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Menschen von oben fotografiert, die an einem Tisch sitzen.

Ausbau von Erneuerbaren Energien in Deutschland

Der Ausbau erneuerbare Energien (EE) verfolgt das Ziel, bis 2050 den Strombedarf in Deutschland mindestens zu 80 Prozent zu decken. Haupttreiber für die Umsetzung dieser Ziele stellen der Klima- und Umweltschutz dar. Durch den aktuellen Konflikt mit Russland gewinnt ein weiteres Argument an Bedeutung: das Bestreben nach Unabhängigkeit von fossilen Energiequellen.

Der Ausbau der EE in Deutschland ist innerhalb von 22 Jahren beginnend mit circa 11 auf circa 148 Gigawatt angestiegen. Die aktuellen Daten über die installierte Kraftwerksleistung aus erneuerbaren Energien für das Jahr 2022 können der folgenden Tabelle entnommen werden.

Energiequelle Installierte Leistung [GW]
Wasserkraftwerke (Laufwasserkraftwerke) 4,94
Pumpspeicher 9,80
Batteriespeicher 0,58
Biomasse 56,51
Wind Onshore 56,51
Wind Offshore 7,77
Solar 59,40

Bei einem Lastgang von circa 70 Gigawatt in Deutschland könnte man vermuten, dass wir bereits zu 100 Prozent den Strom aus EE beziehen. Dies ist bisher nur an wenigen Tagen beziehungsweise Stunden im Jahr der Fall, denn die EE verfügen über eine volatile Erzeugungsstruktur, sodass es bei Flauten - beispielsweise Wolken am Himmel - zu einer verminderten Erzeugung kommt. Die verbleibende Last, die nicht durch EE gedeckt werden kann, nennt sich Residuallast. Diese muss weiterhin von konventionellen Kraftwerken (Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk oder Kohle) gedeckt werden. Nur wenige EE-Kraftwerke sind unabhängig vom Wetter, wie zum Beispiel Biomasse und (Lauf-)Wasserkraftwerke. Für eine sichere Stromversorgung aus 100 Prozent EE müssen die Kapazitäten verstärkt ausgebaut werden. Zeitgleich müssen die erneuerbaren Energien die Grundlast decken. In der folgenden Abbildung wird ein Szenario für die zukünftige Stromversorgung in Deutschland aufgezeichnet. Im Jahr 2021 wurde circa 233 Terawattstunden Strom aus EE erzeugt. Dies entspricht circa 41 Prozent des Gesamtverbrauchs. Das aktuelle Ziel sieht vor, dass die Stromversorgung bis 2050 zu 80 Prozent aus EE gedeckt wird.

Auswirkungen der volatilen Einspeisung von EE auf die Frequenz

Im deutschen Stromnetz muss innerhalb einer definierten Spanne die Netzfrequenz stabil gehalten werden.

Was ist eine Netzfrequenz?

Die Netzfrequenz ist mit einer Waage zu vergleichen. Auf der einen Seite haben wir die Produzenten, die den Strom erzeugen und auf der anderen die Konsumenten, die den Strom verbrauchen. Um im Gleichgewicht zu bleiben, sollte der Verbrauch gleich der Stromproduktion sein.

Aus technischer Sicht wird unter dem Begriff der Netzfrequenz jene Frequenz verstanden, die durch Wechselstrom beziehungsweise Wechselspannung zur elektronischen Energieerzeugung notwendig ist. In Deutschland und dem europäischen Stromnetz beträgt diese 50 Hertz (Hz), in den USA beträgt die Netzfrequenz beispielsweise 60 Hz. Die aktuelle Netzfrequenz in Deutschland lässt sich theoretisch an jeder Steckdose messen oder man schaut auf folgender Website vorbei.

Und welche Auswirkungen haben nun die erneuerbaren Energien auf die Netzfrequenz?

Kommt es nun dazu, dass alle Kraftwerke (erstmal egal, ob konventionell oder erneuerbar) gleichzeitig mehr Strom produzieren als die Konsumierenden verbrauchen, wird die Stromproduktion bestimmter Kraftwerke minimiert oder sogar ganz abgeschaltet. Dies erfolgt in einer festgelegten Reihenfolge. Sollte nun ein Kraftwerk unerwarteter Weise mal ausfallen, gerät die Netzfrequenz wieder aus dem Gleichgewicht. Zu diesem Zeitpunkt wird mehr Strom verbraucht als produziert. Um dies zu verhindern, wird die Kraftwerksleistung bestimmter Kraftwerke hochgefahren.

Bei einer Abweichung der Netzfrequenz von 0,02 Hz wird die sogenannte Primärregelleistung aktiviert. Je nachdem, ob es sich um eine positive oder negative Abweichung handelt, wird die Einspeisung reduziert oder erhöht. Diese Abweichung werden meist durch konventionelle Großkraftwerke (> 100 MW Leistung) oder kleineren Wasserkraftwerken geregelt.

Erneuerbare Energien haben die Eigenschaft ad hoc regelbar zu sein, im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken. So braucht ein Steinkohlkraftwerk zum Beispiel zwischen zwei bis acht Stunden, um hochzufahren. Diese Kraftwerke können nicht einfach an oder ausgestaltet werden wie ein Auto beispielsweise. Besser regelbare Kraftwerke sind Gaskraftwerke. Diese benötigen 15 Minuten zur vollen Leistungserbringung und werden daher auch zum Ausgleich von Spitzenlasten verwendet, da sie schnell regelbar sind und die notwendige Leistung erbringen können. Wasserkraftwerke hingegen können im Sekundentakt die Leistung erhöhen oder reduzieren. Ebenso zu diesen Kraftwerken zählen die Pumpspeicher- und Druckluftspeicherkraftwerke.

Noch vor ein paar Jahren mussten bei einer Überfrequenz die Solaranlagen ihre Leistung abschalten, dies ist aufgrund des starken Ausbaus von Photovoltaikanlagen und deren Anteil an der Stromproduktion nicht mehr denkbar. So reduzieren diesen Anlagen erst ab einer Frequenz von 50,2 Hz und die Abschaltung erfolgt erst bei einer Überfrequenz von 51,5 Hz.

Stufenweise Maßnahmen zum Schutz der Frequenz

Was ist ein Blackout und was bedeutet das für euch als Bürgerinnen und Bürger?

Ein Blackout bedeutet in der Energiewirtschaft einen großflächigen Ausfall der Stromversorgung für mehrere Minuten. Dabei kommt es zu einem völligen Spannungsausfall. Im Gegensatz zum Blackout, wird das Netz bei einem sogenannten Brownout durch die gezielte Abschaltung von Lasten vor übermäßigen Lastanforderungen geschützt. Dazu werden große Stromverbraucher oder sogar ganze Stadtteile sukzessive vom Netz genommen. Jedoch wird in der Regel erst die Industrie vom Netz genommen, bevor die Privathaushalte sequenziell und rollierend vom Netz genommen werden. Aus diesem Grund wird ein Brownout auch als der Vorbote eines Blackouts bezeichnet. Die Übertragungsnetzbetreiber sind in einem solchen Notfall dazu verpflichtet die Stromnetzstabilität zu erhalten (vgl. §13 [2] EnWG).

Wie kommt es zu so einem Blackout?

Zu einem Blackout kommt es, wenn die Spannung des Stromnetzes unter 47,5 Hz (statt der üblichen 50Hz) fällt. Grund dafür können fehlende EE-Anlagen sein, wodurch die Residuallast erhöht wird und nicht von konventionellen Energieträgern ausgeglichen werden kann. Sollte dies passieren, haben die Netzbetreiber Notfallpläne. Dabei liegt der Fokus immer auf der schnellstmöglichen Wiederherstellung der Versorgung der Netze.

Nachfolgend wird das typische Vorgehen zur Wiederherstellung kurz umrissen: Zuerst werden wiederherstellungsrelevante Systeme mithilfe von beispielsweise Schalt- und Steuerbefehlen angesprochen, um Wirk- und Blindleistung zum Wiederaufbau – etwa von benachbarten Netzen - zu beziehen. Dabei wird das stromlose Netz keineswegs sofort wieder normal Betrieben, vielmehr wird das es im Inselbetrieb schrittweise hochgefahren. Hierfür könnte ein Großkraftwerk mithilfe eines sog. Schwarzstarts hochgefahren werden.

Schwarzstartfähige Kraftwerke müssen dabei folgende Merkmale aufweisen

  • Flexibles und schnelles Startverhalten
  • Nur Eigenstrom und keine externen Stromquellen
  • Robustheit gegenüber heftigen Anlaufströmen
  • Stagnation – andauernder Eigenbetrieb)

Traditionell sind hierfür Wasserkraftwerke, Gaskraftwerke oder Druckluftspeicherkraftwerke am besten geeignet.

Die Gefahr eines Blackouts

Niedrige Erdgasreserven, der Ausstieg aus der Atom- und Kohlekraft sowie die volatile Einspeisung der erneuerbaren Energien verstärken das Risiko eines Stromausfalls. Zu der volatilen Einspeisung kommt noch die unvorhersehbare Stromnutzung u.a. durch die Elektromobilität. So werden die Lastspitzen zum Feierabend hin immer größer und unberechenbarer. Problematisch sind ebenfalls die großen Distanzen zwischen den Stromproduzenten und den Verbrauchern.

Zur Risikominimierung eines Stromausfalls können der rasche, bundesweite Netzausbau sowie der Ausbau von Speichern (thermische beziehungsweise elektro-chemische Speicher oder Wasserkraft) einen Beitrag leisten.

Die Frequenzhaltungsmaßnahmen sind ein wichtiger Bestandteil unserer Stromversorgung und zur Reduzierung eines Stromausfalls. Diese werden derzeit im Wesentlichen von Großkraftwerken geleistet. Neuere, moderne und effizientere Windkraftanlagen werden in den kommenden Jahren ebenso diese Aufgabe übernehmen. Zudem können zukünftig ebenso virtuelle Kraftwerke Regelenergie bereitstellen und tragen dazu bei, die Wahrscheinlichkeit eines Stromausfalls zu reduzieren.

In der folgenden Abbildung ist ebenfalls ein Rückgang der Ausfallzeiten der deutschen Stromversorgung zu vermerken.

Rückgang der Ausfallzeiten:

Weitere spannende Themen aus der adesso-Welt findet ihr in unseren bisher erschienenen Blog-Beiträgen.

Bild Ilias El Haouati

Autor Ilias El Haouati

Ilias El Haouati ist seit mehreren Jahren für adesso als interdisziplinärer Projektmanager für die Line of Business Utilities tätig. Sein Schwerpunkt liegt dabei auf der Durchführung und Leitung von agilen Projekten. Neben dem Projektgeschäft beschäftigt er sich intensiv mit innovativen Forschungsfragen und den aktuellen Trends der Energiewirtschaft.

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Autor Simon Bächle

Simon Bächle verfasst seine Masterarbeit im Forschungsprojekt VideKIS. Dabei untersucht er mit Hilfe eines mathematischen Optimierungsmodells die wirtschaftliche Betriebsweise von virtuellen Kraftwerken. Darüber hinaus beschäftigt er sich intensiv mit der Anwendung von Data Science in der Energiewirtschaft.

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Autorin Ellen Szczepaniak

Ellen Szczepaniak ist Beraterin für die Line of Business Utilities bei adesso. Ihre Arbeitsschwerpunkte bilden das Requirements Engineering, die Durchführung von Projekten im Elektromobilitätskontext sowie das innovative Forschungsprojekt VideKIS (Integrierter virtueller Kraftwerksverbund aus dezentralen Kleinanlagen zur KI gestützten Erbringung von Systemdienstleistungen). Neben dem Projektgeschäft arbeitet sie an dem Thema Sustainability bei adesso.

Kategorie:

Branchen

Schlagwörter:

Energiewirtschaft

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