Der BEE
Szenarium
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Hinweis: Dieses Kapitel ist obsolet,
denn die "Prophezeiungen" des BEE beziehen sich auf die
Gegenwart (2020). Wie die tatsächliche
Entwicklung des elektrischen Energiebedarfs in
Deutschland bis 2018 aussah, ist hier gezeigt:
Er hat nicht abgenommen, sondern zugenommen, und die
Energiepreise sind unaufhaltbar gestiegen. Ich habe diese Kapitel
trotzdem nicht entfernt, gleichsam als Grabstein für
eine tote Studie.
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Der
Bundesverband
Erneuerbare
Energien
hat 2008 ein Szenarium für den Ausbau erneuerbarer Energien
(EE) vorgestellt mit dem Ziel, denn EE Anteil an der
deutschen Elektrizitätsversorgung auf etwas weniger als 47%
bis 2020 zu erhöhen. Dieser Plan muss natürlich auch
Auswirkungen auf die Versorgung aus konventionellen
Kraftwerken haben und diese wurden in einer Studie
der
Fraunhofer-Gesellschaft1) im Auftrag des
BEE analysiert. Nicht analysiert wurden die Auswirkungen auf
die Infrastruktur, also z.B. auf die zu verändernde
Versorgung mit Primärenergieträgern oder auf die notwendige
Erweiterung des deutschen Stromnetzes, und die
wirtschaftlichen Folgen, welche sich aus den
Kostensteigerungen für elektrische Energie in Deutschland
ergeben. Insofern enthält die Fraunhofer Studie keine
Wertung über die Realisierbarkeit des BEE Szenariums, sie
weist aber auf die Notwendigkeit hin, dass
Versorgungsnetz/technik in Deutschland massiv
ausgebaut werden müssen, damit dieses Szenarium verwirklicht
werden kann.
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In diesem Kapitel werde ich
einige Aspekte in den Vorgaben des BEE Szenariums und die
Ergebnisse der Fraunhofer Studie diskutieren.
Das Bezugsjahr des
BEE Szenariums ist 2007, also das Jahr in dem die
Kapazitätsfaktoren für erneuerbare Energien in
Deutschland besonders groß waren, z.B. für Windkraftanlagen oder
Fotovoltaikanlagen.
Betrachten wir aber die jährliche Entwicklung des
deutschen Bedarfs nach elektrischer Energie seit
1990 und welchen Anteil die erneuerbaren Energien
bei der Versorgung hatten, so ergibt sich die
Abbildung rechts. Die daraus ersichtlichen Trends
wurden linear in das Jahr 2020 extrapoliert
(gestrichelte blaue Geraden).
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Die jährliche
Entwicklung des deutschen Bedarfs nach
elektrischer Energie (oberes Diagramm) und des
prozentualen Anteils erneuerbarer Energien an
der Versorgung mit elektrischer Energie (unteres
Diagramm). Die Daten wurden Veröffentlichungen
der EIA
und des BMWi
entnommen. Die Vorgaben des BEE Szenariums sind
als rote Punkte und rote Geraden gezeichnet.
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Man kann sich darüber streiten, ob die im BEE Szenarium
angenommene Abnahme2) des Elektrizitätsbedarfs
bis 2020 realistisch ist, wenn die Bundesregierung plant,
bis 2020 die Anzahl der Elektrofahrzeuge in Deutschland auf
1 Mio. zu erhöhen. Schon die lineare Extrapolation lässt
einen Bedarf von ca. 620 · 109 kWh a-1
im Jahr 2020 erwarten, mehr als die 594.5 · 109
kWh a-1, welche das BEE Szenarium annimmt. Dieses
nimmt auch an, dass der Anteil der erneuerbaren Energien bis
dahin etwa 1.6 mal größer ist, als die Extrapolation
erwarten lässt. Diese Vorgabe erfordert, dass Anlagen zur
Wandlung erneuerbarer Energien in elektrische Energie
schneller als normal errichtet werden (ganz im Sinne des BEE3)),
also mehr Geld als bisher in diese Anlagen investiert wird.
Die erforderliche Steigerung der Investitionsmittel ergibt
sich u.a. aus den angenommenen Kapazitätsfaktoren der Wandlungsanlagen.
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In der Liste rechts
werden diese Annahmen verglichen mit den tatsächlich
erreichten Werten für 2007 und dem 10jährigen Mittel
seit 2001. Unübersehbar ist, dass die
Kapazitätsfaktoren des BEE Szenariums in allen
Fällen die Werte des 10jährigen Mittels übersteigen
und auch die des Jahrs 2007, welches für die Nutzung
erneuerbarer Energien besonders vorteilhaft war.
Schon in der Fraunhofer Studie wird bemängelt, dass
der BEE seine Planung auf dieses Jahr bezogen hat.
Denn man erinnere sich: |
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2007
|
2020
|
10jähr. Mittel
|
|
install.
(TWh/a)
|
![](95060101.gif)
|
install.
(TWh/a)
|
|
|
Steiger.
faktor
|
Wasser
|
41.4
|
0.51
|
56.9
|
0.56
|
0.44
|
1.8
|
Wind
|
194.4
|
0.20
|
481.8
|
0.31
|
0.17
|
4.6
|
Fotovoltaik
|
36.5
|
0.08
|
346.0
|
0.11
|
0.07
|
14.8
|
Biomasse
|
41.7
|
0.57
|
81.8
|
0.66
|
0.53
|
2.4
|
Geothermie
|
0.03
|
0.01
|
5.7
|
0.66
|
0.26
|
529
|
Die installierten
Leistung der wichtigsten Wandlungsanlagen für
erneuerbare Energien in Deutschland im
Jahre 2007 (Daten des BMU)
und im Jahr 2020 (Prognose des BEE Szenariums).
Rechts daneben sind die zugehörigen
Kapazitätsfaktoren . Die letzten zwei
Spalten zeigen das 10jährige Mittel von und die
erforderlichen Steigerungsfaktoren, um die
2007 vorhandene Leistung auf die für 2020
prognostizierte Leistung auszubauen.
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Der Kapazitätsfaktor
macht allein eine Aussage über die klimatischen Bedingungen
und keine über mögliche technische Verbesserungen! Mögliche
technische Verbesserungen wären allein in der Erhöhung des
Wirkungsgrads, bzw. des Nutzungsgrads, sichtbar. Es ist aber
nicht einsichtig, warum sich das Klima in Deutschland in nur
10 Jahren so zum Vorteil erneuerbarer Energien verändern
sollte. Demgemäß enthält die letzte Spalte der Tabelle oben
einen korrigierten Wert für den Faktor, um den bis 2020 die
Installation der verschiedenen Anlagen zur Wandlung
erneuerbarer Energien gesteigert werden müsste, um das BEE
Szenarium zu verwirklichen.
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Einmal abgesehen von der
Geothermie, die auch 2020 keine Rolle für die deutsche
Energieversorgung spielen wird, erwartet der BEE die größten
Steigerungsraten für die Fotovoltaik und die Windkraft. Dass
sich bis 2020 die Anzahl der Fotovoltaikanlagen um etwa das
14fache vergrößert haben sollte, halte ich für jenseits
aller Möglichkeitsgrenzen. Dagegen ist Ausbau
von Windkraftanlagen um etwa das 4fache grenzwertig4),
zumal der gemittelte Kapazitätsfaktor hier noch nicht die
steigende Anzahl von off-shore Anlagen berücksichtigt. Man
bedenke aber, dass Windkraftanlagen in Dänemark
mit ihrem hohen Anteil von off-shore Anlagen nur einen
Kapazitätsfaktor von =
0.24 erreichen. Insofern sind die Vorgaben des BEE immer
noch zu hoch. Sie suggerieren ein Szenarium, das vielleicht
nicht unmöglich zu verwirklichen ist, dessen Verwirklichung
aber wohl sehr viel schwieriger wird, als die Vorgaben
erwarten lassen.
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Ich komme zu den Auswirkungen
auf die konventionellen Kraftwerksanlagen, wie sie von der Fraunhofer
Gesellschaft untersucht wurden. Da die wichtigsten
Quellen erneuerbarer Energien (Wind und Fotovoltaik, siehe
Tabelle oben) stark fluktuierend sind, müssen konventionelle
Kraftwerksanlagen, unterstützt von Speicheranlagen (PSW) und
Stromexport/import (SEI), diese Fluktuationen so weit
ausgleichen können, dass eine zu jeder Zeit gesicherte
Energieversorgung garantiert ist. Ein erhöhter Anteil von
erneuerbaren Energien führt daher zwangsläufig zu einer
(nach den in energie2 gegebenen
Definitionen) Reduktion der Grundlast und einer Vergrößerung
der Schwankungslast. Die Details dieser Analyse finden sich
in der Fraunhofer Studie, ganz allgemein lässt sich das
Verhältnis von Grundlast und Schwankungslast so darstellen,
wie in der Abbildung unten gezeigt.
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In der Abbildung
rechts sind schematisch die Grundlast WG
und die Schwankungslast WS samt der Verteilung
n(W) von
An/Abschaltungen n
dargestellt. Bei einer gewissen Leistung W0
der Schwankungslast erreichen die An/Abschaltungen ihren maximalen
Wert n0.
Fluktuiert die Schwankungslast symmetrisch um die
Last W0,
so ist auch n(W) symmetrisch
zu W0
und WS
= 2 W0.
In der Fraunhofer Studie ist zu sehen, dass diese
Annahme mit guter Näherung gerechtfertigt ist. Daher
kann die Verteilung n(W) näherungsweise reproduziert
werden durch die symmetrische Funktion
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![](9-5-6-1-02.gif)
Relative Anteile
von Grund- und Schwankungslast samt Verteilung von
An/Abschaltungen für letztere
|
![](95060102.gif) .
Mithilfe der Verteilung lässt sich die mittlere Anzahl von
An/Abschaltungen berechnen:
|
Der Wert von <n> wird vom
Exponenten k
beeinflusst, es gelten die Grenzen 2/3
<n>/n0 1. In der folgenden
Diskussion verwende ich stets die untere Grenze <n> = 2/3 n0, welche
den Einfluss erneuerbarer Energien auf die Struktur der
Energieversorgung minimiert.
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Im Wesentlichen bestimmen
drei Tatsachen, welche Werte die Anpassungsparameter W0, n0, k
erhalten:
- Gleichmäßige Fluktuationen
Selbst wenn erneuerbare Energien keine Rolle für die
Energieversorgung spielen, existiert eine Schwankungslast WS aufgrund
menschlicher Lebensgewohnheiten, welche an die natürlichen
Zyklen Tag(arbeiten) und Nacht(nicht arbeiten) oder
Winter(heizen) und Sommer(nicht heizen) gekoppelt sind.
Diese Fluktuationen sind in gewissen Grenzen vorhersagbar,
ihr Einfluss auf unsere Energieversorgung kann verändert
werden, wenn die Korrelation zwischen Zyklus und
Lebensgewohnheiten verändert wird.
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- Zufällige Fluktuationen
Diese Fluktuationen werden durch klimatische Phänomene
verursacht, z.B. durch Windstille oder Wolkenbildung. Sie
sind nicht vorhersagbar und überlagern die gleichmäßigen
Fluktuationen. Daher muss der vorgehaltene Kraftwerkspark
zur Deckung der Schwankungslast so groß sein, dass auch
maximale Fluktuationen nicht zum Zusammenbruch der
Energieversorgung führen. In der Fraunhofer Studie wird
angenommen, dass dieser Kraftwerkspark aus nB
Kraftwerksblöcken besteht, von denen jeder eine zu jeder
Zeit an- und abschaltbare Leistung von PB = 500 MW
besitzt.
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- Mit PSW&SEI Ausgleich
Durch Energiespeicherung und Stromexport/import lassen sich
Fluktuationen dämpfen, was (relativ zum Fall ohne
PSW&SEI) einen größeren Wert für k, aber einen kleineren
Wert für W0
ergibt. Die Fraunhofer Studie zeigt aber auch, dass die
intuitiv erwartete Reduktion von n0 nicht eintritt. Vielleicht
ist dies eine Folge der nur beschränkten Möglichkeiten der
PSW Speicherung (maximal 40 GWh)5) und des SEI
Austauschs (maximal 20 TWh)6).
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In der Fraunhofer Studie werden für das Jahr 2020 die
folgenden Optionen A bis D samt ihrer Folgen auf die
Struktur der deutschen Energieversorgung diskutiert:
Wel
(TWh a-1))
|
Option
|
|
Wel(ernb)
(TWh a-1))
|
WG
(TWh a-1))
|
WS
(TWh a-1))
|
![](95060101.gif)
|
n0
(a-1)
|
nB |
A
(%)
|
594.5
|
A
|
ohne EE
ohne PSW&SEI
|
0
|
365.4
|
446.8
|
0.73
|
330
|
102
|
70.5
|
B
|
ohne EE
mit PSW&SEI |
481.8
|
227.8
|
0.84
|
450
|
53
|
73.5
|
C
|
mit EE
ohne PSW&SEI |
278.4
|
0
|
613.2
|
0.67
|
300
|
140
|
70.0
|
D
|
mit EE
mit PSW&SEI |
61.3
|
438.0
|
0.76
|
330
|
100
|
52.2
|
Einige Anmerkungen zu den Parametern in dieser Tabelle:
Der Kapazitätsfaktor ![](95060101.gif) des gesamten
Kraftwerksparks ergibt sich zu
![](95060105.gif) .
Die prozentuale Auslastung
A des
konventionellen Kraftwerksparks ergibt sich zu
![](95060106.gif) .
|
Einige der in dieser Tabelle
zu beobachtenden Trends sind so, wie erwartet:
1. Der Kraftwerkspark erreicht seinen größten
Kapazitätsfaktor und Auslastung im Fall B, obwohl die
Kraftwerke zur Deckung der Schwankungslast am häufigsten
an/abgeschaltet werden müssen. Dies ist nicht verwunderlich,
denn die Anzahl dieses Typs von Kraftwerken ist minimal.
2. Übernehmen, wie vom BEE vorgegeben, erneuerbare Energien
fast 50% der Versorgung mit elektrischer Energie, verändert
sich deren Struktur. Der Kapazitätsfaktor wird relativ
kleiner und die Auslastung nimmt stark ab, jedenfalls in den
äquivalenten Fällen B und D mit Möglichkeiten der
Energiespeicherung. Auf der anderen Seite kann die
Gesamtkapazität des konventionellen Kraftwerksparks um 30%
reduziert werden.
3. Überraschend erscheint mir dagegen das Ergebnis,
dass die Fälle A und C sich nur in einem Parameter
wesentlich unterscheiden, nämlich in der Anzahl der
erforderlichen Kraftwerksblöcke zur Deckung der
Schwankungslast, die um fast 40% vergrößert werden müsste,
während die Notwendigkeit zur Deckung der Grundlast
vollständig entfiele.
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Das wichtigste Ergebnis
dieser Studie scheint mir daher das folgende zu sein:
Damit
erneuerbare
Energien einen maßgeblichen Anteil (größer als 50%)
an der deutschen Stromversorgung besitzen können,
muss der konventionelle Kraftwerkspark weitgehend
neu aufgebaut werden. Kraftwerke zur Versorgung mit
Grundlast werden nicht mehr benötigt. Dies bedeutet
insbesondere, dass Kernkraftwerke
in diesem Szenarium keine Rolle spielen
werden. Dagegen entsteht ein Bedarf nach Kraftwerken
auf konventioneller Basis mit unbeschränkter
An/Abschaltfähigkeit, um die Schwankungslast zu
decken. Ihre Kapazität müsste, wenn der Zustand der
PSW auf dem augenblicklichen Stand verharrt, etwa 1
bis 2 mal so groß sein wie der aller erneuerbarer
Energien zusammen.
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Mit anderen Worten: Mit den z.Z. verfügbaren
Speicherkapazitäten wären erneuerbare Energien überhaupt
nicht in der Lage, unseren heutigen und auch zukünftigen
Bedarf nach elektrischer Energie vollständig zu decken, es
sei denn, ihre Einspeisungsfluktuationen würden mithilfe
konventioneller Kraftwerke von mindestens gleicher Leistung
durch gegenphasige Einspeisung kompensiert.
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Diese Ergebnisse der Fraunhofer Studie sind derart
niederschmetternd, dass in jedem Fall ihre mathematische
Basis noch einmal erörtert werden sollte. Dazu konstruiere
ich ein sehr einfaches Modell für die zukünftige Struktur
unserer Energieversorgung, welches aber die einschneidenden
Rahmenbedingungen vor Augen führt. Bezeichnet man mit W'el die
bereitzustellende Leistung des gesamten Kraftwerkparks und
mit Wel(ernb)
, WS ,
WG seine
Einzelkomponenten, so muss gelten
W'el = Wel(ernb)
+ WS
+ WG
und normiert auf den Energiebedarf Wel: y = x + wS + wG
mit y = W'el/Wel
, x = Wel(ernb)/Wel
, wS
= WS/Wel
und wG
= WG/Wel.
Die relative Gesamtlast y ist
offensichtlich eine Funktion von x, aber auch wS und wG sind
Funktionen von x,
denn:
- wS
muss mit steigendem x anwachsen, um die
Fluktuationen zu kompensieren ------> dwS/dx = aS
> 0.
- wG
muss mit steigendem x abnehmen, denn es wird weniger
Grundleistung benötigt ------> dwS/dx = aG
< 0.
In einer linearen Näherung gilt daher
y = x(1 + aS + aG) +
wS(x=0) + wG(x=0)
Gleichung (1).
Die Gleichung(1) gilt
aber nur, so lange wG noch größer
als 0 ist. Denn
wG = 0 für xlim = -wG(x=0)/aG.
Steigt w weiter an,
so muss die Gleichung(1) ersetzt werden durch
y = x(1 + aS) + wS(x=0),
wie in der Abbildung rechts gezeigt. Daraus folgt
für die beiden Extremfälle x = 0 und x = 1 die
normierte Gesamtlast
y(x=0) = wS(x=0) + wG(x=0),
y(x=1) = 1 +
aS + wS(x=0).
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![](9-5-6-1-03.gif)
Schematische
Abhängigkeit der Last vom Anteil erneuerbarer
Energien
|
Betrachtet man die in der Fraunhofer Studie analysierten
Fälle A:C und B:D, so ergibt sich für die wichtigsten
Parameter (alle ohne Einheit, beachte Rundungsfehler):
https://www.unendlich-viel-energie.de/media/file/202.Branchenprognose2020_Langfassung.pdfFälle
|
aS |
aS |
xlim |
y(x=0) |
y(x=xlim) |
y(x=1) |
y(x=1)/y(x=0) |
A:C
|
0.60
|
-1.31
|
0.47
|
1.37
|
1.50
|
2.35
|
1.72
|
B:D
|
0.76
|
-1.51
|
0.54
|
1.19
|
1.32
|
2.14
|
1.79
|
Die letzte Spalte macht
noch einmal deutlich, um wie viel sich der gesamte
Kraftwerkspark vergrößern müsste, wenn der Anteil
erneuerbarer Energien in der Energieversorgung von 0%
auf 100% steigen soll. Nämlich um etwa 75% und recht
unabhängig davon, ob die Möglichkeiten der
Energiespeicherung überhaupt nicht, oder nur im jetzigen
Umfang vorhanden sind. Allerdings ist im letzten Fall
die erforderliche Gesamtleistung auch geringer. Da
vermutlich die Energiepreise
in gleichem Umfang steigen würden, sollte der PSW-Ausbau
dringend forciert werden. Aber auch das kostet Geld und
stößt auf den gesammelten Widerstand von Umwelt- und
Bürgerinitiativen. Und es würde auch nicht zurück zur
Idealsituation W'el
= Wel führen, denn jetzt
müsste W'el
mindestens groß genug sein,
um auch den Speicherwirkungsgrad zu
kompensieren. Eine hierzu ähnliche Analyse findet sich
im Manuskript energie4.
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1) Dieser
link wurde aus dem Netz genommen, eine ähnliche(?) Studie
findet sich hier.
2) Es ist unverständlich, warum die Vorgaben des
BEE Szenariums für 2007 bezüglich des Elektrizitätsbedarfs
so weit über den publizierten Daten liegen, die ich den
nationalen und internationalen Quellen entnommen habe, um
keinen Zweifel an ihrer Korrektheit aufkommen zu lassen.
3) Der BEE ist kein Wohlfahrtsverband, sondern
eine Lobbyorganisation, welche allein die Interessen seiner
Mitglieder vertritt.
4) Dies hieße, selbst mit dem dänischen
Kapazitätsfaktor, dass für 10 Jahre jeden Tag mindestens 10
neue WKAs errichtet werden müssten.
5) Zur Zeit besitzt Deutschland
Pumpspeicherwerke (PSW) mit einer Gesamtkapazität von 37.7
GWh.
6) Im Jahr 2008 hat Deutschland
eine Energiemenge von 62.7 TWh exportiert und 40.2 TWh
importiert, war also in diesem Jahr ein Energieexporteur.
Man beachte, dass der SEI Ausgleich bei weitem die Kapazität
der PSW übertrifft. |