Endliche Welt – Netzstabilität

Licht aus in New York, Funkstille in Italien: Die weltweit wachsenden Stromverbundsysteme scheinen anfälliger gegen Störungen zu werden. Doch gegen den Kollaps gibt es Heilmittel.

Was am 14. und 15. August 2003 weltweit über die Fernsehschirme flimmerte, hat sich ins Gedächtnis eingebrannt: Tausende von New Yorkern wandern über die großen Ausfallstraßen zu Fuß nach Hause. Nichts geht mehr. U-Bahn-Züge stehen verloren auf den Gleisen. Blackout – Stromausfall. Als die Nacht hereinbricht, versinkt die Metropole im Dunkel. Doch nicht nur in New York gehen die Lampen aus. Ein rund 1 000 km breites Gebiet bis nach Michigan und Kanada hinein bleibt für viele Stunden ohne Strom. Im westlichen Ohio gehen manche Regionen gar erst nach zwei Tagen wieder ans Netz. Innerhalb eines Monats folgen Stromausfälle in Schweden, London und Italien. Kaum einer mag da noch an Zufälle glauben.

Wie im Bericht einer Task-Force des deutschen Verbands der Elektrotechnik (VDE) geschildert wird, hat in den USA der Ausfall von zwei Kraftwerken und einer wichtigen Stromleitung durch einen Buschbrand zum Dominoeffekt geführt. Wegen des Ausfalls der Hauptleitung – in fast 1 000 km Entfernung von New York – wurden die verbliebenen Leitungen überlastet. Nacheinander schalteten sie sich ab und dann auch die Kraftwerke, die über diese Trassen ans Stromnetz gekoppelt waren: Insgesamt rund hundert Elektrizitätswerke in den USA und Kanada trennten sich vom Netz. In den Leitwarten blinkten innerhalb von Minuten Hunderte von Fehlermeldungen; die Techniker wurden überrumpelt, da es keine intelligenten Fehleranalyse-Systeme gab. "Wir sind eine Supermacht mit dem Stromnetz eines Dritte-Welt-Landes", kommentierte Bill Richardson, der ehemalige Energieminister der USA.

Auch der italienische Blackout ist letztlich auf den Ausfall einer wichtigen Stromleitung aus der Schweiz und nachfolgende Überlastungen zurückzuführen. "In absehbarer Zeit wird eine Situation mit einer flächenmäßig vergleichbaren Auswirkung in Deutschland nicht eintreten", glaubt Edwin Lerch vom Siemens-Bereich Power Transmission and Distribution (PTD) in Erlangen. "Doch auch in Deutschland und Mitteleuropa verschärft sich die Situation". Lerch ist Mitglied der VDE-Task-Force und sicher, dass durch den liberalisierten Energiemarkt in Europa und den grenzenlosen Stromhandel das europäische Verbund- netz immer stärker belastet wird. Strom wird wie eine Ware gemäß Angebot und Nachfrage hin und her geschoben. Lerch: "Doch dafür ist das Verbundnetz gar nicht ausgelegt."

Vor rund 50 Jahren schlossen sich Staaten wie Frankreich, Österreich und Deutschland zur Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity (UCTE) zusammen. Damals wie heute sind die einzelnen Länder und Regionen, die Regelzonen, weitgehend autark, denn traditionell gewährleisten die regionalen Versorgungsunternehmen eine sichere Stromversorgung. Die ursprüngliche Idee der UCTE: Das Netz soll Hilfe leisten, falls in einer Regelzone Kraftwerke ausfallen. Insgesamt 3 000 MW (die Leistung mehrerer großer Kraftwerke) müssen hierfür heute innerhalb von 30 Sekunden als Reserve aktivierbar sein.

Mittlerweile dient das UCTE-Netz aber mehr und mehr als Stromautobahn. Seit der Liberalisierung des Strommarkts in Europa wird Strom an speziellen Börsen wie eine Ware gehandelt, in zunehmendem Maße auch international. Doch für einen solchen Stromhandel ist das UCTE-Netz nicht ausgelegt. Italien beispielsweise setzt seit Mitte der 90er Jahre vermehrt auf Stromimport, verzichtete auf den Neubau von Kraftwerken und den Ausbau der Leitungen. Strom wird meist nachts billig aus Frankreich, Polen oder Deutschland eingekauft, um die Pumpspeicherkraftwerke zu füllen. Das führt dazu, dass die Stromleitungen über die Schweiz vielfach an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit arbeiten. Und das darf nach UCTE-Spielregeln eigentlich nicht sein. Denn es gilt die "n minus 1"-Regel: wenn eine Leitung ausfällt, müssen die übrigen die Last mit tragen können. Beim italienischen Blackout Ende September 2003 wurde diese Regel verletzt. Eine Leitung fiel aus. Die übrigen waren überlastet, so dass schließlich alle Leitungen nach Italien ausfielen.

Bis zum physikalischen Limit. Prof. Hans-Jürgen Haubrich vom Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft der RWTH Aachen kommt deshalb zum Schluss, "dass das UCTE-Netz schon beim heutigen regen Stromhandel an seine Grenzen stößt." Um es auch in Zukunft stabil zu halten, müsse der Handel entweder begrenzt oder neue Leitungen gebaut werden. Doch die sind ausgesprochen teuer und nach Ansicht Haubrichs – zumindest in Deutschland – kaum durchsetzbar. Ingenieure arbeiten deshalb intensiv daran, die Kapazität der bestehenden Leitungen bis ans physikalische Limit auszunutzen, ohne neue Überlandleitungen installieren zu müssen. Einen solchen Ansatz hält Dr. Georg Rosenbauer, Energieexperte in der strategischen Planung von Siemens Power Generation, für sinnvoll. So wird bislang die Kapazität von Überlandleitungen starr durch eine mögliche Wärmebelastung begrenzt, die letztlich aber nur an wenigen heißen Tagen im Jahr auftritt. Im kalten Winter beispielsweise dürfte mehr Strom hindurchgeleitet werden. Dazu müsste man entlang einer Leitungstrasse Temperaturfühler einsetzen, die die tatsächliche Leitungstemperatur messen. Mit Unterstützung intelligenter Software ließe sich dann über dieselbe Leitung mehr Strom übertragen. Dies entspricht einer Erhöhung der Übertragungskapazität, die dem Netzbetreiber bares Geld bringt.

Die Stabilität des europäischen UCTE-Netzes weckt Begehrlichkeiten. Dass weniger stabile Regionen angeschlossen werden wollen, stellt die Fachleute vor ganz neue Herausforderungen. So erstreckt sich das UCTE-Gebiet mittlerweile von Polen bis Portugal, von Deutschland bis Italien und von Belgien über den Balkan bis nach Griechenland. "Und ist damit schon fast zu groß", sagt Ronald Völzke, Stromnetz-Experte bei Siemens PTD. "Ein solches Versorgungssystem kann man sich als ein Netz von Gummibändern vorstellen, an dessen Knoten einige größere Massen, die Kraftwerke, und viele kleine Massen, die Verbraucher, hängen." Der Ausfall eines Kraftwerks entspricht dem Wegfall einer Masse, der Ausfall einer Leitung dem Riss eines Gummibands. Ein eng geknüpftes Netz mit kurzen Entfernungen zwischen den Massen fängt solche Störungen schnell auf. Ein großes Netz aber kann in langsame, weiträumige Schwingungen geraten, die erst allmählich abklingen.

"Bricht etwa in Portugal eine Kraftwerksleistung von 3 000 MW weg, kommt es zu einer Netzpendelung", erläutert Völzke. Innerhalb von Sekunden pendelt zwischen Portugal und dem gegenüberliegenden Netzende in Polen eine Leistungsmenge von 3 000 MW hin und her. Ein Phänomen, das nach Ansicht von Experten verstärkt seit der Osterweiterung der UCTE Anfang der 90er Jahre auftritt und durch Ankopplung neuer Partnerländer noch zunehmen wird, wenn keine Gegenmaßnahmen getroffen werden.

Netzpendelungen abfangen. Um Russland die Teilnahme am mitteleuropäischen System zu ermöglichen, könnte man es mit einer gegen Pendelungen unempfindlichen Gleichstromverbindung anbinden. So werden auch in den USA oder China Distanzen von bis zu 3 000 kmn zwischen Kraftwerken und Verbrauchern auf diese Weise überbrückt (siehe Pictures of the Future, Herbst 2003, ? Beitrag HGÜ). Das Netzpendelungs-Problem wird laut Hans-Jürgen Haubrich auch der häufig diskutierte Mittelmeerring verschärfen, eine UCTE-Erweiterung über Gibraltar, Marokko und Libyen bis Algerien, sowie die Anbindung der Türkei. Doch diese Erweiterung wäre für Europa auch attraktiv: etwa, um die hervorragenden Windstandorte in Marokko zu nutzen und von dort kostengünstigen Windstrom zu importieren. Trotz aller Schwierigkeiten erscheint ein Ausbau realisierbar, denn gegen Netzpendelungen ist neben der Gleichstromanbindung noch ein zweites Kraut gewachsen: die FACTS-Geräte (Flexible AC Transmission Systems). Sie können als aktive Dämpfungselemente genutzt werden und mit entsprechender Regelung eine Netzpendelung in Sekunden dämpfen. Sie bestehen aus Kombinationen regelbarer Halbleiter und herkömmlicher Bauteile und lassen sich an verschiedenen Punkten ins Verbundnetz integrieren. Mit FACTS kann ein Netzbetreiber exakt und schnell regeln, wie viel Leistung von Punkt A nach B gepumpt oder durchgelassen wird. Völzke: "Noch sind europaweit nur wenige der kostspieligen elektrischen Dämpfer im Einsatz. Angesichts des weiteren Ausbaus der Netze aber sehen wir einen steigenden Bedarf." In den USA werden schon seit Jahrzehnten FACTS zur Netzstabilisierung eingesetzt.

Problem der kleinen Stromlieferanten. Eine Herausforderung anderer Art kommt "von unten" auf die Stromnetze zu: die Umkehrung der so genannten Leistungsflüsse. Bislang fließt Strom meist aus großen Kraftwerken über ein sich immer feiner verästelndes Netz bis zum Verbraucher. Sollten künftig von vielen dezentralen Stromerzeugern – etwa Brennstoffzellen – große Strommengen ins Netz eingespeist werden, kann sich zumindest auf den niedrigen Spannungsebenen zeitweilig die Flussrichtung des Stromes umkehren. Dafür sind jedoch die Schutzeinrichtungen – die Sicherungen des Netzes – nicht ausgelegt.

Tritt heute in einem Netzabschnitt ein technischer Defekt auf, schaltet sich einem hierarchischen Prinzip folgend nur der defekte Teil ab – also eine Verästelung des Netzes. Fließt der Strom aber in die andere Richtung, greift diese Schutzlogik nicht mehr. "Eine flächendeckende Einspeisung von dezentralen Erzeugern bedarf über kurz oder lang neuer Schutzkonzepte", sagt Georg Rosenbauer. Eine schnelle Kommunikation in Verbindung mit dezentraler Intelligenz werde aber auch diese Herausforderung bewältigen können. Dabei könnten die Sicherungen per Datenleitung verschaltet werden, um direkt miteinander zu kommunizieren – "liegt der Fehler bei Dir?" Eine Störung ließe sich so schnell beheben oder eingrenzen. Womöglich hätte eine solche Software-Lösung auch den Kollaps in den USA verhindern können.

Als Konsequenz aus dem Stromausfall in den USA schlägt denn auch das North American Electric Reliability Council (NERC), ein Gremium aus Vertretern der Stromwirtschaft und anderen Interessenverbänden, neben einer besseren Ausbildung der Fachkräfte die Optimierung der Kommunikation zwischen Kraftwerken, Umspannwerken und Störungsstellen verschiedener Netzbetreiber vor. Darüber hinaus sollen effektive Informationssysteme entwickelt werden, die den Zustand des Netzes besser und verständlicher darstellen und den Fachkräften im Notfall sichere Entscheidungshilfen geben.

Tim Schröder