Im Jahr 2045 soll die CO2-Nettoemission  bei Null sein. Die Stromversorgung soll durch EE erfolgen, ergänzt durch regelbare Gaskraftwerke in der Dunkelflaute (DF). Dass die EE auch 2045 an vielen Stunden nicht für die Versorgung ausreichen wird, wurde im Kapitel 2037/45 berechnet. Für das Szenario B 2045 zeigte bereits die, von Hand auf einem Blatt Papier durchgeführte, einfache Überschlagsrechnung ein Defizit von 215 TWh.   Aber hier geht es nun um die Verteilung und die Massnahmen,  das Problem zu managen.

 Für die DF wird auf Basis von Wetterdaten der letzten Jahre  häufig eine Zeitspanne von 10-14 Tagen angegeben. Dann liefern die EE wieder ausreichend Strom um D zu versorgen. Zusätzlich sind kürzere Phasen mit zuwenig EE  zu erwarten, die oftmals nur durch wenige Stunden mit EE-Überschuss voneinander getrennt sind. Ist also nach der langen DF alles gut?

Dazu habe ich eine interessante Studie von Oliver Ruhland und Staffan Qvist gefunden: Storage requirements in a 100% renewable electricity system: extreme events and inter-annual variability - IOPscience aus dem Jahr 2022

Darin haben sie die Wetterdaten aus 35 Jahren ausgewertet und betrachten neben der mit 2 Wochen längsten DF vor allem  die Auswirkungen von  in Serie auftretenden kurzen DF auf den Speicherbedarf. Logisch ist auch die saisonale Berechnung  und nicht nach Kalenderjahr.

Ich hab deshalb meine Berechnung auch für Wetterdaten ab 1.Juli 2024 bis 30.Juni 2025 gemacht und somit einen kompletten Winter betrachtet. Es gibt Wetterjahre mit ungünstigeren Sonne- und Winderträgen, die ich hier nicht betrachte, da es mir primär um die Methode geht und ich wissen möchte, was da so auf uns zu kommt.  Die Ergebnisse sind also nicht besonders ungünstig, denn es gibt Jahre mit deutlich schlechterem Wetter, auf die sich allerdings die Bundesnetzagentur  in einer Worst Case Betrachtung vorbereiten sollte.

Es ergeben sich einige Fragen:

• Wie lang ist die längste DF?
• Wieviele DF gibt es im Jahr?
• Macht es einen Unterschied, wie dicht die DF auftreten?
• Wieviel regelbare Kraftwerksleistung ist erforderlich?
• Wieviel Gas (Erdgas, H2, LNG) wird benötigt?
• Können Batterien die DF überbrücken?
• Ist die H2 Elektrolyse in D  leistungsfähig genug,  um die DF zu meistern?

Ergebnis

kurze Zusammenfassung B 2045

• die längste DF dauert ca. 2 Wochen
• die Wintermonate weisen viele DF auf, unterbrochen durch kurze Phasen mit ausreichend  erneuerbarer Energie
• an ca. 1000 h (40 Tage) liefern die EE weniger als 50% der Last
• die maximale Residuallast ist 141 GW,  Die geplante thermische Kraftwerksleistung von 83,5 GW reicht offensichtlich nicht aus.  Unter Berücksichtigung von Flexibilisierung könnten 130 GW  benötigt werden
• es werden ca. 15 Mio to H2 verbraucht, davon 1,2 Mio in Deutschland erzeugt,   13,8 Mio müssen  importiert und in Gasspeichern gelagert werden, eine gewaltige Menge und teuer
• Batteriespeicher liefern nur wenige Stunden Energie, in DF sind sie keine Hilfe, Wasserstoff  dagegen ist geeignet, große Energiemengen im Sommer zu speichern und bei Bedarf zu verstromen,  Erzeugung, Transport, Lagerung und Kraftwerke stellen spezielle Anforderungen ,  sehr teuer, der "Champagner" unter den Energieträgern

    4 Wintermonate  , Szenario B 2045 

Das Diagramm zeigt die 4 Wintermonate vom 1.11. bis 28.2.  mit den Kraftwerks- und Verbrauchsdaten des Szenarios B 2045. Hier geht es um die Residuallast der regelbaren Kraftwerke und Importstrom , blau und rot gefärbt. In  Zeiten von Strommangel muss viel  Strom aus den Nachbarländern importiert werden. Das  ist keine gute Lösung, da sie  die Kapazitäten für sich selbst brauchen. Der Bau von Kraftwerken, die in extremer DF vielleicht nur wenige Stunden laufen ist teuer und wird daher gern wegdiskutiert mit Flexibilisierung und Importstrom. Aber es ist unsolidarisch, wenn wir bewusst zu wenig selbst vorsorgen weil uns das zu teuer ist, aber erwarten, dass die Nachbarn uns schon helfen werden.  In Gaskraftwerken muss also die Differenz aus Bedarf - EE erzeugt werden.

Der 1.11. beginnt gleich mit einer DF, die gute 14 Tage dauert.  Der Batterieladezustand bleibt unverändert bei 10%, es wird weder geladen noch entladen und die Batterien helfen leider nicht. Beendet wird diese Phase durch 1-2 Tage mit viel EE, die Batteriespeicher werden bis auf 30% geladen, dann beginnt die nächste DF für ca. 4-5 Tage.  So geht es im Prinzip den ganzen Winter weiter: Flauten werden durch kurze Phasen mit viel EE unterbrochen. Insgesamt ist die DF der Normalzustand,  die Speicher werden an wenigen Tagen auf 100% geladen, sind aber bereits nach wenigen Stunden wieder leer. Die einzigen zuverlässigen Energiequellen sind die Gaskraftwerke, ohne die die Lichter ausgehen würden.

Nun zur Beantwortung der Fragen:

Die längste DF ist 14 bis 16 Tage lang

Die Vorstellung, dass es in seltenen Fällen im Winter zu einer DF kommen kann ist falsch. Andersherum ist es wahrscheinlicher: Die DF wird durch kurze Phasen mit viel EE unterbrochen und die Gaskraftwerke haben kleine Pausen. An den 120 Wintertagen  laufen die Gaskraftwerke  ca. 2200 h (90 Tage) wenn auch z.T. mit geringer  Leistung, An ca. 1000 h (40 Tage) liefern die EE weniger als 50% der Last, 

Wie dicht die DF hintereinander auftreten ist aus meiner Sicht nicht relevant. Man muss mit einem breiten Kraftwerkpark auch lange Zeiten mit schwankender Leistung abdecken können.

Die maximale Residuallast ist 141 GW am 14.2. um 18 Uhr  Die thermischen Kraftwerke stehen mit 83,5 GW in der Planung der Bundesnetzagentur, es fehlen also zusätzlich ca. 58GW regelbare Leistung . Durch Flexibilisierung kann da evtl. noch etwas verringert werden, aber es passt so nicht zusammen und kann nicht funktionieren.  Um 50 GW regelbare Leistung zu haben, braucht man  ca. 100 neue GuD -Kraftwrke  über die bestehende Planung hinaus. Die Investitionskosten liegen bei ca. 80- 100 MRD €.   Da die Stromgestehungskosten hoch sind und der Strompreis nach der teuersten Stromerzeugung ermittelt wird (Merit-Order) ist auf Dauer mit hohen Strompreisen zu rechnen.

Die Energiespeicher (Pumpkraftwerke, Batterien) helfen in den Winterdunkelflauten nicht. Die EE ist viel zu gering, um den laufenden Bedarf zu decken, zum Speichern bleibt da wenig übrig.

Die Elektrolyse ist in der Simulation berücksichtigt. Bei Stromüberschuss läuft die H2 Produktion und das Gas wird gespeichert. Wenn Gaskraftwerke laufen, wird der Wasserstoff verbrannt und reduziert den Bedarf an H2- und Erdgasimporten. Im Winter stehen die Elektrolyseanlagen still, da zu wenig EE erzeugt wird, die Betriebsdauer ist mit ca. 1000 Vollaststunden/Jahr viel zu gering und erreicht die geplanten  3200 Stunden bei weitem nicht. Nicht wirtschaftlich. 

Der höchste Stromverbrauch ist meistens am frühen Abend oder Morgens. Das von mir verwendete Verbrauchsprofil ist von 2024 und auf den zukünftigen Verbrauch (1181 TWh) skaliert. Es ist zu erwarten, dass in 20 Jahren das tägliche Profil eines typischen Haushalts  infolge Wärmepumpe, E-Mobilität, dynamischer Tarif usw. anders aussehen wird.  Octopus energy z.B. erwartet wegen heizen und EV-laden einen deutlich höheren Stromverbrauch in den frühen Abendstunden. Die Tageszeit, in der schon jetzt die Lastspitzen liegen.

Die thermischen Kraftwerke laufen besonders in den Wintertagen viele Stunden und brauchen Wasserstoff oder Erdgas. Die in D erzeugte Menge H2 beträgt ca. 1,2 Mio to  und wird vor allem in den Sommermonaten produziert und  entweder kurze Zeit später wieder zur Stromerzeugung benötigt oder in Gasspeichern gelagert. Insgesamt benötigt werden ca. 15 Mio to H2, d.h. es müssen ca 13.8 Mio to H2 importiert und gespeichert werden. In den deutschen Gasspeichern wird schon jetzt viel  Erdgas gelagert für Heizung und Gaskraftwerke. Zukünftig soll nicht mehr mit Gas geheizt werden, aber der Bedarf von Gas für die Stromerzeugung bleibt bestehen. Die Gasspeicher sind vorhanden und reichen vermutlich aus.