Wieviel Ökostrom benötigen wir für 100% Ökostrom?

In meinem letzten Artikel ging es um Speicheranlagen, die wir für die Energiewende benötigen. Ich habe immer wieder den Eindruck, dass den meisten Leuten nicht einmal ansatzweise bewusst ist, um welche Dimensionen es dabei geht. Und noch weniger scheint ihnen klar zu sein, wie viel Leistung aus Ökostromquellen man benötigen würde, um diese Speicher zunächst zu füllen.

Im vergangenen Jahr wurde der Solardeckel abgeschafft. Vorher gab es viel Kritik an ihm. Das klang oft so, als dürften ab der installierten Gesamtleistung von 52 GW Photovoltaik (PV) keine weiteren Anlagen gebaut werden. Stimmte aber nicht – jeder hätte auch weiterhin PV-Anlagen errichten können, es sollte nur keine staatliche Förderung mehr dafür geben. Auch aus der Windenergiebranche gab es vorher ähnliche Beschwerden, denn die Änderung des EEG im Jahr 2017 [1] sorgte dafür, dass die Subventionen für Windkraftanlagen (WKA) sanken. Es werden noch Fördermittel für neue Anlagen gezahlt, aber es unterliegt nun auch marktwirtschaftlichen Regeln, denn es erhält der Anbieter den Zuschlag, der die geringste Förderung verlangt. Seitdem ist der Ausbau von WKA deutlich eingebrochen.

Aber es soll hier nicht um den Sinn von Subventionen gehen. Ende 2020 waren in Deutschland PV-Anlagen mit einer Gesamt-Nennleistung von 54 GW installiert, die installierte Gesamtleistung von WKA lag bei 59,7 GW (davon 7,74 GW offshore) [2], [3], [4].

Das sind insgesamt 113,7 GW Leistung aus regenerativen Energiequellen. Wenn man das mit unserer bisherigen Kraftwerksleistung vergleicht, ist das eine ganze Menge. Der Stromverbrauch in Deutschland lag in den letzten Jahren durchschnittlich bei etwa 68,5 GW und erreicht Spitzenwerte von fast 80 GW. Sollten 114 GW Ökostromleistung dafür nicht allmählich ausreichen? Unsere bisherigen Kraftwerke hatten eine geringere Gesamtleistung.

Solarenergie

Warum reicht das nicht? Das liegt daran, dass bei PV und WKA die installierte Leistung zu selten genutzt wird. Betrachten wir zunächst die Solarenergie mit ihren 54 GW: Thermische Kraftwerke könnten mit 54 GW Leistung 473 TWh im Jahr produzieren (54 x 24 x 365 /1000).

2020 wurde mit PV 50,6 TWh produziert [4]. Das deckt sich mit üblichen Angaben zu PV [7], entspricht aber nur etwa einem Zehntel (10,7%) der Energie, die thermische Kraftwerke mit gleicher Leistung in derselben Zeit produzieren können. Bei Letzteren müsste man zwar noch die Zeiten abziehen, in denen sie wegen Wartungsarbeiten oder sonstigen technischen Gründen keinen Strom produzieren, aber allgemein ist die Verfügbarkeit thermischer Kraftwerke sehr hoch. Beispielsweise hatten unsere noch aktiven Kernkraftwerke zuletzt Verfügbarkeiten zwischen 91 – 95 % (bis auf eine Ausnahme mit nur 79 %) [8].

So gesehen entsprechen unsere 54 GW PV lediglich knapp 6 GW herkömmlicher Kraftwerkstechnik. Angenommen, wir wollten unseren Strombedarf nur aus PV abdecken und hätten verlustfreie Speicher für die zeitliche Verteilung der Energie, dann würde es nicht ausreichen, nur 68,5 GW (deutscher Durchschnittsverbrauch) zu installieren, sondern wir müsste fast das 10fache aufbauen. Das wären mit den genauen Werten 640 GW. Eine Studie des Fraunhofer-Institutes ergab für Deutschland eine für Photovoltaik nutzbare Gesamtfläche, die 400 GW ergeben würde. Allerdings wurden hier zusätzlich nutzbare Freiflächen wie Äcker nicht erfasst, denn: „Inwieweit das Freiflächenpotenzial genutzt wird ist stark davon abhängig mit welchen anderen Technologien oder Nutzungsformen die solaren Anlagen konkurrieren würden.“

Diese notwendige Leistung ist aber noch nicht alles. Mit beachtet werden muss der Wirkungsgrad von Speichern.

Windkraft

Zum Glück haben wir aber nicht nur PV, sondern auch Windkraft. Bei ihr sieht es schon besser aus. Der aktuellste verfügbare Windreport des Fraunhofer IWES [9] gibt an: 2018 wurden onshore über 94 TWh Windstrom in das deutsche Stromnetz eingespeist, aus offshore-Quellen 20,6 TWh. Die installierte Leistung betrug damals an Land 53,3 GW und offshore 6,3 GW (ges. 59,6 GW).

Mit 59,6 GW könnten thermische Kraftwerke (wenn man Einschränkungen der Verfügbarkeit ignoriert) 522 TWh im Jahr produzieren. Die WKA kamen mit dieser Leistung nur auf 115 TWh, also 21,9 % des theoretisch Möglichen. In früheren Jahren lag das unter 20 %. Es dürfte am Ausbau der offshore-Leistung liegen, da diese WKA mit den genannten Daten auf mehr als 37 % ihres theoretisch möglichen Ertrags kamen.

Im Vergleich entspricht die gelieferte Energie der WKA mit 59,6 GW dem, was thermische Kraftwerke mit 13 GW schaffen würden. Mit WKA müssten wir also „nur“ etwa die fünffache Leistung unseres Bedarfs aufbauen, wenn wir uns komplett mit Windenergie versorgen wollten. Im Vergleich zur Solarenergie müssten wir für unsere durchschnittlich benötigte Leistung von 68,5 GW immerhin nicht mehr 640 GW installieren, sondern wir würden mit ca. 310 GW auskommen.

Dieses Potential haben wir in Deutschland aber gar nicht. Berechnungen des Fraunhofer IWES im Windenergiereport Deutschland ergaben für Deutschland onshore ein Potenzial von ca. 200 GW und offshore von ca. 85 GW.

Doch da war ja noch das mit der Speicherung.

Update: 2020 lag der Ertrag aus Windenergie bei ca. 132 TWh (davon offshore 27 TWh. Installierte Leistung: gesamt 62,38 GW, davon onshore 54,64 GW, offshore 7,74 GW (Stand Ende Oktober 2020). Damit produzierten WKA 24 % der Energie, die mit 62,38 GW konventioneller Kraftwerke möglich wäre. Quelle: Pressemeldung Fraunhofer ISE.

Speicher

Seit dem Start der Energiewende war immer klar, dass wir Speicher benötigen würden. Es war auch immer klar, dass die vorhandenen Technologien für die benötigten Mengen niemals ausreichen würden. Vom Wirkungsgrad her wären Akkus am besten geeignet, aber nicht einmal das mehrfache der weltweiten Jahresproduktion würde dafür reichen, in Deutschland wenigstens für kurze Zeit elektrische Energie speichern zu können. Ich hatte es hier einmal vorgerechnet.

Als Bürger bekam man in den letzten 20 Jahren nicht das Gefühl, dass die Politik besonders aktiv sei, um das Problem zu lösen. Von Instituten und Firmen wurde zwar auf dem Gebiet der Energiespeicher viel geforscht (übrigens auch bei uns in Dresden), aber ein Durchbruch zeigte sich nicht. In der letzten Zeit scheint dadurch bei einigen Verantwortlichen eine gewisse Unruhe entstanden zu sein – seitdem ist der Wasserstoff-Hype bei uns ausgebrochen.

Ich will hier keineswegs behaupten, dass diese Idee nicht funktionieren würde. Selbstverständlich funktioniert es. Wie Elektrolyse funktioniert, also die Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser, ist schon lange bekannt. Dass bei der entgegengesetzten Reaktion mit Sauerstoff Energie frei wird, ist ebenfalls schon lange bekannt. Auch die Brennstoffzelle wurde schon vor erstaunlich langer Zeit erfunden. Das alles funktioniert. Man kann mit Elektroenergie Wasser aufspalten, den Wasserstoff speichern und anschließend wieder zur Gewinnung von Elektroenergie nutzen. Gar kein Problem.

Wasserstoff: ja, aber …

Allerdings weiß man auch, dass man zum Trennen von Wasserstoff und Sauerstoff mehr Energie zuführen muss, als man später zurück erhält. Man weiß, dass Elektrolyse zwar einen guten Wirkungsgrad haben kann, dass er aber im praktischen Einsatz doch begrenzt ist. Dasselbe betrifft Brennstoffzellen. Man weiß, dass einzelne Wirkungsgrade sich in der gesamten Kette der Verarbeitung multiplizieren, wodurch der Gesamtwirkungsgrad viel kleiner werden kann. Man weiß, dass Wasserstoff im gasförmigen Zustand pro Volumeneinheit nur eine geringe Energiedichte hat. Wasserstoff lässt sich nicht einfach durch Rohrleitungen transportieren, denn molekularer Wasserstoff ist das kleinste aller Moleküle und durchdringt deshalb die meisten Materialien. Man muss Wasserstoff deshalb hoch verdichten und in geeigneten Behältern lagern. Das erfordert Energie, was den Wirkungsgrad weiter senkt.

Ausführlicher beschrieben ist das Ganze hier [10] und auch hier [15]. Es läuft darauf hinaus, dann man nur ein Viertel bis ein Drittel der ursprünglichen Energie zurück erhalten wird. Man sollte sich dabei nicht von Aussagen irritieren lassen wie „Elektrolyse hat 85 % Wirkungsgrad“. Die Elektrolyse ist nur ein Teil der Gesamtkette. Außerdem erreicht man 85 % nur bei Elektrolyse mit geringen Energiedichten. In der Praxis müssen aber große Energiemengen umgesetzt werden.

Wirtschaftlich ist die Wasserstoffgewinnung mit Elektrolyse nicht, deshalb wird sie industriell auch kaum angewendet. Wasserstoff lässt sich zu einem Drittel der Kosten aus Erdgas gewinnen [14]. Außerdem wäre es nicht wirtschaftlich, Elektrolyse-Anlagen immer nur gelegentlich in Betrieb zu nehmen, wenn gerade Windüberschuss herrscht. Industrieanlagen lässt man möglichst durchgängig laufen.

Eine Fläche, größer als Mecklenburg-Vorpommern

Was bedeutet das nun für unser Ziel, in absehbarer Zeit mit 100 % Ökostrom auskommen zu wollen? Angenommen, unser Speichersystem mit Wasserstoff käme auf einen sehr optimistischen Wirkungsgrad von 33 % – dann müssten wir also dreimal so viel Energie zuführen, wie wir nachher zurück erhielten. Das würde bedeuten, dass wir die vierfache Menge der Leistung installieren müssten, die zur Deckung unseres durchschnittlichen Bedarfs notwendig ist: Ein Viertel würde in der Zeit aktiver Energiequellen (Wind, Sonne) unseren unmittelbaren Bedarf liefern, die anderen drei Viertel würden gleichzeitig die Speicher füllen für die anschließende Zeit ohne Wind und Sonne.

Zugegeben: Das ist sehr vereinfacht. Denn hier wird davon ausgegangen, dass in 50 % der Zeit Wind & Sonne vollständig nutzbar sind und in der anderen Zeit gar nicht. Bei reiner Nutzung von Solarenergie würde das der Realität allerdings nahekommen. Nachts ist der Energiebedarf zwar geringer, aber dafür wird auch abends nach Sonnenuntergang noch Energie benötigt.

Bildquelle: energy-charts.info

Würden wir in Deutschland ausschließlich Photovoltaik nutzen, müssten wir also nicht nur 640 GW, sondern sogar 2.560 GW installieren. Dafür würde man eine Fläche benötigen, die größer ist als Mecklenburg-Vorpommern.

Das ist zum Glück nur ein theoretischer Fall, verdeutlicht aber die Dimensionen. Außerdem ist PV sowieso keine Option für uns, denn im Winter kann sie kaum etwas beisteuern. Deshalb ist der Ausbau der Windkraft bei uns auch viel wichtiger als der von Solarenergie.

Für Windkraft lässt sich nicht so einfach aussagen, das wie vielfache der installierten Leistung wir benötigen, denn es hängt davon ab, wie sich die Windstärken in jedem Jahr entwickeln. Angenommen, der Ausbau von WKA auf die vollständig benötigten 310 GW wäre abgeschlossen. Weiterhin angenommen, man hätte einen Zeitabschnitt mit nur geringen Differenzen der Windstärke. Die Stromproduktion wird in der Grafik von der blauen durchgezogenen Linie dargestellt, unser Bedarf von der Markierung „Ø“. Damit die grüne Fläche „Überschuss“ dreimal so groß wird wie die rote Fläche „Speicherbedarf“, müsste man die Anzahl von WKA nur noch gering erhöhen (blaue gestrichelte Linie).  

Das würde aber nur bei häufig vorhandenem stetigen Wind funktionieren, was in der Realität nicht dauerhaft gegeben ist. Für die Überwindung längerer Windpausen reicht ein geringer Ausbau nicht. Wenn die Zeiten guter Windausbeute kürzer ausfallen als die der Windpausen, kann man auch auf höhere benötigte Leistungen kommen als den vierfachen Durchschnittsbedarf.

Für die Mindestmenge der zu installierenden Leistung lässt sich aber abschätzen, dass sie das Doppelte des Durchschnittsbedarfs betragen müsste. Für WKA wird allgemein angegeben, dass sie durchschnittlich während drei Vierteln der Zeit Strom ins Netz einspeisen [11]. In einem Viertel machen sie das also nicht. Damit in dieser Zeit aus einem Speicher Strom geliefert werden kann, muss dem Speicher vorher die dreifache Menge eingespeist werden. WKA müssen daher in den drei Vierteln ihrer aktiven Zeit sechs Viertel des Bedarfs liefern, also das Doppelte.

Und das ist noch nicht alles …

Bisheriges Fazit: 620 GW Windkraft müssten installiert werden. Vielleicht etwas weniger, wenn man es mit noch mehr Photovoltaik kombiniert. Das Fraunhofer-Institut kam in einer Beispielrechnung nur mit 500 GW aus …

Quelle: Fraunhofer ISE, „Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem“, Abb. 10, S. 31

… aber das ist auch sehr viel und damit liege ich mit meinen Berechnungen immerhin nicht völig falsch. Benötigt werden zusätzlich entsprechend viele große Elektrolyse-Zentren. Das klingt sehr ambitioniert. Leider fehlt hier noch eine ganze Menge. Wir wollen unseren Verkehr auf Elektromobilität umstellen. Das wird die benötigte Energiemenge weiter erhöhen.

Und dann sind da noch die energieintensiven Industrien, die wir mit Hilfe von grünem Wasserstoff klimaneutral machen wollen. Der soll mit regenerativen Quellen erzeugt werden. Die Chemieindustrie ist nur einer dieser Industriebereiche. Ihr Sprecher erklärte kürzlich [13]:

„Allein unsere Branche benötigt für das neue Ziel mehr Strom, als Deutschland derzeit insgesamt verbraucht. Und zwar als Grünstrom, rund um die Uhr, zu wettbewerbsfähigen Preisen nicht nur an der windreichen Küste, sondern an allen Standorten im Land.“

Nach realistischen Zielen klingt das nicht direkt. Das wird noch spannend.


Quellen

[1] EEG 2017

[2] Bundesverband Windenergie: Zahlen und Fakten

[3] Energy Charts: installierte Leistung und Produktion 2020 Solar & Wind

[4] Fraunhofer: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland

[5] Umweltbundesamt: Stromverbrauch in Deutschland

[6] Agorameter

[7] EON: Wie hoch ist der durchschnittliche PV-Ertrag einer Solaranlage?

[8] Verfügbarkeit von Kernkraftwerken im Jahr 2020

[9] Fraunhofer IWES: Windenergie Report Deutschland 2018

[10] Gesamtwirkungsgrad Elektrolyse bis Brennstoffzelle

[11] Ab welcher Windgeschwindigkeit dreht eine Windenergieanlage?

[12] Enercon: Technische Daten von WKA

[13] WELT, 12.05.2021: Die Kosten des Klimaschutzes sollen die Bürger erst nach der Wahl erfahren

[14] FAZ, 21.02.2018: Am Ende kommt der Wasserstoff

[15] Wasserstoff, Energieträger der Zukunft. Oder?

[16] Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE: Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem


Weitere Artikel zu diesem Thema

Deutschlandfunk, 09.05.2021: Küste oder Wüste? „2026 will ThyssenKrupp seinen ersten Hochofen durch eine Wasserstoff-Anlage ersetzen, die anderen sollen nach und nach folgen (…). Der Bedarf an Wasserstoff wäre beträchtlich. „In Summe brauchen wir dann etwa eine Million Tonnen Wasserstoff jährlich (…) Rein rechnerisch bräuchte es 3800 neue Windräder, um den Wasserstoff für die Anlagen in Duisburg herzustellen.

6 Kommentare:

  1. Ich sehe da ehrlich gesagt keine Probleme.
    Die energieintensive Industrie kann ins (europäische) Ausland abwandern wo Strom dank Wasser- oder Atomkraft billig ist (Frankreich, Norwegen, Schweden), oder wo Gas (z.B. Texas, Norwegen) gefördert wird.
    Beim verbleibenden Strommangel kann der aus dem Ausland (z.B. Polen oder Frankreich) importiert werden.
    Wer ein Eigenheim hat kann sich Photovoltaik aus Dach setzen und einen Speicher kaufen. Die bisherige Ölheizung kann man durch ein kleines Blockheizkraftwerk / eine Brennstoffzelle (Gas oder Öl) ersetzen, das im Winter Wärme liefert und zur Not auch Strom erzeugt.
    Zusätzlich kann man den Verbrauch noch steuern und z.B. Warmwasser elektrisch erzeugt wenn der Strompreis gerade günstig ist.

  2. Bei den ersten zwei Sätzen dachte ich, das sei ironisch gemeint. Anscheinend doch nicht. Aber super, wenn das so einfach ist.

  3. Nicht ironisch, nur realistisch.
    Steigende Preise für Strom und CO2 werden vermutlich diesen Effekt für die Großverbraucher haben, d.h. Verbraucher wandern ab.
    Selbst wenn der Ausbau der Windkraft und Großspeichern unerwartet schnell passiert wird das an den steigenden Preisen nichts ändern.
    IMHO wird deswegen der Verbrauch in Deutschland nicht in dem Maß steigen wie man es aus dem jetzigen Primärenergieverbrauch ableiten kann.
    Steigende Kosten für Windkraft & Speicher die auf den Preis umgelegt werden sollen, aber eine sinkende innerdeutsche Nachfrage nach Strom werden den Preis noch zusätzlich erhöhen.

    Die staatliche Förderung von privater Photovoltaik, privaten Batteriespeichern, modernen Heizsystemen, ect… wird in den nächsten Jahren auch ausgeweitet werden (siehe diverse Wahlprogramme), was den Verbrauch noch weiter senkt.
    Wer ein Eigenheim besitzt, das Geld für Investitionen hat und nicht gerade in der energieintensiven Industrie arbeitet kann davon durchaus profitieren.
    Wer zur Miete wohnt und/oder in dieser Industrie arbeitet wird nicht davon profitieren. Aber das dürfte allen klar sein.

  4. Ich sehe da ehrlich gesagt keine Probleme.

    Ich auch nicht.

    Die energieintensive Industrie kann ins (europäische) Ausland abwandern wo Strom dank Wasser- oder Atomkraft billig ist .

    Warum nur die energieintensive?
    Die ganze Industrie kann weg, die braucht kein Mensch.

    Den Strom und die Konsumgüter kaufen wir dann von den Steuern, die die Gleichstellungs-, Rassismus und Wasweißichfür-Beaufragtinnen, die Theaterwissenschaftler, Genderprofessorinnen, Soziologen und Sozialpädagogen zahlen. Was übrig bleibt wird verwendet für

    Die staatliche Förderung von privater Photovoltaik, privaten Batteriespeichern, modernen Heizsystemen, ect…

  5. Was mich so wundert ist, daß der Zug weitersollt, obwohl jeder, der die Zahlen nachschlägt, sich in wenigen Minuten ausrechnen kann, daß die „Energiewende“ ohne gigantische Speicher in einem Industrieland nicht zu machen ist. Und daß die möglichen Speichertechnologien nicht über einige Vorversuche hinausgekommen sind, geschweige denn rechtzeitig zur Verfügung stehen werden.
    In diesem Land wird häufiger so getan, als ob man die Früchte eines Baumes bereits verzehren kann, bevor man ihn überhaupt gepflanzt hat, nur weil das Konzept „Obstbaum“ bekannt ist.
    Ebenfalls scheint es wenig hilfreich, den astronomischen Stromverbrauch der „Verkehrswende“ auf die scheiternde Elektrizitätsversorgung draufzusatteln. Insgesamt sieht dies eher wie ein Konzept zur Deindustrialisierung durch Enegieverknappung aus als irgendeine „Wende“.

  6. @Thomas Pauli
    Mich wundert gar nichts mehr.
    Hier geht es nicht um Elektrizitätsversorgung, sondern um Ideologie.
    Mag ja sein das die Folgen dieser Energiewende eine schleichende Deindustrialisierung sein werden, aber das wird nur wenige Wähler direkt in Form von Arbeitsplatzverlusten betreffen.
    Wenn dann die indirekten Folgen auftreten (sinkende Steuern & sinkede Einnahmen bei den Sozialversicherungen) wird sich sicher ein anderer Schuldiger finden lassen.

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