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Erneuerbare Energien

Wie weit ist Deutschlands Energiewende?

Beim elektrischen Strom kommt die Umstellung auf erneuerbare Energien in Deutschland voran, hat aber noch entscheidende Schwächen. Der richtige Mix, gute Speichertechnologien und eine europaweite Vernetzung sorgen für hohe Stabilität. Hier und da hat die Sonne allen anderen Energieerzeugungsarten den Rang schon abgelaufen.
Windrad und Solarzellen ergänzen sich auf einer Wiese

Für Sonnenfreunde und Wärmeliebhaber kam der 27. Mai 2017 der Idealvorstellung eines Sommertages wohl ziemlich nahe: In weiten Teilen Deutschlands trübte kaum ein Wölkchen den Himmel. Die Sonne trieb in dieser Jahreszeit das Thermometer problemlos auf 25 Grad Celsius an den Küsten von Nord- und Ostsee, auf 28 Grad im Osten des Landes und auf 30 Grad im Westen und Süden. Die vielerorts gemessenen 15 oder 16 Sonnenstunden an einem einzigen Tag begeisterten auch die Betreiber von Fotovoltaikanlagen, deren Solarzellen Rekorderträge einfuhren: So kam durch die Sonnenenergie um 13 Uhr eine Leistung von satten 28 Gigawatt ins Netz. Zum Vergleich: Die damals noch betriebenen acht deutschen Kernkraftwerke konnten zusammen im besten Fall nicht einmal elf Gigawatt liefern. »42 Prozent der gesamten Stromerzeugung Deutschlands kam zu diesem Zeitpunkt von der Fotovoltaik«, so Bruno Burger vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in einer Studie.

Das sollte nicht der letzte Rekord im Jahr 2017 sein. Im Juni 2017 lieferten die Solarzellen mehr Elektrizität als die Steinkohlekraftwerke ins Netz. Und im gesamten Jahr meldeten die Zähler 38,4 Milliarden Kilowattstunden durch Fotovoltaikanlagen. Damit hatten Sonnenenergieanlagen sieben Prozent des Stroms geliefert, der an deutschen Steckdosen ankam.

Diesen Wert toppte die Windenergie mit einem Anteil von 18,8 Prozent und insgesamt 103,6 Milliarden Kilowattstunden locker. Am 28. Oktober 2017 fluteten die Windräder um 20.15 Uhr gleich nach der Tagesschau die deutschen Stromnetze mit rund 40 Gigawatt. Insgesamt sicherten sich die Windräder 2017 erstmals den zweiten Platz in der deutschen Stromproduktion, nur die Braunkohlekraftwerke lieferten mit 133,7 Milliarden Kilowattstunden und einem Anteil von 24,3 Prozent noch mehr Strom – und verhagelten so natürlich die Klimabilanz erheblich: Nach Angaben des Umweltbundesamts in Dessau (UBA) emittierten die Braunkohlekraftwerke im Jahr 2016 für jede einzelne Kilowattstunde Strom 1151 Gramm Kohlendioxid.

Kernkraft auf Platz vier

Den dritten Platz belegten die Steinkohlekraftwerke mit 15,2 Prozent Anteil am deutschen Strom und 83,4 Milliarden Kilowattstunden. Dabei wurden bei jeder Kilowattstunde laut UBA 863 Gramm Kohlendioxid frei. Platz vier ging an die letzten acht Kernkraftwerke in Deutschland – seit der Reaktor Grundremmingen B an Silvester 2017 vom Netz ging, sind es nur noch sieben. Insgesamt lieferten die Atommeiler 72,1 Milliarden Kilowattstunden und sicherten so 13,1 Prozent des Stroms.

Auf dem fünften Platz kommt mit der Biomasse wieder eine erneuerbare Energie, die mit 47,7 Milliarden Kilowattstunden immerhin für 8,7 Prozent des Stroms in Deutschland verantwortlich zeichnete. Damit schlägt die Biomasse knapp die Gaskraftwerke, die mit 45,7 Milliarden Kilowattstunden 8,4 Prozent Stromanteil hatten. Pro Kilowattstunde wurden dabei laut UBA 391 Gramm Kohlendioxid frei. Die Gaskraftwerke sind also die treibhausgasgünstigsten fossilen Kraftwerke in Deutschland. Platz sieben war der Solarenergie vorbehalten, und die Wasserkraft bildete mit 20,9 Milliarden Kilowattstunden und einem Anteil von 3,9 Prozent das deutsche Schlusslicht.

Insgesamt kamen die erneuerbaren Energien auf rund 210 Milliarden Kilowattstunden und 38 Prozent der öffentlichen Nettostromerzeugung und damit des elektrischen Stroms, der aus deutschen Steckdosen floss. In der Bruttostromerzeugung, bei der zusätzlich die Elektrizität gezählt wird, die betriebseigene Kraftwerke im Gewerbe und in Bergwerken erzeugen, sowie die von Kraftwerken selbst verbrauchte Energie, kamen die erneuerbaren Anlagen 2017 immerhin auf rund 35 Prozent Anteil im deutschen Strommarkt.

Schwankende Erfolgsstory: Wind und Sonne nicht zuverlässig

Insgesamt sieht das nach einer tollen Erfolgsstory für die nachhaltigen Elektrizitätsversorger aus: Lag ihr Anteil im Jahr 2002 doch noch bei kärglich anmutenden 8,8 Prozent des an deutschen Steckdosen ankommenden Stroms und stieg dann auf 19,3 Prozent im Jahr 2010 bis auf 38,3 Prozent im Jahr 2017. Die Energiewende scheint im Bereich des elektrischen Stroms auf einem guten Weg zu sein. Allerdings verläuft diese Entwicklung nicht etwa geradlinig, sondern mit starken Schwankungen. So stieg der Anteil der Erneuerbaren beim Bruttostromverbrauch von 31,5 Prozent im Jahr 2015 auf gerade einmal 31,7 Prozent 2016, um im Folgejahr 2017 auf 35 Prozent hochzuschnellen. Das Bundeswirtschaftsministerium nennt auch den Grund für diese Unterschiede: 2016 wehte im Land schlicht deutlich weniger Wind als 2015, und weniger Sonnenschein gab es ebenfalls. 2017 frischte der Wind dagegen im Jahresdurchschnitt deutlich auf, und die Sonne verwöhnte das Land ebenfalls häufiger. Dazu kommen natürlich noch sehr kurzfristige Schwankungen: An einzelnen Tagen und zu bestimmten Zeiten scheint die Sonne mal mehr und mal weniger; in der Nacht fällt diese Energiequelle ohnehin ganz aus.

Auch der Wind weht mal stärker und mal schwächer. Daher erreichten Windkraftanlagen 2017 zum Beispiel im Havelland westlich von Berlin übers Jahr betrachtet gerade einmal 16 Prozent der Energie, die bei voller Leistung möglich wären. Weil der Wind auf dem Meer regelmäßiger und normalerweise auch stärker weht, fallen dort die Schwankungen viel schwächer aus, und insgesamt können die Anlagen dort folglich erheblich mehr Energie als an Land ernten. Tatsächlich erreichten die Off-Shore-Windkraftanlagen vor den deutschen Küsten nach den Berechnungen des Fraunhofer ISE 41,8 Prozent der Energie, die bei voller Leistung im Jahr möglich wäre.

»Braunkohlekraftwerke sind schmutzig und unflexibel. Sie sollten daher als Erstes vom Netz genommen werden«(Bruno Burger)

Allerdings schlagen Kernkraftwerke die Off-Shore-Windenergieanlagen in dieser Hinsicht klar. Sie kamen 2017 auf 76,2 Prozent der Energie, die bei Dauerbetrieb und ohne Wartungsintervalle theoretisch möglich sein sollten. Auch die als Kohlendioxid-Schleudern bekannten Braunkohlekraftwerke kamen 2017 in Deutschland auf Werte zwischen 54,8 und 88,5 Prozent ihrer vollen Leistung. Diese hohen Werte sind unter anderem jedoch der Trägheit dieser Kraftwerke geschuldet: Im Regelbetrieb dauert es zum Beispiel schlicht einen halben Tag, um ein Braunkohlekraftwerk hochzufahren. Auf kurzfristige Änderungen beim Stromverbrauch können solche trägen Kraftwerke also gar nicht reagieren und laufen daher normalerweise unter voller Last durch. »Braunkohlekraftwerke sind schmutzig und unflexibel. Sie sollten daher als Erstes vom Netz genommen werden«, so Bruno Burger. Bei der Kernkraft ist dieser Ausstieg längst festgeschrieben, bei der Braunkohle gibt es dafür dagegen noch immer keinen Plan.

Können Erneuerbare die Lücke überhaupt schließen?

Ähnlich wie bei der Windenergie schwankt die Energieernte der Fotovoltaik mit dem Wetter und der Tagesszeit stark. Die Betreiber müssen folglich viel mehr Leistung vorhalten und damit mehr Windräder und Solarzellen installieren, um ähnlich viel Energie wie Kohle- oder Kernkraftwerke zu ernten. So erreichten die Braunkohlekraftwerke ihren Anteil von 24,3 Prozent am Nettostrom im Jahr 2017 mit einer installierten Leistung von 21,29 Gigawatt, und die Kernkraftwerke lieferten 13,1 Prozent des Stroms mit 10,8 Gigawatt installierter Leistung. Die Windenergie benötigte dagegen für 18,8 Prozent der deutschen Elektrizität 50,9 Gigawatt an Land installierter Leistung und zusätzlich noch 5,3 Gigawatt Off-Shore-Leistung. Die sieben Prozent Anteil Sonnenenergie kamen sogar aus 43 Gigawatt installierter Leistung. Grob gerechnet haben also Solarzellenbetreiber die vierfache Leistung von Kernkraftwerken installiert, ernteten damit aber nur die Hälfte des Kernkraftstroms.

Da die Situation bei der Windenergie ähnlich aussieht, stellt sich die Frage, ob eine Umstellung auf eine nachhaltige Elektrizitätsversorgung überhaupt machbar ist. So gehen bis Silvester 2022 die letzten sieben Kernkraftwerke vom Netz, die zusammen rund 9,5 Gigawatt Nettoleistung haben. Um diese Abschaltungen zu kompensieren, sollten demnach rund 75 Gigawatt nachhaltige Stromquellen dazukommen. Da sich die Kapazitäten aus Wasser- und Biomassekraftwerken nach Ansicht sehr vieler Experten nicht nennenswert steigern lassen, müssten sich Sonnen- und Windenergie das Schließen der entstehenden Lücke teilen. Für einen ausgeglichenen Strommix sollten bei der Fotovoltaik und der Windenergie ungefähr die gleiche Leistung installiert werden.

Fotovoltaik
Fotovoltaik | Die Fotovoltaik leidet noch heute unter dem Altmaier-Knick; der damalige Umweltminister war verantwortlich für die Novellierung der Fotovoltaik-Förderung 2012, die nicht bloß die Fördersätze senkte, sondern auch das Ziel formulierte, jedes Jahr nur den Zubau von Solarzellen mit einer Leistung von 2,5 bis 3,5 Gigawatt zu fördern. Damit sollten vor allem die kräftig steigenden Kosten der Energiewende- oder EEG-Umlage auf den Preis des elektrischen Stroms gebremst werden, die private Haushalte und Gewerbe auf jede Kilowattstunde Stromverbrauch zahlen müssen. Wie erwartet, wurde daraufhin deutlich weniger Fotovoltaik installiert – zu wenig, um den Ausstieg aus der Kernkraft zu kompensieren.

Da der Wind im Durchschnitt aus der installierten Leistung doppelt so viel Energie wie die Fotovoltaik gewinnt, würden die Windkraftanlagen so zwei Drittel der Lücke schließen. Dafür sollten von 2018 bis 2022 in jedem Jahr fünf Gigawatt installiert werden. Dazu kommen weitere 2,5 Gigawatt im Jahr, mit denen Kohlekraftwerke ersetzt werden. Unmöglich scheint das nicht, kamen doch im Jahr 2017 an Land und in Nord- und Ostsee Windkraftanlagen mit einer Leistung von zusammen 6,6 Gigawatt dazu. Eine Steigerung um 14 Prozent sollte bei der Windkraft also reichen, um die abgeschalteten Kernkraftwerke zu ersetzen.

Neuer Schwung für die Fotovoltaik

Ganz anders sieht es allerdings bei der Fotovoltaik aus, die ja ein Drittel der Kernenergie-Lücke schließen soll. Auch bei ihr sollten daher jedes Jahr 7,5 Gigawatt Leistung zusätzlich installiert werden. Davon wären fünf Gigawatt für die abgeschalteten Kernkraftwerke und weitere 2,5 Gigawatt als Ersatz für Kohlekraftwerke und damit für die weitere Energiewende. 2017 aber kamen gerade einmal 2,3 Gigawatt Solarleistung dazu, 2016 waren es sogar nur 1,5 sowie 2015 kümmerliche 1,3 Gigawatt Leistungszuwachs. Dabei konnte es die Fotovoltaik schon einmal besser: 2010 wurden Solarzellen mit einer Leistung von zusammen 7,4 Gigawatt installiert, 2011 waren es 7,5 und ein Jahr später 7,6 Gigawatt – also recht genau die heute nötigen Zuwächse, um den Ausstieg aus der Kernkraft zu kompensieren.

Dann jedoch beschlossen die Bundesregierung und der Bundestag im Sommer 2012 eine Novellierung der Fotovoltaik-Förderung, die nicht nur die Fördersätze senkt, sondern auch das Ziel formuliert, jedes Jahr lediglich den Zubau von Solarzellen mit einer Leistung von 2,5 bis 3,5 Gigawatt zu fördern. Damit sollen vor allem die kräftig steigenden Kosten der Energiewende- oder EEG-Umlage auf den Preis des elektrischen Stroms gebremst werden, die private Haushalte und Gewerbe auf jede Kilowattstunde Stromverbrauch zahlen müssen. Wie erwartet, wurde daraufhin deutlich weniger Fotovoltaik installiert – zu wenig, um den Ausstieg aus der Kernkraft zu kompensieren. »Unter diesem Altmaier-Knick, der nach dem damaligen Umweltminister und heutigen Wirtschaftsminister Peter Altmaier benannt ist, leidet die Energiewende bis heute«, so Bruno Burger.

Nach dieser Novelle brach die boomende Solarzellenproduktion in Deutschland ein, von rund 150 000 Arbeitsplätzen in diesem Bereich sind seither mehr als die Hälfte verloren gegangen. Um die Lücke durch den Ausstieg aus der Kernenergie zu schließen, müsste der Zubau an Fotovoltaikanlagen folglich wieder viel stärker angekurbelt werden. »Um den seither versäumten Zubau aufzuholen, sollten 2018 rund sechs und anschließend von 2019 bis 2021 jährlich etwa zehn Gigawatt Solarzellen neu installiert werden«, schlägt Burger vor. Die politische Verantwortung dafür trägt inzwischen wieder Wirtschaftsminister Peter Altmaier, weil die Zuständigkeit für die Energiewende im Dezember 2013 vom Umwelt- ins Wirtschaftsministerium wanderte.

Wie das Klimaziel für 2020 gerettet werden kann

Auch der Schlüssel für ein weiteres gravierendes Problem der Energiewende liegt wohl im Wirtschaftsministerium: Die Klimaziele sehen vor, bis 2020 40 Prozent weniger Kohlendioxid als 1990 auszustoßen. Dieses Ziel ist inzwischen in weite Ferne gerückt; die Bundesregierung widmet sich bereits der Kohlendioxidreduktion um 55 Prozent bis 2030. »Das Klimaziel für das Jahr 2020 liegt aber durchaus noch in Reichweite«, meint Burger.

Dabei denkt der Wissenschaftler an den Stromhandel über die Grenzen Deutschlands hinweg. Wogen sich Import und Export von Elektrizität im Jahr 2003 noch weitgehend auf, hat das Land 2017 rund 54 Milliarden Kilowattstunden Strom in die Nachbarländer exportiert. Rund zehn Prozent des hier produzierten Stroms versorgt demnach die Niederlande, Polen und andere Länder. »Dabei handelt es sich häufig um Strom aus Braunkohle«, erklärt Burger.

Da Braunkohle einen mickrigen Energiegehalt hat, lohnt sich ein weiter Transport nicht. Daher stehen die Braunkohlekraftwerke alle in der Nähe der Tagebaue am Niederrhein, in der Lausitz und in Mitteldeutschland – und produzieren dort relativ billigen Strom. In den Niederlanden wiederum ist der Strom erheblich teurer, weil dort Gaskraftwerke zwar pro Kilowattstunde erheblich weniger Kohlendioxid ausstoßen, aber eben auch teurer sind. Je mehr Strom also hier zu Lande aus Wind- und Sonnenkraftanlagen in die Netze fließt, umso mehr Braunkohlestrom kann in die Niederlande exportiert werden. Deshalb steigt zwar der Anteil der Erneuerbaren an der deutschen Stromproduktion regelmäßig; trotzdem verbessert sich dadurch die Klimabilanz nicht, denn die Braunkohlekraftwerke für den Export laufen weiter.

Die Sondierer einer Jamaika-Koalition aus CDU/CSU, FDP und Grünen hatten sich daher vor dem Platzen der Gespräche im November 2017 relativ leicht auf das Abschalten von Braunkohlekraftwerken mit insgesamt sieben Gigawatt Leistung einigen können: Das wäre rund ein Drittel der gesamten Leistung dieser Kraftwerke gewesen und hätte ziemlich genau dem Exportüberschuss beim elektrischen Strom entsprochen. In Deutschland wären also keine Lichter ausgegangen, und die Klimaziele wären wieder in Reichweite gewesen. Nachdem Ende 2022 dann der letzte Kernkraftreaktor vom Netz genommen wird, könnten durch den weiteren Ausbau von Wind- und Sonnenstromanlagen nach und nach die verbliebenen Braun- und danach auch die Steinkohlekraftwerke vom Netz gehen. Da Letztere nach dem Ende des deutschen Steinkohlebergbaus ohnehin vollständig mit importierter Kohle betrieben werden, verringert sich so auch die Abhängigkeit von importierten Energieträgern weiter: Wind und Sonne liefern schließlich heimische Energien.

Der Strom der Zukunft

Auch der weitere Fahrplan zur nachhaltigen Stromwelt zeichnet sich bereits ab. »Insgesamt benötigt Deutschland Fotovoltaik- und Windkraftanlagen mit einer installierten Leistung von rund 400 Gigawatt, um seinen Bedarf an Elektrizität zu decken«, so Burger. Dabei sollte ungefähr die gleiche Leistung an Wind- und an Sonnenenergie vorgehalten werden. Möglich wäre auch eine leichte Verschiebung zu mehr Fotovoltaik, die zum Beispiel auf 250 Gigawatt installierte Leistung kommt, während die Windkraftanlagen weitere 150 Gigawatt haben.

Diese Werte könnten bis 2050 erreicht werden, wenn jedes Jahr 6,5 Gigawatt Solarzellen neu installiert werden, die schließlich zum Beispiel auf Dächern oder an Fassaden keine Fläche verbrauchen. Dazu käme ein moderater Ausbau der Windenergie von knapp drei Gigawatt Leistung, die jährlich dazugebaut werden sollten. Zusätzlich müssten noch die aus Altersgründen vom Netz gehenden Anlagen ersetzt werden. Im Vergleich mit der aktuellen Situation bliebe damit der Zubau der Windenergie fast konstant, während bei der Solarenergie etwas höhere Zubauraten als in den Jahren 2010 bis 2012 angestrebt werden sollten.

Was aber passiert in einer solchen nachhaltigen Energiewelt der Zukunft, wenn im Winter die Sonne einige Tage allenfalls minimale Energiemengen liefert und die Windkrafträder in einer Flaute stecken? Diese Situation hat der Deutsche Wetterdienst (DWD) mit Hilfe der Wetterdaten der vergangenen beiden Jahrzehnte unter die Lupe genommen. Dabei hatten die Forscher angenommen, dass genug Reserven in Akkus oder als Wasserstoff gespeichert werden, der über die Spaltung von Wasser mit überschüssigem Strom erzeugt wird, um zwei Tage lang eine weit gehende Flaute und den Ausfall der Fotovoltaik mangels Sonnenschein überbrücken zu können. In dieser Zeit liefern dann die Akkus direkt und der Wasserstoff über Brennstoffzellen den fehlenden Strom.

Nach den DWD-Daten hätten die deutschen Windkraftanlagen an Land in den letzten beiden Jahrzehnten jährlich 23-mal für jeweils 48 Stunden in einer solchen Flaute gesteckt. Nehmen die Forscher allerdings die Off-Shore-Windkraftanlagen in Nord- und Ostsee dazu, tritt dieser Fall bloß 13-mal im Jahr auf. Berücksichtigt der DWD zusätzlich die Fotovoltaik, bleiben nur zwei solche Ereignisse im Jahr übrig.

In diesen Fällen aber können häufig andere Länder in Europa helfen, weil in Großbritannien vielleicht der Wind noch weht und in Griechenland oder anderswo die Sonne noch scheint. Umgekehrt würde natürlich auch der deutsche Strommarkt diesen Ländern helfen, wenn dort der Strom knapp wird. Mit einem europaweiten Stromverbund, den es im Prinzip heute schon gibt, würden solche Dunkelflauten ohne Ersatz aus dem Ausland nur einmal alle fünf Jahre auftreten, zeigen die DWD-Ergebnisse. Dann können allerdings Gaskraftwerke einspringen, die als Reserve vorgehalten werden. Wenn diese sogar mit Methan und Wasserstoff betrieben werden, die vorher aus überschüssigem Wind- oder Sonnenstrom hergestellt wurden, wäre die nachhaltige Welt des elektrischen Stroms wohl perfekt.

14/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 14/2018

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