Der BEE Szenarium
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.
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.
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).

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.
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.

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:

2007
 2020
 10jähr. Mittel

install.
(TWh/a)
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.
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.

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.
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.

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
Relative Anteile von Grund- und Schwankungslast samt Verteilung von An/Abschaltungen für letztere
.
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.
Im Wesentlichen bestimmen drei Tatsachen, welche Werte die Anpassungsparameter W0, n0, k erhalten:
  1. 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.
 
  1. 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.
  1. 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).

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))
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 des gesamten Kraftwerksparks ergibt sich zu
 .
Die prozentuale Auslastung A des konventionellen Kraftwerksparks ergibt sich zu
.
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.
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.
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.

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).
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.

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.