Stromnetze

Netzbetrieb

Stromnetze lassen sich in unterschiedliche Netzebenen unterteilen [12]:

  • 220kV – 765kV Transportnetze für Transport über große Entfernungen
  • 110kV Hochspannungsnetze
  • 10kV, 20kV Mittelspannungsnetze
  • 235V, 400V, 690V Niederspannungsnetz

In der folgenden Abbildung werden die Erzeuger und Verbraucher der verschiedenen Netzebenen dargestellt:

Quelle: [13]

Auf der linken Seite sind die Produzenten für die jeweilige Netzebene dargestellt, und auf der rechten die Verbraucher. In den Transportnetzen (im Bild Höchstspannungsnetz) befinden sich große Kraftwerke wie Atomkraftwerke oder Kohlekraftwerke, diese Kraftwerke sind auch typisch für die Bereitstellung der von der Grundlast benötigten Energie, da sie ohne externe Einflüsse dauerhaft eine konstante Leistung liefern können. Diese Kraftwerke besitzen aufgrund ihrer Größe eine gewisse Trägheit und wirken somit stabilisierend in Bezug auf die Netzfrequenz. Kleine Änderungen durch Hinzuschalten oder Abschalten von Lasten im Stromnetz wird durch diese Trägheit abgefangen und ein sofortiges nachregeln ist in gewissen Zügen nicht notwendig – auf der anderen Seite ist ein schnelles Nachregeln auch nicht möglich. Als Gegenbeispiel: Wenn viele kleine Haushalte Solaranlagen auf den Dächern haben und die Sonne stark scheint, entsteht schlagartig eine Menge an elektrischer Energie, die in das Stromnetz geführt wird; wenn nun große Wolken vor die Sonne ziehen bricht dieser Anteil schlagartig wieder ein, ein Effekt der bei großen Kraftwerken nicht existiert und nicht abgefangen werden muss.

Smart Grids und kleine Energieerzeuger

Im Rahmen der Energiewende werden Kohle und Atomkraftwerke nach und nach reduziert, wobei die Grundlast im Stromnetz bereitstellen und durch ihren Anteil momentan für eine große Stabilität im Stromnetz sorgen. Zum Vergleich: In Brandenburg wird die deutschlandweit größte Solaranlage geplant mit einer Leistung von bis zu ca. 175MW [14]. Da diese Energie nur bereitgestellt werden kann, wenn die Sonne scheint, muss der Strom zwischengespeichert werden, um die 50Hz im Stromnetz stabil halten zu können und nicht von spontanem Wetter abhängig zu sein. Eins der größten Kohlekraftwerke, die in Deutschland im Betrieb sind und welches mit für die Grundlast verantwortlich ist, ist das von der RWE betriebene Braunkohlekraftwerk Neurath. Es hat eine Bruttoleistung von 4.465 MW [15], also mehr als das 25 fache von der Spitzenleistung der größten Solaranlage. Mit der Anpassung dieses Kraftwerks ist also vergleichsweise ein großer Anteil im Stromnetz zu Regeln, während bei den “kleinen” Solaranlagen sehr viele Erzeuger sehr schnell reguliert werden müssen, um die Schwankungen im Stromnetz so gering wie möglich zu halten.

Lösung soll bei dieser Problematik das Smart Grid schaffen, eine intelligente Energieverteilung: Durch “Smart Meter”, also intelligente Strommesser bei den Verbrauchern, soll gesteuert werden, wann wo Strom gespeichert werden kann, wann welche Geräte laufen sollen oder wann eine Photovoltaikanlage gedrosselt produzieren soll (dies ist bereits jetzt mit zusätzlichen Modulen möglich). Ein Einbau solcher Smart Meter ist bereits teilweise verpflichtend: Wenn der Verbraucher (beispielsweise ein Haushalt) mehr als 6.000kWh pro Jahr verbraucht oder eine stromerzeugende Anlage eine Spitzenleistung von mehr als 7kW besitzt [16]. Zusätzlich kann eine lokale Stromproduktion sich stabilisierend auf ein Gesamtsystem auswirken: Aufgrund der N-1 Regel, welche besagt, dass durch Redundanz der Ausfall einer Komponente möglich sein muss, muss der Strom momentan aus stromerzeugenden Regionen über lange Strecken transportiert werden und somit müssen große Stromtrassen redundant ausgelegt werden. Lokale Energieerzeugung zusammen mit der Erhöhung von Speichern kann in einem Teil von einem Stromnetz somit stabilisierend wirken [17].
Im Falle eines Blackouts müssen allerdings alle am Netz befindlichen Maschinen auf die 50Hz synchronisiert werden. Ein großes Kraftwerk kann als Taktgeber durch zusätzliche Aggregate “Schwarzstartfähig” gemacht werden, das heißt es kann vom Stromnetz entkoppelt gestartet werden, anschließend synchronisiert und bei erfolgreicher Synchronisation an die 50Hz wieder ans Netz gehängt werden. Schrittweise können somit Verbraucher wieder hinzugeschaltet werden, die Netzfrequenz muss dabei stabil gehalten werden. Ein Wasserkraftwerk eignet sich dazu sehr gut, da kaum Energie zum Anfahren genötigt wird, während ein Kohlekraftwerk durch beispielsweise große Pumpen selbst viel Energie benötigt, um funktionsfähig zu sein [18]. Solaranlagen müssen daher, wenn sie in das Stromnetz speisen sollen in der Lage sein, sich an das Netz zu synchronisieren. Die Komplexität und der benötigte Informationsaustausch steigt stark, da die Anzahl der Komponenten stark erhöht wird.
Aus Systemsicht bedeutet das, dass jedes der vielen angeschlossenen Grids zu einem kurzen Zeitpunkt eigenständig agieren muss. Sollten in einem Smart Grind durch Fehler falsche Parameter implementiert oder geplant sein, besteht die Gefahr, dass solch ein Netz sofort wieder zusammenbricht, wenn die Verbraucher nicht Hardwaremäßig vom Stromnetz getrennt werden können, da dann keine stabile Grundlast aufgebaut werden kann. Bei einem großen Kraftwerk kann ein Kraftwerk hochgefahren werden, und nach und nach die Verbraucherzonen dazugeschaltet werden.

Zusätzlich hat die Energiewende weitaus größere Folgen als nur die Stabilität des Stromnetzes, beispielsweise wird Steinkohleflugasche in der Betonherstellung verwendet. Steinkohleflugasche entsteht beim Verbrennen von Steinkohle in Steinkraftwerken und bleibt als Restprodukt übrig. Wenn Kohlekraftwerke nun abgeschaltet werden entstehen solche Produkte nicht mehr nebenbei und müssen auf andere Art und Weise hergestellt oder gar ersetzt werden, für die Betonindustrie bedeutet das einen Umbruch.