgeschwindigkeit im hohen Norden und umgekehrt. Das gleichzeitige Wetterspektrum erstreckt sich sowohl in Nord-Süd-Richtung als auch von West nach Ost über mehrere tausend Kilometer und ist „hoch volatil“, also unterliegt starken Veränderungen, wie die ausgewerteten Daten belegen.

Im Klartext: Eine Schwachwindphase wird häufig genauso wie eine Sturmphase nur unzureichend durch ein gegensätzliches Wetterereignis irgendwo anders in Europa ausgeglichen. Mehrtägige Schwachwindphasen, in denen weniger als zehn Prozent der installierten Windenergieanlagen-Nennleistung zur Verfügung stehen, sind keine Seltenheit.

Seit dem Jahr 2010 haben die Autoren der Studie rund 160 Fünftagesphasen mit „Schwachwind“ festgestellt. Also im Schnitt alle zwei Wochen liefern die Windenergieanlagen weniger als durchschnittlich zehn Prozent ihrer theoretisch verfügbaren Leistung. Längere Schwachwindphasen, in denen für zehn bis 14 Tage kaum ein Luftzug die Rotoren bewegt, wurden in jedem Jahr mindestens einmal registriert. Dazu kam in fünf der untersuchten sechs Jahre jeweils eine Schwachwindphase von drei bis vier Wochen.

Bei Berücksichtigung dieser nicht seltenen Windbedingungen müsste das Backup-System (also Ersatzstromerzeuger, die Red.) sogar über Arbeitsvolumina von 30 bis 40 TWh und eine Leistung von durchschnittlich bis zu etwa 50.000 MW auf Abruf sicher verfügen können,

berechnet die VGB-Windstudie.

Daraus ergibt sich – über den Betrachtungszeitraum unverändert – eine durch Windenergie gesicherte Stromeinspeisung ins Netz von nur circa einem Prozent der installierten Nennleistung!

Oder anders ausgedrückt: Für 99 Prozent der vorhandenen 50.000 Megawatt an Windgeneratoren muss im Ernstfall eine Ersatzleistung anderer Kraftwerke vorhanden sein, wenn wir bei Flaute nicht im Dunkeln sitzen wollen.

Diese „Backup“-Leistungsreserve muss in der Lage sein, den Maximalbedarf an elektrischer Leistung in Deutschland, vorwiegend in der kalten dunklen Jahreszeit, für mindestens 14 Tage oder längere Zeiträume zu decken, wenn Deutschland – wie bis jetzt politisch vorgesehen – die Kernkraftwerke im Jahr 2022 abschalten und anschließend oder gleichzeitig aus der Kohleverstromung aussteigen will.

Die Autoren der Studie haben sich auch angesehen, welche Möglichkeiten wir in der Bundesrepublik haben, diese Strom-Versorgungslücke ohne fossile Energie, zu schließen. Dabei wäre zuerst an Pumpspeichertechnik zu denken.

In Zeiten mit genug Windstrom würden die Speicher geladen, also Wasser wird bergauf gepumpt, in einen Speichersee, um dann bei Flaute über eine Turbine nach unten zu laufen und so Strom zu erzeugen. Eine saubere Lösung für das Speicher-Problem?

Im Prinzip ja, allerdings sollte man sich dazu einmal die Leistungswerte der heute installierten Pumpspeicherkraftwerke (PSW) in Deutschland ansehen und dann fragen, wieviel Leistungssteigerung erforderlich wäre, um eine Dunkelflaute von 14 Tagen, wie sie im Schnitt in jedem Jahr mindestens einmal eintritt beherrschbar mit Pumpspeicherstrom abzudecken. Eine Hilfe von anderen europaweit installierten Windparks wäre für so eine Situation nicht zu erwarten, da ja – wie die Studie zeigt – das Wettergeschehen auf dem Kontinent häufig weitgehend identisch ist, somit eine Flaute auch andere, weiter entfernte Regionen betrifft.

Alle heute in Deutschland vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke können über einen Zeitraum von sechs Stunden etwa 6.500 Megawatt (MW) maximal in das Stromnetz einspeisen. Das ergibt ein Arbeitsvolumen von 0,040 Terrawattstunden (TWh). Danach sind die Speicherseen leer und müssen erneut gefüllt werden. Das ist aber bei Flaute und ohne zur Verfügung stehenden Windstromüberschuss nicht möglich. Also benötigt man in dieser Rechnung die vierfache Menge an Pumpspeicherleistung um einen 24-Stundenzyklus zu bedienen.

Dabei hat man aber dann noch nicht den Strom zur Verfügung, der benötigt wird, um die gesamte Bundesrepublik mit Strom zu versorgen. Hier beträgt der Tagesbedarf, der abgedeckt werden muss, im Schnitt circa 1,5 Terrawattstunden (TWh). Diesen Stromverbrauch sollten die Pumpspeicherkraftwerke nun mindestens für 14 Tage oder länger liefern können, um zu verhindern, dass in Deutschland die Lichter ausgehen.

Natürlich liegt es nahe, nun auszurechnen, wieviele Pumpspeicherkraftwerke dafür notwendig sind, um den Strombedarf in den alljährlichen Schwachwindphasen mit einer Pumpspeicher-Reserve sicherzustellen.

Den sogenannten Backup-Bedarf ermittelten die Autoren am Beispiel des Thüringer Pumpspeicherkraftwerks (PSW) Hohenwarte II. Zugrunde gelegt ist ein Szenario mit einer zweiwöchigen Schwachwindphase im Winterhalbjahr. Für den deutschen Tagesstrombedarf wurde ein Durchschnittswert von 1,5 TWh angenommen. Somit werden etwa 21 TWh für 14 Tage benötigt.

Das PSW Hohenwarte leistet im Turbinenbetrieb 320 MW, liefert also einen Stromertrag von 0,0021 TWh. Damit müssten in Deutschland 10.000 in ihrer Leistung mit Hohenwarte identische Kraftwerke errichtet werden, um den benötigten Strombedarf für eine 14-tägige Schwachwindphase zu gewährleisten.

Dass für eine derartige Anzahl von Pumpspeicherkraftwerken weder die deutsche Topografie geeignet ist, noch sich die Möglichkeit einer Finanzierbarkeit von 10.000 Pumpspeicherkraftwerken irgendwie abzeichnen könnte, wird in der Studie nicht behandelt. Hier vertrauen die Autoren auf den gesunden Menschenverstand der Leser.

Das Fazit der Untersuchung aus den vorliegenden Unterlagen liest sich fatal und wenig ermutigend für die Verfechter einer ausschließlich erneuerbaren Stromversorgung:

Faktencheck: Zusammenfassung der Ergebnisse

1) Die Leistungseinspeisungen aller Windenergieanlagen fluktuieren stark.

2) Die Nennleistung sämtlicher Windenergieanlagen wird niemals erreicht.

3) Die Minimalwerte sind seit Jahren fast unverändert kleiner als 150 MW.

4) Offshore-Windenergie liefert ebenfalls stark schwankende Leistungen.

5) Die Leistungseinspeisungen aus Windenergie sind nicht normalverteilt.

6) Die intuitiv vermutete Glättung tritt nur in geringfügigem Maße ein.

7) Windenergie trägt praktisch nicht zur Versorgungssicherheit bei.

8) Windenergie erfordert fast 100 % planbare Backup-Technik

Fazit für Deutschland:

Windstromproduktion von 2010 bis 2016 auf 77 TWh verdoppelt

Gesamte Nennleistung von 2010 bis 2016 auf 50 GW fast verdoppelt

Trotz verdoppelter Nennleistung kein Beitrag zur Versorgungssicherheit

Seit 2010 unveränderte gesicherte Leistung von 1 % der Nennleistung

Keine Normalverteilung für Leistungseinspeisungen aus Windenergie

Hohe Volatilität der Leistungseinspeisungen auch auf dem Meer

Geringere Ausnutzung im Vergleich zu anderen Ländern

Bedarf an 100 % planbarer Backup-Leistung

Dringender Bedarf an Speichertechnik

In Vorbereitung befindet sich der zweite Teil der Studie. Hier wollen die Autoren die gesamteuropäische Situation der Windenergie analysieren:

Die intuitive Erwartung einer deutlichen Glättung der Gesamtleistung in einem Maße, das einen Verzicht auf Backup-Kraftwerksleistung ermöglichen würde, tritt allerdings nicht ein. Das Gegenteil ist der Fall, nicht nur für ein einzelnes Land, sondern auch für die große Leistungsspitzen und -minima zeigende Summenzeitreihe der Windstromproduktion 18 europäischer Länder. Für das Jahr 2016 weist die entsprechende Zeitreihe (Stundenwerte) einen Mittelwert von 33.000 MW und ein Minimum von weniger als 6.500 MW auf. Dies entspricht trotz der europaweit verteilten Windparkstandorte gerade einmal 4 % der in den betrachteten 18 Ländern insgesamt installierten Nennleistung. Windenergie trägt damit praktisch nicht zur Versorgungssicherheit bei und erfordert 100 % planbare Backup-Systeme nach heutigem Stand der Technik“,

lautet der Ausblick auf den europäischen Teil der Studie.

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