Mit dem Fortschreiten der Energiewende im Stromsektor und dem Umbau im Deutschen Kraftwerkspark gewinnt die Frage nach der Spitzenlastdeckung zu Zeiten geringer erneuerbarer Stromerzeugung an Bedeutung. Für Zeiten mit gleichzeitig geringer Solar- und Windstromproduktion hat sich, inzwischen sogar international der Begriff “Dunkelflaute” etabliert. Es gibt dazu inzwischen eine Reihe von Studien und Definitionen aber auch immer noch viele Unklarheiten wie denn so eine klassische Dunkelflaute eigentlich aussieht und wie häufig man ihr begegnet. Ich möchte hier nochmal einen weiteren Ansatz vorstellen sich dem Begriff zu nähern und zu zeigen wie die solche Events strukturiert sind. Darauf wie sich der Bedarf in solchen Zeiten verhält und wie Dunkelflauten mit Flexibilitätsoptionen überbrückt werden können, gehe ich in diesem Post explizit nicht ein, da das hier den Rahmen sprengen würde.

Erzeugungsprofile für PV und Wind

Als Einstieg zeige ich zwei “Heatmaps” für die Erzeugungsprofile für PV und Wind (On- & Offshore) für das Jahr 2025. Bei der PV-Erzeugung ist sehr klar die tägliche Schwankung aber auch eine saisonale Variabilität zu erkennen , wobei es auch im Frühling oder Sommer Zeiten gibt in denen Ertragsschwache Phasen auftreten. Bei der Windstromproduktion ist sind die folgen Fluktuationen längeren Intervallen, es gibt aber auch hier eine gewisse Saisonalität mit Schwachwindpahsen im Frühjahr und Sommer sowie Starkwindphasen im Herbst und Winter. Das entspricht auch in etwa dem typischen Profil in anderen Jahren, im Detail kann die Verteilung aber auch anders aussehen.

Kombiniert man die Profile für PV und Wind erhält man das Summensignal für fluktuierende erneuerbare Erzeugung. Hier ist bereits gut zu erkennen, dass die PV- und Windstromerzeugung sich ein Stück weit komplementär verhalten. Im nachfolgenden Diagramm sind in Bezug auf die Jahreshöchstlast Zeiträume mit einem Schwellwert kleiner 10% als schwarze “Dunkelflauten” markiert, wobei es keine fest stehende Definition dafür gibt, ab welchem Schwellwert von einer Dunkelflaute zu sprechen ist.

Kapazitätsfaktoren als Vergleichsmaß

Wichtig für die Identifikation von Dunkelflauten sind aber nicht nur die Leistungswerte einer einzelnen Technologie, sondern das Zusammenspiel aus PV und Wind. Außerdem wird häufig ein relativer Wert genutzt der die erzeugte Momentanleistung ins Verhältnis zu aktuell installierte Leistung setzt. Dieser Wert wird üblicherweise als Kapazitätsfaktor bezeichnet und erlaubt damit auch den Vergleich unterschiedlicher Technologien und Zeiträume untereinander.

Die sortieren Kapazitätsfaktoren (KF) der drei Technologien für wetter-abhängige Stromerzeugung zeigen in den Jahren 2023 bis 2025, dass Wind-Offshore die gleichmäßigste Erzeugung liefert, aber auch hier am “Ende” der Kurve Zeiten mit sehr geringem KF vorkommen. Wind-Onshore liegt dann zwischen Wind-Offshore und PV. Im Diagramm oben sind zusätzlich die Jahresmittelwerte als gepunktete Linie eingezeichnet. Relevant für die Dunkelflaute ist der kombinierte Kapazitätsfaktor für fluktuierende erneuerbare Energien, hier mit der englischen Abkürzung VRES (variable renewable energy sources) in grau markiert. Auch wenn in der Darstellung als Dauerlinie der zeitliche Verlauf verloren geht, erkenn man gut, dass in der Kombination der drei Erzeugungsarten die Extremwerte reduziert werden.

Eine Analyse der Häufigkeit bestimmter KF-Viertelstundenwerte zeigt, dass Werte gleich kleiner 0,1 (im Diagramm mit englischem Dezimaltrenner) in 30% der Viertelstunden im betrachteten 3-Jahreszeitraum auftreten, also vergleichsweise häufig sind. Es ist aber zu berücksichtigen, der der durchschnittliche KF in diesem Zeitraum bei 0,16 liegt und ein Schwellwet für einen Kapazitätsfaktor von 0,1 vergleichsweise dicht am Jahresmittwert liegt und damit vielleicht nicht unbedingt dafür geeignet ist, Phasen mit geringer EE-Erzeugung zu indizieren. Es ist hier auch zu berücksichtigen, dass im Vergleich zur Heat-Map oben der Bezugwert die installierte Leistung ist und der Kapazitätsfaktor auf die installierte Leistung abstellt. Es muss also immer explizit dazu geschrieben werden, worauf sich ein Schwellwert im Detail bezieht.

Zur Bestimmung einer kritischen Länge von Dunkelflauten kann die obige Abbildung genutzt werden in der in Abhängigkeit vom KF-Schwellwert einmal die maximale Eventlänge (blaue Linie) und einmal der für diesem Zeitraum mittlere KF (orangene gestrichekte Linie) dargestellt sind. Die Abbildung ist dabei so zu lesen, dass bei einem KF-Schwellwert von 0,16 (entspricht dem Jahresmittelwert), das längste Event im Betrachtungszeitraum 264h lang ist. D.h. Es gibt maximal 264 Stunden am Stück mit einem KF von kontinuierlich kleiner gleich 0,16. An diesem Punkt beträgt dann der mittlere KF über diese 264h knapp 0,06.
Über den gesamten Verlauf der beiden Kurven ist zu erkennen, dass für ein KF-Schwellwert von ca. 0,12 die maximale Eventlänge bei ca. 168h also einer Woche liegt und der mittlere Event-KF bei noch höheren Schwellwerten (nach einem kurzen Einbruch) nicht mehr weiter ansteigt. Für noch längere Betrachtungszeiträume macht es dann keinen großen Unterschied mehr.

Da Dunkelflauten also auf einer Zeitskala von Tagen bemessen werden sollten, wurde auch noch einmal eine Häufigkeitsanalyse für die Tagesdurchschnitte eines gewichteten KF für die Erzeugung aus variablen Erneuerbaren berechnet, wobei zur Wichtung die installierte Leistung der drei Technologien genutzt wurde. Im Vergleich zum Histogramm der Viertelstundenwerte fällt zuerst auf, dass die Klasse von 0,00 bis 0,01 gar nicht besetzt ist, es also keinen Tag gab an dem der gewichtete KF im Schnitt unter 1% lag. Weiterhin unterscheidet sich dich Häufigkeitsverteilung darin, dass Tagesmittelwerte bis 5% sind und das Gros zwischen 10% und 20% liegt. Die Tagesmittelwerte weisen also eine deutlich geringere Streubreite auf, was erwartungsgemäß aus der Mittelwertbildung flogt. Gerade im Hinblick auf die Diskussion mit welchen Technologien Dunkelflauten begegnet werden soll, und bei der der grundsätzliche Unterschied zwischen Energiespeichern die wieder beladen werden müssen und Spitzenlasterzeugern die einen länger abrufbaren Brennstoff nutzen eine Rolle spielt, sind also besonders Phasen interessant in denen mehrere Tage am Stück ein niedriges Erzeugungsniveau aus PV und Wind vorliegt.

Extremereignisse in den Jahren 2023 bis 2025

Um Zeiten mit mehrtägigen erzeugungsschwachen Phasen zu identifizieren, wurde hier beispielsweise der gleitende 10-Tägige Mittelwert des KF über einen Zeitraum von 3 Jahren aufgetragen und die jeweils 5 Phasen mit höchster (max#) und niedrigstem (min#) mittleren Kapazitätsfaktor identifiziert. Das Event min#0 tritt hier November 2024 deutlich hervor, wobei der KF in diesem Event über 10 Tage im Schnitt nicht über 0,05 hinaus kommt, also ca. nur ein Drittel des Jahresmittels beträgt.

In der Detailansicht für das Event min#0 ist noch einmal die zeitliche Struktur dargestellt. Auch wenn es sich hier um den Zeitabschnitt mit dem im Mittel niedrigsten KF handelt gibt es aber auch immer Wieder Abschnitte in denen die Erzeugung kleine Zwischenhochs hat und nicht kontinuierlich niedrig ist.

Dass solche Events aber auch anders strukturiert sein können, zeigt die Detailabbildung für das Event min#2, bei dem nach zwei ausgeprägten Zwischenhochs am Anfang der Periode, der KF mehrere Tage am Stück um bzw. unterhalb des mittleren KF für das Event liegt.

Fazit

Dunkelflauten sind per se nicht einfach zu definieren und es sollte daher immer transparent dargestellt werden welcher Schwellwert genutzt wurde und worauf er sich bezieht, um dann Häufigkeit und Dauer von Dunkelflauten richtig einordnen zu können. Auch wenn der Begriff die grundsätzliche Problematik geringer gleichzeitiger PV- und Windstromproduktion sehr gut auf den Punkt bringt, ist es im Detail anspruchsvoller Dunkelflauten quantitativ zu bestimmen und daraus relevante Ableitungen zu treffen.