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Winterstrom

Unter Winterstrom versteht man elektrische Energie, die im Winterhalbjahr (zwischen Oktober und März) erzeugt oder verbraucht wird. Der Begriff ist für die Energiewirtschaft wichtig, weil sowohl der Bedarf an elektrischer Energie als auch die Erzeugung mit bestimmten Methoden (Arten von Kraftwerken) mehr oder weniger von der Saison abhängen kann. Im Zusammenhang mit der Energiewende wird die Problematik des Winterstroms nochmals deutlich wichtiger.

Saisonabhängiger Stromverbrauch

• Im allgemeinen ist der Strombedarf im Winterhalbjahr höher – vor allem dann, wenn eine große Anzahl von Heizungsanlagen elektrisch betrieben wird. Dies trifft vor allem für Elektroheizungen (einschließlich Elektrospeicherheizungen) zu, und in wesentlich geringerem Maße für Wärmepumpenheizungen auf der Basis von Elektrowärmepumpen; letztere verbrauchen für die Erzeugung der gleichen Menge an Heizwärme je nach Gerät und Einsatzbedingungen nur z. B. 3 bis 5 mal weniger Strom als eine Elektroheizung.
• Auch der Stromverbrauch für Beleuchtung ist im Winterhalbjahr höher.
• Es gibt auch Beiträge zum Stromverbrauch, die im Sommer höher sind – insbesondere Klimaanlagen, die meistens Kältemaschinen enthalten. Diese brauchen ganz überwiegend nur Sommerstrom und praktisch keinen Winterstrom.

Saisonabhängige Stromerzeugung

Die Produktion bestimmter Arten von Kraftwerken weist ein deutliches saisonales Profil auf:

Solarenergie

Wohl am stärksten ist dies der Fall bei Anlagen für die Nutzung von Sonnenenergie – einerseits Photovoltaikanlagen und andererseits solarthermische Kraftwerke. Naturgemäß liefern diese im Winter nur einen kleinen Teil ihrer Stromproduktion. Wie ausgeprägt diese Saisonabhängigkeit ist, hängt allerdings deutlich von den Umständen ab, wie im Folgenden für die Photovoltaik gezeigt wird:

• Am extremsten ist die Abhängigkeit für Solarmodule, die horizontal z. B. auf Flachdächern montiert werden. Hier ist der Einstrahlungswinkel im Sommer günstig, im Winter aber sehr ungünstig, und zusätzlich kann die Produktion durch Schneebedeckung vermindert werden.
• Vertikal z. B. an Gebäudefassaden montierte Solarmodule bringen zwar einen deutlich geringeren Jahresertrag, aber einen wesentlich höheren Anteil davon im Winter, weil dann die Einstrahlungsrichtung günstig ist und Schneebedeckung vermieden wird.
• Ein mittleres Profil wird erreicht durch die gängige Anbringung auf Steildächern, wobei der Anteil des Winterstroms umso höher ist, je steiler die Aufstellung ist. Auch auf Flachdächern ist dies möglich bei Verwendung entsprechender Ständer.
• An manchen Standorten gibt es erhebliche Produktionsausfälle im Winter durch Beschattung, beispielsweise durch benachbarte Gebäude oder durch Bäume.
• Auch die Region, in der Photovoltaik Anlagen aufgestellt werden, spielt eine wesentliche Rolle. In tiefen Lagen wird die winterliche Produktion oft stark durch Hochnebel und Wolken reduziert. Viel günstiger ist dies in hohen Lagen auf den Bergen, wo oft noch eine Intensivierung der Sonneneinstrahlung durch Reflexion auf schneebedeckten Flächen genutzt werden kann. Ein zusätzlicher hilfreicher Faktor sind die niedrigeren Temperaturen, die die Effizienz der Solarmodule erhöhen (und gleichzeitig auch deren Lebensdauer).

Bei einem starken Ausbau der Photovoltaik wird es in den meisten Ländern problematisch, dass der Anteil des Winterstroms gering ist: Man erhält wenig Strom in den Zeiten, in denen man ihn am meisten braucht, produziert dagegen schwer nutzbare Überschüsse im Sommer. Deswegen gibt es Überlegungen, Photovoltaik Anlagen vermehrt darauf hin zu optimieren, dass der Anteil des Winterstroms möglichst hoch wird – auch wenn dies einerseits eine etwas reduzierte Jahresproduktion bedeutet und andererseits teilweise etwas höhere Errichtungskosten (z. B. für Ständer, für die Installation in hohen, schwerer zugänglichen Lagen, mit Schutz gegen höhere Windlasten etc.). Die Kosten pro erzeugter Kilowattstunde nehmen also zu, andererseits aber eben auch der ökonomische und ökologische Wert der erhaltenen Energie.

Windenergie

Bei der Windenergie in Mitteleuropa ist meistens der Anteil des Winterstroms deutlich höher als der des Sommerstroms. Dies ist in der Regel günstig, um den höheren Winterstrombedarf und die reduzierte Produktion durch Photovoltaik auszugleichen. Deswegen wäre es beispielsweise in der Schweiz günstig, den bislang ganz marginalen Ausbau der Windenergie erheblich zu steigern, um das bereits bestehende und zukünftige noch wachsende Defizit an Winterstrom zu reduzieren oder sogar weitgehend zu beheben. Ein weiterer Ausbau der Photovoltaik dagegen würde diesbezüglich weniger helfen.

In Nordafrika gibt es ebenfalls Regionen, die sehr günstig für die Windenergieproduktion sind – in diesem Falle aber mit einem geringeren Anteil des Winterstroms, da die vorherrschenden Passatwinde dort im Sommer stärker sind. (Sie verschieben sich im Winter weiter nach Süden.) Diese Charakteristik ist zwar im Prinzip ungünstiger, könnte aber bei Kombination mit Windenergie in nördlicheren Regionen im Rahmen eines europäischen Supergrids zu einem insgesamt recht ausgeglichenen Profil der Erzeugung führen.

Wasserkraft

Die saisonalen Charakteristika von Wasserkraftwerken sind stark abhängig von deren Typ und Standort.

Viele Länder (z. B. Deutschland) können aus Gründen der Topographie in der Hauptsache nur Laufwasserkraftwerke nutzen, und deren Produktion richtet sich dann zwangsläufig nach der vom Fluss angebotenen Wassermenge. Allenfalls kann kurzfristig etwas mehr Wasser aufgestaut werden, um später mehr Strom zu erzeugen – aber nur mit einem relativ geringen Potenzial für die zeitliche Verschiebung von Energiemengen. Da das Wasserangebot häufig durch Schmelzwasser aus den Bergen vergrößert wird, entsteht eine stärkere Produktion von Sommerstrom, d. h. der Anteil von Winterstrom liegt deutlich unter 50 %.

Auf der anderen Seite gibt es Wasser-Speicherkraftwerke, die eine relativ hohe Speicherkapazität haben. Diese lassen sich auch ein Stück weit als saisonale Speicher nutzen. Leider sind solche saisonalen Speicher mit hoher Kapazität nur in wenigen Ländern kostengünstig realisierbar – beispielsweise in Norwegen.

Fossil befeuerte Kraftwerke

Mit fossilen Energieträgern gefeuerte Wärmekraftwerke können gezielt für die Erzeugung von Winterstrom genutzt werden, insbesondere wenn ihre spezifischen Investitionskosten nicht allzu hoch sind, sodass eine geringere Nutzung im Sommer betriebswirtschaftlich akzeptabel ist. Ein typisches Beispiel sind Gaskraftwerke, die für die Mittellast genutzt werden – vorwiegend im Winter. Auch Kohlekraftwerke können so eingesetzt werden. Natürlich sind all diese Kraftwerke auch für eine über das Jahr gleichmäßige Produktion geeignet. Unter gewissen Umständen gibt es Einschränkungen in bestimmten Jahreszeiten, z. B. ein mangelhaftes Angebot an Kühlwasser in Hitzeperioden.

Wegen der Notwendigkeit des Klimaschutzes können fossil gefeuerte Kraftwerke zukünftig kaum mehr genutzt werden.

Kernkraftwerke

Im Prinzip können auch Kernkraftwerke beliebig in der Leistung den Bedarf folgen, lediglich mit einer begrenzten Leistungsänderungsgeschwindigkeit. Allerdings liegen die Investitionskosten sehr hoch, die Betriebskosten dagegen niedrig. Deswegen sollten diese Kraftwerke aus betriebswirtschaftlicher Sicht möglichst viele Jahresbetriebsstunden erreichen, also nicht gezielt nur im Winter betrieben werden. Einzig legt man geplante Wartungsarbeiten gewöhnlich in das Sommerhalbjahr, um nichts vom wertvolleren Winterstrom zu verlieren.

Strommix im Winter

Der nationale Strommix kann wegen den saisonal schwankenden Beiträgen der einzelnen Erzeugungsarten erheblich variieren. Deswegen sind Betrachtungen, die auf dem durchschnittlichen Strommix des Jahres beruhen, häufig ziemlich irreführend. Beispielsweise wird wegen des in Deutschland bereits nennenswerten Anteils von Solarstrom gelegentlich behauptet, Elektroheizungen seien gar nicht mehr so wenig umweltfreundlich – unter Vernachlässigung des wichtigen Umstands, dass der Strommix im Winter weiterhin sehr stark durch Kohle, Erdgas und Kernkraft dominiert wird. Immerhin steigt der Anteil des Windstroms allmählich.

Die Schweiz verwendet bislang fast keine fossil gefeuerten Kraftwerke, weswegen ihr ein praktisch CO₂-freier Strommix attestiert wird. Übersehen wird hier allerdings, dass im Winter wesentliche Importe von Winterstrom nötig sind, die zu einem guten Teil von fossil befeuerten Kraftwerken im Ausland (v. a. in Deutschland) stammen. (Man mag auch Atomstrom aus Frankreich importieren, welches dafür aber umso mehr Kohlestrom aus Deutschland importieren muss.) Deswegen sind Elektroheizungen auch in der Schweiz keineswegs klimafreundlich.

Saisonale Energiespeicher

Die Problematik von saisonalen Engpässen kann im Prinzip entschärft werden durch saisonale Speicher mit ausreichend hoher Kapazität. Leider sind solche nur in wenigen Ländern kostengünstig realisierbar – beispielsweise in Norwegen in Form von Wasser-Speicherkraftwerken. Wegen der geringen Anzahl von Lade/Entladezyklen pro Jahr müssen die Investitionskosten pro speicherbarer Kilowattstunde sehr gering sein. Deswegen sind beispielsweise Batterien für diesen Zweck völlig ungeeignet und bleiben dies auch im Falle weiterer massiver Kostensenkungen.

Relativ gut kann chemische Energie gespeichert werden, wobei allerdings die typischerweise erheblichen Energieverlusten bei den nötigen Energieumwandlungen ein großes Problem sind. Beispielsweise liegt der Zyklenwirkungsgrad für Power to Gas (Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse, dessen Speicherung und später Verstromung in Brennstoffzellen) nur bei grob geschätzt 30 bis 50 %.

Erwartete Entwicklung in Europa

Der Kohleausstieg und allgemeiner der Ausstieg aus den fossilen Energieträgern ist aus Gründen des Klimaschutzes unverzichtbar, zumindest solange nicht die CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS) in großem Umfang nutzbar gemacht wird – wonach es derzeit nicht aussieht. Gleichzeitig ist die Produktion mit Kernenergie rückläufig – viele Kraftwerke sind schon ziemlich alt und müssen in den nächsten Jahren außer Betrieb genommen werden, während nur ganz wenige neu gebaut werden. Dahinter steht nicht nur der beispielsweise in Deutschland politisch beschlossene Atomausstieg, sondern auch die Problematik ständig steigender Investitionskosten, die eine Realisierung ohne massive staatliche Subventionen unmöglich macht.

Damit entfallen allerdings umfangreiche Möglichkeiten der Produktion von Winterstrom. Gleichzeitig wächst der Strombedarf durch die zunehmende Elektrifizierung, insbesondere im Bereich von Wärmepumpenheizungen und der Elektromobilität mit Elektroautos und elektrisch betriebenen gewerblichen Fahrzeugen, später auch im Bereich der Chemie und Metallindustrie.

Somit zeichnet sich ab, dass Engpässe der Stromversorgung (also eine Bedrohung der Versorgungssicherheit, mögliche Stromausfälle) insbesondere im Winterhalbjahr drohen, wenn nicht neue Erzeugungskapazitäten hierfür rechtzeitig aufgebaut werden.

Trotz wesentlicher Unterschiede in der Energiepolitik und den natürlichen Gegebenheiten der europäischen Staaten trifft diese Problematik verschiedene Länder in ähnlicher Weise:

• Deutschland verfügt derzeit noch über hohe Kapazitäten von fossilen und nuklearen Wärmekraftwerken, die auch den Export für Winterstrom erlauben. Diese werden aber wegen des Atomausstiegs und des Kohleausstiegs in relativ kurzer Zeit nicht mehr zur Verfügung stehen. Andererseits wurde die Entwicklung der erneuerbaren Energien, insbesondere auch der Windenergie, in den letzten Jahren massiv gedrosselt, was zu einer Stromlücke führen wird, wenn nicht bald kräftig gegengesteuert wird.

• Frankreich verfügt über sehr hohe Kapazitäten von Kernkraftwerken, die es auch nicht so bald aufgegeben wird. Trotzdem hat es einen erheblichen Mangel von Winterstrom, auch weil viele Häuser mit Elektroheizungen arbeiten, was zu einem sehr starken Winterstrombedarf führt. Winterliche Stromimporte aus Deutschland werden aber immer weniger zur Verfügung stehen.
• Die Schweiz hat zwar einige große Speicherkraftwerke, aber deren Kapazitäten reichen nicht annähernd aus, um die verminderte Winterstromproduktion der Laufwasserkraftwerke auszugleichen. Sie ist deswegen ebenfalls auf den Import von Winterstrom angewiesen, was aber zunehmend schwierig werden wird – sogar noch mehr, wenn die Integration in den europäischen Strommarkt aus politischen Gründen unvollständig bleibt.

Diese Beispiele zeigen, dass beim Winterstrom am meisten Engpässe in Europa absehbar sind.

Optionen für die Lösung des Winterstrom-Problems

Es gibt diverse Möglichkeiten, um die Versorgung mit Winterstrom zu gewährleisten; diese werden im Folgenden erläutert. Es ist zu erwarten, dass eine geeignete Kombination solcher Möglichkeiten gewählt werden muss und wird.

Erneuerbare Energien

Der wohl wichtigste Lösungsbeitrag muss der Ausbau der erneuerbaren Energien sein, und zwar mit einem Fokus auf Windenergie, die einen viel höheren Anteil an Winterstrom liefern kann als die Solarenergie. Natürlich muss auch mit Windflauten gerechnet werden, weswegen Windstrom nur einer von mehreren Lösungsbeiträgen sein kann. Beispielsweise können Wasser-Speicher geschont werden in Wochen mit gutem Windstromangebot, um dann Windflauten zu überbrücken. Dann trägt Windstrom indirekt auch zur Versorgung zu anderen Zeiten bei.

Der weitere Ausbau der Photovoltaik sollte so gestaltet werden, dass der Anteil des Winterstroms möglichst groß ausfällt. Die Möglichkeiten hierfür wurden oben ausgeführt.

Verschiedene Formen von Biomasse, beispielsweise Holz, eignen sich mehr oder weniger gut zur Speicherung und zur Stromgewinnung im Winter. Hilfreich könnte die Entwicklung von Anlagen für Kraft-Wärme-Kopplung mit Holz sein. Weitere Möglichkeiten gibt es mit Biogas. Allerdings ist zu beachten, dass grundsätzlich die Potenziale für die Herstellung von Biomasse begrenzt sind und häufig negative Umweltauswirkungen schwer vermeidbar sind.

Gaskraftwerke

Es wird erwogen, zusätzliche Gaskraftwerke für die Vermeidung von Winterstrom-Lücken zu errichten – beispielsweise in der Schweiz. Denkbar wäre hier die zusätzliche Nutzung der Abwärme (→ Kraft-Wärme-Kopplung) für eine erhöhte Energieeffizienz, was durch den Betrieb vorzugsweise im Winter erleichtert würde, aber trotzdem nicht unbedingt einfach ist. Die Nachteile einer solchen Strategie mit Gas als Brückenlösung sind,

• dass damit erhebliche CO₂-Emissionen für viele Jahre festgeschrieben werden und nebenbei zusätzliche Methan-Emissionen bei der Gewinnung und dem Transport des Erdgases verstärkt werden,
• dass die politisch bedenkliche Abhängigkeit von gewissen Gaslieferanten noch intensiviert wird, und
• dass die Anstrengungen zum Ausbau der erneuerbaren Energien dadurch womöglich nachlassen.

Ein wichtiger Aspekt wäre in diesem Zusammenhang, ob die Kraftwerke nur als Notreserve vorgesehen werden (für den Einsatz nur an wenigen Tagen im Winter), was die Amortisation der Investitionen freilich schwierig macht, oder für die Produktion erheblicher Strommengen in jedem Winter.

In ferner Zukunft könnten solche Gaskraftwerke mit Wasserstoff oder mit synthetischem Methan betrieben werden, die im Sommer erzeugt und gespeichert werden. Der Zyklenwirkungsgrad ist allerdings sehr bescheiden bei dieser Methode, z. B. bei 20 bis 30 %.

Kernkraftwerke

Eine kostengünstige Lösung wäre der Weiterbetrieb von bestehenden Kernkraftwerken über das bisher vorgesehene Abschaltdatum hinaus, womöglich mit Betrieb nur in den Wintermonaten. Dies wirft jedoch vor allem sicherheitstechnische Fragen auf, nachdem die Sicherheitstechnik alter Kraftwerke ohnehin schon lange nicht mehr den Anforderungen an neue Kraftwerke (basierend auf inzwischen gemachten Erfahrungen) entspricht. Selbst ein mittelschwerer Atomunfall mit an sich einigermaßen verkraftbaren Folgen könnte mangels gesellschaftlicher Akzeptanz eine sofortige Abschaltung der restlichen Kernkraftwerke erzwingen, womit dann plötzlich die eingeplanten Mengen von Winterstrom entfielen und die Gefahr von Stromausfällen abrupt anstiege. Außerdem würde ähnlich wie bei Gaskraftwerken die Gefahr bestehen, dass der Ausbau der erneuerbaren Energien weiter verzögert wird.

Neue flexible Stromverbraucher

Im Rahmen der kommenden Sektorkopplung werden Wasserstoff und davon abgeleitete Substanzen (etwa Ammoniak oder Synthesekraftstoffe) nicht bedarfsabhängig produziert werden, sondern mehr orientiert am jeweiligen Stromangebot. Die erzeugten Substanzen werden dann gelagert, bis sie benötigt werden. Beispielsweise könnte synthetisches Kerosin für Flugzeuge vorzugsweise im Sommer mit anders schwer verwertbaren Solarstrom erzeugt werden, und die Speicherung dieses Kraftstoffs über Monate wäre weitaus einfacher und kostengünstiger als die Speicherung der dazu verwendeten Strommengen.

So könnte der Stromeinsatz zwecks Dekarbonisierung weiterer Sektoren ausgeweitet werden, ohne den Bedarf an Winterstrom maßgeblich zu erhöhen. Je stärker die Rolle der Photovoltaik im Vergleich zur Windenergie werden soll, desto mehr werden solche Optionen benötigt.

Stromnetze

Wesentlich verstärkte Übertragungskapazitäten zwischen den europäischen Ländern in Form eines Supergrids auf der Basis von Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) könnten die Winterstrom-Problematik wesentlich mildern, insbesondere durch die verstärkte Nutzung von Speicherkraftwerken in Norwegen, die auch noch ausgebaut werden könnten. Ein gewisser Trend in diese Richtung ist schon seit Jahren zu beobachten, und dürfte zukünftig noch wesentlich stärker werden. Dies liegt daran, dass die Möglichkeiten der Winterstrom-Produktion in Skandinavien dermaßen viel günstiger sind als in Mitteleuropa, sodass die Kosten und die moderaten Energieverluste des Langstrecken-Transports vergleichsweise wenig ins Gewicht fallen. Um das Potenzial für Winterstrom aus Norwegen zu maximieren, könnte man dieselben Leitungen für die Lieferung von Solar-Sommerstrom in den Norden nutzen: Die Wasser-Reservoirs sollten bis zum Herbst jeweils möglichst stark gefüllt sein, indem man den norwegischen Strombedarf im Sommer nicht damit, sondern mit Strom aus dem Süden deckt.

Energieeffizienz

Da der Ausbau der Erzeugungskapazitäten für Winterstrom nicht einfach ist, sollte besonders im Winter auf eine maximale Energieeffizienz geachtet werden, um den Bedarf zu minimieren. Beispielsweise sollten Elektroheizungen, die die elektrische Energie prinzipbedingt ineffizient nutzen, mehr und mehr durch Wärmepumpenheizungen ersetzt werden. Mit dieser Strategie lässt sich ein Mehrfaches an Häusern mit der gleichen Strommenge wie zuvor beheizen.

Auch bei Wärmepumpen sollte die Effizienz sorgfältig optimiert werden. Beispielsweise sollten wo immer möglich Wärmepumpen mit Erdwärmesonde installiert werden anstelle von Luft/Wasser-Wärmepumpen. Die letzteren werden nämlich gerade an den kältesten Tagen, wo es am ehesten zu Engpässen kommt, relativ ineffizient – wenn auch lange nicht so sehr wie Elektroheizungen. In jedem Fall sollte die Technik sorgfältig optimiert werden, beispielsweise betreffend die Dimensionierung, die Vorlauftemperatur des Heizungssystems sowie die Einstellung.

Ferner sollte der Heizwärmebedarf der Gebäude minimiert werden, um den zusätzlichen winterlichen Strombedarf zu begrenzen. Dafür ist insbesondere die energetische Sanierung von Gebäuden sehr wichtig. In vielen Fällen wird nur nach dem Anbringen einer ausreichenden Wärmedämmung eine Wärmepumpenstrategie überhaupt sinnvoll sein, weil sonst die benötigte Vorlauftemperatur zu hoch ist und deutlich mehr Erdwärmesonden benötigt werden.

Vorteilhaft ist bei Verwendung von Erdwärmesonden die sommerliche "Regeneration", d. h. die Einspeisung überschüssiger Wärme, sodass das Erdreich bei Beginn der nächsten Heizperiode nicht allzu kalt ist. Solche Wärmeüberschüsse fallen insbesondere an, wenn eine freie Kühlung über eine Fußbodenheizung praktiziert wird. Dieser Ansatz verursacht einen sehr moderaten zusätzlichen Stromverbrauch im Sommer, der energiewirtschaftlich ohnehin wenig problematisch ist, und kann den Verbrauch an Winterstrom spürbar reduzieren.

Der Energieverbrauch für Beleuchtung ist im Winter größer und von daher ebenfalls von Bedeutung. Er hat vor allem durch die nun breite Verwendung von LED-Technik vielerorts abgenommen, soweit die kostengünstigere Beleuchtung nicht zu deren verstärktem Einsatz geführt hat. Solche Rebound-Effekte sollten soweit möglich vermieden werden.

Stromtarife

Stromtarife sollten grundsätzlich so ausgestaltet werden, dass sie energiewirtschaftlich vernünftige Anreize setzen. Bislang ist teils sogar das Gegenteil der Fall; beispielsweise werden ineffiziente Elektroheizungen begünstigt durch Spartarife, obwohl sie überproportional zum Bedarf an Winterstrom-Kapazitäten beitragen.

Zukünftig könnten Stromtarife vermehrt auch eine saisonale Komponente enthalten, soweit sie nicht ohnehin flexibel zeitlich variabel werden. Allerdings sind die Möglichkeiten begrenzt. Beispielsweise möchte man den Ersatz von Öl- und Gasheizungen durch Elektrowärmepumpen nicht übermäßig behindern durch im Winter höhere Stromtarife.

Siehe auch: elektrische Energie, saisonaler Energiespeicher, Versorgungssicherheit, Elektrifizierung