Wie geht es weiter?

Das „Klimaschutzprogramm 2030“ der Bundesregierung aus dem Jahr 2019 [11] sieht den weiteren marktorientierten Ausbau der erneuerbaren Energien als einen entscheidenden Baustein zur Erreichung der Klimaziele an. Die Bundesregierung hat das Ziel vorgegeben, im Jahr 2030 einen Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch von 65 % zu erreichen. Folgende Schritte sind geplant:

Schrittweiser Ausstieg aus der Kohleverstromung mit dem Ziel, die Nennleistung aller stromproduzierenden Kohlekraftwerke (Braun- und Steinkohle; Nettonennleistung am 01.04.2020 20,9 bzw. 22,6 GW [12]) bis 2030 auf 17 GW (Braunkohle 9 GW, Steinkohle 8 GW) zu reduzieren. Diese Vorgabe wurde im Kohleausstiegsgesetz [13] vom Juli 2020 erneut festgeschrieben und weiter präzisiert: bereits mit Ablauf des Jahres 2022 soll die Nettonennleistung der Braun- und Steinkohlekraftwerke auf jeweils 15 GW beschränkt werden. Die Kohleverstromung soll mit Ablauf des Jahres 2038 beendet werden. In den einzelnen Zeitabschnitten soll die Nettonennleistung linear abgesenkt werden.

Kommentar: Der Ansatz des Klimaschutzprogramms [11] und des Kohleausstiegsgesetzes [13] zur Beschränkung der CO2-Emissionen ist grundsätzlich falsch: nicht die Nennleistung der Kohlekraftwerke, sondern ihre Bruttostromerzeugung hätte begrenzt werden müssen, wenn Klimaschutzziele erreicht werden sollen. Über die Anhebung der Volllaststunden kann die Bruttostromerzeugung bei gleichbleibender Nennleistung vergrößert werden und die CO2-Emissionen steigen entsprechend an.

Weder in [11] noch in [13] wird darauf Bezug genommen, dass durch das Abschalten der Kernkraftwerke, die frei von CO2-Emissionen sind, mit Ablauf des Jahres 2022 ihr Anteil an der nicht fluktuierenden Stromerzeugung und damit der stabilen Grundlast entfällt. Wie dieser Beitrag substituiert werden soll, wird nicht diskutiert. Für den Ersatz der elektrischen Energie aus der Kohleverstromung werden dagegen in [11] Vorgaben gemacht, die im Folgenden vorgestellt werden.

1. Neue Abstandsregelungen für Windenergieanlagen an Land sollen ihre Akzeptanz erhöhen

Kommentar: Hier wird ein Problem unberücksichtigt gelassen. Laut Umweltbundesamt beträgt das gesamte Leistungspotenzial der ausgewiesenen Flächenkulisse ca. 80 GW [14]. Dabei gehen die gegenwärtigen Abstände zwischen Siedlungen und WEA ein, welche nur in Bayern durch die 10H-Regel festgelegt sind. Diese besagt, dass zwischen WEA und Siedlungen ein Mindestabstand von zehnmal der Nabenhöhe (H) einer WEA bestehen muss. Bei einer Nabenhöhe von 150 m sind dies 1.500 m; Abweichungen sind auf Antrag möglich. In anderen Bundesländern sind Mindestabstände von 300 m zulässig. Würden bundesweit Mindestabstände deutlich über 300 m festgelegt werden, besteht auf Grund der gegenwärtigen Flächenkulisse für die WEA an Land keine Ausbaumöglichkeit. Die vom Bundestag im Mai 2020 beschlossenen Abstandsregeln für WEA [15] von maximal 1.000 m erlauben jedoch jedem Bundesland, eigene Regelungen zu treffen, sodass auch weiterhin von der in [14] ausgewiesenen Flächenkulisse ausgegangen werden kann.

Gehen wir von dieser ausgewiesenen Flächenkulisse aus, so ist ein Ausbau der installierten Leistung auf 80 GW möglich (echter Zuwachs 27,6 GW); das bedeutet bei einer Effizienz der WEA von 20,1 % eine zusätzliche Energie von 48,6 TWh.

Die im Jahre 2019 in Betrieb genommenen 243 WEA an Land hatten eine durchschnittliche installierte Leistung von 3,3 MW [16]. Um 27,6 GW zu installieren, bedarf es weiterer 8.360 WEA (Bestand 2019: 29.456 WEA).

2. Das Ziel für den Ausbau der Windenergie vor der Küste wird auf 20 GW im Jahr 2030 angehoben

Kommentar: Die Beschränkung der offshore WE auf 20 GW bedeutet einen Zuwachs von maximal 13,6 GW oder, bei einer Effizienz der WEA von 34,4 %, einen Energiebetrag von 41 TWh. Die Deckelung der WEA vor der Küste könnte einen technischen (und in Folge einen finanziellen) Grund haben. Wenn Anlagenbetreiber den generierten Strom nicht ins Netz einspeisen können, weil entweder die Anbindung von offshore WEA an das Stromnetz noch nicht erfolgt ist oder eine Abregelung von WEA bei großen Windstärken nötig ist, führt das auf Grund des EEG 2009 zu einer Entschädigung für die Anlagenbetreiber [16].

Die im Jahre 2019 in Betrieb genommenen 160 WEA vor der Küste hatten eine durchschnittliche installierte Leistung von 6,9 MW [16]. Um weitere 13,6 GW zu installieren bedarf es etwa 1.970 WEA (Bestand 2019: 1.469 WEA).

3. Der derzeit noch bestehende Deckel von 52 GW für die Förderung des Ausbaus von Photovoltaik-Anlagen wird aufgehoben

Kommentar: Der Ausbau der onshore und offshore WEA kann bis zum Jahre 2030 89,6 TWh substituieren. Da die nicht volatilen erneuerbaren Energieträger Wasserkraft, Biomasse, Geothermie und Hausmüll in Deutschland nicht wesentlich ausgebaut werden können, muss auf Photovoltaik zurückgegriffen werden, um weitere EE bereitzustellen. Daher wird der derzeit noch bestehende Deckel von 52 GW für die Förderung des Ausbaus von Photovoltaik-Anlagen aufgehoben. Die vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) zusammengestellten Fakten zur Photovoltaik in Deutschland [17] zeigen, dass in den vergangenen fünf Jahren ein Zubau von 10 GW erfolgte. Ein Zubau von maximal 5 GW pro Jahr wird für möglich gehalten. Dann würden 2020-2030 maximal 55 GW installiert werden können, dadurch würden weitere 56,2 TWh verfügbar werden.

Die geplanten Maßnahmen würden bis 2030 die Verfügbarkeit von 145,8 TWh an elektrischer Energie zur Folge haben. Linear über 11 Jahre verteilt bedeutet dies einen jährlichen Zuwachs von 13,25 TWh.

Welche elektrische Energie ist zu substituieren?

Kernkraftwerke stellen eine stabile Grundlast dar und laufen rund um die Uhr. Sie erzeugten in den Jahren 2017-2019 im Mittel 75,8 TWh [3]. Diese entfallen ab dem Jahr 2023 vollständig. Der Beitrag der im Klimaschutzprogramm [11] geplanten EE-Maßnahmen beträgt nach drei Jahren 39,75 TWh und substituiert nicht den Verlust von 75,8 TWh, der aus dem Abschalten der Kernkraftwerke resultiert.

Schwieriger ist die Abschätzung der elektrischen Energie, die durch das Zurückfahren der Kohleverstromung fehlen wird. Der Energieverbrauch ist nicht konstant, da er von unvorhersehbaren Ereignissen wie Wirtschafts- oder Finanzkrisen, von extremen Großwetterlagen oder einer Pandemie beeinflusst werden kann. Um dennoch eine Vorstellung zur Situation in den Jahren 2023 und 2030 zu erlangen, werden folgende Annahmen gemacht. Für das Jahr 2020 wird von einer Nettonennleistung von 20,9 und 22,6 GW [12] für Braun- bzw. Steinkohleverstromung ausgegangen, die nach Maßgabe des Kohleausstiegsgesetzes [13] von 2020 an bis 2030 reduziert wird. Es wird ferner angenommen, dass in den Jahren 2020 bis 2030 ein gleichbleibender Energiebedarf besteht, der durch eine Bruttostromerzeugung befriedigt werden muss, die so groß ist wie die im Mittel der Jahre 2017-2019 [3], nämlich 140,0 TWh aus Braunkohle, 77,6 TWh aus Steinkohle und zusätzlich 75,8 TWh, die durch das Abschalten der Kernkraftwerke fehlen werden. Es wird also von einer notwendigen jährlichen Bruttostromerzeugung von 293,4 TWh bei gleichbleibender Volllast (Braunkohle: 6.700 h; Steinkohle: 3.430 h; 1 Jahr = 8760 h) ausgegangen. Mit diesen Annahmen folgt für 2023 ein Fehlbetrag von 96,4 TWh und für 2030 einer von 59,8 TWh. Würden Kernkraftwerke weiterhin am Netz bleiben, fehlten 2023 nur 20,6 TWh, während der Ausbau der EE im Jahr 2030 zu einer zusätzlichen Energie von 16,0 TWh führen würde.

Bei dieser Abschätzung wurde unterstellt, dass der notwendige Ausbau von WEA im Umfang von 8.360 WEA an Land und 1.970 WEA vor der Küste realisierbar ist – es wären, auf 11 Jahre gleichmäßig verteilt, 760 bzw. 179 WEA in jedem Jahr. Der tatsächliche Zubau im Jahr 2019 (1. Halbjahr 2020) betrug 243 (90) bzw. 160 (32) WEA [16]. Der im Klimaschutzgesetz [11] vorgesehenen Ausbau der WEA scheint gegenwärtig nicht im vollen Umfang möglich. Der Fehlbetrag in der Stromversorgung ist daher wahrscheinlich noch größer als er im vorigen Absatz abgeschätzt wurde.

Folgerung: Die geplante Substitution der elektrischen Energie, die durch Abschalten der Kernkraftwerke mit Ende des Jahres 2022 und dem Zurückfahren der Kohleverstromung in den Jahren 2020 bis 2030 nötig wird, ist durch EE nicht möglich – die Energieversorgung ist auf dieser Basis nicht sicher.

Sicher ist aber, dass bereits der im Rahmen des Klimaschutzprogrammes angestrebte Ausbau von WEA und PVA bis 2030 auf 96,2 GW (145,8 TWh) schon viel früher zu erheblichen Problemen für die Stabilität der Netze führen wird, da die stabile Grundlast, bereitgestellt durch Kernkraftwerke und Braunkohlekraftwerke, drastisch reduziert werden soll. Um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten gestattet die Bundesnetzagentur gegenwärtig nicht, systemrelevante Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von ca. 4,2 GW endgültig stillzulegen [18].

Sicher ist auch, dass die Sektoren Wärme und Mobilität von dem Klimaschutzprogramm nicht profitieren können, wenn noch nicht einmal die erneuerbaren Energien den Strom aus Kern- und Kohlekraftwerken substituieren können. Die elektrische Energie für 7 bis 10 Mio. E-Autos, die im Jahr 2030 auf deutschen Straßen rollen sollen, ist dann auch nicht verfügbar.

Auswege

Die aufgeführten Zahlen belegen, dass elektrische Energie durch WEA und PVA allein nicht den Wegfall von elektrischer Energie aus Kern- und Kohlekraftwerken, wie er bis 2030 geplant ist, kompensieren kann. Zwar wird es immer wieder Tage mit Starkwind und viel Sonnenschein geben, die zu einem Überfluss an EE führen, aber während Dunkelflauten liefern weder WEA noch PVA elektrische Energie – auch wenn man ihre Anzahl verdoppelt, verzehnfacht oder verhundertfacht.
Der Ausbau der EE über den bisherigen Bestand hinaus ist zudem auf Grund der in Deutschland verfügbaren Flächen für WEA und PVA nur sehr beschränkt möglich [14]. Er würde außerdem wegen des Wegfalls grundlastfähiger Energieträger die Stabilität der Stromnetze auf Höchste gefährden – das Szenario eines blackout nimmt realistische Züge an. Und wenn noch nicht einmal der Stromsektor abgedeckt werden kann, wie sollen dann die Sektoren Verkehr und Wärme befriedigt werden?

Für die Abdeckung des Stromsektors bestehen kurz- und mittelfristige Möglichkeiten. Kurzfristig könnten die Volllaststunden der Kohlekraftwerke erhöht werden, um zu einer besser gesicherten Grundlast beizutragen, ohne die durch das Kohleverstromungsgesetz [13] begrenzte Nettoleistung zu verändern – ein solches Vorgehen konterkariert allerdings die beabsichtigte Verringerung der CO2-Emissionen. Kurz- und mittelfristig müssen Gas- und Dampfkraftwerke eine größere gesicherte Leistung bereitstellen. Der Bau der Gasleitung Nord Stream 2 weist auf die Absicht hin, Deutschlands Versorgung mit mehr Erdgas als gegenwärtig verfügbar ist zu sichern. Der Plan, ein Terminal an einem Nordseehafen (Brunsbüttel, Stade oder Wilhelmshaven) für das Anlanden von Flüssiggas (Liquid Natural Gas, LNG) einzurichten, hat dasselbe Ziel [19]. Der Bau von Gaskraftwerken im großen Maßstab geht gegenwärtig wegen fehlender wirtschaftlicher Attraktivität nur langsam voran [20] – sie werden ja nur bei geringen Erträgen der WEA und PVA als Reservekraftwerke gebraucht.

In diesem Zusammenhang ist es bemerkenswert, im § 54 (1) des Kohleausstiegsgesetzes [13] zu lesen: „Die Bundesregierung überprüft […] die Auswirkungen der Reduzierung und Beendigung der Kohleverstromung auf die Versorgungssicherheit, auf die Anzahl und die installierte Leistung der von Kohle auf Gas umgerüsteten Anlagen […]“. Der Umbau von Kohle- zu Gaskraftwerken wird also explizit in Erwägung gezogen, wenn nicht sogar geplant – dem zu erwartenden Engpass in der Stromversorgung soll somit vorgebeugt werden.

Gaskraftwerke, sowohl Neuinstallationen als auch umgebaute Kohlekraftwerke, wären in der Lage, die Lücke in der Stromversorgung bis 2030 zu schließen. Sie trügen auch zur Netzstabilität bei, wenn sie zur Sicherung der Grundlast eingesetzt würden. Sie sind jedoch wenig geeignet, die CO2-Bilanz entscheidend zu verbessern, denn der Emissionsfaktor von Erdgas von 0,202 t CO2/MWh ist gerade einmal halb so groß wie der von Rohbraunkohle (0,407 t CO2/MWh). Rohsteinkohle liegt mit 0,335 t CO2/MWh etwa dazwischen (zu den Emissionsfaktoren siehe [21]). Es darf obendrein nicht vergessen werden, dass durch die langen Transportwege von Erdgas oder LNG nach Deutschland eine beträchtliche, zusätzliche globale Emissionsbelastung eintritt, die den niedrigeren Emissionsfaktor relativiert. Da der Strom aus Kernkraftwerken (keine CO2-Emission!) voraussichtlich durch Strom von Gaskraftwerken ersetzt werden wird, werden sich die CO2-Emissionen in ihrer Summe, trotz Rückgang der Kohleverstromung, nicht in dem Maße verringern, wie es mit dem Klimaschutzprogramm [11] und dem Kohleverstromungsgesetz [13] beabsichtigt wurde – das Klimaschutzziel wird verfehlt werden.

Langfristig kann eine stabile Versorgung mit elektrischer Energie im heutigen oder im noch größeren Umfang nur durch die Bereitstellung von Speichern gemeistert werden. Die gegenwärtigen Stromflüsse ins benachbarte Ausland entsprechen 69,9 TWh elektrischer Energie. Diese oder noch mehr zu speichern ist eine Herausforderung sondergleichen. Sie anzunehmen lohnt sich aber, denn mit dieser Energiemenge könnte der gesamte Endenergieverbrauch an elektrischer Energie (513 TWh im Jahr 2018 [10]) etwa 50 Tage lang gedeckt werden.

Idealerweise würde aller volatiler EE-Strom zwischengespeichert, um von seiner schwankenden Verfügbarkeit unabhängig zu werden. Diese Speicher müssten zunächst durch Konversion des EE-Stroms beladen und bei Bedarf wieder entladen werden. Zur Konversion bieten sich Power-to-X Anlagen an. Dabei steht X für Wärme, Kälte, Gas (z. B. Wasserstoff), chemische Substanzen oder mechanische Systeme. Speichersysteme können ihrerseits thermisch, chemisch, elektrochemisch (Akkumulatoren, im gängigen Sprachgebrauch: Batterien) oder mechanisch sein. Eine kritische Analyse entlang einer solchen Kette aus Aufladung, Speicherung und Entladung ergibt, dass für jeden einzelnen Schritt Technologien im MWh-Bereich kommerziell zur Verfügung stehen [22], nicht aber im TWh-Bereich. Es fehlt also ein Faktor von einer Million bei der Realisierbarkeit von Speichern für elektrische Energie im notwendigen Umfang.

Die von der Bundesregierung im Juni 2020 ins Leben gerufene Nationale Wasserstoffstrategie (NWS) [23] entwirft das Zukunftsbild einer auf Wasserstoff basierenden Energiewirtschaft. Es wird festgestellt, dass die Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff gegenwärtig nicht wirtschaftlich erfolgt. Dies soll durch umfangreiche finanzielle Maßnahmen behoben werden, durch die der „Markthochlauf von Wasserstofftechnologien in Deutschland“ [23] beschleunigt werden soll. Dazu gehört als besonders dringende Herausforderung die Entwicklung von Elektrolysetechniken, die beim Einsatz von fluktuierenden EE im großtechnischen Maßstab erfolgversprechend angewendet werden können. Energiespeicher auf der Basis power-to-hydrogen vor 2030 in einem Umfang realisieren zu wollen, der Stromexporte hinfällig und den Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft möglich macht, scheint vor dem Hintergrund der gegenwärtigen Verfügbarkeit entsprechender Verfahren [22] als überaus optimistisch.

Fazit

Die Versorgung mit elektrischer Energie im gegenwärtigen Umfang kann bis zum Jahr 2030 durch massiven Einsatz von Gaskraftwerken gesichert werden – diese tragen jedoch zu CO2-Emissionen bei; die angestrebten Klimaschutzziele werden dadurch verfehlt. Der Einsatz erneuerbarer Energien in einem noch größeren Umfang für Elektromobilität und Wasserstoffwirtschaft ist für den Zeitraum bis 2030 unrealistisch – es sei denn, das Speicherproblem würde eher gelöst.

Quellen

(letztmalig aufgerufen am 02.09.2020)

[1] https://www.bgbl.de/xaver/bgbl/start.xav#__bgbl__%2F%2F*%5B%40attr_id%3D%27bgbl100s0305.pdf%27%5D__1572945668092

[2] https://www.clearingstelle-eeg-kwkg.de/sites/default/files/EEG_2009_juris_Stand_091222.pdf

[3] https://www.ag-energiebilanzen.de

[4] https://www.entsoe.eu

[5] https://edition.faz.net/faz-edition/wirtschaft/2019-01-12/0ef138ca4a91f74600c9c37e8a8d9a2d/?GEPC=s2&fbclid=IwAR2Cvpr0Xb4HJYrIm6Xvhws2h5d3B-7GwOZsVsnmLFaR-Jh2I--S0gMEUGY

[6] https://www.handelsblatt.com/unternehmen/energie/energiewende-blackout-gefahr-im-deutschen-netz-wurde-der-strom-knapp/24515468.html?nlayer=Themen_11804704

[7] https://www.tab-beim-bundestag.de/de/pdf/publikationen/buecher/petermann-etal-2011-141.pdf

[8] Zahlenwerte ermittelt von R. Schuster, Vernunftkraft.Landesverband Hessen e. V., basierend auf Daten veröffentlicht unter: https://www.erneuerbare-energien.de/EE/Redaktion/DE/Downloads/eeg-in-zahlen-xls.xlsx?__blob=publicationFile&v=12

[9] https://www.energy-charts.de/exchange_de.htm?source=de_pf&year=2018

[10] https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/energieverbrauch-nach-energietraegern-sektoren

[11] https://www.bundesregierung.de/resource/blob/975226/1679914/e01d6bd855f09bf05cf7498e06d0a3ff/2019-10-09-klima-massnahmen-data.pdf?download=1

[12] https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Sachgebiete/ElektrizitaetundGas/Unternehmen_Institutionen/Versorgungssicherheit/Erzeugungskapazitaeten/Kraftwerksliste/kraftwerksliste-node.html

[13] https://www.bundesrat.de/SharedDocs/beratungsvorgaenge/2020/0301-0400/0392-20.html 

[14] https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikationen/2019-03-20_pp_mindestabstaende-windenergieanlagen.pdf

[15] https://www.sonnenseite.com/de/politik/einigung-beim-windkraft-ausbau-lnder-knnen-bis-zu-1.000-meter-abstand-nehmen/

[16] https://www.windguard.de/veroeffentlichungen.html

[17] https://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/studien/aktuelle-fakten-zur-photovoltaik-in-deutschland.html 

[18] https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Sachgebiete/ElektrizitaetundGas/Unternehmen_Institutionen/Versorgungssicherheit/Erzeugungskapazitaeten/KWSAL/KWSAL_node.html

[19] https://www.sueddeutsche.de/wirtschaft/energie-brunsbuettel-brunsbuettel-deutsche-und-spanier-sollen-lng-terminal-bauen-dpa.urn-newsml-dpa-com-20090101-200625-99-560564

[20] https://www.bdew.de/media/documents/PI_20190401_BDEW-Kraftwerksliste.pdf

[21] https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1968/publikationen/co2-emissionsfaktoren_fur_fossile_brennstoffe_korrektur.pdf

[22] https://www.vgb.org/vgbmultimedia/PT201908PIEPER-p-15598-pk_campaign-vgb_newsletter.pdf

[23] https://www.bmbf.de/files/die-nationale-wasserstoffstrategie.pdf

Begriffsdefinitionen

Die Energiewirtschaft verwendet die Begriffe Strom, Stromerzeugung und Stromverbrauch statt der physikalischen Größen elektrische Energie, Bereitstellung von elektrischer Energie und Nutzung von elektrischer Energie. Auch wird für „Strom“ eine physikalische Einheit der Energie benutzt, nämlich Wattstunden (Wh) oder mit den Tausender-Vorsätzen kWh, MWh, GWh, TWh; dabei steht k für Kilo = Tausend = 10³, M für Mega = Million = 106, G für Giga = Milliarde = 109, T für Tera = Billion = 1012.

Endenergieverbrauch = Bruttostromerzeugung + Eigenverbrauch der Erzeuger + Stromimporte - Stromexporte - Pumpstromverbrauch - Netzverluste - Nichterfasstes.

Die Nennleistung gibt an, bei welcher Leistung ein Kraftwerk in Bezug auf Verschleiß und Energieeinsatz dauerhaft wirtschaftlich und sicher betrieben werden kann. Die Nettonennleistung ist die Leistung aller zu einem gegebenen Zeitpunkt an das Netz angeschlossenen Kraftwerke.

Volllaststunden: rechnerisch ermitteltes Maß zur Beschreibung der Ausnutzung einer Stromerzeugungsanlage. Volllaststunden = Bruttostromerzeugung/Nennleistung der Anlage.

Der Begriff Flächenkulisse bezeichnet die vorliegenden Flächen, welche auf der Ebene der Regionalplanung oder Bauleitplanung für die Errichtung von Windenergieanlagen festgesetzt werden.

Prof. em. Dr. H. Freiesleben, Institut für Kern- und Teilchenphysik, Technische Universität Dresden, hartwig.freiesleben@tu-dresden.de

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