Die Speicherung von Strom als Herausforderung für die Energiewende. Eine kritische Analyse der Aussagen von Hans-Werner Sinn

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Aktuelle Situation in Deutschland
2.1 Basis der Energiewende
2.2 Folgen der Energiewende

3. Probleme und Umgang mit der Energiewende laut Hans-Werner Sinn
3.1 Lösungswege
3.1.1 Wind- und Solarenergieerzeugung
3.1.2 Volatiler Verbrauch kombiniert mit gezieltem Nachfragemanagement
3.1.3 Doppelstruktur der Energiezufuhr mit und ohne Speicher
3.1.4 Speicher-Seen in Norwegen
3.1.5 Internationaler Netzausbau
3.2 Weiterführende Standpunkte
3.3 Fazit Hans-Werner Sinn

4 Analyse des DIW Berlin
4.1 Kritik an der Vorgehensweise
4.2 Vergleich der Berechnungen
4.3 Diskussion zwischen Sinn und dem DIW Berlin

5. Analyse von Vergleichsstudien und Forschungsergebnissen

6. Fazit

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Das Thema Energiewende hat in Deutschland in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Dem Wunsch nach einem geringen CO2-Ausstoß in Europa soll durch den Zubau an Wind- und Solarkraftanlagen und Schließen der Atomkraftwerke bis 2022 aktiv nachgegangen werden.

Bei wachsendem Anteil an fluktuierenden erneuerbaren Energien vergrößert sich jedoch die Volatilität bei der Einspeisung des Stroms. Wind- und Solarenergie schwanken in ihrer Produktion und gefährden so die Versorgungssicherheit in Deutschland. Diese Schwankungen müssen aufgefangen werden. Hans-Werner Sinn stellt in seinem Paper Lösungsstrategien vor, mit der steigenden Fluktuation bedingt durch erneuerbare Energien umzugehen und gleichzeitig den Ausbau an Wind- und Solarkraftanlagen weiter zu forcieren. Sinn kommt am Ende seines Papers zu einem klaren Ergebnis, wie die Energiewende in den nächsten Jahren fortschreiten wird.

Aufbauend auf das Paper von Hans-Werner Sinn bringt das Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung Berlin mit den vier Autoren Dr. Wolf-Peter Schill, Dr. Alexander Zerrahn, Prof. Dr. Claudia Kemfert und Christian von Hirschhausen eine Analyse hervor, das die Aussagen des Papers Sinns abschwächt und zum Teil revidiert.

In dieser Seminararbeit wird das Paper von Hans-Werner Sinn zu dieser Thematik kritisch hinterfragt und mit den Vorwürfen des DIW Berlin konfrontiert. Am Ende der Seminararbeit erfolgt eine eigene Darstellung unter Berücksichtigung aktueller Literatur und Studien.

Auf die Einleitung folgt im zweiten Kapitel der Seminararbeit zunächst die Vorstellung der aktuellen Situation in Deutschland. Dazu wird das Thema einleitend mit den Gründen und den Zukunftsaussichten für die Energiewende betrachtet. Zusätzlich werden die Folgen der Energiewende charakterisiert. In Kapitel Drei wird das Paper von Hans-Werner Sinn vorgestellt und auf die wichtigsten Aspekte näher eingegangen. Dabei werden die Themen zunächst in den energiewirtschaftlichen Kontext eingeordnet. Darauf aufbauend werden Sinns Ergebnisse präsentiert. Sinn ist der Meinung, dass ein weiterer Ausbau der erneuerbaren Energien nicht ohne die Bereitstellung von Energiespeichern möglich ist, sodass die Energiewende an dieser Problematik scheitern kann. Zur Unterstützung seiner These stellt er zunächst die aktuelle Situation in Deutschland vor, um dann mit Lösungsansätzen für die Speicherung von Strom fortzufahren. Als Ausgangspunkt dienen ihm dabei die Daten aus dem Jahr 2014. Um darzustellen, wie die Produktion in der Zukunft aussieht, werden die Kennzahlen verdoppelt bzw. verdreifacht. Im vierten Kapitel wird das Paper von Hans-Werner Sinn von dem Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung Berlin kritisch hinterfragt. Dabei bemängelt das DIW Berlin den falschen Fokus der Arbeit und das Ignorieren thematisch wichtiger Aspekte, sodass laut ihrer Ansicht eine falsche Gesamtaussage entsteht. Auf Basis der Kritik durch das DIW Berlin entstand eine Diskussion beider Positionen. Dies wird in der Seminararbeit ebenfalls untersucht. Da das Paper von Hans-Werner Sinn in zahlreichen Medien herangezogen wird, ist ein solcher Disput besonders interessant und die kritische Auseinandersetzung der Thematik wichtig.

Um am Ende der Seminararbeit die Diskussion weiter zu forcieren, werden in Kapitel Fünf weitere Autoren und Forschungsergebnisse hinzugezogen.

2. Aktuelle Situation in Deutschland

Im folgenden Kapitel werden als Einstieg in die Thematik zunächst die Gründe für die Energiewende erläutert. Im Anschluss daran wird auf die daraus resultierenden Folgen eingegangen. Das Kapitel soll als Grundlage für das Paper von Hans-Werner Sinn dienen.

2.1 Basis der Energiewende

Dieser Abschnitt fasst in Kürze die Gründe sowie die Umsetzung der Energiewende als Grundlage für den weiteren Verlauf der Seminararbeit zusammen. Die Energiewende umfasst fünf Aspekte, den Netzausbau, den Kraftwerksausbau, der Ausbau von Erneuerbaren Energien, die Steigerung der Energieeffizienz und die Energieforschung (Kästner und Kießling 2016, S. 20–25). Im folgenden Abschnitt soll, mit Blick auf das Paper von Hans-Werner Sinn, primär auf die Stromproduktion eingegangen werden. Die Energiewende wird bereits seit mehr als 30 Jahren thematisiert, den entscheidenden Anstoß gab jedoch das Ereignis um Fukushima im Jahr 2011, als durch ein Erdbeben und die daraus resultierende Überflutung eines Atomkraftwerkes ein Supergau ausgelöst wurde (Vgl. Maubach 2014, S. 9–13). Als Folge dieses Ereignisses hat sich die deutsche Regierung dazu entschlossen, die Laufzeitverlängerung für Atomkraftwerke nicht nur zurückzunehmen, sondern auch das Ausscheiden aller Kernkraftwerke bis zum Jahr 2022 beschlossen (Maubach 2014, S. 23–24). Im Zuge der Energiewende werden in der Politik zwei weitere Aspekte thematisiert. Zum einen den Ausbau der erneuerbaren Energien als Ersatz für fossile Energieträger und zum anderen die Reduzierung der CO2-Emissionen (Vgl. Löschel et al. 2017, S. 35–36). Grundlage dafür bildet das Erneuerbare Energien Gesetz, das seit seiner Veröffentlichung im Jahr 2000 mehrfach angepasst und erweitert wurde (Kühne und Weber 2018, S. 4–6). Das Gesetz verankert das Ziel, dass die erneuerbaren Energien einen Anteil von 50 % bis 2030, 65 % bis 2040 und 80 % bis 2050 an der Bruttostromerzeugung in Deutschland ausmachen sollen (BMWi EEG, §1, (2) 2016). Aktuell steht Deutschland bei einem Anteil von 40,2 % bei der Nettostromversorgung (Stromerzeugung | Energy Charts 2019). Der zweite Aspekt im Zuge der Energiewende, die Reduzierung der CO2 Emissionen, wurde bereits 1990 im Kyoto-Protokoll behandelt. Auf dieser Basis hat die Bundesregierung den Plan aufgestellt, den CO2-Ausstoß schrittweise, bis 2020 um 40 % und bis 2050 um 80 %, gegenüber dem Referenzwert von 1990 zu senken (BMWi 2010, S. 4–5). Alle drei Vorhaben, die CO2 Reduzierung, der weitere Ausbau der erneuerbaren Energien sowie das Ausscheiden der Kernkraftwerke bis 2022 parallel durchzuführen, gleichzeitig aber die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, ist laut einigen Autoren nur schwer durchzuführen (Vgl. Kleinknecht 2015, S. 151–160). Welche Folgen dies auf die aktuelle Stromerzeugung ausübt, beschreibt das nächste Kapitel.

2.2 Folgen der Energiewende

Abschnitt 2.1 zeigt, dass sich Deutschland aktiv mit der Energiewende auseinandersetzt. In diesem Kapitel wird dargestellt, welche Auswirkungen diese Entwicklung auf des Energiewesen hat. Primär sind drei Kriterien zu erfüllen. Die Versorgungssicherheit soll gewährleistet sein, das gewünschte Verfahren soll außerdem wirtschaftlich und zusätzlich noch ökologisch sein (Kästner und Kießling 2016). Im deutschen Raum wird von dem sogenannten energiepolitischem Zieldreieck gesprochen (Vgl. Karen Pittel 2012, S. 22). Hans-Werner Sinn konzentriert sich in seinem Paper primär auf die Versorgungssicherheit. Aus diesem Grund wird in dieser Seminararbeit ebenfalls verstärkt auf diesen Aspekt eingegangen.

Ein Problem, dass durch den wachsenden Anteil an Erneuerbaren Energien auftritt, liegt in der steigenden Volatilität. Der Ausbau an Biomasse-Anlagen sowie Wasserkraftwerken stößt an seine Grenzen, weshalb der Fokus auf der Wind- und Solarenergie Erzeugung liegt (Vgl. Günther 2015, S. 134-135). Energie wird nur gewonnen, wenn Wind weht oder die Sonne scheint. Diese Phasen sind nur schwer prognostizierbar. So kann in einem Moment ein Überschuss an Energie vorliegen, im nächsten Moment kann es windstill sein und die produzierte Energie ist zu gering um die Nachfrage zu decken (Joos 2016, S. 23–25). Diese Schwankungen müssen aufgefangen bzw. gut verteilt werden, sodass die saubere Energie auch effektiv genutzt werden kann und keine Störungen im Netz zu Versorgungsengpässen führen (Vgl. Byfield und acatech 2017, S. 14–16). Als Lösungsmöglichkeiten werden in der Literatur vier Lösungswege charakterisiert:

- Netzausbau
- Flexible Erzeugung
- Nachfragemanagement
- Speicherung

Netzausbau bedeutet, dass die vor allem im Norden liegenden Offshore-Windkraftanlagen besser mit dem Süden verbunden werden müssen. Der umgekehrte Fall ist jedoch auch möglich, wenn die Photovoltaik-Anlagen aus dem Süden in das Netz einspeisen. Dies erfordert ein gezieltes Lastmanagement. (Vgl. Joos 2016, S. 26). Mit flexibler Erzeugung ist gemeint, dass konventionelle Kraftwerke auf zu viel oder zu wenig Energieeinspeisung, bedingt durch die volatilen erneuerbaren Energien, schnell reagieren können. Nachfragemanagement bedeutet, dass die Nachfrage anhand der Erzeugung durch erneuerbare Energien ausgerichtet wird. Dies ist nicht bei allen Prozessen möglich, wie z.B. in der Industrie, jedoch muss dieser Aspekt mit einkalkuliert werden. Als letzte Option bietet es sich an, Speicherkapazitäten bereitzustellen, die die Überschussenergie aufnehmen und bei Knappheit den Strom wieder ins Netz einspeisen kann (Vgl. Joos 2016, S. 27–29).

Im weiteren Verlauf dieser Seminararbeit wird die These „Grenzen der Energiewende“ von Hans-Werner Sinn analysiert (Vgl. Sinn 2017, S. 130). In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf den Lösungsweg bzw. die Notwendigkeit des Stromspeicherns zum Umgang der Volatilität eingegangen.

3. Probleme und Umgang mit der Energiewende laut Hans-Werner Sinn

Das vorherige Kapitel zeigt auf, warum und wie Deutschland an der Energiewende arbeitet. Energieträger mit starken CO2-Emissionen sowie die Energiegewinnung durch Atomkraftwerke werden reduziert. Der Ausbau der erneuerbaren Energien wird weiter vorangetrieben. Das größte Problem liegt aber an der dadurch steigenden Volatilität bei der Stromerzeugung. Nachfolgend werden mögliche Lösungswege mit Blick auf die Speicherproblematik aus Hans-Werner Sinns Paper „Buffering volatility: A study on the limits of Germany’s energy revolution“ erläutert. Dazu wird der jeweils vorgeschlagene Lösungsweg in den energiewirtschaftlichen Kontext integriert und im nächsten Schritt der Speicherproblematik gegenübergestellt. Zu Beginn wird zunächst die Stromerzeugung aus Wind- und Solarkraftanlagen charakterisiert. Darauf folgt die Möglichkeit, ein verbessertes Nachfragemanagement zu etablieren. Dies wird im Verbund mit der volatilen Nachfrage verdeutlicht. Im Anschluss darauf wird die Möglichkeit der Doppel-Struktur aufgezeigt. Dies bedeutet, dass Deutschland im Notfall auf fossile Energieträger zurückgreifen kann, falls nicht genügend Strom durch Solar - und Windanlagen zur Verfügung gestellt wird. Als vierter Lösungsansatz werden Speicher-Seen in Norwegen vorgestellt. Norwegen gilt schon seit Jahren als Batterie Europas, hervorgehoben werden jedoch die Schwierigkeiten, die dieser Lösungsweg mit sich bringt. Als Abschluss werden die vorgestellten Ergebnisse von Sinn kombiniert und in den internationalen Netzverbund implementiert. Dafür werden die Länder Dänemark, Schweiz, Österreich in die Berechnungen hinzugezogen. Sinn skizziert am Ende seiner Arbeit weitere Lösungsmöglichkeiten. Diese werden in dieser Seminararbeit nur kurz präsentiert. Am Ende dieses Kapitels wird dann das Fazit Sinns vorgestellt.

3.1 Lösungswege

In dem nachfolgenden Abschnitt werden die fünf Schwerpunkte von Hans-Werner Sinns Paper zusammengefasst und aufbereitet, sodass am Ende der Seminararbeit eine kritische Auseinandersetzung des Themas erfolgen kann.

3.1.1 Wind- und Solarenergieerzeugung

In diesem Kapitel wird die volatile Einspeisung aus dem letzten Kapitel aufgegriffen und präzisiert. Dafür wird zunächst die Wind- und Solarenergieerzeugung in Deutschland in Abhängigkeit von gegebenen Speichermöglichkeiten von Strom vorgestellt und in Verbindung mit dem Paper von Hans-Werner Sinn gebracht.

Der Ausbau von Windkraft- und Solarlagen hat in den letzten Jahren zugenommen. So steigerte sich die installierte Leistung bei Windenergieanlagen von dem Jahr 2012 mit 11,98 GW auf das Jahr 2018 mit 58,62 GW, etwa 10 % davon offshore produziert (Vgl. Installierte Leistung | Energy Charts 2019). Dabei erbringt eine Windkrafteinlage eine Leistung von durchschnittlich 3 kW an Land. Die durchschnittliche Leistung steigt dabei stetig an. So lag die Leistung einer WKA im Jahr 2010 noch bei ca. 2 kW (Vgl. Lüers 2017, S. 3).

Im gleichen Zeitraum wuchs auch die Stromproduktion durch Solarkraftanlagen von 33,03 GW auf 45,03 GW an (Vgl. Installierte Leistung | Energy Charts 2019). Im Zuge der Energiewende wird der prozentuale Anteil der Nettostromerzeugung von Wind- und Solarenergie, der aktuell bei zusammengerechnet ca. 28 % liegt, weiter ansteigen (Stromerzeugung | Energy Charts 2019). Ein Nachteil bei der Produktion von Wind- und Solarstrom liegt in der Volatilität bei der Einspeisung (Vgl. Wesselak et al. 2017, S, 782). So kann In Deutschland die Stromproduktion innerhalb weniger Stunden zwischen 0 und 40 GWh, bei der Solarenergie und zwischen 0 und 35 GWh bei der Windenergie schwanken (Vgl. Stromerzeugung | Energy Charts 2019).

Ein Vorteil hingegen ist, dass der Strom aus Solaranlagen positiv mit dem Tagesverbrauch korreliert ist. Am Tag ist der Verbrauch von Strom größer, im Gegenzug wird jedoch auch mehr Strom durch Solaranlagen produziert (Vgl. Wesselak et al. 2017, S. 779). Zusätzlich sind Solar- und Windkraft untereinander negativ korreliert. Dies bedeutet, dass die höchste Stromerzeugung von Solaranlagen in den Sommermonaten, von März bis August erfolgt. Die meiste Windenergie wird in den Wintermonaten, von September bis Februar erzeugt (Vgl. Günther 2015, S. 135-136).

Auf dieser Tatsache baut Hans-Werner Sinn seine erste These hinsichtlich der benötigten Speicherkapazität auf. Dabei bezieht er sich auf die Daten aus dem Jahr 2014. Sinn trifft dabei zunächst die Annahme, dass entweder jegliche überschüssige Energie gespeichert werden muss, oder dass die überschüssige Energie komplett abgeregelt wird (Vgl. Sinn 2017, S. 133). In seinem Ansatz fließt die Jahresproduktion in Speicher, die jeweils durchschnittliche Jahresproduktion wird aus dem Speicher, ohne Verluste, wieder entnommen. Dies soll die Grundlast darstellen, die so durch die erneuerbaren Energien bereitgestellt wird. Das Ergebnis seiner Berechnung ist, dass eine Speicherkapazität von 9,96 TWh benötigt wird, um den erzeugten Strom durch Windkraftanlagen in einem Jahr zu speichern, sowie eine Speicherkapazität von 8,06 TWh bei Solarkraftanlagen. Werden Wind- und Solarenergie zusammen betrachtet, ist nur eine Speicherkapazität von 6.89 TWh nötig. Dies liegt an der bereits vorher erwähnten negativen Korrelation zwischen Wind- und Solarkraft (Vgl. Sinn 2017, S. 134).

Aktuell hat Deutschland eine Speicherkapazität durch Pumpspeicherkraftwerke in Höhe von 0,04 TWh. Ein weiterer Ausbau ist bedingt durch geografische Anforderungen nicht möglich (Vgl. Günther 2015, S. 149–150). Die benötigte Speicherkapazität, um die Wind- und Solarenergie als Grundlast zu verwenden, übersteigt demnach die aktuelle Kapazität um das fast 200fache.

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