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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R. Bunkus / 03.02.2018

Vielen Dank Herr Heller! So etwas sollte man mal in der Schule lernen.

Herbert Stock / 03.02.2018

Özdemir hat die Lösung: C. Özdemir: “Ach wissen Sie, wir kennen die Argumente. Die Argumente sind ja nicht ganz neu. Im Spitzenlastbereich, also nicht im Normallastbereich. Dann wenn der Energieverbrauch am Höchsten in Deutschland ist, ungefähr mittags zwischen 11 und 12, verbrauchen wir ungefähr 80 Gigabyte. Wir produzieren aber ungefähr 140 Gigabyte. Das heißt, das anderthalb-Fache dessen haben wir immer noch übrig, was wir brauchen. Selbst wenn wir die sieben ältesten Meiler abschalten würden, hätten wir immer noch mehr Strom als wir selbst im Spitzenlastbereich gebrauchen.” Jetzt noch ein vernünftiges, ausfallsicheres Festplattenarray als Speicher….. Nobelpreisverdächtig!

armin wacker / 03.02.2018

In Ergänzung zu diesem hervorragenden Artikel möchte ich noch auf einen Vortrag von Hans Werner Sohn auf YouTube verweisen. Dauert eine Stunde, aber die ist gut angelegt.  Wir werden von Dummen regiert. Das darf man hoffentlich noch sagen.

Thomas Michel / 03.02.2018

Ich hatte auch gerne das der Staat für meinen Betrieb Zwangsgelder eintreibt damit ich MEIN Laden weiter ausbauen kann. Und das Geld was ich dann damit verdiene stecke ich mir natürlich in meine eigene Tasche. Klasse Geschäftsmodell. Der Bürger zahlt den Netzausbau und das Netz und das Geld was damit gemacht wird gehört den Energiemultis…........ Irgendwie fällt mir da das Wort Mafia ein. Und das vollkommen Legal

Peter Schings / 03.02.2018

Peter Schings Saubere Analyse ,Punktgenau . Danke !!

Helmut Driesel / 03.02.2018

Mittlerweile kann man Frequenzen im Gigawattbereich elektronisch mit Halbleitern regeln und auch aus Gleichspannung erzeugen. Wie das beim zunehmenden Aufkommen von Speicherkapazitäten auch nötig ist. Und zwar aus deutscher Herstellung und Entwicklung. Umsonst wird es freilich nicht zu haben sein. Das Schöne an der ganzen Diskussion ist: Man erfährt beim nächsten Blackout oder dessen Ausbleiben gleich, wer Recht hatte. Der Haupteffekt von abweichenden Netzfrequenzen sind Überlagerungsverluste, davon merkt doch keiner was. Auch nicht bei einer Werkzeugmaschine, die 5% langsamer oder schneller läuft. Ich glaube nicht, dass man in Russland, wo die Generatoren um Zeitzonen auseinander liegen, damit Probleme hat. Das wird alles etwas hoch gehängt, um die Panikmache zu verstärken. Das einzige echte Problem damit kommt auf, wenn unsere Nachbarn im Falle einer Flaute nicht bereit sind zu liefern, oder wenn die Herren Lukaschenko und Poroschenko auch für 2E pro KWh nicht mehr bereit sind, ihren eigenen Leuten den Saft abzuschalten. Dann müssen wir es mit Humor nehmen.

Heike Richter / 03.02.2018

Unseren “Energiewendepolitikern” genügt es zu wissen, dass der Strom aus der Steckdose kommt. Man kann nur den Kopfschütteln. Was wird heute eigentlich noch in den Schulen gelehrt?

Dr. Winfried Nöth / 03.02.2018

Gut zusammengefasst, nur der Seitenhieb gegen den Ausdruck “Verstopfen” ist unnötig. Als Bild für das dahinterliegende physikalische Geschehen ist die Bezeichnung akzeptabel, vor allem für nicht akademisch gebildete Seelen (und damit der Mehrheit der Wähler von SPD und CDU/CSU, die überzeugt werden müssen). Andernfalls dürfen Sie sich meinen Spott wegen “Befeuerung” mit Uran ebenso gefallen lassen.

Emmanuel Precht / 03.02.2018

Nun wissen wir endlich wofür die sogenannten “smarten” Stromzäher zu brauchen sind. Zur Kaskadenabschaltung der Verbraucher, wenn das Lastengleichgewicht außer Kontrolle gerät wird eben mit System flächendeckend abgeschaltet. Damit bekommt auch der Aufruf von der Innenmisere Sinn sich für 1 bis 2 Wochen zu bevorraten, denn die Supermärkte sind ohne Plünerungen nach 12 Stunden leer, sonst eher. Und mit Nachschub kann nicht gerechnet werden, da das Versorgungssystem ja eben auch am Strom hängt, Handpumpen sind an Tankstellen seit den 50er Jahren aus der Mode. Das Wasser ist noch früher weg, die Hochtanks sind in kürzester Zeit leergelaufen, wenn nicht beständig nachgepumpt wird. Die Politik-Darsteller auf der großen Bühne wissen nur allzu genau was da vor sich geht, aber man will den Bürger ja nicht über Gebühr irritieren oder gar verunsichern. Aber seien wir versichert, dort wo Die, die das zu verantworten haben, die Roths, Merkels, Hofreiters und Co leben, da ist die Versorgungssicherheit gegeben. Und die werden in ihren abgesicherten Vierteln auch nicht durch die “Unruhen” belästigt werden, wenn sich Pack und Pöbel ums Wasser und Fressen gegenseitig die Schädel einschlagen. Na das ist doch echt grün oder? Wohlan…

Klaus Fellechner / 03.02.2018

Das Schlimme ist,es entscheiden Politiker darüber,die von Physik keine Ahnung haben,ja die oft nicht einmal eine Berufsausbildung absolviert haben.Wenn Ideologen die Politik bestimmen, ist der Untergang nicht weit. Wir hatten das schon und es ist gewaltig schief gegangen.Wollen wir wirklich unsere hervorragend funktionierende, in aller Welt anerkannte Wirtschaft zu Grunde richten? Die Wirtschaftspartei CDU macht diesen Wahnsinn mit,warum?

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