Windenergie in Deutschland und Europa

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1 Windenergie in Deutschland und Europa Status quo, Potenziale und Herausforderungen in der Grundversorgung mit Elektrizität Teil 1: Entwicklungen in Deutschland seit 2010 Thomas Linnemann, Guido S. Vallana Fakten zur Stromerzeugung, Juni 2017

2 Vorbemerkungen Fakt: Die Nennleistung sämtlicher Windenergieanlagen in Deutschland hat sich in den letzten 16 Jahren auf MW verachtfacht. Wussten Sie, dass 1)... die Leistungseinspeisungen aller Windenergieanlagen stark fluktuieren? 2)... die Nennleistung sämtlicher Windenergieanlagen niemals erreicht wird? 3)... die Minimalwerte seit Jahren fast unverändert kleiner als 150 MW sind? 4)... Offshore-Windenergie ebenfalls stark schwankende Leistungen liefert? 5)... die Leistungseinspeisungen aus Windenergie nicht normalverteilt sind? 6)... die intuituiv vermutete Glättung nur in geringfügigem Maße eintritt? 7)... Windenergie praktisch nicht zur Versorgungssicherheit beiträgt? 8)... Windenergie fast 100 % planbare Backup-Technik erfordert? VGB-Faktencheck Plausibilitätsnachweise Folie 2

3 VGB-Faktencheck Gliederung Auswertungen zur Windenergienutzung seit 2010 Ausgewählte Zeitreihen der Leistungseinspeisungen Aufteilung zwischen On- und Offshore-Windenergie Energiewirtschaftliche Einordnung und Kenngrößen Erklärungsansätze für Minimalleistungen nahe Null Illustration: Effizienz der Windstromproduktion (Ausnutzung) Ausnutzung im Vergleich mit anderen Ländern Schwachwindphasen und Backup-Bedarf Fazit Folie 3

4 Ausgangspunkte Transparenzdaten für Deutschland Zeitreihen zur Stromversorgung Auflösung in Viertelstundenwerten Nennleistung der Windenergieanlagen Gesamtleistung der Windenergieanlagen Gesamtleistung der Verbraucher (Last) Hinweis Keine eigene Daten, sondern Plausibilitätsüberprüfung zeitlich synchronisierter Transparenzdaten (UTC: koordinierte Weltzeit) Lineare Interpolation bei Datenlücken Verifizierung interpolierter Werte auf Basis weiterer Datenquellen Illustration: Kernfrage Weht irgendwo immer Wind für eine Grundversorgung mit Strom? Folie 4

5 Deutschland: Windstromproduktion 2010 bis 2016 Betriebserfahrungen von 2010 bis 2016 Zeitreihen der Leistung ÜNB Nationale Übertragungsnetzbetreiber ENTSO-E Europäische Übertragungsnetzbetreiber Energiestatistische Daten DE AGEB Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen BDEW Bundesverband Energie- und Wasserwirtschaft BMWi Bundeswirtschaftsministerium Aufteilung zwischen On- und Offshore BWE Bundesverband Windenergie Folie 5

6 Deutschland: Windstromproduktion 2010 bis 2016 Betriebserfahrungen von 2010 bis 2016 Zeitreihen der Leistung ÜNB Nationale Übertragungsnetzbetreiber DE Onshore ENTSO-E Europäische Übertragungsnetzbetreiber Energiestatistische Daten AGEB Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen BDEW Bundesverband Energie- und Wasserwirtschaft BMWi Bundeswirtschaftsministerium BWE Bundesverband Windenergie Folie 6

7 Deutschland: Windstromproduktion 2010 bis 2016 Betriebserfahrungen von 2010 bis 2016 Zeitreihen der Leistung ÜNB Nationale Übertragungsnetzbetreiber Offshore Nordsee Ostsee ENTSO-E Europäische Übertragungsnetzbetreiber Energiestatistische Daten DE Onshore AGEB Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen BDEW Bundesverband Energie- und Wasserwirtschaft BMWi Bundeswirtschaftsministerium BWE Bundesverband Windenergie Folie 7

8 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Gemittelte Stundenwerte der Einspeiseleistung Hochrechnung auf Basis gemessener Referenzstandorte Folie 8

9 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N = MW Maximum P Max = MW Minimum P Min = 123 MW Mittelwert P μ = MW Folie 9

10 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N = MW Jederzeit verfügbar Maximum P Max = MW Minimum P Min = 123 MW Mittelwert P μ = MW Folie 10

11 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N = MW 0,5 % Gesicherte Leistung P P = P Min /P N Maximum P Max = MW Minimum P Min = 123 MW Mittelwert P μ = MW Folie 11

12 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N = MW = P µ /P N Ausnutzung η A = E R /E N Windstromproduktion E R = 35,9 TWh Mittelwert P μ = MW Folie 12

13 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N = MW 15 % = P µ /P N Ausnutzung η A = E R /E N Windstromproduktion E R = 35,9 TWh Mittelwert P μ = MW Folie 13

14 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N = MW Aufteilung zwischen On- und Offshore Folie 14

15 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N = MW P N,Won = MW Onshore Folie 15

16 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N = MW P N,Won = MW Onshore P N,Won 99,7 % P N Folie 16

17 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N,Won = MW Onshore Ausnutzung η A,Won 15 % Windstromproduktion E R,Won = 35,7 TWh Folie 17

18 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N = MW P N,Woff = 80 MW Offshore Folie 18

19 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N = MW P N,Woff = 80 MW Offshore P N,Woff 0,3 % P N Folie 19

20 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N,Woff = 80 MW Offshore Startphase des Offshore-Einsatzes 2010 noch sehr geringer Ausbaustand Probleme mit Anlagen bzw. Netzanbindung Folie 20

21 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N,Woff = 80 MW Offshore Ausnutzung η A,Woff 24 % Windstromproduktion E R,Woff = 0,2 TWh Folie 21

22 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2010 Nennleistung P N,Woff = 80 MW Offshore Gesicherte Leistung P P,Woff = 0 % P N,Woff Minimum P Min,Woff = 0 MW... für knapp ein Fünftel des Jahres Folie 22

23 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N = MW Maximum P Max = MW Minimum P Min = 153 MW Mittelwert P μ = MW Folie 23

24 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N = MW Maximum P Max = MW Gesicherte Leistung P P 0,3 % P N Minimum P Min = 153 MW Mittelwert P μ = MW Folie 24

25 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N = MW Ausnutzung η A 20 % Windstromproduktion E R = 77,5 TWh Folie 25

26 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N = MW Aufteilung zwischen On- und Offshore Folie 26

27 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N = MW P N,Won = MW Onshore Folie 27

28 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N = MW P N,Won = MW Onshore P N,Won 93 % P N Folie 28

29 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N,Won = MW Onshore Ausnutzung η A,Won 19 % Windstromproduktion E R,Won = 69,4 TWh Folie 29

30 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N = MW P N,Woff = MW Offshore Folie 30

31 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N = MW P N,Woff = MW Offshore P N,Woff 7% P N Folie 31

32 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore Netzanbindung neuer Windparks Folie 32

33 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore Ausnutzung η A,Woff 28 % Windstromproduktion E R,Woff = 8,1 TWh Folie 33

34 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore Minimum P Min,Woff = 1 MW Folie 34

35 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore Gesicherte Leistung P P,Woff = 0,03 % P N,Woff Minimum P Min,Woff = 1 MW Folie 35

36 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore P Woff 1 % P N,Woff in 290 Jahresstunden Folie 36

37 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2015 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore 12 Tage P Woff 1 % P N,Woff in 290 Jahresstunden Folie 37

38 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Maximum P Max = MW Nennleistung P N = MW Minimum P Min = 135 MW Mittelwert P μ = MW Folie 38

39 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Maximum P Max = MW Nennleistung P N = MW Gesicherte Leistung P P 0,3 % P N Minimum P Min = 135 MW Mittelwert P μ = MW Folie 39

40 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N = MW Ausnutzung η A 18 % Windstromproduktion E R = 76,9 TWh Folie 40

41 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N = MW Aufteilung zwischen On- und Offshore Folie 41

42 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N = MW P N,Won = MW Onshore Folie 42

43 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N = MW P N,Won = MW Onshore P N,Won 92 % P N Folie 43

44 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N,Won = MW Onshore Ausnutzung η A,Won 16 % Windstromproduktion E R,Won = 65,0 TWh Folie 44

45 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N = MW P N,Woff = MW Offshore Folie 45

46 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N = MW P N,Woff = MW Offshore P N,Woff 8% P N Folie 46

47 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore Ausnutzung η A,Woff 33 % Windstromproduktion E R,Woff = 11,9 TWh Folie 47

48 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore Minimum P Min,Woff = 0 MW Folie 48

49 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore Gesicherte Leistung P P,Woff = 0 % P N,Woff Minimum P Min,Woff = 0 MW Folie 49

50 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore P Woff 1 % P N,Woff in 256 Jahresstunden Folie 50

51 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore 11 Tage P Woff 1 % P N,Woff in 256 Jahresstunden Folie 51

52 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Nennleistung P N,Woff = MW Offshore Hohe Volatilität auch auf dem Meer Folie 52

53 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 P Max /P N 73 % Nennleistung praktisch unerreichbar Nennleistung P N P Max Folie 53

54 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Last Mittelwert P μ,l = MW Folie 54

55 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Last ENTSO-E-Definition Summe der Regelzonenlasten Regelzonenlast = Produktion Austausch Nicht enthalten: Eigenverbrauch Kraftwerke Pumparbeit Speicherkraftwerke Folie 55

56 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Last ENTSO-E-Definition Bruttostromerzeugung Nettostromerzeugung Eigenbedarf Last Stromimporte Stromexporte Pumpstrom Nettostromverbrauch Netzverluste Folie 56

57 Deutschland: Windstromproduktion im Jahr 2016 Last 481 TWh Bruttostromproduktion Nettostromproduktion minus Import-Export-Saldo minus Pumparbeit minus Industriestrom 1 ) Last 648 TWh 612 TWh 54 TWh 8TWh 62 TWh 488 TWh Delta von 2 % gegenüber ENTSO-E 1 ) aus eigenen (Blockheiz)-Kraftwerken, regenerativen Kleinanlagen,... Quellen: AGEB, BDEW, BMWi Folie 57

58 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Anlagenzahl zum Jahresende (gerundet) Nennleistung P N Folie 58

59 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Anlagenzahl zum Jahresende (gerundet) Nennleistung P N Zuwachs um 86 % Folie 59

60 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Anlagenzahl zum Jahresende (gerundet) Nennleistung P N Maximum P Max Maximaler ¼-h-Wert aller Anlagen Folie 60

61 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Anlagenzahl zum Jahresende (gerundet) Nennleistung P N Maximum P Max Wachsende Differenz zwischen Nennleistung und Maximum Wahrscheinlichkeit zeitgleicher Maximalwerte sinkt mit Ausbau Folie 61

62 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Anlagenzahl zum Jahresende (gerundet) Nennleistung P N Maximum P Max Mittelwert P µ Folie 62

63 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Anlagenzahl zum Jahresende (gerundet) Nennleistung P N Maximum P Max Mittelwert P µ Minimum P Min Folie 63

64 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Anlagenzahl zum Jahresende (gerundet) Nennleistung P N Gesicherte Leistungen P P < 1 % P N Mittelwert P µ Minimum P Min Folie 64

65 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Anlagenzahl zum Jahresende (gerundet) Nennleistung P N Minimalwert trotz Zubau praktisch unverändert Folie 65

66 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Anlagenzahl zum Jahresende (gerundet) Nennleistung P N Minimalwerte nahe Null Technische Aspekte Energiemeteorologie Folie 66

67 Minimalwerte: Technische Aspekte Umwandlung von Luftströmungen in elektrische Leistung: Annähernd proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ~ Typische Kennlinie einer modernen Windenergieanlage Folie 67

68 Minimalwerte: Technische Aspekte 3,5 Doppelte Windgeschwindigkeit achtfache Leistung. Halbierte Windgeschwindigkeit ein Achtel der Leistung. 3,0 Leistung in MW 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 ~ 0, Windgeschwindigkeit in m/s Folie 68

69 Minimalwerte: Technische Aspekte 3,5 3,0 Nennleistung Nenngeschwindigkeit Leistung in MW 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Windgeschwindigkeit in m/s Folie 69

70 Minimalwerte: Technische Aspekte 3,5 3,0 Nennleistung Nenngeschwindigkeit Leistung in MW 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 3 m/s 0, Windgeschwindigkeit in m/s Einschaltgeschwindigkeit Folie 70

71 Minimalwerte: Technische Aspekte 3,5 3,0 Nennleistung Nenngeschwindigkeit Ausschaltgeschwindigkeit Leistung in MW 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Teillast Volllast 0, Windgeschwindigkeit in m/s Einschaltgeschwindigkeit Folie 71

72 Minimalwerte: Technische Aspekte 3,5 3,0 Nennleistung Nenngeschwindigkeit Ausschaltgeschwindigkeit Leistung in MW 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Technische Ursache für Minimalwerte nahe Null Schwachlastfähigkeit von Windenergieanlagen Einschaltgeschwindigkeit Folie 72

73 Minimalwerte: Technische Aspekte Anlagenzahl zum Jahresende (gerundet) Nennleistung P N Minimalwerte nahe Null Technische Aspekte Energiemeteorologie Folie 73

74 Minimalwerte: Energiemeteorologie Aktuelles Forschungsfeld der Energiemeteorologie Schnittstelle zwischen erneuerbaren Energien und Atmosphärenphysik Analysen zur atmosphärischen Turbulenz und zur Physik der Grenzschichten Netzintegration verteilter Elektrizitätsbereitstellung aus erneuerbaren Energien Aktivitäten zur Windenergienutzung Meteorologische Aspekte der Windenergienutzung (mehrere Größenskalen) Verständnis/Beschreibung der raumzeitlichen Charakteristik von Windfeldern Bestimmung der Windverhältnisse an On- und Offshore-Standorten Verbesserte Leistungsprognosen für Windenergieanlagen Bilder: DAPD, Zingst Folie 74

75 Minimalwerte: Energiemeteorologie Häufigkeitsverteilungen von Zufallsvariablen Statistisch unabhängige Zufallsvariablen Relative Häufigkeit σ Wesentliche statistische Parameter μ = arithmetischer Mittelwert der Zufallsvariablen σ = Standardabweichung (Breite der Verteilung) µ µ-3σ µ-2σ µ-σ µ µ+σ µ+2σ µ+3σ Normalverteilung nach Gauß Beispiele: Würfeln oder Körpergröße Folie 75

76 Minimalwerte: Energiemeteorologie Häufigkeitsverteilungen von Zufallsvariablen Statistisch unabhängige Zufallsvariablen Statistisch abhängige Zufallsvariablen Normalverteilung Relative Häufigkeit Heavy Tail Heavy Tail µ-3σ µ-2σ µ-σ µ µ+σ µ+2σ µ+3σ µ-3σ µ-2σ µ-σ µ µ+σ µ+2σ µ+3σ Normalverteilung nach Gauß Beispiele: Würfeln oder Körpergröße Heavy-Tailed-Verteilung Beispiel: Windenergie Raum-Zeit-Korrelation Keine Normalverteilung P, P Folie 76

77 Minimalwerte: Energiemeteorologie Häufigkeitsverteilungen von Zufallsvariablen Statistisch unabhängige Zufallsvariablen Statistisch abhängige Zufallsvariablen Normalverteilung Relative Häufigkeit Heavy Tail Heavy Tail µ-3σ µ-2σ µ-σ µ µ+σ µ+2σ µ+3σ µ-3σ µ-2σ µ-σ µ µ+σ µ+2σ µ+3σ Normalverteilung nach Gauß Beispiele: Würfeln oder Körpergröße Heavy-Tailed-Verteilung Beispiel: Windenergie Raum-Zeit-Korrelation Häufigkeitsverteilung der Windstromproduktion 2016 Folie 77

78 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten 2016 µ = MW σ= MW Windstromproduktion Dichtefunktion Folie 78

79 Minimalwerte: Energiemeteorologie µ-σ µ µ+σ σ σ Realdaten 2016 µ = MW σ= MW Folie 79

80 Minimalwerte: Energiemeteorologie µ-σ µ µ+σ σ σ Realdaten 2016 µ = MW σ= MW Keine Normalverteilung für Leistungseinspeisungen Folie 80

81 Minimalwerte: Energiemeteorologie µ-σ µ µ+σ σ σ Realdaten 2016 µ = MW σ= MW Hohe Eintrittswahrscheinlichkeiten für geringe Leistungen Folie 81

82 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten 2016 µ = MW σ= MW Windstromproduktion Verteilungsfunktion µ Folie 82

83 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten 2016 µ = MW σ= MW 60 Eintrittswahrscheinlichkeit Leistungen P < µ 60 % µ Folie 83

84 Minimalwerte: Energiemeteorologie 100 Realdaten 2016 µ = MW σ= MW Eintrittswahrscheinlichkeit Leistungen P > µ 40 % 60 µ Folie 84

85 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten 2016 µ = MW σ= MW Normalverteilung, gewürfelt Basis µ, σ aus Realdaten Folie 85

86 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten 2016 µ = MW σ= MW 50 Normalverteilung, gewürfelt Basis µ, σ aus Realdaten Eintrittswahrscheinlichkeit Leistungen P < µ 50 % µ Folie 86

87 Minimalwerte: Energiemeteorologie 100 Realdaten 2016 µ = MW σ= MW Eintrittswahrscheinlichkeit Leistungen P > µ 50 % 50 µ Folie 87

88 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten 2016 µ = MW σ= MW Normalverteilung symmetrisch µ Folie 88

89 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten 2016 µ = MW σ= MW Eintrittswahrscheinlichkeit Leistungen P < µ-σ 10 % 10 µ-σ σ µ... in von ¼-h-Werten aufgetreten! Folie 89

90 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten 2016 µ = MW σ= MW 37 Tage 10 µ-σ σ µ... in von ¼-h-Werten aufgetreten! Folie 90

91 Minimalwerte: Energiemeteorologie Viertelstundenwerte für Windenergie Anlagen an Land und auf dem Meer Folie 91

92 Minimalwerte: Energiemeteorologie Leistungsänderungen P Änderung pro ¼ h Folie 92

93 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten Normierte Leistungsänderungen Folie 93

94 Minimalwerte: Energiemeteorologie P Max = MW Realdaten µ = 0 MW σ= 215 MW P Min = MW Zu-/Abschaltung zwei großer Kraftwerke binnen 15 Minuten Folie 94

95 Minimalwerte: Energiemeteorologie Gewürfelte Normalverteilung Basis µ, σ aus Realdaten -3σ P 3σ für 99,73 % aller ¼-h-Werte Überschreitenshäufigkeit 95 ¼-h-Werte Folie 95

96 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten Heavy Tails -3σ P 3σ Heavy Tails Überschreitenshäufigkeit 490 ¼-h-Werte Folie 96

97 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten Heavy-Tailed-Verteilung Folie 97

98 Minimalwerte: Energiemeteorologie Realdaten Normalverteilung Extremwerte fünffach häufiger Heavy-Tailed-Verteilung Folie 98

99 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Auswertung der Zeitreihen Mittelwert µ Folie 99

100 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Häufigkeit Normalverteilung µ-σ µ µ+σ µ+2σ µ+3σ Heavy-Tailed-Verteilung Mittelwert µ Folie 100

101 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Häufigkeit µ+σ µ-σ µ µ+σ µ+2σ µ+3σ Mittelwert µ Folie 101

102 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Häufigkeit µ+σ µ-σ µ µ+σ µ+2σ µ+3σ Mittelwert µ µ σ Folie 102

103 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Häufigkeit µ+σ µ-σ µ µ+σ µ+2σ µ+3σ Mittelwert µ Variationskoeffizient σ/µ Relative Standardabweichung 0,89 0,87 0,85 0,89 0,93 0,81 0,78 µ σ Folie 103

104 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis % aller Werte im Jahr 2016 Häufigkeit µ+σ µ-σ µ µ+σ µ+2σ µ+3σ Mittelwert µ Variationskoeffizient σ/µ 1 Standardabweichung und Mittelwert etwa gleich groß Hohe Wahrscheinlichkeit für Minimalwerte nahe Null µ σ Folie 104

105 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Erkenntnisse Nennleistung seit 2010 nahezu auf 50 GW verdoppelt Windstromproduktion auf 77 TWh mehr als verdoppelt Kein Anstieg der Minimalleistung (¼-h-Wert) seit ) Technik Schwachlastfähigkeit großer Windturbinen 2.) Statistik Leistungseinspeisungen nicht normalverteilt Hohe Wahrscheinlichkeit für niedrige Werte Gesicherte Leistung kleiner als 1 % der Nennleistung Hohe Volatilität der Leistungen auch auf dem Meer Bedarf an 100 % planbarer Backup-Leistung Folie 105

106 Deutschland: Windstromproduktion von 2010 bis 2016 Deutlicher Anstieg des Mittelwertes Mittelwert P µ + 52 % Plausibel? Folie 106

107 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Deutschland 2015 Monatliche Stromproduktion Vergleich mit früheren Jahren Folie 107

108 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Bandbreite 2005 bis 2014 Mittelwert 2005 bis 2014 Deutschland 2015 Zwei Werte oberhalb der 10-TWh-Marke μ Folie 108

109 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Bandbreite 2005 bis 2014 Mittelwert 2005 bis 2014 Deutschland σ Außerordentlich gute Windbedingungen und 5,3 GW Nennleistungszuwachs 2σ 1σ μ Folie 109

110 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Bandbreite 2005 bis 2014 Mittelwert 2005 bis 2014 Deutschland σ Im Jahr 2016 keine monatliche Produktion oberhalb von 10 TWh 2σ 1σ μ Folie 110

111 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Deutschland 2016 (Σ = 76,9 TWh) Deutschland 2015 (Σ = 77,5 TWh) Einflussfaktoren Winddargebot Nettozubau Folie 111

112 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Erkenntnisse Außerordentliches Windjahr 2015 mit ausgeprägter Produktion deutlich über langjährigen Durchschnittswerten (2005 bis 2014) Maximalwerte im November und Dezember 2015 (Allzeithoch) Im Jahr 2016 keine Maximalwerte oberhalb von 10 TWh Einflussfaktoren auf monatliche Windstromproduktion Winddargebot des betrachteten Jahres (Energiemeteorologie) Zubau und Rückbau von Windenergieanlagen im Jahresverlauf Normierung auf jeweils installierte Nennleistung Ausnutzung η A = Stromproduktion / potenzielle Stromproduktion 1) Folie 112 1) bei konstanter Nennleistung über den Betrachtungszeitraum

113 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Folie 113

114 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Langjähriger Mittelwert: 16,9 % Folie 114

115 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Vergleich mit europäischen Ländern Folie 115

116 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion 16 europäische Länder Bandbreite europäischer Länder Deutschland Folie 116

117 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Bandbreite europäischer Länder Deutschland Dänemark Folie 117

118 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Bandbreite europäischer Länder Deutschland Italien Folie 118

119 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Erkenntnisse Signifikant höhere Ausnutzung des Winddargebotes in vielen anderen Ländern im Vergleich zu Deutschland im Zeitraum von 2000 bis 2015: Land Ausnutzung η A,Ø Deutschland h/a Irland h/a (+ 48 %) Großbritannien h/a (+ 44 %) Dänemark h/a (+ 43 %) Spanien h/a (+ 35 %) Portugal h/a (+ 30 %) Schweden h/a (+ 21 %) Niederlande h/a (+ 20 %) Polen h/a (+ 12 %) Vergleich zu Deutschland Folie 119

120 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Erkenntnisse Signifikant höhere Ausnutzung des Winddargebotes in vielen anderen Ländern im Vergleich zu Deutschland im Zeitraum von 2000 bis 2015: Land Ausnutzung η A,Ø Gesicherte Leistung P P Deutschland h/a Irland h/a (+ 48 %) Großbritannien h/a (+ 44 %) Dänemark h/a (+ 43 %) Spanien h/a (+ 35 %) Portugal h/a (+ 30 %) Schweden h/a (+ 21 %) Niederlande h/a (+ 20 %) Polen h/a (+ 12 %) 0,3 % P N 0,0 % P N 0,0 % P N 0,3 % P N 1,1 % P N 0,3 % P N 0,3 % P N 0,0 % P N 0,3 % P N Zeitreihen 2016 Folie 120

121 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Erkenntnisse Signifikant höhere Ausnutzung des Winddargebotes in vielen anderen Ländern im Vergleich zu Deutschland im Zeitraum von 2000 bis 2015: Land Ausnutzung η A,Ø Gesicherte Leistung P P Deutschland h/a Irland h/a (+ 48 %) Großbritannien h/a (+ 44 %) Dänemark h/a (+ 43 %) Spanien h/a (+ 35 %) Portugal h/a (+ 30 %) Schweden h/a (+ 21 %) Niederlande h/a (+ 20 %) Polen h/a (+ 12 %) 0,3 % P N 0,0 % P N 0,0 % P N 0,3 % P N 1,1 % P N 0,3 % P N 0,3 % P N 0,0 % P N 0,3 % P N Alle Werte P P 1,1 % P N Folie 121

122 Deutschland: Effizienz der Windstromproduktion Erkenntnisse Signifikant höhere Ausnutzung des Winddargebotes in vielen anderen Ländern im Vergleich zu Deutschland im Zeitraum von 2000 bis 2015: Land Ausnutzung η A,Ø Gesicherte Leistung P P Deutschland h/a Irland h/a (+ 48 %) Großbritannien h/a (+ 44 %) Dänemark h/a (+ 43 %) Spanien h/a (+ 35 %) Portugal h/a (+ 30 %) Schweden h/a (+ 21 %) Niederlande h/a (+ 20 %) Polen h/a (+ 12 %) 0,3 % P N 0,0 % P N 0,0 % P N 0,3 % P N 1,1 % P N 0,3 % P N 0,3 % P N 0,0 % P N 0,3 % P N Ausnutzung: Deutlich höhere Werte in vielen anderen Ländern Versorgungssicherheit: Praktisch kein Unterschied zu Deutschland Folie 122

123 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Ausgewählte Beispiele für weiträumige Luftdruckunterschiede in Europa p Max 65 hpa p Max 20 hpa Mittwoch, 8. Februar 2016 Kalte Jahreszeit Mittwoch, 7. Juni 2016 Warme Jahreszeit Folie 123

124 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Ausgewählte Beispiele für weiträumige Luftdruckunterschiede in Europa Frische Brise Leichte Brise Günstige Windverhältnisse Schwachwindverhältnisse Mittwoch, 8. Februar 2016 Kalte Jahreszeit Mittwoch, 7. Juni 2016 Warme Jahreszeit Folie 124

125 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Mehrtägige Großwetterlage im November 2011 Dienstag, 22. November 2011 Folie 125

126 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Mehrtägige Großwetterlage im November 2011 Weiträumig geringe Luftdruckunterschiede und Windgeschwindigkeiten in Europa Dienstag, 22. November 2011 Folie 126

127 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Beispiel: Windstärken am Dienstag, 22. November 2011, 7:00 Uhr Weiträumig geringes Winddargebot mit Windstärke 3 oder darunter nach Beaufort-Skala ( Schwacher Wind ) Resultierende Windgeschwindigkeiten von 3,4 bis 5,4 m/s und darunter Europaweit geringe Windstromerträge Kein gegenseitiger Austausch möglich Regelmäßig ähnliche Wetterlagen < 3 < 4 < > 11 Windstärke in Beaufort (Bft) Folie 127

128 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Beispiel: Windstärken am Dienstag, 22. November 2011, 7:00 Uhr Weiträumig geringes Winddargebot mit Windstärke 3 oder darunter nach Beaufort-Skala ( Schwacher Wind ) Resultierende Windgeschwindigkeiten von 3,4 bis 5,4 m/s und darunter Europaweit geringe Windstromerträge Kein gegenseitiger Austausch möglich Regelmäßig ähnliche Wetterlagen < 3 < 4 < > 11 Windstärke in Beaufort (Bft) Blick auf Deutschland Folie 128

129 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Nennleistung P N MW Mehrtägige Schwachwindphasen Folie 129

130 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Nennleistung P N MW Folie 130

131 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Nennleistung P N MW Last MW Siebentagesflaute Faktor 60 Windenergie MW Folie 131

132 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Nennleistung P N MW Verbrauch 10 TWh Siebentagesflaute Faktor 50 Windenergie 0,2 TWh Folie 132

133 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Nennleistung P N MW Folgejahre Folie 133

134 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Nennleistung P N MW Folie 134

135 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Nennleistung P N MW Folie 135

136 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Nennleistung P N MW Folie 136

137 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Nennleistung P N MW Allzeithoch Außerordentlich hohe Monatsproduktion von 10,6 TWh Minimum P Min = 153 MW Folie 137

138 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Nennleistung P N MW Hohe Monatsproduktion von 8,1 TWh Minimum P Min = MW Folie 138

139 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Mehrtägige Schwachwindphasen Last Folie 139

140 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Zeitpunkt der Jahreshöchstlast vorab nie bekannt Im Zeitraum von November bis Februar einzukalkulieren Gesicherte Leistung P P 0,8 % P N Folie 140

141 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima ÜNB-Leistungsbilanz 2016 Gesicherte Leistung der Windenergie zum Zeitpunkt der Jahreshöchstlast P P = 1,0 % P N Gesicherte Leistung P P 0,8 % P N Folie 141

142 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Versorgungssicherheitsniveau von 99 % DENA-Netzstudie Folie 142

143 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Vergleich mit Realdaten DENA 2006 Realdaten 2010 Realdaten 2011 Realdaten 2012 Realdaten 2013 Realdaten 2014 Realdaten 2015 Realdaten 2016 Mittelwert Folie 143

144 Deutschland: Schwachwindphasen und ausgeprägte Minima Erkenntnisse Mehrtägige Schwachwindphasen mit P < MW keine Seltenheit Seit dem Jahr 2010 rund 160 Fünftagesphasen mit P < MW (d. h. durchschnittlich alle zwei Wochen zu erwarten) Zehn- bis 14-tägige Schwachwindphasen in jedem Jahr seit 2010 Seit 2010 unveränderte gesicherte Leistung von 1 % der Nennleistung zum Zeitpunkt der Jahreshöchstlast (dargebotsabhängige Energieform) Folie 144

145 Deutschland: Backup-Bedarf Last MW MW Faktor 10+ Faktor MW MW Folie 145

146 Deutschland: Backup-Bedarf Verbrauch 9,9 TWh 5,7 TWh Faktor 10+ Faktor 8+ 0,9 TWh 0,6 TWh Folie 146

147 Deutschland: Backup-Bedarf Blick in die Zukunft Komplementär-Technik? Welche Backup-Energie? Welche Backup-Leistung? Folie 147

148 Deutschland: Backup-Bedarf Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland Maximale Leistung: MW für sechs Stunden Folie 148

149 Deutschland: Backup-Bedarf Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland Maximale Leistung: MW für sechs Stunden Arbeitsvolumen: 0,040 TWh pro Entladezyklus Entladezyklus Folie 149

150 Deutschland: Backup-Bedarf Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland Maximale Leistung: MW für sechs Stunden Arbeitsvolumen: 0,040 TWh pro Entladezyklus Danach: Speicherbeladung erforderlich! Faktor 225 Bedarf von 9 TWh Entladezyklus Folie 150

151 Deutschland: Backup-Bedarf Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland Maximale Leistung: MW für sechs Stunden Arbeitsvolumen: 0,040 TWh pro Entladezyklus Danach: Speicherbeladung erforderlich! Hauptparameter Arbeitsvolumen Folie 151

152 Deutschland: Backup-Bedarf Pumpspeicherkraftwerk Hohenwarte II, Thüringen Oberbecken Herausforderungen der Energiespeicherung Zweiwöchige Schwachwindphase im Winterhalbjahr Durchschnittlicher Tagesstrombedarf: 1,5 TWh Gesamtbedarf in zwei Wochen: 21 TWh Pumpspeicherkraftwerk Hohenwarte II Elektrische Leistung (Turbinenbetrieb): Elektrische Arbeit (je Entladezyklus): 320 MW 0,0021 TWh Unterbecken Anzahl solcher Pumpspeicherkraftwerke zur Überbrückung einer 14-tägigen Dunkelflaute n = 21 TWh / 0,0021 TWh = Kraftwerke Foto: Vattenfall Folie 152

153 Deutschland: Backup-Bedarf Erkenntnisse Pumpspeicherkraftwerke bewährte Technik Auf Bedarf konventioneller Kraftwerke ausgerichtet: Vergleichmäßigung der Produktion (Tag-Nacht-Zyklus) Kurzfristiger Ausgleich von untertägigen Spitzenlasten Heutige Maximalleistung von MW für sechs Stunden Heutiges Arbeitsvolumen von 0,04 TWh pro Entladezyklus Arbeitsvolumen = Speichervolumen im TWh-Bereich erforderlich (d. h. Steigerung um zwei Größenordnungen gegenüber heute) Realisierbares Zubaupotenzial von etwa 2 bis 3 TWh in Europa Fazit: Ausbau wünschenswert, allein jedoch keine Lösung! Folie 153

154 Fazit Deutschland Windstromproduktion von 2010 bis 2016 auf 77 TWh verdoppelt Gesamte Nennleistung von 2010 bis 2016 auf 50 GW fast verdoppelt Trotz verdoppelter Nennleistung kein Beitrag zur Versorgungssicherheit Seit 2010 unveränderte gesicherte Leistung von 1 % der Nennleistung Keine Normalverteilung für Leistungseinspeisungen aus Windenergie Hohe Volatilität der Leistungseinspeisungen auch auf dem Meer Geringere Ausnutzung im Vergleich zu anderen Ländern Bedarf an 100 % planbarer Backup-Leistung Dringender Bedarf an Speichertechnik Folie 154

155 Optionen für eine künftige Grundversorgung mit Strom Kernenergie Politisch unerwünscht Kohle Politisch unerwünscht Gilt auch für CCS-Technologien Gas Brückentechnologie Importabhängigkeit Biomasse Eingeschränkt verfügbar Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion Illustration: Wasserkraft Eingeschränkt verfügbar Praktisch weitgehend ausgeschöpft Photovoltaik Allein unzureichend, Komplementärtechnik erforderlich Beitrag nachts: Null Windenergie Allein unzureichend, Komplementärtechnik erforderlich Unstet verfügbar, große Korrelationslängen der Windstromproduktion Folie 155 CCS: Carbon capture and storage

156 VGB-Faktencheck: Zusammenfassung 1) Die Leistungseinspeisungen aller Windenergieanlagen fluktuieren stark. 2) Die Nennleistung sämtlicher Windenergieanlagen wird niemals erreicht. 3) Die Minimalwerte sind seit Jahren fast unverändert kleiner als 150 MW. 4) Offshore-Windenergie liefert ebenfalls stark schwankende Leistungen. 5) Die Leistungseinspeisungen aus Windenergie sind nicht normalverteilt. 6) Die intuituiv vermutete Glättung tritt nur in geringfügigem Maße ein. 7) Windenergie trägt praktisch nicht zur Versorgungssicherheit bei. 8) Windenergie erfordert fast 100 % planbare Backup-Technik. VGB-Faktencheck Plausibilitätsnachweise erbracht Folie 156

157 Kontaktdaten VGB PowerTech e.v. Thomas Linnemann, Guido Vallana Deilbachtal 173, Essen, Germany Vorsitzender des Vorstandes: Dr. Hans Bünting Geschäftsführer: Erland Christensen Registergericht: Amtsgericht Essen Registernummer: VR Folie 157