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Dunkelflauten: Herausforderung für die Stromversorgung von morgen

Unser Strom soll zukünftig zu 100 Prozent aus regenerativen Energiequellen stammen. Doch was, wenn dann mal die Sonne nicht scheint und gleichzeitig der Wind nicht weht?

Luc Descombes
2. Dezember 2024
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Arbeiten an einem Windpark von EKZ in Portugal.

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Artikel in Kürze:

  • Mit erneuerbaren Energien kann das Stromnetz in der aktuellen Phase noch nicht zuverlässig geplant werden.
  • Deshalb müssen Sonnen- und Windenergie noch oft mit fossilen Kraftwerken kombinierten werden, die einspringen, wenn das Wetter nicht mitspielt
  • Zukünftig sollen innovative Speicherlösungen zur Planbarkeit erneuerbarer Energien beitragen

Um ein stabiles Stromnetz sicherstellen zu können, müssen Betreiber wie EKZ zu jedem Zeitpunkt genau wissen, wie viel Strom produziert und wieviel verbraucht wird. Die Logistik in den Versorgungsnetzen wird dazu bereits bis zu zweieinhalb Jahre vor dem effektiven Verbrauch des Stroms vorausgeplant – und zwar auf die Sekunde genau. Durchschnittswerte (z.B.: übers Jahr gesehen gäbe es insgesamt genug Sonneneinstrahlung, um den Strombedarf der Schweiz mit Solarpanelen decken zu können) sind für diese Planung irrelevant. Denn wir brauchen nicht durchschnittlich genug, sondern in jedem Moment genau die richtige Menge Strom.  

Artikel in Kürze:

  • Mit erneuerbaren Energien kann das Stromnetz in der aktuellen Phase noch nicht zuverlässig geplant werden.
  • Deshalb müssen Sonnen- und Windenergie noch oft mit fossilen Kraftwerken kombinierten werden, die einspringen, wenn das Wetter nicht mitspielt
  • Zukünftig sollen innovative Speicherlösungen zur Planbarkeit erneuerbarer Energien beitragen

Um ein stabiles Stromnetz sicherstellen zu können, müssen Betreiber wie EKZ zu jedem Zeitpunkt genau wissen, wie viel Strom produziert und wieviel verbraucht wird. Die Logistik in den Versorgungsnetzen wird dazu bereits bis zu zweieinhalb Jahre vor dem effektiven Verbrauch des Stroms vorausgeplant – und zwar auf die Sekunde genau. Durchschnittswerte (z.B.: übers Jahr gesehen gäbe es insgesamt genug Sonneneinstrahlung, um den Strombedarf der Schweiz mit Solarpanelen decken zu können) sind für diese Planung irrelevant. Denn wir brauchen nicht durchschnittlich genug, sondern in jedem Moment genau die richtige Menge Strom.  

Was ist eine Dunkelflaute?

Dunkelflauten sind das Resultat bestimmter Wetterlagen, bei denen sowohl Wind als auch Sonnenschein ausbleiben. Besonders im Winter, wenn die Tage kürzer und die Nächte länger sind, produzieren Solarkraftwerke nur sehr wenig Energie. Bläst dann auch noch über mehrere Tage der Wind nicht, kann es schnell zu einer kritischen Situation für die Stromversorgung kommen.

Dunkelflauten sind das Resultat bestimmter Wetterlagen, bei denen sowohl Wind als auch Sonnenschein ausbleiben. Besonders im Winter, wenn die Tage kürzer und die Nächte länger sind, produzieren Solarkraftwerke nur sehr wenig Energie. Bläst dann auch noch über mehrere Tage der Wind nicht, kann es schnell zu einer kritischen Situation für die Stromversorgung kommen.

Gefahr von Dunkelflauten steigt

Mit dem zunehmenden Ausbau der erneuerbaren Energieproduktion wird genau diese Planbarkeit immer mehr zur Herausforderung. Denn Solar- oder Windenanlagen können nicht nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden, wie beispielsweise ein Gaskraftwerk oder ein Pumpspeicherkraftwerk. Sie liefern dann ausreichend Energie, wenn das Wetter mitspielt. Deshalb wächst mit der steigenden Abhängigkeit von Wind- und Sonnenenergie im Moment eben auch die Gefahr von Dunkelflauten mit. 

Wie können die Risiken einer Dunkelflaute minimiert werden?

In vielen Ländern werden im Falle einer Dunkelflaute konventionelle fossile Gas- oder Kohlekraftwerke hochgefahren, um die Nachfrage nach Strom zu decken. Diese Massnahme ist zwar nicht sehr umweltfreundlich, aber sie schafft schnell Abhilfe. Auch die Pumpspeicherkraftwerke in den Schweizer Alpen kommen zum Einsatz, um Dunkelflauten auszugleichen. 

Gefahr von Dunkelflauten steigt

Mit dem zunehmenden Ausbau der erneuerbaren Energieproduktion wird genau diese Planbarkeit immer mehr zur Herausforderung. Denn Solar- oder Windenanlagen können nicht nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden, wie beispielsweise ein Gaskraftwerk oder ein Pumpspeicherkraftwerk. Sie liefern dann ausreichend Energie, wenn das Wetter mitspielt. Deshalb wächst mit der steigenden Abhängigkeit von Wind- und Sonnenenergie im Moment eben auch die Gefahr von Dunkelflauten mit. 

Wie können die Risiken einer Dunkelflaute minimiert werden?

In vielen Ländern werden im Falle einer Dunkelflaute konventionelle fossile Gas- oder Kohlekraftwerke hochgefahren, um die Nachfrage nach Strom zu decken. Diese Massnahme ist zwar nicht sehr umweltfreundlich, aber sie schafft schnell Abhilfe. Auch die Pumpspeicherkraftwerke in den Schweizer Alpen kommen zum Einsatz, um Dunkelflauten auszugleichen. 

Erhöht der Solarboom die Gefahr von Dunkelflauten?
Sonnen- und Windenergie sind sogenannte stochastische Energiequellen. Das bedeutet, dass damit nicht geplant werden kann. Die Energie kommt, wenn das Wetter mitspielt. Das Stromnetz benötigt aber in jeder Sekunde genau die richtige Menge Energie, um stabil zu bleiben. Deshalb müssen erneuerbare Energien heute oft mit fossilen Kraftwerken kombiniert werden. In der Zukunft sollen Speicherlösungen zur Planbarkeit erneuerbarer Energien beitragen.

Bedarf an Energiespeichern

Langfristig ist geplant, Sonnen- und Windenergie mit fortschrittlichen Energiespeichern aufzubewahren, sodass man den Energiebedarf auch dann mit umweltfreundlicher Energie decken kann, wenn die Sonne einmal nicht scheint und der Wind nicht weht. Doch stehen Speichertechnologien noch auf lange Sicht nicht in ausreichendem Masse zur Verfügung.

Fossile unterstützen Erneuerbare

Die Realität sieht heute so aus, dass Solar- oder Windkraftanlagen oft nur in Kombination mit fossilen Kraftwerken effektiv in das Energieversorgungssystem integriert werden können, um die Stabilität und Verlässlichkeit der Stromversorgung zu gewährleisten. Dies führt zu der Paradoxie, dass mehr erneuerbare Energieproduktionsanlagen in der aktuellen Phase immer auch zusätzliche fossile Kraftwerke bedingen, die entsprechende Versorgungslücken ausgleichen.

Forschung an neuen Technologien

Um langfristige von der Abhängigkeit fossiler Kraftwerke wegzukommen, wird aktuell an unterschiedlichen Technologien und Konzepten geforscht:

Bedarf an Energiespeichern

Langfristig ist geplant, Sonnen- und Windenergie mit fortschrittlichen Energiespeichern aufzubewahren, sodass man den Energiebedarf auch dann mit umweltfreundlicher Energie decken kann, wenn die Sonne einmal nicht scheint und der Wind nicht weht. Doch stehen Speichertechnologien noch auf lange Sicht nicht in ausreichendem Masse zur Verfügung.

Fossile unterstützen Erneuerbare

Die Realität sieht heute so aus, dass Solar- oder Windkraftanlagen oft nur in Kombination mit fossilen Kraftwerken effektiv in das Energieversorgungssystem integriert werden können, um die Stabilität und Verlässlichkeit der Stromversorgung zu gewährleisten. Dies führt zu der Paradoxie, dass mehr erneuerbare Energieproduktionsanlagen in der aktuellen Phase immer auch zusätzliche fossile Kraftwerke bedingen, die entsprechende Versorgungslücken ausgleichen.

Forschung an neuen Technologien

Um langfristige von der Abhängigkeit fossiler Kraftwerke wegzukommen, wird aktuell an unterschiedlichen Technologien und Konzepten geforscht:

So lassen sich Dunkelflauten dereinst ausgleichen

Speichertechnologien

  • Batteriespeicher können Energie in Phasen der Überproduktion kurz- bis mittelfristig speichern und dann während Dunkelflauten wieder ins Netz einspeisen.
  • Auch Power-to-X-Lösungen, bei denen zwecks saisonaler Speicherung Energie z.B. in Gasform oder in Flüssigkeiten vom Sommer in den Winter gebracht wird, könnten zukünftig zur Versorgungssicherheit beitragen.
  • Pumpspeicherwerke: Hier wird Wasser bei hoher Produktion in höher gelegene Becken gepumpt und bei Bedarf zur Stromerzeugung wieder abgelassen. Pumspeicherkraftwerke können leider nur noch sehr begrenzt ausgebaut werden.

Netzintegration und Vernetzung

  • Überregionale Stromnetze: Weil immer irgendwo die Sonne scheint oder der Wind weht, können regionale Dunkelflauten durch entsprechende Vernetzung ausgeglichen werden.  
  • Import/Export von Strom: Ein gut vernetztes Stromnetz ermöglicht den Austausch zwischen Ländern.
  • Import von Wasserstoff aus Ländern mit grosser Solar- und Windkraft

Diversifizierung der Energiequellen

  • Kombination von erneuerbaren Energien: Neben Wind und Sonne ist auch die Energiegewinnung durch Biomasse, Geothermie und Wasserkraft aus- und so die Abhängigkeit abzubauen.
  • Konventionelle Energien als Backup: Gas- oder Kohlekraftwerke werden hochgefahren, um Lücken zu schliessen.

Demand-Side Management

  • Flexible Laststeuerung: Anpassung des Energieverbrauchs an Zeiten hoher Produktion.
  • Energiesparmassnahmen: Ein effizienterer Energieverbrauch senkt den Bedarf.

Innovationen und Forschung

  • Durchbrüche im Bereich der Speichertechnologie würden dem Ausbau eines erneuerbaren Energiesystems einen enormen Schub verleihen, bleiben allerdings vorerst noch Theorie.
  • Moderne Kernreaktoren: Auch konventionelle Kernkraftwerke können nicht auf Knopfdruck ein- oder ausgeschaltet werden. Deshalb bräuchte es auch in diesem Bereich Innovation. Unternehmen wie Transmutex arbeiten aktuell an Reaktoren, die theoretisch schnell hoch- und runtergefahren werden könnten, um auf Energiebedarfsänderungen zu reagieren. Diese Reaktoren könnten auch bestehenden Atommüll reduzieren.

Carbon Capturing und synthetische Treibstoffe

Es gibt Forschung und Entwicklung in Technologien, die CO₂ aus den Abgasen fossiler Kraftwerke oder der Industrie abfangen können. Dieses CO₂ wird dann nicht einfach in die Atmosphäre entlassen, sondern für die Herstellung von synthetischem Gas genutzt. Diese Technologie könnte dabei helfen, fossile Kraftwerke umweltfreundlicher zu machen, indem sie ihre Emissionen reduzieren und gleichzeitig einen wertvollen, klimaneutralen Brennstoff erzeugen.

Speichertechnologien

  • Batteriespeicher können Energie in Phasen der Überproduktion kurz- bis mittelfristig speichern und dann während Dunkelflauten wieder ins Netz einspeisen.
  • Auch Power-to-X-Lösungen, bei denen zwecks saisonaler Speicherung Energie z.B. in Gasform oder in Flüssigkeiten vom Sommer in den Winter gebracht wird, könnten zukünftig zur Versorgungssicherheit beitragen.
  • Pumpspeicherwerke: Hier wird Wasser bei hoher Produktion in höher gelegene Becken gepumpt und bei Bedarf zur Stromerzeugung wieder abgelassen. Pumspeicherkraftwerke können leider nur noch sehr begrenzt ausgebaut werden.

Netzintegration und Vernetzung

  • Überregionale Stromnetze: Weil immer irgendwo die Sonne scheint oder der Wind weht, können regionale Dunkelflauten durch entsprechende Vernetzung ausgeglichen werden.  
  • Import/Export von Strom: Ein gut vernetztes Stromnetz ermöglicht den Austausch zwischen Ländern.
  • Import von Wasserstoff aus Ländern mit grosser Solar- und Windkraft

Diversifizierung der Energiequellen

  • Kombination von erneuerbaren Energien: Neben Wind und Sonne ist auch die Energiegewinnung durch Biomasse, Geothermie und Wasserkraft aus- und so die Abhängigkeit abzubauen.
  • Konventionelle Energien als Backup: Gas- oder Kohlekraftwerke werden hochgefahren, um Lücken zu schliessen.

Demand-Side Management

  • Flexible Laststeuerung: Anpassung des Energieverbrauchs an Zeiten hoher Produktion.
  • Energiesparmassnahmen: Ein effizienterer Energieverbrauch senkt den Bedarf.

Innovationen und Forschung

  • Durchbrüche im Bereich der Speichertechnologie würden dem Ausbau eines erneuerbaren Energiesystems einen enormen Schub verleihen, bleiben allerdings vorerst noch Theorie.
  • Moderne Kernreaktoren: Auch konventionelle Kernkraftwerke können nicht auf Knopfdruck ein- oder ausgeschaltet werden. Deshalb bräuchte es auch in diesem Bereich Innovation. Unternehmen wie Transmutex arbeiten aktuell an Reaktoren, die theoretisch schnell hoch- und runtergefahren werden könnten, um auf Energiebedarfsänderungen zu reagieren. Diese Reaktoren könnten auch bestehenden Atommüll reduzieren.

Carbon Capturing und synthetische Treibstoffe

Es gibt Forschung und Entwicklung in Technologien, die CO₂ aus den Abgasen fossiler Kraftwerke oder der Industrie abfangen können. Dieses CO₂ wird dann nicht einfach in die Atmosphäre entlassen, sondern für die Herstellung von synthetischem Gas genutzt. Diese Technologie könnte dabei helfen, fossile Kraftwerke umweltfreundlicher zu machen, indem sie ihre Emissionen reduzieren und gleichzeitig einen wertvollen, klimaneutralen Brennstoff erzeugen.

Fazit

Dunkelflauten sind eine grosse Herausforderung für das Energiesystem der Zukunft. Der Weg zu einer vollständig erneuerbaren Energieversorgung ist komplex und erfordert eine Vielzahl von Ansätzen. Durch eine Kombination technologischer Innovationen und intelligenter Energieverteilung soll deren Auswirkung minimiert werden. Bis dahin spielen konventionelle Energien weiterhin eine Rolle, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.

Fazit

Dunkelflauten sind eine grosse Herausforderung für das Energiesystem der Zukunft. Der Weg zu einer vollständig erneuerbaren Energieversorgung ist komplex und erfordert eine Vielzahl von Ansätzen. Durch eine Kombination technologischer Innovationen und intelligenter Energieverteilung soll deren Auswirkung minimiert werden. Bis dahin spielen konventionelle Energien weiterhin eine Rolle, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.