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Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

Informationen zur Untersuchung

Regenerative Energieträger zur Sicherung der Grundlast in der Stromversorgung

– Beitrag, Perspektiven, Investitionen –

Themenbereich: Energie, Ressourcen, Umwelt
Analyseansatz: Monitoring
Themeninitiative: Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung
Status: abgeschlossen
Laufzeit: 2008 bis 2010

Der Ausbau der Stromerzeugung aus regenerativen Energien ist ein zentraler Bestandteil der deutschen Energie- und Klimapolitik. Der Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch soll bis zum Jahr 2020 auf mindestens 35 % steigen und auch danach kontinuierlich weiter wachsen. Ein Großteil des Ausbaus der regenerativen Energien erfolgt auf Basis von Technologien mit fluktuierender Einspeisung. Dazu zählen insbesondere die Windenergie, aber zunehmend auch die solare Stromerzeugung. Durch den stark ansteigenden Anteil fluktuierender Einspeisung verändern sich die Anforderungen an die Stromversorgung sowie deren Struktur nachdrücklich. Gemeinsam mit anderen Triebkräften, u.a. der europäischen Integration der Strommärkte und dem Ausstieg aus der Kernenergie, führt dies dazu, dass die Elektrizitätsversorgung in Deutschland mitten in einem tiefgreifenden Wandel steht.

Gegenstand und Ziel der Untersuchung

Als Grundlast wird diejenige Stromnachfrage bezeichnet, die im Tagesgang nicht unterschritten wird. Die Grundlast wird durch Kraftwerke gedeckt, die Strom zu niedrigen variablen Kosten erzeugen und die (meist) nur schwer zu regeln sind. In Deutschland sind dies derzeit vor allem Laufwasser-, Kernenergie- sowie Braunkohleanlagen.

In diesem Zusammenhang wird auch über den Beitrag nachgedacht, den erneuerbare Energien (über die Wasserkraft hinaus) zur Sicherung der Grundlast leisten können. Ein zentraler Begriff in der Diskussion ist die sogenannte »gesicherte Leistung«. Sie beschreibt den Beitrag, den eine Technologie – konventionell oder erneuerbar – mit einer bestimmten Sicherheit zur Deckung der Stromnachfrage beitragen kann.

Während die Windenergie und vor allem die Photovoltaik (PV) für sich genommen nur eine geringe gesicherte Leistung aufweisen, liegt sie bei Biomasse, Wasserkraft und Geothermie im Bereich konventioneller Anlagen. Werden die verschiedenen regenerativen Stromerzeugungstechnologien als Verbund betrachtet, fällt die gesicherte Leistung insgesamt höher aus, weil es z.B. zwischen PV und Windenergie zu Ausgleichseffekten kommt.

Die gesicherte Leistung allein sagt jedoch nur wenig aus über die Frage, wie gut die Stromnachfrage durch erneuerbare Energien gedeckt werden kann und welcher Kraftwerkspark zur Deckung der Nachfrage vorgehalten werden muss. Insofern muss bei der Betrachtung des Beitrags erneuerbarer Energien zur Sicherung der Grundlast auch der Lastgang der Nachfrage mit einbezogen werden. Aus der Differenz von erneuerbarer Erzeugung und Nachfrage ergibt sich die Last, die durch regelbare Kraftwerke gedeckt werden muss.

Der Themenkomplex »Grundlast« ist seiner Natur nach einer isolierten Betrachtungsweise nicht zugänglich, sondern muss in eine Gesamtbetrachtung der Struktur der Stromerzeugung (Kraftwerkspark, ökonomische und ökologische Determinanten des Kraftwerkseinsatzes, »virtuelle Kraftwerke«, Investitionsentscheidungen etc.) sowie der Nachfrage nach Strom (z.B. Lastmanagement, Maßnahmen zur Energieeinsparung und rationellen Energieverwendung), eingebettet werden.

Zur Behandlung dieser Fragestellungen bedarf es einer Methodik, welche sowohl den kurzfristigen Kraftwerkseinsatz als auch die langfristigen Investitionsentscheidungen im Energiemarkt abdeckt. Daher wurden, neben der Auswertung der existierenden Literatur, auch eigene modellgestützte Untersuchungen zu Szenarien der zukünftigen Stromversorgung durchgeführt.

Ergebnisse

Ein dynamisch voranschreitender Ausbau der Stromerzeugung mittels fluktuierender erneuerbarer Energien macht es zwingend erforderlich, dass das Stromsystem wesentlich flexibler als in der Vergangenheit auf unterschiedliche Einspeise- und Nachfragesituationen reagieren kann, damit die Versorgungssicherheit jederzeit gewahrt bleibt. Die Flexibilität des Systems muss daher auf allen Ebenen deutlich erhöht werden, in der Stromerzeugung und bei den Netzen ebenso wie im Bereich der Nachfrage.

Die verschiedenen Flexibilisierungsoptionen können sich ergänzen, aber auch zu einem gewissen Grad gegenseitig substituieren. Insgesamt gesehen gilt es, aus dem zur Verfügung stehenden Portfolio an Flexibilisierungsoptionen für das Stromsystem diejenige Kombination von Maßnahmen zu finden, die die langfristige Versorgungssicherheit zu den geringsten ökonomischen Kosten bei höchstmöglicher ökologischer und sozialer Verträglichkeit gewährleistet. Dies bedeutet einen gesellschaftlichen Suchprozess mit wissenschaftlicher Unterstützung zu organisieren.

Die Analyse zeigt zwar, dass die bestehenden und konkret geplanten Flexibilisierungsoptionen zumindest bis 2030 nahezu ausreichen. Dennoch kann die Politik dazu beitragen, durch zusätzliche Flexibilisierungsoptionen die Systemintegration der erneuerbaren Stromerzeugung vor allem in einer langfristigen Perspektive weiter zu verbessern.

Stromerzeugung

Die Differenzierung in Lastbereiche (Grund-, Mittel- und Spitzenlast) wird mit wachsender Durchdringung des Systems mit fluktuierender Einspeisung aus Erneuerbaren zunehmend obsolet. Ebenso wird die Zuordnung bestimmter Kraftwerkstypen zu einzelnen Lastbereichen in Zukunft mehr und mehr verschwimmen. Die Einsatzmöglichkeiten für Kraftwerke, die für sehr hohe Volllaststunden ausgelegt sind, gehen zurück. Im untersuchten Szenario sinkt der Bedarf an Grundlastkraftwerken von heute ca. 29 GW (installierte Leistung von Braunkohle- und Kernkraftwerken) bis 2030 auf nur noch 6 GW.

Andererseits werden flexible konventionelle Kraftwerke zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit gebraucht. Derzeit wird diskutiert, ob der Neubau (oder sogar die Erhaltung) solcher Kraftwerke zusätzlich – durch sogenannte »Kapazitätsmechanismen« – gefördert werden muss, damit die Marktakteure ihn in ausreichendem Umfang durchführen.

Auch durch die stärkere Orientierung der Stromproduktion aus Erneuerbaren an der Nachfrage kann die Flexibilität der Erzeugung gesteigert werden. Biomassekraftwerke, aber auch Wasserkraftwerke und Geothermieanlagen sind aus technischer Sicht hierzu gut geeignet. Regelbare Anlagen zur regenerativen Stromerzeugung sollten möglichst nicht durch die Förderungssystematik zur Dauerproduktion angereizt werden, wie das derzeit im System der festen Einspeisevergütung der Fall ist. Die Einführung der optionalen Marktprämie bietet Ansatzpunkte für eine Flexibilisierung der Stromproduktion aus Erneuerbaren. Es bleibt allerdings abzuwarten, inwieweit dieses neue Förderinstrument tatsächlich zu einer Veränderung des Einspeiseverhaltens von Erneuerbaren und damit zu einer höheren Flexibilität des Stromsystems führt.

Stromnetze

Die Stromnetze spielen eine Schlüsselrolle bei der Integration eines dynamisch ansteigenden Anteils erneuerbarer Energien. Bereits heute treten in bestimmten Regionen Deutschlands regelmäßig Engpässe in den Hoch- und Höchstspannungsnetzen auf. Ohne geeignete Ausbaumaßnahmen wird sich dies in Zukunft weiter verstärken. Die Leistungsfähigkeit der Übertragungsnetze kann gesteigert werden durch Optimierung des Netzbetriebs, Netzverstärkungsmaßnahmen sowie Netzausbau, wobei die Kosten der Maßnahmen in der genannten Reihenfolge zunehmen.

Zum Ausbaubedarf des Übertragungsnetzes wurden bereits einige Analysen durchgeführt, u.a. die beiden »Netzstudien« der Dena. Für die Verteilnetze sind belastbare Abschätzungen des Ausbaubedarfs noch nicht vorhanden, werden aber zurzeit erstellt. Eine Verlagerung großer Teile der Stromproduktion auf die Verteilnetzebene durch kleine dezentrale Anlagen (beispielsweise Photovoltaikanlagen) ist ein Trend der jüngsten Vergangenheit, der den Netzbetrieb vor erhebliche Herausforderungen stellt. Der adäquate Ausbau der Verteilnetze ist daher ein Schlüsselbereich für einen erfolgreichen Umbau des Stromsystems.

Speicher

Speicher sind nur eine von mehreren zur Verfügung stehenden Optionen zur Flexibilisierung des Stromsystems. Die Aufgaben, die Speicher übernehmen können, sind immer auch auf anderem Wege erfüllbar.

Derzeit sind Pumpspeicher die meistgenutzte Art der Energiespeicherung auf Systemebene. Pumpspeicher stellten im liberalisierten Strommarkt bis vor Kurzem ein rentables Geschäftsmodell dar. Wenn allerdings der jüngste Trend anhält, dass der Preisunterschied zwischen Schwachlast- und Spitzenlaststrom schrumpft, steht dieses Geschäftsmodell mehr und mehr unter Druck. Falls keine anderen effizienteren Flexibilisierungsmaßnahmen zur Verfügung stehen, müsste in diesem Fall eventuell über Unterstützungsmaßnahmen nachgedacht werden, die über die derzeitige Befreiung von den Netzentgelten und der EEG-Umlage hinausgehen.

Viele der weiteren infrage kommenden Speichertechnologien (Druckluftspeicher, elektrochemische Speicher, »Power-to-Gas«) sind noch im Entwicklungsstadium. Speichermöglichkeiten, die Verbindungen zu anderen Sektoren herstellen – v.a. dem Wärmesektor sowie längerfristig auch dem Gas- bzw. dem Kraftstoffsektor –, könnten interessante Optionen eröffnen und Synergien bieten. Zu nennen sind hier beispielsweise die Ausstattung von Kraft-Wärmekopplungs-Anlagen mit Wärmespeichern, die es erlaubt, deren Stromproduktion der Stromnachfrage anzupassen, oder die Möglichkeit, mittels Strom (durch Elektrolyse) Methan (»Windgas«) bzw. Wasserstoff herzustellen. Speicher sollten daher auch weiterhin ein prioritärer Bereich für die Forschungsförderung bleiben.

Derzeit ist eine verlässliche Quantifizierung des ökonomisch und technisch sinnvollen langfristigen Speicherbedarfs nicht möglich. Daher ist anzuraten, die diesbezügliche Wissensbasis zu verbreitern und vor einem Eingriff – beispielsweise durch großangelegte Förderprogramme zum Speicherbau – im Detail zu untersuchen, ob und welche Art von politischer Unterstützung über die Forschungsförderung hinaus angezeigt ist.

Lastmanagement/Flexibilisierung der Nachfrage

Durch Flexibilisierung der Nachfrage kann die Abweichung zwischen Stromproduktion aus erneuerbarer Erzeugung und Stromverbrauch verringert werden. Vor allem bei industriellen und großen gewerblichen Verbrauchern (z.B. Chloralkalielektrolyse, Aluminiumproduktion, große Kühlhäuser) existieren gesamtwirtschaftlich attraktive Potenziale, bei denen die Kosten für die Einsparung von Strom zu Hochlastzeiten (bzw. von Regelenergie) geringer sind als die für die zusätzliche Stromproduktion. Hierfür müssen geeignete Rahmenbedingungen geschaffen werden. Dazu gehören z.B. die stärkere Öffnung der Regelmärkte, aber auch die verstärkte Einführung von Stromtarifen, bei denen der Strompreis mit dem Börsenpreis schwankt.

Die Lastmanagementpotenziale im Haushaltssektor (und in großen Teilen des Sektors »Gewerbe, Handel, Dienstleistungen«), beispielsweise durch intelligent zu- bzw. abschaltbare Haushaltsgeräte oder Lademanagement von Elektrofahrzeugen, müssen dagegen vor einer definitiven Bewertung noch genauer untersucht werden. Zu klären ist hier insbesondere, inwieweit die Einsparpotenziale Investitionen in Smart-Grid-Infrastrukturen rechtfertigen können.

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