Die technischen Grenzen der volatilen Stromerzeugung

So wenig, wie der Mensch von unverdaulicher Nahrung leben kann, so wenig hilft dem Hochofen eine Befeuerung mit Stroh. Diesen Umstand berücksichtigen die Befürworter einer Umstellung auf regenerative Energieträger nicht. Energie muss in der für den jeweiligen Einsatzzweck geeigneten Form und bestimmten Qualität bereitgestellt werden.

lichtblicke

Energie ist nicht gleich Energie. Es genügt nicht, über sie in bedarfsgerechter Menge zu verfügen. Energie muss zusätzlich in einer für den jeweiligen Einsatzzweck geeigneten Form und in einer bestimmten Qualität bereitgestellt werden. So wenig, wie der Mensch von unverdaulicher Nahrung leben kann, so wenig hilft dem Hochofen eine Befeuerung mit Stroh. Diesen Umstand berücksichtigen die Befürworter einer Umstellung auf regenerative Energieträger nicht.

Potentielle Primärenergiequellen sind beispielsweise hinsichtlich der mit ihnen erreichbaren Prozesstemperaturen zu bewerten. Bei Raumtemperatur wäre eine Wärmemenge von einem Kilojoule völlig nutzlos, bei mehreren hundert Grad dagegen für viele Anwendungen tauglich. Und Strom bedarf einer konstanten, im gesamten Verteilnetz einheitlichen Frequenz von fünfzig Hertz. Sonst funktionieren weder die Regelungs- und Schaltmechanismen der Netzinfrastruktur, noch die meisten der bei den Endverbrauchern eingesetzten Geräte.

Vier Spannungsebenen

Auf vier unterschiedlichen Spannungsebenen verbindet das Stromnetz Erzeuger und Verbraucher. Private Haushalte und kleine Gewerbetriebe sind an das Niederspannungsnetz (230 Volt) angeschlossen. Dieses bezieht seine Energie aus dem Mittelspannungsbereich (1.000 bis 50.000 Volt), in das neben kleineren städtischen Kraftwerken auch große Solarparks und Windkraftwerke einspeisen. Kraftwerke mittlerer Größe bilden das Hochspannungsnetz (110.000 Volt), auf das Eisenbahn und Schwerindustrie zugreifen. Von der obersten Ebene aus, dem Höchstspannungsnetz (220.000 bis 380.000 Volt), dirigieren die leistungsstarken Kohle-, Kern- und Wasserkraftwerke das gesamte Geschehen.

In ihnen drehen sich von Dampf- oder Wasserturbinen getriebene magnetische Läufer in großen Spulen, in denen sie „Strom“ in Form eines elektrischen Wechselfeldes induzieren. Ihre Umlaufgeschwindigkeit bestimmt die Netzfrequenz. Zweipolige Läufer müssen in allen Kraftwerken einheitlich fünfzigmal in der Sekunde rotieren (entspricht 3.000 Umdrehungen pro Minute). Zusätzlich haben sie das auch noch synchron zueinander durchzuführen, damit sich die erzeugten Wechselspannungen nicht ungünstig überlagern. Der Generator im alpenländischen Wasserkraftwerk und der im hamburgischen Kohlemeiler sind nicht nur gleich schnell, sie befinden sich auch in derselben Phasenlage.

Im Generator selbst stellt sich dem Läufer durch das induzierte elektromagnetische Feld der Spulen eine Widerstandskraft entgegen. Nur wenn diese Bremswirkung mit der von der Turbine ausgehenden Beschleunigung im Gleichgewicht steht, kann eine konstante Drehzahl gewährleistet werden. Laständerungen im Netz durch Zu- oder Abschalten von Verbrauchern oder Erzeugern erhöhen oder vermindern die bremsenden Kräfte und müssen durch eine entsprechende Regelung der Turbinendrehzahl über die Dampf- oder Wasserzufuhr ausgeglichen werden.

Ökonomisches und Technisches greifen ineinander

Unser Stromnetz ist ein evolutionär gewachsenes System. Man kann seine Eigenschaften nur verstehen, wenn man ökonomische und technische Faktoren gleichermaßen betrachtet. Zur Minimierung von Transportverlusten und aufgrund seiner einfachen Transformierbarkeit entschied man sich für Wechselstrom. Die Netzfrequenz könnte auch höher oder tiefer liegen. Hauptsache, sie ist überall gleich und in sehr engen Grenzen zeitlich konstant (50 +/- 0,02 Hertz in Deutschland). Die einzelnen Spannungsebenen prägten sich im vergangenen Jahrhundert gemäß der zur Verfügung stehenden Technologien und den Bedarfen der Verbraucher aus. Die Entwicklung erfolgte entlang der Prämisse, Qualität, Kosten und Resilienz gleichermaßen zu optimieren.

Ein anzunehmender Schadensfall betrifft den Ausfall eines größeren Kraftwerks. Die verbleibende Netzlast würde sich auf weniger Generatoren verteilen, die sich daher unmittelbar einer größeren Bremskraft ausgesetzt sähen. Ihre Rotationsgeschwindigkeit und damit die Netzfrequenz würden sinken. Fällt diese unter den Schwellenwert von 49,98 Hertz, droht der Zusammenbruch: In Sekundenbruchteilen, in denen niemand die Chance hätte, rettend einzugreifen. Auch nicht automatische Systeme, denn so schnell kann die Zufuhr von Dampf oder Wasser in die großen Turbinen nicht variiert werden. Zur Vermeidung schwerer technischer Schäden wären Verbraucher und Erzeuger abzutrennen. Ein Blackout, aber immerhin könnte man das Netz nach und nach wieder aufbauen und neu stabilisieren.

Da sich die Lasten im Netz ständig ändern, da Probleme in konventionellen Kraftwerken durchaus auftreten und da vor allem in jüngster Zeit volatile Quellen erratisch Energie einspeisen, überrascht die doch immer noch geringe Zahl an zudem häufig nur kurzfristigen Stromausfällen. Tatsächlich ist das geschilderte Szenario gerade deswegen relativ unwahrscheinlich, weil es die großen Turbosätze in den leistungsstarken Kohle-, Wasser- und Kernkraftwerken gibt. Bevor diese auf den Lastwechsel reagieren, vergehen aufgrund ihrer Massenträgheit noch einige Sekunden. Das Netz stabilisiert sich in einem gewissen Umfang selbst und verschafft den Operatoren damit ausreichend Zeit für geeignete Gegenmaßnahmen.

Deren erste darin besteht, die sogenannte Primärregelung in Gang zu setzen. Dabei handelt es sich um zusätzliche Kapazitäten, die innerhalb von dreißig Sekunden in vollem Umfang zur Verfügung stehen müssen. Da dies kein Kraftwerk durch einen Kaltstart schaffen kann, nutzt man Erzeuger, die bereits in Betrieb sind und noch über entsprechende Reserven verfügen. Aufgrund der Anforderungen an Geschwindigkeit und Ausmaß der Aktion ist diese Eingriffsebene die Domäne der Kohle- und Kernkraftwerke. Deswegen betreibt man sie im Mittel etwa 2,5% unterhalb ihrer Maximalleistung. In Deutschland sind (ein Erfahrungswert) 700 MW Primärregelleistung erforderlich: Zu deren Absicherung also thermische Erzeuger mit einer Leistung von 28 GW benötigt werden. Das entspricht nicht zufällig ungefähr der Kapazität, die ohnehin rund um die Uhr zur Abdeckung der Grundlast das Netz speist. Es ist gleichermaßen sinnvoll wie notwendig, genau diese Flotte von Kohle- und Kernkraftwerken zur Vorhaltung der Primärregelenergie einzusetzen.

Die nächsten Ebenen der Sekundär- und der Tertiärregelung müssen innerhalb von fünf beziehungsweise fünfzehn Minuten liefern. Bauartbedingt eignen sich dafür Wasser- und Gaskraftwerke (Erdgas, Biogas, Müll, Klärgase u.ä.). Sobald diese eingreifen, wird die primäre Ebene wieder in den Bereitschaftsstatus zurückgeführt.

Windräder und Photovoltaikanlagen müssen dem Takt der Großkraftwerke folgen

Aufgrund ihres volatilen Charakters sind weder Windräder noch Photovoltaikanlagen dazu in der Lage, die Definition der Netzfrequenz übernehmen. Sie müssen dem Taktstock der Großkraftwerke folgen. Auch leisten sie keinen Beitrag zur Trägheitsreserve und zur Regelenergie.

Nur die Kernenergie oder die Kohle können die Stabilität des Systems nach dem beschriebenen Konzept gewährleisten. Es ist nicht möglich, aus beiden gleichzeitig auszusteigen, ohne die Versorgungssicherheit massiv zu gefährden.

Das noch immer gültige Energiekonzept der Bundesregierung aus dem Jahr 2010 sieht daher auch für 2050 noch Kohlekraftwerke mit einer Kapazität von mehr als 15 GW vor. Bei der angestrebten Reduzierung der inländischen Stromproduktion um die Hälfte könnte dies als Trägheits- und Primärregelreserve gerade ausreichen. Die aktuell seitens der Umweltministerin vertretene Idee, die Kohleverstromung in 25 Jahren zu beenden, ist entweder technischem Unwissen oder schlichter Verantwortungslosigkeit geschuldet. Gleiches gilt für die zahllosen, häufig von Umweltaktivisten induzierten Studien, in denen Utopien einer hundertprozentigen Versorgung aus regenerativen Quellen entwickelt werden. Die Frage nach der Netzstabilität klammern solche Pamphlete grundsätzlich aus.

Es gilt ja nicht nur, sich gegen den Ausfall von Kraftwerken oder Leitungen einerseits und gegen plötzliche massive Bedarfsschwankungen auf Verbraucherseite andererseits zu wappnen. Nach der geltenden Gesetzlage ist dem Zufallsstrom aus Wind und Sonne grundsätzlich der Zugang zum Netz zu gewähren, wenn er denn anfällt. Dadurch werden immer häufiger Anpassungen der Leistung von Grundlastkraftwerken erforderlich. Für das Jahr 2013 vermeldeten die Netzbetreiber 2.687 solcher auch als “Redispatch” bezeichneten Eingriffe, in 2014 waren es 3.455 und im vergangenen Jahr schon 6.322. Das ruft nicht nur spürbare Kosten hervor, es zeigt auch eine technisch bedingte absolute Ausbaugrenze für die volatilen Quellen auf. Denn wenn die “redispatch-fähigen” konventionellen Kapazitäten nicht mehr ausreichen, werden die Schwankungen der Netzfrequenz das tolerierbare Maß regelmäßig übersteigen.

Ein neues Netz-Stabilitätskonzept ist nicht in Sicht

Gemäß der Erfahrungen mit dem deutschen Stromnetz hat ständig eine Kapazität in der Höhe von etwa einem Drittel der gesicherten Leistung (hierzulande derzeit 85 GW, bei erfolgreicher Umsetzung der Energiewende mindestens noch 42,5 GW) für die Trägheitsreserve und die Primärregelleistung zur Verfügung zu stehen. In Ländern, die nicht auf Vulkanen hocken und daher Geothermie nicht in großem Umfang nutzen können, begrenzt dies den Ausbau regenerativer Quellen auf die restlichen zwei Drittel. Für die volatile Stromproduktion allein wird der Wert aufgrund der oben geschilderten Redispatch-Erfordernisse noch etwas darunter liegen.

Internationale Studien (beispielsweise für Nordamerika und Irland) belegen die Möglichkeit, die Systemstabilität auch dann noch zu sichern, wenn Wind und Sonne gemeinsam 50% des Strombedarfes decken. Dieser Schwellenwert wurde in Deutschland im vergangenen Jahr bereits an etwa 20 Tagen erreicht, insbesondere in den Sommermonaten mit hohem Solarenergieaufkommen. Im Mittel hatten 2015 die unbeständigen Quellen einen Anteil von 19% an der Elektrizitätsproduktion. Die Energiepolitik der Bundesregierung sieht einen Wert von 57% bis 2050 vor und erfordert daher ein völlig neues Stabilitätskonzept. Von dem allerdings noch niemand weiß, wie es aussehen könnte.

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Kommentare {10}

  1. Ich möchte wetten, der Autor hätte uns vor drei bis fünf Jahren genauso überzeugend erklärt, warum ein Anteil von 19% Erneuerbaren an der Stromproduktion völlig utopisch und ein Spitzenwert von 50% eine absurde Vorstellung ist.

    Obwohl der Anteil der Erneuerbaren so rasant gewachsen ist, ist uns das Stromnetz nicht um die Ohren geflogen. Technologie entwickelt sich weiter. Windkraftwerke können (und werden) vom Netz genommen wenn erforderlich, Vorrang oder nicht. Und in wenigen Jahren werden durch die Verbreitung von Batteriespeichern und Elektroautos ganz neue Möglichkeiten der Pufferung bestehen.

    Kernkraft will kein denkender Mensch aufgrund der unbeherschbaren (und vor allem fürchterlichen) Risiken. Und ohne Abkehr von Kohle werden wir den Klimawandel nicht ernsthaf bekämpfen können.

    Deshalb fände ich es produktiver, sich für den Umbau zu engagieren als – typisch deutsch – sich darauf zu konzentrieren, zu beweisen was alles nicht geht.

  2. @2.Febr.2016 um 16:52 Gerhard Wruck
    “Bei erfolgreicher Umsetzung der Energiewende müssen mindestens noch 42,5 GW für die Trägheitsreserve und die Primärregelleistung zur Verfügung stehen.”
    Also Kraftwerke welche in der Lage sind Generatorenleistung zur Stabilisierung der Netzfrequenz zur Verfügung zu stellen. (Kohle, Kern, Pumpspeicher, Wasser, usw.) Nur Kohle- und Kernenergie können dies nach jetzigem Stand maßgeblich gewährleisten. Da die Kernenergie abgeschaltet werden soll, bleibt nur noch die Kohle als Hauptenergielieferant für die Reserveleistung übrig.
    Weil wir aber den CO2Ausstoss senken müssen/sollen, wird die Reserveleistung um mehr als 50% gesenkt. Wir müssen also unseren Energiegürtel enger schnallen und mächtig Strom sparen und den evtl. anfallenden Mehrbedarf zu Zeiten tätigen wenn Sonne und Wind genug Überschuss liefern. Oder für gutes Geld beim Nachbarn zukaufen, wenn er denn hat.
    Hauptsache, wir können uns breitbrüstig hinstellen und der Welt zeigen, dass
    wir in der Lagen sind ein paar Prozentchen CO2 zu sparen. Kosten spielen
    keine Rolle. Der Bürger zahlt. Und die Industrie….? Vielleicht.
    Herr Prof. Sinn machte in seinem Vortrag deutlich, dass eine 100%tige Wende
    zu den sogenannten “Erneuerbaren” Energien nicht möglich ist. Da beisst
    keine Maus einen Faden ab.

  3. Damit die volatile Energieversorgung noch volatiler wird und die Netzstabilität erhöht wird, fliegt Helikopter-Siggi mit dem Hubschrauber übers Land und wirft bis 2020 eine Million E-Mobile ab, E-cars for free, das gibt einen Push für die Automotives!!!

  4. Die Darstellung der Wichtigkeit der Netzstabilität bei der Stromversorgung durch Herrn Heller ist genauso beeindruckend wie sein Hinweis auf die Inkompetenz bzw. den unverantwortlichen Leichtsinn der Politik in Deutschland bei diesem Thema. Mich erstaunt jedoch, dass Herr Heller einen Erfolg der Merkelschen Energiewende für möglich zu halten scheint. Gemäß glaubwürdigen sorgfältigen Berechnungen des früheren IFO-Chefs H.-W. Sinn handelt es sich bei Merkels Produkt um eine “Energiewende ins Nichts”. Sie wird also genauso enden wie Merkels Asylpolitik: im Abgrund.

  5. Nun, vielleicht gibt es doch eine Lösung, zumindest theroretisch, in Form des Lageenergiespeichers –> http://heindl-energy.com/
    Seltsamerweise scheint die Politik null Interesse an diesem Konzept zu haben, da es in den diversen Auseinandersetzungen mit dem Thema nicht einmal in einer Fußnote Beachtung findet. Schade.

  6. Gratuliere, Herr Heller! Es gibt schon auch richtige Argumente gegen die flattrig und ohne deklinierten Masterplan konzipierte Energiewende.

    Physikalische Verschwörungstheorien gegen das treibhauswirksame CO2 sind hingegen überflüssig und sogar kontraproduktiv.

  7. Danke für den sehr guten Bericht. Zu den genannten 700MW elektrisch sind jedoch nur 2,8GW thermisch erforderlich!
    Mit freundlichen Grüßen!
    Dr. Klaus Lahner

    1. 2,5% –> 700 MW
      100% –> 28 GW

  8. Vielen Dank Herr Heller, Sie haben das Problem sehr allgemeinverständlich beschrieben. Um so unverständlicher ist die Regierungspolitik. Es belegt entweder, dass die Politik nur den Gesetzen der Ideologie folgt, oder dass auch unsere Kanzlerin diese simple Physik immer noch nicht verstanden hat.
    Zur Sache hätte ich noch anzumerken, dass die volatilen Erzeuger (Sonne, Wind) grundsätzlich nur noch mit ausreichend großen Speichern genehmigt werden dürften. Bei einer privaten PV-Anlage würde sich dann der heutige Amortisationszeitraum von 10-12 Jahren auf 18-20 Jahre erhöhen und dies auch nur mit hohen staatlichen Subventionen.

  9. Eigentlich sind derartige Artikel in Deutschland obsolet:

    In diesem Land spielen speziell bei Medien, Politik und (Wirtschafts-) Eliten Vernunft und darauf basierende Gesetze ja absolut keine Rolle mehr. Allein schon “Nebenrolle” wäre untertrieben.

    Wenn irgendjemand in D auf die Idee kommt, irgendetwas “retten” zu wollen/müssen und die Medien springen auf diesen Zug auf – dann kommt ein Fanatismus auf, welcher einem wirklich Angst machen kann…

    Sinn, Machbarkeit, Kosten, Folgen für die Zukunft – alles zählt dann nicht mehr, nur um des Augenblickes willen.

    Und die Medien spielen dabei eine ganz besonders perfide Rolle: Es macht den Redakteuren offenbar Spaß, die Meinung der Bürger wie Wachs in der Hand kneten zu können. Und auch bei “Tichys Einblick” gibt es solche Artikel – zwar nicht so reißerisch wie bei der Bildzeitung – aber doch unterschwellig und manipulierend…

    Die Artikel zwischendurch, welche die Vernuft widerspiegeln, können da aber auch nichts mehr retten…

    Und das Traurige – oder auch Bezeichnende: Kritische Leserzuschriften werden gelöscht – tut es doch weh und verletzt es die Eitelkeit, in einen Spiegel schauen zu müssen…