Dunkelflaute: Wie ernst ist der Ausfall von Wind & Solar?

Die Dunkelflaute ist das Schreckgespenst der Energiewende. Zu Recht, denn ein Ausfall von Wind und Solar gefährdet die Versorgungssicherheit.

Windräder brauchen Wind und Solaranlagen Sonne. Deshalb kommt es regelmäßig zum Ausfall der wetterabhängigen Erneuerbaren.

Eine sogenannte Dunkelflaute bezeichnet das Fehlen von genügend Wind und Sonne über einen Zeitraum von Tagen, Wochen oder Monaten.

Lange Perioden mit zu wenig Windstrom und Solarstrom sind eine extreme Belastung für ein Energiesystem. Die Versorgungssicherheit ist in Gefahr.

Zur Häufigkeit von Dunkelflauten hört man verschiedene Mythen von “nur zwei Wochen im Jahr” bis “den ganzen Winter ist Dunkelflaute”.

Die Wahrheit liegt dazwischen. Mehrwöchige Dunkelflauten treten mehrmals im Jahr auf. Mehr als einmal pro Jahr dauern sie sogar einen Monat oder länger.

Im Jahr 2022 gab es bereits eine zweiwöchige Dunkelflaute im Januar. Im Jahr 2021 gab es gleich 6 mehrwöchige Dunkelflauten. Die im November/Dezember 2021 dauerte 2 Monate!

Entscheidend ist aber der Worst Case. Selbst wenn eine dreimonatige Dunkelflaute nur einmal pro Jahrzehnt auftritt, müssen wir sie beherrschen.

Wie ernst sind Dunkelflauten und welche Lösungen gibt es?

Statistik: Wie häufig sind lange Dunkelflauten?

Laengste Dunkelflauten in Deutschland seit 2012 - Dunkelflaute: Wie ernst ist der Ausfall von Wind & Solar?

Dunkelflauten sind extrem häufig. Sie treten in jeder normalen Woche an mehreren Tagen auf. Es reicht ja schon, wenn Nachts wenig Wind weht.

Mehrtägige Dunkelflauten sind seltener, aber immer noch häufig. Sie konzentrieren sich stark auf die dunklen Monate Oktober bis März. In den restlichen Monaten kann tagsüber der Solarstrom einspringen. Wenn wir eventuell einmal ausreichend Tagesspeicher haben sollten, wären Dunkelflauten im Sommer kein Problem mehr.

Mehrwöchige Dunkelflauten treten deutlich weniger auf. Laut meiner Recherche gibt es im Schnitt 4 Dunkelflauten mit einer Dauer von einer Woche oder länger pro Jahr. (37 seit Januar 2012)

Noch seltener sind Dunkelflauten, die einen Monat oder länger dauern. Hier ist eine Liste der 14 längsten Dunkelflauten seit Januar 2012:

  • 3,5 Monate Dunkelflaute vom 26.08.2014 bis 10.12.2014 Agorameter 2 3 4
  • 2,5 Monate Dunkelflaute vom 06.01.2013 bis 23.03.2013 Agorameter 2 3
  • 2,2 Monate Dunkelflaute vom 26.12.2014 bis 01.03.2015 Agorameter 2 3
  • 1,9 Monate Dunkelflaute vom 02.11.2021 bis 30.12.2021 Agorameter 2
  • 1,6 Monate Dunkelflaute vom 29.12.2020 bis 15.02.2021 Agorameter 2
  • 1,5 Monate Dunkelflaute vom 09.11.2012 bis 24.12.2012 Agorameter 2
  • 1,5 Monate Dunkelflaute vom 22.03.2014 bis 06.05.2014 Agorameter 2
  • 1,4 Monate Dunkelflaute vom 08.11.2013 bis 21.12.2013 Agorameter 2
  • 1,2 Monate Dunkelflaute vom 06.01.2017 bis 12.02.2017 Agorameter 2
  • 1,1 Monate Dunkelflaute vom 26.02.2012 bis 29.03.2012 Agorameter 2
  • 1,1 Monate Dunkelflaute vom 04.11.2019 bis 06.12.2019 Agorameter 2
  • 1,0 Monat Dunkelflaute vom 15.01.2012 bis 15.02.2012 Agorameter 2
  • 1,0 Monat Dunkelflaute vom 25.02.2016 bis 27.03.2016 Agorameter 2
  • 1,0 Monat Dunkelflaute vom 16.10.2016 bis 15.11.2016 Agorameter

Diese Liste basiert auf den jeweils verlinkten Daten (max. 30 Tage in hoher Auflösung). Im “Zukunfts-Agorameter” lässt sich ein Energiesystem mit 86% Erneuerbaren im Jahr 2040 simulieren anhand historischer Wetterdaten.

Berücksichtigt sind die optimistischen Ausbauziele und flexiblen Lasten der renommierten Agora-Studie “Klimaneutrales Deutschland 2045” 1

Originäre Recherche betreibe ich nur dann, wenn die Quellenlage bescheiden ist und bei öffentlichen Daten zu Dunkelflauten tappt man leider im Dunkeln. Wegen dem hohen manuellen Aufwand beim Extrahieren der Agorameter-Daten und der Unmöglichkeit den Betrieb von Elektrolyseuren festzustellen, fand meine Datensichtung nach Augenmaß statt. Es geht um Größenordnungen, nicht um einzelne Tage. Kein Anspruch auf Richtigkeit oder Vollständigkeit. Feedback willkommen.

Definition: Was ist eine Dunkelflaute?

Beispiel Kalte Dunkelflaute 2012 Agorameter - Dunkelflaute: Wie ernst ist der Ausfall von Wind & Solar?

Es gibt keine einheitliche Definition einer Dunkelflaute. Oft wird ein willkürlicher Kapazitätsfaktor für Wind und Solar definiert, der in einem bestimmten Zeitraum immer oder im Mittel unterschritten werden muss.2 Manchmal wird auch die jeweils nachgefragte Last berücksichtigt.

Das Hauptproblem dieser naiven Definitionen ist die fehlende Orientierung an der Praxis. Oft führt dies zu einer irreführenden Unterteilung von langen Dunkelflauten in mehrere Teilstücke. Es genügt ein einziger guter Tag, um die Dunkelflaute vorzeitig für beendet zu erklären, selbst wenn sie nach einer kurzen Unterbrechung weitergeht.

Im Beispielgraph oben wäre die Dunkelflaute mit dem windstarken 26. November 2012 “vorbei”, obwohl sie nicht einmal halb überstanden ist. Die naiven Schwellenwert-Definitionen haben nichts mit der Realität von Saisonspeichern in einem von Solar und Wind dominierten Energiesystem zu tun.

Hier verwende ich eine Definition von Ruhnau & Qvist (2021). Eine Dunkelflaute wird dort praxisnah definiert durch das maximale Energiedefizit akkumuliert über einen Zeitraum. Erst wenn das maximale Energiedefizit überwunden ist, gilt die Dunkelflaute als beendet.3

Vereinfacht gesagt, gilt als Dunkelflaute der Zeitraum vom Beginn der Entleerung der Saisonspeicher bis sie maximal entleert wurden und wieder geladen werden. Es passiert häufig, dass die Speicher an einzelnen Tagen etwas gefüllt werden, aber die maximale Entleerung erst danach erreicht wird.

Eine wichtige Frage bleibt, inwieweit man Speicherverluste berücksichtigt. Durch saisonale Speicherung mit Wasserstoff geht mehr als die Hälfte der eingesetzten Energie verloren. Bei Berücksichtigung von Verlusten können die Dunkelflauten noch deutlich länger dauern als hier aufgezeigt.

Energiedefizit: Nicht die Dauer der Dunkelflaute ist wichtig

Es geht aber gar nicht so sehr um die Dauer einer Dunkelflaute. Die längste Dunkelflaute seit 2012 dauerte 3,5 Monate im September, Oktober und Dezember 2014. Sie ist aber in punkto Residuallast mild verlaufen.

Der Speicherbedarf bei den zweimonatigen Dunkelflauten ist teilweise deutlich höher. Entscheidend dafür ist nicht die Dauer, sondern die Summe der Residuallast abzüglich der Einspeicherungen während der Dunkelflaute.

Ruhnau und Qvist haben in den Wetterdaten der letzten 35 Jahre die Dunkelflaute mit dem größten Energiedefizit im November & Dezember 1996 gefunden. Diese Dunkelflaute dauerte aber nur 61 Tage, also 2 Monate.

Sie war deutlich kürzer als andere Dunkelflauten der letzten 35 Jahre. Aber Wind und Sonne machten sich Ende 1996 besonders rar, was für ein hohes Energiedefizit sorgte. Danach richtet sich der Speicherbedarf.

Ruhnau und Qvist kommen mit ihren Annahmen für ein 100% auf Erneuerbaren basiertem Energiesystem auf rund 27.000 GWh benötigte Stromspeicher für diese 61 Tage. Inklusive Sicherheitsreserve erwarten sie einen Bedarf von 36.000 GWh elektrischem Speichervolumen.

Das ist sehr, sehr viel. Zum Vergleich: Wir haben in Deutschland aktuell nur 36 GWh elektrisches Speichervolumen in Form von Pumpwasserspeichern. Das sind 3 Größenordnungen Unterschied!

Batteriespeicher sind noch viel unzureichender. Aktuelle Großbatterien in Deutschland haben Kapazitäten von 0,001 GWh bis 0,020 GWh.4 Wegen der hohen Kosten und Entladeströme sind Akkus sowieso grundsätzlich ungeeignet als Saisonspeicher.

Jahrtausendwinter: Kälteanomalien & Extrem-Dunkelflauten

Risiko von Katastrophen Notlagen Blackout - Dunkelflaute: Wie ernst ist der Ausfall von Wind & Solar?

Es reicht aber nicht nur 35 Jahre zurückzugehen. Bei der Risikobetrachtung in der Energiewirtschaft bereitet man sich üblicherweise auf Extremereignisse vor, die nur einmal im Jahrtausend oder gar Jahrzehntausend auftreten.

Wenn man noch weiter zurückgeht, sticht in den letzten 50 Jahren als Extremereignis der Katastrophenwinter 1978 hervor. Damals fror die Kohle fest und alle Kohlekraftwerke der DDR gingen gleichzeitig vom Netz. Nur die Kernkraftwerke konnten eine Mindestversorgung aufrechterhalten.

Das gleiche passierte 2021 bei den Texas Blackouts. In Texas fielen neben Kohlekraftwerken auch Gaskraftwerke aus und Windräder froren fest. Selbst einer von vier Kernreaktoren fiel aus, obwohl Kernkraftwerke noch am besten mit Extremwetter klarkommen.

Ein deutschlandweiter Blackout hätte verheerende Folgen mit vielen Todesopfern. In Texas starben damals rund 500 Menschen. Der Schaden einer Strommangellage übertrifft den einer Pandemie und selbst den eines großen Erdbebens. Deshalb müssen wir Blackouts unbedingt vermeiden.

Wir müssten also abwägen, ob mehrjährige Klimaanomalien beherrschbar sein müssen, zum Beispiel: 5

  • Kälteanomalie 1431-1439
  • Kälteanomalie 821–824
  • Kälteanomalie 536–550

Angesichts der sowieso schon extremen Folgen einer mehrjährigen Kältewelle darf nicht auch noch die Energieversorgung ausfallen, weil sie zu sehr vom Wetter abhängig ist.

Allermindestens müssen einzelne Jahrtausendwinter wie 1708/1709 oder das Jahr ohne Sommer 1816 beherrschbar sein. Extreme Wetterereignisse fehlen in der Energiewende-Diskussion leider weitestgehend.

Kalte Dunkelflaute: Unterschied zur normalen Dunkelflaute?

Die kalte Dunkelflaute ist definiert als Dunkelflaute mit zusätzlich kalter Witterung und entsprechend hoher Energienachfrage:

  • kaum Wind
  • kaum Sonne
  • hohe Stromnachfrage

Dass alle drei Kriterien zum gleichen Zeitpunkt eintreten klingt erst einmal unwahrscheinlich. Das täuscht aber. Fast jede mehrtägige Flaute ist auch eine Dunkelflaute, weil mehrtägige Flauten im Winter oder der Übergangszeit auftreten. Fast jede mehrtägige Dunkelflaute ist demnach eine kalte Dunkelflaute.

An den meisten Wochentagen im Winter ist die Stromnachfrage nahe der Jahres-Spitzenlast. Das gilt besonders in Zukunft mit mehr Wärmepumpen am Netz. Die Fernwärme-Auskopplung ist dann ebenfalls nahe dem Maximum, wodurch in Deutschland mehrere GW Leistung bei der möglichen Stromerzeugung aus KWK-Anlagen fehlt.

Es macht nicht viel Sinn in Deutschland zwischen “normaler” Dunkelflaute und kalter Dunkelflaute zu unterscheiden. In der Praxis sind die Begriffe weitestgehend deckungsgleich.

Lösung für die Dunkelflaute: Backup für Solar & Wind

Versorgungssicherheit in Deutschland bis 2035 - Dunkelflaute: Wie ernst ist der Ausfall von Wind & Solar?

Solar- und Windanlagen sind das, was man ein extremes Klumpenrisiko nennt. Wenn sie ausfallen, dann fallen sie alle gleichzeitig aus. Es ist Nachts und bei Flaute egal, wie viel Photovoltaik oder Windräder man hat.

Wir werden deshalb immer eine zweite Energie-Infrastruktur brauchen, egal wie viel Wind und Solar wir zubauen. Unser Backup muss den Ausfall von Wind und Solar kompensieren und den Verbrauch in voller Höhe decken können.

Unsere heutigen Backup-Kraftwerke sind fossil. In Zukunft sollen sie auf grünen Wasserstoff umgestellt werden, welcher größtenteils importiert wird. Wir werden beim weiterem Ausbau von Solar und Wind auch ordentlich neue Gaskraftwerke zubauen müssen.

Batterien werden von Laien oft als Lösung ins Feld geführt. Akkus werden heute ausschließlich für die Momentanreserve eingesetzt. Wenn wir Batteriespeicher in Zukunft massiv um mehrere Größenordnungen ausbauen, wäre vielleicht auch eine Funktion als Tagesspeicher denkbar, um solarstrom in die Nacht zu retten. Batterien werden wegen ihrem extrem begrenzten Speichervolumen und wegen der Selbstentladung aber niemals als Saisonspeicher zum Einsatz kommen.

Die einzige Lösung bei Dunkelflaute sind konventionelle Kraftwerke. Es ist egal ob sie mit Kohle, Erdgas oder Uran betrieben werden. Perspektivisch sollen sie bei uns in Deutschland in Zukunft mit teurem und verlustreichem Wasserstoff als saisonalem Speicher laufen.

Leistungskredit: Gesicherte Leistung von Energiequellen

Gesicherte Leistung von Energiequellen - Dunkelflaute: Wie ernst ist der Ausfall von Wind & Solar?

Die vier Netzbetreiber rechnen aufgrund der Langzeiterfahrung im deutschen Netz mit nur 1-3% gesicherter Leistung durch Windkraft und 0% gesicherter Leistung durch Photovoltaik. Auch Laufwasser ist stark wetterabhängig mit 25% Verfügbarkeit.

Konventionelle Kraftwerke können hingegen im Verbund mehr als 90% ihrer Leistung gesichert zur Verfügung stellen. Dies sind die Leistungskredite verschiedener Energiequellen im deutschen Netz:6

  • 95% Kernkraft
  • 93% Erdgas
  • 91% Kohle, Erdöl
  • 80% Pumpspeicher
  • 65% Biomasse
  • 50% Abfall
  • 25% Laufwasser
  • 3% Offshore Wind
  • 1% Wind an Land
  • 0% Photovoltaik

Ungeplante Ausfälle durch Wetter oder Störfälle reduzieren den Leistungskredit. Auch durch Fernwärmeauskopplung oder Brennstoffmangel kommt es zu Nichtverfügbarkeit. Die Netzbetreiber haben die Einsatzfähigkeit der Kraftwerke im deutschen Netz über mehrere Jahre ausgewertet.

Geplante Ausfälle senken den Leistungskredit kaum. Revisionen kann man über den Kraftwerksverbund staffeln und in den Sommer legen. Weil die Jahres-Höchstlast in den Winter fällt, zählt für den Leistungskredit auch nur der Winter. Das ist auch der Grund, weil der Leistungskredit höher sein kann als der Kapazitätsfaktor.

Der Leistungskredit berücksichtigt allerdings nur bisherige Ereignisse im deutschen Netz. Künftige Netzengpässe kommen noch nicht zum Tragen. Besonders in Süddeutschland fehlt in Zukunft gesicherte Leistung durch den Atomausstieg.7

Ebenfalls nicht berücksichtigt ist eine etwaige Notversorgungslage beim Erdgas. Wenn Russland uns das Gas abdreht, ist es egal wieviele einsatzbereite Gaskraftwerke wir haben. Auch die oben erwähnten Extremwinter mit dem Ausfall von Kohle- und Gaskraftwerken sind nicht einbezogen.

Selbst eine Pandemie kann sich unvorhergesehen auf die gesicherte Leistung auswirken. Frankreich legt die Revisionen seiner AKW eigentlich in den Sommer mit geringer Spitzenlast. Weil Covid-19 in den Jahren 2020 und 2021 die Inspektionen bis in den Winter verzögerte, fehlte jeweils gesicherte Leistung.

Importe: Irgendwo in Europa weht immer Wind?

In einer kalten Dunkelflaute können wir uns auf Importe nicht verlassen. Wenn bei uns kein Wind weht und keine Sonne scheint, dann auch nicht in unseren Nachbarländern. Auch die Nachfragespitzen sind synchron. Je mehr unsere Nachbarn auf Wind und Solar setzen, desto mehr brauchen sie ihre regelbaren Kraftwerke selbst.

Es hilft auch nicht, dass “irgendwo in Europa immer Wind weht”. Strom zu transportieren ist auch nicht günstiger als Strom zu speichern. Schon Windstrom aus Norddeutschland nach Süddeutschland zu schaffen ist eine Herausforderung. Wir werden niemals Windstrom aus Portugal oder vom schwarzen Meer importieren.

Möglich und sinnvol ist hingegen der Import von grünem Wasserstoff und Synthfuels aus sonnen- oder windreichen Ländern. Weil in Deutschland im internationalen Vergleich wenig Wind weht und sehr wenig Sonne scheint, kann sich das trotz der hohen Verluste energetisch lohnen.

Importe von Wasserstoff und Synthfuels werden sich außerdem gar nicht vermeiden lassen. Wir können national nicht genug Windstrom und Solarstrom erzeugen, um uns selbst zu versorgen.

Kernkraft: totgeschwiegene Lösung der Dunkelflaute

Die einzige Möglichkeit endgültig von der Importabhängigkeit loszukommen, wäre die Kernkraft. Dank der hohen Energiedichte von Uran ist es leicht genug Brennstoff für Jahre oder Jahrzehnte einzulagern. Wir haben sogar noch deutsche Uranreserven.

Kernkraftwerke sind auch am verlässlichsten in extremen Kaltphasen, wie der Katastrophenwinter 1978/1979 und die Blackouts von Texas 2021 gezeigt haben.

Wenn wir ausreichend Kernkraftwerke hätten, um etwas mehr als die Mittellast zu bedienen, bräuchten wir auch keine Saisonspeicher oder Backup-Kraftwerke für Wind und Solar. Tagesspeicher würden reichen, weil es keine mehrtägigen Energiedefizite gäbe.

Quellen

  1. Klimaneutrales Deutschland 2045 Agora (2021)
  2. Frequency and duration of low-wind-power events in Germany Schill & Ohlendorf (2020)
  3. Storage requirements in a 100% renewable electricity system Ruhnau & Qvist (2021)
  4. Liste von Batterie-Speicherkraftwerken Wikipedia (2022)
  5. Liste von Wetterereignissen in Europa Wikipedia (2022)
  6. Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2017-2021 Netztransparenz (2018)
  7. Versorgungssicherheit in Süddeutschland bis 2025 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (2018)