Vom Kraftwerk in die Steckdose (und wieder zurück) Wie funktioniert das Stromnetz?
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25. Februar 2021, 16:12 Uhr
Strom ist unser allgegenwärtiger Begleiter, doch so richtig nehmen wir ihn nur wahr, wenn er mal fehlt. Warum der Energiefluss so reibungslos funktioniert und vor welchen Herausforderungen unser Stromnetz steht, erklären wir hier. (von Max Heeke)
Morgens der Griff zum Handy und das Licht anschalten. Dann unter die Dusche springen, Frühstück aus dem Kühlschrank zubereiten, die Kaffeemaschine anknipsen, das Auto per Funksteuerung öffnen, vor einer roten Ampel stehen, mit dem Aufzug ins Büro hochfahren und und und... Unser modernes Leben ist komplett abhängig davon, dass die elektrische Energie fließt und das Stromnetz reibungslos funktioniert. Und dass es das tut, liegt an einem Zusammenspiel verschiedener Kräfte quer durch Europa.
Die erste wichtige Kennziffer für den Energiefluss ist 50 Hertz. Diese Zahl beschreibt die Schwingung des Stroms. Der Strom aus unserer Steckdose ist Wechselstrom (das AC in AC/DC). 50 mal pro Sekunde schwingt die elektrische Energie von negativer zu positiver Polung und wieder zurück. 50 Hertz, das ist der Beat unseres Lebens und ein Beat, der von der Algarve im Süden Portugals bis zur Nordküste Dänemarks pulsiert. Denn der Stromfluss hierzulande ist in das europäische Stromnetz, das so genannte Europäische Verbundsystem integriert.
Das vereinte Stromnetz von Europa
Überall in Kontinentaleuropa schwingt der Strom mit 50 Hertz. Kraftwerke, ratternde Maschinen, leuchtende Lampen, ladende Handyakkus – sie alle eint die gleiche Frequenz des Stroms. Es ist ein sensibles Gleichgewicht, das schon bei Schwankungen von Millihertz ins Stocken geraten kann:
Die Herausforderung bei der elektrischen Energie besteht darin, dass die elektrische Energie in dem Augenblick, wo sie verbraucht wird, auch erzeugt werden muss. Dieses Gleichgewicht von Erzeugung und Verbrauch ist in jedem Augenblick zu gewährleisten.
Am achten Januar 2021 wurde das europäische Verbundsystem durch eine Störung an einem Umspannwerk in Kroatien in zwei Stromnetze aufgeteilt: Im Südosten war zu viel Strom, im Nordwesten zu wenig. Die Frequenz fiel hierzulande um wenige hundert Millihertz auf 49,75. An diesem Tag sind wir knapp an einem europaweiten Stromausfall vorbeigeschrammt.
Im Stromnetz selbst kann elektrische Energie nicht gespeichert, sondern muss zwischen Erzeugern und Verbrauchern unmittelbar verteilt werden. Diese Aufgabe übernimmt der Verband der EU-Netzbetreiber. Hier sind die nationalen Netzbetreiber zusammengeschaltet und sorgen für eine stabile Infrastruktur und den immer gleichen Beat der 50 Hertz. Bei steigendem Stromverbrauch werden Kraftwerke europaweit zugeschaltet, bei sinkendem Verbrauch abgeschaltet, auch im Zeitraum von Augenblicken.
Die Größe des Systems verringert die Gefahr von Ausfällen, weil Schwankungen schneller ausgeglichen werden können. Außerdem halten die Netzbetreiber Erzeugungskapazitäten bereit, die innerhalb von 30 Sekunden Ausfälle verhindern können – wie im Fall des Frequenzabfalls Anfang des Jahres. Damals haben sie zusätzliche Kraftwerke ans Netz gebracht, um die 50 Hertz wieder zu erreichen. Bei uns Endverbrauchern war von den Turbulenzen im Übrigen nichts zu spüren. Das Stromnetz funktioniert weitestgehend beschwerdefrei: die Dauer der Stromausfälle nimmt deutschlandweit seit Jahren ab.
Die Energiewende in Deutschland und Europa stellt das Stromnetz allerdings vor Herausforderungen. "Das europäische Verbundnetz sind die Übertragungsnetzbetreiber: Das ist die Höchstspannungsebene, wo wir die Energie verteilen über lange Strecken, wo die großen Kraftwerke dranhängen, von denen es in Zukunft immer weniger gibt", erklärt Gerd Heilscher, Professor für dezentrale regenerative Energiesysteme an der Technischen Universität Ulm.
Wie kommt der Strom in die Steckdose?
Das Stromnetz und den Weg der Energie bis zu uns Endverbrauchern kann man sich tatsächlich wie ein Straßennetz vorstellen. Das gesamte deutsche Stromnetz umfasst eine Länge von fast zwei Millionen Kilometern. Es gibt die Stromautobahnen, die so genannten Höchststpannungsnetze, die die elektrische Energie mit mehreren Hunderttausend Volt Spannung von den großen Erzeugern, also den Kohle- und Atomkraftwerken oder den Offshore-Windparks transportieren – grenzüberschreitend. Auf dieser hohen Spannungsebene kann der Strom ohne große Reibungsverluste geleitet werden, wie der Massenverkehr auf der Autobahn (in einer Idealwelt).
An den Umspannwerken – den Autobahnausfahrten, um im Bild zu bleiben – wird der Strom auf eine niedrigere Spannungsebene transformiert. Von dort kann er über die Verteilnetze beispielsweise Städte oder industrielle Abnehmer versorgen. Das sind quasi die Bundes- oder Landesstraßen, im Fachjargon Hoch- und Mittelspannungsnetze mit bis zu 110.000 beziehungsweise 30.000 Volt. Beim Endverbraucher kommt der Strom über normale "innerörtliche Straßen" oder "Feldwege" an – die Spannung wird auf das Niederspannungsnetz transformiert und landet bei uns mit 220-240 Volt in der Steckdose. Dieses System, also große Kraftwerke und ein Verteilsystem von hohen zu niedrigen Spannungen, hat sich über Jahrzehnte bewährt und funktioniert. Doch die Energiewende verändert dieses eingespielte System.
Die Energiewende setzt das Netz unter Druck
"Energiewende heißt, dass wir von wenigen hundert auf knapp zwei Millionen dezentrale Erzeugungsanlagen kommen, die in anderen Spannungsebenen sind. Die müssen dann Energieverbrauch und Einspeisung genauso im Gleichgewicht halten. Wir müssen Mechanismen finden, wie so etwas funktioniert", erklärt Gerd Heilscher. Strom aus Windkraft- und Solaranlagen wird üblicherweise über geringere Spannungen, also über die Mittel- oder Niederspannungsnetze eingespeist. Das ändert das System fundamental: Statt nur den Strom von oben nach unten zu verteilen, müssen die Netze auf allen Spannungsebenen das Gleichgewicht von Verbrauch und Erzeugung ermöglichen.
Mit einer Photovoltaik-Anlage auf dem Dach kann jede Eigenheimbesitzerin oder jeder Mieter zum Stromerzeuger werden. Die Stromnetze müssen also zu "Einsammelnetzen" werden, wie es bei der Deutschen Energie-Agentur heißt. Außerdem werden im Rahmen der Energiewende die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität miteinander verzahnt – im Rahmen der so genannten Sektorkopplung. All das erfordert störungsfreie Netze und genaueres Management. Die Netzbetreiber müssen viel mehr regulieren (und durch Digitalisierung regulieren lassen), um das Gleichgewicht zu halten.
Denn der Strom aus den Erneuerbaren Energien kann launisch sein wie das Wetter selbst. Mal weht der Wind zu wenig, die Sonne scheint nicht, dann knallt die Sonne aufs Land und der Wind bläst. Doch der Stromverbrauch richtet sich nicht danach, wann die Erneuerbaren liefern – noch nicht. Im Winter können "Dunkelflauten" dafür sorgen, dass die Erneuerbaren Energien den Strombedarf nicht decken können. In anderen Phasen des Jahres müssen die Netzbetreiber dagegen immer wieder Windkraftanlagen abschalten, weil zu viel Strom eingespeist wird und die Netze die Mengen nicht verteilen können. So geht wertvoller Strom "verloren". Laut Bundesnetzagentur gab es 2019 6.482 Gigawattstunden "Ausfallarbeit" (drei Prozent der gesamten Erzeugung der erneuerbaren Energien in Deutschland), mit satten Kosten für Netzbetreiber und Stromkunden. Insgesamt steigt der Anteil der Erneuerbaren an der Stromerzeugung kontinuierlich.
Wie verbessern wir das Stromnetz?
Der wohl einfachste Weg, um das Stromnetz zu schonen, ist weniger zu verbrauchen. Insgesamt sank die Stromerzeugung in Deutschland seit 2008 um etwas mehr als zehn Prozent. Vor allem im letzten Jahr ging der Stromverbrauch – pandemiebedingt – stark zurück. Zukünftig wird der Stromverbrauch aber wieder steigen, weil E-Autos und elektrisch betriebene Wärmepumpen als neue Verbraucher massenhaft dazu kommen.
Um das Netz fit für die Zukunft zu machen, sind der Ausbau und die Erneuerung der Netzinfrastruktur wichtig. In Deutschland sollen Stromtrassen quer durchs Land (und unter der Erde) installiert werden, um den industriereichen Süden mit erneuerbarer Energie aus dem Norden zu versorgen. Die Deutsche Energie-Agentur schätzt, dass bis 2025 bis zu 3.600 km neue Höchstspannungstrassen gebaut werden müssen. Gegen diese Bauprojekte regt sich Widerstand in der Bevölkerung, so zum Beispiel in Thüringen.
Ein weiterer Ansatz ist es, überschüssige Energie zwischenzuspeichern, um sie später wieder ins Netz einzuspeisen. Wie das gelingen kann, ist das Ziel zahlreicher aktueller Forschungsprojekte. Seit langem bewährt haben sich Pumpspeicherkraftwerke: Wasser wird mit Hilfe von Strom von unten nach oben gepumpt, und wieder nach unten gelassen, wenn Strombedarf besteht. Ihr Vorteil ist die lange Haltbarkeit der Anlagen. Die ältesten noch heute aktiven Wasserkraftwerke sind über hundert Jahre alt. Allerdings ergeben diese Kraftwerke nur Sinn, wo viel Wasser und Höhenunterschiede existieren – diese Flächen sind in Deutschland rar. Batteriesysteme, wie man sie aus Akkus kennt, halten weniger lang, sind aber deutlich flexibler. Der Kohlekraftwerksbetreiber LEAG, der vor allem in der Lausitz Tagebaue und Kraftwerke unterhält, hat vor kurzem einen Batteriepark eröffnet. Er soll Schwankungen und Verbrauchsspitzen im Netz abfangen. Marktreif sind Batterien, die große Mengen an Energie speichern können, allerdings noch nicht.
Wasserstoff for Future?
Eine andere Art von Batterie ist der Energieträger Wasserstoff. In den Plänen der Bundesregierung für die Energiewende spielt er eine wichtige Rolle. Er lässt sich leicht speichern, beispielsweise im bestehenden Erdgasnetz. Er ist vielfältig einsetzbar, als Ausgangsstoff in der chemischen Industrie, als Wärmequelle oder auch im Mobilitätssektor. Wasserstoff lässt sich mittels elektrischer Energie aus der Spaltung von Wasser gewinnen. So könnte man Strom aus Windrädern über Elektrolyseure direkt in Wasserstoff umwandeln, speichern, transportieren und wieder in Strom zurückwandeln - oder als Gas direkt nutzen. Allerdings verbraucht die Herstellung von Wasserstoff sehr große Mengen an erneuerbaren Energien; die Effizienz ist gering, verglichen mit anderen Nutzungsarten des Stroms. Außerdem müssen die Strom- und Gasnetze besser miteinander verzahnt werden. Auch hier ist die Marktreife noch nicht erreicht.
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Zelle statt Autobahn
Warum muss die elektrische Energie eigentlich über lange Strecken verteilt werden? Warum kann sie nicht am Ort der Erzeugung, also dezentral, genutzt werden? Von diesen Fragen geht ein Ansatz aus, der die Architektur der Stromnetze grundlegend überdenken will. Statt großer Einheiten und großer Stromautobahnen bräuchte es in Zukunft kleinere, in sich geschlossene Erzeugungs- und Verbrauchseinheiten, so genannte intelligente Zellen. Davon sind unter anderem Forscher der TU Dresden überzeugt. Diese Zellen können normale Wohnhäuser sein, die selbst elektrische Energie erzeugen, diese speichern und für Strom, Heizung und E-Autos verbrauchen – weitestgehend unabhängig vom öffentlichen Stromnetz. Das können aber auch Industrieparks sein, die ihre Energie mit Hilfe von Windrädern und Fotovoltaik-Anlagen an Ort und Stelle erzeugen und verbrauchen. Oder sogar Oberleitungen für Elektro-Lkw auf viel befahrenen Autobahnen, wahre "Stromautobahnen".
Für diesen zellularen Ansatz braucht es auf jeden Fall eine deutlich intelligentere, "smarte" Steuerung von Erzeugung, Speicherung und Verbrauch – Technologien, an denen bereits intensiv geforscht wird. "Die Herausforderung bei der Energiewende ist das Tempo. Darum wird die dezentrale Erzeugung, also Solar- und Windenergie direkt vor Ort und auch die Speicherung möglichst verbrauchsnah, sehr sinnvoll sein. Das können wir relativ schnell aufbauen und da können auch alle Akteure mitspielen. Darum glaube ich, dass die Lösung schon sehr zellulär sein wird", erklärt Volker Quaschning, Professor für solare Energiesysteme an der HTW Berlin.
Ausblick
Das Stromnetz der Zukunft wird voraussichtlich eine Mischung aus Transportwegen und intelligenten Zellen enthalten, es wird noch mehr Kontrolle und Steuerung bedürfen und es wird die verschiedenen Nutzungsarten, also den direkten Stromverbrauch, Wärme und Mobilität gemeinsam regeln. Fehlen nur die ausreichenden Quellen des Stroms, die gerade im Hinblick auf Atom- und Kohleausstieg noch wichtiger werden. Darüber hinaus wird auch sparsamerer Verbrauch seine Rolle spielen. Auch der stabilisiert das Stromnetz.
Europäischer Strommarkt Der Strommarkt ist das Fundament der europäischen Stromversorgung. Hier werden Angebot und Nachfrage organisiert, also Strom ge- und verkauft und es entscheidet sich der Preis des Stroms. Gehandelt wird er beispielsweise an der European Energy Exchange-Börse mit Sitz in Leipzig. Da Strom im Stromnetz nicht gespeichert, sondern unmittelbar vom Erzeuger an die Verbraucher transportiert werden muss, sind die kurzfristigen Optionen, wie Handel im Viertelstundentakt, wichtige Elemente des Strommarktes. Er kann aber auch Jahre im voraus gehandelt werden. Durch die Energiewende kommen neben den großen Stromanbietern zahlreiche neue Anbieter dazu und die Schwankungen der Erneuerbaren Energien müssen korrekt eingepreist werden. Auch der Strommarkt ändert sich durch die Energiewende.
Quellen
Die Deutsche Energie-Agentur gibt Auskunft über die großen Baustellen beim Stromnetz und in einer Studie über das Verteilnetz. Auch das Umweltbundesamt forscht zum zügigen Netzausbau. Aus europäischer Perspektive blickt der Verband der EU-Netzbetreiber auf die Entwicklung des Verbundsystems.
