Spätestens mit dem Pariser Klimaabkommen 2015 hat die Menschheit verstanden, dass die ambitionierte Senkung der Treibhausgasemissionen entscheidend für die Ausprägung des künftigen Weltklimas sein wird. Wesentliches Element dieses Bestrebens ist der Ersatz fossiler, kohlenstoffhaltiger Energieträger wie Kohle, Öl und Erdgas zugunsten kohlenstofffreier Energieträger und die stärkere Nutzung elektrischen Stroms, gewonnen aus ebenfalls kohlenstofffreien Energieträgern. Begrifflich werden diese Energien als „Erneuerbare“ bezeichnet, wenn auch physikalisch nicht korrekt.
Spätestens mit dem Pariser Klimaabkommen 2015 hat die Menschheit verstanden, dass die ambitionierte Senkung der Treibhausgasemissionen entscheidend für die Ausprägung des künftigen Weltklimas sein wird. Wesentliches Element dieses Bestrebens ist der Ersatz fossiler, kohlenstoffhaltiger Energieträger wie Kohle, Öl und Erdgas zugunsten kohlenstofffreier Energieträger und die stärkere Nutzung elektrischen Stroms, gewonnen aus ebenfalls kohlenstofffreien Energieträgern. Eine wichtige Rolle spielen hierbei die Umwandlung von Bewegungsenergie des Wassers und des Windes in entsprechenden Turbinen sowie die Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne in Strom mittels Photovoltaikmodulen. Begrifflich werden diese Energien als „Erneuerbare“ bezeichnet, wenn auch physikalisch nicht korrekt. Quasi die Nutzung von im Überfluss vorhandener Energie ohne Ressourcenverbrauch.
Deutschland hat sich für die Stromerzeugung vorgenommen, im Wesentlichen auf die Energie der Sonne und des Windes zu setzen. Die Nutzung der Wasserkraft durch Laufwasserkraftwerke und Pumpspeicher ist aufgrund der topologischen Bedingungen und ökologischen Auswirkungen begrenzt und nur geringfügig erweiterbar. Gegenwärtig trägt sie etwa 6 % des Strombedarfs bei.
Biogas, gewonnen aus Verrottung von biologischen Abfällen, zählt auch zu den erneuerbaren Energien, wobei die hier verbundenen Treibhausgasemissionen nicht gering sind. Langfristig soll deshalb die Bedeutung von Biogas zur Stromerzeugung zurückgefahren werden.
Abbildung 1 Die Nutzung der Geothermie ist in Deutschland äußerst gering, teils aus geologischen, teils auch aus Gründen der Wirtschaftlichkeit. Ich gehe hier nicht weiter auf diese Möglichkeit der Wärmeenergiegewinnung ein.
Deutschland hat sich selbst per Gesetz verpflichtet, bereits im Jahr 2045 klimaneutral zu werden, fünf Jahre früher, als die EU sich vorgegeben hat. Bis 2045 gilt daher in Deutschland das nicht infrage gestellte Ziel, die Stromerzeugung zu 100 % auf die Nutzung erneuerbarer Energien umzustellen.
Sonne und Wind werden als volatile Energiequellen bezeichnet, weil sie stark schwanken. Deren Intensität lässt sich vom Zeitraum her über die Genauigkeit von Wettervorhersagen abschätzen, ist aber nicht langfristig planbar bzw. gesichert verfügbar.
Heftige Diskussionen entbrennen ob der Frage, ob eine Industrienation wie Deutschland seine Stromerzeugung hauptsächlich auf Sonnen- und Windenergie stützen kann, dabei seine sehr hohe Versorgungssicherheit weiter gewährleisten kann und das Ganze bezahlbar bleibt, also die Energiekosten für Verbraucher auf einem international wettbewerbsfähigen Niveau gehalten werden können.
Im Kontext der Stromversorgung ist zu beachten, dass diese bisher nur knapp 16 % des gesamten Primärenergiebedarfs in Deutschland ausmacht (siehe Abbildung 1).
Der Anteil erneuerbarer Energien am Primärenergiebedarf beträgt knapp 20 % und soll bis zum Erreichen der Klimaneutralität im Jahr 2045 die gegenwärtig hohen Anteile Mineralöl (36,3 %), Erdgas (24,7 %) und Kohle (16,5 %) weitestgehend ersetzen. Als stofflicher Energieträger der Zukunft ist Wasserstoff angedacht, der im Verkehr, bei der Herstellung von Prozesswärme und synthetischen Brennstoffen sowie bei der Stromerzeugung benötigt werden wird.
Das Ersetzen von Kohle, Öl und Gas, die Elektrifizierung des Verkehrs und der Gebäudeheizung (mittels Wärmepumpe) wird in den kommenden Jahren für einen steigenden Strombedarf sorgen. Im aktuellen Netzentwicklungsplan (Szenariorahmen zum Netzentwicklungsplan Strom 2037/2045, Version 2025, publiziert Juni 2024), den die Betreiber der Stromübertragungsnetze mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) abstimmen, ist für 2045 je nach betrachtetem Szenario ein doppelter bis dreifacher Strombedarf gegenüber 2024 angesetzt. In Zahlen: 2024 betrug die Netzlast 462,5 Milliarden kWh und für 2045 werden im genannten Dokument Bedarfe von grob 900– 1300 Milliarden kWh erwartet. Einige Studien nennen sogar mögliche Strombedarfe von bis zu 1500 Milliarden kWh.
Bei der heimischen Nettostromerzeugung haben erneuerbare Energien in 2024 gemäß den Daten der Bundesnetzagentur einen Anteil von 59 % (2023: 56 %) erreicht (siehe Abbildung 2). Sonne und Wind kommen auf einen Anteil von 46,5 % (2023: 44 %).
Abbildung 2 Halten wir fest, was zum Ausbau der erneuerbaren Energien für das Erreichen der Klimaneutralität in 2045 erforderlich ist: Um die Stromversorgung auf 100 % erneuerbare Energien umzustellen, müsste der Anteil von Sonne und Wind am Strommix mindestens verdoppelt werden.
• • Der Stromverbrauch wird bis 2045 je nach betrachtetem Szenario auf das Doppelte bzw. bis zum Dreifachen von heute ansteigen.
Ergo müssen die Erzeugungsmengen von Photovoltaik (PV) und Windenergieanlagen (WEA) auf das bis zu 6–6,5-Fache von heute erhöht werden. Ein umfangreicher Zubau an Neuanlagen ist daher unumgänglich, der auch den Ersatz von Altanlagen einschließen muss. Durch Effizienzsteigerung bei den Solarmodulen und den WEA kann ein Teil des Zubaus kompensiert werden.
Die Energiewende stellt eine gewaltige Transformation des Energieerzeugungssystems dar. Während bisher mit steuerbaren Kraftwerken der Strombedarf zielgenau gedeckt wurde, wird es künftig ein wetterabhängiges Stromangebot geben, das durch vielfältige Sicherungsmaßnahmen justiert werden kann. Im Gegensatz zum bisherigen Kraftwerkskonzept stehen viele WEA, vor allem die Offshore-Anlagen, nicht in der Nähe der Verbraucher, sodass deren Strom über weite Strecken zu den Verbrauchern transportiert werden muss. Unter diese Sicherungsmaßnahmen fallen Speichersysteme, z. B. Batterien, um (Überschuss-)Strom zu speichern und in Tagesphasen zu nutzen, an denen nicht genügend Strom durch die Erzeugungseinheiten geliefert wird; • Elektrolyseure, die besonders in Phasen • mit Überschussstrom Wasserstoff aus Wasser erzeugen können. Dieser Wasserstoff könnte in Phasen mit erhöhtem Strombedarf wieder in Gaskraftwerken oder Brennstoffzellen „rückverstromt“ werden; • Großwärmepumpen, die in Überschussstromphasen Wärme erzeugen und in Wärmespeichern überführen für die Bereitstellung von z. B. Fernwärme; Infrastrukturmaßnahmen wie Bau von zusätzlichen Stromübertragungsleitungen sowie intelligenten Systemen der Strommessung und Laststeuerung.
• Die Nagelprobe, ob das neue Energieerzeugungssystem zuverlässig ist, zeigt sich in Extremsituationen, deren Eintrittswahrscheinlichkeit selten, aber jährlich erwartbar ist (im Promille- bis Prozentbereich). Gerade erst im November und Dezember 2024 traten in Deutschland sogenannte Dunkelflauten auf, also tagelange Schwachwindphasen bei sehr geringer Sonneneinstrahlung durch trübes Wetter und natürliche Nachtphasen. Eine wichtige Größe ist in diesem Zusammenhang die Residuallast, also die Differenz zwischen anstehender Netzlast und der Leistung, die die erneuerbaren Energien liefern können. In einer strengeren Definition werden für die erneuerbaren Energien nur die volatilen Anteile Photovoltaik und Windenergie berücksichtigt.
In Deutschland schwankt die Netzlast im Tagesrhythmus typischerweise um 20–25 GW mit dem Maximum um die Mittagszeit und dem Minimum in der Nacht. Das Jahresminimum 2024 lag im Mai bei 32,1 GW, während das Jahresmaximum im Januar bei 75,5 GW lag.
Im Jahr 2024 gab es 661 Stunden (7,5 %), in denen PV und WEA weniger als 10 % der Netzlast deckten, wobei die längste Phase ganze 54 Stunden betrug. Es gab 219 Stunden (2,5 %), in denen die Differenz zwischen Netzlast und der Leistung aller erneuerbaren Energien mehr als 50 GW betrug, einmal sogar 16 Stunden am Stück. Heute werden diese Unterdeckungen durch Importe und Zuschaltung von konventionellen Kraftwerken kompensiert. Im Jahr 2045 sollen diese Unterdeckungen ebenfalls durch Importe, durch Ausspeisung aus Batterien und durch Gaskraftwerke, betrieben mit grünem Wasserstoff, gedeckt werden. Allerdings bei einem dann um Faktoren höheren Strombedarf.
Eine eigene Simulation, basierend auf den realen Stromerzeugungsdaten des Jahres 2023, skaliert auf das Jahr 2045, zeigt die folgende Abbildung 3 für ein eher zurückhaltendes Szenario (Verdopplung der heutigen Netzlast mit plangerechtem Ausbau an erneuerbaren Energien). Residuallasten von bis zu 120 GW sind in diesem Szenario an einigen Tagen im Jahr möglich und müssen beherrscht werden. Sollte die Netzlast auf z. B. 1200 TWh oder mehr ansteigen, so werden immer wieder Residuallasten von deutlich über 150 GW auftreten.
Abbildung 3 | Simulationsrechnung für das Jahr 2045, in der die erzeugte Energiemenge durch Erneuerbare etwa der Netzlast entspricht (Referenzjahr 2023 – Datenquelle: Bundesnetzagentur, Website smard.de) Die jetzigen Plandaten und Studien für das Jahr 2045 zeigen nach Ansicht des Autors keine verlässliche Aussicht auf, um diese Residuallasten vollständig bedienen zu können. Gezielte regionale Stromabschaltungen wären dann in diesen mehrere Stunden dauernden Phasen unausweichlich.
Dieses Beispiel ist nur eines von vielen, das die großen Herausforderungen der Transformation des Energieerzeugungssystems plakativ aufzeigt.
Wesentliche Elemente der Transformation, für die es teilweise großflächig noch keine Erfahrungswerte gibt, sind: Der gewaltige, gerade grob quantifizierte Zubau an erneuerbaren Energien und die damit verbundene Handhabung von regionaler massiver Überproduktion an wind- bzw. sonnenreichen Tagen (speziell zur Mittagszeit).
• Ein Reservoir an Backup-Kraftwerken und Batterien wird benötigt, falls die erneuerbaren Energien den Strombedarf nicht decken können (nachts und in Schwach• windphasen). Wie groß müssten sie letztlich dimensioniert sein?
An sonnenintensiven Tagen werden wir viel mehr Strom produzieren, als wir nutzen und auch ggf. exportieren können. Neben Batterien sind hier zuschaltbare Verbraucher wie Elektrolyseure zur Wasserstofferzeugung und Wärmepumpen zur Speicherung von Wärme erforderlich.
• Unsere Stromnetze müssen für die Einspeisung von PV-Anlagen und WEA angepasst und verstärkt werden – auf allen Netzebenen, vom Höchstspannungsnetz bis zu den örtlichen Niederspannungs-Verteilnetzen.
• • Die Sicherung der Netzstabilität wird mittels Leistungselektronik gewährleistet werden müssen, da die bisher stützenden konventionellen Kraftwerke mit ihren trägen rotierenden Massen sukzessive wegfallen werden.
Regel- und Ausgleichsenergie: Welche Erzeuger können bei Spannungsabfall bzw. Netzfrequenzabweichung im Sekundenbereich Energie bereitstellen?
• Netzzustandsanalyse: Wie können wir bei Millionen an einspeisenden Anlagen ein zeitgenaues Monitoring bewerkstelligen?
• Netzbetreiber: Wie kann ein System mit Millionen an dezentralen Erzeugern bedarfsgerecht gesteuert werden? Wie sicher ist die Kommunikationsinfrastruktur gegen Störungen und Cyberangriffe?
• Schwarzstartfähigkeit nach Stromausfall: Mit welchen Anlagen bauen wir das Stromnetz (ohne konventionelle Kraftwerke) nach einem Stromausfall wieder auf?
• • In welchem Umfang und wie verlässlich kann das europäische Verbundnetz genutzt werden, um Überschüsse zu exportieren und bei Unterdeckung Strom zuzukaufen? Müssen zusätzliche Leitungen und Koppelstellen ins Ausland geplant, genehmigt und gebaut werden?
Die Transformation ist ein fragiles Unterfangen. Die Technologien existieren, aber ihre Funktionsfähigkeit im gemeinsamen Verbund und ihre Resilienz gegen Störeinflüsse ist größtenteils nicht gesichert bzw. unbekannt. Es gibt kein Land auf der Erde, das Erfahrungen in diesem Bereich mit überwiegend volatilen Energiequellen aufweist.
Neben technischen Herausforderungen gibt es weitere Unwägbarkeiten: Wird diese Transformation bis 2045 umzusetzen sein, um die gesetzliche Vorgabe der Klimaneutralität erfüllen zu können? Schon heute hinken wir den Ausbauzielen an erneuerbaren Energien und Stromnetzertüchtigung um Jahre hinterher.
• Die Transformation erfordert viele spezifische Investitionen, die refinanziert werden müssen. Wie wirkt sich die Transformation auf die Strompreise aus? Werden Industrie und Gewerbe mit Strom- bzw. Energiekosten kalkulieren können, die ihre internationale Wettbewerbsfähigkeit gewährleistet?
• Wie kann die Transformation bei „laufendem Betrieb“ unter Beibehaltung der Versorgungssicherheit umgesetzt werden?
• Ein Projektmanagement der Transformation existiert nicht. Wie stellen wir also sicher, dass das neue, sehr komplexe Energieversorgungssystem gut koordiniert aufgebaut wird und bei Plan• abweichungen Korrekturmaßnahmen veranlasst werden?
Wie viel Marktwirtschaft steckt im Aufbau des neuen Energieversorgungssystems? Oder kann es nur durch planwirtschaftliche Maßnahmen und staatliche Subventionen bewerkstelligt werden? Wer investiert in Anlagen, die bestimmungsgemäß nur einen kleinen Bruchteil der Zeit in Betrieb sind?
• Für viele dieser Fragen gibt es nur vage Antworten und Lösungsansätze. Alle bisherigen Regierungen beantworteten diese Fragen teils ausweichend, beschwichtigend oder übten sich in Durchhalteparolen. Eine vollumfängliche Kostenkalkulation und einen Budgetfahrplan bis 2045 gibt es nicht. Eine verantwortungsvolle Energiepolitik muss aber außer der Beachtung der Klimaziele das Wohl der Bürger und der eigenen Wirtschaft im Auge behalten. Die Erreichung der Klimaziele wird nur mit gesellschaftlicher Akzeptanz, Wohlstandswahrung und prosperierender Wirtschaft gelingen.
Schon heute gibt es allerdings klare Anzeichen, dass dieser Dreiklang nicht wie gewünscht funktioniert: Viele Menschen können sich aufwändige Gebäudesanierungen inkl. teurer Heizungsmodernisierung nicht leisten, trotz staatlicher Fördergelder.
• Die Elektromobilität hinkt den Zielvorgaben weit hinterher.
• Die Stromkosten werden aufgrund der riesigen Investitionen in die Transformation weiter steigen und Bürger und Wirtschaft belasten.
• Die Stromversorgung benötigt neben einer Überkapazität an erneuerbaren • Energien einen erheblichen Ausbau an Energiespeichern (vornehmlich Batterien) und eines Backup-Kraftwerksystems, das bis ca. 90 % der typischen Netzlast bedienen können muss. Diese Redundanzen treiben die Gesamtkosten in die Höhe.
• Energieintensive Unternehmen verlassen zunehmend das Land, weil die Energiekosten in vielen anderen Ländern deutlich niedriger und verlässlicher planbar sind.
Grüner Wasserstoff als Ersatz für Erdgas wird gemäß vieler Studien um ein Vielfaches teurer sein als der Weltmarktpreis für Erdgas. Da absehbar ist, dass wir die benötigten Mengen nicht selbst produ• zieren können, werden wir auf Importe angewiesen sein.
Investitionsanreize für Backup-Kraftwerke, Elektrolyseure und Brennstoffzellen fehlen, da eine wirtschaftliche Grundlage nur über üppige staatliche Subventionen kalkulierbar ist.
• Die staatlich geäußerte Erwartung, dass die Stromkunden (Haushalte, Gewerbe, Industrie) sich in ihrem Verbrauch flexibel dem Stromangebot anpassen, ist nicht nur ein Komfortverlust, sondern läuft den Erwartungen der Industrie auf eine verlässliche langfristige Energiekostenplanung zuwider.
Aus Sicht des Autors sollte eine künftige Regierung folgende zehn Sofortmaßnahmen mit Fokus auf die Stromerzeugung umsetzen: Die Liste ist sicherlich leicht um weitere Maßnahmen zu ergänzen. Zur Klarstellung: Der Ausbau erneuerbarer Energien ist im Hinblick auf Klimaschutz und Ressourcenschonung ein sehr vernünftiges Vorgehen, darf aber nicht zum Selbstzweck werden.
Ein Industrieland wie Deutschland, dessen Erfolg wesentlich durch sein hohes Bildungsniveau und Innovationskraft begründet wurde, braucht auch zukünftig eine gesicherte, günstige und verlässlich kalkulierbare Energieversorgung. Dies sollte prioritär zu den Klimaschutzzielen sichergestellt werden, damit Klimaschutzziele überhaupt erreicht werden können.
Die EU hat sich als Ziel zum Erreichen der Klimaneutralität das Jahr 2050 vorgegeben. Ab 2027 wird es einen umfassenden Zertifikatehandel für CO2-Emissionsrechte geben, der alle kritischen Sektoren (Energieerzeugung, Gebäude/Wärmeerzeugung, Verkehr) abdeckt. Wenn Deutschland bereits 2045 klimaneutral wird, wird das auf die klimawirksamen Emissionen in der EU keinen Einfluss haben, da andere EU-Länder die nicht verbrauchten Emissionszertifikate aus Deutschland bis 2050 nutzen werden. Vor diesem Hintergrund sollte Deutschland seinen Sonderweg aufgeben und mit dadurch freiwerdenden Finanzmitteln seine Wirtschaft stärken.
Zur Person
Dr. Robert Koch ist Dipl.-Physiker und ehemaliger Manager in der kerntechnischen Industrie. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in Technik, Entwicklung, Vertrieb und Projektmanagement von Kernbrennstoffen in Europa.