Sonntag, 17. März 2013

Die Energiewende: kollabiert das Stromnetz?

Es war genau vor zwei Jahren - am 14. März 2011 - als die Bundeskanzlerin Angela Merkel mit ihrem berühmten Ausspruch "das war´s" das deutsche Kernenergieprogramm kippte. Mit einem beispiellosen Schuss aus der Hüfte verfügte sie vor dem Hintergrund der Ereignisse in Fukushima die sogenannte Energiewende. Ohne jede Absprache mit unseren europäischen Nachbarländern und ohne Gehör für die (durchaus kritische) technische Reaktorsicherheitskommission, welche Supererdbeben und Tsunamis hierzulande für ausgeschlossen hielt und die zudem die deutschen Atomkraftwerke gegen Wasserstoffexplosionen bestens ausgestattet sah. Rat und Zustimmung holte sich Frau Merkel stattdessen von einem flugs zusammgestellten Gremium, der Ethikkommission, die vorzugsweise mit politischen Rentnern, Naturphilosophen und Bischöfen bis hin zu leibhaftigen Kardinälen bestückt war. Das Wahlvolk stimmte zu 80 Prozent zu.

Inzwischen sind die Konsequenzen dieser überhasteten Entscheidung allüberall zu besichtigen: Monokulturen aus Mais, Windparks in Landschaftschutzgebieten, Kahlschlag in Wäldern für Strommasten - nebst immer spürbarer werdender finanzieller Kosten. Darüberhinaus gibt es aber auch solide Gründe technischer Art, weshalb die angestrebte Energiewende nicht funktionieren könnte: es ist nämlich durchaus möglich, dass sie unser bislang bewährtes Stromnetz zum Kollabieren bringt. Darüber soll in diesem Blog berichtet werden.


Worin besteht die Energiewende?

Wenn man die weitreichenden netztechnischen Auswirkungen der Energiewende beschreiben will, dann ist es sinnvoll zu rekapitulieren, worin diese Wende eigentlich besteht. Im Kern geht es um den Ersatz des Kernenergiestroms durch Strom aus Erneuerbaren Energien (EE) bzw. regenerativen Energien. Die Bundeskanzlerin verfügte im März 2011 die sofortige Abschaltung von acht Kernkraftwerken mit einer Gesamtleistung von 8.422 Megawatt (MW). Die restlichen neun grossen Kernkraftwerke mit insgesamt 12.048 MW, sollen zeitlich gestuft zwischen den Jahren 2015 und 2022 vom Netz genommen werden.


Oben: Schrittweise Stillegung der deutschen Kernkraftwerke
Unten: Geplante Entwicklung Erneuerbare Energien (BMU,Tennet)
 
Die dadurch auftretende Lücke von 20.470 MW Grundlast soll geschlossen werden durch zumeist volatile Stromenergie aus Geothermie, Wasserkraft, Biomasse, Wind onshore und offshore sowie Photovoltaik (PV). Der grösste Beitrag wird von den Solar- und Windkraftwerken erwartet. Die erforderliche - stetige - Stromenergie schwankt in Deutschland zwischen 35.000 MW und 80.000 MW. Die Umstellung des gegenwärtigen  Stromregimes hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Verteilnetze, weshalb im Folgenden kurz einiges zu den Übertragungsnetzbetreibern (ÜNB) gesagt werden soll.

Die neuen Betreiber der Stromnetze

Früher war alles ganz einfach. Die Frage, wem die Hochspannungsleitungen mit ihren riesigen Masten gehören, konnte jedes Kind beantworten. Die Eigentümer waren die grossen Stromkonzerne RWE, Eon, EnBW und Vattenfall, welche den bei ihnen erzeugten Strom über diese Leitungen zu den Verbrauchern transportierten.

Seit einiger Zeit ist das alles anders geworden. Die Europäische Union (EU) wollte für mehr Wettbewerb in der Stromwirtschaft sorgen und veranlasste die vier Oligopolisten ihre Netze zu verkaufen. Nun gehören sie neuen Eigentümern, die über den ganzen Globus verstreut sind. Und sie haben neue Namen, nämlich Amprion (früher RWE), Tennet (Eon), Transnet BW (EnBW) und 50 hertz (Vattenfall).

 
 

Oben: Regionale Aufteilung der deutschen Stromnetze auf vier Netzbetreiber
Unten: Schematische Einbindung des Netzbetreibers Tennet (nach Tennet)
 
Die Firma Tennet (abgeleitet von "Tension net") ist der grösste Netzbetreiber; er agiert von Schleswig-Holstein, quer durch Deutschland, bis hinunter ins tiefste Bayern. Sie gehört dem niederländischen Staat, der deutsche Ableger TSO hat seinen Sitz in Bayreuth. Die Firma hat ca. 2.000 Beschäftigte und betreibt ein Netz von 20.000 km Länge. Am ihrem Beispiel und durch veröffentlichte Informationen möchte ich die Netzprobleme erläutern, die im Zuge der Energiewende aufgekommen sind.

Die heutige und zukünftige Struktur der Stromnetze

Die Konfiguration der Stromnetze ist für die Zeit nach der Energiewende nicht optimal, sie muss grundlegend verändert werden. Bisher wird bei den Kernkraftwerken der Strom mit einer Spannung von 380.000 Volt erzeugt, der für die verschiedenen Verbraucher (Industrie, Private) über 220.000 und 110.000 bis auf 220 Volt heruntertransformiert und eingespeist wird. Die Erzeugung folgt dem Verbrauch (Top-Down-Prinzip). Die Verbraucher sind in diesem System die Taktgeber, wenn sie mehr oder weniger Strom anfordern, wird die Leistung der Kraftwerke angehoben bzw. abgesenkt.

Seit der Energiewende ist Deutschland übersät von vielen Stromerzeugern, vorallem im Bereich Solar und Wind. Für die industriellen Verbraucher wird der Strom auf 110.000 bis 380.000 Volt hochtransformiert (Bottom-Up-Prinzip). Wichtig ist: der Verbrauch folgt nunmehr der Erzeugung; die Erzeuger (PV-Anlagen, Windräder) geben jetzt den Takt vor. Wegen dieses neuen Regimes muss das Netz völlig neu strukturiert werden. Da die meisten Windkraftanlagen zudem im Norden liegen (onshore bzw. offshore) und die grossen Verbraucher im Süden (Bayern, Baden-Württemberg) ist der Bau neuer Hochspannungsleitungen unbedingt erforderlich. Mehr darüber später.


Netzführung und Netzsicherheit

Für die Netzführung und die Netzsicherheit gibt es im Bereich der Tennet zwei Leitstellen in Dachau und Lehrte (bei Hannover). Netzführung bedeutet, dass die Frequenz des Wechselstroms möglichst genau bei 50 Hertz (Hz) gehalten werden soll. Das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch muss also immer sichergestellt sein. Schwankungen werden durch den Einsatz von Regelenergie kompensiert. Hierfür stehen eine Reihe von Kraftwerken (oder Verbraucher) zur Verfügung, die innerhalb von Sekunden (Gasturbinen), Minuten oder Stunden an- oder abgefahren werden können.

 
Gleichgewicht Erzeugung und Verbrauch durch Regelenergie

Problematisch sind die Photovoltaik-Anlagen, welche nicht gesteuert werden können, sondern die ganz plötzlich bei 51,5 Hz automatisch vom Netz gehen und sich aber wieder einklinken, sobald das Netz mit Regelkraftwerken stabilisiert ist. Dies führt bei den Leitstellen zu einem solaren "Jo-Jo-Effekt", der nur schwer beherrschbar ist. Nach heftigem Einspruch von Tennet und den übrigen ÜNB-Unternehmen kam es zu einer neuen VDE-Regel, wonach die jetzigen PV-Anlagen mit  frequenzabhängigen Leistungsreduktionen ausgestattet sind.

Die Netzsicherheit wird bei den Leitstellen zumeist durch manuelle Eingriffe gewährleistet. Aus der Tabelle kann man ersehen, dass die Zahl der Eingriffe während des letzten Jahrzehnts dramatisch zugenommen hat. Früher, zum Beispiel im Jahr 2003, musste im ganzen Jahr nur zwei Mal für zwei Ereignisse eingegriffen werden. Durch die Zunahme der regenerativen Energieeinspeisung und wegen des unpassend strukturierten Netzes (siehe oben) nehmen die Korrekturen immer mehr zu. Ein besonders deutlicher Sprung ist zwischen den Jahren 2010 und 2011 zu erkennen, wo sich die Fukushima-bedingte Abschaltung der acht älteren Kraftwerke drastisch negativ bemerkbar machte.

 
Eingriffe zur Gewährleistung der Netzsicherheit (Tennet)

Simpel gesprochen, wird unser Stromnetz durch die Ausserbetriebnahme der Kernkraftwerke und die Zwangsintegration der regenerativen Energieerzeuger immer fragiler und störanfälliger. Ungewollte Stromabschaltungen (Blackouts, Brownouts) werden in Zukunft immer wahrscheinlicher, sobald auch die restlichen Kernkraftwerke abgeschaltet sind.

Herausforderung Ausbau Hochspannungstrassen

Um die Stromerzeugung im Norden an die Verbraucher im Süden näher heranzubringen, ist der Bau von neuen Hochspannungstrassen unbedingt erforderlich. Die Deutsche Energieagentur (Dena) schätzt, dass mindestens 4.500 Trassenkilometer, entsprechend rd. 10.000 Masten, erforderlich sein werden. Wegen der optischen Landschaftsschädigung und der (angeblich gesundheitsschädlichen) Magnetfelder gibt es heftigen Bürgerprotest. Jeder neu geplante Strommast wird praktisch beklagt.

Als Alternative wird von den Grünen die unterirdische Verlegung in Form von Kabeln propagiert. Aber Erdkabel sind alles andere als landschaftsschonend. Zwölf dicke Metallstränge sind auf einer Breite von 20 Metern für die Übertragung von 380.000 Volt nötig. Darüber dürfen, wegen der Wurzeln, keine Bäume wachsen. Schliesslich wird auch das Erdreich aufgewärmt und die ungeliebten Magnetfelder sind natürlich auch noch vorhanden. Von den Kosten ganz zu schweigen, die bei Erdkabeln um Faktoren höher sind als bei Überlandtrassen.


Problematische Einbindung der Erneuerbaren Energien

Inzwischen ist die dreifache Leistung an Solar- und Windgeneratoren installiert worden (ca. 60.000 MW), als insgesamt an Atomstrom bis 2022 abgeschaltet werden wird (ca. 20.000 MW). Trotzdem funktioniert die Integration des regenerativen Stroms in den Markt nur recht und schlecht. Der Grund dafür ist, dass die Qualität dieser Stromarten sehr unterschiedlich ist. Atomstrom wird von den Kraftwerken über 8.000 Stunden im Jahr erzeugt. Seine Produktion an Grundlast ist zuverlässig und planbar, deshalb spricht man auch gerne von Edelstrom. Demgegenüber steht der Strom aus Solar- und Windanlagen nur 800 bis 1.600 Stunden im Jahr zur Verfügung. Dieser Strom ist wegen der Wetterverhältnisse unstetig und kaum planbar; er wird deshalb als Abfallstrom bezeichnet. Kein Stromhändler würde regenerativen Strom verkaufen, wenn dies nicht von seiten der Politik verlangt werden würde.

Hinzu kommt die wirtschaftliche Komponente. Der EE-Strom ist teuer (bis zu 50 Cent pro Kilowattstunde), während der Kernenergiestrom mit 2 bis 4 Cent/kWh gehandelt wird. Da der EE-Strom aber aus politischen Gründen von den Netzbetreibern abgenommen werden muss, drückt er den Strom aus fossilen und nuklearen Kraftwerken praktisch aus dem Netz. Diese Kraftwerke sind häufig nur wenige hundert Stunden im Jahr in Betrieb und werden deshalb extrem unwirtschaftlich. Die vier grossen Betreiber schalten sie deshalb zunehmend ab.

Geradezu absurde Situationen gibt es um Pfingsten herum, wenn der Strombedarf wegen der Feiertage beim Minimum um 35.000 MW liegt. Zur gleichen Zeit kann aber die regenerative Einspeisung bei günstigen Wind- und Sonnenverhältnissen (zeitweise) auf 60.000 MW hochschnellen. Da man diesen Strom nicht speichern kann, wird er in der Regel - unter Zuzahlung - an in- und ausländische Grosskunden abgegeben, um nicht zu sagen "verscherbelt". Grosskunden, wie Metallschmelzen oder Thermalbäder spekulieren  zunehmend auf solche Überschusssituationen und decken sich rechtzeitig und preiswert mit solche EE-Strom ein. Dass sie von der Politik darüberhinaus noch mit Preisrabatten beschenkt werden, ist geradezu ein Witz. Diese cleveren Abnehmer machen sich Smart-Grid und Smart-Meter bereits jetzt zunutze, indem sie die Leipziger Strombörse - und den Wetterbericht -  beobachten, was bei der grossen Zahl der kleinen Privatkunden noch keinen Vorteil bringt.

Die Zwangseinspeisung des EE-Stroms zu nicht marktkonformen Preisen kann keine Lösung auf ewig sein. Stattdessen muss man auch von den regenerativen Erzeugern zukünftig verlangen, dass sie Systemleistungen erbringen, wie Frequenzstützung, Spannungshaltung, Regelenergie und, last not least, variable Strompreisangebote.

Am Beispiel Bayern wird besonders deutlich, welche Extremsituationen in den nächsten Jahren entstehen können. In diesem Bundesland wird wegen der Abschaltung von fünf grossen Kernkraftwerken im Jahr 2022 eine Kraftwerkskapazität von 7.500 MW fehlen. In erster Linie wird dies die Grundlast betreffen. Da die Hochspannungstrassen aus dem Norden zu diesem Zeitpunkt aber noch fehlen werden, hat die Firma Eon das Gaskraftwerk "Irsching 5" mit einer Leistung von 860 MW bauen lassen. Es gehört mit seinem Wirkungsgrad von 60 Prozent zu den modernsten der Welt. Im Jahr 2010 nahm es seinen Betrieb auf, ist aber jetzt bereits wieder abgeschaltet - aus ökonomischen Gründen! Für Eon lohnt sich der Betrieb nicht, da dieses Kraftwerk, wegen der bevorzugten Einspeisung der regenerativen Energien nur wenige Stunden im Jahr am Netz gehalten werden kann.


Das verdrängte Thema Blindstrom

 Die sogenannte Blindleistung wird verursacht durch eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Eilt der Strom der Spannung nach, dann hat man induktive Blindleistung. Eilt der Strom der Spannung vor, dann hat man kapazitive Blindleistung. (Bei Gleichstrom sind Strom und Spannung immer in Phase, also gibt es in Gleichstromkreisen keine Blindleistung). Die Blindleistung in Wechselstromnetzen spielt eine entscheidende Rolle für die Wirtschaftlichkeit und die technische Machbarkeit überhaupt. Denn die Beherrschung der Blindleistung in ausgedehnten Netzen ist essentiell für die Stabilität der Wechselstromübertragung, für die Erhaltung der Spannungsstabilität und damit für die Energieübertragung insgesamt. Sie ist beispielsweise auch dafür verantwortlich, dass Höchstspannungserdkabel nur bis zu einer Kabellänge von ca. 40 km funktionieren.

Der Blindleistungsbedarf eines Netzes ist lastabhängig, also variabel. Es sind die grossen Synchrongeneratoren in nuklearen und fossilen Kraftwerken, welche diese Leistung übernehmen. Sie geben Frequenz und Spannung, also gewissermassen den Takt des Netzes vor. Ein Netz mit zuwenig Regelungsmöglichkeiten für die Blindleistung ist stark stabilitätsgefährdet. Photovoltaik liefert Gleichstrom, der zur Einspeisung in das Netz erst in Wechselstrom umgeformt werden muss. Die PV liefert also keinen Beitrag zur Blindleistung. Sicher ist, dass mit jedem Kernkraftwerk, welches vom Netz geht, ein grosser blindleistungsfähiger und damit stabilitätsbildender Faktor für das Stromübertragungsnetz verschwindet, womit das Netz fragiler wird, was zu ungewollten regionalen und überregionalen Abschaltungen führen kann. Der Laie stellt sich häufig vor, dass man Nuklearstrom einfach durch Solarstrom ersetzen kann. Die Meinung ist falsch und kann zu schlimmen Konsequenzen führen.



Volatilität und Speicherung

Die Firma Tennet beschäftigt eine Vielzahl von Meteorologen und Physikern, um die Sonnen- und Windverhältnisse für die nächsten Stunden und Tage vorherzusagen. Damit soll die stabilisierende Regelenergie minimiert  und der Strombedarf an den Kraftwerken rechtzeitig angemeldet werden. Leider sind diese Prognosen nicht immer zutreffend. Manchmal ergeben sich Fehler in der Höhe von 2- 3.000 MW, was immerhin der Leistung von zwei grossen Kernkraftwerken entspricht. Insbesondere, wenn Frühnebel angesagt sind, kann niemand sicher vorhersagen, ob sich dieser schon um 9 oder erst um 11 Uhr auflöst, sodass die Sonne durchkommen kann.

 
Prognoseabweichung bei PV-Anlagen durch Nebel

Dringend gesucht werden Speicher für überschüssige Sonnen- und Windenergie. Die gegenwärtigen Pumpspeicherkraftwerke reichen dafür bei weitem nicht aus. Sie müssten um den Faktor 10 bis 20 vermehrt werden, wofür es bei den Bewohner der deutschen Mittelgebirge und der Alpen keine Zustimmung gibt. Derzeit denkt man darüber nach, mit der Überschussenergie Wasserstoff zu elektrolysieren und in das Erdgasnetz einzuspeisen. Diese Technologie wird aber sehr teuer werden, da der technische Wirkungsgrad nur sehr mager ist. Ausserdem steht dieses hochteuere Gas in direkter Konkurrenz mit dem weitaus billigeren Fracking-Gas, welches demnächst aus den USA zu erwarten ist.


Fazit:

  1. Der Netzausbau bestimmt das Tempo der Energiewende - nicht umgekehrt.
  2. Der Ausbau von 4.500 Trassenkilometer bis zur Abschaltung aller Kernkraftwerke im Jahr 2022 ist illusorisch.
  3. Die Instabilität und Fragilität des Netzes nimmt zu bei Einbeziehung der Erneuerbaren Energien.
  4. Der Wegfall der Blindleistung der grossen Synchrongeneratoren erhöht die Netzinstabilität.
  5. Der massive Ausbau der Speichertechnologie ist dringend notwendig, um die Volatilitätszyklen der Erneuerbaren Energien abzupuffern. Wege hierfür sind nicht erkennbar.
  6. Es müssen wirtschaftliche Anreize gefunden werden, um konventionelle Kraftwerke mit kurzen Betriebszeiten und hohen Gradienten zuzubauen. (Sogen. Kapazitätsmarkt)
  7. Die regenerativen Stromerzeuger müssen sich künftig durch technische Neuerungen stärker an der Frequenzstützung und Spannungshaltung des Netzes, sowie an der Beistellung von Regelenergie beteiligen.
  8. Der Stromverbrauch muss sich künftig mehr am Angebot der regenerativen Erzeuger orientieren. (Smart Grid etc.)

Meine Schlussfolgerung:

Da es nicht möglich ist, die oben genannten Voraussetzungen in den nächsten zehn Jahren zu erfüllen, wird die Energiewende - wie von der Bundesregierung konzipiert - nicht gelingen. Künftige Bundesregierungen werden gezwungen sein, einige grosse Kernkraftwerke über das Jahr 2022 am Netz zu belassen, um die deutsche Stromversorgung nicht zu gefährden.

"Wetten, dass...?"

Kommentare:

  1. Sehr gelungener Artikel, ich würde mich über eine Aktualisierung freuen. Z.B. hat sich in der Speicher-Branche viel getan und virtuelle KW beteiligen sich mitlerweile am Regelenergiemarkt.

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  2. Sehr gut geschrieben und erklärt!!

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