Was ist die Dunkelflaute?

Definition

Die Dunkelflaute ist ein sogenanntes Kofferwort, sie bezeichnet das gleichzeitige Auftreten von Dunkelheit und Windflaute. Die Energieträger Wind und Sonne können zu diesem Zeitpunkt kaum bis keine Energie erzeugen. Die Dunkelflaute tritt in Deutschland meist in den Wintermonaten bei hohem Strombedarf auf und kann durchaus mehrere Tage andauern. Dieser Zustand wird auch als kalte Dunkelflaute bezeichnet. Obwohl die Dunkelflaute als Begriff seit längerem mit großer Selbstverständlichkeit in energiewirtschaftlichen Debatten verwendet wird, fehlt bis heute eine klare qualitative und quantitative Definition: Über welchen Zeitraum und in welcher Größenordnung eine Lücke in der Versorgung aus Sonnen- und Windstrom sein muss, um von einer Dunkelflaute zu sprechen, ist nicht klar festgelegt

Folgt man der Argumentation der konventionellen Energieversorger, kann die durch den Ausfall von Wind- und Solarenergie entstehende Lücke in der Energieversorgung nur durch Kohle- und Gaskraftwerke geschlossen werden. Befürworter der Energiewende kontern, dass schon heute erneuerbare Energiekonzepte existieren, die eine Überbrückung von Dunkelflauten auch ohne den Einsatz von konventionellen Kraftwerken gewährleisten können – es mangele lediglich am Ausbau. Die grundsätzliche Frage für beide Seiten bleibt: Wie viele Kilowattstunden müssen jenseits von Strom aus Wind und Sonne bereitgestellt werden, um das Stromnetz stabil zu halten?

Die Dunkelflaute – ein unüberwindbares Hindernis für die Erneuerbaren Energien?

Es ist mittlerweile Tradition: In den dunklen und nebelreichen Wintermonaten wird das mediale Schreckgespenst der Dunkelflaute auf die Titelseiten gehoben. Tatsächlich tritt etwa alle zwei Jahre eine extreme Dunkelflaute auf; während derer bis zu zwei Wochen kaum Strom aus Wind- und Solaranlagen kommt. Zwar ist dies durchaus problematisch, doch wie lange sind konventionelle Kraftwerke, vor allem Kohle- und Ölkraftwerke, wirklich noch zur Überbrückung der Dunkelflaute nötig?

Geht es nach Betreibern von konventionellen Kraftwerken, sind Lücken in der Energieversorgung oder ein Blackout nur durch den Weiterbetrieb der alten Großanlagen zu verhindern. Sie fordern regulatorische Rahmenbedingungen, welche den Weiterbetrieb konventioneller Kraftwerke wieder rentabel machen sollen: Die Marktpreise liegen aktuell zu niedrig, um beispielsweise mit einem Braunkohlekraftwerk dauerhaft Gewinne zu erzielen.

Als Konsequenz bieten die konventionell Betreiber daher die sogenannte Sicherheitsbereitschaft an: Nach dieser sollen eigentlich stillgelegte Braunkohlekraftwerke gegen Bezahlung in Bereitschaft gehalten werden, um im Bedarfsfall innerhalb von zehn Tagen hochfahren zu können.

Die Dunkelflaute im Januar 2017

Zwischen dem 16. und dem 25. Januar 2017 war das Wetter in Deutschland von Nebel und Windstille geprägt. 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 (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.

Das deutsche Stromnetz war auch in dieser langanhaltenden Dunkelflautenphase nicht durch einen Blackout gefährdet: Selbst am 24. Januar exportierte Deutschland Strom ins Ausland und auch die wetterunabhängigen Gaskraftwerke waren mit einer eingesetzten Leistung von 10 GW noch weit von ihrem Einspeisemaximum von bis zu 28 GW entfernt. Die Gaskraftwerke allein hätten den gesamten deutschen Strombedarf laut einer Studie von Energy Brainpool ohnehin nicht decken können; hierzu wäre eine installierte Leistung von insgesamt 67 GW nötig. 

Braunkohle fährt bei Dunkelflaute "auf Strich"

Wie die Grafik zeigt, reagiert die Stromproduktion aus Braunkohle- und Atomkraftwerken jedoch kaum bis gar nicht auf die Dunkelflauten des Januars 2017. Stattdessen werden die Versorgungslücken durch den flexiblen Einsatz von Steinkohlekraftwerken und Gaskraftwerken abgefangen. Die Sicherheitsreserve aus den abgeschalteten Braunkohlekraftwerken, die erst nach zehn Tagen eingespeist werden würde, käme in jedem Fall zu spät und ist objektiv auch nicht nötig, um wirksam Dunkelflauten 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 Potential 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 4.100 MW installiert (BNetzA, Stand 2016). Im Jahresmittel speisen sie rund 1.700 MW/h pro Tag ein, da durch die Pegelstände der Fließgewässer starke Unterschiede in der Erzeugungsleistung entstehen. So können im Sommer bis zu 3,8 MW/h pro Tag erreicht werden, im Winter sind allerdings auch Tage mit einer Gesamterzeugung von nur 1.300 MW möglich. (Zahlen: Agora Energiewende). Die Spitzen einer Dunkelflaute können Laufwasserkraftwerke daher nicht abfangen – sie stellen aber einen verlässlichen Grundstock an erneuerbarem Strom im Gesamtmix dar, auch in Zeiten einer Dunkelflaute.                                     

Netzersatzanlagen

Netzersatzanlagen, auch Notstromaggregate genannt, sind derzeit in Deutschland mit einer Gesamtleistung von 10.000 bis 20.000 MW installiert. Obwohl sich diese aufgrund der hohen Energierzeugungskosten 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 beispielweise während einer Dunkelflaute, reduzieren Stromverbraucher freiwillig und ökonomisch motiviert ihre Nachfrage. 

Power-to-Gas- und Power-to-Heat-Anlagen

Große Potentiale bieten Power-to-Gas (P2G) und Power-to-Heat (PTH)-Anlagen, die flexibel günstige überschüssige Wind- oder Solarenergie in Form von Wasserstoff oder thermischer Energie speichern können. Power-to-Gas-Anlagen haben großes Potential um zur Versorgungssicherheit beizutragen, jedoch scheitert es heute noch an den regulatorischen Rahmenbedingungen. Zusätzlich legt die Bundesregierung bis 2030 keinen Technologiefokus auf P2G-Lösungen zur Überbrückung von Dunkelflauten, vielmehr ist eine Nutzung in Projekten zur Sektorkopplung im Verkehrssektor angedacht.

Batteriespeicher

Batteriespeicher können ebenfalls zu einer Überbrückung der Dunkelflaute beitragen, in einigen Pilotprojekten werden Großspeicher mit mehreren Megawatt Kapazität realisiert. Batteriespeicher dieser Größenordnung sind jedoch mit hohen Investitionskosten verbunden, der Markt befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium.  Nach konservativen Hochrechnungen von 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 im Aufbau befindliche Elektromobilität bieten.

Fazit: Die Dunkelflaute kann „unkonventionell“ überwunden werden

Durch eine Kombination der verschiedenen, vorgestellten Strategien kann der Einsatz von konventionellen Kraftwerken im Fall einer Dunkelflaute zukünftig überflüssig sein. Dazu müssen jedoch konsequent Flexibilisierungsoptionen ausgebaut werden. Klar ist: Von heute auf morgen lässt sich der Einsatz konventioneller Kraftwerke zum Ausgleich von Dunkelflauten nicht vermeiden. Es ist jedoch auch nicht so, dass von heute auf morgen ausschließlich Erneuerbare Energien in Deutschland vorhanden sein werden – mit dem sukzessiven Ausbau steigt jedoch die Vielfalt und Leistungsfähigkeit der Ausweichoptionen. 

Wir glauben, dass in einem absehbaren Zeithorizont auf konventionelle Kraftwerke verzichtet werden kann. 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, hat unter anderem eine Studie von Energy Brainpool im Auftrag von Greenpeace Energy 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.