Peter Heller, Gastautor / 03.02.2018 / 06:10 / Foto: martinak15 / 37 / Seite ausdrucken

Wie das mit dem Strom so funktioniert – und wie nicht

Die mit der deutschen Energiepolitik verknüpften Risiken sind schon in ihrem konzeptionellen Fundament angelegt. Man will, so heißt es seitens der Bundesregierung, eine Energieversorgung etablieren, die gleichzeitig zuverlässig, bezahlbar und umweltschonend ist. Dieses sogenannte energiepolitische Dreieck hat sich als Dogma etabliert, dem niemand mehr widerspricht. Aus guten Gründen, eröffnet doch die Verknüpfung dreier miteinander unvereinbarer Zielmarken so manchen ideologisch gefestigten, aber von technischem Wissen eher unbelasteten Zeitgenossen einmalige Möglichkeiten, ihrer Agenda Gehör zu verschaffen.

So unterliegt die Antwort auf die Frage, was als umweltfreundlich anzusehen ist, einer vielstimmigen emotionalen Beliebigkeit, deren zusammengefasstes Optimum in einem Energiesystem besteht, das auf vogelschnetzelnde Windräder, emittierende Kohle- und strahlende Kernkraftwerke ebenso verzichtet, wie auf toxische Solarzellen und intensivlandwirtschaftlich produzierte Biomasse.

Die einzig wirklich umweltschonende Versorgung ist offensichtlich gar keine Versorgung. Die natürlich auch nichts kostet. So könnte eine Rückkehr zum steinzeitlichen Nomadenleben zwei der Anliegen des energiepolitischen Dreiecks bestmöglich erfüllen. Und das dritte wäre dann schlicht irrelevant. Was ist von einer Aufgabenstellung zu halten, deren unterschiedliche Vorgaben nur durch eine solche Lösung gleichermaßen perfekt umgesetzt werden?

Tatsächlich ist Versorgungssicherheit das einzige Kriterium, das wirklich zählt. Denn Energie hat keinen Wert und keinen Nutzen, wenn sie nicht überall dort, wo man sie braucht, und immer dann, wenn man sie braucht, in der erforderlichen Form und Quantität zur Verfügung steht. 

Was könnte man mit einem Auto schon anfangen, bei dem das Tanken reine Glückssache wäre? Was mit einer Heizung, für die das Brennstoffangebot von Zufällen abhinge? Wer würde sich einen Fernseher kaufen, den man nicht einschalten kann, wann man will? Versorgungssicherheit ist kein Luxusgut, das man ohne größere Folgen aus der Perspektive eines wankelmütigen Zeitgeistes betrachten darf, sondern notwendige Basis für die Aufrechterhaltung einer freien und wohlhabenden modernen Gesellschaft.

Strom besteht nicht aus Elektronen

Die Zuverlässigkeit eines Versorgungssystems ist dabei nicht primär an der Menge der bereitgestellten Energie zu messen, sondern wesentlich an dessen Widerstandskraft gegen Fehler und Störungen. Es sollte unter widrigen, vom Idealzustand abweichenden Bedingungen nicht allzu leicht versagen. Und wenn es doch ausfällt, schnell wieder in Betrieb gehen können. Das energiepolitische Dreieck aber erzwingt mit der Energiewende Konzessionen zu Lasten genau dieser Aspekte. Versorgungssicherheit, die bei vielen Primärenergieträgern vor allem mittels einer effektiven Logistik dargestellt werden kann, unterliegt nämlich beim Strom spezifischen physikalischen Rahmenbedingungen. Hier kommt es nicht nur darauf an, genug elektrische Energie zu erzeugen. Es muss auch auf die richtige Weise geschehen.

Obwohl der Begriff solches leider nahelegt, besteht Strom nicht aus Elektronen, die durch Drähte fließen wie Gasmoleküle durch Rohrleitungen. Es wandern keine geladenen Teilchen aus Kraftwerken durch unsere Lampen, Waschmaschinen oder Fernseher, wenn wir diese einschalten. Vielmehr sind sie schon da, in den elektrischen Bauelementen unserer Geräte, völlig orientierungs- und richtungslos zwischen den in einer Gitterstruktur angeordneten Atomen eines metallischen Kabels herumirrend. Dieses Gewimmel kann zu Strom werden, wenn es einen Dirigenten gibt, der ihm Struktur verleiht.

Dies leisten die durch Turbinen in den großen thermischen Kraftwerken angetriebenen Generatoren, in denen rotierende Magneten die Elektronen in den Leitungen der sie umgebenden Spulen in einem exakt festgelegten Takt anstoßen. So wird Ordnung dem Chaos aufgeprägt. Exakt fünfzigmal pro Sekunde hüpfen die Ladungsträger auf der Stelle hin und her, eine regelmäßige Bewegung, zu der sie über die elektromagnetische Wechselwirkung auch alle anderen Elektronen in den angeschlossenen Leitungen und Geräten anregen. Es ist die durch diese Schwingung transportierte Energie, die wir anzapfen, wenn wir ein Endgerät einschalten, es ist die Dynamik dieses Tanzes, die wir über geeignete Mechanismen in Wärme, Licht oder mechanische Bewegung umsetzen.

Störfaktoren der Netzfrequenz

Die Festlegung der Netzfrequenz auf einen Wert von fünfzig Hertz folgt keiner physikalischen oder technischen Notwendigkeit, sondern spiegelt eine historisch gewachsene Vereinbarung wieder. Da diese nun aber verbindlich gilt, richten sich auch alle nach ihr, Verbraucher wie Versorger. Weicht die Netzfrequenz zu stark von ihrem Sollwert ab, funktionieren sehr viele elektrotechnische und elektronische Systeme nicht mehr besonders gut, viele überhaupt nicht mehr und manche können gar beschädigt oder zerstört werden. Dies gilt insbesondere für die Werkzeugmaschinen in der industriellen Produktion, wie auch für die Einrichtungen des Netzbetriebs selbst, von den Kraftwerken bis zu den Transformatoren. Unterhalb von 47,5 und oberhalb von 51,5 Hertz wären beispielsweise die Generatoren vieler Erzeugungsanlagen gefährdet, was zu Notabschaltungen und einem vollständigen Zusammenbruch der Versorgung führen würde. Für einen optimalen Betrieb sollte die Netzfrequenz sogar immer in dem Band zwischen 49,98 und 50,02 Hertz liegen.

Es ist nicht ganz so einfach, dies zu gewährleisten. Jede Energieentnahme verlangsamt die Schwingung der Elektronen, die Netzfrequenz sinkt. Jede Energiezufuhr beschleunigt den Formationstanz der Ladungsträger, die Netzfrequenz steigt. Energiezuflüsse und Energieabflüsse müssen sich also immer die Waage halten, um der Anforderung nach einer konstanten Netzfrequenz zu genügen. Im alltäglichen Betrieb kann man das regeln. Zumal man über genug Erfahrungswerte verfügt, die es gestatten, den voraussichtlichen Bedarf für einen bestimmten Zeitpunkt in der Zukunft zu prognostizieren. Wind- und Sonnenstrom allerdings stellen in dieser Hinsicht Störfaktoren dar. Denn sie beteiligen sich aufgrund ihrer technischen Eigenschaften und ihrer volatilen, wetterabhängigen Erzeugungscharakteristik weder an der Definition der Netzfrequenz, noch an deren Haltung. Sie sind über Umrichter an das Netz angeschlossen, die sich eben nach irgendetwas „richten“ müssen, um die elektrische Energie aus Solarzellen und Windrädern an die Erfordernisse anzupassen. Die volatilen Quellen bedürfen dazu des konventionellen Kapellmeisters, der sie anleitet, sonst zerstören sie den Gleichklang des Erzeugerorchesters und verwandeln den Formationstanz der Elektronen in ein Durcheinander.

Oft gehörte Klagen von Befürwortern der Energiewende, die herkömmlichen Kraftwerke würden die Leitungen „verstopfen“ und dem Wind- und Sonnenstrom dadurch Zugänge versperren, sie wären gar verantwortlich für immer häufiger auftretende Produktionsüberschüsse, für deren Aufnahme zur Sicherung der Netzstabilität ausländische Abnehmer sogar prämiert werden müssen (negative Strompreise), sind daher entweder irreführende Propaganda oder Ausdruck intellektuellen Schiffbruchs. Ohne den durch die Rotation der Läufer in den Generatoren der großen thermischen Kraftwerke vorgegebenen Takt gäbe es erst gar kein Stromnetz, in das noch andere Erzeuger integriert werden könnten.

Vollversorgung ist auf Basis volatiler Quellen unmöglich

Allein dies macht eine hundertprozentige Versorgung auf Basis volatiler Quellen unmöglich. Aber der potenzielle Anteil von Wind und Sonne an der Stromerzeugung ist noch durch einen anderen Aspekt begrenzt.

Was geschieht, wenn etwas schiefgeht? Wenn etwa auf einen Schlag mehrere große Kraftwerke ausfallen? Die Folge wäre ein unmittelbares und unaufhaltsames Absinken der Netzfrequenz unter ein noch zu verkraftendes Niveau und damit der Blackout. Da sich dieser Effekt blitzartig mit Lichtgeschwindigkeit im Netz ausbreitet, gäbe es keine Chance auf Gegenmaßnahmen.

Wären da nicht die Schwungmassen der herkömmlichen Meiler. Mehr als hundert Tonnen bringt so ein Läufer auf die Waage, und in zweipoliger Ausführung rotiert er fünfzigmal in jeder Sekunde um die eigene Achse. Einige tausend Tonnen drehen sich in dieser enormen Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt in den größten deutschen Kraftwerken, die überwiegend mit Kohle, manche aber auch mit Erdgas und einige wenige noch mit Uran befeuert werden. Und diese träge Masse ist es, die dem Netz Widerstandskraft gegen Ausfälle und unvorhergesehene Bedarfsspitzen verleiht. Denn sie bremst jede Veränderung der Netzfrequenz auf ein beherrschbares Maß.

Kettenreaktionen die uns ins Dunkel tauchen

Die Geschwindigkeit, in der die Netzfrequenz ansteigt oder absinkt, darf nicht mehr als zwei Hertz pro Sekunde betragen. Nur dann können die verfügbaren Regelmechanismen greifen, die den Tanz der Elektronen zunächst stabilisieren, um ihn anschließend in die gewünschte Geschwindigkeit zurückzuführen. Wie hoch die konventionellen, auf rotierenden Massen beruhenden Erzeugerkapazitäten sein müssen, um dies zu gewährleisten, hängt vom Verhältnis der gesamten Netzlast zur Über- oder Unterdeckung ab. Will man einen Ausfall von zehn Prozent der aktuellen Netzlast überstehen, darf der Anteil der durch Schwungmassen eingespeisten Leistung 25 Prozent nicht unterschreiten. Will man sich gar gegen den plötzlichen Verlust von zwanzig Prozent der Erzeugerkapazität schützen, läge dieser Wert schon bei der Hälfte. Die Ausbaugrenze für volatile Erzeuger richtet sich nach dem angestrebten Sicherheitsniveau.

Grundsätzlich aber gilt: Je geringer der Anteil konventioneller Großkraftwerke an der Stromerzeugung, desto größer die Gefahr eines flächendeckenden Stromausfalls im Falle einer Störung. Und mit steigendem Anteil von Sonnen- und Windstrom steigt auch der Anspruch an die Resilienz des Systems, weil Pannen wahrscheinlicher werden. Dazu tragen nicht nur die immer häufigeren Redispatch-Maßnahmen bei, die durch die Unstetigkeit der gesetzlich bevorzugten Zufallslieferanten erforderlich werden. Sondern auch die technischen Charakteristika der alternativen Quellen selbst. Man denke beispielsweise an große Offshore-Windparks, die nur über einige wenige Leitungen und einige wenige Konverterstationen mit dem Festland verbunden sind. Bereits der Ausfall nur einer Trasse vermag da eine Kettenreaktion auszulösen, die uns alle ins Dunkel taucht.

Mit jedem neuen Windrad, mit jeder neuen Photovoltaik-Anlage steigt also das Risiko für Störfälle, und mit jedem konventionellen Kraftwerk, das zugunsten alternativer Erzeuger vom Netz geht, steigt die Gefahr, diese nicht mehr beherrschen zu können. Auf die Frage, wie viele Kohlekraftwerke in den kommenden Jahren vom Netz gehen könnten, ohne die Versorgungssicherheit zu reduzieren, gibt es daher nur eine Antwort: Kein einziges. Es sei denn, man ersetzt sie durch Gas- oder Kernkraftwerke.

Hierzulande diskutiert die Politik trotzdem über Kohlekapazitäten, die zusätzlich zu den Kernkraftwerken zeitnah abgeschaltet werden sollen. Das Lavieren im energiepolitischen Dreieck führt zu einer abstrusen Feilscherei, in der fünf, sieben oder gar elf Gigawatt ohne jede Scham in den Raum geworfen werden, als wären politische Kompromisse geeignet, die Gesetze der Physik außer Kraft zu setzen. Angesichts der Bedeutung, die eine verlässliche Stromversorgung für unser Gemeinwesen hat, angesichts der katastrophalen Folgen, die ein flächendeckender Stromausfall mit sich bringen würde, bleibt festzuhalten: Im energiepolitischen Dreieck versinken die Interessen der Wähler. Und tauchen daraus auch nie wieder auf.

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Leserpost (37)
Wolfgang Meyer / 03.02.2018

Wenn sich ein Astrophysiker auf das Gebiet der Elektrodynamik begibt und Ladungsträgertransport (Strom) als Elektronentanz deklariert, dann ist ja alles klar!

Rolf Brockmann / 03.02.2018

Herr Heller, leider kann ich ihnen nur teilweise beipflichten. Ich lese die “Achse” wirklich gern und spende regelmäßig für deren Erhalt. Was mich jedoch zunehmend stört, ist die einseitige Darstellung bezüglich Kosten und Nutzen der erneuerbaren Energien. Ich bin weder ein Freund der Grünen noch Atomkraftgegner. Von einer publizistischen Quelle, die den Anspruch erhebt, der Wahrheit zum Durchbruch zu verhelfen, erwarte ich jedoch einfach eine differenzierte Darstellung der einzelnen Themen. Das vorab. Nun zum Thema: Das Hauptproblem ist doch, dass weder die Vertreter der Netzbetreiber noch die der “Erneuerbaren” die ganze Wahrheit sagen. Die Vertreter der Eneuerbaren verniedlichen z.B. das durch Sie angesprochene Problem der Versorgungssicherheit und Netzstabilität, die Vertreter der Netzbetreiber polemisieren es. Fakt ist: seit 08/2011 ist z.B. die Norm DIN VDE 4105 für PV-Anlagen inkraft. Die wurde ganau aus dem Grund der Netzstabilität erlassen und wurde durch die Netzstabilisierungsverordnung zwischen 2012 und 2014 auch für bestehende PV-Anlagen >8kWp durch Umrüstung der Wechselrichter bzw. Veränderungen deren Netzparameter sichergestellt. Das heisst: steigt die Netzfrequenz aus welchen Gründen auch immer, regeln die Solaranlagen automatisch ihre Leistung stufenlos herunter und nehmen somit automatisch Einspeiseleistung vom Netz, bis die Netzfrequenz wieder im normalen Rahmen liegt. Zusätzlich sind alle Anlagen >30 kWp prinzipiell durch die Netzbeztreiber stufenweise komplett fernabschaltbar. Dies betrifft ebenso alle Windkraftanlagen. Das Problem z.B. der ständigen Strom-Überproduktion ist real, da eine gewisse Kraftwerksleistung immer vorgehalten werden muss, über deren notwendige Höhe ständiger Streit herrscht. Jedoch resultiert dies zum Teil aus Fehlern im EEG selbst. Es wurde durch die Politik (die leider lobbygesteuert Gesetze erlässt) versäumt, z.B. Gaskraftwerke, die am schnellsten hochzufahren wären, um Versorgungslücken auszugleichen, für die Netzbetreiber rentabel zu machen. Ebenso die vorhandenen Pumpspeicherwerke, die fast alle abgeschaltet sind. Hier liegt der Verdacht nahe, dass dies absichtlich geschehen ist, um Blackouts ggf. zu provozieren. Weiterhin muss man wissen, dass die zu erwartende Einspeiseleistung durch Windkraft und Photovoltaik durch ziemlich genau rechnende Simulationsprogramme der Netzbeztreiber ständig vorausberechnet wird, was ein rechtzeitiges Eingreifen der Netzbeztreiber durchaus ermöglicht. Dies hat mir z.B. ein Netzmeister unseres EVU bestätigt. In Ihrer Darstellung lassen Sie weiterhin den Eindruck entstehen, dass das deutsche Stromnetz ein Inselnetz wäre, das sofort zusammenbricht, sobald entweder etwas zuviel oder zu wenig Stromproduktion bzw. Last vorhanden ist. Es gibt jedoch neben der Möglichkeit der automatischen Ausregelung auch ein europäisches Verbundnetz, auf das im Notfall auch zurückgegriffen werden kann und das nebenbei auch für eine Freqenz-Stabilisierung des deutschen Netzes sorgt. Dass ganz Europa und der Rest der Welt in Fragen der Nutzung erneuerbarer Energien über Deutschland lacht und sich schon auf den Blackout freut, ist reine Polemik, die dem Wahrheitsanspruch der “Achse” einfach nicht gerecht wird. Die Wahrheit: weltweit wird der Verlauf sowie der Erfolg oder Misserfolg der deutschen Energiewende durchaus aufmerksam beobachtet. Beweis dafür sind die z.B. in China, Japan und anderen wirtschaftlich relevanten Ländern aufgelegten Programme zur Nutzung von Wind und Sonne und deren Integration in die vorhandene Energieversorgung nach deutschem Vorbild. Sie haben Recht, es gibt durchaus technisch zu meisternde Probleme bei der Einbindung erneuerbarer Energien, wie von Ihnen angerissen. und die Versorgungssicherheit steht im Vordergrund. Jedoch liegt auch hier die Verantwortung für eine sinnvolle Gesetzgebung bei der Politik, die in Zusammenarbeit mit der Wissenschaft und eben nicht mit Lobbygruppen, weder der einen noch der anderen Seite zu realisieren wäre. Zum Schluss noch die Frage: Muss uns wirklich erst ein AKW um die Ohren fliegen, damit auch der Letzte merkt, dass es richtig ist, nach Alternativen in der Energiegewinnung zu suchen, solange noch Zeit dafür ist? Und warum gestaltet sich die Frage der Brennelemente-Entsorgung so schwierig? Ganz einfach: keiner will den Atommüll in seiner Umgebung eingelagert haben, ganz zu schweigen von den extremen Kosten der Entsorgung bzw. Endlagerung, siehe das Dilemma um Asse II ! Von den Halbwertzeiten des Zerfalls ganz zu schweigen. Es wäre der Wahrheitsfindung dienlich, wenn in Zukunft über dieses für uns alle so wichtige Thema mit entsprechender Sorgfalt berichtet werden würde.    

Nele Werrmann / 03.02.2018

Und das energiepolitische Dreieck aus bezahlbar, zuverlässig und umweltschonend funktioniert exakt wie das goldene Handwerkerdreieck: preiswert, schnell und gut. Wenn ich mir jetzt vorstelle, wie die neue Grüne Parteichefin, Annalena Baerbock das versucht zu erklären…

Matthias Braun / 03.02.2018

Am Grundgesetz “basteln” rot-grüne Ideologen ja gern herum, wie es ihnen beliebt. Bei den Naturgesetzen wird ihnen das nicht gelingen. Ansonsten hätten wir wirklich “Dunkel-Deutschland”!!

Dirk Jungnickel / 03.02.2018

Leider leben wir in einem Zeitalter, in dem Vernunft gegen Ideologie kaum eine Chance hat. Und das, wo Ideologien im 20. Jahrhundert Katastrophen ungeheuren Ausmaßes angerichtet haben.  Man könnte sich fragen, ist der Mensch an sich ideologieanfällig ? Selbst ein wissenschaftlich fundierter Text wie dieser dürfte die “Energiewendehälse”  nicht beeindrucken, zum einen aus Vernunftabstinenz zum anderen verlassen sie sich auf die Physikerin im Kanzleramt.  Und damit sind wir alle verlassen ...

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