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Paul Langrock / Zenit / laif – Ein Tunnel im Berliner Untergrund verbindet Friedrichshain und Marzahn per Stromautobahn. Ein Netzingenieur auf Inspektionstour

24.9.2013 | Von:
Hans-Peter Beck
Jens-Peter Springmann

Das Stromnetz im Zeichen der Energiewende

Technische Grundvoraussetzungen

Frequenzstabilität im Verbund

Nur wenig Stromausfälle in DeutschlandNur wenig Stromausfälle in Deutschland
Der elektrische Strom muss möglichst störungsfrei zum Verbraucher gelangen. Dazu dient das Stromnetz, das unter anderem aus Freileitungen, Kabeln, Transformatoren und Schaltern besteht. Es leitet elektromagnetische Wellen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und einer Wellenlänge von 6000 km bei 50 Hz Netzfrequenz weiter. Stromangebot und -nachfrage müssen jederzeit bei einer konstanten Netzfrequenz von 50 Hz im Gleichgewicht gehalten werden. Abweichungen, hervorgerufen durch das Ein- und Ausschalten von Lasten (größer als 100 MW), werden sofort durch rotierende Schwungmassen in den Kraftwerken ausgeglichen. Bei Unterfrequenzen, wenn also mehr Energie nachgefragt wird oder wenn ein Kraftwerk überraschend ausfällt, dient diese kinetische Energie als Sofortreserve mit Leistungen von ca. 100 bis 1000 MW. Sinkt die Frequenz beispielsweise um ein Hz in einer Sekunde, stützen die deutschen Kraftwerke das Netz augenblicklich mit ca. zehn GW mechanischer Leistung. Durch die Erhöhung des Drehmomentes an den Generatorwellen übernehmen sie die fehlende Einspeiseleistung und heben die Frequenz wieder auf 50 Hz an. Beim Abschalten von Lasten geschieht das Umgekehrte. Dieser Mechanismus funktioniert nur, wenn alle Kraftwerke elektrisch über Leitungen miteinander synchron, das heißt mit gleicher Frequenz, verbunden sind und sich gegenseitig stützen. Ein solches Verbundnetz besteht in Deutschland seit circa 100 Jahren. Im europäischen Verbundnetz stellen alle Betreiber zur Netzstützung stets mindestens zwei Prozent ihrer Kraftwerksleistung bereit, die innerhalb von 30 Sekunden verfügbar sein müssen.
Die Frequenz von 50 Hz im Verbundnetz ist somit das Maß aller Dinge für ein stabiles Netz. Nur in signifikanten Störfällen, wenn beispielsweise ein Kraftwerkblock von 600 MW ausfällt, gibt es Abweichungen von bis zu ± 0,5 Hz und mehr. Bei höheren Frequenzabweichungen besteht die Gefahr regionaler Stromausfälle.
Die Versorgungssicherheit ist ein hohes Gut und ein wichtiger Standortfaktor. Mit Ausfallzeiten von weniger als 20 Minuten pro Jahr ist das deutsche Verbundnetz (mit Spannungen kleiner-gleich 380 kV und einem angeschlossenen Verteilnetz mit Spannungen kleiner-gleich 110 kV) extrem zuverlässig, wobei diese Berechnung allerdings nur Ausfälle von drei Minuten und mehr berücksichtigt. Doch nehmen, wie berichtet wird, kürzere Ausfälle und Spannungsschwankungen zu. Sie gilt es beim verstärkten Übergang auf erneuerbare Energien beherrschbar zu machen beziehungsweise zu vermeiden.

Quellentext

Blackout – eine Katastrophe und wie man ihr begegnet

[...] DIE ZEIT: Herr Homann, haben Sie einen Notstromgenerator zu Hause?
Jochen Homann: Nein, das wäre auch ein komisches Signal. Die Bundesnetzagentur ist aber so vorbereitet, dass bei einem Stromausfall ein Krisenstab arbeitsfähig wäre.
Marc Elsberg: Viele Krankenhäuser, Behörden und Hilfsdienste haben für ein bis zwei Tage Diesel gebunkert. Dummerweise haben viele Tankstellen aber keine Notstromversorgung und können auch keinen Diesel abfüllen. Ein mehrtägiger Blackout wäre eine Katastrophe. [...]

ZEIT: In Ihrem Roman Blackout kommt es fast zum Bürgerkrieg, weil Nahrung knapp wird; Seuchen breiten sich aufgrund mangelnder Hygiene aus, es herrscht Chaos. Ursache ist in diesem Fall kein Wirbelsturm, sondern ein Hackerangriff von Terroristen auf sensible Punkte der Stromversorgung. [...]
Elsberg: Als ich 2008 zu schreiben begann, war ein solcher Angriff noch Fantasie. Dann hat der Angriff des Computerwurms Stuxnet auf Atomkraftwerke im Iran gezeigt, dass das Realität werden kann. Im Moment werden noch verschiedene Generationen von Software in Kraftwerken eingesetzt. Das Problem: Die jüngeren Systeme, die standardisierte Komponenten enthalten, lassen sich einfacher manipulieren. Durch den Ausbau der Stromnetze zum Smart Grid bekommen wir es mit Sicherheitsrisiken zu tun, wie sie bei Kreditkartenfirmen wöchentlich sichtbar werden.

ZEIT: Und dann?
Homann: Der Wettlauf zwischen IT-Sicherheit und Hackern hat längst begonnen.

ZEIT: Derzeit kümmern sich die Betreiber um die Sicherheit. Reicht das?
Homann: Ja, das geht gar nicht anders. Nur sie kennen die Systeme gut genug, deshalb liegt die Verantwortung bei ihnen. Die Betreiber wissen das, und wir sollten auch nicht vergessen, dass eine sichere Stromversorgung in ihrem ureigenen Interesse ist.
Elsberg: Durch die Energiewende nehmen aber gerade die sensiblen Schnittstellen zu, weil Stromproduzenten, Netzbetreiber und Endverbraucher stärker miteinander vernetzt werden. Wer kümmert sich um die?
Homann: Die Schnittstellen sind eine Herausforderung. Dass etwa das Cyberabwehrzentrum gegründet wurde, zeigt aber doch, dass die Regierung dies erkannt hat.

ZEIT: Ein zweiter Angriffspunkt im Roman sind die intelligenten Stromzähler, die in Neubauten bereits vorgeschrieben sind. Tatsächlich hat das FBI gewarnt, man könne diese Smart Meter von außen manipulieren.
Homann: Sicher, je mehr man sich vernetzt, desto mehr Angriffspunkte gibt es. Aber Panik ist nicht angebracht. Für vernetzte Smart Meter wird intensiv an Vorgaben zum Datenschutz und zur Datensicherheit gearbeitet, sodass die Gefahr von Angriffen minimiert wird.
Elsberg: Na ja, ganz sicher wird man solche Stromzähler nie machen können. Deshalb muss dafür gesorgt werden, dass nicht das ganze Netz abstürzt, wenn Teile davon manipuliert werden.

ZEIT: Was geschähe, wenn alle Haushalte gleichzeitig vom Netz gingen?
Homann: Das wäre ein Riesenproblem. Die Haushalte verbrauchen ein Drittel des Stroms in Deutschland. Wenn diese Nachfrage schlagartig ausfiele, würde das Netz zusammenbrechen.
Elsberg: Deswegen gab es auch immer Bedenken bei der gut gemeinten Energiespar-Aktion, für eine Stunde das Licht auszuschalten. Ein Drama, wenn alle mitmachen würden!

ZEIT: Auch das Versagen wichtiger Knotenpunkte kann ein Stromnetz lahmlegen, wie man [...] in den USA gesehen hat. Eine Gefahr auch in Europa?
Homann: Das Netz wird nach dem "N-1"-Kriterium angelegt. Das heißt, es funktioniert auch dann noch, wenn eine wichtige Leitung oder ein Kraftwerk ausfällt. Dieses Prinzip hat sich als Grundlage der Versorgungssicherheit hierzulande bewährt.
Elsberg: Es gibt allerdings den Hauptrisikofaktor Mensch, der das "N-1"-Prinzip außer Kraft setzen kann. Das ist 2006 in Papenburg passiert, als eine Stromleitung abgeschaltet wurde, damit ein Kreuzfahrtschiff unter ihr durchfahren konnte. Vom Ruhrgebiet bis nach Spanien gingen die Lichter aus. [...]

ZEIT: Gehen wir nun einmal davon aus, es kommt [im] Winter zu einem Blackout. Was dann? [...]
[Homann:] [...] Würde es zu einem flächendeckenden Stromausfall kommen, würden die Netzbetreiber zuerst schwarzstartfähige Kraftwerke wieder hochfahren[...], die unabhängig vom Stromnetz gestartet werden können. Sie würden dann mit selbstständig versorgten Netzgebieten zusammengeschaltet werden. So würde das Gesamtnetz sukzessive wieder aufgebaut.
Elsberg: Die Ursachenforschung darf man natürlich nicht vergessen. Wenn der Stromausfall sich schnell über eine große Fläche ausbreitet, wird das nicht einfach. Die Serviceteams müssten dann erst einmal eine Menge Leitungen checken. Das kann Tage dauern, bis klar ist, wo zum Beispiel Masten umgeknickt sind, wie das im Winter 2005 im Münsterland der Fall war.

ZEIT: Wie sieht es mit der Kommunikation aus, wenn der Strom fehlt? [...]
Homann: Wir haben für solche Fälle ein Satellitentelefon, um für den Wiederaufbau der Stromversorgung in ständigem Kontakt mit den Netzbetreibern bleiben zu können. Und die Mobilfunkunternehmen würden den normalen Verkehr unterbinden, damit die Besitzer einer Vorrangschaltung weiterhin kommunizieren könnten. Diesen Vorrang haben nicht nur wir, sondern unter anderem auch Ärzte.

ZEIT: Was ist mit der Kraftstoffversorgung? Die wenigsten Tankstellen sind mit Notstromaggregaten ausgestattet – man kann dort bei einem Blackout also gar nicht tanken.
Elsberg: Ein österreichischer Katastrophenschützer sagte mir einmal: Zur Not hol ich das eben mit dem Schöpfer raus! Wir sollten vielleicht auf die Fähigkeit der Menschen vertrauen, im Katastrophenfall zu improvisieren. [...]

ZEIT: Haben Sie nach Ihren Recherchen noch Vertrauen in die Energieversorgung, Herr Elsberg?
Elsberg: Ja. Gerade unter den Verantwortlichen habe ich ein großes Bewusstsein für die Problematik und die Herausforderungen entdeckt. Ich halte die Energiewende für eine großartige Sache und bin zuversichtlich, dass sie funktionieren wird.

"Das wäre ein Riesenproblem", Gespräch von Inge Kutter und Max Rauner mit Jochen Homann, Leiter der Bundesnetzagentur, und Marc Elsberg, Autor des Bestsellerromans Blackout über einen großflächigen Stromausfall, in: DIE ZEIT Nr. 50 vom 6. Dezember 2012

Blindleistung, Spannung und Schutz

Eine stabile Netzspannung ist erforderlich, um die Funktion der an den Strom angeschlossenen Geräte nicht zu gefährden und diese bei Überspannungen infolge von Instabilitäten vor Zerstörung zu bewahren. Um das zulässige Spannungsband in jedem Einspeise- und Lastfall einzuhalten, stellen die Netzbetreiber zusammen mit den Kraftwerken die hierfür erforderliche Blindleistung bereit. Sie wird zum Beispiel in den Kraftwerksgeneratoren durch ein starkes Magnetfeld nach dem Induktionsgesetz erzeugt und sorgt für die notwendige Netzspannung, die den Strom durch den elektrischen Verbraucher treibt. Spannung und Strom zusammen ergeben schließlich die gewünschte elektrische Leistung, die in Motoren, zum Beispiel in Kraft, umgesetzt wird. Zu viel Blindleistung im Netz führt zu Überspannungen und umgekehrt. Die Energieversorger sorgen auch hier jederzeit für einen Ausgleich zwischen Blindleistungsangebot und -nachfrage.
Elektrische Netze können durch Brände Sach- und Personenschäden auslösen und durch Übergreifen auf "gesunde" Netzabschnitte weitere Ausfälle hervorrufen. Um dies zu vermeiden, gibt es die Schutztechnik in Gestalt von Sicherungen und Leistungsschaltern, die im Störfall im 0,1-Sekundenbereich eingreift und "kranke" Netzbereiche gezielt abschaltet. Um die Schutztechnik auszulösen, muss neben der Anschlussleistung auch eine circa zehnmal höhere Kurzschlussleistung am Fehlerort vorhanden sein.
Auch ein ausgeglichener Blindleistungshaushalt und die Bereitstellung der Kurzschlussleistung erfordern neue Technologien, wenn konventionelle Kraftwerke zugunsten erneuerbarer Energien zurückgehen und trotzdem die hohe Netzsicherheit sowie der Sach- und Personenschutz aufrechterhalten werden sollen.

So kommt der Strom zu unsSo kommt der Strom zu uns



Netzstruktur und Spannungsebenen

Die heutigen vier Spannungsebenen – Höchstspannung: 380/220 kV, Hochspannung: 110 kV, Mittelspannung: kleiner-gleich 110 kV, Niederspannung: kleiner-gleich 1 kV – sind aus physikalischen Gründen nötig. Da die Kunden unterschiedliche Leistungen abnehmen, zum Beispiel Haushalt/Gewerbe kleiner als 1 MW, Industrie kleiner als 100 MW, sollte aus technischen Gründen ein typischer Strom von 1000 Ampere nur in Ausnahmefällen überschritten werden. Die Spannung (U) wird daher beim Kunden durch Transformatoren so eingestellt, dass deren spezifischen Leistungsanforderungen entsprochen werden kann. Neben der kundengerechten Anschlussspannung auf der sogenannten Verteilnetzebene (VN, U kleiner-gleich 110 kV), welche vom Verteilnetzbetreiber (VNB) verantwortlich betrieben wird, gibt es noch die oben angegebene Verbund- bzw. Übertragungsnetzebene (ÜN, U=380/220 kV). Sie ist für die überregionale Versorgungssicherheit und die sich daraus ergebende Frequenzregelung erforderlich und wird von den Übertragungsnetzbetreibern (ÜNB) geführt, welche europaweit über die Norm-Frequenz von 50 Hz "wachen". Als Verantwortliche mit gesetzlichem Auftrag stellen sie den angeschlossenen VNB ein hochgradig verfügbares flächendeckendes Verbundnetz bereit, an das die Kunden über die Verteilnetze angeschlossen sind.

Stromtrassen durch DeutschlandStromtrassen durch Deutschland



Diese bewährte Netzstruktur ist den neuen Anforderungen hoher schwankender Einspeisungen, vor allem aus erneuerbaren Energien, anzupassen: Bisher wurden die Übertragungs- und Verbundnetze so angelegt, dass beim Eintreten eines Fehlers (von n Betriebsmitteln fällt eines aus, d. h. n-1) der Betrieb ganz oder wenigstens zu drei Vierteln aufrecht erhalten werden kann. Hierzu sind redundante, das heißt mehrfach vorhandene Netzstrukturen nötig, die die Investitions- und Betriebskosten erhöhen. Steigt der Anteil erneuerbarer Energie, müssen zusätzliche Strukturen von den Netzbetreibern aufgebaut werden (z. B. ein Gleichstrom-Transportnetz von Nord nach Süd). Dies verursacht betriebswirtschaftliche Mehrkosten, denen allerdings – falls aus Mangelstrukturen ein Fehler erwächst – mögliche volkswirtschaftliche Schäden gegenüber stehen. Diese und ähnliche Fragen sind beim Umbau der Netze zur Integration von erneuerbaren und hocheffizienten Energieerzeugern unter technischen, wirtschaftlichen, ökologischen und Akzeptanzgesichtspunkten abzuwägen.

Quellentext

Ausbau des Stromnetzes

Der Umbau der deutschen Energieversorgung kommt vorläufig mit weniger neuen Stromleitungen aus als von den Netzbetreibern noch im Frühjahr kalkuliert. Das zeigt der Entwurf für einen Bundesbedarfsplan, den die Bundesnetzagentur [...] dem Bundeswirtschaftsministerium vorgelegt hat. Er umfasst den Neubau von rund 2800 Kilometern Höchstspannungstrassen und die Verstärkung von weiteren 2900 Leitungskilometern. Nur 51 der von den Betreibern des Übertragungsnetzes vorgeschlagenen 74 Bauvorhaben wurden aufgegriffen. [...] In die Planung seien zunächst nur die besonders dringenden Vorhaben aufgenommen worden, erläuterte Netzagentur-Präsident Jochen Homann. Vorgesehen ist, dass der Bedarf jedes Jahr aufs Neue überprüft wird. Gegebenenfalls können dann weitere Projektvorschläge der Netzbetreiber nachträglich berücksichtigt werden. [...] Die ursprüngliche Netzplanung war in einem öffentlichen Konsultationsverfahren mit mehr als 3300 Stellungnahmen auf viele Einwände gestoßen. Umweltverbände hatten sie als überdimensioniert bemängelt.

[...] Statt der ursprünglich geplanten vier Korridore sind nur noch drei Trassen geplant. Eine führt von Emden über das Ruhrgebiet nach Philippsburg in Baden-Württemberg, die zweite von Brunsbüttel an Hannover vorbei in Richtung Stuttgart und die dritte von Wilster bei Stade nach Grafenrheinfeld am Main. [...]
Zusammen mit der Netzplanung hat die Netzagentur einen Bericht über die möglichen Umweltauswirkungen der neuen Leitungen vorgelegt. Homann bezeichnete den Umweltbericht als "Frühwarnsystem", das Konflikte bei der nun anstehenden Feinplanung vermeiden solle. Der Entwurf legt nur grobe Korridore fest, durch die die neuen Höchstspannungsleitungen später einmal führen sollen. […]

bü, "Weniger neue Stromleitungen für die Energiewende", in: Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 27. November 2012

Quellentext

Innovationsfaktor Gleichspannung?

In der Elektrotechnik gab es lange eine Hierarchie, die sich bis in den Haushalt fortsetzte: Überall dort, wo elektrische Energie ernsthafte Aufgaben zu erledigen hatte, kam sie als Wechselspannung daher. Sie treibt Lokomotiven, Flutlichtanlagen und Waschmaschinen. Gleichspannung taugte demnach nur für harmlose Randbereiche, das Batterieradio, die Halogen-Birnchen in der Schreibtischlampe oder den zur Steckdose umfunktionierten Zigarettenanzünder im Auto.
Doch inzwischen hat die Gleichspannung neue Freunde gefunden, ihr haftet der goldene Schimmer der Innovation an. Sie soll helfen, ein Kernproblem der Energiewende zu lösen: den Transport elektrischer Energie von Windparks im Norden zu Verbrauchern im Süden. [...]
Wechselspannung lässt sich mit einem Transformator problemlos auf ein anderes Niveau der Spannung bringen. Höhere Spannung bedeutet geringeren Strom, der beim Transport fließen muss. Und ein geringerer Strom bedeutet geringere Einbußen. Überlandleitungen haben oft eine Spannung von 400 Kilovolt. Nur auf diesem Niveau lassen sich die Übertragungsverluste begrenzen.
Doch moderne Elektronik erlaubt es, die Energie mit hoher Gleichspannung noch verlustärmer zu transportieren. Um eine elektrische Leistung von 2500 Megawatt 800 Kilometer weit zu transportieren, also die Produktion von fünf großen Offshore-Windparks in der Nordsee nach Bayern zu bringen, sind bei einer 400-Kilovolt-Wechselstromtrasse Verluste von fast zehn Prozent zu erwarten. Eine HGÜ-Verbindung (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung) mit 800 Kilovolt käme mit gut einem Viertel davon aus. [...]
Andererseits ist HGÜ viel aufwendiger, als es konventionelle Leitungen sind. Besonders die Schaltstationen am Anfang und Ende einer Gleichstromtrasse schlagen ins Geld und produzieren Verluste. Erst bei Entfernungen von 600 Kilometern ist die Technik wirtschaftlich.
Neue Entwicklungen könnten sie verbessern: Erst vor Kurzem hat der Konzern ABB den Prototyp für einen HGÜ-Schalter vorgestellt. Dieser erlaubt es, ein Netz der verlustarmen Leitungen aufzubauen, statt überall Verbindungen von Punkt zu Punkt zu errichten, an deren Ende die Energie immer wieder in Wechselspannung konvertiert wird. Ohne solche Schalter hat der Gleichstrom nur wenig Chancen, aus seiner untergeordneten Position auszubrechen.

Christopher Schrader, "Umschalten in die Zukunft", in: Süddeutsche Zeitung vom 27. November 2012