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Physik · P9 · Klima und Energieversorgung

Strom über den Tag: Angebot, Bedarf, Speicher

Im Stromnetz muss in jedem Augenblick genauso viel Leistung eingespeist werden, wie gerade gebraucht wird. Sonne und Wind richten sich aber nicht nach dem Bedarf. Hier siehst du einen ganzen Tag für ganz Deutschland: Wann reicht der Strom aus Sonne und Wind, wann springt der Speicher ein, und wann muss ein Gaskraftwerk laufen?

So gehst du vor

  1. 1Wähle eine Jahreszeit und stelle Bewölkung und Wind ein, oder tippe eine Wetterlage an.
  2. 2Lies im Diagramm ab: Wo liegt die bunte Fläche über der schwarzen Bedarfslinie, wo darunter? Schiebe die Uhrzeit, um genaue Werte zu sehen.
  3. 3Ändere die installierten Leistungen und den Speicher. Beobachte den Füllstand und die Kennzahlen.
  4. 4Schalte das Gaskraftwerk ab und finde heraus, was du brauchst, damit trotzdem keine Lücke bleibt.

Leistung über den Tag

036912151821240102030405060708090t in hP in GW
BedarfBiomasse und WasserWindSonnewird gespeichertabgeregeltaus dem SpeicherGaskraftwerk, Import

Ablesen um 20:00 Uhr

20,00 h
Bedarf54 GW
Sonne0,7 GW
Wind16 GW
Biomasse und Wasser7,0 GW
aus dem Speicher20 GW
Gaskraftwerk, Import10 GW
Sonne, Wind, Biomasse und Wasser reichen nicht: Es fehlen 30 GW.
Sonnenhöhe 12°, Wind 6,0 ms, im Speicher 17 GWh

Füllstand des Speichers

03691215182124020406080t in hESp in GWhvoll
erneuerbar gedeckt
78 %
aus Gas und Import
270 GWh
abgeregelt
19 GWh
Bilanz des Tages (Energie = Fläche unter der Leistungskurve)
Bedarf: 1 244 GWh, das sind 1,24 Milliarden kWh
erzeugt aus Sonne 445 GWh, Wind 377 GWh, Biomasse und Wasser 168 GWh
in den Speicher 75 GWh, heraus 78 GWh; im Speicher um 0 Uhr 18 GWh, um 24 Uhr 0,0 GWh
beim Speichern als Wärme abgegeben: 20 % von 75 GWh = 15 GWh
größte Leistung aus Gas und Import: 28 GW, das sind etwa 56 Gaskraftwerke mit je 500 MW

Wetter

Jahreszeit

Bewölkung

20 %

Wind in Nabenhöhe, Mittel

6,0 ms

Windverlauf

Anlagen

Solaranlagen, installiert

100 GW

Windkraftanlagen, installiert

72 GW

Biomasse und Wasserkraft

7 GW

Installiert heißt: Leistung bei bestem Wetter. Biomasse und Laufwasser liefern hier den ganzen Tag gleichmäßig. 1 GW = 1000 MW = 1 Million kW.

Speicher und Reserve

Speicherart

Kapazität

60 GWh

Leistung beim Laden und Entladen

20 GW

Füllstand um 0 Uhr

30 %

Die Prozentzahl ist der Wirkungsgrad: Von der Energie, die in den Speicher geht, kommt nur dieser Anteil wieder heraus. Die Kapazität sagt, wie viel Energie hineinpasst, die Leistung, wie schnell sie hinein- und herausfließen kann.

Energie ist die Fläche unter der Leistungskurve

Liefert ein Kraftwerk die Leistung P während der Zeit t, so gibt es die Energie E = P · t ab. Im P-t-Diagramm ist das die Fläche eines Rechtecks. Ändert sich die Leistung, zerlegt man die Fläche in viele schmale Streifen und addiert sie. Ein Kästchen im Gitter oben ist 10 GW hoch und 3 h breit, es steht also für 10 GW · 3 h = 30 GWh. Zum Vergleich: Ein großes Pumpspeicherkraftwerk fasst rund 1,6 GWh, das ist nur ein Bruchteil des Tagesbedarfs von 1 244 GWh.

1 GWh = 1000 MWh = 1 000 000 kWh. Die Rechnung läuft in Schritten von 3 Minuten: Für jeden Schritt wird geprüft, ob Sonne, Wind, Biomasse und Wasser den Bedarf decken. Der Überschuss geht in den Speicher, solange er nicht voll ist und seine Leistung reicht, der Rest wird abgeregelt (oder ins Ausland verkauft). Fehlt Leistung, entlädt sich zuerst der Speicher, den Rest liefern Gaskraftwerke oder der Import.

Kennlinie einer Windkraftanlage

0481216202428012345678v in m · s−1P in MWNennleistung 5 MWLeistung des Windes

Der Wind bringt durch die Rotorfläche A die Leistung PWind = 12 · ρ · A · v³. Doppelte Windgeschwindigkeit, achtfache Leistung. Die Anlage (Rotor 150 m) nimmt davon 42 %, höchstens aber 5 MW. Unter 3 ms steht sie still, über 25 ms schaltet sie zum Schutz ab.

Bei der eingestellten mittleren Windgeschwindigkeit 6,0 ms
Leistung des Windes: 2,29 MW
eine Anlage gibt ab: 0,96 MW
alle Anlagen zusammen: 22 % ihrer Nennleistung

Die Anlagen stehen an Orten mit schwächerem und stärkerem Wind. Das Modell mittelt deshalb über Standorte, an denen der Wind 0,55- bis 1,45-mal so stark weht wie eingestellt. So wird die Summe glatter als die Kennlinie einer einzelnen Anlage.

Woher die Zahlen stammen

  • Bedarf: vereinfachte Modellkurven für einen Werktag mit der Größenordnung der deutschen Netzlast (etwa 45 bis 70 GW, im Winter mehr). Die Sommerkurve ist dieselbe wie im Skript.
  • Sonne: Sonnenstand für 51° nördliche Breite berechnet (Mittag der Sonne im Winter und März um 12:20 Uhr, im Juni wegen der Sommerzeit um 13:20 Uhr). Je tiefer die Sonne steht, desto flacher fällt das Licht auf die Module und desto länger ist sein Weg durch die Luft. Module 30° nach Süden geneigt; an klaren Junitagen liefern alle Anlagen zusammen gut die Hälfte ihrer installierten Leistung. Bewölkung nach der Faustformel von Kasten und Czeplak: Bei bedecktem Himmel kommt noch etwa ein Viertel an.
  • Wind: Kennlinie der 5-MW-Anlage aus dem Skript, über verschieden windige Standorte gemittelt.
  • Anlagen heute (gerundet, etwa 2025): Photovoltaik rund 100 GW, Wind an Land und auf See rund 72 GW (Bundesnetzagentur, Marktstammdatenregister). Speicher: Pumpspeicher rund 6 GW und 40 GWh, dazu Haus- und Großbatterien; zusammen sind 60 GWh und 20 GW eine grobe Schätzung. Ausbauziel 2030 nach Erneuerbare-Energien-Gesetz und Windenergie-auf-See-Gesetz: 215 GW Photovoltaik, 115 GW Wind an Land, 30 GW Wind auf See. Der Speicher für 2030 ist eine Annahme.
  • Wirkungsgrade der Speicher: Richtwerte wie im Skript (Akku 90 %, Pumpspeicher 75 bis 80 %, Wasserstoff 30 bis 40 %).

Aufträge

  1. Sonniger Sommertag, Anlagen von heute: Zu welchen Uhrzeiten gibt es Überschuss? Wie viel Energie wird abgeregelt? Verdopple die Kapazität des Speichers und vergleiche.
  2. Stelle die Dunkelflaute im Winter ein. Wie viel Energie muss aus Gas und Import kommen? Schätze sie aus dem Diagramm über die Kästchen ab und vergleiche mit der Bilanz.
  3. Schalte das Gaskraftwerk ab. Wähle den sonnigen Sommertag und das Ausbauziel 2030: Welche Kapazität und Leistung braucht ein Akkuspeicher, damit keine Lücke bleibt und er um 24 Uhr mindestens so voll ist wie um 0 Uhr? Probiere dasselbe mit Wasserstoff als Speicher und erkläre den Unterschied.
  4. Stelle den Wind von 5 auf 10 ms. Um welchen Faktor steigt die Windleistung? Warum nicht genau um den Faktor 8?

Kapitel „Energieversorgung und Speicher“ und „Speicher“. Für Jahreswerte siehe die Seite „Energieversorgung im Vergleich“.