Energieversorgung als Ultra Large Scale System

Das Versorgernetz innerhalb von Deutschland ist mit dem europaweiten Stromnetz gekoppelt. Das europaweite Verbundnetz gilt als eine der größten Maschinen Europas und versorgt insgesamt rund 530 Millionen Menschen mit einer Stromfrequenz von 50 Hz. Die Energie, die dabei eingespeist wird, ist ein Technologiemix aus erneuerbaren Energiequellen und fossilen Brennstoffen. Derzeit besteht der Energiemix im Stromnetz zu 56% aus erneuerbaren Energiequellen. Die größten Vertreter in Deutschland sind mit 11% die Solarenergie und mit 30% die Windenergie. Die fossilen Brennstoffe tragen dem Energiemix zu 44% bei und werden durch Kernenergie, Kohle, Erdgas und Erdöl erzeugt. Werden neben dem Stromnetz noch weitere  Energiebereiche, wie die Mobilität oder Wärmeerzeugung, betrachtet, so beträgt der Anteil der erneuerbaren Energien 17%.

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Abbildung 1: Energiemix des Stromnetzes innerhalb von Deutschland
Abbildung 2: Energiemix des gesamten Energiebedarfs innerhalb von Deutschland

Ziele der Energieversorger

Ein Ziel der Energieversorger im Stromnetz ist, dass Strom bei einer  geringen Schwankung des Stromnetzes überall verfügbar ist. Wenn mehr Strom eingespeist als benötigt wird, dann steigt die Frequenz europaweit, wenn weniger Strom eingespeist wird als benötigt, dann fällt wiederum die Frequenz. 

Die Aufgabe der Energieversorger liegt darin, diese Schwankungen auszugleichen und so eine Balance zwischen Erzeuger und Verbraucher zu schaffen. Dies soll einen großflächigen, europaweiten Stromausfall, auch “Blackout” genannt, verhindern. Ein sogenannter “Blackout” hätte weitreichende Folgen für das öffentliche und private Leben. 

Die Schwankungen im Stromnetz dürfen dabei nicht mehr als +0,2 Hz und -0,5 Hz betragen, bevor es zum 50,2- oder der 49,5-Hertz-Problematik kommen kann. Das Problem hierbei ist, dass zu viel, beziehungsweise zu wenig Strom eingespeist wird und so keine Balance  mehr zwischen Erzeuger und Verbraucher besteht

Das Ausgleichen der Frequenz erfolgt dabei über das Zuschalten, Abschalten oder Drosseln von Kraftwerken oder Ökostromanlagen.

Wichtig ist dabei, dass die Anlagen nicht alle abrupt abschalten, sobald eine Frequenz erreicht wurde, um einen rapiden Abfall der Frequenz zu vermeiden.  

Daher stoppen heutzutage zwischen 50,2 Hz und 51,5 Hz nur noch die alten Solarmodule ihre Produktion, neuere Solarmodule drosseln ihre Erzeugung schrittweise. Ab einer Frequenz Obergrenze von 51,5 Hz schalten sich alle neuen Solaranlagen ausnahmslos ab. [3,4,5]

Als weiteres Ziel der Energieversorger gilt es jedoch auch die Energiewende zu meistern, was bedeutet das Strom ökologischer in der Erzeugung werden soll. Bei der Erzeugung von Ökostrom ist es jedoch nicht möglich auf das Wetter Einfluss zu nehmen. Des Weiteren werden zunehmend fossile Kraftwerke abgebaut, die jederzeit für einen Ausgleich im Stromnetz sorgen können. Somit ist es notwendig auf Energiespeicher zurückgreifen, die kurzfristige und saisonalen Schwankungen ausgleichen können. Als solche Speichermedien können unter anderem Pumpspeicherkraftwerke oder Wasserstoffspeicher in Frage kommen.

Denn alleine die Kohleenergie erzeugt 200 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr in Deutschland. Dabei benötigt nur das größte Kohlekraftwerk in Neuraith in Deutschland 1640 Tonnen Braunkohle pro Stunde für eine elektrischen Bruttoleistung von 4400 Megawatt.
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Stromnetz im Wandel

Bisher war das Stromnetz ein zentralisiertes System, das bedeutet es gibt wenige große Stromerzeuger die den benötigten Strom einspeisen, den Bedarf abdecken und Netzschwankungen ausgleichen.

Das liegt daran, dass die bisherigen Energiequellen größtenteils auf fossilen Brennstoffen basieren. Dabei wird an den Kraftwerken eine Höchstspannung zwischen 220000 Volt bis 380000 Volt eingespeist.

Diese Spannungsebene dient zum Transport großer Strommengen über weite Strecken, daher spricht man bei diesem Netz auch vom Übertragungsnetz. 

Eine Ebene darunter liegt das öffentliche Netz, bestehend aus dem Hochspannungsnetz mit einer Spannung von 60000 Volt bis 110000 Volt, dem Mittelspannungsnetz mit einer Spannung von 10000 Volt bis 30000 Volt und dem Niederspannungsnetz  mit einer Spannung kleiner 1000 Volt. 

Das Hochspannungsnetz dient zur überregionalen Stromverteilung. Knotenpunkte sind hierbei die Umspannungswerke. 

Das Mittelspannungsnetz wird als regionales Stromnetz bezeichnet, welches dem Hochspannungsnetz untergeordnet ist, es dient zur Stromverteilung innerhalb einer Region, hier können auch Kundenanlagen angeschlossen werden. Diese Übergabepunkte sind sogenannten Transformator- oder Trafostationen. Betriebe mit hohem Energiebedarf können in diesem Netz direkt angeschlossen werden und eigene Transformatoren betreiben.

Am Niederspannungsnetz sind fast alle Wohnhäuser angeschlossen. Meist mit 400 Volt oder 230 Volt, was für alle privaten Anwendungsmöglichkeiten ausreicht. Daher ist dies auch die Schnittstelle zum privaten Stromnetz, der Hausinstallation.

Abbildung 3: Aufbau des Stromnetzes

Dass das Stromnetz sich wandelt und immer dezentraler wird, wird bereits dadurch sichtbar, dass es immer mehr Energiequellen gibt. Dabei wächst auch der Anteil der privaten Stromerzeuger, welche mittels Photovoltaikanlagen auf dem Hausdach Strom ins Netz einspeisen, so dass wenige hundert Kraftwerke durch mehrere Millionen private Anlagen ersetzt werden. 

Auch diese Erzeuger müssen beim Ausgleich der Netzspannung berücksichtigt werden. Derzeit Speisen diese privaten Erzeuger meist direkt in das Netz ein, jedoch gibt es auch das System Kleinanlagen zellular als autonome Einheit zu betreiben. Eine solche Zelle könnte dabei ein Wohnhaus sein. Dabei deckt diese Zelle erst ihren eigenen Bedarf und speichert ihren Überschuss ins Netz ein oder bezieht Strom aus dem Netz, wenn sie mehr benötigt als sie selbst erzeugt.   

Eine Erweiterung dieses Konzepts ist das virtuelle Kraftwerk. Dabei werden mehrere  Kleinanlagen dezentral zu einer Zelle gebündelt und gesteuert. Somit ist dies die Brücke aus beiden Welten. Dabei können diese Zellen als Erzeuger, Verbraucher, sowie als Speicher auftreten. So können Überschüsse direkt vor Ort in einer Hausbatterie gespeichert, genutzt oder verteilt werden. Eine andere Möglichkeit diese Überschüsse zu nutzen, ist das Antreiben eines Speicherkraftwerkes oder zum gegenseitigen Ausgleich zwischen Erzeuger und Verbraucher. 

Durch ein solches virtuelles Kraftwerk wird der Strommarkt flexibler, da viele verschiedene Ausgleichskapazitäten und die schnelle Anpassungsfähigkeiten vorhanden sind. In einer Überschuss Phase die zum Beispiel durch Windenergie bei einem Sturm auftreten kann, regelt das virtuelle Kraftwerk die Leistung der Biogas und Wasserkraftwerke herunter. 

Ist bereits eine Überspannung im Netz vorhanden kann ein virtuelles Kraftwerk genutzt werden um Energie aus dem Netz zu ziehen und diese zu speichern. So können Schwankungen effektiv in Echtzeit reduziert werden, ohne das öffentliche Stromnetz zu belasten.

Denn große Kraftwerke haben bei der Steuerung der Einspeisung eine Verzögerung, vergleichbar mit dem Bremsweg oder der Beschleunigung eines Containerschiffs.

Somit sind Großkraftwerke auf eine konstante Einspeisung ausgelegt. Wenn beispielsweise eine Sturmfront auftritt, müssen klimaneutrale Windkraftwerke zuerst vom Netz, um das Netz nicht zu überlasten.

Durch diese Handlungsweisen können in beiden Systemen Über- und Unterspannungen ausgeglichen und ein Blackout vermieden werden. Was gerade in Zeiten von steigenden Energiebedarf im Zuge der Elektrifizierung des Verkehrs, Ausbau der elektrischen Wärmequellen und der vermehrten Anzahl an Rechenzentren, immer bedeutender wird. Denn ohne Strom würde heutzutage fast nichts mehr funktionieren und ein Energieträger alleine könnte den Energiebedarf kaum decken. [7,8,9,10,14]

Vorfälle der Vergangenheit

Vorfälle, die beinahe zu einer starken Schwankung oder beinahe zu einem Blackout geführt haben, haben sich in den letzten Jahren gehäuft. Besondere Vorfälle waren unter anderem am  6., 12. und 25. Juni 2019.

Hier stellten die Netzbetreiber eine Untereinspeisung fest, was zum Abfall der Netzfrequenz in ganz Europa geführt hat.

Dabei haben Fehlspekulationen von Stromhändlern, ausgelöst durch die wechselhafte Wetterlage, am Strommarkt zur Unterversorgung  geführt. Stromhändler müssen dafür sorgen das Erzeugung und Verbrauch immer auszugleichen sind. Bei einer Fehlspekulation müssen die fehlenden Mengen zu erhöhten Preisen aus Reserven, nachgekauft werden. Der Markt wird dabei durch das Angebot und die Nachfrage gesteuert. Dabei stieg der Strompreis auf 37.856 Euro pro Megawattstunde. Zum Vergleich, bei einem ruhigen Strommarkt kostet eine Megawattstunde nur 9,34 Euro. [11, 12, 15]

Ein weiterer Vorfall, an dem Europa knapp am Blackout vorbei geschrammt ist, war am 8. Januar 2021. Die Ursachen sind hierbei jedoch noch nicht genau geklärt. Zu Beginn wurden Ausfälle in Rumänien als Ursache vermutet. Jedoch wurde später festgestellt, dass die Ursache in Kroatien lag und durch eine automatische Abschaltung ausgelöst wurde. 

Dabei führte das automatische Öffnen einer Kupplung in Ernestinovo  zum Trennen zweier Höchstspannungsverbindungen, die Strom vom Balkan in andere Teile Europas führen. Deshalb kam es zu es zu einem schlagartigen Abfall der Netzfrequenz. [16,17,18,19]

Abbildung 4: Abfall der Netzfrequenzspannung im europäischen Stromnetz am 8 Januar 2021


Ein derartiges Szenario gab es in Mitteleuropa zuletzt am 4. November 2006 als E.on die Stromleitung über der Ems abschaltete, damit Schiffe passieren konnten. Dies führte zu einer Kettenreaktion, sodass eine Millionen Haushalte in Europa keinen Strom mehr hatten. Das Problem konnte dabei erst nach Tagen behoben werden.

Folgen eines Blackouts

Die Folgen eines derartigen Blackouts könnten heutzutage gravierend sein, denn Steuersysteme der Infrastruktur könnten in so einem Fall Ausfallen und auch die Notaggregatreserven in verschiedenen Einrichtungen sind begrenzt. Das würde zu einem Kollaps aller kritischen Infrastrukturen führen. Ein Kollaps der gesamten Gesellschaft wäre dabei kaum zu verhindern. Durch das Fehlen des Stroms wäre auch das Kommunikationsnetzwerk nicht verfügbar, gefolgt von der zentralen Wasserver- und Abwasserentsorgung, sowie Lüftungsanlagen, auf welche viele Unternehmen besonders angewiesen sind. Darunter auch die Landwirtschaft mit der Bewässerung der Pflanzen und Versorgung der Tiere. Denn nach bereits 24 Stunden ist der Treibstoffvorrat dieser Anlagen und der Landmaschinen in der Regel erschöpft. Das würde zum Einbruch der Lebensmittelversorgung führen, da Schäden am Lagergut und der Tierbestände zu einer unzureichenden Versorgung der weiterverarbeitenden Industrie und somit der Bevölkerung führen würde.[20,21,22]

Test und Neustart?

Wie derartige Anlagen heutzutage im Falle eines Komplettausfalls neugestartet werden können ist nicht bekannt, genauso wenig wie die Dauer eines Neustarts, da es nicht unter realen Bedingungen getestet werden kann und auch noch nie eingetroffen ist. Die meisten Kraftwerke brauchen zum Neustart Strom und sind daher nicht startfähig im Falle eines Totalausfalls, zudem müsste dieser Start schrittweise erfolgen, damit nicht alle Systeme zeitgleich die Leistung für sich beanspruchen. [13]

Referenzen

  1. https://www.saurugg.net/blackout/das-europaeische-stromversorgungssystem
  2. https://www.eid-aktuell.de/nachrichten/preise-maerkte/detail/news/deutscher-energieverbrauch-auf-dem-niedrigsten-stand-seit-1968.html
  3. https://www.bdew.de/energie/systemstabilitaetsverordnung/502-hertz-problem/#:~:text=Sollte%20die%20Frequenz%20zum%20Beispiel,kommen%2C%20einem%20so%20genannten%20Blackout.
  4. https://www.next-kraftwerke.de/wissen/495-hertz-problematik
  5. https://www.next-kraftwerke.de/energie-blog/stromnetzfrequenz
  6. https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikationen/171207_uba_hg_braunsteinkohle_bf.pdf 
  7. https://rp-online.de/nrw/staedte/grevenbroich/wie-die-boa-funktioniert_aid-13135351
  8. https://www.hochspannungsblog.at/Wissenswertes/Netzaufbau/Spannungsebenen
  9. https://www.next-kraftwerke.de/wissen/virtuelles-kraftwerk
  10. https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Infografiken/Energie/abbildung-das-deutsche-stromnetz.html
  11. https://www.pv-magazine.de/2020/04/21/bundesnetzagentur-mahnt-zwei-bilanzkreisverantwortliche-ab/
  12. https://www.deutschlandfunk.de/blackout-risiko-im-juni-fehlender-strom-und-die-folgen.1766.de.html?dram:article_id=452828
  13. https://www.heise.de/tp/features/Schwarzstartfaehigkeit-von-Stromerzeugern-4499804.html
  14. https://www.vde.com/topics-de/energy/aktuelles/risiko-blackout
  15. https://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/DE/2020/20200420_Bilanzabweichung.html?nn=265778
  16. https://www.heise.de/tp/features/Black-Out-Gefahr-im-Juni-2019-lag-nicht-an-den-Erneuerbaren-4764698.html#:~:text=Am%206.%2C%2012.,geführt%20hat%2C%20einer%20sogenannten%20Unterfrequenz.
  17. https://crisis-prevention.de/kommunikation-it/schwerwiegender-zwischenfall-im-europaeischen-stromversorgungssystem-am-8-jaenner-2021.html
  18. https://www.heise.de/tp/features/Europa-ist-am-Blackout-vorbeigeschrammt-5028090.html
  19. https://www.stromausfall.info/nachtrag-zum-fast-blackout-am-8-1-2021-update-27-1-2021_de_n2795.html
  20. https://www.agrarheute.com/management/betriebsfuehrung/blackout-landwirtschaft-katastrophe-577604
  21. https://www.merkur.de/bayern/blackout-deutschland-was-tun-wenn-strom-weg-4894344.html
  22. https://www.strom-aus.at/index.php/dropdown/was-sind-die-folgen-eines-blackout