Dunkelflaute

Dunkelflaute bezeichnet in der Energiewirtschaft eine Wetterlage mit geringer Sonneneinstrahlung und Windstille und dadurch einer geringen Stromerzeugung aus Photovoltaik- und Windenergie. Eine Dunkelflaute kann bei gleichzeitiger hoher Stromnachfrage zu hohen Strompreisen oder sogar zu einem Unterangebot (Stromausfall) führen. Die zur Dunkelflaute gegenteilige Lage ist die Hellbrise.

mini|hochkant=1.4|Beispiel für drei Tage Dunkelflaute im November 2023, d. h. niedrige Werte bei der Windenergie in (hellblau) und der Solarenergie (gelb) mini|Stromerzeugung im November 2024: Trotz einer in ganz Deutschland installierten Leistung von rund 72 GW Wind- und 92 GW Solarkapazität sank die kombinierte Erzeugung auf 0,1 GW ab.

Wenn ein Stromversorgungssystem auf wetterabhängige erneuerbare Energien umgestellt werden soll, müssen Lösungen gefunden werden, um Zeiträume zu überbrücken, zu denen nicht genügend Sonneneinstrahlung und Wind zur Verfügung steht, um den Strombedarf zu decken. Derzeit werden solche Lücken in der Stromversorgung in Deutschland zum großen Teil durch Kohle- oder Gaskraftwerke geschlossen, neben dem Auslandsimport und der Stromerzeugung aus Speicherwasser. Besonders kritisch sind Dunkelflauten, die über mehrere Tage anhalten, insbesondere wenn aufgrund kalter klimatischer Bedingungen eine besonders hohe Stromnachfrage vorhanden ist (sogenannte „kalte Dunkelflaute“). Geeignete Maßnahmen zum Überbrücken von Dunkelflauten sind zum Beispiel das Vorhalten konventioneller Spitzenlastkraftwerke als Backup sowie wetterunabhängiger CO2-armer Erzeuger wie Kernkraftwerke, Wasserkraftwerke, Geothermiekraftwerke, Biomassekraftwerke und Solarthermiekraftwerke mit Wärmespeicher; der Ausbau der Stromnetze zur weiträumigen Vernetzung von Regionen mit unterschiedlichen Wetterbedingungen, die Sektorenkopplung, der Einsatz von Energiespeichern sowie die Flexibilisierung von Verbrauchern, beispielsweise mit Smart Grids.

Definition Eine einheitliche Definition für den Begriff Dunkelflaute gibt es nicht. Viele Studien untersuchen jedoch längere Dunkelflauten. Gemäß einer Studie in Environmental Research Letters gab es in einem Zeitraum von 40 Jahren (1980–2019) jedes Jahr einen Zeitraum von etwa fünf aufeinanderfolgenden Tagen mit einem durchschnittlichen Windkapazitätsfaktor von unter 10 % und alle zehn Jahre einen entsprechenden Zeitraum von knapp acht Tagen. Das heißt in diesen Tagen liegt die Einspeisung bei unter 10 % der installierten Nennleistung. Diese Dauer verringerte sich, wenn nur die Wintermonate berücksichtigt werden. Das längste Ereignis in den Daten dauert fast zehn Tage. Für Dunkelflauten-Ereignisse wurden in der Studie die Schwellwerte 2 %, 5 % oder 10 % der Nennleistung betrachtet.

Im Rahmen der Untersuchung wurde eine engere und eine weitergehende Definition von Dunkelflaute unterschieden:

engere Definition gezählt werden aufeinanderfolgende Stunden, in denen die Kapazitätsfaktoren durchgängig unter dem Schwellenwert (CBT) bleiben. Nach dieser Definition gilt die Dunkelflaute als beendet, sobald der Schwellenwert einmalig überschritten wird. weitere Definition gezählt werden aufeinanderfolgende Stunden, in denen der gleitende Durchschnitt der Kapazitätsfaktoren unter demselben Schwellenwert liegt. Nach dieser Definition gilt die Dunkelflaute als beendet, sobald der Durchschnitt über den gesamten Zeitraum der Dunkelflaute den Schwellenwert überschreitet.

Wird der Mittelwert betrachtet, so erscheinen die Dunkelflauten länger. Gilt eine Dunkelflaute bei einmaligen Überschreiten als beendet, dann werden potenziell mehr, dafür aber kürzere Dunkelflauten registriert. Hohe Schwellenwerte führen zu einer hohen Anzahl beobachteter Dunkelflauten, während niedrige Schwellenwerte die Anzahl reduzieren.

Andere Studien mit Fokus auf der benötigten Speichermenge ermitteln das maximale Energiedefizit, das sich über einen Zeitraum aufsummiert. Nach dieser Definition ist die Dunkelflaute erst beendet, wenn sich die Speicher durch eine kontinuierliche überdurchschnittliche Energieproduktion wieder füllen würden.

Fluktuation der Wind- und Solarstromeinspeisung Um die völkerrechtlich verbindlichen Klimaschutzziele zu erreichen, müssen fossil befeuerte Kraftwerke abgeschaltet werden. Da diese somit langfristig nicht mehr zum Ausgleich zur Verfügung stehen, müssen in einem Energiesystem mit hohem Anteil an volatilen erneuerbaren Energiequellen Alternativen für die Absicherung der Versorgungssicherheit zur Verfügung stehen. Die Windenergie und die Photovoltaik gelten als die weltweit wichtigsten Quellen für eine größtenteils oder vollständige Versorgung mit erneuerbaren Energien, welche mit einer Energiewende angestrebt wird. Dies gilt insbesondere für Deutschland, wo für andere erneuerbare Energie wie Wasserkraft oder Biomasse nur noch geringe Möglichkeiten für einen weiteren Ausbau bestehen.

Während im Stromnetz Stromverbrauch und Stromeinspeisung zu jedem Zeitpunkt im Gleichgewicht sein müssen, unterliegt die Einspeisung von Wind- und Solarenergie jedoch wetterbedingten Schwankungen. Stunden, in denen die Nachfrage nicht durch Wind- und Solareinspeisung gedeckt werden kann, treten regelmäßig auf. Die Sonne scheint nachts nicht. Solareinspeisung steht nur in wenigen Stunden des Tages zur Verfügung und zeigt ein typisches konisches Profil mit einer Einspeisespitze zur Mittagszeit. Die Windeinspeisung schwankt stark. Der sogenannte Windkapazitätsfaktor, das heißt das Verhältnis von erzeugter Arbeit zu installierter Leistung lag in Deutschland im Mittel über die Jahre 2005–2014 bei 18,4 %. In den Jahren 2010–2014 erreichten die deutschen Windfarmen jedoch ein Viertel der Stunden nur einen Kapazitätsfaktor von weniger als 6,1 %, während ebenfalls in einem Viertel der Stunden mehr als 24,9 % erreicht wurden. Die fluktuierende Einspeisung von Windenergie zeigt sowohl kleinräumig über Tage und Wochen als auch großräumig in der Stromausbeute derselben Anlagen in verschiedenen Jahren große Schwankungen. Auch wenn mehrtägige Dunkelflauten ausbleiben, können erneuerbare Energien ohne Speichertechnologien nicht die Last decken.

Die folgende Grafik zeigt beispielhaft die Last, das Einspeiseverhalten von Wind und Solar und die daraus resultierende Residuallast in Deutschland und Luxemburg im Januar 2024. In diesem Zeitraum zeigt die Residuallast immer noch einen Maximalwert von ca. 66 GW, nur ca. 13 % weniger als die ursprüngliche Maximallast von ca. 76 GW. Dagegen ist die Minimallast von ca. 36 GW auf ca. 1 GW gesunken, so dass praktisch keine Grundlast verbleibt. Die Deckung der Residuallast erfolgt derzeit über die Flexibilität des restlichen konventionellen Kraftwerksparks.

zentriert|mini|761x761px|Last, Wind- und Solareinspeisung und verbleibende Residuallast (magentafarben) in Deutschland und Luxemburg, Jan 2024, Daten Entso-e-Transparenzplattform mini|371x371px|Durchschnittliche Volllaststunden der erneuerbaren Energien in Deutschland in den Jahren 1990–2022

Selbst im jährlichen Mittel unterliegt die Einspeisung der Erneuerbaren erheblichen Schwankungen. Für den deutschen Windpark an Land insgesamt wurden in den Jahren 1990–2022 Vollbenutzungsstunden (Erzeugung pro MW installierter Leistung) zwischen 1.931 und nur 962 erreicht. In aufeinanderfolgenden Jahren konnten diese trotz unterjähriger Installation neuerer und besserer Anlagen wegen geringerem Windaufkommen bis zu 20 % sinken. Für den deutschen Windpark auf See wurden in den Jahren 2010–2022 Vollbenutzungsstunden zwischen 3.498 und 1.086 erreicht. In aufeinanderfolgenden Jahren konnten diese bis zu 33 % sinken.

Vor allem im Spätherbst und im Winter treten Dunkelflauten auf. Dies liegt an der kurzen Tageslänge, dem niedrigen Sonnenstand und dem oft trüben Winterwetter. Außerdem produzieren schneebedeckte PV-Anlagen auch bei Sonnenschein weniger Strom. Obwohl der Wind in der kalten Jahreszeit meist öfter und stärker weht als im Sommer, gibt es auch im Herbst und Winter immer wieder Flauten.

Wind ist ein großflächiges Phänomen. Die Volatilität der Einspeisung in ganz Deutschland vergleichbar mit der eines einzelnen norddeutschen Standorts. Erst bei über ganz Europa verteilten Standorten ist eine Durchmischung zu erwarten.

In einer Publikation von Agora Energiewende sind die Minima und Maxima für das Jahr 2015 aufgeschlüsselt. Demnach war der 3. November 2015 der Tag, an dem am wenigsten Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wurde. Um 14 Uhr speisten Windkraftanlagen in Deutschland insgesamt nur eine Leistung von ca. 0,2 Gigawatt ein – der niedrigste Wert des Jahres. Um 17 Uhr, als die Photovoltaik kaum mehr Energie lieferte, erreichte die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien (neben Wind und Sonne auch Biogas und Wasserkraft) eine Gesamtleistung von 7,3 Gigawatt (davon 0,5 GW Windstrom), und damit nur einen Anteil von weniger als zehn Prozent an der gesamten Stromproduktion. Die Maximalwerte wurden am 21. Dezember 2015 erreicht. An diesem Tag speisten Windkraftanlagen eine durchschnittliche Leistung von 36,7 GW ein; dies entsprach 91,5 Prozent ihrer installierten Nennleistung von 40,6 GW. Am 21. April 2015 leisteten die Photovoltaikanlagen in Deutschland in der Mittagsspitze maximal 28,5 GW. Das waren 73 Prozent der installierten Leistung von etwa 39 GW.. Internetseite von Agora Energiewende. Abgerufen am 13. Januar 2017.

Tagesaktuelle Einspeisedaten (für Deutschland) sind für die Jahre ab 2011 im Internet frei zugänglich.

Häufigkeit des Auftretens Trotz fehlender eindeutiger Definition wurden in verschiedenen Studien Untersuchungen zur Häufigkeit durchgeführt. Die angewendeten Kriterien unterscheiden sich dabei allerdings deutlich. Beispielsweise traten zweiwöchige Phasen, in der die modellierte mittlere Residuallast über 70 GW betrug, in Deutschland im Zeitraum von 2006 bis 2016 im Schnitt alle zwei Jahre einmal auf.

Laut dem Deutschen Wetterdienst zeigt eine Analyse von Wetterdaten, dass es in Deutschland im Zeitraum von 1995 bis 2015 im Schnitt zweimal im Jahr Situationen gab, in denen großräumige Flauten und sonnenarme Zeiten über 48 Stunden gemeinsam auftraten. Bei einer Betrachtung auf europäischer Ebene reduziert sich die Auftretenshäufigkeit auf 0,2 Situationen pro Jahr. Der Deutsche Wetterdienst berücksichtigt dabei Zeiträume, in denen die mittlere Energieproduktion aus Wind und Sonne (abgeschätzt aus meteorologischen Daten) durchgehend unter zehn Prozent der Nennleistung lag.

Eine andere Analyse kommt bei einem Schwellenwert von 20 % für Deutschland pro Jahr auf 5 bis 10 Dunkelflauten von mehr als 24 Stunden, wobei die längsten Dunkelflauten 4 bis 5 Tage dauern. Bei einem Schwellenwert von 10 % gibt es kaum noch Dunkelflauten von mehr als 2 Tagen. Bei dieser Analyse und beim Deutschen Wetterdienst wird eine Dunkelflaute bei einmaligem Überschreiten des Schwellenwertes als beendet gewertet.

Bei Berücksichtigung des Mittelwertes wird für Deutschland im Durchschnitt alle zehn Jahre eine Periode von acht Tagen erwartet, in der weniger als 10 % der installierten Leistung zur Verfügung stehen.

Problemlösungsmöglichkeiten Geeignete Maßnahmen zum Überbrücken von Dunkelflauten sind zum Beispiel das Vorhalten konventioneller Spitzenlastkraftwerke als Backup sowie grundlastfähiger CO2-armer Erzeuger wie Kernkraftwerke, Wasserkraftwerke, Geothermiekraftwerke, BiomassekraftwerkeJörg Radtke, Weert Canzler: Energiewende. Eine sozialwissenschaftliche Einführung. Wiesbaden 2019, S. 405. und Solarthermiekraftwerke mit Wärmespeicher sowie der Ausbau der Stromnetze zur weiträumigen Vernetzung von Regionen mit unterschiedlichen Wetterbedingungen und damit einhergehend der Import und Export von Strom im europäischen Stromhandel. mini|344x344px|Pumpspeicherleistung im Verhältnis zu Solareinspeisung und Residuallast, Jan 2024 DE-LU Weitere Möglichkeiten sind: Überdimensionierung von Solar- und Windkapazitäten