Erneuerbare Energien und Stromnachfrage im Jahr 2022

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1 Erneuerbare Energien und Stromnachfrage im Jahr 22 ANALYSE Juni 12 1

2 ANALYSE juni 12 Illustration der anstehenden Herausforderungen der Energiewende in Deutschland Das deutsche Stromversorgungssystem wird zukünftig gemäß den Zielen der Bundesregierung weitgehend durch Erneuerbare Energien (EE) geprägt. Obwohl es bereits einzelne andere Staaten gibt, die ihre Stromversorgung komplett oder zu sehr hohen Anteilen mit Erneuerbaren Energien sicherstellen, steht Deutschland einer weltweit neuartigen Situation gegenüber. Denn bisher stützen sich die anderen Länder vorwiegend auf regelbare Erneuerbare Energieträger, beispielsweise in Form von Staudamm-Kraftwerken. Um die anstehenden Herausforderungen des Umbaus der Stromversorgung zu illustrieren, hat die Agora Energiewende das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) beauftragt, die EE-Einspeisung im Jahre 22 zu simulieren. Zu diesem Zweck hat IWES den Zubau der Erneuerbaren Energien gemäß dem Leitszenario der Bundesnetzagentur und die daraus resultierende Stromerzeugung prognostiziert. Ansonsten wurden die Rahmenbedingungen des aktuellen Status Quo fortgeschrieben. Diese Simulation dient vor allem dazu, die notwendige Transformation unseres heutigen Strom- und Energiesystems zu veranschaulichen, und wesentliche Herausforderungen bei der Verwirklichung der Energiewende in Deutschland aufzuzeigen. In Deutschland werden hingegen die wetterabhängigen Energieträger Windkraft und Photovoltaik die Hauptsäulen der Stromproduktion darstellen. Dies bedeutet neue Herausforderungen, um die Sicherheit der Stromversorgung dauerhaft zu gewährleisten, denn steigende Anteile Erneuerbarer Energien bedeuten ein zunehmendes zeitliches Auseinanderfallen von Stromproduktion und -verbrauch. Gleichzeitig liegt darin aber auch eine große Chance: Wenn es Deutschland als viertgrößter Volkswirtschaft der Welt gelingt, eine sichere und bezahlbare Stromversorgung auf der Basis fluktuierender Erneuerbarer Energieträger aufzubauen, ist eine Energiewende auch in anderen Ländern grundsätzlich möglich. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass es schon im Jahr 22 rund Stunden geben kann, bei denen die Stromproduktion aus Erneuerbaren Energien den kompletten Strombedarf in Deutschland übersteigt. Zieht man den Stromverbrauch ab, der nicht Teil der öffentlichen Versorgung ist und bezieht die Effizienzziele der Bundesregierung mit ein, steigt die Zahl der Stunden deutlich an. Dann produzieren in etwa % aller Stunden Sonne, Wind, Wasser und mehr Strom, als in dieser Zeit in Deutschland verbraucht wird. Andererseits liefern die Erneuerbaren Energien in 3% aller Stunden nur sehr wenig Strom. Auch in diesen Zeiten muss die Versorgung gesichert sein. 2

3 ANALYSE juni 12 Annahmen Die Grundlage für die Berechnungen bildet das sogenannte Leitszenario (Szenario B 22) des von der Bundesnetzagentur im Dezember 11 genehmigten Szenariorahmens, der die Basis für den aktuellen Entwurf des Netzentwicklungsplans (NEP) ist. Die Annahmen hinsichtlich des EE-Ausbaus und des Strombedarfs sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst: Installierte Leistung 22 Wasserkraft 4,4 GW 4,7 GW Wind (Onshore) 27,1 GW 47,5 GW Wind (Offshore),1 GW 13, GW Photovoltaik 17,3 GW 54, GW 6,3 GW 8,4 GW andere EE, GW 2,2 GW Summe EE 55,3 GW 129,8 GW Nettostrombedarf 535,4 TWh 535,4 TWh Jahreshöchstlast 84, GW 84, GW Quelle: Bundesnetzagentur, Genehmigung Szenariorahmen, Az /Szenariorahmen11; DE/Sachgebiete/ElektrizitaetGas/StromNetzEntwicklung/SzenariorahmenStrom/SzenariorahmenStrom_node.html Auf Basis der EE-Kapazitäten hat IWES die Stromproduktion der verschiedenen EE-Technologien wie folgt modelliert: Grundsätzlich wurden die Rahmenbedingungen des aktuellen Status Quo Rechtsrahmen, Höhe des Strombedarfs, Jahreshöchstlast, Verlauf der Verbrauchskurve, Einspeiseverhalten der fluktuierenden Erneuerbaren Energien (Peak-Produktion) in das Jahr 22 fortgeschrieben. Anhand der Wetterdaten von 11 (ein relativ normales Windjahr mit leicht überdurchschnittlicher Sonneneinstrahlung) wurden die Einspeisung und die Einspeiseprofile für Strom aus Windkraft (Windkraft Onshore: blaue Fläche; Windkraft Offshore: hellblaue Fläche) und für Strom aus Photovoltaik (gelbe Fläche) berechnet und graphisch dargestellt. Bei der Einspeisung von strom (grüne Flächen) wurde nicht nur ein einfaches Grundlastband angenommen. Stattdessen wurde zum einen berücksichtigt, dass ein Anteil der kraftwerke als Wärmelieferant wärmegeführt betrieben wird. Zum anderen ist in die Berechnung eingeflossen, dass mit der Einführung der sogenannten Flexibilitätsprämie im Erneuerbare-Energien-Gesetz 12 ein Anreiz für Biogasanlagen geschaffen wurde, ihren Strom nachfrageorientiert einzuspeisen. Diese Möglichkeit wird nach der Simulation im Jahr 22 für % des stroms genutzt. Für die Wasserkraft (türkisfarbene Fläche) wurde eine konstante Stromproduktion unterstellt; ein Schwallbetrieb wurde aus gewässer- und naturschutzrechtlicher Sicht nicht angenommen. Die verbleibende Stromnachfrage, graphisch dargestellt als die graue Fläche zwischen der EE-Einspeisung und der Nachfragekurve müsste dementsprechend ceteris paribus durch konventionelle, fossile Kraftwerke abgedeckt werden (siehe dazu die Erläuterungen im Anhang). Ergebnisse Die wichtigsten Ergebnisse der IWES-Simulation lassen sich in den folgenden vier Punkten zusammenfassen: Bei der Annahme eines Nettostrombedarfs in Höhe von 535 TWh wird deutlich, dass es schon im Jahr 22 rund Stunden geben kann (bei 876 Stunden pro Jahr), bei denen die Stromproduktion aus Erneuerbaren Energien den kompletten Strombedarf in Deutschland übersteigt (vergleiche auch Graphiken). Die Anzahl der Stunden erhöht sich auf etwa 45 im Jahr 22, wenn man den Stromverbrauch abzieht, der nicht Teil der öffentlichen Versorgung ist, was für die Deutsche Bahn AG sowie zahlreiche große 3

4 ANALYSE juni 12 Industriebetriebe gilt, die ihre eigenen Kraftwerke und Stromnetze betreiben. Bezieht man darüber hinaus die Energieeffizienzziele der Bundesregierung mit ein (-% Stromverbrauch bis gegenüber 8), dann erhöht sich diese Zahl auf etwa Stunden (eigene Abschätzung). Dann produzieren in etwa % aller Stunden Sonne, Wind, Wasser und mehr Strom, als in dieser Zeit in Deutschland verbraucht wird. Andererseits stehen an rund 2 Stunden des Jahres nur GW oder weniger aus Erneuerbaren Energien zur Verfügung (weitgehend aus Wasserkraft und ). Auch in diesen Zeiten muss die Versorgungssicherheit gewährleistet sein. Aus dieser Analyse leiten sich zentrale Herausforderungen ab, vor denen die Energiewende in Deutschland in den nächsten Jahren stehen wird, wie zum Beispiel: Wie sieht der residuale Kraftwerkspark mit konventionellen Energieträgern aus, der mit wachsenden Anteilen Erneuerbarer Energien zusammenpasst? Mit welchem Marktdesign schaffen wir den erforderlichen Umbau des Energiesystems? Wie dezentral kann und sollte Versorgungssicherheit hergestellt werden und in welchem Umfang brauchen wir großräumige Verbünde? Wie speichern wir künftig Energie, wenn die wetterabhängige Einspeisung großer Mengen Wind- und Solarstrom die Nachfrage immer öfter übersteigt? Wie sieht das optimale Zusammenspiel von Erzeugung, Übertragung, Speicherung und Lastmanagement mit Blick auf Klimafreundlichkeit, Versorgungssicherheit und Gesamtkosten aus? Und wie bindet man das deutsche Energiesystem sinnvoll in den europäischen Energiemarkt ein? Graphiken Nachfolgend finden Sie Graphiken für ausgewählte Wochen des Jahres 22, die das oben Gesagte veranschaulichen sollen. Die Simulation des gesamten Jahres 22 stellen wir auf unserer Homepage bereit: Erneuerbare Erzeugung und Strombedarf, 22, Meteo-Jahr 11, 5. Kalenderwoche Erneuerbare Erzeugung und Strombedarf, 22, Meteo-Jahr 11, 14. Kalenderwoche Biogas fle Biometha Wasserkr Onshore-W Offshore- Photovolta konv. Kraf Strombed ohne Bah Im Auftrag v Biogas fle Biomethan Wasserkra Onshore-W Offshore-W Photovolta konv. Kraf Strombed ohne Bahn Im Auftrag v 4

5 ANALYSE juni Erneuerbare Erzeugung und Strombedarf, 22, Meteo-Jahr 11, 32. Kalenderwoche Erneuerbare Erzeugung und Strombedarf, 22, Meteo-Jahr 11, 46. Kalenderwoche Grundlast wärmegeführt Biogas flexibel Biomethan flexibel Wasserkraft Onshore-Wind Offshore-Wind 7 Photovoltaik konv. 6Kraftwerke Strombedarf ohne 5 Bahnstrom und Arealnetze Biomass Biomass Biogas f Biometh Wasser Onshore Offshore Photovo konv. Kr Strombe ohne Ba Im Auftrag von Im Auftrag Anhang: Erläuterungen zur Modellierung Bei der Modellierung wurde auf die nationale Stromnachfrage mit und ohne Bahnstrom und Arealnetze sowie die produzierten Strommengen aus Erneuerbaren Energien nach den Szenarien der Bundesnetzagentur für das Jahr 22 abgestellt. Es wurde bei der Simulation darauf verzichtet, die sogenannten Must-Run-Kraftwerke (konventionelle Kraftwerke, die der Bereitstellung von Systemdienstleistungen wie Blindleistung, Regelenergie u.a. dienen) darzustellen. Aktuell werden in einer Studie der vier Übertragungsnetzbetreiber vom Januar 12 die notwendigen Must-Run-Kapazitäten abhängig von der jeweiligen Lastsituation im deutschen Netz mit einem Wert zwischen vier und zwanzig GW angegeben. Diese Kapazitäten können nach aktuellem Status Quo aus Systemsicherheitsgründen nicht abgeregelt werden. Beim entsprechenden Design der hier vorgelegten Simulationen (Fortschreibung des Status Quo in das Jahr 22) würde die Berücksichtigung der sogenannten Must-Run-Kapazitäten den Bedarf für unterschiedliche Ausgleichsoptionen erhöhen sofern Systemdienstleistungen nicht durch EE bereitgestellt werden. Aus Praktikabilitätsgründen wurde hier kein Stromhandel mit den Nachbarstaaten und somit auch keinerlei Ausgleich der fluktuierenden EE-Einspeisung durch Stromimport oder -export über Grenzkuppelstellen unterstellt. Natürlich stellt der Stromaustausch und -handel mit Nachbarstaaten eine Ausgleichsoption dar. Dieser findet heute schon zu Zeiten hoher Stromproduktion aus Wind- und Solarkraftwerken verstärkt statt, führt allerdings auch zu politischen Diskussionen (Stichwort: Ringflüsse D-NL-D; D-PL- CZ-D). Gleichwohl sind der grenzüberschreitende Stromhandel und die Einbindung in das europäische Verbundnetz wichtige Ausgleichsoptionen für die fluktuierende EE-Einspeisung. Bei der Simulation der Einspeise- und Lastprofile wurden keine Stromeffizienzmaßnahmen und zusätzliche Lastmanagementmaßnahmen unterstellt; ebenso wurden für das deutsche Stromnetz keine nationale Engpässe angenommen (Stichwort: Kupferplatte Deutschland ). Das aktuelle räumliche Auseinanderfallen von Stromerzeugung und Stromnachfrage erhöht bei Engpässen im Netz den Bedarf für Ausgleichsoptionen bei der EE-Einspeisung in den unterschiedlichen Regionen. 5

6 1-A/1-12/DE Wie gelingt uns die Energiewende? Welche konkreten Gesetze, Vorgaben und Maßnahmen sind notwendig, um die Energiewende zum Erfolg zu führen? Die Agora Energiewende will den Boden bereiten, damit Deutschland in den kommenden Jahren die Weichen richtig stellt. Wir verstehen uns als Denk- und Politiklabor, in dessen Mittelpunkt der Dialog mit den relevanten energiepolitischen Akteuren steht. Agora Energiewende Rosenstraße Berlin T +49. () F +49. () agora-energiewende.de

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