Der „Puls“ des Stroms: So bleibt unser Netz im Gleichgewicht

Unser Stromnetz „pulsiert“ gleichmäßig mit einer Netzfrequenz von 50 Hertz (Hz). Gerät dieser Pulsschlag aus dem Takt, kann das gesamte System ins Stolpern geraten. Was also hält den „Puls“ des Stroms stabil? Und welche Rolle spielen Netzbetreiber dabei? Wir machen den Checkup.

Von Patrick Torma

In unserem Stromnetz fließt Wechselstrom. Oder besser: schunkelt. Denn Wechselstrom tauscht 100-Mal in der Sekunde die Richtung. 50-mal hin, 50-mal zurück. Das macht 50 Spannungswellen in der Sekunde. Die Einheit hierfür lautet „Hertz“ (Hz).

Diese 50 Hz stehen nicht nur für den „Flow“ des Wechselstroms, sondern auch für eine stabile Netzfrequenz. Geringe Abweichungen von ±0,2 Hz verkraftet das Stromnetz zwar problemlos. Weicht der „Pulsschlag“ des Stroms jedoch zu deutlich von diesen 50 Hz ab, kann das gravierende Folgen für die Stromversorgung haben.

Die Mission: Eine „Stromwaage“ im ständigen Gleichgewicht

Um das zu verstehen, müssen wir uns anschauen, was passiert, wenn die Netzfrequenz von der Norm abweicht. Die erwähnten 50 Hz sind nämlich kein Naturgesetz, sondern der europäische Standard für den Netzbetrieb.

Entscheidend für einen stabilen Rhythmus ist, dass sich die Erzeugung und der Verbrauch von elektrischer Energie die Waage halten. Das kann man sich ruhig genauso bildlich vorstellen, denn Fachleute sprechen von einem Leistungsgleichgewicht.

Kurz gefasst: Kraftwerke, Windräder, Solaranlagen und Speicher – sie alle müssen in Summe genau die Menge Energie ins Netz einspeisen, die wir gerade benötigen – plus die erforderliche Blindleistung (siehe Infokasten). „Wir“, das sind Haushalte, Industrie, öffentliche Einrichtungen und alle weiteren Verbraucher.

Steigt die Frequenz, ist das ein Zeichen, dass zu viel Energie im Netz ist. Die direkte Folge: Wie bei einem Herz, das rast, laufen Generatoren schneller als vorgesehen. Anlagen werden belastet, wichtige Komponenten können sich automatisch abschalten, um Schäden zu vermeiden. Sind besonders zentrale Anlagen betroffen, kann dies im Extremfall zu einer Welle von Abschaltungen führen.

Umgekehrt zeigt eine sinkende Frequenz, dass die Erzeugung dem Energieverbrauch nicht hinterherkommt. Wird der „Hertzschlag“ zu langsam, gerät das System auch hier ins Straucheln. Wieder trennen sich Erzeugungsanlagen durch ihre Schutzmechanismen nach und nach automatisch vom Netz, wieder könnte es unkontrolliert zu einer Kettenreaktion kommen. Ob Über- oder Unterfrequenz: Der Worst Case wäre in beiden Szenarien derselbe – ein großflächiger Stromausfall, häufig auch „Blackout“ genannt.

Ein engmaschiges Sicherheitsnetz fürs Stromnetz

Die gute Nachricht: So ein schwerer Kollaps ist hierzulande unwahrscheinlich. Zum einen sorgt der Strommarkt im Vorfeld dafür, dass Erzeugung und Verbrauch im Gleichgewicht sind. So müssen unter anderem Energieversorger „ansagen“, wie viel Strom am nächsten Tag in ihrem Bilanzkreis verbraucht wird, und zwar auf die Viertelstunde genau.

Zum anderen überwachen die vier Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) laufend die Netzfrequenz. Weicht diese ab, greifen die ÜNB zu klar geregelten Maßnahmen (siehe auch Interview unten), um die Systemstabilität zu sichern. Beispielsweise können ÜNB sogenannte Regelenergie abrufen, wenn die Einspeisung kurzzeitig einbricht oder die Nachfrage sprunghaft ansteigt. Dank zahlreicher Vorsorge- und Gegenmaßnahmen merken wir von diesen Frequenzschwankungen im Alltag so gut wie nichts.

Das heißt jedoch nicht, dass Störfälle in Zukunft völlig ausgeschlossen sind. Unser Stromnetz befindet sich mitten im Umbau, und wer schon einmal während des laufenden Betriebs sein Haus renoviert hat, weiß: Das ist nicht immer einfach. Die frühere Fließrichtung des Stroms – von den großen Kohle- und Atomkraftwerken in unsere Häuser – löst sich zunehmend auf. Durch die Energiewende entsteht Elektrizität immer öfter dort, wo sie auch verbraucht wird: direkt vor Ort.

Damit rücken die lokalen und regionalen Verteilnetze stärker in den Fokus. Sie werden, um es ein letztes Mal mit Herz auszudrücken, zu den neuen Herzkammern unseres Energiesystems. Damit müssen auch Verteilnetzbetreiber kräftiger „pumpen“, um das Netz stabil zu halten. Wie das schon heute gelingt, erzählen wir an anderer Stelle.

Übrigens: Wie stabil die Netzfrequenz in diesem Moment ist, davon können Sie selbst ein Bild machen – etwa in den Energy-Charts des Fraunhofer-Institutes.

 Drei Fragen an Arkadius Kolloch

Übertragungsnetzbetreiber wachen über die Netzfrequenz. Um größere Stromausfälle abzuwenden, kommt es im Ernstfall auch auf die Verteilnetze an. Sie machen immerhin den Löwenteil des Stromnetzes aus. Wie Verteilnetzbetreiber im Notfall eingebunden sind und welche Maßnahmen greifen könnten, erklärt Arkadius Kolloch, Teamleiter Leitsystem und Leittechnik bei naturenergie netze.

Herr Kolloch, mal angenommen, es kommt – bildlich gesprochen – zu einem „Kammerflimmern“ in der Netzfrequenz: Welche Rolle spielen Verteilnetzbetreiber wie naturenergie netze dann im Notfall?

Zunächst ganz wichtig: Das würde eine äußerst kritische Situation voraussetzen. Das wiederum hieße, dass weder die Mechanismen des Strommarktes noch die üblichen Eingriffe der Netzbetreiber – etwa über Redispatch oder automatische Schutzsysteme – ausreichen, um das Netz stabil zu halten.

In diesem Fall sieht das Energiewirtschaftsgesetz spezielle Notfallmaßnahmen vor. Dann würde der übergeordnete Netzbetreiber, bei uns in Baden-Württemberg ist das die TransnetBW, eine ‚Kaskade‘ auslösen. Das bedeutet: Er gibt Anweisungen Schritt für Schritt an die nachgelagerten Netzbetreiber weiter. Wir als Verteilnetzbetreiber müssten dann als Teil einer Sicherheitskette innerhalb von zwölf Minuten reagieren.

Welche Maßnahmen wären denn denkbar?

Bei einer Überfrequenz wäre zu viel Energie im Netz. Das ist wie bei einem Fahrrad, das bergab fährt: Man muss nicht mehr treten und wird trotzdem immer schneller. Würden wir dazu angewiesen werden, wäre es unserer Verbundleitstelle möglich, steuerbare Erzeugungsanlagen ab einer Leistung von über 100 kW kurzfristig zu drosseln.

Bei einer Unterfrequenz dagegen wäre der Stromverbrauch höher als die Erzeugung. Dann bekämen wir von unserem Übertragungsnetzbetreiber die Anweisung, Lasten abzuwerfen. Das heißt, wir würden nach dem Zufallsprinzip eine Gruppe von Verbrauchern für 90 Minuten von der Stromversorgung trennen, anschließend die nächste Gruppe. Solange, bis die Störung behoben ist.

(Genaueres zum Prinzip der „rollierenden Lastabschaltungen“ erfahren Sie auch in diesem Interview).

Wie oft kommt so etwas vor?  

Für diese Notfallmaßnahmen bräuchte es einen echten Notfall, und den hat es bislang noch nicht gegeben. Dass wir Erzeugungsanlagen drosseln oder hochfahren, kommt im Rahmen der üblichen Redispatch-Maßnahmen punktuell vor, um lokale Netzengpässe zu beseitigen. Einen kontrollierten Lastabwurf, auch „Brownout“ genannt, mussten wir bislang nicht vornehmen.