Die Qual der Wahl: Wie man eine Dunkelflaute (nicht) vermisst

Oder: Warum Ihr Nachbar „Windflaute“ sagt, der Ingenieur aber „positives Residuallast-Ereignis“

Stellen  Sie sich vor, Sie planen eine Weltreise. Sie wollen wissen, wie oft es  regnet. Klingt einfach? Nicht ganz. Denn was heißt „Regen“? Reicht ein  Nieselregen, oder zählt nur der Wolkenbruch? Dauert er fünf Minuten oder  fünf Tage an? Und was ist, wenn Sie einen Sonnenschirm dabeihaben?

Genau dieses Problem haben Forschende, wenn sie die Energiewende planen. Sie wollen wissen: Wie schlimm sind Dunkelflauten wirklich? Also jene Zeiträume, in denen fast kein Wind weht und die Sonne sich  tagelang hinter Wolken versteckt. Klingt nach einer einfachen Frage.  Aber wie das Paper von Martin Kittel und Wolf-Peter Schill zeigt, ist  die Antwort erstaunlich knifflig.

Die  gute Nachricht zuerst: Es gibt viele Methoden, eine Dunkelflaute zu  messen. Die schlechte: Je nach Methode kommt ein völlig anderes Ergebnis  heraus. Die Autoren vom Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung  (DIW Berlin) haben deshalb verschiedene Ansätze aus der Meteorologie,  der Hydrologie (der Lehre vom Wasser) und der Energiewirtschaft seziert –  und zeigen, wie man es richtig (und vor allem falsch) macht.

Zwei Welten treffen aufeinander

Die Wissenschaft ist hier zweigeteilt, und das ist das Kernproblem. Die eine Gruppe schaut nur auf die Energiequelle („VRE-Dürre“). Also: Weht der Wind? Scheint die Sonne? Die andere Gruppe schaut auf das Gesamtsystem („Positives Residuallast-Ereignis“). Also: Reicht der Strom aus Wind  und Sonne überhaupt aus, um den Bedarf der Menschen zu decken?

Das  ist ein himmelweiter Unterschied. Ein sonniger, aber windstiller Tag  ist für eine Windkraftanlage eine Katastrophe (VRE-Dürre). Wenn an  diesem Tag aber alle in den Urlaub fahren und kaum Strom brauchen, ist  das Gesamtsystem vielleicht völlig entspannt. Umgekehrt kann ein  bewölkter, aber windiger Tag die Lücke perfekt füllen.

Die größte Falle: Der Schwellenwert

Die meisten Methoden sind sogenannte Schwellenwert-Verfahren (ab Seite 4 im Paper). Man setzt eine Linie: Werden weniger als 20  Prozent der möglichen Leistung erzeugt, ist es eine Dunkelflaute. Klingt  logisch, ist aber tückisch.

Der  Wert „20 Prozent“ ist willkürlich. Setzt man die Schwelle auf 15  Prozent, gibt es vielleicht nur drei solcher Ereignisse pro Jahr. Setzt  man sie auf 25 Prozent, zählt man vielleicht 20 Ereignisse – darunter  viele harmlose, zweistündige Wölkchen, die niemanden wirklich  interessieren.

Noch  kniffliger wird es im Vergleich. Eine Windflaute in der Nordsee ist  etwas völlig anderes als eine Solarflaute in Südbayern im Dezember. Im  Dezember erreicht die Sonne in Bayern nie auch nur annähernd 20 Prozent  ihrer Sommerleistung. Nach dieser Logik wäre also der ganze Dezember  eine einzige Dunkelflaute – was physikalisch zwar stimmt, aber  systemtechnisch Unsinn ist, weil wir ja wissen, dass der Winter dunkel  ist.

Die Lösung der Autoren: Man sollte nicht mit starren, absoluten Prozenten arbeiten, sondern mit relativen Schwellen,  die sich am jeweiligen Ort und der jeweiligen Jahreszeit orientieren.  Eine Flaute ist dann ein Ereignis, das deutlich schlechter ist als  "normal" für diese Region und diese Woche.

Der Zeithorizont: Die zweite große Falle

Messen wir die Dauer einer Flaute? Zählen wir jede einzelne Stunde unter der Schwelle? Oder glätten wir die Kurve?

Beispiel:  Es ist eine Woche lang trüb, aber mittags scheint für zwei Stunden kurz  die Sonne – also über der Schwelle. Die  „Constantly-Below-Threshold“-Methode (strengste Methode) würde sagen:  Die Flaute ist vorbei, die Uhr geht zurück auf Null. Das ist  realitätsfern, denn die zwei Stunden Sonne reichen nicht aus, um die  Batterien für die nächste Nacht zu füllen.

Die  Autoren empfehlen daher gleitende Mittelwerte („Moving Average“). Man  schaut also nicht auf die einzelne Stunde, sondern zum Beispiel auf den  Durchschnitt der letzten 72 Stunden. Das verhindert, dass kurze  Sonnenfenster den Ernst der Lage verschleiern. Hier wird der Übergang  zur Hydrologie deutlich: Flüsse führen auch dann noch wenig Wasser, wenn  es für eine Stunde aufhört zu regnen. Eine Dunkelflaute im Stromsystem  ist ein Energie-Ereignis, kein Momentaufnahme.

Der große Wurf: Die Brücke zur Realität

Der wichtigste Punkt des Papers ist der Schritt von der reinen "VRE-Dürre" hin zum Positiven Residuallast-Ereignis (PRL) . Hier wird die Nachfrage (der Stromverbrauch) ins Spiel gebracht.

Stellen Sie sich vor: Eine Windflaute dauert drei Tage. Die Forscher berechnen die sogenannte Residuallast.  Das ist die Last, die nach Abzug von Wind- und Solarstrom übrig bleibt –  also das, was Gaskraftwerke, Wasserkraft oder Batterien liefern müssen.  Ist diese Residuallast positiv, ist die Erzeugungslücke real. Ist sie negativ, produzieren wir sogar mehr Ökostrom als gebraucht wird (dann wäre die Flaute egal).

Das Paper schlägt hier einen cleveren Trick aus der Hydrologie vor, den angepassten Sequent Peak Algorithmus. Damit berechnet man nicht nur, wie lange eine Flaute dauert, sondern auch, wie tief sie ist – also die gesamte Energiemenge, die aus Speichern oder  Reserven nachgeliefert werden muss. Zwei Flauten können gleich lang  sein, aber die eine erfordert ein riesiges Batterielager, die andere nur  ein kleines.

Fazit für den wachen Leser

Dieses Paper ist im Kern ein Weckruf. Es sagt: Hört auf, von der Dunkelflaute zu reden.

Eine  Dunkelflaute ist kein Naturereignis wie ein Erdbeben, das man einfach  messen kann. Sie ist eine Konstruktion aus Messlatte (Schwellenwert),  Zeitfenster (Dauer) und Systemgrenze (Netzlast).

Die goldene Regel für die nächste Diskussion am Stammtisch:
Wenn  jemand sagt "Die Dunkelflaute in 2035 wird 14 Tage dauern", fragen Sie  freundlich zurück: "Nach welcher Definition? Wird die Nacht mitgezählt?  Ist die Schwelle 10 oder 20 Prozent der installierten Leistung? Und  wurde der Stromverbrauch an diesen Tagen berücksichtigt?"

Oder  wie Kittel & Schill es wissenschaftlich elegant ausdrücken: Es  kommt nicht nur auf die Dauer an, sondern auf das Zusammenspiel von  Erzeugung, Verbrauch und der Fähigkeit des Systems, Puffer zu schaffen.  Die Kunst der Energiesystemanalyse ist es, die Flaute so zu definieren,  dass die Definition am Ende auch das Problem löst, das man untersuchen  will.