Fluktuierende erneuerbare Energien

Geschätzter Strombedarf über eine Woche in den Jahren 2012 und 2020 in Deutschland

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Fluktuierende erneuerbare Energien sind erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Sonnenenergie oder Windenergie, deren Dargebot schwankt, also Fluktuationen unterworfen ist.

Vergleich der einzelnen regenerativen Erzeuger

Biomasse und geothermische Energie sind regelbar. Bei der Erzeugung von Strom durch Sonnenenergie kann zwar die Leistung reduziert, jedoch nicht erhöht werden; zudem ist Sonnenenergie variabler als Windenergie, jedoch auch besser vorhersagbar. Windkraftanlagen können bei Bedarf beliebig gedrosselt werden, zudem ist bei modernen drehzahlvariablen Anlagen mit Vollumrichter auch kurzfristig, d. h. für einige Sekunden Leistungserhöhung möglich. Die hierfür benötigte Energie stammt aus der gespeicherten kinetischen Energie von Rotor und Triebstrang, dessen Drehzahl dabei absinkt. Damit können hinreichend viele Windkraftanlagen mit entsprechender zentraler Anlagensteuerung sowohl bei Über- als auch bei Unterfrequenz im Sekundenbereich zur Frequenzstabilität des Stromnetzes beitragen.

Die Energiegewinnung durch Biomasse besteht aus einem zweiteiligen Prozess, dem Erzeugen und dem Verwerten der Biomasse. Ein Kombinationskraftwerk des Instituts für Solare Energieversorgungstechnik wird zu 100 Prozent durch erneuerbare Energien betrieben, dabei werden Windkraftanlagen und Solaranlagen durch Wasserspeicher und Biomasse unterstützt, wenn dies notwendig ist.

Typische Windleistungsvorhersage mit Vorhersagedaten (grün) und tatsächlicher Leistung (blau)

Windenergie ist von allen variablen Energiequellen am schlechtesten voraussagbar. Netzbetreiber setzen auf eine tägliche Voraussage der Windkraft und des Wetters, um entscheiden zu können, welche Energiequellen am nächsten Tag genutzt werden sollen und welche nicht. Im Falle der Windkraft liegt die Genauigkeit der Vorhersagen bei einem durchschnittlichen unkorrigierten Fehler von 8,8 % in Deutschland über einem Zeitraum von zwei Jahren.

Bei Wellenkraftwerken wird die Bewegungsenergie von Wellen, die durch Wind erzeugt werden, in elektrische Energie umgewandelt. Die Stärke der Wellen korreliert zwar mit der Windkraft, ist jedoch aufgrund der Masse des Wassers weniger variabel. Windenergie ist proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit, außerdem verhält sich die Wellenenergie proportional zum Quadrat der Wellenhöhe.

Einspeisung einer Solaranlage an drei unterschiedlichen Tagen

Sonnenenergie ist leichter abschätzbar als Windenergie, jedoch auch variabler, da sie nur tagsüber verfügbar ist. Beeinflusst wird sie tagsüber durch den Grad der Bewölkung. Windkraft entsteht durch die verschieden starke Erwärmung der Erdoberfläche und kann circa 1 % der Sonnenenergie verfügbar machen.

Gezeitenenergie ist am besten vorhersagbar im Vergleich zu allen anderen variablen erneuerbaren Energiequellen. Zweimal täglich kommt es zu einer Gezeitenänderung, welche jeden Tag ähnlich stark auftritt. Man geht davon aus, dass 20 % des Energiebedarfs des Vereinigten Königreiches durch Gezeitenenergie gedeckt werden könnten, jedoch gibt es weltweit nur 20 Standorte, an denen die Nutzung von Gezeitenenergie sinnvoll wäre.

Umgang mit der Variabilität

Sobald ein System hauptsächlich von nicht regelbaren Energiequellen gespeist wird, muss die Reaktion auf Schwankungen eine der Hauptaufgaben eines Netzbetreibers werden. Statt auf das Ein- und Ausschalten verfügbarer Quellen muss nun auf die richtige Verteilung und Speicherung der Energie gesetzt werden.

Elektrische Energie kann großtechnisch in Pumpspeicherkraftwerken in Form von potentieller Energie zwischengespeichert werden. Verfahren wie „Power-to-Gas“ sind in kleinem Maßstab in Erprobung, wobei unter anderem Methoden zur Wasserelektrolyse erprobt werden. Ein Beispiel einer Prototypenanlage ist das Hybridkraftwerk Prenzlau des Unternehmens Enertrag, das 2011 in Betrieb genommen wurde.

Die Internationale Energieagentur merkt an, dass dem Problem der Variabilität von erneuerbaren Energien zu viel Aufmerksamkeit geschenkt werde. Dieses Hindernis treffe nur auf bestimmte Formen von erneuerbarer Energie zu, wie Windenergie und Photovoltaik, und sei im Weiteren abhängig von anderen Faktoren, wie zum Beispiel der Marktdurchdringung der jeweiligen Energieform oder der Verfügbarkeit von Ausgleichsoptionen. Hier sei unter anderem die Kombination von Sonnenenergie und Windenergie ratsam, erstere ist ertragreicher im Sommer, letztere im Winter. Zusätzlich könne der Basisverbrauch durch Geothermalenergie oder Biomasse abgedeckt werden. Somit sei die Variabilität von erneuerbaren Energien nur selten eine Barriere für die Verbreitung derselben. Jedoch kann es bei hoher Marktdurchdringung zu zusätzlichen Kosten durch aufwändigere Rückfallsysteme kommen.

Literatur

• Martin Kaltschmitt, Wolfgang Streicher, Andreas Wiese (Hrsg.): Erneuerbare Energien. Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte. Springer Vieweg, Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-03248-6.
• Martin Kaltschmitt/Wolfgang Streicher (Hrsg.): Regenerative Energien in Österreich. Grundlagen, Systemtechnik, Umweltaspekte, Kostenanalysen, Potentiale, Nutzung, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0839-4.
• Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 3. Auflage. Hanser, München 2013, ISBN 978-3-446-43809-5.
• Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. 8. Auflage. Hanser, München 2013, ISBN 978-3-446-43526-1.
• Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer, Regenerative Energietechnik, 2. erweiterte und vollständig neu bearbeitete Auflage, Berlin/Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-24165-9.