Analyse des Exports von Stein- und Braunkohlestrom

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2 Analyse des Exports von Stein- und Braunkohlestrom August 2017 era - energy research architecture Verfasser: Björn Pieprzyk Erstellt im Auftrag von: Bundestagsfraktion Bündnis 90/Die Grünen 2

3 1 Zusammenfassung Diese Strommarktanalyse zeigt, dass die zu starre Fahrweise der Braunkohle- und Atomkraftwerke zu hohen Stromexportüberschüssen in Deutschland führt. Die Steinkohlekraftwerke werden zwar variabler betrieben, ihre Leistungsreduzierung reicht aber nicht aus, um bei hoher Windenergie- und PV-Einspeisung eine ausgeglichene Angebot-Nachfrage-Situation im Strommarkt zu erreichen. Dafür müsste auch die Leistung der Braunkohle- und Atomkraftwerke viel stärker an die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien angepasst werden. In den letzten fünf Jahren haben sich die deutschen Stromexportüberschüsse fast verzehnfacht. Während sie 2011 nur bei 6,3 Terawattstunden (TWh) lagen, sind sie 2016 auf 53,7 TWh angestiegen (siehe nachfolgende Abbildung). Das entspricht etwa der gesamten Stromerzeugung der fünf größten deutschen Atomkraftwerke im Jahr Die hohen Exporte werden zumeist der schwankenden Wind- und Solarstromerzeugung angelastet. Die vorliegende Untersuchung zeigt jedoch, dass sie in erster Linie auf die seit 2009 konstant gebliebene Stromerzeugung aus Braun- und Steinkohle zurückzuführen sind. Diese lagen 2016 bei 262 TWh, davon entfielen 150 TWh auf die Braunkohle und 112 TWh auf die Steinkohle. Bei den erneuerbaren Energien hingegen hat sich im selben Zeitraum die Strommenge auf 188 TWh verdoppelt 1. Abb. 1: Stromexportüberschüsse in TWh Jährliche Stromexportüberschüsse (TWh) 51,8 53,7 23,1 33,8 35,6 6, Quelle: AG-Energiebilanzen 2017 Die hohe Braunkohle- und Steinkohleerzeugung hat außerdem zusammen mit Netzengpässen dazu beigetragen, dass die abgeregelte Stromerzeugung aus 1 AG-Energiebilanzen 2017: Bruttostromerzeugung in Deutschland ab 1990 nach Energieträgern. Stand

4 erneuerbaren Energien in den letzten Jahren drastisch gestiegen ist (siehe folgende Abbildung). Da die Betreiber für den nicht eingespeisten Strom aus erneuerbaren Energien entschädigt werden, entstehen durch die Abregelung zusätzliche Kosten, die zu Unrecht der Energiewende angerechnet werden. Im Einzelnen ist dieser Zusammenhang anhand der zugänglichen Daten kaum zu analysieren, da die Abregelung nur jahresbezogen ermittelt wird und tagesscharfe Daten nicht veröffentlicht sind. Abb. 2: Abgeregelter Strom aus erneuerbaren Energien in TWh Quelle: BNetzA 2 2 Methodik Diese Studie untersucht Perioden mit hohen Stromexportüberschüssen. Im Fokus der Analyse steht die Fahrweise der Kohlekraftwerke während dieser Exportphasen. Für die Analyse des Kohlestromexports wurden acht exemplarische Zeiträume in den Jahren 2015 und 2016 untersucht (jeweils 5 Tage). Bei der Auswahl der Zeitabschnitte wurden die folgenden Kriterien berücksichtigt: - eine unterschiedlich hohe Stromproduktion erneuerbarer Energien - hohe und niedrige Stromnachfrage (unterschiedliche Jahreszeiten, Werktage, Wochenenden und Feiertage) Als Datenquelle für die Untersuchung wurde das Agorameter 3 genutzt. 2 BNetzA: Berichte zu Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen 2015 und 2016, Monitoringberichte 2015, 2014 und Versorgungssicherheit/Netz_Systemsicherheit/Netz_Systemsicherheit.html 3 Agora Energiewende (2017): Agorameter. agothem-/produkt/produkt/76/agorameter/ 4

5 In dieser Analyse werden in den Abbildungen und im Text immer die Netto- Stromexporte genannt, d.h. Stromexporte abzüglich der Stromimporte (= Stromexport/Stromimportsaldo). 3 Analyse der Untersuchungszeiträume 3.1 Übersicht über die wichtigsten Ergebnisse der Analyse der einzelnen Zeiträume Die Auswertung der im Kapitel 3.2 einzeln betrachteten Zeiträume zeigt die folgenden Ergebnisse und Gemeinsamkeiten. Gesamter Strommarkt Insgesamt ist selbst bei hohen Stromexporten die Kohle- und Atomstromerzeugung noch sehr groß. Das liegt vor allem an der zu starren Fahrweise der Braunkohle- und Atomkraftwerke, die zu wenig an die Wind- oder PV-Einspeisung angepasst wird. Die Steinkohlekraftwerke werden dagegen variabler betrieben. Ihre Leistungsreduzierung reicht aber nicht aus, um bei hoher Windenergie- und PV-Einspeisung eine ausgeglichene Angebot-Nachfrage-Situation im Strommarkt zu erreichen. Dafür müsste auch die Leistung der Braunkohle- und Atomkraftwerke bei hoher Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien stärker reduziert werden. Durch die jetzige Situation entstehen erhebliche Stromüberschüsse, die ins Ausland exportiert werden müssen. Braun- und Steinkohlekraftwerke Die Braunkohlestromerzeugung weist in allen Zeiträumen und Jahreszeiten insgesamt eine geringe Variation auf und bewegt sich meistens im Bereich von 12 bis 18 GW. Die verhältnismäßig starre Fahrweise der Braunkohlekraftwerke führt dazu, dass häufig hohe ins Stromnetz einspeisende Braunkohleleistung und hohe Stromexporte zusammen auftreten (z.b. Abb. 3 und 7). Ein größerer Rückgang der Braunkohlestromerzeugung auf unter 8 GW findet dagegen nur dann statt, wenn gleichzeitig der Stromverbrauch über mehrere Tage niedrig und die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien hoch ist. Diese Strommarktsituation trat zum Beispiel während der Oster- und Weihnachtsfeiertage 2016 auf (siehe Abb. 5 und 13). Die größere fossile Leistungsreduzierung während der Feiertage reichte jedoch trotzdemnicht aus, um hohe Stromüberschüsse zu vermeiden. Die Steinkohlestromerzeugung wird dagegen viel deutlicher und häufiger variiert. Die Bandbreite reicht von 2 bis 20 GW Kraftwerksleistung, die in das Stromnetz eingespeist wird. Ihre Fahrweise zeichnet in den meisten Untersuchungszeiträumen in etwa adäquat den Verlauf der Wind- und Solarstromeinspeisung sowie des Verbrauchs nach. In Phasen besonders niedriger Nachfrage etwa Ende Mai und Anfang August

6 tragen aber auch Steinkohlekraftwerke zum Entstehen von Stromüberschüssen bei (s. Abb. 7 und 9). Atom- und Erdgaskraftwerke Die Atomkraftwerke werden von allen konventionellen Kraftwerken am wenigsten flexibel betrieben. Die Flexibilität von Atomkraftwerken wird durch die Kraftwerkseigenschaften eingeschränkt. Dabei spielen z. B. der Zustand der Brennstäbe, die langen Anfahrzeiten, um von sehr niedriger Leistung wieder hochzufahren, und andere technische Voraussetzung eine wichtige Rolle. Dementsprechend trägt die Atomkraft in allen Untersuchungszeiträumen zum Entstehen von Stromüberschüssen bei. Ihre Einspeisung sinkt selbst in Phasen hoher Wind- und Solarstromerzeugung und niedrigen Verbrauchs nie unter 6 GW. Die Bandbreite der ins Stromnetz einspeisenden Erdgas-Kraftwerksleistung ist aufgrund des hohen KWK-Anteils im Winter generell geringer als im Sommer. Es gibt Perioden, wie im Januar 2016 oder im Januar und Februar 2015 (siehe Abb. 3, 15 und 17), mit einer relativ konstanten Erdgaserzeugung. Im November und Dezember 2016 war die Schwankungsbreite mit Werten von 7 bis 14 GW wesentlich höher (siehe 5. und 6. Zeitraum). Jahreszeitliche Variation der Stromexportüberschüsse Der Verlauf der Stromexportüberschüsse zeigt im Herbst und Winter ein anderes Bild als im Frühjahr und Sommer. Im Herbst/Winter sind die Stromexporte relativ gleichmäßig und meistens auch bei niedriger Windenergie-Einspeisung hoch, wie z.b. im letzten Drittel des November-Zeitraums 2016 (siehe Abb. 11), im ersten Drittel des Dezember-Zeitraums 2016 (siehe Abb. 13) und im Februar 2015 (siehe Abb. 17). Die hohen kontinuierlichen Stromexporte im Winter sind vor allem auf eine große europäische Nachfrage durch den winterbedingt gestiegenen Wärmebedarf zurückzuführen. Diese Situation wurde seit Herbst 2016 durch die abgeschalteten Atomkraftwerke in Frankreich und der Schweiz noch weiter verstärkt. Dadurch kam es fast zu Stromversorgungsengpässen, was sich in Form von Rekordbörsenstrompreisen im letzten Winter wiederspiegelte. Im Frühjahr und Sommer dagegen sind die Schwankungen der Stromexportüberschüsse sehr hoch (siehe Abb. 7 und 9). Die Stromexportkurve spiegelt in diesen Perioden ungefähr die PV-Leistungsspitzen wieder. Die Stromüberschüsse entstehen damit im Frühjahr und Sommer vor allem dadurch, dass die fossile Kraftwerksleistung nicht ausreichend auf die hohe PV-Einspeisung reagiert, d.h. insbesondere Braunkohle- und Atomkraftwerke nicht stark genug runtergefahren werden. 6

7 4 Anhang: Analyse der einzelnen Zeiträume Im Folgenden werden die Stromerzeugung und die Stromexporte der untersuchten Zeiträume grafisch dargestellt und textlich ausgewertet. Es wird zum einen die Entwicklung des gesamten Zeitraumes, zum anderen das Stromerzeugungsprofil und der Stromexportüberschuss von sechs einzelnen Zeitpunkten visualisiert. 1. Zeitraum: Abb. 3: Stromerzeugung und Stromexporte vom in MW Die Winterperiode vom 27. bis zum ist durch eine hohe Windenergieeinspeisung von 12 bis 33 GW geprägt. Die Braunkohlestromerzeugung weist insgesamt eine geringe Variation auf und bewegt sich meistens im Bereich von 13 bis 18 GW. Die verhältnismäßig starre Fahrweise der Braunkohlekraftwerke führt dazu, dass selbst bei hohen Stromexporten die einspeisende Braunkohleleistung mit 10 bis 15 GW beachtlich ist (siehe z.b um 1 Uhr im Flächendiagramm sowie um 12 Uhr und um 23 Uhr im Flächendiagramm wie auch im folgenden Balkendiagramm). 7

8 Die Steinkohlestromerzeugung wird dagegen viel deutlicher und häufiger variiert. Sie erreicht in den ersten beiden Tagen mit 16 GW ihren Höhepunkt und sinkt dann auf 4 bis 6 GW ab. Die Atomkraftwerke werden von allen konventionellen Kraftwerken am wenigsten flexibel betrieben. Die Erdgas-Kraftwerksleistung ist mit einer Bandbreite von 7 bis 11 GW relativ konstant. Angesichts der relativ hohen Erzeugung von Wind- und Solarstrom wäre zu erwarten, dass die fossile Kraftwerksleistung entsprechend angepasst und heruntergefahren würde. Dies ist jedoch kaum der Fall, sodass ständig Stromerzeugungsüberschüsse auftreten, die ins Ausland exportiert werden müssen. Die Stromexportüberschüsse in diesem Zeitraum korrelieren numerisch zwar mit der Windenergieeinspeisung, werden aber de facto durch die parallel hohe Kohlestromerzeugung verursacht. So treten die höchsten Stromexporte mit bis zu 10 GW meistens zusammen mit der höchsten Windstromerzeugung auf, während die Stromexporte bei geringerer Windenergieproduktion niedriger ausfallen, aber mit 3,5 bis 6 GW immer noch erheblich sind ( zwischen 16 und 18 Uhr, zwischen 20 und 24 Uhr). Abb. 4: Stromerzeugung und Stromexporte zu einzelnen Zeitpunkten zwischen in GW 8

9 2. Zeitraum: Abb. 5: Stromerzeugung und Stromexporte vom in MW Die Frühjahrsperiode vom 24. bis zum zeigt schon ansatzweise die typischen Merkmale der Sommerzeiträume. Die mittäglichen Überschussspitzen am 26. und spiegeln schon zum Teil die PV-Einspeisung wieder, die aber noch nicht so ausgeprägt ist wie im späteren Frühjahr und Sommer (siehe auch folgendes Balkendiagramm). Der Zeitraum ist durch eine geringe Windenergieeinspeisung von 2 bis 10 GW in der ersten Hälfte gekennzeichnet, die in der zweiten Hälfte auf bis zu 27 GW wächst. Die Braunkohlestromerzeugung verläuft in der ersten Hälfte des Zeitraums mit einer eingespeisten Leistung von 16 bis 18 GW sehr starr. Die Tag-Nacht-Schwankung der Solarstromerzeugung spiegeln sich bei der Braunkohle so gut wie nicht wieder (Abb. 6). Erst in der zweiten Hälfte des Zeitraums sinkt sie auf 7 bis 12 GW (Osterfeiertage). 9

10 Auch die Atomkraftwerke werden im ersten Zeitraum am wenigsten flexibel betrieben. Ihre Leistung verringert sich nur während der Ostertage von dem bisherigen 10-GW- Niveau auf zeitweise 7 GW. Die Erdgasleistung weist eine Bandbreite von 7 bis 10 GW auf, was zu einem guten Teil darauf zurückzuführen ist, dass sie aus Kraft-Wärme- Kopplungsanlagen resultiert, deren Wärme benötigt wird. Die Steinkohlestromerzeugung ist in der ersten Hälfte des Zeitraums ebenfalls höher, variiert mit 10 bis 19 GW aber wesentlich deutlicher als die Braunkohleeinspeisung. In der zweiten Hälfte fällt die Steinkohleleistung auf 3,5 bis 6 GW. Trotz der fossilen Leistungsreduzierung während der Feiertage treten beträchtliche Stromüberschüsse auf, die in den Ostertagen auf 10 GW anwachsen. Abb. 6: Stromerzeugung und Stromexporte zu einzelnen Zeitpunkten zwischen in GW 10

11 3. Zeitraum: Abb. 7: Stromerzeugung und Stromexporte vom in MW Die Frühsommerperiode vom 25. bis zum ist durch eine hohe PV- Einspeisung geprägt, die den typischen Verlauf mit der höchsten Einspeisung mit bis 22 GW am Mittag aufweist. Die Windenergieeinspeisung ist sehr gering und nimmt erst im letzten Drittel auf 10 GW zu. Erwartungsgemäß werden die Braunkohlekraftwerke fast durchgehend mit einer etwa gleich hohen Leistung von 15 bis 16 GW betrieben. Nur in den letzten beiden Tagen nimmt sie leicht auf bis zu 12 GW ab. Die Steinkohlekraftwerke speisen in den ersten drei Tagen mit 10 bis 18 GW deutlich mehr Strom als in den letzten beiden Tagen mit 3 bis 7 GW in das Netz ein. Das ist eine Folge der geringeren Nachfrage am verlängerten Wochenende nach dem Fronleichnam-Feiertag am

12 Die Atomkraftwerke werden in diesem Zeitraum besonders wenig variabel betrieben. Ihre Leistung liegt durchgehend bei etwa 6 GW. Die einspeisende Leistungsbandbreite der Erdgaskraftwerke ist mit 5 bis 10 GW erheblich. Die starre Fahrweise der Braunkohle- und Atomkraftwerke und die fehlende bzw. zu geringe Anpassung der Steinkohlekraftwerke an die PV-Einspeisung führt zu beträchtlichen mittäglichen Stromexportüberschüssen von bis 9 GW in diesem Zeitraum (siehe besonders die Mittagszeit am 26. und ). Die Stromexportkurve spiegelt in dieser Periode vermeintlich die PV-Leistungsspitzen, resultiert aber aus der hohen Fossil- und Atomstromerzeugung. Abb. 8: Stromerzeugung und Stromexporte zu einzelnen Zeitpunkten zwischen in GW 12

13 4. Zeitraum: Abb. 9: Stromerzeugung und Stromexporte vom in MW Diese Sommerperiode vom 04. bis zum ist wie der vorherige Frühsommerzeitraum durch eine hohe PV-Einspeisung am Mittag mit bis zu 27 GW gekennzeichnet. Die Windenergieeinspeisung nimmt tagsüber auf bis 20 GW zu, ein typisches Phänomen in dieser Jahreszeit. Die Braunkohlestromerzeugung verläuft ziemlich konstant und geht nur am durch die geringe sonntägliche Stromnachfrage bei gleichzeitig hoher PV-Stromleistung signifikant auf 7 GW zurück. Die einspeisende Steinkohleleistung variiert erheblich mit 2 bis 13 GW und ist wie Braunkohle am am geringsten. Die Atom- und Erdgaskraftwerke verhalten sich ähnlich wie in den vorherigen Zeiträumen. Wie im Frühjahr zeigt sich ein ähnliches Stromüberschussbild mit beachtlichen mittäglichen Stromexportüberschüssen von bis zu 8 GW (siehe besonders die Mittagszeit am 04., 07. und in den Abb.9 und 10). Während dieser Stromüberschüsse ist die einspeisende Braunkohleleistung mit 13 bis 15 GW meistens 13

14 sehr hoch (04. und ). Zusätzlich ist am die Steinkohlestromerzeugung mit 10 bis 13 GW beträchtlich. Abb. 10: Stromerzeugung und Stromexporte zu einzelnen Zeitpunkten zwischen in GW 14

15 5. Zeitraum: Abb. 11: Stromerzeugung und Stromexporte vom in MW Die Winterperiode vom 19. bis ist durch eine sehr hohe Windenergieeinspeisung von 15 bis 33 GW in den ersten drei Tagen und niedrigen 1 bis 10 GW in den letzten beiden Tagen geprägt. Die Braunkohlekraftwerke speisen am 19./ wegen des Wochenendes und der hohen Windenergieeinspeisung weniger Strom ein. Am wird ihre Leistung auf unter 8,5 GW reduziert. In den folgenden drei Tagen liegt sie wieder etwa doppelt so hoch bei 16 bis 19 GW, unabhängig vom tatsächlichen Verbrauch. Die Steinkohlebandbreite ist mit 3 bis 21 GW besonders erheblich und zeichnet den Verbrauchsverlauf adäquat ab. Die Atomstromleistung bleibt mit Ausnahme des über die gesamte Periode wieder auf gleichem Niveau und zeigt weder in Abhängigkeit zur Windeinspeisung noch zum Verbrauchsverlauf Schwankungen. Erdgaskraftwerke dagegen werden mit 7 bis 13 GW flexibel betrieben. 15

16 Die Stromexportüberschüsse verlaufen fast durchgehend auf gleich hohem Niveau. Der maximale Stromexportwert der letzten beiden Tage ist mit 8 GW ( um 3 Uhr) sogar noch höher als der maximale Stromüberschuss der ersten drei Tage mit 7 GW ( um 3 Uhr). Die hohen kontinuierlichen Stromexporte in diesem Zeitraum sind vor allem auf eine große europäische Nachfrage durch den winterbedingt gestiegenen Wärmebedarf zurückzuführen. Die seit Herbst 2016 abgeschalteten Atomkraftwerke in Frankreich und der Schweiz haben die Nachfrage weiter verstärkt. Abb. 12: Stromerzeugung und Stromexporte zu einzelnen Zeitpunkten zwischen in GW 16

17 6. Zeitraum: Abb. 13: Stromerzeugung und Stromexporte vom in MW Die Winterperiode vom 22. bis zum ist durch eine mittlere Windenergieeinspeisung von 9 bis 15 GW im ersten Drittel geprägt, die in den beiden letzten Dritteln auf bis zu 33 GW zunimmt. Die Braunkohlestromerzeugung verläuft im ersten Drittel des Zeitraums mit einer eingespeisten Leistung von 15 bis 18 GW wenig variabel. Im restlichen Zeitraum während der Weihnachtsfeiertage fällt sie auf 7 bis 11 GW. Die Steinkohlestromerzeugung ist im ersten Drittel ebenfalls höher, variiert mit 9 bis 19 GW aber wieder wesentlich stärker als die Braunkohleeinspeisung. In den beiden letzten Dritteln sinkt die Steinkohleleistung auf 4 bis 5 GW ab. Die Atomkraftwerke speisen im ersten Drittel mit einer etwa gleichbleibenden Leistung von 7 bis 8 GW ein. Ihre Leistung verringert sich nur während der Weihnachtsfeiertage 17

18 auf 5 bis 6 GW. Die Erdgas-Kraftwerksleistung weist eine signifikante Bandbreite von 8 bis 14 GW auf. Die deutliche fossile Leistungsreduzierung während der Feiertage reicht aber wie auch bei den Osterfeiertagen nicht aus, um erhebliche Stromüberschüsse von bis zu 8,5 GW zu vermeiden. Auch im ersten Drittel des Zeitraums erreichen die Stromexporte maximal 8,5 GW, obwohl deutlich weniger Windenergieleistung ins Netz einspeist wird. Die hohen kontinuierlichen Stromexporte im Dezember 2016 sind wie im November vor allem die Folge einer stark winterbedingten europäischen Nachfrage. Abb. 14: Stromerzeugung und Stromexporte zu einzelnen Zeitpunkten zwischen in GW 18

19 7. Zeitraum: Abb. 15: Stromerzeugung und Stromexporte vom in MW Die Winterperiode vom 10. bis ist durch eine sehr hohe Windenergieeinspeisung von 15 bis 30 GW geprägt. Die Braunkohlekraftwerke speisen in den ersten beiden Tagen mit 7 bis 12 GW zwar weniger Strom ein. Dabei fällt jedoch auf, dass dies mehr dem Wochenende geschuldet ist denn der Windstromerzeugung oder dem Verbrauchsverlauf. In den folgenden drei Tagen steigt die Braunkohleleistung wieder auf bei 13 bis 18 GW. Die Steinkohlebandbreite ist mit 4 bis 16 GW wieder beträchtlich. Die Atomkraftwerke produzieren über die gesamte Periode mit 11 bis 12 GW Leistung etwa gleich viel Strom. Die Erdgaskraftwerke werden in diesem Zeitraum mit 6 bis 8 GW sehr gleichmäßig betrieben. Die Stromexportüberschüsse sind durchgehend sehr hoch mit relativ geringen Schwankungen und erreichen ein Maximum von 10,5 GW am um 12 Uhr. 19

20 Abb. 16: Stromerzeugung und Stromexporte zu einzelnen Zeitpunkten zwischen in GW 20

21 8. Zeitraum: Abb. 17: Stromerzeugung und Stromexporte vom in MW Die Winterperiode vom 14. bis ist durch eine geringe bis mittlere Windenergieeinspeisung von 1 bis 11 GW geprägt. Die Braunkohlekraftwerke speisen durchgehend mit einer hohen Leistung von 16 bis 19,5 GW in das Netz ein. Die Variation der Steinkohleerzeugung ist mit 8 bis 22 GW wieder erheblich. Die Atom- und Erdgaskraftwerke werden wie im vorherigen Zeitraum betrieben. Die Atomkraftwerke produzieren über die gesamte Periode mit 11 bis 12 GW Leistung etwa gleich viel Strom. Die Erdgasleistung ist mit 8 bis 10 GW ziemlich konstant. Die Stromexportüberschüsse sind in den ersten drei Tagen durchgehend sehr hoch mit einer Bandbreite von 9 bis 13 GW. In den letzten beiden Tagen sinkt der Stromexport deutlich während der niedrigen Windenergieeinspeisung am Er ist aber auch an diesem Tag mit 5 bis 7 GW noch immer beachtlich. 21

22 Abb. 18: Stromerzeugung und Stromexporte zu einzelnen Zeitpunkten zwischen in GW 22