Erneuerbare Energien zwischen Klima und Wetter

6. November 2018 | Kira Crome

Der Aeolus-Forschungssatellit wird genauere globale Wind-Daten liefern © DLR

Die erneuerbaren Energien fahren Rekorde ein: Kräftige Stürme im Winter, viele Sonnentage im Sommer tragen dazu bei. Die jüngste Hitzewelle bringt die Abhängigkeit der Stromerzeugung aus regenerativen Quellen vom Wetter einmal mehr in die Schlagzeilen. Klimaforscher und Meteorologen suchen die künftigen wetterbedingten Risiken abzuschätzen.

Dauersonnenschein, Trockenheit und Temperaturen, die die 30-Grad-Marke regelmäßig sprengen – die letzten Sommerwochen waren von einer anhaltenden Hitze geprägt. Während Meteorologen von einem Extremereignis sprachen, produzierten die in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen allein im Juli nach Angaben der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) über sechs Milliarden Kilowattstunden Strom. So viel, wie in keinem Monat zuvor und ausreichend, um den Jahresbedarf einer Großstadt wie Hamburg komplett zu decken.

Das Nachsehen hatten dagegen die Betreiber von Windenergieanlagen, denen das heiße Wetter kaum Wind bescherte. Viele Rotoren der 30.000 bundesweit installierten Anlagen standen häufig still. Im Gegensatz dazu hatte der ungewöhnlich stürmische Januar Rekordzahlen bei der Windstrom-Produktion beschert. Über 15 Milliarden Kilowattstunden Strom aus Windenergie wurden erzeugt. Im Vergleich zum windschwachen Januar im Vorjahr 2017 ergab sich allein daraus ein Plus von sieben Milliarden Kilowattstunden und damit ein Großteil des Zuwachses bei der Windenergie im aktuellen Jahr, zeigt die jüngste Halbjahresbilanz des Umweltbundesamts.

Die sommerliche Hitzewelle, die mit mehr als 300 Stunden Sonnenschein – gut 90 Stunden mehr als in einem Durchschnittsjuli – die Solarstromproduktion nach oben schnellen ließ, rückte die Diskussionen um den Klimawandel und seine Folgen in den medialen Fokus und machte die Abhängigkeit der Stromerzeugung aus regenerativen Quellen vom Wetter einmal mehr zum Thema: Der Ausbau erneuerbarer Energien, der einerseits helfen soll, die nationalen Klimaschutzziele zu erreichen, muss andererseits die Auswirkungen des Klimawandels mit ins Kalkül nehmen.

Um die Frage, ob mit Wetterlagen, die sich über mehrere Tage oder Wochen hinweg festsetzen und zu Extremen führen, infolge des sich ändernden Klimas häufiger zu rechnen ist, zu klären, richten Klimaforscher ihren Blick auf die globale Wetterentwicklung und die Statistik. Antworten sucht die sogenannte Attributionsforschung zu geben. Diese, in der Klimaforschung noch recht junge Disziplin vergleicht mithilfe komplexer Rechenmodelle aktuelle Wetterverhältnisse mit einer hypothetischen Welt ohne anthropogenen Klimawandel. Es ist der Versuch wie beim Spielen mit gezinkten Würfeln, die Manipulation zu beweisen. Die Wissenschaftler suchen mit ihren Berechnungen und Simulationen den Anteil des Zufalls vom Anteil des Zinkens zu trennen, um so eine Aussage darüber zu treffen, ob das Eintreten eines extremen Wetterereignisses wie der jüngsten Hitzewelle durch den Klimawandel wahrscheinlicher geworden ist. Eine jüngst veröffentlichte Studie der Wissenschaftler des World Weather Attribution Project an der Universität Oxford kommt zu dem Ergebnis, dass sich die Wahrscheinlichkeit einer anhaltenden Hitzewelle wie diesen Sommer infolge des Klimawandels verdoppelt hat. Oder anders gesagt: Ein Sommer wie dieser wird in Zukunft kein Ausnahmefall, sondern zunehmend normal sein. Zwar wird wegen der natürlichen Klimavariabilität nicht jeder Sommer zwangsläufig so heiß werden wie der aktuelle. Die Wahrscheinlichkeit von zeitweilig extremen Temperaturen wird gleichwohl steigen.

Windstille Sommer, stürmische Winter
Was die Klimaveränderungen für das Windklima über Europa und die künftige Windstromproduktion bedeuten, haben Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) untersucht. Mithilfe räumlich und zeitlich hochaufgelöster Klimamodelle, wie sie auch der Weltklimarat (Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC) nutzt, haben die Wissenschaftler die Mechanismen, die die europäischen Windregime steuern, für die kommenden Jahrzehnte bis 2099 simuliert. Für ihre Berechnungen der zu erwartenden Windausbeute haben die Wissenschaftler die Merkmale einer typischen Windenergieanlage mit einer Nabenhöhe von 100 Metern angenommen. Das Ergebnis der Studie: „Wir sehen Unterschiede, aber die sind relativ klein“, sagt Professor Joaquim G. Pinto, Leiter der Arbeitsgruppe „Regionales Klima und Wettergefahren“ am Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Department Troposphärenforschung (IMK-TRO) des KIT. Die Wissenschaftler erwarten in den kommenden Jahrzehnten europaweit nur geringfügige Änderungen der mittleren Windstromerzeugung. Allerdings werde es größere jahreszeitliche Schwankungen im Windangebot geben. „Wir rechnen für Mitteleuropa mit mehr Wind im Winter und weniger Wind im Sommer“, sagt Pinto. Zudem werde es in einigen Regionen häufiger Schwachwindphasen mit Windgeschwindigkeiten unter drei Metern pro Sekunde geben, was die Windstromproduktion insgesamt stärker schwanken lässt.

Die Windenergiebranche schreckt dieses Szenario nicht. Die in die der Studie prognostizierten Veränderungen seien nicht signifikant, kommentiert der Bundesverband Windenergie (BWE) die Ergebnisse und verweist auf den langen Zeitraum der Prognose. Dabei müssten die gleichzeitig stattfindenden technologischen Innovationsfortschritte mit einkalkuliert werden. Während sich das Klima langsam ändert, entwickele sich die Industrie vergleichsweise schnell. „Bereits heute nehmen die Anlagenhersteller die erzielbaren Betriebsstunden in den Fokus, so dass deutsche Windenergieanlagen bei immer geringeren Windgeschwindigkeiten mit der Stromproduktion beginnen können und bei hohen Windgeschwindigkeiten und Stürmen zu einem immer späteren Zeitpunkt aus dem Wind genommen werden müssen“, heißt es beim BWE. Auch ist heute nicht abzusehen, wie unser Stromsystem Mitte des Jahrhunderts aussehen wird und wie die Speichertechnologien dazu beitragen werden, die Schwankungen in der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien besser auszugleichen.

Aus wissenschaftlicher Sicht kommt hinzu: Klimaforscher betrachten das Klima als statistische Größe. Sie beschreiben mit ihren Modellen das durchschnittliche Wetter über einen langen Zeitraum hinweg. Diese Ergebnisse dienen nicht dazu, präzise vorherzusagen, wie sich die Windenergieerträge in bestimmten Regionen konkret verändern werden. Sie geben vielmehr Anhaltspunkte für eine Entwicklung, die in Zukunft mit kleinräumigeren Wetterbeobachtungsdaten genauer zu unterlegen sein wird. So umfassend fallen auch die Empfehlungen der KIT-Klimaforscher auf Basis ihrer Studie aus: Der Ausbau der Windenergie solle sich nicht auf bestimmte Regionen konzentrieren, sondern dezentral vorangetrieben werden, um so regionale Unterschiede im Windangebot über Europa ausgleichen zu können. Zudem könne ein weiter ausgebautes europäisches Stromverteilnetz Schwankungen besser abschwächen.

Wie häufig fällt die Stromerzeugung aus Wind und Sonne wetterbedingt aus?
Wie häufig es tatsächlich zu wetterbedingten Ertragsausfällen bei der Wind- und Solarstromproduktion kommt, hat der Deutsche Wetterdienst (DWD) jüngst untersucht. „Da uns inzwischen Satellitenbeobachtungsdaten aus mehreren Jahrzehnten vorliegen, können wir auch seltener auftretende Risikosituationen statistisch belastbar analysieren“, erklärt Paul Becker, Vizepräsident des DWD. Zuletzt hatte im Januar 2017 die sogenannte Dunkelflaute, eine mehrtägige Wetterlage mit anhaltender Windstille und zähem Nebel, für Schlagzeilen und die Befürchtung gesorgt, die erneuerbaren Energien könnten das Stromsystem nicht sicher versorgen.

Exemplarisch haben die Meteorologen des DWD aus den Wetterbeobachtungsdaten errechnet, wie oft in der Vergangenheit über einen Zeitraum von 48 Stunden die mittlere Stromerzeugung aus Wind und Sonne unter zehn Prozent der Nennleistung geblieben ist. Das Ergebnis: Bei Windenergieanlagen auf dem deutschen Festland trat dieser Fall – unter Annahme der Leistungsmerkmale moderner 7,5 Megawatt-Windenergieanlagen und Windgeschwindigkeiten in 116 Metern Höhe – im Mittel etwa 23 Mal im Jahr auf. Im nächsten Schritt haben die Wissenschaftler den Fokus erweitert und die Kapazitäten der deutschen Offshore-Anlagen in der Nord- und Ostsee hinzugenommen. Damit reduziert sich die Fallzahl auf 13. Wird im dritten Schritt die Windenergie an Land und auf See mit der Photovoltaik kombiniert, traten in Deutschland nur noch 2 Fälle pro Jahr auf, bei denen die Nennleistung unter der 10-Prozent-Grenze blieb. Bei einer europaweiten Betrachtung trat der Musterfall schließlich nur noch 0,2 Mal im Jahr auf.

© Deutscher Wetterdienst 2018

Die Verwendung anderer Schwellenwerte bei den Erträgen oder Zeitperioden führe, so die DWD-Auswertung, zu ähnlichen Ergebnissen. „Im Durchschnitt ergänzen sich Wind und Sonne gut. Das stabilisiert die Stromproduktion aus erneuerbaren Energien“, sagt Becker. Betrachtet man die Wetterbedingungen für Wind- und Solarenergie zusammen, ergeben sich Ausgleichseffekte, beispielsweise zwischen Winter und Sommer, die die Zahl der Ertragsausfälle im Durchschnitt vermindern. „Grundsätzlich führt der kombinierte Einsatz von Windenergie und Photovoltaik zu einer deutlich geringeren Anzahl von Fällen mit geringer Stromproduktion“, lautet das Fazit. Die seltenen Fälle, in denen beide Energieformen gleichzeitig nur wenig regenerativ erzeugten Strom einspeisen, könne ein europäisch ausgerichtetes Stromsystem auffangen.

Keine Angst vor der Flaute
Was sich wie eine Entwarnung liest, zeigt andererseits, dass das Wissen darüber, wann die Sonne wie lange scheinen und der Wind in welcher Stärke wehen wird, für die Energiewirtschaft immer wichtiger wird. Leistungsprognosen für Erneuerbare-Energie-Anlagen lassen sich so präziser abschätzen und die Stromeinspeisung in die Netze zuverlässiger steuern. Dabei ist die Frage wie das Wetter wird, nicht nur für die Betreiber von Erneuerbare-Energie-Anlagen wirtschaftlich relevant. Ohne die Auswertung von Wetterdaten flöge kein Flugzeug, Landwirte könnten ihre Arbeitsschritte nicht planen. Ohne die Abschätzungen aus Klimamodellen könnten Tourismusmanager keine Zukunftskonzepte entwickeln und Versicherer Unwetterschäden nicht absichern. „Rund 80 Prozent aller Wirtschaftstätigkeiten werden maßgeblich vom Wetter beeinflusst“, schätzt Hans-Joachim Koppert, DWD-Vorstandsmitglied, im Interview mit dem Wirtschaftsmagazin brandeins. „In aller Regel helfen unsere Prognosen, die Effizienz deutlich zu erhöhen.“

Längst schon hat sich in der Wissenschaft ein eigenes Forschungsfeld etabliert, das der Energiewirtschaft zuarbeitet: die Energiemeteorologie. „Wir beschäftigen uns insbesondere mit dem Systemverhalten der erneuerbaren Energien in Wechselwirkung mit den Wetterbedingungen und gehen damit weit über die traditionelle Forschung in der Meteorologie hinaus“, erklärt Marion Schroedter-Homscheidt, Wissenschaftlerin am DLR-Institut für Vernetzte Energiesysteme. Aufgabe ist es zum Beispiel, meteorologische Parameter wie Windgeschwindigkeiten in energiespezifische Größen wie elektrische Leistung mithilfe von Rechenmodellen zu übersetzen oder aus den satellitenbasierten Echtzeit-Solareinstrahlungsdaten die Solarstromproduktion summiert für einen bestimmten Netzeinspeisepunkt zu prognostizieren. Daneben hat sich auf dem Wetterdienstmarkt eine kleine Branche etabliert, die Wetterprognosen und meteorologische Standortbedingungen speziell für Energieversorger und Betreiber von Windparks anbieten.

Bessere Aussichten dank neuem Erdbeobachtungssatellit
Unterdessen werden die Verfahren und mathematischen Modelle für die Wettervorhersage für die nächsten Tage immer besser. Nicht nur, weil das Messdatenraster für Mitteleuropa immer dichter geworden ist und den Meteorologen beim Deutschen Wetterdienst genauere Wetterbeobachtungsdaten liefern, so dass sie weniger interpretieren müssen. Auch können physikalische Grundlagen immer besser in den Wettermodellen berücksichtigt werden. Zudem sind die mathematischen Rechenkapazitäten gestiegen, die immer schneller die riesigen Datenmengen aus verschiedenen Quellen – von Wettermodellen über Einspeisedaten bis hin zu den Anlagenstammdaten – verarbeiten.

Einen weiteren Fortschritt für die mittelfristige Wettervorhersage – also die Prognose von bis zu 15 Tagen im Voraus – und die absehbare Entwicklung extremer Wetterlagen soll der europäische Forschungssatellit „Aeolus“ bringen, der Ende August ins All gebracht worden ist. Er wird in 320 Kilometern Höhe die Erde umkreisen und per Laser die globalen Winde vermessen. Damit werden die Wetterdienste, die sich bislang auf vergleichsweise wenige und punktuelle Winddaten verlassen mussten, künftig hochgenaue und zeitnahe Winddaten erhalten, die auch bislang schlecht abgedeckte Gebiete – etwa zwischen den Subtropen und den subpolaren Breitengraden, in denen häufig Orkane entstehen, die auch in unseren Breitengraden hohe Schäden verursachen – abdecken. Bis 2021 sollen die Aeolus-Daten der Wissenschaft wichtige Informationen für ein besseres Verständnis der Wettersysteme und des Klimas liefern.