Daten zur Energiewende

meerwald - engineering

Die verwendeten Werte für die Zeichnungen basieren auf SMARD - Daten der Bundesnetzargentur. Die Daten können unter der Lizenz CC BY 4.0 kostenfrei heruntergeladen, gespeichert und weiterverwendet werden. Die Stromdaten sind in 15-Minuten-Abschnitten verfügbar. Zur besseren Übersicht wurden in einigen Diagrammen die Daten tageweise zusammengefasst. Die Kalenderwochen (KW) werden genutzt, um einzelne Jahre besser vergleichen zu können.

In Deutschland lag der Primärenergieverbrauch laut Wikipedia im Jahr 2018 bei rd. 13.106 Petajoule (PJ) (entsprechend 3.640 TWh) und der Endenergieverbrauch bei rd. 8.996 Petajoule (PJ) (entsprechend 2.499 TWh).
Die Stromerzeugung pro Jahr (2019: 521 TWh) stellt so nur 21% des Endenergieverbrauchs in Deutschland zur Verfügung.
Bei der Abkehr von CO2 muß mit der Energiewende ein viel größerer Bereich mit Wind und Solar zur Verfügung gestellt werden, um CO2-neutral zu werden.
Ziel dieser Seite soll die enormen Herausforderungen an die notwendige Abkehr vom CO2-Verbrauch aufzeigen.

Der Stromverbrauch

Der Stromverbrauch ist nur zu Ostern und Weihnachten merklich geringer. Man erkennt auch sehr gut den Lockdown 2020(rot) im direkten Vergleich zum gesunden Jahr 2019(blau). Daher ist auch 2019 als Referenz für das rechte Bild herangezogen worden. Samstags und Sonntags ist der Verbrauch deutlich geringer, was einen Rückschluß auf den Industrieverbrauch zuläßt. Der Tagesverlauf rechts spiegelt die Arbeitszeit oder die aktive Zeit der meisten Menschen gut wieder: Von 6 Uhr bis 22 Uhr. Während der Nacht sinkt der Verbrauch aber nicht dramatisch ab. Es werden immer noch gigantische 35 GW benötigt. 2019 wurden an einem Tag maximal 21.8% mehr als der Durchschnitt verbraucht, minimal waren es 29.8% weniger. Dennoch ist eine Vorhersage mit einer deutlich geringeren Abweichung möglich.

Der Strom aus Wind

Hier sind die On- und Off-Shore-Windkraft zusammengefaßt. Im Bild oben werden jeweils die aufsummierten Werte eines Tages genutzt. Im rechten Bild ist die Leistung über den Tag aufgetragen. 2019 war der Wind-stärkste Tag Ende Januar. Allerdings kann auch zur Zeit der Herbststürme im November eine Flaute auftreten. Die maximalen Abweichungen zum Mittelwert sind stark: 961.8 GWh / 339.2 GWh sind 184% mehr und 36.0 / 339.2 GWh sind nur 10.6% des Mittelwertes! Die mittleren 339.2 GWh/d entsprechen 14.13 GWh/h - bei der 2019 installierten Leistung von knapp 60 GW sind dies weniger als 25%! Die installierte Leistung läßt sich also nicht wie bei konventionellen Kraftwerken über das Jahr abrufen. Die installierte Leistung gibt lediglich eine Tendenz wieder. Im Tagesverlauf ergibt die gemeinsame Auswertung der kompletten Windkraftanlagen in Deutschland ein recht gleichmäßiges Verhalten. Eine weitere Auswertung über das Jahr ist im Abschnitt der Speicher angeordnet.

Der Solarstrom / Photovoltaik

Der Solarstrom ist noch ungleichmäßiger als der Wind. Die Jahresübersicht oben zeigt die umgewandelte Solar-Energie pro Tag. Dadurch ist dieses Diagramm noch lesbar, zumal die Werte von Tag zu Tag ähnlich sind. Achtung: Die Daten sind von der Bundesnetzargentur (SMARD) und zeigen nur die eingespeiste Energie auf, der Hausgebrauch wird hier nicht erscheinen. Für eine qualitative Abschätzung sollten diese Werte aber dennoch genügen. Im nebenstehenden Diagramm sind die Tages-Werte (Leistung aus Energiewerten mit 1/4 h-Umrechnung) aufgetragen. Für den kürzesten und längsten Tag sind die Daten über eine Woche gemittelt, um den Einfluß des Sonnenstandes besser zu illustrieren. Der Unterschied zwischen Winter und Sommer wird nicht nur in der Anzahl der Sonnenstunden, sondern auch in der Höhe der möglichen Leistung sichtbar. Die Sommerzeit sorgt für die Verschiebung des Maximalwertes auf 13 Uhr. Zudem wird die Installierte Leistung von 45 GW (2019) bis 50 GW (2021) nicht ansatzweise im rechten Diagramm erreicht. Die Definition der installierten Leistung sagt daher nur begrenzt etwas zur täglich verfügbaren Leistung aus. Im Schnitt sind nur ca. 11 % der installierten Leistung als Energie im Jahr nutzbar, im Sommer sind es 20 % und im Winter nur 2.2 % - für die Heizung der Wohnung wohl zu wenig.

Der Strom-Speicher

Zuerst müssen wir klären, welchen Strom wir erzeugen wollen und wie wir die elektrische Leistung für alle Tage sicherstellen können. Die Wasserkraft in Deutschland ist fast ausgeschöpft, Gas und Kohle setzen immens CO2 frei und die Kernkraft wird in Deutschland abgeschafft. Müllverbrennungsanlagen werden weniger zu tun bekommen und neuer Anbau von Biokraftstoffen würde der Umwelt auch nicht gut tun. So fasse ich die verbleibende Energiegewinnung aus Solar und Wind zusammen.

In diesem Diagramm ist die Differenz des an einem Tag erzeugten Stromes zum jährlichen Mittelwert von Tag zu Tag aufsummiert worden. Anschließend wurde die Kurve an der Stelle ihres Minimums auf NULL verschoben. Der Strom besteht hier nur aus Wind (On- und Off-Shore) und Solar. Der Mittelwert wurde für das jeweilige Jahr ermittelt.

Dabei ist das Minimum des Stromspeichers im Bereich Ende November (KW 47) bis in den März (KW 17) zu erwarten. Trotz nominell stärkerem Ausbau und mehr Stromabnahme ist 2021 das schwächste Jahr für die beiden Erzeugungsformen - allerdings auch in der Schwankungshöhe.
Sehen wir uns die beiden Energieformen jetzt einmal getrennt voneinander an:

Hier werden nur (On- und Off-Shore) Wind gezeigt. Die zu speichernde Leistung ist noch deutlich höher, als beim Strommix.
Im Herbst und im Frühjahr kann mehr Wind geerntet werden als im Sommer.
Erstaunlich, daß alle 3 Jahre einen sehr ähnlichen Verlauf haben.

Bei Solarstrom ist ab KW 10 bis KW 40 mehr Strom als im Durchschnitt vorhanden. Hier steigen die Kurven wieder an. Dies korreliert wunderbar mit dem Sonnenstand der Jahreszeiten. Das Minimum der Erzeugung ist am Winteranfang, aber auch danach wird ein Speicher benötigt.
Die benötigte Speichermenge ist mit über 25% prozentual hier noch größer!


Zusammenfassend müßte das schwächste Jahr (2021: 160 TWh) für den Energiebedarf von 2.500 TWh herangezogen werden:
15.6 · 160 TWh - also 14.6 mal den aktuellen Bestand von Wind- und Solarkraftanlagen neu errichten, noch ohne einen Wirkungsgrad für den Energie-Speicher!

Von diesen 2.500 TWh sollten dann mindestens 9 % verlustfrei gespeichert werden. Pumpkraftwerke haben einen Wirkungsgrad von 70% - für das Hochpumpen und die Energie zurück zu gewinnen. Bei der Auslegung der Größe des Wasserspeichers ist das Hochpumpen nicht mehr zu berücksichtigen, daher wird für die Rück-Gewinnung der Energie ein idealer Wirkungsgrad von 90% angenommen.
Mit diesem Wert müßten nur 250 TWh als potentielle Wasser-Energie gespeichert werden,
die Energie von 5 Mrd. 50 kWh-Akkus - dem 85-fachen PKW Bestand Deuschlands 2021.

Wasserspeicher

Um die enormen Energiemengen aufzunehmen wage ich ein Gedankenspiel:

Wir stauen den Bodensee als Energiespeicher vom Nominal-Wert bis zur Hochwasser-Marke um 1.5 Meter auf! (von 3.0 m auf 4.5 m )
Als Abfluß nutzen wir den Rheinfall bei Schaffhausen, der mit 23 m Fallhöhe einer der imposantesten Wasserfälle in Europa ist.

Die Wasserfläche ist 540 km² groß. (Obersee: 473 km², Untersee: 63 km², Seerhein: 0 - 3.5 km x 250 m und Oberrhein: 25.0 - 43.0 x 200 m von Stein am Rhein bis Schaffhausen)
Die potentielle Energie ist Masse (Fläche · Höhe · Dichte) mal der Erdbeschleunigung g und der Fallhöhe:

J = 540·10⁶ [m²] · 1.5 [m] ·10³ [kg/m³] · 9.81 [m/s²] · 23.75 [m] = 188.89·10¹² [Ws]

J = 188.89 [TWs] / 3600 [h/s] = 0.04722 [TWh]

Der Abfluß des Rheins beträgt zwischen 250 m³/s (Winter) und 600 m³/s (Sommer). Maximal wurden 1250 m³/s gemessen, was wahrscheinlich einem Hochwasser von über 6m entspricht und flußab nicht mehr akzeptabel wäre. Selbst mit diesem Durchfluß würde man 9.4 bis 14.4 Tage brauchen, um wieder Normalpegel zu erhalten. Da nur der Pegelstand (Höhe) die Strömungsgeschwindigkeit definiert, wird es erheblich länger dauern. Zu lange, bei um vor Starkregen-Ereignissen rechtzeitig den See wieder abzusenken. Die Schneeschmelze und das Hochwasser sind im Frühling bis in den Juli hinein zu erwarten. Da sollte aber auch das Wasser aufgestaut werden...

Schaffhausen liegt in der Schweiz und eine stärkere Nutzung der Wasserkraft (auch nur bei Dunkelheit) wurde dort 2014 per Volksentscheid abgelehnt. Sie ist aktuell mit max. 125 m³/s wieder in der Diskussion, oder auch zusätzlichen 90 GWh pro Jahr.

Wie man gut sehen kann, löst ein Wasserspeicher in Deutschland nicht ansatzweise das Speicherproblem!
Für den Ausgleich kurzfristiger Schwankungen (Stunden, Tage) sind die Pumpkraftwerke aber unverzichtbar und werden dafür erfolgreich genutzt.

Gas-Speicher

Mit der Elektrolyse von Wasser ins Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) kann auch Energie im Erdgas-Netz gespeichert werden. Der energetische Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser liegt bei über 70%. Wasserstoff ist aber das leichteste Gas und braucht viel Volumen.
Die Kompressions-Arbeit lasse ich hier weg, da sie entscheidend vom Druck abhängig ist. 700 bar werden bei Autos genutzt, große Speicher kö nnen diese Drücke nicht ab.
Bei Wieder-Verstromung über eine Brennstoffzelle sind 60% Wirkungsgrad noch realistisch. So würden aus den oben angenommenen fehlenden 250 TWh dann 420 TWh zu speichern sein, die wiederum 600 TWh an Energie benötigen.

Folgende Tabelle zeigt die Dimensionen eines Speichers für 420 Terawattstunden [TWh] = 1.512·10¹² Megajoule [MJ]

Die Wirkungsgrade für Propan, Benzin und Diesel sind hier NICHT angepaßt worden! Deren Wirkungsgrad liegt eher bei 30% - die benötigten Speichergrößen wird daher erheblich größer.
Das Tanklager Farge hatte nur 0.3·10⁶ Kubikmeter Fassungsvermögen in 78 Tanks und war das größte künstlich angelegte unterirdische Tanklager der Welt.
Nach Wikipedia hat Deutschland 51 unterirdische Erdgasspeicher für insgesamt 24.6 Mrd. Kubikmeter in Betrieb. Hier ist zumindest Speicher in der richtigen Größenordnung vorhanden.