Was ist eine Dunkelflaute?

Aufgrund von Schwachwind, Flauten und wetter- oder jahreszeitbedingter Dunkelheit kann die Stromerzeugung aus Wind- und Solarkraft auch über einen längeren Zeitraum gering sein. Wenn dieser Zustand über mehrere Tage andauert, spricht man von einer Dunkelflaute. Tritt eine solche Situation im Winter auf, bei der ein längerfristig geringes Angebot erneuerbarer Energien und eine witterungsbedingte besonders hohe Nachfrage aufeinander treffen, spricht man auch von einer „kalten Dunkelflaute“.

Das Wetterphänomen der kalten Dunkelflaute tritt einerseits oft im Spätherbst und Winter auf, wenn über mehrere Tage oder Wochen Windstille und trübes Herbst- oder Winterwetter herrschen. Zeitgleich gestaltet sich die Stromnachfrage durch sehr kalte Temperaturen überdurchschnittlich hoch.

Aber auch im Frühjahr treten Dunkelflauten auf. So ermittelte Energy Brainpool in einer von Greenpeace Energy eG beauftragten Studie "Kalte Dunkelflaute - Robustheit des Stromsystems bei Extremwetter", dass zwischen 2006 bis 2016 in jedem zweiten Jahr mindestens eine zweiwöchige Phase mit einer kalten Dunkelflaute herrschte. Wann eine Flaute besteht, wurde dabei anhand der maximalen Residuallast aus Nachfrage und Wind- und Solarerzeugung ermittelt.

Neben der zeitlichen spielt auch die räumliche Dimension eine entscheidende Rolle: Eine Betrachtung des gesamten Zeitraums der kalten Dunkelflaute zeigt, dass sich die Flaute über ganz Kontinentaleuropa erstreckt. Ein europäischer Ausgleich der Dunkelflaute war nur teilweise möglich. Denn während der kalten Dunkelflaute sind die Anrainerstaaten oft mit dem gleichen Problem der Stromknappheit konfrontiert.

Würden im Zuge einer europäischen Energiewende auch im Ausland fossile Kraftwerkskapazitäten verstärkt durch Wind- und Solarenergie ersetzt, so könnte der Import von Strom in Zeiten der kalten Dunkelflaute einen noch geringeren Anteil zur Versorgungssicherheit beitragen.

Bei einer europaweiten Energiewende muss der grenzüberschreitende Stromaustausch daher in den kommenden Jahren dringend durch weitere Sicherungsoptionen ergänzt werden, um Wetterereignisse wie Dunkelflauten abzufedern.

Die Zuverlässigkeit des deutschen Stromnetzes ist nach wie vor außerordentlich hoch. Und wird sogar besser. Das belegen die Störungs- und Verfügbarkeitsstatistiken des Forums Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (VDE|FNN) als auch die von der Bundesnetzagentur ermittelten SAIDI-Kennzahlen, die auf den von den Netzbetreibern übermittelten Daten zu Versorgungsunterbrechungen mit einer Dauer über drei Minuten beruhen:

• SAIDI_EnWG (System Average Interruption Duration Index): Spiegelt die durchschnittliche Versorgungsunterbrechung je angeschlossenen Letztverbraucher innerhalb eines Kalenderjahres wider.
• ASIDI_EnWG (Average System Interruption Duration Index): Spiegelt die durchschnittliche Versorgungsunterbrechung je angeschlossenen Bemessungsscheinleistungen innerhalb eines Kalenderjahres wider.
• SAIDI_EnWG-Gesamt (Summe aus dem SAIDIEnWG und dem ASIDIEnWG): In die Berechnung des SAIDI_EnWG fließen nur ungeplante Unterbrechungen ein, die zurückzuführen sind auf "Atmosphärische Einwirkungen", "Einwirkungen Dritter", "Zuständigkeit des Netzbetreibers" und "Rückwirkungsstörungen".

Eine Dunkelflaute stellt für ein Stromsystem mit hohem Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien eine besondere Herausforderung dar. Kurz- und mittelfristige Flexibilitätsoptionen wie Speicher und Lastmanagement stoßen dann an die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit. Weitere fossile Kraftwerke müssen dann die Flaute der Erneuerbaren ausgleichen. Eine Dunkelflaute beschreibt daher auch einen Stresstest für das Energiesystem der Zukunft. Kritisch sind diese Phasen, wenn mit zunehmender Dauer der Ladestand der Speicher abnimmt und auch die Flexibilitäten über Demand-Side-Management aufgebraucht sind.

Auch je nach Flaute eines erneuerbaren Energieträgers, schwankt die Gefahr einer Dunkelflaute für das Stromversorgungssystem: Während häufig kurz- und mittelfristige Flexibilitätsoptionen einen Ausgleich von Stromangebot und -nachfrage ermöglichen, ist eine Windflaute bei niedrigen Temperaturen und wenig Solareinspeisung i.d.R. zu lang, um kurz- oder mittelfristig ausgeglichen zu werden. Hier sind dann langfristige Flexibilitätsoptionen unerlässlich.

Für die längste anzunehmende Dunkelflaute müssen deshalb ausreichend ergänzende Stromerzeugungskapazitäten und Energieträger bereitgehalten werden, um eine sichere Versorgung zu gewährleisten. Das können Kohle, Erdgas oder Biomasse sein, Wasser in sehr großen Speichern oder Gas, das aus erneuerbaren Energien erzeugt worden ist (Power-to-Gas).

Um Dunkelflauten in der deutschen und europäischen Stromversorgung zu überbrücken, können einerseits flexible Erzeugungsanlagen wie Gaskraftwerke (zum Beispiel mit Bio- oder Erdgas) eingesetzt werden.

In einer im März 2021 veröffentlichten Studie „The impact of weather in a high renewables power system“ kommt Aurora Energy Research zu dem Schluss, dass Deutschland im Jahr 2050 zusätzlich bis zu 10 Gigawatt an flexiblen Kraftwerken für Extremwetterlagen brauchen wird, um "kalte Dunkelflauten" zu vermeiden. Diese Anlagen kommen nur dann zum Einsatz, wenn der Bedarf sehr hoch und gleichzeitig die Stromerzeugung etwa von Solar- oder Windkraftwerken niedrig ist. Da „kalte Dunkelflauten“ allerdings sehr selten sind, sind die Backup-Kraftwerke nur wenige Stunden im Jahr in Betrieb sind. Solche Kraftwerke rentieren sich daher erst bei Strompreisen von 10.000 Euro und mehr pro Megawattstunde. Die Politik muss deshalb langfristig verlässliche Rahmenbedingungen für den Strommarkt schaffen, damit das Risiko von Investitionen in die Anlagen für Betreiber tragbar wird.

Eine weitere Möglichkeit sind Speichersysteme. Um mit Speichern einen effizienten Ausgleich zwischen Stromangebot und -nachfrage zu erzielen, bedarf es kurzfristiger Flexibilitätsoptionen wie Batteriespeicher, mittelfristiger Flexibilitätsoptionen wie Pumpspeicher und Langzeitspeichersysteme wie mit Elektrolysegas aus erneuerbaren Energien und Biogas gefüllte Gasspeicher. Grundsätzlich gilt: Je mehr Flexibilitätsoptionen zur Verfügung stehen und je geringer die Klimaschutzanforderungen sind, desto weniger werden Langzeitspeicher müssen eingesetzt werden.

Zudem muss die Stromnachfrage durch ein verbessertes Demand Side Management stärker gesteuert werden können, um die Stromnachfrage zu flexibilisieren. Indem der Stromverbrauch teilweise zeitlich verlagert wird, kann Demand Side Management bei höheren Anteilen schwankender Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zur Flexibilisierung des Stromsystems beitragen. Neben großen und energieintensive Unternehmen werden zunehmend auch Haushalten mit Photovoltaik-Batteriesystemen, elektrischen Heiz- und Warmwassersystemen in Verbindung mit thermischen Speichern sowie Elektrofahrzeugen zum Demand Side Management herangezogen, um Dunkelflauten abzufedern bzw. zu vermeiden.

Das Profil der Stromnachfrage kann sich jedoch, etwa als Folge der Sektorenkopplung mit dem Wärmemarkt (insbesondere elektrische Heizungskomponenten und Klimaanlagen) zukünftig verändern. Würden beispielsweise mehr Klimaanlagen in Deutschland installiert, so würde die Schwankungsbreite der Last in den Sommermonaten zunehmen und die Stromnachfrage in den Sommermonaten auch insgesamt steigen. So könnte es zukünftig nicht nur eine kalte, sondern auch eine warme Dunkelflaute geben.

Ein höherer Verbrauch an Wärmepumpenstrom würden hingegen die Temperaturabhängigkeit im Winter noch weiter verschärfen und den Effekt einer Dunkelflaute sowie dem daraus resultierenden Bedarf an langfristigen Flexibilitätsoptionen weiter erhöhen.