Aufbau und Funktion des Stromnetzes

Funktionsprinzip des Stromnetzes

Um die Gefahr eines Blackouts, also eines landesweiten oder sogar europaweiten länger andauernden Stromausfall bewerten zu können, muss man sich die Struktur und Funktionsweise des europäischen Stromnetzes näher anschauen.

Wir haben heute ein europäisches Verbundnetz, das aus 34 Ländern besteht. Alle diese Länder, von Portugal bis zur Türkei, haben Einfluss auf die Stabilität des europäischen Stromnetzes.

Gibt es in einem dieser Länder eine Störung in einem Kraftwerk, so das in Sekundenschnelle Auswirkungen im gesamten Netz und ganz Europa. So zuletzt geschehen am 08.01.2021.

Der Aufbau des Stromnetzes

Unser Stromnetz gliedert sich in mehrere Spannungsebenen und wird vom Erzeuger zum Verbraucher immer feinmaschiger und länger.

  • Höchstspannungsnetz mit 380.000 Volt und 220.000 Volt (Strom Autobahn) zur Verteilung großer Mengen an Strom über weite Strecken, ca. 35.000 km
  • Hochspannungsnetz mit 110.000 Volt und 60.000 Volt (Strom Bundesstraßen) zur Überlandversorgung und der Versorgung kleiner Städte, ca. 96.500km
  • Mittelspannungsversorgung mit 30.000 Volt (Strom Landstraßen) zur Versorgung von Großabnehmern, Stadteilen und Industriebetrieben, ca. 510.000 km
  • Niederspannungsversorgung mit 230 Volt (Strom Ortstraßen) zur Versorgung von Endkunden, ca. 1.157.000 Kilometer

Quelle: Bedrohung Blackout, T.C.A. Greilich, Kopp Verlag

Die Bedeutung der Netzfrequenz

Unser Stromnetz funktioniert, indem immer genauso viel Strom erzeugt wird, wie auf der anderen Seite verbraucht wird.

Mangels einer genügenden Anzahl an Stromspeichern (die vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke sind viel zu wenig), wird dies auch noch lange so bleiben.

Stromerzeuger und Netzbetreiber versuchen, die Bereitstellung des Stromes und den Verbrauch zu planen. In Zeiten von wenigen Großkraftwerken, war dies auch einfach möglich.

Die Regelgröße für die Netzstabilität ist die Netzfrequenz, bei uns 50 Hertz. 

Frequenzschwankungen von 49,9 bis 50,1 Hz sind dabei üblich und kein Problem. Schwankt die Frequenz stärker, drohen die Generatoren in den Kraftwerken Schaden zu nehmen.

Die Generatoren sind so eingestellt, dass sie Netzschwankungen in einem bestimmten Rahmen automatisch ausregeln können. Werden die Schwankungen zu groß so gehen sie automatisch vom Netz.

Im Gegensatz zu den anderen Netzfrequenzanzeigen auf diesen Seiten, die lediglich einen Bereich von +/-80mHz abdecken, wird hier der komplett mögliche Frequenzbereich angezeigt. Damit soll verdeutlicht werden, wie viel „Luft“ eigentlich immer noch ist und die Abweichungen sehen gleich viel weniger dramatisch aus.

Grundsätzlich sind Abweichung erlaubt und regelungstechnisch sogar notwendig. Dabei darf sich die Abweichung allerdings nur in gewissen festgelegten Grenzen bewegen.

Abweichungen von +/-180mHz sind erlaubt, kurzzeitig darf die Netzfrequenz um +/-200mHz abweichen. Sogar Abweichungen von +/-800mHz sind erlaubt, falls größere Störungen durch Ausfall von Erzeugungskapazitäten oder Abnehmern auftreten. Bis zu einer Abweichung von +/-200mHz wird diese durch den (automatischen) Einsatz von Regelleistung ausgeglichen.

Massnahmen bei Unterfrequenz

Ab einer Frequenz von 49,8Hz werden Leistungsreserven von den Kraftwerksbetreibern aktiviert. Sinkt die Netzfrequenz unter einen Wert von 49Hz, wird nach und nach Last abgeworfen. Das bedeutet, dass bestimmte Bereiche vom Stromnetz getrennt werden damit weniger verbraucht wird. Erst ab einer Unterfrequenz von 47,5Hz werden alle Kraftwerke vom Stromnetz getrennt und das Netz danach neu aufgebaut.

Massnahmen bei Überfrequenz

Bei Überfrequenz wird nach und nach die Einspeiseleistung der Kraftwerke reduziert. Das klingt allerdings einfacher als es ist. Die Regelfähigkeit von Kohle- und Kernkraftwerken liegt bei 3-5% pro Minute. Es dauert also ein bisschen, bis sich diese Kraftwerke an die veränderte Last anpassen können. Sie können nicht einfach (wie z.B. ein Auto) durch Drehen des Zündschlüssel abgeschaltet werden. Besser regelbar sind Gaskraftwerke (20% der Nennleistung pro Minute) oder auch Windkraft- und Photovoltaikanlagen. Früher mussten Solaranlagen ab einer Netzfrequenz von 50,2Hz die Einspeisung einstellen. Aufgrund des starken Ausbaus der Solarenergie wäre diese Reduktion aber so stark, dass eine plötzliche Unterfrequenz folgen würde. Deswegen reduzieren die Solaranlagen mittlerweile ab 50,2Hz nur noch ihre Einspeisung und schalten sich erst ab einer Überfrequenz von 51,5Hz vollständig ab.

Quelle: https://www.netzfrequenz.info/aktuelle-netzfrequenz-full

Unterschied früher heute

In Zeiten vor der Energiewende, wurde die Stromversorgung von wenigen Großkraftwerken sichergestellt.

Atomkraftwerke, Kohlekraftwerke, Gaskraftwerke und Wasserkraftwerke sorgten zuverlässig und regelbar für eine ausreichende Stromversorgung, weil sie mit Hilfe von gespeicherter Energie in Form von Uran, Kohle, Gas und Wasser jederzeit steuerbar, Strom herstellen konnten und können. Zudem wurden sie in der Regel dort gebaut, wo große Energiemengen benötigt wurden.

Am 11. März 2011 ereignete sich vor Japan eines der stärksten jemals gemessenen Erdbeben. Es löste einen Tsunami mit stellenweise 40 Meter hohen Wellen aus. Durch das Erdbeben und den Tsunami kollabierten mehrere Kühlsysteme im japanischen Atomkraftwerk Fukushima. Erhebliche Mengen radioaktiver Stoffe wurden freigesetzt.

Einen Monat nach der japanischen Atomkatastrophe verkündete Kanzlerin Angela Merkel (CDU) die Energiewende. Bis 2022 sollten die deutschen Kernkraftwerke stillgelegt sein.

Seit dieser Zeit werden die alternativen Energien Wind und Sonne extrem gefördert, was zu einem enormen Ausbau geführt hat.

Leider wurde dabei vergessen, dass weder Sonne noch Wind regelbare Energien sind, man kann sie maximal abschalten. Zudem wurde im EEG festgelegt, dass den Erneuerbaren der Vorzug bei der Einspeisung gegeben werden soll.

Zurück zur Netzfrequenz

Wie schon weiter oben beschrieben, muss die Frequenz zwischen 49,9 und 50,1 Hz gehalten werden. Da mit Sonne und Wind keine planbare Stromerzeugung möglich ist, bleiben hierfür wieder nur die klassischen Energieerzeuger, Atomkraftwerke, Kohlekraftwerke, Gaskraftwerke und Wasserkraftwerke übrig.

Weil sowohl Strom als auch Sonne immer wieder komplett ausfallen, muss der gesamte Strombedarf und die Regelung der Frequenz im Notfall über die klassischen Kraftwerke und Stromimporte sichergestellt werden. Dazu kommt noch, dass die Hersteller erneuerbarer Energien keine Verantwortung für die Stabilität des Stromnetzes übernehmen müssen. Die Lasten zur Stabilisierung des Netzes werden den Netzbetreibern auferlegt und werden über das EEG auf uns alle übertragen.

Fazit: Die Netzfrequenz ist der Indikator für ein stabiles Stromnetz. Der Aufwand diese Frequenz stabil zu halten, wird durch die Dezentralisierung der Stromerzeugung und durch das Abschalten konventioneller Kraftwerke immer schwieriger. Die Erzeugung von Strom mit Wind und Sonne, macht es immer aufwendiger das beschriebene Gleichgewicht von Stromerzeugung zu Stromverbrauch zu erhalten. Die Kosten zur Stabilisierung des Stromnetzes steigen kontinuierlich an und werden auf den Verbraucher mit der EEG Umlage umgelegt. Die Folge, das Stromnetz wird immer fragiler bei immer höheren Kosten für uns alle.

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