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Dunkelflaute: Herausforderung für erneuerbare Energien

Eine Dunkelflaute bezeichnet das gleichzeitige Auftreten von Dunkelheit und Windstille, wodurch die Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie drastisch abnimmt. Diese Wetterlage tritt typischerweise im Winter auf und kann mehrere Tage andauern. Noch längere Phasen ohne nennenswerten Wind oder Sonneneinstrahlung treten durchschnittlich alle zwei Jahre auf. In Deutschland kann die Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie dabei auf unter zwei Prozent der installierten Gesamtleistung absinken.

Keine einheitliche Definition einer Dunkelflaute

Trotz der weiten Verbreitung des Begriffs in der Energiedebatte gibt es keine einheitliche Definition hinsichtlich der Dauer und des Ausmaßes einer Dunkelflaute. Sofern bereits zwei Nebeltage mit Windstille dazu gezählt werden, liegt die Wahrscheinlichkeit für Dunkelflauten lt. dem Deutschen Wetterdienst bei zweimal jährlich. Setzt man andere Werte an, wird in Deutschland im Durchschnitt alle zehn Jahre eine Periode von acht Tagen erwartet, in der weniger als 10 % der installierten Leistung verfügbar ist.

Kalte Dunkelflaute in den Wintermonaten

Besonders herausfordernd wird es bei einer sog. kalten Dunkelflaute, bei der zusätzlich zu Dunkelheit und Windstille niedrige Temperaturen den Strombedarf erhöhen. Laut dem Umweltbundesamt treten solche Phasen besonders häufig Ende Januar oder Anfang Februar auf. Längere Dunkelflauten stellen erhebliche Stressphasen für erneuerbare Stromsysteme dar, da sie sich direkt auf die Stromversorgungssicherheit auswirken.

Risiken der Dunkelflaute

Die Dunkelflaute stellt eine erhebliche Belastung für das Stromnetz dar, insbesondere in einem System, das stark auf erneuerbare bzw. volatile Energien angewiesen ist. Wenn Wind- und Solaranlagen nur minimale Energie liefern, müssen konventionelle Kraftwerke einspringen, um die Netzstabilität zu gewährleisten. Dieses Ungleichgewicht zwischen Energieangebot und -nachfrage erschwert die Frequenzregulierung und kann die Stabilität des gesamten Stromnetzes gefährden. Die geringere Belastung des Übertragungsnetzes während einer Dunkelflaute erfordert zudem Investitionen in redundante Kapazitäten aus konventionellen Energiequellen, was insgesamt die Betriebskosten erhöht.

CO₂-Emissionen vermeiden

Die Dunkelflaute bringt somit nicht nur technische, sondern auch erhebliche wirtschaftliche und umweltbezogene Herausforderungen mit sich. Da erneuerbare Energieträger während dieser Phasen ihr Potenzial nicht voll ausschöpfen können, steigt die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, was wiederum die CO₂-Emissionen des Energiesektors erhöht. Dies steht im Widerspruch zu den Zielen der Energiewende und des Pariser Abkommens. Zusätzlich können die höheren Produktionskosten für Erdgas und Kohle die Energiepreise negativ beeinflussen. Um die CO₂-Emissionen zu kompensieren, werden teure und energieintensive Maßnahmen wie die CO₂-Abscheidung notwendig, was die Gesamtkosten für die Energieversorgung weiter in die Höhe treibt.

Diese Risiken und Herausforderungen verdeutlichen die Notwendigkeit einer strategischen Planung und der Entwicklung von Langzeitspeichern oder der Nutzung synthetischer, klimaneutraler Gase, um die Versorgungssicherheit auch während einer Dunkelflaute zu gewährleisten und gleichzeitig die Umweltbelastung zu minimieren.

Lösungsansätze und Strategien

Der Ausbau des Stromnetzes ist eine grundlegende Strategie, um die Herausforderungen der Dunkelflaute zu bewältigen. Die großräumige Vernetzung der erneuerbaren Stromerzeuger über Wetter- und Ländergrenzen hinweg gewährleistet eine effiziente und ausgleichende Stromübertragung. Insbesondere die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) bietet sich an, da sie im Vergleich zu konventionellen Wechselstromleitungen deutlich geringere Übertragungsverluste aufweist. Dies ermöglicht es, Strom über große Entfernungen ohne signifikante Energieverluste zu handeln und so regionale Unterschiede in der Energieerzeugung auszugleichen.

Speicherkapazitäten erhöhen

Die Erhöhung der Speicherkapazitäten ist eine weitere wichtige Maßnahme. Langzeit- und Kurzzeitspeicher spielen eine zentrale Rolle, indem sie überschüssige Energie in Zeiten hoher Erzeugung speichern und bei Bedarf freigeben. Batteriespeicher können beispielsweise hervorragend kurzfristige Lastspitzen abfangen. Pumpspeicherkraftwerke sind derzeit die größten verfügbaren Energiespeicher und können besonders schnell während einer Dunkelflaute ausgleichen. Zudem wird die Technologie der Power-to-Gas (P2G)-Anlagen immer relevanter, da sie es ermöglicht, überschüssige Energie in Form von Wasserstoff zu speichern, der langfristig nutzbar ist und zur Dekarbonisierung beiträgt.

CO₂-neutrale Backup-Kraftwerke gegen Dunkelflauten

Backup-Kraftwerke oder Spitzenlastkraftwerke sind unerlässlich, um Versorgungssicherheit während extremer Dunkelflauten zu gewährleisten. Zurzeit eignen sich hierzu noch konventionelle Gas- und teilweise Kohlekraftwerke aufgrund ihrer Flexibilität und schnellen Verfügbarkeit. Allerdings steigen so die CO₂-Emissionen. Sinnvoller ist hier der Einsatz von Wasser-, Geothermie-, Solarthermie- und Biomassekraftwerken. Sie können ebenfalls schnell hoch- und runtergefahren werden, um auf plötzliche Schwankungen zu reagieren.

Sektorenübergreifend steuern

Die Sektorenkopplung ist eine fortschrittliche Lösung, die verschiedene Energiebereiche wie Strom, Wärme und Mobilität miteinander verbindet. Durch die Koordination und Integration verschiedener Energiesektoren kann eine effizientere Nutzung erneuerbarer Ressourcen erreicht werden. In Zeiten einer Dunkelflaute kann beispielsweise überschüssige Energie aus einem Sektor in einem anderen verwendet werden, um die Nachfrage zu decken. Dies trägt zur Stabilisierung des Gesamtsystems bei und reduziert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.

Diese Strategien zeigen, dass durch eine Kombination aus technologischer Innovation und intelligenter Netzsteuerung die Herausforderungen der Dunkelflaute effektiv bewältigt werden können, um eine zuverlässige und nachhaltige Energieversorgung sicherzustellen.

Perspektiven und Innovationen zur Überwindung einer Dunkelflaute

Investitionen in Forschung und Entwicklung nehmen eine Schlüsselrolle ein, um innovative Technologien voranzutreiben, die die Auswirkungen der Dunkelflaute mindern können. Dazu gehören nicht nur verbesserte Wetter- und Ertragsvorhersagemodelle sowie intelligente Netzinfrastrukturen. Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten unter Hochdruck an neuen Technologien und Konzepten. Dabei gibt es ständig Fortschritte in der Speichertechnologie und der Effizienz von Solar- und Windanlagen. Obwohl all dies nicht ad hoc entwickelt oder realisierbar ist, wird mit dem fortschreitenden Ausbau erneuerbarer Energien die Vielfalt und Leistungsfähigkeit der alternativen Lösungen wachsen.

Flexibilisierung der Nachfrage

Eine geschickte Kombination verschiedener Maßnahmen kann künftig den Einsatz konventioneller Energieträger zur Bewältigung von Dunkelflauten überflüssig machen. Ein entscheidender Schritt hierzu ist der konsequente Ausbau sämtlicher Flexibilitätsoptionen im Stromnetz. Darüber hinaus könnte die Flexibilisierung der Stromnachfrage zur Überbrückung beitragen, indem beispielsweise Ladevorgänge von Elektroautos oder der Betrieb von Wärmepumpen an die schwankende Einspeisung angepasst werden. Variable Stromtarife, die sich zeitlich nach Energieerzeugung und -verbrauch richten, wirken sich hierbei steuernd aus.

Stauseen & kleinere dezentrale Wasserkraftwerke

Wasserkraft, als die größte erneuerbare Energiequelle weltweit, könnte ein wesentliches Problem der Energiewende lösen, da sie im Gegensatz zu Sonne und Wind rund um die Uhr verfügbar ist. Die Zukunft der Wasserkraft sieht man jedoch nicht in großen Stauseen, sondern in kleinen Anlagen, die traditionelle Laufwasserkraftwerke oder Strömungskraftwerke sein können. Diese kleinen Wasserkraftanlagen greifen nicht in das Flussbiotop ein und verändern nicht die Wasserqualität, was sie zu einer umweltfreundlichen Alternative macht. Der Fokus sollte auf dem Ausbau von kleinen dezentralen Laufwasserkraftwerken und Strömungswasseranlagen liegen, aber auch die Modernisierung alter Anlagen bietet großes Potenzial.

Energieerzeugung vor Ort

Die dezentrale Energieversorgung, unterstützt durch Investitionen in vernetzte Energieanlagen von Privatpersonen, Stadtwerken oder produzierenden Unternehmen, könnte zur Systemstabilisierung beitragen. Statt in riesige Leitungssysteme zu investieren, würde man Investitionen in die örtliche Stromproduktion anreizen. Große Stromversorger könnten wiederum Strom von diesen kleineren Erzeugern aufkaufen. Dies könnte auch die rund 15.000 Ökostromanlagen, die bald aus der EEG-Förderung herausfallen, weiterhin betreiben.

Wasserstoff als Speicher gegen Dunkelflauten

Langfristig könnte die Lösung in einer umfassenden Wasserstoffwirtschaft liegen. Optimiert man diese, könnte sogar die Kraftwerksleistung der erneuerbaren Energiequellen kleiner gehalten werden, als manche denken. Elektrolyse bei zu hohen Leistungen im Netz und Brennstoffzellen zur Rückverstromung könnten den Ausgleich das ganze Jahr über schaffen. Zudem sollte unbedingt Kraft-Wärme-Kopplung betrieben werden, um keine Energie zu verschenken. Mit einer Wasserstoffwirtschaft hätten wir allein in den Gasleitungen für Monate Energie gespeichert, was auch einen Blackout leichter verhindern könnte.

Fazit: Eine Dunkelflaute kann überwunden werden

Zusammenfassend verdeutlicht der Umgang mit der Dunkelflaute die Notwendigkeit einer weitreichenden Zusammenarbeit, innovativer Lösungen und eines multifokalen Ansatzes im Bereich der erneuerbaren Energien. Die vorgestellten Strategien und Lösungsansätze, von der Verbesserung der Speichertechnologien bis hin zur Förderung der Sektorenkopplung, bieten vielversprechende Wege, um die Herausforderungen zu bewältigen. Dies unterstreicht die Bedeutung der fortschreitenden Forschung und der dringenden Umsetzung effektiver Maßnahmen zur Stärkung der Resilienz gegenüber der Dunkelflaute.

Zukunftsperspektiven in der Nutzung erneuerbarer Energien verlangen eine konstante Anpassung der Infrastruktur und der Energiemanagementsysteme, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten und den Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung zu beschleunigen. Die Weiterentwicklung und der Einsatz neuer Technologien zusammen mit einer intelligenten Energiepolitik sind grundlegend, um die langfristigen Ziele der Energiewende zu erreichen und eine verantwortungsbewusste Antwort auf die globalen Klimaherausforderungen zu geben.

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