Bewertung von Flexibilitätsoptionen im deutschen Stromsystem 2021 bis 2035 unter Berücksichtigung der Holzverfeuerung
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Inhaltsverzeichnis
erwei+<
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR ANGEWANDTE INFORMATIONSTECHNIK FIT
Bewertung von Flexibilitätsoptionen im
deutschen Stromsystem 2021 bis 2035
unter Berücksichtigung der Holzverfeuerung
Projektgruppe Wirtschaftsinformatik
1
Bewertung von Flexibilitäts-
optionen im deutschen Stromsys-
tem 2021 bis 2035 unter Berück-
sichtigung der Holzverfeuerung
im Auftrag des Naturschutzbundes Deutschland e.V. (NABU)
Autoren
Prof. Dr. Hans Ulrich Buhl, Dr. Michael Schöpf, Paul Schott, Dr. Martin Weibelzahl*, Jan Weissflog
Die Projektgruppe Wirtschaftsinformatik des Fraunhofer FIT vereint die Forschungsbereiche Finanz- und Informations-
management in Augsburg und Bayreuth. Die Expertise an der Schnittstelle von Wirtschaftsinformatik, Energiewirtschaft,
Informationsmanagement und Finanzmanagement sowie die Fähigkeit, methodisches Know-how auf höchstem wis-
senschaftlichem Niveau mit einer kunden-, ziel- und lösungsorientierten Arbeitsweise zu verbinden, sind ihre besonde-
ren Merkmale.
Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT
Projektgruppe Wirtschaftsinformatik
Universitätsstraße 12 Wittelsbacherring 10
86159 Augsburg 95444 Bayreuth
*Ansprechpartner:
Dr. Martin Weibelzahl
martin.weibelzahl@fit.fraunhofer.de
+49 921 55 – 4737
Disclaimer
Die Studie wurde vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT nach bestem Wissen und unter
Einhaltung der nötigen Sorgfalt erstellt.
Fraunhofer FIT, seine gesetzlichen Vertreter*innen und/oder Erfüllungsgehilf*innen übernehmen keinerlei Garantie da-
für, dass die Inhalte dieser Studie gesichert, vollständig für bestimmte Zwecke brauchbar oder in sonstiger Weise frei
von Fehlern sind. Die Nutzung dieser Studie geschieht ausschließlich auf eigene Verantwortung.
In keinem Fall haften das Fraunhofer FIT, seine gesetzlichen Vertreter*innen und/oder Erfüllungsgehilf*innen für jegliche
Schäden, seien sie mittelbar oder unmittelbar, die aus der Nutzung der Studie resultieren.
Empfohlene Zitierweise
Buhl, H. U., Schöpf, M., Schott, P., Weibelzahl, M., Weissflog, J. (2021): Bewertung von Flexibilitätsoptionen im deut-
schen Stromsystem 2021 bis 2035 unter Berücksichtigung der Holzverfeuerung. Projektgruppe Wirtschaftsinformatik
des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT, Augsburg/Bayreuth.
Bildquelle
© https://stock.adobe.com/de/
2
Executive Summary
To reach climate goals set by the Paris climate heat and power plants using biogas. However, as
conference in 2015, Germany aims to achieve a result of the ongoing sector coupling, the cor-
greenhouse gas neutrality by the year 2045 at the responding demand for renewable gas is ex-
latest. Therefore, the German electricity system pected to grow significantly in the next years.
needs to transition from conventional to renewa- Given the simultaneous limited availability of
ble energy sources. The intermittent electricity these renewable gases, their use must, therefore,
feed-in of renewable energy sources requires be prioritized for applications, which cannot or
flexibility options to always ensure the necessary hardly be decarbonized by electrification.
balance of electricity supply and demand. Flexibil-
Based on the findings of our study, we derive
ity options need, in particular, to compensate
seven policy recommendations. First, it is neces-
longer periods – days to weeks – with low elec-
sary to reconsider the undifferentiated classifica-
tricity generation from intermittent renewable
tion of woody biomass as carbon neutral as
energy sources, so-called dark doldrums. Our
passed by the EU in the Renewable Energy Di-
analysis of the intermittent electricity generation
rective II. The type and origin of woody biomass
in the years from 2015 to 2020 reveals a range of
could serve as a basis to differentially assess
a cumulative duration of dark doldrums from
woody biomass with individual CO2 emissions.
1735 to 2947 hours within one year, using the
Second, the energy carriers green hydrogen and
definition of dark doldrums established by the
biomethane used in gas power plants as well as
Deutscher Wetterdienst (less than 10 % feed-in
combined heat and power plants based on biogas
from intermittent renewable energy sources for
are an alternative to wood-fired power plant and
more than two days). As the average share of in-
comprise advantages with regard to CO2 emis-
termittent renewable energy sources is 17,3% of
sions. Nevertheless, the use of these limited en-
their installed capacity, in our analysis we vary the
ergy carriers must be prioritized for alternative use
10 % feed-in threshold. For a value of 6 %, we
cases. Third, the occasional use of woody residu-
observe between 312 to 667 hours, for 8 % be-
als, which cannot be used in wood industry any-
tween 799 to 1502 hours, and for 12 % between
more may be an adequate flexibility option.
2788 to 4714 hours classified as dark doldrums.In
Fourth, there is a need for a portfolio of different
electricity systems, there are different flexibility
flexibility options, whereby interdependencies be-
options that can contribute to the compensation
tween flexibility options must be considered.
of dark doldrums: grid reinforcement, energy
Fifth, choosing a flexibility portfolio can induce
storages, demand-side management, sector cou-
path dependencies in the short- and long-run.
pling, and thermal power plants. Due to the clas-
Subsidizing, e.g., woody biomass for electricity
sification of woody biomass as carbon neutral by
generation can inhibit the deployment of alterna-
the Renewable Energy Directive II passed by the
tive flexibility options and result in a technological
European Union, German coal power plant oper-
bias. A flexibility portfolio for the electricity sys-
ators consider firing woody biomass to provide
tem must be developed without such technolog-
flexibility, especially to compensate dark dol-
ical bias, ensuring technology openness. Sixth,
drums. However, wood exhibits higher specific
electricity prices should reflect the locational de-
CO2 emissions than coal. Forest regrowth can re-
mand and supply as well as grid restrictions in or-
absorb these emissions. Though, to reabsorb the
der to foster a targeted deployment of flexibility
entire emissions of burned wood, it takes decades
options to fit the local needs. Last, as the German
to a century. Moreover, the regrowth is associ-
electricity system is embedded in the intercon-
ated with various uncertainties stemming, for in-
nected European electricity grid, it is necessary to
stance, from possible future droughts. Further-
consider the international perspective for the de-
more, the necessary transport of woody biomass
ployment of flexibility options. Summarizing,
over long distances also implies CO2-emissions.
given an appropriate regulatory framework, a
Overall, the alternative applications of wood in,
flexibility portfolio consisting of alternative flexi-
among others, the furniture industry or the con-
bility options can generally compensate dark dol-
struction industry must be prioritized, as in these
drums without additionally firing woody biomass.
applications the CO2-emissions can be bound for
long periods. Alternative thermal power plants
that can compensate dark doldrums are gas
power plants based on the energy carriers green
hydrogen or biomethane as well as combined
3Inhaltsverzeichnis
Executive Summary ............................................................................... 3
1 Einleitung ......................................................................................... 5
2 Problemstellung ............................................................................... 7
2.1 Status quo – Aktueller Flexibilitätsbedarf in Deutschland ......................................................... 7
2.2 Projektion – Flexibilitätsbedarf bis zum Jahr 2035 ................................................................... 8
2.2.1 Einflussfaktoren auf die Stromerzeugungsseite und deren Auswirkungen ........................... 8
2.2.2 Projektion des Flexibilitätsbedarfs auf das Jahr 2035 ............................................................ 9
2.3 Anforderungen an Flexibilitätsoptionen ................................................................................ 12
2.3.1 Beschreibung der Anforderungsprofile .............................................................................. 12
2.3.2 Weiterführende Analyse des Flexibilitätsanforderungsprofils „Dunkelflaute“ ..................... 12
3 Flexibilitätsoptionen zur Deckung des Flexibilitätsbedarfs ......... 16
3.1 Stromnetz bzw. Netzausbau ................................................................................................. 17
3.2 Energiespeicher..................................................................................................................... 18
3.3 Sektorenkopplung ................................................................................................................ 19
3.4 Nachfrageflexibilität .............................................................................................................. 20
3.5 Thermische Kraftwerke ......................................................................................................... 21
4 Fokusanalyse – Alternative Flexibilitätsoptionen zur
Überbrückung von Dunkelflauten................................................. 24
4.1 Analyse der Holzverfeuerung ................................................................................................ 24
4.2 Analyse alternativer thermischer Kraftwerke als Flexibilitätsoptionen ..................................... 25
4.3 Schlussfolgerung................................................................................................................... 26
5 Mögliche Portfolios an Flexibilitätsoptionen................................ 27
6 Initialanalyse möglicher Pfadabhängigkeiten .............................. 29
7 Abschließende Bewertung und Handlungsempfehlungen .......... 31
7.1 Abschließende Bewertung .................................................................................................... 31
7.2 Handlungsempfehlungen ...................................................................................................... 32
4Einleitung
Strom neben der Deckung des Stromverbrauchs
1 Einleitung durch die sogenannte Sektorenkopplung eben-
Im Jahr 2016 verabschiedete die deutsche Bun- falls in den Bereichen Gebäude, Industrie und
desregierung den sogenannten Klimaschutz- Verkehr verstärkt als regenerativer Energieträger
plan 2050, welcher die klimaschutzpolitischen eingesetzt werden. Durch den Zubau von erneu-
Grundsätze, Ziele und Maßnahmen der Bundes- erbaren Erzeugungseinheiten, vor allem Photo-
regierung zur Umsetzung des Pariser Klimaab- voltaikanlagen (PV-Anlagen) und Windkraftan-
kommens festschreibt. Der Klimaschutzplan gibt lagen, konnte in Deutschland im Jahr 2020 be-
dabei feste Minderungsziele in den Bereichen reits ein Anteil der erneuerbaren Energien an der
Energiewirtschaft, Gebäude, Verkehr, Industrie Nettostromerzeugung von 50,9 % erreicht wer-
und Wirtschaft sowie Landwirtschaft, Landnut- den [5]. Dieser Zubau an erneuerbaren Erzeu-
zung und Forstwirtschaft vor und wurde im gungseinheiten bringt jedoch fundamentale Ver-
Jahr 2019 mit einem konkreten Maßnahmenpro- änderungen für das Stromsystem mit sich. Auf-
gramm hinterlegt [1]. Aktuelle Urteile und Be- grund der fluktuierenden Stromeinspeisung von
schlüsse auf nationaler sowie europäischer Ebene PV- und Windkraftanlagen müssen verschiedene
unterstreichen die Relevanz und Notwendigkeit, und teils neue Technologien, sogenannte Flexibi-
verbindlich erhöhte Klimaschutzziele zu definie- litätsoptionen, im Stromsystem verstärkt einge-
ren und zu erreichen. Auf nationaler Ebene hat setzt werden, um die Versorgungssicherheit über
dabei im April 2021 das Bundesverfassungsge- einen jederzeitigen Ausgleich des Stromver-
richt eine Nachbesserung des deutschen Klima- brauchs und der Stromerzeugung gewährleisten
schutzgesetzes einschließlich konkreter Vorgaben zu können. Dabei stellt die Stromerzeugung
für die Treibhausgasemissionsminderung ab dem durch Verfeuerung nachwachsender Biomasse
Jahr 2031 eingefordert [2]. Auf europäischer Ebe- eine Flexibilitätsoption dar. Insbesondere die
ne hat das Europäische Parlament die Ziele der Überbrückung von Dunkelflauten, d.h. längere
Treibhausgasemissionsminderung um mindes- Zeiträume mit geringer Einspeisung aus PV- und
tens 55 % gegenüber dem Bezugsjahr 1990 so- Windkraftanlagen, erfordert geeignete Flexibili-
wie die Klimaneutralität bis 2050 gesetzlich ver- tätsoptionen, um die Versorgungssicherheit des
ankert [3]. Aufgrund der geforderten ambitio- Stromsystems aufrecht erhalten zu können. In
nierteren Ziele erarbeitet die deutsche Bundesre- diesem Zusammenhang existieren bereits Pläne
gierung aktuell Vorschläge zur Änderung des deutscher Kraftwerksbetreiber feste Biomasse, im
deutschen Klimaschutzgesetzes. Im aktuellen Ent- Speziellen den Rohstoff Holz, als Brennstoff in
wurf der entsprechenden Änderungen soll umgebauten Kohlekraftwerken zukünftig zur
Deutschland bereits im Jahr 2045 – also fünf Stromerzeugung zu nutzen und damit auch die
Jahre früher als bisher anvisiert – Klimaneutralität flexible Stromerzeugung dieser Kraftwerke als
erreichen [4]. Damit gehen gegenüber dem Be- Flexibilitätsoption anzubieten [6]. Hierdurch soll
zugsjahr 1990 ambitioniertere Reduktionsziele der Wegfall der Stromerzeugung aus Kohlekraft-
der Treibhausgasemissionen einher. So soll bis werken zum Teil kompensiert und ein Teil des zu-
zum Jahr 2030 eine Reduktion der Treibhausgas- künftigen Flexibilitätsbedarfs gedeckt werden. Im
emissionen in Deutschland von mindestens 65 % Rahmen dieser Studie soll die Frage adressiert
(zuvor 55 %) und bis 2040 von mindestens 88 % werden, welche Vor- und Nachteile zur Holzver-
erreicht werden. feuerung umgebaute Kohlekraftwerke im Ver-
gleich zu anderen Flexibilitätsoptionen im
Zu dieser Reduktion von Treibhausgasemissionen deutschen Stromsystem besitzen. Hierbei wird ein
gibt es drei komplementäre Strategien: Effizienz, Fokus der Studie auf die Überbrückung von Dun-
Suffizienz und Konsistenz. Durch Effizienz kann kelflauten gelegt. Der Vergleich der unterschied-
über einen geringeren Energieeinsatz der gleiche lichen Flexibilitätsoptionen erfolgt dabei sowohl
Nutzen, bspw. in der Industrieproduktion, erzielt unter ökonomischen als auch ökologischen Ge-
werden, während Suffizienz den absoluten Ener- sichtspunkten.
gie- oder Ressourcenverbrauch begrenzt. Mittels
Konsistenz sollen konventionelle Energieträger Hierfür ist die Studie wie folgt aufgebaut: In Ka-
durch erneuerbare Energien ersetzt werden. Die pitel 2 wird zunächst aufgezeigt, welche Heraus-
Transformation der Energiewirtschaft und damit forderungen ein steigender Anteil von fluktu-
des Stromsektors hin zur Treibhausgasneutralität ierend einspeisenden erneuerbaren Erzeugungs-
steht zur Erreichung der gesetzten Ziele im beson- einheiten im deutschen Stromsystem mit sich
deren Fokus. Dabei kann erneuerbar erzeugter bringt. Anschließend werden in Kapitel 3
5Einleitung
verschiedene Flexibilitätsoptionen zum notwendi-
gen Ausgleich – in unterschiedlichen zeitlichen
Ausprägungen – der Stromerzeugung und -nach-
frage vorgestellt. In Kapitel 4 werden in einer Fo-
kusanalyse die Holzverfeuerung in umgebauten
Kohlekraftwerken mit alternativen Flexibilitätsop-
tionen zur Überbrückung von Dunkelflauten ver-
glichen. Anschließend zeigt Kapitel 5 auf, welche
Portfolios an Flexibilitätsoptionen aufgrund unter-
schiedlicher Charakteristika und Anforderungen
im zukünftigen Stromsystem mit einem steigen-
den Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien
notwendig sind, woraufhin in Kapitel 6 mögliche
Pfadabhängigkeiten diskutiert werden. Abschlie-
ßend werden in Kapitel 7 die Ergebnisse der Stu-
die bewertet und Handlungsempfehlungen an
die Politik abgeleitet.
6Problemstellung
sowohl der kurz- als auch der langfristige Aus-
2 Problemstellung gleichsbedarf untersucht werden kann. Die Resi-
Die Transformation hin zu einer treibhausgas- duallast ist dabei definiert als Differenz zwischen
neutralen und dezentraleren Erzeugungsstruktur dem (realisierten) Stromverbrauch und der Strom-
stellt das Stromsystem in Deutschland vor große erzeugung aus erneuerbaren Energien. Somit
Herausforderungen. Im Stromsystem muss sich drückt die Residuallast den Ausgleichsbedarf im
innerhalb eines Toleranzbereichs die Stromerzeu- Stromsystem aus, der durch Flexibilitätsoptionen
gung und der Stromverbrauch zu jedem Zeit- erbracht werden muss.
punkt im Gleichgewicht befinden. In der Ver- Um den Flexibilitätsbedarf im Status quo zu be-
gangenheit galt dabei der Grundsatz, dass die stimmen, wird das Jahr 2019 herangezogen, da
Stromerzeugung dem Stromverbrauch folgt, d.h. die COVID-19 Pandemie ab März 2020 signifi-
steuerbare, meist konventionelle, Kraftwerke kante Änderungen in den Stromsystemen hervor-
passten ihre (Erzeugungs-) Fahrpläne dem gut gerufen hat [7]. So führte in 2020 die erste Welle
prognostizierbaren Stromverbrauch an. Aufgrund der COVID-19 Pandemie in Deutschland bspw. zu
des beschlossenen Kernenergie- und Kohleaus- einem signifikanten Rückgang des Stromver-
stiegs (siehe Kapitel 2.2.1) werden jedoch diese brauchs, weshalb das Jahr 2020 keine repräsen-
steuerbaren Erzeugungstechnologien zukünftig tative Betrachtungsgrundlage zur Ermittlung des
im deutschen Stromsystem nicht mehr vorhanden aktuellen Flexibilitätsbedarfs bietet [7]. Die Resi-
sein. Gleichzeitig steigert der kontinuierliche Aus- duallast zur Ermittlung des Flexibilitätsbedarfs
bau von PV- und Windkraftanlagen aufgrund ih- wird auf der Basis von öffentlich zugänglichen
rer fluktuierenden Stromerzeugung den Bedarf Daten der Plattform SMARD der Bundesnetza-
an Flexibilitätsoptionen. Flexibilitätsoptionen gentur berechnet [8]. Konkret werden die tat-
müssen zum einen in Stunden mit defizitärer sächlich realisierten Stromverbrauchs- und Strom-
Stromerzeugung den Gesamtstromverbrauch erzeugungsdaten in einer viertelstündlichen Auf-
senken bzw. die Gesamtstromerzeugung erhö- lösung verwendet.
hen. Zum anderen müssen Flexibilitätsoptionen in
Stunden mit einem Überangebot an erneuerba- In Abbildung 1 ist die Residuallast für Deutsch-
rem Strom die nicht erneuerbare Gesamtstromer- land im Jahr 2019 dargestellt. Dabei ist die Resi-
zeugung senken oder den Gesamtstromver- duallast als Dauerlinie dargestellt, d.h. alle Viertel-
brauch im System zum Ausgleich erhöhen. stundenwerte sind absteigend nach ihrer Größe
sortiert. Der Maximalwert der Residuallast beläuft
Im Folgenden wird zunächst der gegenwärtige sich auf 68 GW. Dies bedeutet bei einem maxi-
Flexibilitätsbedarf beschrieben (vgl. Kapitel 2.1) malen Stromverbrauch in Deutschland im Jahr
sowie ein Ausblick auf den zukünftigen Flexibili- 2019 von 77 GW, dass es Zeitpunkte gab, zu de-
tätsbedarf im Jahr 2035 bei einem höheren Anteil nen erneuerbare Energien kaum zur Deckung des
fluktuierender erneuerbarer Energien gegeben Stromverbrauchs beigetragen haben. Zudem ist
(vgl. Kapitel 2.2). Nach einer Darstellung von An- aus Abbildung 1 ersichtlich, dass im Jahr 2019 die
forderungen an die zukünftigen Flexibilitätsoptio- Residuallast bis auf sehr wenige negative Werte,
nen (vgl. Kapitel 2.3) und einer detaillierten nämlich 87 Viertelstunden, überwiegend positive
Analyse des Anforderungsprofils Dunkelflaute Werte aufwies. Die Viertelstunden mit negativer
werden schließlich die verschiedenen Flexibilitäts- Residuallast spiegeln dabei Zeiten wider, in denen
optionen in Kapitel 3 dargestellt. in Deutschland die Stromerzeugung aus erneuer-
2.1 Status quo – Aktueller Flexibilitäts- baren Energien den Stromverbrauch überstieg.
bedarf in Deutschland
Zur Ermittlung des Bedarfs an Flexibilität können
verschiedene Indikatoren herangezogen werden.
Beispielsweise kann die Netzfrequenz oder der
Einsatz von Regelenergie, Redispatch sowie Ein-
speisemanagement genutzt werden, um die kurz-
fristige Diskrepanz zwischen Stromverbrauch
und -erzeugung, dessen Ausgleichsbedarf sowie
Engpässe im Stromnetz zu quantifizieren. In die-
ser Studie wird der Flexibilitätsbedarf anhand der
sogenannten Residuallast betrachtet, da hiermit
7Problemstellung
00
0 20
0
esiduallast in igawatt
0
20
0
iertelstunden im Jahr
20
0
0
0
00
Abbildung 1: Dauerlinie der Residuallast in Deutschland im Jahr 2019. Quelle: [8], eigene Darstellung.
2.2 Projektion – Flexibilitätsbedarf bis 2.2.1 Einflussfaktoren auf die Stromerzeu-
zum Jahr 2035 gungsseite und deren Auswirkungen
Im Folgenden soll der zukünftige Flexibilitätsbe- Bis zum Jahr 2035 gibt es absehbare bzw. poli-
darf – wiederum anhand der Residuallast – für tisch beschlossene Entwicklungen auf der Strom-
das Jahr 2035 bestimmt werden. Die Basis für die erzeugungsseite, welche entsprechende Auswir-
Projektion des Flexibilitätsbedarfs bildet dabei der kungen auf das gesamte deutsche und europäi-
zweite Entwurf des Netzentwicklungsplans (NEP) sche Stromsystem mit sich bringen werden. So
für das Jahr 2035 der vier deutschen Übertra- hat die deutsche Bundesregierung nach der Kata-
gungsnetzbetreiber (ÜNB). Der NEP stützt sich für strophe in Fukushima im Jahr 2011 den Ausstieg
das Jahr 2035 auf drei verschiedene Szenarien aus der Kernkraft bis spätestens Ende des Jah-
(2035 A, 2035 B, 2035 C), die sich u.a. in der Ent- res 2022 beschlossen [10]. Direkt nach dem Vor-
wicklung des Stromverbrauchs und den Ausbau- fall in Fukushima wurden in Folge eines Mora-
pfaden der erneuerbaren Energien im Strom- toriums acht von 17 deutschen Kernkraftwerken
sektor unterscheiden. Im Rahmen dieser Studie außer Betrieb gesetzt. Zum Zeitpunkt des Inkraft-
wird das Szenario 2035 C betrachtet – das Szena- tretens des dreizehnten Gesetzes zur Änderung
rio mit dem ambitioniertesten Ausbaupfad von des Atomgesetzes im Juli 2011 befanden sich an-
erneuerbaren Energien –, um eine Abschätzung schließend noch neun Kernkraftwerke mit einer
des zukünftigen Flexibilitätsbedarfs nach oben installierten Erzeugungskapazität von 12 GW im
vornehmen zu können. Das Szenario 2035 C ent- Leistungsbetrieb und besaßen einen Anteil von
spricht dabei einer Reduktion der CO2-Emissionen 16 % an der deutschen Nettostromerzeugung in
von 73,5 % gegenüber dem Bezugsjahr 1990 [9]. 2010 [10]. Der Ausstiegsprozess aus der Kern-
energie bis Ende 2022 folgt einer schrittweisen
Im Folgenden werden zunächst Einflussfaktoren
Abschaltung dieser neun verbliebenen Kernkraft-
auf die Stromerzeugungsstruktur im deutschen
werke. Bis zum Jahr 2019 beendeten drei der
Stromsystem betrachtet (vgl. Kapitel 2.2.1), bevor
neun Kernkraftwerke den Leistungsbetrieb. In
die entsprechende Projektion des Flexibilitätsbe-
Abbildung 2 sind die sechs sich aktuell noch im
darfs, basierend auf der Projektion des Stromver-
Betrieb befindlichen Kernkraftwerke in Deutsch-
brauchs und der Stromerzeugung des NEP und
land dargestellt, die bis Ende 2022 ebenfalls ihren
der resultierenden Residuallast für das Jahr 2035,
Leistungsbetrieb einstellen werden. Im Jahr 2021
durchgeführt wird (vgl. Kapitel 2.2.2).
folgen dementsprechend noch die Kernkraft-
werke „Brokdorf“, „Grohnde“ und „Grundrem-
mingen C“ sowie im Jahr 2022 „Emsland“,
„Isar 2“ und „Neckarwestheim 2“.
8Problemstellung
einerseits der Stromverbrauch temporär stark ge-
fallen ist und andererseits die Kosten für Gas stark
gesunken sind [7]. Die niedrigeren Preise für den
Rohstoff Gas haben gemeinsam mit teureren
CO2-Zertifikatspreisen zu einer Reduktion der er-
zeugten Strommenge aus Braun- und Steinkohle-
kraftwerken geführt, da Gaskraftwerke unter
diesen Rahmenbedingungen zu geringeren
Grenzkosten Strom produzieren konnten. Diese
Umstände führten im Jahr 2020 zu einer Reduk-
tion der CO2-Emissionen, was maßgeblich auf die
reduzierte Kohleverstromung zurückzuführen
ist [13]. In Abbildung 3 ist der Pfad zur sukzessi-
ven Reduktion der aktiven Braun- und Steinkoh-
lekraftwerkskapazitäten bis zum Jahr 2038, dem
Jahr des endgültigen Ausstiegs aus der Kohlever-
stromung in Deutschland, dargestellt. Die ent-
sprechenden Kapazitätsangaben in Abbildung 3
beziehen sich dabei auf das jeweilige Jahresende.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass so-
wohl der bis zum Ende des Jahres 2022 geplante
abgeschlossene Ausstieg aus der Kernenergie als
auch der im Jahr 2020 beschlossene Ausstieg aus
Abbildung 2: Deutschlandkarte mit den zu Beginn des
Jahres 2021 noch aktiven Kernkraftwerken und deren der Kohleverstromung einen signifikanten Ein-
Abschaltzeitpunkte. Quelle: Eigene Darstellung in An- fluss auf die Erzeugungsstruktur im deutschen
lehnung an [10]. Stromsystem haben werden. Die stillgelegten Ka-
pazitäten von 43,5 GW im Jahr 2020 [8] müssen
Neben der beschlossenen Stilllegung der deut- durch einen entsprechenden Zubau möglichst er-
schen Kernkraftwerke hat die Bundesregierung neuerbarer Energien, aber auch weiterer Kraft-
im Jahr 2020 auch den Ausstieg aus der Kohle- werkskapazitäten sowie dem parallelen Einsatz
verstromung beschlossen [11, 12]. Mit dem soge- von Flexibilitätsoptionen, kompensiert werden.
nannten Kohleausstiegsgesetz, dem Gesetz zur Zudem waren bzw. sind Kern-, Braun- und Stein-
Reduzierung und zur Beendigung der Kohlever- kohlekraftwerke auch wesentliche Erbringer von
stromung und zur Änderung weiterer Gesetze, Regelleistung zur kurzfristigen Aufrechterhaltung
hat die Bundesregierung den Kohleausstieg bis der Versorgungssicherheit. Diese wegfallenden
spätestens 2038 gesetzlich verankert. Der Aus- Beiträge zum Systemgleichgewicht müssen eben-
stieg aus der Kohleverstromung soll durch eine falls durch alternative Flexibilitätsoptionen ge-
Kombination aus Stilllegungsausschreibungen bis deckt werden – insbesondere unter dem Ge-
zum Jahr 2026 und einer gesetzlichen Reduktion sichtspunkt eines durch die fluktuierenden erneu-
der aktiven Kraftwerkskapazitäten ab 2027 er- erbaren Energien steigenden Flexibilitätsbe-
reicht werden. Der Ausstieg aus der Kohleverstro- darfs [14], welcher im folgenden Kapitel darge-
mung soll dabei dazu beitragen, die gesetzten stellt wird.
Emissionsreduktionen aus dem Pariser Klima-
schutzabkommen zu erreichen [1]. Zum Zeit- 2.2.2 Projektion des Flexibilitätsbedarfs
punkt des Kohleausstiegsgesetzes im Jahr 2020 auf das Jahr 2035
kumulierte sich die Erzeugungskapazität von Zur Projektion des Flexibilitätsbedarfs anhand der
Braun- und Steinkohlekraftwerken in Deutsch- Residuallast für das Jahr 2035 werden analog
land auf 43,5 GW [8]. Dabei trugen im Jahr 2020 zum Jahr 2019 Daten zum deutschen Stromver-
die Braun- und Steinkohlekraftwerke in Deutsch- brauch und zur -erzeugung verwendet. Dabei
land gemeinsam 20 % zur Nettostromerzeugung werden in dieser Studie die Stromverbrauchs- und
bei [8]. In 2020 ist die Stromproduktion dieser Stromerzeugungsdaten aus dem Jahr 2019 [8]
beiden Kraftwerkstypen absolut und prozentual mit dem im NEP 2035 prognostizierten
stark gefallen, da durch die COVID-19 Pandemie
9Problemstellung
Kraftwerke am Strommarkt
nach BNetzA inkl. Datteln IV
Zielwert KWSB 30
GW mit je 15 GW
Braun- und Steinkohle
Sonderaus-
schreibungen
Kompensation Ausschreibung der
Datteln IV Zielerreichung
2030 fehlenden Zielwert KWSB
Gesamtkapazität 17 GW mit 9 GW
bei Steinkohle Braun- und 8 GW
Steinkohle
Der Ausstiegspfad
nach 2030 kann durch
ein Vorziehen des
Ausstiegsdatums auf
2035 steiler verlaufen
Abbildung 3: Abbau der Kohlekraftwerkskapazitäten bis zum Jahr 2038 mit Basis April 2020. Quelle: Eigene Darstellung
in Anlehnung an [12].
Gesamtverbrauch und der -erzeugung individuell Jahr 2035 erneut als Dauerlinie dargestellt. Der
je Erzeugungstechnologie skaliert, um die not- Maximalwert der Residuallast beläuft sich für das
wendigen Zeitreihen für das Jahr 2035 zu erhal- Jahr 2035 auf 86 GW (2019: 68 GW). Aus Abbil-
ten. Für den Stromverbrauch bedeutet dies dung 4 wird ersichtlich, dass insbesondere die
bspw., dass aufgrund des prognostizierten An- Zeiten mit negativer Residuallast, d.h. Zeiten, in
stiegs des Stromverbrauchs von 496 TWh im Jahr denen die Stromerzeugung aus erneuerbaren
2019 auf 652 TWh im Jahr 2035 jeder Wert der Energien den Stromverbrauch übersteigt, zuneh-
Zeitreihe des Stromverbrauchs aus dem Jahr 2019 men. So wird es der Projektion zufolge in 2035
mit dem Faktor 1,31 skaliert wird. Die Werte für 10.142 Viertelstunden – dies entspricht etwa
den Stromverbrauch und die Stromerzeugung je 29 % des Jahres – mit einer negativen Residual-
Erzeugungstechnologie für die Jahre 2019 und last geben (2019: 87 Viertelstunden). Zudem fällt
2035 sowie die dazugehörigen Skalierungsfakto- das Minimum der Residuallast deutlich von
ren sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Da dem -4 GW im Jahr 2019 auf -69 GW im Jahr 2035.
beschriebenen Vorgehen zur Projektion des Diese prognostizierten Veränderungen der Resi-
Stromverbrauchs sowie der Stromerzeugung ei- duallast, d.h. die zunehmende Diskrepanz zwi-
nige Annahmen zugrunde liegen, dient die Ska- schen Stromverbrauch und -erzeugung in die
lierung der Last- und Erzeugungsprofile dabei zur positive sowie in die negative Richtung, verdeut-
exemplarischen Illustration des zukünftigen lichen einen steigenden Flexibilitätsbedarf für das
Stromverbrauchs und der Stromerzeugung. So Jahr 2035.
basiert diese Projektion bspw. auf der Annahme,
dass der zukünftige Stromverbrauch dem identi-
schen zeitlichen Profil entspricht, oder auf der An-
nahme, dass die Stromerzeugung aus erneuer-
baren Energien aufgrund identischer Wetterbe-
dingungen im Jahr 2035 dem zeitlichen Verlauf
aus dem Jahr 2019 folgt.
In Abbildung 4 ist zur Visualisierung des zukünf-
tigen Flexibilitätsbedarfs die Residuallast für das
10Problemstellung
Tabelle 1: Stromerzeugung und -erzeugung im Jahr 2019 und 2035 sowie Skalierungsfaktoren. Quellen: [9, 12].
2019 2035 Skalierungsfaktor
Stromverbrauch 496 TWh 652 TWh 1,31
Stromerzeugung aus:
Biomasse 41 TWh 43 TWh 1,05
Wasserkraft 16 TWh 23 TWh 1,47
Wind Offshore 24 TWh 136 TWh 5,60
Wind Onshore 100 TWh 203 TWh 2,03
Photovoltaik 42 TWh 113 TWh 2,70
Sonstige Erneuerbare 1,5 TWh 1,9 TWh 1,29
Kernenergie 71 TWh 0 TWh 0,00
Braunkohle 103 TWh 0 TWh 0,00
Steinkohle 48 TWh 0 TWh 0,00
Erdgas 55 TWh 140 TWh 2,56
Pumpspeicher 9 TWh 13 TWh 1,46
Sonstige Konventionelle 10 TWh 23 TWh 2,24
00
20
0
0 20
esiduallast in igawatt
0
20
0
iertelstunden im Jahr
20
0
0
0
00
Abbildung 4: Dauerlinien der Residuallast in Deutschland für die Jahre 2019 und 2035. Quellen [8, 9] , eigene Darstel-
lung.
11Problemstellung
2.3 Anforderungen an Flexibilitätsop- notwendig, da aufgrund von besonders ungüns-
tionen tigen bzw. günstigen Wetterbedingungen die
Stromerzeugung der fluktuierend einspeisenden
2.3.1 Beschreibung der Anforderungspro- erneuerbaren Energieanlagen besonders gering
file bzw. hoch ist [15].
Die Residuallast als Indikator für den Flexibilitäts- 2.3.2 Weiterführende Analyse des Flexibi-
bedarf erlaubt eine erste Abschätzung des Aus- litätsanforderungsprofils Dunkel-
gleichsbedarfs im zukünftigen deutschen Strom- flaute
system. Aus der Darstellungsform der Dauerlinien
ist jedoch nicht ersichtlich, in welchen Zeiträumen Bei der Analyse verschiedener Flexibilitätsoptio-
und mit welcher zeitlichen Dynamik die Residual- nen liegt ein Fokus dieser Studie auf der Untersu-
last schwankt. Aus diesem Grund müssen Anfor- chung von Dunkelflauten sowie der Identifikation
derungen an die Flexibilitätsoptionen im Strom- geeigneter Flexibilitätsoptionen, die grundsätzlich
system im Sinne ihrer zeitlichen Ausprägung de- zur Überbrückung von Dunkelflauten in Frage
tailliert werden. In diesem Kontext können Flexi- kommen. Hierzu wird in diesem Kapitel zunächst
bilitätsoptionen nach deren Ausgleichszeitraum analysiert, in welchem zeitlichen Umfang Dunkel-
gemäß [15] in die drei folgenden Anforderungs- flauten in der Vergangenheit aufgetreten sind.
profile eingeteilt werden: (1) die kurzzeitige An- Für diese Analyse wird nicht nur das Jahr 2019,
passung, (2) der Tag-Nacht-Ausgleich und (3) die sondern der Zeitraum von 2015 bis 2020 heran-
Dunkelflaute (d.h. längere Zeiträume mit geringer gezogen, um Dunkelflauten über einen längeren
Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energien) Zeitraum untersuchen zu können. Basierend auf
bzw. die Hellbrise (d.h. längere Zeiträume mit ho- diesen Ergebnissen folgt in Kapitel 4 die Fo-
her Stromeinspeisung aus erneuerbaren Ener- kusanalyse der Flexibilitätsoptionen, die zur zu-
gien). Darüber hinaus vernachlässigt die Residual- künftigen Überbrückung von Dunkelflauten
last die lokale Verfügbarkeit des Stroms bzw. die grundsätzlich geeignet sind.
lokale Verteilung des Stromverbrauchs sowie Eine Dunkelflaute charakterisiert sich durch eine
die vorhandenen Stromübertragungskapazitäten. geringe, wetterbedingte Stromeinspeisung aus
Daher muss für Flexibilitätsoptionen neben dem PV- und Windkraftanlagen. Insbesondere wäh-
zeitlichen auch der räumliche Aspekt für den Aus- rend der Wintermonate erzeugen PV-Anlagen
gleich von Stromverbrauch und -erzeugung be- aufgrund der geringeren Sonneneinstrahlung so-
rücksichtigt werden [16]. wie einer möglichen Bedeckung mit Schnee we-
niger Strom. Da gleichzeitig während der Winter-
Die Anforderungsprofile für die zeitliche Flexibili-
monate ein höherer Stromverbrauch vorliegt, her-
tät unterscheiden sich in ihrer Vorankündigungs-
vorgerufen durch bspw. Power-to-Heat-Anlagen
zeit für den Einsatz einer Flexibilitätsoption sowie
wie Nachtspeicherheizungen oder Wärmepum-
in der Abrufdauer der Flexibilitätsoption. Nach
pen, können Dunkelflauten während dieser Jah-
der Definition aus [15] sind bei Anforderungspro-
reszeit zu signifikanten Stromerzeugungsdefizi-
fil (1) kurzzeitige Anpassungen der Last bzw. Er-
ten führen. Solche Situationen werden auch als
zeugung mit einer Dauer von 15 Minuten er-
kalte Dunkelflaute bezeichnet [17].
forderlich. Derartige Flexibilitätsoptionen sind zur
kurzzeitigen Anpassung bei kurzfristigen In der Literatur existieren unterschiedliche Defini-
Schwankungen in der Erzeugung oder im Ver- tionen für Dunkelflauten. So definiert bspw. der
brauch, z.B. bei fehlerhaften Wetterprognosen, Thinktank Agora Energiewende die kalte Dunkel-
notwendig. Beim Anforderungsprofil (2) muss die flaute in seinem jährlichen Report als zehn oder
Last oder die Erzeugung über mehrere Stunden mehr Tage mit geringer Stromerzeugung aus er-
hinweg verschoben werden. Dies kann bspw. bei neuerbaren Energien sowie kalten Temperatu-
hohem Zubau von PV-Anlagen ein Einspeichern ren [18, 19]. Als weiteres Beispiel für eine De-
von Erzeugungsüberschüssen zur Mittagszeit und finition von Dunkelflauten untersuchte der Deut-
einen Verbrauch des (aus-)gespeicherten Stroms sche Wetterdienst im Jahr 2018, wie oft in den
in den Abendstunden bedeuten. Für Flexibilitäts- Jahren 1995 bis 2015 in einem Zeitraum von min-
optionen des Anforderungsprofils (3) muss der destens 48 Stunden die mittlere eingespeiste Leis-
Ausgleich zwischen Stromverbrauch und -erzeu- tung aus PV- und Windkraftanlagen unter dem
gung über mehrere Tage hinweg erfolgen. Dies Leistungsschwellenwert von 10 % ihrer Nennleis-
ist bspw. bei Dunkelflauten bzw. Hellbrisen tung lag [20]. Eine Limitation dieser zwei
12Problemstellung
Definitionen von Dunkelflauten liegt darin, dass ebenfalls den entsprechenden Leistungsschwell-
der Stromverbrauch in diesen Zeiträumen nicht enwert, so verlängert sich die Dauer der identi-
berücksichtigt wird. So ist bspw. bei einem saiso- fizierten Dunkelflaute. Die Variation der Mindest-
nal hohen Stromverbrauch in den Wintermona- dauer von zwei, fünf und zehn Tagen wurde auf
ten eine geringe Einspeiseleistung aus PV- und der Basis der Betrachtungen des Thinktanks
Windkraftanlagen kritischer zu betrachten als in Agora Energiewende sowie der Analysen des
den Sommermonaten, die sich typischerweise Deutschen Wetterdienstes ausgewählt.
durch einen saisonal niedrigeren Stromverbrauch
Tabelle 2: Installierte Nennleistung der fluktuierenden
kennzeichnen. erneuerbaren Erzeugungstechnologien im Betrach-
Zur Analyse, wann und in welchem zeitlichen tungszeitraum zum 01. Januar des jeweiligen Jahres.
Quelle: [12].
Umfang Dunkelflauten zwischen 2015 und 2020
auftraten, werden nachfolgend unterschiedliche Jahr PV Wind Wind Summe
Ausprägungen von Dunkelflauten betrachtet. in Off- On- in GW
Hierfür werden im Rahmen der Analyse folgende GW shore shore
Parameter variiert: in GW in GW
• Leistungsschwellenwert der mittleren Strom- 2015 37,3 1,0 37,7 76,0
einspeisung: Die Dunkelflauten werden, ange-
lehnt an die Definition des Deutschen Wetter- 2016 38,7 3,3 41,2 83,1
dienstes, für den Leistungsschwellenwert von 2017 40,8 4,1 47,0 92,0
10 % der mittleren Stromeinspeisung – in Rela-
tion zu deren summierten Nennleistung – von PV- 2018 42,7 5,1 51,6 99,5
und Windkraftanlagen bestimmt. Der Leistungs-
2019 45,3 6,4 52,8 104,5
schwellenwert der mittleren Stromeinspeisung
wird variiert, sodass neben dem Wert von 10 % 2020 48,2 7,5 53,2 108,9
ebenfalls die Werte von 6 %, 8 % und 12 %
untersucht werden. Der Leistungsschwellenwert
wird nicht höher als 12 % gewählt, da die Durch die Variation dieser beiden Parameter kön-
mittlere Stromeinspeisung aus PV- und Windkraft nen in dieser Studie unterschiedliche Ausprägun-
für die Jahre 2015 bis 2020 zwischen 15 % und gen – aufbauend auf der genannten Definition
18 % liegt, bezogen auf die summierte Nennleis- des Deutschen Wetterdienstes – von Dunkelflau-
tung. Für den Betrachtungszeitraum von 2015 bis ten untersucht werden. Analog zu Kapitel 2.2.2
2020 ist die installierte Nennleistung der relevan- werden für diese Analyse die stündlichen Strom-
ten fluktuierenden erneuerbaren Erzeugungs- erzeugungsdaten der Plattform SMARD zum
technologien, d.h. Solar, Wind Onshore und Stand des 27.03.2021 verwendet [8].1
Wind Offshore in Tabelle 2 zusammengefasst.
In Abbildung 5 sind in der Form einer „Matrix“
• Mindestzeitdauer von Dunkelflauten in Tagen:
mit vier Zeilen und drei Spalten die Ergebnisse in
Die Dunkelflauten werden für eine Dauer von
Abhängigkeit der beiden variierten Parameter für
mindestens zwei, fünf und zehn Tagen bestimmt.
die Jahre 2015 bis 2020 dargestellt. Über die
Über diese drei Zeiträume wird der Mittelwert der
Spalten hinweg wird der Leistungsschwellenwert
Einspeisung der drei fluktuierenden erneuerbaren
der Stromeinspeisung aus PV- und Windkraftan-
Erzeugungstechnologien bestimmt. Ist die
lagen, bezogen auf deren summierte Nennleis-
mittlere Stromeinspeisung für einen betrachteten
tung, variiert. Über die Zeilen hinweg wird die
Zeitraum geringer als der entsprechende Leis-
Mindestzeitdauer, über die der Leistungsschwel-
tungsschwellenwert, wird dieser Zeitraum als
lenwert im Mittel unterschritten werden muss,
Dunkelflaute identifiziert. Unterschreitet zum
damit ein Zeitraum als Dunkelflaute zählt, variiert.
nächsten Zeitschritt die mittlere Einspeisung
1
Der Datensatz für die Stromeinspeisung von PV, Wind Onshore fehlende, Datenpunkte werden mit Hilfe des vorherigen sowie
und Wind Offshore weist für den Betrachtungszeitraum von 2015 des nachfolgenden Tages linear interpoliert. Nicht-konsekutive
bis 2020 insgesamt 603 fehlende Datenpunkte auf. Diese fehlen- fehlende Datenpunkte oder konsekutive fehlende Datenpunkte
den Datenpunkte teilen sich auf 24 fehlende Datenpunkte im für weniger als 24 Stunden werden mit dem letzten sowie dem
Jahr 2015 sowie 579 fehlende Datenpunkte im Jahr 2016 auf. ersten nachfolgend vorhandenen Datenpunkt ebenfalls linear
Dabei ist auffällig, dass z.T. einzelne Tagen im Datensatz nicht interpoliert.
enthalten sind. Die daraus resultierenden 24 konsekutiven
13Problemstellung
In den neun Subabbildungen der Matrix werden während bei einem Leistungsschwellenwert von
jeweils die kumulierten Stunden der identifizier- 6 % und weiterhin einer Mindestzeitdauer von
ten Dunkelflauten je Quartal der betrachteten zwei Tagen die Anzahl der kumulierten Stunden
Jahre visualisiert. an Dunkelflauten im dritten Quartal nur 107 be-
trägt, also nicht einmal ein Zehntel des Wertes bei
Wie erwartet zeigt Abbildung 5, dass bei der ge-
einem doppelt so hohen Leistungsschwellenwert
ringsten zeitlichen Mindestdauer, d.h. eine Dauer
von 12 %. Daraus erkennt man die Sensitivität
von mindestens zwei Tagen, und dem höchsten
der Ergebnisse abhängig von den Leistungs-
Prozentsatz als Leistungsschwellenwert, die ku-
schwellenwerten, welche mit 6 bis 12 % im Be-
mulierte Dauer an Dunkelflauten am größten ist.
reich von ca. einem bis zwei Drittel der mittleren
Zusätzlich geht aus der Abbildung hervor, dass
Stromeinspeisung aus PV- und Windkraftanlagen
über den Betrachtungszeitraum von 2015 bis
von 17,3 % gewählt sind.
2020 Dunkelflauten grundsätzlich in jedem Quar-
tal des Jahres auftreten. Wird der Leistungs- Im Hinblick auf die im Zuge der Analyse betrach-
schwellenwert reduziert und die Zeitdauer teten Jahre 2015 bis 2020 ist kein eindeutiger
erhöht, sinkt die Anzahl der kumulierten Stunden Trend in der kumulierten Summe der Dunkelflau-
an identifizierten Dunkelflauten. Während bspw. ten zu erkennen. So weist bspw. für die Parame-
im Jahr 2017 bei einem sehr hohen Leistungs- terkombination von 10 % als Leistungsschwellen-
schwellenwert von 12 % und einer Mindestzeit- wert und der Dauer von mindestens zwei Tagen
dauer von zwei Tagen im dritten Quartal das Jahr 2016 die höchste kumulierte Summe an
1170 kumulierte Stunden Dunkelflauten aufge- Dunkelflauten auf, gefolgt von den Jahren 2015
treten sind, sinken diese bei einer Reduktion des und 2017. Die längste Dunkelflaute im betrach-
Leistungsschwellenwertes für die Einspeisung auf teten Zeitraum bei einem Leistungsschwellenwert
10 % im Jahr 2017 auf den nicht einmal halb so von 10 % und einer Mindestdauer von zwei Ta-
hohen Wert 538. Bei einer weiteren Reduktion gen fand sich im ersten Quartal des Jahres 2017
des Leistungsschwellenwertes auf 8 % beträgt und beträgt 299 Stunden, d.h. knapp 13 Tage.
die kumulierte Summe an Dunkelflauten im drit-
Wird die Definition von Dunkelflauten des
ten Quartal des Jahres 2017 409 Stunden,
Deutschen Wetterdienstes, d.h. ein
Abbildung 5: Kumulierte Dauer je Quartal von Dunkelflauten abhängig von dem Anteil der Einspeiseleistung von PV-
und Windkraftanlagen an der Nennleistung und der Dauer für die Jahre 2015 bis 2020. Quelle: [8], eigene Darstellung.
14Problemstellung
Leistungsschwellenwert von 10 % der Nennleis- immer in Relation zur mittleren Einspeisung
tung und eine Mindestdauer von zwei Tagen ge- (15 bis 18 %) der fluktuierenden erneuerbaren
wählt und die kumulierte Dauer an Dunkelflauten Energien gesetzt werden.
innerhalb eines Jahres analysiert, so beträgt diese
Zudem muss bei der Bewertung von Dunkelflau-
im Betrachtungszeitraum im Jahr 2016 maximal
ten die fluktuierende Erzeugung aus PV- und
2947 Stunden (vgl. Tabelle 3). Für die restlichen
Windkraftanlagen in Relation zum Stromver-
Jahre des Betrachtungszeitraums beläuft sich die
brauch betrachtet werden. In den Quartalen eins
kumulierte Dauer der Dunkelflauten auf Werte
und vier eines Jahres liegt traditionell ein erhöhter
zwischen 1735 und 2235 Stunden. Wird der Leis-
Stromverbrauch vor, der in Zukunft bspw. durch
tungsschwellenwert auf 8 % reduziert, sinkt die
einen verstärkten Einsatz von Wärmepumpen
Anzahl der kumulierten Stunden von Dunkelflau-
weiter steigen könnte. In diesen Zeitpunkten ist
ten auf maximal 1502 Stunden im Jahr 2016 an.
eine geringe Einspeisung aus PV- und Windkraft-
Die übrigen Jahre des Betrachtungszeitraums
anlagen als wesentlich kritischer zu betrachten als
weisen kumulierte Stunden an Dunkelflauten von
bspw. in den Quartalen zwei und drei, welche tra-
799 bis 1318 Stunden auf (vgl. Tabelle 3). Die ku-
ditionell durch einen saisonal niedrigeren Strom-
mulierten Stunden für die Leistungsschwellen-
verbrauch gekennzeichnet sind. Eine Betrachtung
werte 6 % sowie 12 % sind in Tabelle 3 aufge-
der Einspeiseleistung von PV- und Windkraftanla-
listet.
gen lässt daher keine abschließende Bewertung
Tabelle 3: Kumulierte Anzahl an Dunkelflauten für die von Dunkelflauten zu.
drei untersuchten Leistungsschwellenwerte bei einer
Mindestdauer von zwei Tagen für die Jahre 2015 bis Zur Überbrückung von Dunkelflauten im Strom-
2020. Quelle: Eigene Berechnung basierend auf [12]. system verschiedene Flexibilitätsoptionen benö-
tigt, welche die Lücke zwischen der Stromerzeu-
Leistungsschwellenwert gung aus PV- und Windkraftanlagen und dem
Jahr 6% 8% 10 % 12 % Stromverbrauch schließen. Bislang wurden hierzu
gesicherte Leistungen auf der Stromerzeugungs-
2015 614 1276 2235 3859 seite, vor allem Kern- und Kohlekraftwerke, ein-
gesetzt. Der Rückbau dieser Erzeugungseinheiten
2016 575 1502 2947 4714
(vgl. Kapitel 2.2.1) führt im Hinblick auf das Jahr
2017 667 1318 2038 3589 2035 und darüber hinaus zu der Notwendigkeit,
alternative Flexibilitätsoptionen zur Überbrü-
2018 355 902 1855 3346
ckung von Dunkelflauten zu etablieren. Einen zu-
2019 327 799 1735 2788 sätzlich zu berücksichtigenden Umstand stellt der
zu erwartende steigende Stromverbrauch dar.
2020 312 983 1831 2925 Durch die Elektrifizierung der weiteren Endener-
giesektoren, vor dem Hintergrund der Dekarboni-
sierung, wird der Stromverbrauch, wie in Ka-
Zusammenfassend zeigt die obige Analyse, dass pitel 2.2.2 dargestellt, in Zukunft ansteigen.
die kumulierte Dauer von Dunkelflauten stark von Durch den Zubau von PV- und Windkraftanlagen
der Definition und den daraus resultierenden ge- sowie dem Zubau von Gaskraftwerken – die
wählten Parameterkonstellationen abhängt. Wie Stromerzeugung aus Gas steigt nach dem Szena-
Tabelle 3 veranschaulicht, führt die Erhöhung des rio 2035 C des NEP auf 140 TWh im Vergleich zu
vom Deutschen Wetterdienst etablierten Leis- 55 TWh im Jahr 2019 an – kann das Erzeugungs-
tungsschwellenwerts von 10 % auf 12 % bei ei- defizit zu einem gewissen Teil geschlossen wer-
ner Mindestdauer von zwei Tagen zu einem den. Dies ist jedoch immer vor dem Hintergrund
Anstieg des Maximums der kumulierten Dauer des steigenden Stromverbrauchs zu betrachten.
von Dunkelflauten von 2947 auf 4714 Stunden. Alle Flexibilitäten, die in Dunkelflauten den
Wird der Leistungsschwellenwert auf 8 % redu- Stromverbrauch senken oder die Stromerzeu-
ziert, sinkt das Maximum auf 1502 Stunden. Bei gung erhöhen können, tragen daher potenziell
einem Leistungsschwellenwert von 6 % und einer zur Überbrückung von Dunkelflauten bei und ste-
Mindestdauer von zwei Tagen beträgt das Maxi- hen im Wettbewerb zueinander. Mögliche geeig-
mum der kumulierten Stunden 667. Um diese Er- nete Flexibilitätsoptionen werden nachfolgend in
gebnisse einzuordnen, müssen, wie bereits oben Kapitel 3 vorgestellt.
erwähnt, die gewählten Leistungsschwellenwerte
15Flexibilitätsoptionen zur Deckung des Flexibilitätsbedarfs
lung von Stromerzeugung und -nachfrage
3 Flexibilitätsoptionen zur sowohl bei einer positiven als auch negativen Re-
Deckung des Flexibili- siduallast erreicht werden. Damit stellt das Strom-
netz bzw. der Netzausbau eine Flexibilitätsoption
tätsbedarfs zur räumlichen Verteilung von Stromerzeugung
Um den in Kapitel 2 dargestellten aktuellen und und -nachfrage dar (vgl. Kapitel 3.1).
zukünftigen Flexibilitätsbedarf im deutschen • Energiespeicher können ebenfalls in positive
Stromsystem zu decken und den zugehörigen und negative Richtung wirken und zur zeitlichen
Anforderungen an Flexibilität gerecht zu werden, Verschiebung des Stromverbrauchs bzw. -ange-
stehen verschiedene Flexibilitätsoptionen zur Ver- bots beitragen (vgl. Kapitel 3.2).
fügung. Flexibilitätsoptionen stellen hierbei Tech- • Unter dem Begriff Nachfrageflexibilität kann
nologien zur Flexibilitätserbringung dar. Wie in die Nachfrageseite – zu der man auch verwandte
Abbildung 6 dargestellt, können die unterschied- Anwendungen der Sektorenkopplung zählen
lichen Flexibilitätsoptionen grundsätzlich gemäß kann (vgl. Kapitel 3.3) – zu einer zeitlichen Ver-
ihrer Wirkweise und Wirkrichtung klassifiziert schiebung in Form von Lastverschiebung und
werden. Hinsichtlich der Wirkweise wird durch die Anpassung der Betriebsweise zum
nach [21] in die Anpassung der Betriebsweise (in Ausgleich von Stromerzeugung und -nachfrage
Form von Lastabschaltung oder -erhöhung), die beitragen (vgl. Kapitel 3.4).
zeitliche Verschiebung sowie die räumliche Ver- • Daneben können auf der Stromerzeugungs-
schiebung unterschieden. Hinsichtlich der Wirk- seite auch thermische Kraftwerke ihre Betriebs-
richtung erfolgt die Klassifizierung in positive weise anpassen (vgl. Kapitel 3.5). Schließlich
Residuallast (d.h. Erhöhung des Stromangebots können erneuerbare Energieanlagen durch die
bzw. Reduktion des Stromverbrauchs) und nega- Reduktion bzw. Abregelung ihrer Einspeisung
tive Residuallast (d.h. Reduktion des Stromange- ebenfalls ihre Betriebsweise variieren. Diese Flexi-
bots bzw. Erhöhung des Stromverbrauchs). Im bilitätsoption wird im weiteren Verlauf der Studie
Folgenden werden relevante Flexibilitätsoptio- allerdings nicht weiter untersucht, da die Abrege-
nen, die im Stromsystem zur Verfügung stehen, lung derzeit nur in Ausnahmesituationen – bei
detailliert betrachtet: der Bedrohung der Versorgungssicherheit – zum
Einsatz kommt. Erneuerbar erzeugter Strom
• Durch den Ausbau und die Verstärkung der sollte, ausgenommen letztgenannter Ausnahme-
Netzinfrastruktur (national und über Länder- situationen, auch künftig sinnvoll integriert und
grenzen hinweg) kann eine räumliche Entkopp- genutzt werden.
Abbildung 6: Einordnung der Flexibilitätsoptionen nach ihrer Wirkweise und Wirkrichtung. Quelle: Eigene Abbildung in
Anlehnung an [18].
16Flexibilitätsoptionen zur Deckung des Flexibilitätsbedarfs
Die einzelnen Flexibilitätsoptionen werden in den eine zusätzliche Flexibilitätsoption dar. So können
folgenden Unterkapiteln einzeln charakterisiert Länder mit einem Erzeugungsüberschuss Strom in
und hinsichtlich ökonomischer Kennzahlen be- Länder mit Erzeugungsdefiziten exportieren,
trachtet. Darüber hinaus werden die ökologi- ohne dass alternative Flexibilitätsoptionen be-
schen Auswirkungen des Einsatzes der Technolo- müht werden müssen.
gien kurz aufgezeigt. Im Rahmen dieser Studie
Welche ökonomischen Kennzahlen und Übertra-
liegt im Hinblick auf die ökologischen Auswirkun-
gungsverluste besitzt die Flexibilitätsoption
gen der Fokus auf den CO2-Emissionen bzw. den
Stromnetz bzw. der Netzausbau?
Emissionen in CO2-Äquivalenten. Die Betrach-
tung der Flexibilitätsoptionen erfolgt mithilfe aus- Die Kosten für den Netzausbau hängen im We-
gewählter Kennzahlen und ist daher nicht sentlichen von der Art der Leitungsverlegung
abschließend. (Freileitung oder Erdkabel) ab. Die Verlegung von
Erdkabeln ist typischerweise mit einem höheren
3.1 Stromnetz bzw. Netzausbau finanziellen Aufwand verbunden, da hierzu Erd-
Unter die Flexibilitätsoption Stromnetz bzw. den arbeiten notwendig sind. Zusätzlich variieren die
Netzausbau fällt die aktuelle Netzinfrastruktur so- Kosten des Netzausbaus in Abhängigkeit von der
wie deren Ausbau und Verstärkung zur Steige- Spannungsebene. Im Folgenden werden die Kos-
rung der Stromübertragungskapazität, sowohl im ten des Ausbaus von Höchstspannungswechsel-
Verteil- als auch im Übertragungsnetz. Darüber stromleitungen (AC-Leitung) und der Hoch-
hinaus müssen weitere Bestandteile der Netzinf- spannungsgleichstromübertragung (DC-Leitung)
rastruktur, z.B. Umspannwerke oder Ortsnetz- betrachtet. Die Kostenschätzung der vier deut-
transformatoren entsprechend befähigt werden. schen ÜNB für diese Spannungsebene ist in Ta-
Aufgrund der historisch gewachsenen Netz- und belle 4 aufgelistet. Hinsichtlich der Übertragungs-
Erzeugungsstruktur, die räumlich auf die Nachfra- verluste werden im NEP für das Höchstspan-
gestruktur abgestimmt waren, kommt es durch nungsnetz (Höchstspannungswechselstromlei-
den Zubau von über das Land verteilten PV- und tungen) 1,4 % angegeben [9]. Die Stromüber-
Windkraftanlagen zu neuen Anforderungen an tragung mit Hochspannungsgleichstromtechnik
das Stromnetz. Insbesondere ist bereits heute ein ist im Vergleich dazu mit 30 bis 50 % weniger
Defizit an Übertragungskapazität zu beobachten, Übertragungsverlusten verbunden [22].
da der Ausbau erneuerbarer Energieanlagen Zusätzlich zu den Investitionen der Leitungsverle-
meist nicht in der Nähe der Lastzentren erfolgt. gung müssen beim Netzausbau die Kosten für
Diese räumliche Diskrepanz kann zu weiteren Transformatoren, Stationen und Kompensations-
Übertragungsengpässen im Netz führen, was u.a. anlagen berücksichtigt werden. Entsprechende
eine Abregelung von Windkraftanlagen im Nor- Schätzungen der ÜNB können in [23] nachge-
den Deutschlands, dem sogenannten Einspeise- schlagen werden.
management, erfordert – auch, wenn im Süden
Deutschlands eine entsprechende Nachfrage Welche ökologischen Auswirkungen gehen mit
nach Strom vorhanden wäre. Durch den Ausbau der Flexibilitätsoption Stromnetz bzw. dem Netz-
und die Verstärkung der Netzinfrastruktur kann ausbau einher?
der Stromverbrauch und die Stromerzeugung Der Bau neuer Freileitungen sowie neuer Erd-
räumlich stärker entkoppelt werden. Dies kann zu oder Seekabel ist immer mit einem Eingriff in den
einer Senkung der Abregelung von erneuerbaren Lebensraum der beheimateten Tierwelt und ei-
Energieanlagen beitragen und damit eine verbes- nem Verbrauch von Fläche verbunden. Beim Bau
serte Nutzung des erneuerbar erzeugten Stroms von Freileitungen muss auf der gesamten Lei-
ermöglichen. tungslänge ein Schutzstreifen von hohem Be-
Neben der Verstärkung der nationalen Netzinfra- wuchs befreit werden. Dies führt zu einem
struktur kann auch der Ausbau internationaler Lebensraumverlust bzw. einer Lebensraumbeein-
Übertragungskapazitäten in die Nachbarländer flussung der beheimateten Tierwelt. Darüber hin-
Deutschlands zur besseren Nutzung von Strom aus wird neben der Versiegelung der Fläche für
aus PV- und Windkraftanlagen beitragen. Der die Mastfundamente, Nebenanlagen und Zufahr-
Ausbau von Stromübertragungskapazitäten zwi- ten in der Bauphase Fläche für Zuwege und
schen europäischen Ländern und die damit ver- Baustelleneinrichtungen benötigt. Diese Flächen
bundenen Stromimporte sowie -exporte stellen werden allerdings nach Abschluss der Bauarbei-
17Sie können auch lesen
