Nachfrageflexibilität: So hilft Lastverlagerung in der Dunkelflaute
Um die Stromnachfrage während Dunkelflauten zu decken, ist nicht nur das Angebot entscheidend. Auch eine Senkung der Stromnachfrage selbst, kann die Residuallast senken.
Residuallast senken mit flexibler Nachfrage
Stromerzeugung und -verbrauch müssen physikalisch immer im Gleichgewicht stehen. Bisher wurde hauptsächlich die Kraftwerksleistung an den Verbrauch angepasst, also die Produktionsseite beeinflusst. Künftig wird auch die Rolle flexibler Nachfrage relevanter, was dank Digitalisierung und Energiemärkten weitgehend automatisch erfolgt. Demand flexibility wird oft auch Lastverlagerung oder Demand Response genannt. Diese Begriffe bedeuten, dass Stromverbrauch nicht starr ist, sondern in der Zeit bewegt werden kann. In einer Dunkelflaute, das ist einer Phase mit wenig Wind und wenig Sonne, steigt die sog. Residuallast (ungedeckter Reststrombedarf). Diese bezeichnet den Anteil des Stromverbrauchs, der nicht durch erneuerbare Energien wie Sonne und Wind gedeckt wird und daher mit Speichern, Importen oder eben konventionellen Kraftwerken ausgeglichen werden muss.
Je höher die Residuallast ist, desto stärker müssen steuerbare Kapazitäten einspringen. Die Stromerzeugung ist dann teurer, der Strompreis oft höher. Sehr flexible Nachfrager werden solche Zeitfenster ohnehin von sich aus meiden. Wenn viele flexible Verbraucher in genau diesen Stunden kurz pausieren oder drosseln, sinken diese Lastspitzen. Dadurch brauchen wir weniger Residuallastkraftwerke und reduzieren direkt die Kosten- und Risikospitzen im System.
Entscheidend dabei ist, dass das Ziel nicht die Senkung des Gesamtverbrauches ist, sondern die Verschiebung in Zeitfenster mit hoher erneuerbarer Stromerzeugung und geringer Nachfrage. (z.B. in Phasen mit viel Wind und Sonne. Dort ist Stromüberschuss, daher sinken die Preise. Dabei gibt es je nach Dauer unterschiedliche Typen der Lastverlagerung.
Kurzfristige Lastverlagerung
Wichtig zu wissen ist, dass der Stromverbrauch nicht einfach ‚ausbleibt‘. Der Verbrauch findet dann früher oder später statt, also zu Zeiten, in denen die Residuallast niedriger ist, das System entspannter läuft und tendenziell der Strom günstiger ist.
Innerhalb einer Dunkelflaute kann das bedeuten: Wir vermeiden die teuersten zwei bis drei Stunden am frühen Abend und schieben den Verbrauch in ein Nacht- oder Morgenfenster, in dem die Last insgesamt geringer ist. Das glättet die Residuallastkurve, reduziert Preisspitzen und entlastet kritische Netzelemente. Das ist kurzfristige Lastverlagerung. Sie nutzt vorhandene Puffer in Prozessen – z.B. thermische Speicher (vorgekühlte Kühlhäuser, vorgeheizte Gebäude), Produktionspuffer (Zwischenlager) oder elektrische Speicher im weitesten Sinn (Batterien in Fahrzeugflotten). Diese Art der Lastverlagerung wird weitgehend automatisch durch Energiepreise gesteuert, die für jede Viertelstunde des Folgetags bekannt sind.
Lebensmittel-Kühlketten
Supermärkte, Lagerräume und Großlager Kälteanlagen vorzukühlen (z. B. nachts/frühmorgens) erlauben es, während Preisspitzen für einige Stunden den Bezug zu drosseln und dennoch die Temperaturen im zulässigen Bereich zu halten.
Gebäudetechnik und Wärmepumpen
Diese flexiblen Verbrauchseinrichtungen werden in der Lage sein, große Energiemengen zeitlich zu verschieben. Ein Verbraucher kann das Aufladen eines Elektroautos z.B. von 19:00 Uhr auf 3:00 Uhr verschieben, wenn die nächste Fahrt erst am folgenden Morgen um 8:00 Uhr geplant ist. Das Energiemanagementsystem oder die App des Fahrzeugs übernimmt die Steuerung. Auch Wärmepumpen erzeugen Wärme außerhalb der Residuallastspitzen. Die dann erzeugte Wärme wird in Wärmespeicher eingespeist, die während Residuallastspitzen Wärme bereitstellen.
Industrieöfen und E-Boiler
Die Aluminium-, Stahl-, Chemie-, Glas-, und Keramikindustrie hat viele Großverbraucher, von denen viele flexibilisierbar sind. Ein sehr bekanntes Beispiel ist TRIMET Aluminium in Deutschland mit der „Virtuellen Batterie“: Die Schmelzöfen der Aluminiumherstellung (Elektrolysezellen) werden so gefahren, dass sie ihre elektrische Leistung zeitweise um einen spürbaren Anteil nach oben oder unten modulieren können, ohne die Produktqualität zu gefährden. In Flauten oder Preisspitzen wird Leistung abgesenkt, in günstigen Stunden wird nachgefahren. So stellt TRIMET flexible Last für den Markt (u. a. Regelleistung) bereit und hilft, Residuallastspitzen zu glätten.
Vorwärmprozesse und Power-to-Heat in der Fernwärme
In der Fernwärme können Temperaturpuffer genutzt und ggf. vorgeladen werden. Power-to-Heat-Anlagen (z.B. elektrische Heizer) können in Spitzen so ihre elektrische Leistung kurz absenken.
Druckluftsysteme
Kompressoren in Produktionsbetrieben erzeugen in Zeiten mit niedriger Residuallast einen „Vorrat“. Damit müssen sie in Hochlastfenstern nur minimal nachzufahren.
Wasser/Abwasser
Hochbehälter von Stadtwerken können vor Knappheiten am Strommarkt stärker befüllt werden. Während der Residuallastspitzen läuft dann der aufgefüllte Vorrat genutzt, ohne ein Hochpumpen. Auch Kläranlagen können energieintensive Belüftungsphasen verschieben.
Rechenzentren – Verschiebung von non-urgent Workloads
Bestimmte Rechenprozesse wie Caching, ETL-Pipelines, Backups, Modell-Retraining können verschoben oder zeitlich gestaffelt werden. Zudem können Rechenzentren kurzzeitiges Throttling in Preisspitzen anwenden (Taktraten reduzieren). Diese Rechenprozesse können international verlagert oder nachgeholt werden, wenn Strom nicht knapp ist.
Papier-/Zement-Mühlen
Der Mühlenbetrieb wird über die Schicht verteilt, in Peak-Zeitfenstern wird er reduziert. Zwischenlager puffern den Materialfluss ab.
Langfristige Lastverschiebung
Die nächste Stufe ist die längerfristige Lastverlagerung: Manche Stromverbräuche können um 12, 24 oder sogar 48 Stunden geschoben werden. Das ist besonders wertvoll bei kürzeren Dunkelflauten oder am Ende einer Dunkelflaute. Auch hier sind es die Energiemärkte und Prognosen in der Energievermarktung, die die Lastverschiebung steuern, bzw. die Signale geben, um Produktionsprozesse oder Abläufe anzupassen, weil dies Kosten sparen kann.
Wenn der Wind wieder zunimmt, die Börsenpreise fallen und erneuerbarer Strom wieder reichlich vorhanden ist, werden diese verschobenen Lasten gezielt nachgeholt oder in manchen Fällen auch gezielt vorgezogen. Solche flexiblen Lasten sind Elektrolyseure für die Wasserstoffproduktion, Großwärmespeicher in der Fernwärme, manche Rechenzentren und nicht-dringende industrielle Chargenprozesse. In gewissen Grenzen sind auch die Depots großer E‑Bus- und Logistikflotten mehrtägig flexibel, z.B. an Wochenenden. Ergebnis: Wir verbrauchen mehr Strom genau dann, wenn das Angebot wieder groß und günstig ist, und weniger Strom genau dann, wenn sich Knappheit im System abzeichnet. So hilft Demand flexibility ganz praktisch, sicher durch eine Dunkelflaute zu kommen.
Elektrolyse/H₂-Produktion
Die Produktion von Wasserstoff findet aus Kostengründen grundsätzlich in Zeiten mit einer hohen Produktion an erneuerbaren Strom. Während der Flaute weitgehend drosseln; Produktion auf windreiche Tage nach der Flaute verschieben („H₂-Follow-Wind“).
Fernwärme mit Großspeichern
Ladephasen von Wärmespeichern (Heißwasser/Stahlspeicher) können gezielt vor und nach der Flaute vorgesehen werden. Während der Flaute werden Speicher entladen und elektrische Wärmeerzeuger minimiert. Großwärmepumpen in können dann in lastarmen Zeiten der Dunkelflaute hochgefahren werden.
Industrielle Batch-Prozesse (Chemie, Pharma, Lebensmittel.)
Nicht-zeitkritische Chargenproduktion können planbar um 12-72 Stunden verschoben werden. Zeitunkritische energieaufwendige Reinigungen und Sterilisationen finden nach Dunkelflauten statt.
Bau- und Materialtrocknung
Elektrische Trocknung und Heizkanonen im Zeitplan könnten so gestaffelt werden, dass Energiespitzen vermieden werden und Hauptlast in windreiche Tage fällt.
Landwirtschaftliche Verbräuche
Insbesondere die Belüftung, Trocknung oder Mahlen von Getreide, sowie Schaltzeiten von Bewässerungspumpen, Kühlhäusern, etc. können zeitlich verschoben werden.
Rechenzentren – HPC/Rendering
Zeitunkritische KI-Trainings-/Simulationsjobs oder Renderings könnten bewusst hinten anstellt werden.
Long-term heat storage
Die Langzeitwärmespeicher werden während Zeiten solarer Einstrahlungsspitzen (Sommer und Herbst) sowie während Windspitzen bei Stürmen erhitzt und geben die Wärme während Dunkelflauten ab. Strom zur Wärmeerzeugung kann dann während der Dunkelflauten eingespart werden.
Pumpbetrieb bei Grubenwasserhaltung
Die Grundwasserabsenkung oder das Grubenwassermanagement kann preis- und prognosegeführt gesteuert werden. Vor der Dunkelflaute wird der Wasserstand mit drehzahlvariablen Pumpen gezielt abgesenkt, um Pegelreserve aufzubauen. Während teurer Flautenstunden wird die Förderung von Grubenwasser oder die Grundwasserabsenkung innerhalb der Genehmigungsgrenzen gedrosselt und später in günstigen Zeitfenstern nachgeholt.
„Nachfrageseitige Flexibilität ist ein Gamechanger für das Energiesystem. Sie ist der Schlüssel, um die globale Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu beenden.“
Fuel Switch ist keine zeitliche Lastverlagerung, ist aber dennoch wichtig und sollte daher hier erwähnt werden. Beim Fuel Switch wird in Knappheitszeiten mit hohen Stromkosten der Brennstoff geändert. Beispielsweise wird dann Prozesswärme während Dunkelflautenphasen durch Gas oder Holz statt durch Strom erzeugt, wenn deren Preise günstiger sind. Das funktioniert natürlich nur in Anlagen, die die technischen Voraussetzungen dafür vorhalten.
Safely through the dark doldrums: the two-page guide
The fact paper "Dark doldrums" shows on two pages how dark doldrums can be overcome today, tomorrow and the day after tomorrow. Which fuels will we use? Which technologies will be used? How will battery storage help? How will biogas develop over the next few years? We have summarised the most important points on this website for you.