Hitzewellen setzen Deutschlands Stromversorgung unter Druck
Die Welt wird wärmer, Europa ganz besonders – sogar doppelt so schnell wie andere Kontinente im globalen Vergleich. Wenn Stromleitungen plötzlich durchhängen, weil sie sich bei Hitze ausdehnen, wenn essentielle Flüsse wie der Rhein historisch wenig Wasser tragen, wenn der Stromverbrauch steigt, weil immer mehr Menschen Klimaanlagen nutzen – was bedeutet das für unser Stromnetz? Stehen wir kurz vor der Überlastung, dem Brown-out oder gar Black-out? Oder ist es vielleicht sogar positiv, wenn die Sonne auf die Solaranlagen knallt?
Stromversorgung scheint (erstmal) sicher zu sein
Die gute Nachricht: Deutschlands Stromversorgung gilt als eine der zuverlässigsten der Welt. Experten sehen trotz zunehmender Hitze- und Trockenperiode noch keine Blackout-Gefahr für Deutschland. Das liegt auch daran, dass das europäische Stromnetz regionale Ausfälle ausgleichen kann, die Speichertechnologie Fortschritte macht und wir unseren Energiemix zumindest halbwegs weiter diversifizieren. Dennoch zeichnen sich Risiken ab für die kommenden Jahre.
Der Stromverbrauch steigt weiter
Nach Angaben der Bundesnetzagentur besteht grundsätzlich keine akute Gefährdung der Versorgungssicherheit. Allerdings verändert der Umbau des Stromsystems die Anforderungen an diese Stabilität. Wind- und Solarenergie übernehmen immer größere Teile der Stromproduktion, während konventionelle Kraftwerke vom Netz gehen. Gleichzeitig dürfte der Stromverbrauch durch Wärmepumpen, Klimaanlagen, Elektroautos, Industrie und Rechenzentren steigen. Die Bundesnetzagentur rechnet deshalb bis 2035 mit einem zusätzlichen Bedarf an steuerbarer Leistung von bis zu 22,4 Gigawatt. Das entspricht der Leistung von etwa 16 bis 22 Großkraftwerken. Wir brauchen also mehr Strom. Doch Extremwetter wie die Hitzewellen besonders im Südwesten Deutschlands dieses Sommers belasten das Netz.
Wasser wird zur unterschätzten Schwachstelle
Hohe Hitze kann Dürre verstärken. Dann sinken die Pegel in vielen Gewässern – Stauseen hingegen können sich durch Eis- und Schneeschmelze füllen. Wenn das Wasser knapp wird, hat das Folgen für die Energieversorgung in Deutschland und Europa. Es treibt Wasserkraftwerke an, kühlt thermische Kraftwerke und dient zugleich als Transportweg für Kohle, Ölprodukte und andere Rohstoffe.
Bei Wasserkraftwerken sinkt die Stromproduktion unmittelbar mit der verfügbaren Wassermenge. Das ist in Deutschland für die Gesamtversorgung weniger bedeutend als etwa in Österreich, der Schweiz oder Norwegen, kann regional aber durchaus eine Rolle spielen. Besonders in Bayern und Baden-Württemberg ist Wasserkraft stärker vertreten.
Für thermische Kraftwerke ist Wasser vor allem als Kühlmittel wichtig. Kohle-, Gas- und Kernkraftwerke müssen die bei der Stromproduktion entstehende Abwärme abführen. Je wärmer ein Fluss bereits ist und je weniger Wasser er führt, desto schwieriger wird das.
Niedrige Pegel können zudem die Brennstoffversorgung beeinträchtigen. Auf dem Rhein sinken bei Niedrigwasser die Ladekapazitäten der Frachtschiffe. Kohle, Mineralölprodukte und andere Güter gelangen dann langsamer und teurer zu ihren Abnehmern. Die Energieversorgung kann damit auch dann betroffen sein, wenn ein Kraftwerk selbst genügend Kühlwasser hätte.
Hitze wird für Kraftwerke zum Problem
Besonders deutlich zeigt sich die Kühlwasserproblematik bei thermischen Kraftwerken. Kohle-, Gas- und Kernkraftwerke wandeln zunächst Wärme in mechanische Energie und anschließend in Strom um. Ein großer Teil der eingesetzten Energie bleibt als Abwärme übrig und muss an die Umgebung abgegeben werden.
Steigen die Temperaturen, wird dieser Prozess schwieriger. Bei einem Flusskraftwerk kommen während einer Dürre zwei Probleme zusammen: Der Wasserstand sinkt, und das verbleibende Wasser wird wärmer. Das Kraftwerk kann dann weniger Wärme abführen. Denn Umweltauflagen sollen verhindern, dass erwärmtes Kühlwasser Flüsse und ihre Ökosysteme übermäßig belastet. Warmes Wasser enthält weniger Sauerstoff, während Fische und andere Wasserorganismen bei hohen Temperaturen gleichzeitig mehr Sauerstoff benötigen. Für die Gewässer kann das bis hin zu Fischsterben problematisch werden. Deshalb kann ein Kraftwerk seine Leistung selbst dann reduzieren müssen, wenn technisch eigentlich genügend Erzeugungskapazität vorhanden wäre.
Wie relevant das inzwischen ist, zeigt ein Blick nach Frankreich. Ein großer Teil der französischen Atomkraftwerke liegt an Flüssen wie Rhône, Loire oder Garonne. Während der jüngsten Hitzewellen mussten dort wiederholt Reaktoren ihre Leistung drosseln oder zeitweise abgeschaltet werden. Teilweise war nicht einmal zu wenig Kühlwasser vorhanden. Das Problem bestand vielmehr darin, dass das Flusswasser bereits zu warm war, um weitere Abwärme innerhalb der geltenden Umweltgrenzen einzuleiten.
Das ungarische Kernkraftwerk Paks, das normalerweise knapp 2.000 Megawatt leistet und etwa die Hälfte der ungarischen Stromproduktion liefert, musste wegen des niedrigen Donaupegels seine Leistung stark reduzieren. In Rumänien wurden am Kernkraftwerk Cernavodă Reaktoren wegen des außergewöhnlich niedrigen Wasserstands kontrolliert abgeschaltet.
Sommerliche Hochdrucklagen können Windkraft bremsen
Auch bei der Windenergie liegt die Schwachstelle im Wetter. Hitzewellen werden häufig von stabilen Hochdruckgebieten begleitet. Solche Wetterlagen bringen viel Sonne, aber oft wenig Wind.
Für Deutschland kann daraus eine ungünstige Kombination entstehen: Die Photovoltaik produziert große Mengen Strom, während die Windkraft schwächelt. Das ist zunächst kein gravierendes Problem, solange die Solarproduktion den Ausfall ausgleicht. Schwieriger wird es, wenn eine solche Flaute länger anhält oder die Solarleistung in den Abendstunden zurückgeht.
Die geografische Verteilung spielt dabei eine wichtige Rolle. Eine Hochdrucklage kann in Süddeutschland mit schwachem Wind einhergehen, während an der Nord- und Ostseeküste noch bessere Bedingungen herrschen. Ein gut ausgebautes Übertragungsnetz kann solche regionalen Unterschiede ausgleichen, die durch die industriell erhöhten Kapazitäten im Süden noch verstärkt werden. Dies wird derzeit versucht, der Netzausbau ist allerdings noch lange nicht fertig.
Photovoltaik kommt mit Hitze vergleichsweise gut zurecht
Bei der Solarenergie ist das Bild etwas anders. Zwar sinkt der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen bei steigenden Temperaturen. Bei intensiver Sonneneinstrahlung können sich Module auf 60 oder 70 Grad Celsius aufheizen und liefern dann bei gleicher Einstrahlung weniger Leistung als an einem kühlen Tag.
Während einer typischen Hitzewelle wird dieser Nachteil jedoch meist durch die hohe Sonneneinstrahlung und die langen Tage mehr als ausgeglichen. Photovoltaik hat bei sommerlicher Hitze sogar einen besonderen Vorteil: Sie produziert genau dann besonders viel Strom, wenn der Kühlbedarf steigt. Wenn dieser gespeichert werden kann, steht Strom ohne Wasserbedarf zur Verfügung. Noch allerdings ist die Speichertechnologie nicht ganz so weit.
Das Problem verschiebt sich in den Abend
Die hohe Solarproduktion an heißen, sonnigen Zeiten hilft vor allem tagsüber. Wenn die Sonne am späten Nachmittag tiefer steht, sinkt die Photovoltaikleistung, während Gebäude nach einem heißen Tag weiterhin gekühlt werden müssen.
Das kann zu einem ausgeprägten Unterschied zwischen Mittag und Abend führen. Während tagsüber große Mengen Solarstrom verfügbar sein können und die Börsenpreise teilweise bis nahe null oder sogar darunter sinken, können die Preise in den Morgen- und Abendstunden deutlich höher liegen. Für die Versorgungssicherheit ist das zunächst kein Problem, solange genügend flexible Kraftwerke und Speicher vorhanden sind. Für das Stromsystem wird es aber zunehmend wichtiger, günstige Solarenergie in die Stunden zu verschieben, in denen sie gebraucht wird.
Der europäische Strommarkt ist ein wichtiger Puffer
Das europäische Verbundsystem ist eine der wichtigsten Stärken der deutschen Stromversorgung. Wenn in einem Land ein Kraftwerk ausfällt, kann Strom aus anderen Ländern einspringen. Der gekoppelte europäische Strommarkt verteilt die verfügbare Erzeugung dorthin, wo sie gerade benötigt wird. Obwohl beispielsweise Ungarn wegen der Einschränkungen des Kernkraftwerks Paks weniger eigene Erzeugung zur Verfügung hat, kann das Land einen erheblichen Teil des Fehlbetrags über Importe ausgleichen.
Auch die Netze müssen auf höhere Temperaturen vorbereitet werden
Hohe Temperaturen wirken sich nicht nur auf Kraftwerke aus. Auch Stromleitungen und andere Netzelemente reagieren auf Hitze. Bei Freileitungen erwärmen sich die Leiter und dehnen sich aus. Sie hängen dadurch stärker durch, wodurch Sicherheitsabstände begrenzt werden können. Transformatoren und andere Komponenten müssen bei großer Hitze ebenfalls entsprechend betrieben werden.
Netzbetreiber können auf solche Bedingungen reagieren und Leitungen abhängig von Wetter und tatsächlicher Belastung unterschiedlich stark auslasten. Diese witterungsabhängige Betriebsweise kann vorhandene Kapazitäten besser nutzen.
Deutschland braucht mehr Puffer
Die sinnvollsten Gegenmaßnahmen liegen deshalb weniger in einer einzelnen neuen Technologie als in einem System, das über mehr Puffer verfügt. Denn wenn Wassermangel und Windflaute auf europäischer Ebene ungünstig aufeinander treffen, könnte der Strom eventuell doch einmal ausfallen. Darauf sollten wir uns vorbereiten – und den Ausnahmefall tunlichst verhindern.
Daher benötigen wir zusätzliche Netze, Speicher und eine intelligentere Steuerung der bestehenden Infrastruktur. Gleichzeitig wird Deutschland weiterhin steuerbare Kraftwerksleistung benötigen. Wind und Sonne können einen großen Teil des Jahresverbrauchs decken, garantieren aber nicht, dass zu jeder Stunde genügend Leistung zur Verfügung steht. Für längere Dunkelflauten oder eine ungünstige Kombination verschiedener Extremereignisse braucht es deshalb zusätzliche Reserven.
Dabei könnten auch wasserarme Kraftwerkstechnologien interessant werden. Reine Gasturbinen benötigen beispielsweise deutlich weniger Kühlwasser als Gas-und-Dampfturbinen, weil ein großer Teil der Abwärme über das Abgas abgeführt wird. Für Kraftwerke, die nur wenige hundert oder tausend Stunden im Jahr als Backup laufen, könnte diese Eigenschaft bei der Standort- und Technologieentscheidung an Bedeutung gewinnen.
Die Kühltechnik wird zur Standortfrage
Bei bestehenden thermischen Kraftwerken stellt sich zunehmend die Frage, wie stark sich eine Anlage gegen die Folgen von Hitze und Dürre absichern lässt. Verschiedene technische Lösungen sind möglich. Umlaufkühlungen benötigen deutlich weniger Wasser als Durchlaufkühlungen. Kühltürme reduzieren die Abhängigkeit von Flüssen ebenfalls erheblich. Zusätzliche Wasserquellen wie gespeichertes Regenwasser oder Grundwasser können als Reserve dienen. Trockenkühlungen machen ein Kraftwerk noch unabhängiger von Wasser, sind aber teurer und verschlechtern bei hohen Temperaturen den Wirkungsgrad.
Wasserversorgung gehört in die Energieplanung
Aus den Erfahrungen dieses Sommers lässt sich deshalb eine weitergehende Konsequenz ziehen: Die Energiepolitik muss Wasser stärker mitdenken. Kraftwerke, Stromnetze und Wasserstraßen werden häufig getrennt betrachtet. Tatsächlich hängen sie teilweise eng zusammen. Ein niedriger Flusspegel kann gleichzeitig die Stromproduktion eines Wasserkraftwerks reduzieren, die Kühlung eines thermischen Kraftwerks erschweren und den Transport von Brennstoffen behindern. Für die Planung neuer Infrastruktur reicht es deshalb nicht mehr, historische Durchschnittswerte zugrunde zu legen. Entscheidend sind auch die Bedingungen, die künftig häufiger auftreten könnten.
Klimaanpassung wird Teil der Energiewende
Das Stromnetz befindet sich dafür heute in einer vergleichsweise guten Ausgangslage. Die Herausforderung der kommenden Jahre wird darin bestehen, diese Stabilität trotz steigender Temperaturen, wachsendem Strombedarf und zunehmend wetterabhängiger Erzeugung zu erhalten – ohne, dass es zu teuer wird für Wirtschaft und Verbraucher. Ein Balanceakt, dessen Gelingen zunehmend überlebenswichtig wird.
