Die Geschichte der Energiewende ist rein von den Erzeugungszahlen eine Erfolgsstory: 2020 haben die erneuerbaren Energien erstmals mehr als die Hälfte des Stroms in Deutschland produziert, allen voran die Windkraft als wichtigste Stromquelle mit fast 30 Prozent. Dank der erneuerbaren Energien sparen wir 200 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr ein und nähern uns so den Pariser Klimazielen. Doch diese Durchschnittszahlen erzählen nur die halbe Wahrheit, denn sie sind eben nur Durchschnittswerte. Blickt man auf einzelne Monate, ergibt sich ein differenzierteres Bild, vor allem während des Winters. Im Januar 2021 leisteten die Erneuerbaren nur rund 36% des benötigten Stroms. Schaut man sich noch genauer Wochen, Tage, Stunden oder gar Minuten und Sekunden an, wird deutlich: Zu bestimmten Zeiten haben wir in Deutschland ein Problem, genug Strom aus erneuerbaren Energien zu bekommen.

Das sind, wie in der Grafik gezeigt, Winterabende oder Wintertage, an denen Dunkelflaute herrscht. Da sind wir aktuell abhängig von klimaschädlichen, aber verlässlichen Leistungen der Atom-, Kohle- und Gaskraftwerke und von Importen aus dem europäischen Ausland. Doch in weniger als zwei Jahren werden wir den Atomausstieg vollziehen, die letzten Kernkraftwerke vom Netz nehmen. Pro Jahr liefert die Atomkraft zwölf Prozent des gesamten Stroms – unabhängig von Tages- und Nachtzeiten und vor allem in den kalten Jahreszeiten. Woher sollen die zwölf Prozent kommen?

"Die Herausforderung besteht darin, dass die elektrische Energie in dem Augenblick, wo sie verbraucht wird, auch erzeugt werden muss. Dieses Gleichgewicht von Erzeugung und Verbrauch ist in jedem Augenblick zu gewährleisten", erklärt Peter Schegner, Professor für Elektroenergieversorgung an der Technischen Universität Dresden. Bei langen Fernsehabenden, oder deutlich relevanter: bei nächtlichen Notoperationen wollen und können wir nicht darauf warten, dass der Wind weht und Strom liefert: er muss jederzeit da sein, davon ist das Funktionieren unserer Gesellschaft abhängig. Da helfen dementsprechend keine Durchschnittswerte, sondern "Augenblickswerte", die planbar sein müssen.

In Deutschland brauchen wir – egal zu welcher Tages- oder Nachtzeit – eine gewisse Energieleistung. Wir haben eine Grundlast, also einen permanenten Verbrauch von etwa 40 bis 80 Gigawatt; die Spitzenlast liegt sogar bei 90 Gigawatt. Diesen Verbrauch müssen wir mit der Erzeugung decken können. In manchen Situationen können die Erneuerbaren trotz aller Erfolge diese Lasten nicht leisten – wie die Grafik oben zeigt. Kommt es mal zu spontanen Lücken zwischen Erzeugung und Verbrauch, springt die so genannte Regelleistung ein: verlässliche Energie aus normalerweise konventionellen Kraftwerken – in Deutschland sind das 7 Gigawatt, die den Netzbetreibern im Notfall innerhalb von Sekunden zur Versorgung stehen. Am Zubau der Erneuerbaren mangelt es bis dato nicht: Mittlerweile sind mehr erneuerbare Energieerzeuger am Netz als konventionelle und fossile: Die installierte Leistung liegt bei 109 Gigawatt Erneuerbare zu 105 Gigawatt konventionelle Kraftwerke. Doch die installierte Leistung kann bei den erneuerbaren Energien stark von der realen Nennleistung abweichen.

Und die Herausforderungen an die Stromversorgung werden nicht kleiner: Ab 2023 müssen wir ohne 10 Gigawatt Leistung der Kernkraftwerke auskommen, und weil wir in Deutschland parallel den Kohleausstieg vollziehen, fehlen noch weitere 12 Gigawatt Kohlekraft. Wie ersetzen wir die? Können das die Erneuerbaren leisten?

In einem Aufsatz der Ingenieure Dr. Detlev Ahlborn und Prof. Dr. Hans Jacobi von 2016 heißt es nach Vergleichen der installierten und realen Leistung von Windrädern:

"Offensichtlich erhöhen noch mehr Windräder lediglich die Spitzenerzeugung, ohne eine sichere Grundlast zur Verfügung stellen zu können. Eine sichere und unterbrechungsfreie Stromversorgung ist unabhängig von der Anzahl der Wind- und Sonnenkraftwerke nicht möglich. Einen Ausgleich der Erzeugung zu einer sicher zur Verfügung stehenden Leistung durch noch mehr Windräder gibt es in Deutschland nicht".

Wenn in Deutschland der Wind nicht weht, dann doch zumindest irgendwo anders in Europa, oder? Wir könnten dann ja unseren Strom von Windanlagen aus dem Süden oder Norden beziehen? Argumente, die häufig benutzt werden, um das Szenario Dunkelflaute zu entkräften. In einer Studie, die die Rolle der Windkraft im europäischen Vergleich beleuchtet, äußern die Autoren Zweifel an dieser These:

"Die Jahresminimalleistungen erreichen trotz europaweit verteilter Windparkstandorte rechnerisch 4 bis 5 % der in den betrachteten 18 europäischen Ländern insgesamt installierten Nennleistung. Windenergie trägt damit praktisch nicht zur Versorgungssicherheit bei und erfordert planbare Backup-Systeme nach heutigem Stand der Technik."

Denn, so die Autoren, Großwetterlagen gelten über Hunderte bis Tausende von Kilometern: Wenn bei uns Flaute ist, dann auch anderswo. Die Wetterverhältnisse in Europa ähnelten einander zu sehr, um wirklich flächendeckend verlässliche Energie bereitzustellen. Hinzu kommt: Die Energiewende ist ein europäisches Projekt und andere Länder verringern ebenfalls ihren konventionellen Kraftwerkspark. Auch sie haben daher mit schwankenden Strommengen zu kämpfen und können uns möglicherweise nicht unterbrechungsfrei mit Energie versorgen.

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Sicherer Strom ist elementar für unsere Gesellschaft, dessen ist sich auch die Bundesregierung bewusst. Alle zwei Jahre veröffentlicht sie einen Bericht zur Versorgungssicherheit, der aktuelle ist von 2019. Dem Bericht liegt ein 360 Seiten umfassendes Gutachten verschiedener Institutionen wie dem Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung zu Grunde. Dieses "Frühwarnsystem" kommt zu dem Schluss:

"Insgesamt ist die Verfügbarkeit der Energieträger für die Stromerzeugung als gesichert einzuschätzen. Der Stromversorgung in Deutschland liegt ein relativ breiter Erzeugungsmix zwischen den Energieträgern zugrunde, der das Risiko eines Versorgungsengpasses einzelner Energieträger weitgehend minimiert."

Ein Blackout kann demnach weitestgehend ausgeschlossen werden – hundertprozentige Sicherheit gibt es nirgendwo. Grundlage des Berichts ist eine Modellannahme, die auf Wetterdaten der vergangenen Jahre basiert und für verschiedene Szenarien wie etwa Dunkelflaute und Kraftwerkausfälle die Versorgungssicherheit der nächsten Jahre simuliert: "In Summe wurden 60 Millionen Situationen simuliert. (...) Für Deutschland ergibt sich für alle Betrachtungsjahre eine Lastausgleichswahrscheinlichkeit von (rechnerisch) 100%." Verbrauch und Erzeugung decken sich, so der Bericht. Vor allem der europäische Stromverbund gilt für das Wirtschaftsministerium als sichere Energiequelle, wenn es mal an heimischem Strom mangelt. Bislang haben wir in Europa Überkapazitäten, also zuviel Strom im Markt. Diesen Überschuss könne man gefahrlos abbauen, so die Regierung.

In die Simulation sind darüber hinaus Entwicklungen eingeflossen, die für eine sichere Energieversorgung entscheidend sind: ein weiterer Ausbau der Erneuerbaren Energien, Anstieg der Importe aus dem europäischen Ausland, Verbesserung der deutschen und grenzüberschreitenden Stromnetze, intelligentere Infrastruktur ("Smart Grids"), flexiblere Steuerung des Verbrauchs, geringerer Stromverbrauch und höhere Energieeffizienz, mitunter sogar freiwilliger Verzicht von Industrie und Privatleuten. Die Aufgabenliste für eine sichere Stromversorgung ist also lang.

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Kritiker bemängeln, dass das Wirtschaftsministerium den künftigen Stromverbrauch kleinrechnet: 2030 soll die Jahresnachfrage bei 545 Terawattstunden (TWh) liegen – 2020 lag der Verbrauch coronabedingt nur bei 489 TWh. Doch bei dieser Rechnung würden die "neuen Verbraucher" wie E-Autos und elektrische Wärmepumpen nicht stark genug eingepreist. So hat beispielsweise das Energiewirtschaftliche Institut an der Uni Köln berechnet, dass wir 2030 ca. 750 TWh verbrauchen werden, also 200 TWh mehr als in der Rechnung des Ministeriums. Trotz Kritik aus Forschung und Wirtschaft hält die Regierung bislang an den niedrigen Verbrauchszahlen fest. Dieses Jahr erscheint ein neuer Bericht.

Auch die vier deutschen Übertragungsnetzbetreiber sehen die Energieversorgung nicht in Gefahr. Diese Unternehmen sind für das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch im Stromnetz verantwortlich. Auf eine Anfrage von MDR WISSEN teilten sie mit, dass aktuell genügend Kapazitäten vorhanden seien, um den Ausstieg aus der Kernenergie abzufedern. Einen starken Ausbau der Erneuerbaren und eine europäische Stromversorgung fordern aber auch sie:

"Eine Dekarbonisierung mit einem immer weiter steigenden Anteil an Erneuerbaren Energien bedeutet hierbei nicht, dass die Versorgungssicherheit dadurch gefährdet wird. Das System kann weiterhin sicher betrieben werden, solange ausreichend steuerbare/flexible Ressourcen im System vorhanden sind. Neben einer Flexibilisierung des Stromverbrauchs und konventionellen Back-Up-Kapazitäten spielt dabei insbesondere auch der Austausch mit unseren Nachbarn (und somit die europäische Vernetzung) eine bedeutende Rolle."

Nachts scheint keine Sonne, die Solarkraft liegt bei null Prozent und bei Flauten bleiben auch die Windräder stehen. Einleuchtend einfach. Was für Onshore-Anlagen gelten mag, ist auf hoher See allerdings anders, argumentiert das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Systemtechnik in einer Studie: Die Offshore-Windenergie habe "Kraftwerkseigenschaften", das heißt sie ähnelt den konventionellen Kraftwerken in ihrer Fähigkeit, konstante Leistungen zu erzielen:

"Offshore-Windenergieanlagen haben schon heute sehr hohe Volllaststunden. Sie kommen damit auf über 8700 Betriebsstunden jährlich; das entspricht einer Stromproduktion an rund 363 Tagen im Jahr. Zugleich schwankt ihre Produktion eher geringfügig. In über 90 Prozent aller Jahresstunden variiert ihre Leistung von einer Stunde auf die nächste um höchstens 10 Prozent der installierten Kapazität. Entsprechend lässt sich der Stromertrag eines Offshore-Windparks besser vorhersagen als der eines Onshore-Windparks."

Darüber hinaus hat das Fraunhofer IWES zeigen können, dass auch Offshore-Windparks in der Lage sind, Regelleistung zu liefern, also einzuspringen, wenn es zu kurzfristigen Schwankungen zwischen Verbrauch und Erzeugung kommt. Eine erfolgreiche Energiewende, so die Fraunhofer-Forscher, brauche den stärkeren Zubau von Offshore-Windanlagen. Momentan haben wir etwa 7,5 Gigawatt installierter Leistung auf See. Das Bundeswirtschaftsministerium plant mehrere Hundert Megawatt neuer Offshore-Anlagen pro Jahr. Es bräuchte aber mindestens 1,4 Gigawatt Jahr für Jahr bis 2030, um die Energie- und Klimaziele der EU zu erreichen. Zu diesem Schluss kommt eine Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme. Insgesamt müsse der Ausbau der Erneuerbaren noch stark zunehmen.

Daneben gilt auch Biomasse als verlässliche Quelle von erneuerbarem Strom: Biogasanlagen, die mit Energiepflanzen, Gärresten und anderen Stoffen aus der Landwirtschaft betrieben werden, könnten die klassischen Kraftwerke auf Dauer ersetzen und einspringen, wenn Sonne und Wind zu wenig liefern.

Es gibt theoretisch mehrere Wege, die Schwankungen der erneuerbaren Energien auszugleichen; Wege, an denen auch intensiv geforscht wird. So gibt es mit der Energiemeteorologie einen eigenen Forschungszweig, der die Wettervorhersagen und damit die Leistungen der erneuerbaren Energien verbessern will. Je genauer die Wettervorhersage, desto besser lassen sich Windparks und PV-Anlagen steuern. Ein zweiter wichtiger Punkt ist die Speicherung der elektrischen Energie. Dafür braucht es Batterien, bessere Pumpspeicher und auch Wasserstoff gilt mittelfristig als wichtiger Baustein der Versorgungssicherheit. Allerdings sind diese Speichersysteme noch nicht ausgereift. Im Monitoringbericht der Bundesregierung liegt die Installierte Leistung der "steuerbaren" Erneuerbaren wie Wasserkraft, Biomasse und Speicher bis 2030 bei 14 Gigawatt; nicht genug, um die Lücke von Kernkraft und Kohlekraft zu schließen. Ein anderer Ansatz geht davon aus, Energie viel stärker dezentral und lokal zu erzeugen, speichern und verbrauchen. So könnten Stromnetz und Stromversorgung im Großen entlastet werden.

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Lichtschalter an, Strom da. Was für uns so unglaublich einfach erscheint, ist nur möglich dank eines ausgefeilten europaweiten Stromnetzes und eines Systems von "checks and balances". Blackouts sind extrem selten und können bislang durch kluge Steuerung der Netzbetreiber und Notfallreserven eingedämmt werden. Damit das auch in Zukunft so bleibt, müssen Politik, Wirtschaft, Forschung und auch wir Endverbraucher:innen ihren Teil dazu beitragen. Als Einzelne haben wir vor allem unseren indivduellen Stromverbrauch in der Hand: Je weniger wir verbrauchen, desto besser für das Stromnetz und die Versorgungssicherheit.