Was ist die Dunkelflaute?
Definition
Die Dunkelflaute als sogenanntes Kofferwort beschreibt das gleichzeitige Auftreten von Dunkelheit und Windflaute. Diese Wetterlage entsteht typischerweise im Winter und sorgt für geringe Erträge aus Solar- und Windenergie bei gleichzeitig saisonal hohem Strombedarf. Eine Dunkelflaute kann mehrere Tage andauern. Kommen zu Dunkelheit und Windflaute noch niedrige Temperaturen hinzu, die für gewöhnlich den Strombedarf weiter ansteigen lassen, spricht man auch von "kalter Dunkelflaute". Die öffentliche Energiedebatte verwendet den Begriff der Dunkelflaute mit großer Selbstverständlichkeit, dabei sind jedoch weder eine klare qualitative noch eine quantitative Definition vorhanden: Ab welchem Zeitraum und in welcher Größenordnung eine Lücke in der Versorgung aus Wind- und Sonnenstrom bestehen muss, um von einer "Dunkelflaute" zu sprechen, ist nicht festgelegt. Doch die grundsätzliche Frage der Dunkelflaute, wie lang oder groß sie auch immer sei, bleibt: Wie kann sie überbrückt werden?
Inhaltsverzeichnis
- Sind Dunkelflauten ein unüberwindbares Hindernis für die Energiewende?
- Wie oft treten Dunkelflauten auf?
- Beispiel: Die Dunkelflaute im Winter 2022/23
- Konzepte der Erneuerbaren Energien zur Überbrückung der Dunkelflaute
- Transnationaler Netzausbau
- Pumpspeicherkraftwerke
- Bioenergie
- Laufwasserkraftwerke
- Variable Stromtarife und Demand Side Management
- Wasserstoffkraftwerke (Power-to-Gas)
- Batteriespeicher
- Fazit: Die Dunkelflaute kann „unkonventionell“ überwunden werden
Sind Dunkelflauten ein unüberwindbares Hindernis für die Energiewende?
In seit einigen Jahren etablierter, medialer Tradition tauchen in den dunklen und nebligen Wintermonaten die Artikel und Beiträge zur Dunkelflaute auf. Das es dabei nicht immer nur um belegbare energiewirtschaftliche Fakten, sondern auch um Interessenvertretung geht, ist ebenso klar wie die Tatsache, dass es Dunkelflauten tatsächlich gibt. Etwa alle zwei Jahre tritt eine extreme Dunkelflaute mit entsprechenden Versorgungsengpässen auf, zur Überbrückung springen flexible konventionelle Kraftwerke ein. Aber muss dies auch in Zukunft so bleiben oder können die Erneuerbaren Energien das Dunkelflautenproblem selbst regeln?
Die Betreiber konventioneller Kraftwerke, allen voran die Kohlelobby, sind sich einig: Sie können es nicht. Für die Versorgungssicherheit der Bundesrepublik seien konventionelle Großanlagen unabdingbar. Ausgehend von dieser Denkweise ermöglichen die derzeitigen regulatorischen Rahmenbedingungen den Betreibern etwa, eigentlich ausgediente Braunkohlekraftwerke im Rahmen der Sicherheitsbereitschaft auf Standby zu halten. Dies verhindert die Stilllegung von aufgrund von niedrigen Strompreisen eigentlich unwirtschaftlichen Braunkohlekraftwerken. Sollte es nun zu einer dramatischen Stromknappheit aufgrund einer Dunkelflaute kommen, haben die Betreiber zehn Tage Zeit, um ihre die Anlagen wieder anzufahren. Da eine Dunkelflaute äußerst selten über einen solch langen Zeitraum anhält, ist das Instrument der Sicherheitsbereitschaft sicherlich nicht geeignet, um diese zu überbrücken.
Wie oft treten Dunkelflauten auf?
Eine Studie von Energy Brainpool im Auftrag von Greenpeace Energy aus dem Jahr 2017 untersuchte alle zwischen 2006 und 2016 auftretenden Dunkelflauten. Die Autor_innen kamen zu dem Schluss, dass es im betrachteten Zeitraum von zehn Jahren in etwa jedem zweiten Jahr zu einer zweiwöchigen Phase kam, in denen weder Windkraft noch Solarenergie nennenswert zur Stromerzeugung beitrugen, die Residuallast also entsprechend hoch war und nahezu vollständig von konventionellen Kraftwerken gedeckt werden musste. Die Residuallast ist der Anteil am Stromverbrauch, der nicht von Erneuerbaren Energien gedeckt wird. Ergebnisse einer Studie aus 2023 des Karlsruher Instituts für Technologie weisen darauf hin, dass die Häufigkeit innerhalb eines Jahres, aber auch zwischen den Jahren schwanken können. Dabei habe die Wissenschaftler_innen Ereignisse bewertet, die mindestens 48h angedauert haben und kommen im Erhebungszeitraum von 1979-2018 auf durchschnittlich 4,6 Dunkelflauten pro Jahr.
Weiterhin untersuchten die Autor_innen, in welchen Monaten die Schwankungen der Solar- und Windstromerträge – und somit die Wahrscheinlichkeiten von länger anhaltenden Dunkelflauten – am höchsten sind. Die bekannten saisonalen Ausgleichseffekte der beiden Energieträger Photovoltaik und Windkraft (die Windkrafterzeugung ist in den Wintermonaten im Durchschnitt höher, die Photovoltaikerzeugung hingegen im Sommer) traten dabei ebenso zutage wie eine erhöhte Schwankungsanfälligkeit der Windstromerzeugung in den Wintermonaten. Verstärkt wird diese Situation noch dadurch, dass der Stromverbrauch im Winter grundsätzlich höher ist als im Sommer. Zusammenfassend lässt sich zweifelsfrei eine erhöhte Wetterabhängigkeit des Stromsystems konstatieren.
Der Berliner Thinktank Agora Energiewende stellt mit dem Agorameter ein Tool zur Verfügung, mit dessen Hilfe sich auf Basis historischer Wetterdaten und zukünftiger Ausbaupfade der Erneuerbaren Energien die noch übrig bleibende Residuallast und somit eventuelle Dunkelflauten berechnen und visualisieren lassen.
Beispiel: Die Dunkelflaute im Winter 2022/23
Im Zeitraum von Dezember 2022 und März 2023 ereigneten sich gleich zwei lange Dunkelflauten, mit jeweils 30 bzw. 54 Tagen. Es gilt bei dieser Angabe jedoch zu beachten, dass in die Dauer der Dunkelflaute auch diejenigen Zeiträume berücksichtigt worden sind, in denen die Windflaute kurzzeitig unterbrochen war. Die zweite Flaute führte hier zu einer maximalen Entleerung der Saisonspeicher.
Ein anderes Beispiel stellt die Dunkelflaute im Jahr 2017 dar. Zwischen dem 16. und dem 25. Januar 2017 herrschte in Deutschland nahezu flächendeckend Nebel und Windstille. Windenergie- und Solaranlagen mit einer gemeinsamen installierten Leistung von 91 GW speisten lediglich etwa 4,6 GW ins Stromnetz ein – der Stromverbrauch betrug jedoch rund 63,1 GW. Die konventionellen Kraftwerke mussten daher einen Großteil des deutschen Strombedarfs decken; am 24. Januar betrug der Anteil der konventionellen Kraftwerke an der Stromeinspeisung sogar über 90 Prozent.
Selbst in dieser extremen Dunkelflautenphase war das deutsche Stromnetz nicht durch einen Blackout gefährdet – Deutschland exportierte weiterhin Strom ins Ausland. Auch die, für solche Notfälle vorgesehenen, Gaskraftwerke waren mit einer eingesetzten Leistung von 10 GW noch weit von der Ausschöpfung ihrer installierten Gesamtleistung von 28 GW entfernt. Zudem besteht die Möglichkeit Netzreserven aus dem Ausland zu beziehen. Kritiker_innen merken jedoch regelmäßig an, dass in der Regel, wenn in Deutschland eine Dunkelflaute herrsche, auch die Nachbarländer betroffen seien.
Es konnte beobachtet werden, dass die Stromproduktion aus Braunkohlekraftwerken kaum auf die Dunkelflauten des Januars 2017 reagierte, die damals noch am Netz befindlichen Atomkraftwerke ebenfalls nicht. Die Versorgungslücken wurden größtenteils durch den flexiblen Einsatz von Gas- und Steinkohlekraftwerken abgefangen. Die Standby-Braunkohlekraftwerke hätten erst nach zehn Tagen einspeisen können, also zum Ende der Dunkelflautenperiode. Folgerichtig wurden diese gar nicht erst aktiviert. Sie nicht notwendig, um die Dunkelflaute zu bekämpfen.
Konzepte der Erneuerbaren Energien zur Überbrückung der Dunkelflaute
Unbestritten: Die Versorgungslücke durch Dunkelflauten ist eine Herausforderung für das Stromnetz und die Erneuerbaren Energien können diese nach derzeitigem Ausbaustand noch nicht allein bewältigen. Die Konzepte, welche eine wirksame Absicherung gegen wetterbedingte Lücken in der Energieversorgung ohne die Hilfe der konventionellen Stromerzeuger möglich machen, sind aber bereits vorhanden, wie wir in dieser Auflistung zeigen möchten. Mit einer Kombination aus den verschiedenen vorgestellten technischen Lösungen können bereits heute große Teile der Energieversorgung im Fall einer Dunkelflaute sichergestellt werden. Dabei ist zu beachten, dass keine der vorgestellten Ansätze allein jede Dunkelflaute überbrücken können wird. Nur die Kombination aus möglichst vielen dieser Ansätze erlaubt es, die Problematik der Dunkelflaute zu lösen.
Transnationaler Netzausbau
Um Versorgungsengpässe bei einer Dunkelflaute überbrücken zu können, wäre eine großräumige Vernetzung der erneuerbaren Stromerzeuger über Wetter- und Ländergrenzen optimal. Eine Stromübertragung auch über große Strecken ohne signifikanten Energieverlust ist bereits möglich – der Erfolg des überstaatlichen Netzausbaus hängt aber von der Zusammenarbeit der europäischen Staaten ab. Besonders geeignet für die Stromübertragung über lange Strecken ist Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), welche im Vergleich zu konventionellen Wechselstromleitungen deutlich ärmer an Übertragungsverlusten ist. In Europa sind HGÜ-Leitungen bisher vor allem für Unterseeverbindungen sowie bei der Anbindung von Off-Shore-Windparks im Einsatz. Zur wirksamen Dunkelflauten-Bekämpfung ist beispielsweise eine Integration der großen, wetterunabhängigen Wasserkraftwerke in Österreich und Norwegen über HGÜ-Leitungen ins deutsche Stromnetz denkbar und sinnvoll.
Die Arbeit an einer engeren Vermaschung des europäischen Stromnetzes steht hoch auf der Agenda der europäischen Staaten. So ist beispielsweise die erste HGÜ-Verbindung zwischen Norwegen und Deutschland („Nordlink“) bereits realisiert, um überschüssigen Windstrom aus Norddeutschland in den natürlichen Wasserreservoiren Norwegens „zwischenzuspeichern“. Selbst transkontinentale Projekte zur Stromübertragung mittels Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung sind angekündigt. So versucht sich ein privatwirtschaftliches Konsortium am Bau einer 3800 Kilometer langen Unterwasser-HGÜ-Leitung zwischen Marokko und Großbritannien.
Pumpspeicherkraftwerke
Durch Pumpspeicherkraftwerke werden bereits im Regelbetrieb Lastspitzen abgefangen. Als derzeit größte bereits ausgebaute Speichermöglichkeit für Strom kommt ihnen für den schnellen Ausgleich während drohender Dunkelflauten eine besondere Bedeutung zu, die sie auch jetzt schon wahrnehmen. Zukünftig könnten, leistungsfähige Nord-Süd-Stromübertragungstrassen vorausgesetzt, die norwegischen und schwedischen Pumpspeicherkraftwerke für ganz Europa eine netzausgleichende Funktion übernehmen und in der Dunkelflaute den nötigen Zusatzstrom klimaneutral liefern.
Bioenergie
Nicht zu vernachlässigendes Potenzial steckt auch in Bioenergieanlagen, die schon heute wetterunabhängig einen Beitrag zur Überbrückung der Dunkelflaute leisten. Gemeinsam stellen sie momentan bundesweit 9,5 GW an Stromerzeugungsleistung (BNetzA: Stand November 2024) bereit. Durch eine konsequente Ausrichtung der Bioenergie auf die Rolle als "Lückenfüller" ließe sich diese sehr flexibel abrufbare Leistung massiv erhöhen (Überbauung mit zusätzlicher BHKW-Kapazität, Gasspeicher, Wärmepuffer), ohne zusätzlichen Flächenverbrauch beim Anbau von Energiepflanzen zu verursachen. Bioenergieanlagen würden dann nur in Zeiten einer Unterdeckung des Stromnetzes mit Solar- und Windenergie Strom produzieren.
Laufwasserkraftwerke
In ganz Deutschland sind Laufwasserkraftwerke mit einer Gesamtleistung von etwa 6,4 GW (BNetzA, Stand November 2024) installiert. Sie tragen kontinuierlich zur Grundlastversorgung bei, da sie die Fließgeschwindigkeit der Flüsse nutzen, um Strom zu erzeugen. Aufgrund variierender Pegelstände der Fließgewässer gibt es jedoch saisonale Schwankungen in der Erzeugungsleistung. Spitzenproduktionen treten typischerweise im Sommer auf, während die Stromerzeugung im Winter bei niedrigeren Wasserständen zurückgeht. Das Umweltbundesamt weist darauf hin, dass die Potenziale der Wasserkraftnutzung in Deutschland weitgehend erschlossen sind. Das bedeutet, dass das Ausbaupotenzial der Wasserkraft in weiten Teilen ausgeschöpft ist und sich die installierte Leistung seit einigen Jahren kaum verändert. Auch wenn Laufwasserkraftwerke nicht in der Lage sind, kurzfristige Lastspitzen oder die Spitzen einer Dunkelflaute abzufedern, stellen sie eine stabile und verlässliche Grundlage im Strommix aus erneuerbaren Energien dar.
Variable Stromtarife und Demand Side Management
Die Flexibilisierung der Verbraucherseite stellt eine zusätzliche Möglichkeit dar, um Stromversorgungslücken in Dunkelflauten zu minimieren: Mit variablen Stromtarifen werden Anreize geschaffen, die Stromnachfrage von teuren Stunden, in denen Stromknappheit herrscht, in günstige Stunden zu verlegen, in denen reichlich Strom vorhanden ist. Dies ist nicht nur ökonomisch für die Verbraucher sinnvoll, sondern es wirkt sich auch positiv auf die Stabilität des gesamten Stromnetzes aus. Strom wird dann verbraucht, wenn er reichlich vorhanden und günstig ist – in stromarmen und daher teuren Zeiten, wie beispieslweise während einer Dunkelflaute, reduzieren Stromverbraucher freiwillig und ökonomisch motiviert ihre Nachfrage.
Wasserstoffkraftwerke (Power-to-Gas)
Große Potenziale bieten Power-to-Gas (P2G)-Anlagen, die mittels flexibler Elektrolyse günstige, überschüssige Wind- oder Solarenergie in Wasserstoff umwandeln können. Durch die Umwandlung von überschüssigem Solar- und Windstrom in Wasserstoff erfüllen Elektrolyseure gleich zwei wichtige Funktionen im Betrieb von Stromnetzen mit einem hohen Anteil Erneuerbarer Energien.
Erstens ermöglichen sie die gezielte Aufnahme von überschüssigem Strom, der anderweitig nicht genutzt werden kann. Diese Fähigkeit ist von zunehmender Bedeutung, da aufgrund des stetigen Ausbaus von Solar- und Windenergieanlagen immer häufiger Situationen mit günstigen Witterungsbedingungen auftreten, in denen der erzeugte Strom keine Abnehmer findet. Solche guten Wetterlagen mit einer hohen Solar- und Windstromproduktion, die gegenteilig zum Aufkommen einer Dunkelflaute sind, werden übrigens inzwischen häufig mit dem Wort „Hellbrise“ beschrieben. Mit dem weiteren Ausbau erneuerbarer Energiequellen wird dieser Trend voraussichtlich weiter zunehmen, wodurch es vermehrt Zeiten geben wird, in denen die verbleibende Stromnachfrage negativ ist, das heißt, es steht mehr Strom aus erneuerbaren Quellen zur Verfügung als benötigt wird. Elektrolyseure können in diesen Zeiträumen den überschüssigen Strom kostengünstig aufnehmen und in Wasserstoff wandeln.
Zweitens dienen Elektrolyseure durch die Erzeugung von Wasserstoff als eine Art Reserve für das gesamte Energiesystem, vergleichbar mit den heute bekannten Erdgasspeichern. Der erzeugte Wasserstoff kann lokal gespeichert, über Wasserstoffpipelines transportiert oder dem Erdgasnetz beigemischt werden. Bei Bedarf kann er dann während Perioden mit geringer Wind- und Sonneneinstrahlung – etwa während Dunkelflauten – in Brennstoffzellen oder umgerüsteten Gaskraftwerken zur Stromerzeugung genutzt werden. Dadurch unterstützt die Wasserstofftechnologie die Stromversorgung, wenn Wind- und Solarkraft über längere Zeiträume ausfallen.
Die deutsche Energiepolitik setzt stark auf die Wasserstoffkarte. Bis 2030 sollen laut der Nationalen Wasserstoffstrategie zehn Gigawatt an Elektrolysekapazitäten geschaffen werden, das kann 30 bis 50 Prozent des nationalen Wasserstoffbedarfs decken.
Batteriespeicher
Batteriespeicher können ebenfalls zu einer Überbrückung der Dunkelflaute beitragen, wenn auch nur zeitlich beschränkt. Da ihre Kapazität darauf ausgelegt ist, eher als „Sprinter“ zum Glätten kurzfristiger Schwankungen eingesetzt zu werden, werden sie eher dabei helfen, einsetzende Dunkelflauten zu verkürzen als sie komplett zu überbrücken. Die insgesamt verfügbare Kapazität an Batteriespeichern in Deutschland steigt seit einigen Jahren jedoch stark an, sodass davon auszugehen ist, dass der Batteriepark aus stationären Großspeichern, Heimspeichern und Batteriespeichern in der E-Mobilität durchaus ein nennenswertes energiewirtschaftliches Gewicht haben wird. Die Kapazität betrug 2023 noch circa 1,4 GWh; bis 2026 wird ein Wachstum auf 8,6 GWh erwartet. Grund für das Wachstum liege laut Gunnar Wrede vom Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft in der Kostenreduktion der Lithium-Ionen-Batterien sowie der Amortisation der Anlagen ohne staatliche Förderung.
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Fazit: Die Dunkelflaute kann „unkonventionell“ überwunden werden
Die Auflistung zeigt: Eine Kombination der verschiedenen Strategien kann den Einsatz von konventionellen Energieträger im Fall einer Dunkelflaute künftig überflüssig machen. Dies setzt jedoch einen konsequenten Ausbau nicht nur der Stromerzeugung aus Solar- und Windkraft, sondern aller Flexibilitätsoptionen im Stromnetz voraus. Klar ist: Von heute auf morgen ist der Einsatz konventioneller Kraftwerke zum Ausgleich von Dunkelflauten nicht realisierbar. Es ist jedoch auch nicht davon auszugehen, dass von heute auf morgen nur noch ausschließlich Erneuerbare Energien verfügbar sein werden - mit dem fortschreitenden Ausbau steigt jedoch die Vielfalt und auch die Leistungsfähigkeit der Ausweichmöglichkeiten.
Das deutsche Stromnetz wird in einem absehbaren Zeithorizont auf konventionelle Kraftwerke verzichten. Ein Ausstieg zeichnet sich bereits bei Braunkohle und Kernenergie ab: Während der Ausstieg aus der Atomenergie bereits umgesetzt ist, wird der Anteil der unflexiblen Braunkohlekraftwerke an der Stromerzeugung schnell durch regenerative Quellen ersetzt, einen zügigen Stromnetzausbau vorausgesetzt. Die Ersetzung der Steinkohlekraftwerke durch wasserstofffähige Gaskraftwerke könnte dann in einem nächsten Schritt die deutsche Energieversorgung endgültig von der Kohle unabhängig machen. Entscheidend ist und bleibt die politische Unterstützung der vorgestellten Konzepte zur Versorgungssicherheit. Denn dass auch mit ausschließlich klimaneutralen Technologien die Versorgungssicherheit im Stromnetz sichergestellt werden kann, haben unter anderem die bereits erwähnte Studie von Energy Brainpool im Auftrag von Greenpeace Energy und eine Studie der Lappeenranta University of Technology und der Energy Watchgroup nachgewiesen. Auch Studien an der RWTH Aachen haben gezeigt, dass mit einem höheren Anteil an Erneuerbaren die Versorgungssicherheit beim Eintreten der Dunkelflaute nicht gefährdet sein wird. Entscheidend wird ein adäquates Design des Stromsystems sein.
Hinweis: Next Kraftwerke übernimmt keine Gewähr für die Vollständigkeit, Richtigkeit und Aktualität der Angaben. Der vorliegende Beitrag dient lediglich der Information und ersetzt keine individuelle Rechtsberatung.
