Was ist die Dunkelflaute?

Definition

Die Dunkelflaute als sogenanntes Kofferwort beschreibt das gleichzeitige Auftreten von Dunkelheit und Windflaute. Diese Wetterlage entsteht typischerweise im Winter und sorgt für geringe Erträge aus Solar- und Windenergie bei gleichzeitig saisonal hohem Strombedarf. Eine Dunkelflaute kann mehrere Tage andauern, dann auch "kalte Dunkelflaute" genannt. Die öffentliche Energiedebatte verwendet den Begriff der Dunkelflaute mit großer Selbstverständlichkeit, dabei sind jedoch weder eine klare qualitative noch eine quantitative Definition vorhanden: Ab welchem Zeitraum und in welcher Größenordnung eine Lücke in der Versorgung aus Wind- und Sonnenstrom bestehen muss um von einer "Dunkelflaute" zu sprechen, ist nicht festgelegt. Doch die grundsätzliche Frage der Dunkelflaute, wie lang oder groß sie auch immer sei, bleibt: Wie kann sie überbrückt werden?

Die Dunkelflaute – ein unüberwindbares Hindernis für die Erneuerbaren Energien?

In seit einigen Jahren etablierter, medialer Tradition tauchen in den dunklen und nebligen Wintermonaten die Artikel und Beiträge zur Dunkelflaute auf. Das es dabei nicht immer um belegbare energiewirtschaftliche Fakten, sondern auch um Interessenvertretung geht, ist ebenso dabei klar wie die Tatsache, dass es Dunkelflauten tatsächlich gibt. Etwa alle zwei Jahre tritt eine extreme Dunkelflaute mit entsprechenden Versorgungsengpässen auf, zur Überbrückung springen flexible konventionelle Kraftwerke ein. Aber muss dies auch in Zukunft so bleiben oder können die Erneuerbaren Energien das Dunkelflautenproblem selbst regeln?

Die Betreiber konventioneller Kraftwerke, allen voran die Kohlelobby, sind sich einig: Sie können es nicht. Für die Versorgungssicherheit der Bundesrepublik sind konventionelle Großanlagen unabdingbar. Ausgehend von dieser Denkweise ermöglichen die derzeitigen regulatorischen Rahmenbedingungen den Betreibern, eigentlich ausgediente Braunkohlekraftwerke im Rahmen der Sicherheitsbereitschaft auf Standby zu halten. Dies ermöglicht den Weiterbetrieb von aufgrund von niedrigen Strompreisen eigentlich unwirtschaftlichen Braunkohlekraftwerken. Sollte es nun zu einer dramatischen Stromknappheit aufgrund einer Dunkelflaute kommen, haben die Betreiber zehn Tage Zeit, um ihre die Anlagen wieder anzufahren.

Die Dunkelflaute im Januar 2017

Zwischen dem 16. und dem 25. Januar 2017 herrschte in Deutschland nahezu flächendeckend Nebel und Windstille. Windenergie- und Solaranlagen mit einer gemeinsamen Leistung von 91 GW speisten lediglich etwa 4,6 GW ins Stromnetz ein – der Stromverbrauch betrug jedoch ca. 63,1 GW. Die konventionellen Kraftwerke mussten daher einen Großteil des deutschen Strombedarfs decken; am 24. Januar betrug der Anteil der konventionellen Kraftwerke an der Stromeinspeisung sogar über 90 Prozent.

Dunkelflauten im Januar 2017
Dunkelflauten (rote Felder) sind Zeiten, in denen aufgrund von fehlender Sonneneinstrahlung und schwachem Wind nur wenig Strom aus Erneuerbaren Energien ins Stromnetz gelangt. Andere Energieträger müssen dies ausgleichen.

Allerdings war auch in dieser extremen Dunkelflautenphase das deutsche Stromnetz nicht durch einen Blackout gefährdet – Deutschland exportierte sogar Strom ins Ausland. Auch die für solche Notfälle vorgesehenen Gaskraftwerke waren mit einer eingesetzten Leistung von 10 GW noch weit von der Ausschöpfung ihrer installierten Gesamtleistung von 28 GW entfernt. Und auch diese hätten nicht ausgereicht: Der gesamte Strombedarf Deutschlands lag einer Studie von Energy Brainpool bei 67 GW.

Braunkohle fährt bei Dunkelflaute "auf Strich"

Wie die Grafik zeigt, reagierte die Stromproduktion aus Braunkohlekraftwerken kaum auf die Dunkelflauten des Januars 2017, die Atomkraftwerke ebenfalls nicht. Die Versorgungslücken wurden durch den flexiblen Einsatz von Gas- und Steinkohlekraftwerken abgefangen. Die Standby-Braunkohlekraftwerke hätten erst nach 10 Tagen einspeisen können, zum Ende der Dunkelflautenperiode, und wurden folgerichtig gar nicht aktiviert. Sie wären auch objektiv nicht nötig gewesen, um wirksam die Dunkelflaute zu bekämpfen.

Konzepte der Erneuerbaren Energien zur Überbrückung der Dunkelflaute

Unbestritten: Die Versorgungslücke durch Dunkelflauten ist eine Herausforderung für das Stromnetz und die Erneuerbaren Energien können diese nach derzeitigem Ausbaustand noch nicht allein bewältigen. Die Konzepte, welche eine wirksame Absicherung gegen wetterbedingte Lücken in der Energieversorgung ohne die Hilfe der konventionellen Stromerzeuger möglich machen, sind aber bereits vorhanden, wie wir in dieser Auflistung zeigen möchten. Mit einer Kombination aus den verschiedenen vorgestellten technischen Lösungen können bereits große Teile der Energieversorgung im Fall einer Dunkelflaute sichergestellt werden. 

Überstaatlicher Netzausbau

Um Versorgungsengpässe bei einer Dunkelflaute überbrücken zu können, wäre eine großräumige Vernetzung der erneuerbaren Stromerzeuger über Wetter- und Ländergrenzen optimal. Eine Stromübertragung auch über große Strecken ohne signifikanten Energieverlust ist bereits möglich – der Erfolg des überstaatlichen Netzausbaus hängt aber von der Zusammenarbeit der Staaten ab. Besonders geeignet für die Stromübertragung über lange Strecken ist Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), welche im Vergleich zu konventionellen Wechselstromleitungen deutlich ärmer an Übertragungsverlusten ist. In Europa sind HGÜ-Leitungen bisher vor allem für Unterseeverbindungen sowie bei der Anbindung von Off-Shore-Windparks im Einsatz. Zur wirksamen Dunkelflauten-Bekämpfung wäre beispielsweise eine Integration der großen, wetterunabhängigen Wasserkraftwerke in Österreich und Norwegen über HGÜ-Leitungen ins deutsche Stromnetz denkbar und sinnvoll. 

Pumpspeicherkraftwerke

Durch Pumpspeicherkraftwerke werden bereits im Regelbetrieb Lastspitzen abgefangen. Als derzeit größte bereits ausgebaute Speichermöglichkeit für Strom kommt ihnen für den schnellen Ausgleich während drohender Dunkelflauten eine besondere Bedeutung zu, die sie auch jetzt schon wahrnehmen. Zukünftig könnten, leistungsfähige Nord-Süd-Stromübertragungstrassen vorausgesetzt, die norwegischen und schwedischen Pumpspeicherkraftwerke für ganz Europa eine netzausgleichende Funktion übernehmen und in der Dunkelflaute den nötigen Zusatzstrom klimaneutral liefern. 

Bioenergie

Nicht zu vernachlässigendes Potenzial steckt auch in Bioenergieanlagen, die schon heute wetterunabhängig einen Beitrag zur Überbrückung der Dunkelflaute leisten. Gemeinsam stellen sie momentan bundesweit 6,7 GW an Stromerzeugungsleistung bereit. Durch eine konsequente Ausrichtung der Bioenergie auf die Rolle als "Lückenfüller" ließe sich diese sehr flexibel abrufbare Leistung massiv erhöhen (Überbauung mit zusätzlicher BHKW-Kapazität, Gasspeicher, Wärmepuffer), ohne zusätzlichen Flächenverbrauch beim Anbau von Energiepflanzen zu verursachen. Bioenergieanlagen würden dann nur in Zeiten einer Unterdeckung des Stromnetzes mit Solar- und Windenergie Strom produzieren. 

Prognostizierte technische Potenziale der Flexibilitätsoptionen bis 2025 zur Überbrückung der Dunkelflaute durch die Erneuerbaren Energien.

Laufwasserkraftwerke

In ganz Deutschland sind Laufwasserkraftwerke in einer Größenordnung von 4,1 GW installiert (BNetzA, Stand 2016). Im Jahresmittel speisen sie rund 1,7 GWh pro Tag ein, da durch die Pegelstände der Fließgewässer starke Unterschiede in der Erzeugungsleistung entstehen. Die deutschen Laufwasserkraftwerke erreichen im Sommer eine Spitzenstromproduktion von bis zu 3,8 GWh pro Tag, im Winter sind allerdings Tage mit einer Produktion von nur 1,3 GWh möglich (Zahlen: Agora Energiewende). Die Spitzen einer Dunkelflaute können Laufwasserkraftwerke daher nicht abfangen – sie sind aber ein verlässlicher Grundstock an erneuerbarem Strom im Gesamtmix dar – auch während einer Dunkelflaute.                                     

Netzersatzanlagen

Netzersatzanlagen, auch Notstromaggregate genannt, sind derzeit in Deutschland mit einer Gesamtleistung von 10 bis 20 GW installiert. Obwohl sich diese aufgrund der hohen Energieerzeugungskosten nicht für eine dauerhafte und vor allem klimaneutrale Stromerzeugung eignen, können sie dennoch reaktionsschnell kurzfristig auftretende Spitzen abfangen. Schon heute werden bereits 500 bis 1.000 MW aus Netzersatzanlagen in Virtuellen Kraftwerken zum Ausgleich von Netzfrequenzschwankungen genutzt. 

Variable Stromtarife und Demand Side Management

Die Flexibilisierung der Verbraucherseite stellt eine zusätzliche Möglichkeit dar, um Stromversorgungslücken in Dunkelflauten zu minimieren: Mit variablen Stromtarifen werden Anreize geschaffen, die Stromnachfrage von teuren Stunden, in denen Stromknappheit herrscht, in günstige Stunden zu verlegen, in denen reichlich Strom vorhanden ist. Dies ist nicht nur ökonomisch für die Verbraucher sinnvoll, sondern es wirkt sich auch positiv auf die Stabilität des gesamten Stromnetzes aus. Strom wird dann verbraucht, wenn er reichlich vorhanden und günstig ist – in stromarmen und daher teuren Zeiten, wie beispieslweise während einer Dunkelflaute, reduzieren Stromverbraucher freiwillig und ökonomisch motiviert ihre Nachfrage. 

Power-to-Gas

Große Potenziale bieten Power-to-Gas (P2G)-Anlagen, die flexibel günstige überschüssige Wind- oder Solarenergie in Form von Wasserstoff speichern können. Trotz zweifelsfreier Eignung für die Aufgabe scheitern Großprojekte derzeit noch an den regulatorischen Rahmenbedinungen. Bis 2030 legt die Bundesregierung zudem keinen Schwerpunkt auf PtG zur Überbrückung von Dunkelflauten, der Fokus soll stattdessen auf Projekten zur Sektorenkopplung im Verkehrssektor liegen.

Batteriespeicher

Batteriespeicher können ebenfalls zu einer Überbrückung der Dunkelflaute beitragen. Einige Pilotprojekten bauen bereits Großspeicher mit mehreren Megawattstunden Kapazität. Batteriespeicher dieser Größenordnung sind jedoch mit hohen Investitionskosten verbunden. Der Markt befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Nach konservativen Hochrechnungen der r2b energy consulting GmbH im Auftrag von Next Kraftwerke wird bis 2020 mit einem Ausbau von stationären Batteriespeichern auf ca. 300 MW gerechnet, zusätzliche Kapazitäten könnte die sich im Aufbau befindliche Elektromobilität bieten.

Fazit: Die Dunkelflaute kann „unkonventionell“ überwunden werden

Die Auflistung zeigt: Eine Kombination der verschiedenen Strategien kann den Einsatz von konventionellen Energieträger im Fall einer Dunkelflaute künftig überflüssig machen. Dies setzt jedoch einen konsequenten Ausbau aller Flexiblitätsoptionen im Stromnetz voraus. Klar ist: Von heute auf morgen ist der Einsatz konventioneller Kraftwerke zum Ausgleich von Dunkelflauten nicht realisierbar. Es ist jedoch auch nicht davon auszugehen, dass von heute auf morgen nur noch ausschließlich Erneuerbare Energien verfügbar sein werden - mit dem fortschreitenden Ausbau steigt jedoch die Vielfalt und auch die Leistungsfähigkeit der Ausweichmöglichkeiten.

Das deutsche Stromnetz wird in einem absehbaren Zeithorizont auf konventionelle Kraftwerke verzichten. Ein schnellerer Ausstieg zeichnet sich bereits bei Braunkohle und Kernenergie ab: Während der Ausstieg aus der Atomenergie bereits beschlossen ist, kann der Anteil der unflexiblen Braunkohlekraftwerke schnell durch regenerative Quellen ersetzt werden, einen zügigen Stromnetzausbau vorausgesetzt. Die Ersetzung der Steinkohlekraftwerke durch Gaskraftwerke könnte dann in einem nächsten Schritt die deutsche Energieversorgung endgültig von der Kohle unabhängig machen. Entscheidend ist und bleibt die politische Unterstützung der vorgestellten Konzepte zur Versorgungssicherheit. Denn dass auch mit ausschließlich klimaneutralen Technologien die Versorgungssicherheit im Stromnetz sichergestellt werden kann, haben unter anderem eine Studie von Energy Brainpool im Auftrag von Greenpeace Energy und eine Studie der Lappeenranta University of Technology und der Energy Watchgroup nachgewiesen.

Wenn genügend Möglichkeiten geschaffen werden, um Flexibilitätsoptionen optimal zu nutzen und den von Sonne und Wind in guten Zeiten erzeugten Überschussstrom zwischenzuspeichern, können CO2-emittierende Energieträger auch in den mageren Zeiten einer Dunkelflaute überflüssig werden. Die Animation der Agentur für Erneuerbare Energien e.V. zeigt ebenfalls, wie eine flexible Vernetzung und das Zusammenspiel verschiedenster Technologien in Zukunft eine sichere Stromversorgung aus 100 Prozent Erneuerbaren Energien ermöglichen kann.

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