Vorbemerkung
Mit diesem Leitfaden möchten wir die Herausforderungen der deutschen Energieversorgung verständlich und transparent darstellen. Dabei geht es um weit mehr als nur die Frage, ob ausreichend Strom erzeugt werden kann. Die sichere Energieversorgung eines modernen Industrielandes ist ein hochkomplexes Zusammenspiel aus Erzeugung, Übertragung, Steuerung und Stabilisierung des gesamten Stromsystems.
Wir haben bewusst auf politische Bewertungen verzichtet. Unser Ziel ist es, allen Leserinnen und Lesern – auch ohne technische Vorkenntnisse – einen verständlichen Zugang zu den technischen Zusammenhängen und den Herausforderungen unseres Energiesystems zu ermöglichen.
Ebenso haben wir auf eine Analyse der wirtschaftlichen Aspekte verzichtet. Kosten sind zweifellos ein wichtiger Bestandteil jeder energiewirtschaftlichen Diskussion. In diesem Leitfaden stehen jedoch die technischen Grundlagen, Möglichkeiten und Grenzen im Mittelpunkt.
Unsere Hoffnung ist, dass dieser Leitfaden dazu beiträgt, die Diskussion über unsere Energieversorgung auf einer gemeinsamen Wissensbasis zu führen. Wenn er dazu anregt, konstruktiv darüber nachzudenken, wie wir die Energieversorgung Deutschlands sicher, zuverlässig und zukunftsfähig gestalten können, hat er seinen Zweck erfüllt.
Inhalte:
Funktionsweise eines modernen Gaskraftwerks (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk)
Wie kommt der Strom ins Netz?
Warum ein Stromnetz mehr braucht als nur genügend Strom
Wissenswertes für interessierte Leser
Funktionsweise eines modernen Gaskraftwerks (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk) [zurück]
Einleitung – wir beschränken uns hier bewusst auf das Gas-und-Dampf-Kombiprinzip (GuD).
Moderne Gaskraftwerke gehören zu den effizientesten fossilen Kraftwerken der Welt. Während ältere Gaskraftwerke lediglich eine Gasturbine zur Stromerzeugung nutzen, arbeiten heutige Anlagen überwiegend nach dem sogenannten Gas-und-Dampf-Kombiprinzip (GuD). Dabei wird die im Erdgas enthaltene Energie in zwei Stufen genutzt: zunächst in einer Gasturbine und anschließend über einen Dampfkreislauf. Durch diese doppelte Nutzung der eingesetzten Energie erreichen moderne GuD-Kraftwerke elektrische Wirkungsgrade von bis zu 64 Prozent. Wird zusätzlich die entstehende Abwärme beispielsweise für die Fernwärmeversorgung genutzt, kann der Gesamtwirkungsgrad sogar über 90 Prozent liegen.
Ansaugen und Verdichten der Luft
Der Prozess beginnt mit der Ansaugung großer Mengen Außenluft. Ein leistungsstarker Verdichter komprimiert die Luft auf einen Druck von etwa 15 bis 25 bar. Durch die Verdichtung erwärmt sich die Luft bereits auf Temperaturen zwischen etwa 350 und 450 Grad Celsius. Diese heiße und stark verdichtete Luft bildet die Grundlage für eine besonders effiziente Verbrennung des Erdgases.
Verbrennung des Erdgases
In der Brennkammer wird Erdgas mit der verdichteten Luft vermischt und kontrolliert verbrannt. Dabei entstehen Verbrennungsgase mit Temperaturen von etwa 1.300 bis 1.500 Grad Celsius. Moderne Gasturbinen erreichen teilweise sogar noch höhere Temperaturen. Die heißen Gase stehen unter hohem Druck und enthalten eine große Menge an nutzbarer Energie.
Stromerzeugung in der Gasturbine
Die heißen Verbrennungsgase strömen anschließend durch mehrere Stufen der Gasturbine. Dabei geben sie ihre Bewegungsenergie an die Turbinenschaufeln ab und versetzen die Turbinenwelle in Rotation. Die Turbine dreht sich bei einem Kraftwerk für das europäische Stromnetz mit rund 3.000 Umdrehungen pro Minute. An derselben Welle ist ein Generator gekoppelt, der die mechanische Energie unmittelbar in elektrische Energie umwandelt. Bereits in dieser ersten Stufe entstehen rund 60 bis 70 Prozent der gesamten elektrischen Leistung des Kraftwerks.
Nutzung der heißen Abgase
Nach dem Austritt aus der Gasturbine besitzen die Abgase noch immer Temperaturen von etwa 500 bis 650 Grad Celsius. In älteren Kraftwerken wurde diese Wärme weitgehend ungenutzt über den Schornstein abgeführt. Moderne GuD-Kraftwerke machen sich diese Restenergie jedoch gezielt zunutze.
Die heißen Abgase strömen in einen sogenannten Abhitzekessel (Heat Recovery Steam Generator, HRSG). Dort erhitzen sie Wasser, das unter hohem Druck verdampft. Es entsteht Hochdruckdampf mit Drücken von etwa 100 bis 180 bar und Temperaturen zwischen 500 und 600 Grad Celsius.
Zusätzliche Stromerzeugung in der Dampfturbine
Der erzeugte Hochdruckdampf treibt anschließend eine Dampfturbine an. Auch diese ist mit einem Generator verbunden und erzeugt zusätzlichen elektrischen Strom. Auf diese Weise werden weitere 30 bis 40 Prozent der gesamten elektrischen Leistung gewonnen. Erst durch diese zweite Nutzung der im Erdgas enthaltenen Energie erreicht das Kraftwerk seine außergewöhnlich hohe Effizienz.
Der Wasserkreislauf
Nachdem der Dampf die Dampfturbine verlassen hat, gelangt er in einen Kondensator. Dort wird er mithilfe eines Kühlsystems wieder zu Wasser verflüssigt. Dieses Wasser wird anschließend erneut unter Druck gesetzt und dem Abhitzekessel zugeführt. Es entsteht somit ein geschlossener Wasserdampfkreislauf, der kontinuierlich wiederholt wird und nur geringe Wasserverluste aufweist.
Der Schlüssel zur hohen Effizienz
Das besondere Merkmal eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerks besteht darin, dass die im Erdgas enthaltene Energie zweistufig genutzt wird. Zunächst wird die Energie der heißen Verbrennungsgase direkt in der Gasturbine in Strom umgewandelt. Anschließend wird die verbleibende Wärme der Abgase genutzt, um Dampf für eine zweite Turbine zu erzeugen. Dadurch geht deutlich weniger Energie ungenutzt verloren als bei herkömmlichen Kraftwerken.
Zum Vergleich erreichen ältere Dampfkraftwerke meist elektrische Wirkungsgrade von etwa 35 bis 40 Prozent, moderne Steinkohlekraftwerke etwa 43 bis 47 Prozent und reine Gasturbinen etwa 38 bis 42 Prozent. Ein modernes GuD-Kraftwerk erreicht dagegen elektrische Wirkungsgrade von bis zu 64 Prozent.
Was bedeutet das in der Praxis? Von 100 Kilowattstunden Energie, die im Erdgas enthalten sind, können moderne GuD-Kraftwerke rund 64 Kilowattstunden in elektrischen Strom umwandeln. Ältere Kraftwerke erreichen dagegen oft nur etwa 40 Kilowattstunden. Der Unterschied erklärt sich dadurch, dass die heiße Abwärme in einer zweiten Prozessstufe ebenfalls zur Stromerzeugung genutzt wird.
Hohe Flexibilität im Stromnetz
Ein weiterer großer Vorteil moderner Gaskraftwerke ist ihre hohe Flexibilität. Gasturbinen ähneln technisch Flugzeugtriebwerken und können innerhalb kurzer Zeit gestartet werden. Ein Heißstart gelingt häufig in weniger als 15 Minuten, ein Warmstart dauert etwa 15 bis 30 Minuten und selbst nach längeren Stillstandszeiten ist das Kraftwerk meist innerhalb von 30 bis 60 Minuten wieder betriebsbereit.
Darüber hinaus können GuD-Kraftwerke ihre Leistung sehr schnell an den aktuellen Strombedarf anpassen. Sie eignen sich daher hervorragend als Ergänzung zu Windkraft- und Photovoltaikanlagen, deren Stromproduktion wetterbedingt schwankt. Sinkt die Einspeisung aus Wind oder Sonne, können Gaskraftwerke innerhalb kurzer Zeit zusätzliche Leistung bereitstellen und so zur Stabilität des Stromnetzes beitragen.
Fazit
Moderne Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke zählen heute zu den effizientesten konventionellen Kraftwerken. Ihr hoher Wirkungsgrad beruht darauf, dass die Energie des Erdgases sowohl in einer Gasturbine als auch anschließend in einem Dampfkreislauf genutzt wird. Dadurch wird aus derselben Brennstoffmenge deutlich mehr elektrische Energie gewonnen als bei älteren Kraftwerkstechnologien. Gleichzeitig ermöglichen die kurze Anfahrzeit und die hohe Regelbarkeit einen flexiblen Einsatz im Stromnetz. Aus diesen Gründen spielen GuD-Kraftwerke derzeit eine wichtige Rolle als Ergänzung zu den erneuerbaren Energien und tragen wesentlich zur Versorgungssicherheit bei.
Wie kommt der Strom ins Netz? [zurück]
Vom Generator ins Stromnetz
Sobald der Strom im Generator erzeugt wurde, muss er zu den Verbrauchern gelangen. Der Weg vom Kraftwerk bis zur Steckdose erfolgt über ein weit verzweigtes Stromnetz, das aus Hochspannungsleitungen, Umspannwerken und regionalen Verteilnetzen besteht.
Direkt nach dem Generator besitzt der Strom eine Spannung von meist etwa 10 bis 30 Kilovolt (kV). Für den Transport über große Entfernungen wäre diese Spannung jedoch zu niedrig, denn dabei gingen erhebliche Energiemengen als Wärme verloren.
Deshalb wird die Spannung unmittelbar im Kraftwerk mit einem Transformator auf 110, 220 oder 380 Kilovolt erhöht. Durch diese hohe Spannung kann dieselbe elektrische Leistung mit einem deutlich geringeren Strom transportiert werden. Das reduziert die Leitungsverluste erheblich und macht den Stromtransport über Hunderte von Kilometern wirtschaftlich.
Anschließend speisen leistungsstarke Schaltanlagen den Strom in das deutsche Höchstspannungsnetz ein. Dieses bildet die „Autobahn“ des Stromsystems und verbindet Kraftwerke, Umspannwerke sowie die Netze der europäischen Nachbarländer miteinander.
Der Weg bis zur Steckdose
In den Umspannwerken wird die Spannung anschließend stufenweise reduziert: von 380 kV auf 110 kV für den regionalen Transport, von 110 kV auf 10 bis 30 kV für Städte und Gemeinden und schließlich auf 230/400 Volt, die Haushalte und die meisten Unternehmen nutzen. Erst jetzt gelangt der Strom über das örtliche Niederspannungsnetz in unsere Steckdosen.
Warum die Netzfrequenz entscheidend ist
Doch damit der Strom zuverlässig genutzt werden kann, genügt es nicht, ihn lediglich ins Netz einzuspeisen. Das gesamte Stromsystem muss jederzeit stabil arbeiten. Die wichtigste Kenngröße dafür ist die Netzfrequenz.
Das europäische Stromnetz arbeitet mit einer Frequenz von 50 Hertz (Hz). Das bedeutet, dass der Wechselstrom seine Richtung 50-mal pro Sekunde wechselt. Gleichzeitig zeigt die Netzfrequenz an, ob Stromerzeugung und Stromverbrauch im Gleichgewicht sind.
Das europäische Stromnetz arbeitet synchron
Man kann sich das europäische Stromnetz wie eine riesige Maschine vorstellen. Alle großen Generatoren der Kraftwerke drehen sich synchron mit nahezu derselben Drehzahl. Solange genau so viel Strom erzeugt wird, wie Verbraucher gleichzeitig entnehmen, bleibt die Frequenz konstant bei 50 Hertz.
Wenn Erzeugung und Verbrauch aus dem Gleichgewicht geraten
Verbrauchen Haushalte, Unternehmen oder Industrie plötzlich mehr Strom, als die Kraftwerke im gleichen Moment erzeugen, wird zunächst die Bewegungsenergie der rotierenden Turbinen und Generatoren genutzt. Dadurch verlangsamt sich ihre Drehbewegung geringfügig und die Netzfrequenz sinkt leicht unter 50 Hertz.
Erzeugen die Kraftwerke dagegen mehr Strom als benötigt wird, beschleunigen sich die Generatoren geringfügig. Die Netzfrequenz steigt dann über 50 Hertz.
Die Netzfrequenz ist deshalb gewissermaßen der Pulsschlag des Stromnetzes. Schon kleinste Abweichungen zeigen den Netzbetreibern an, dass Erzeugung und Verbrauch nicht mehr exakt übereinstimmen.
Regelenergie – So bleibt die Netzfrequenz stabil
Damit daraus keine Störung entsteht, greifen mehrere Regelmechanismen ineinander.
Sofortreserve – Die erste Reaktion innerhalb von Millisekunden
Zunächst wirkt die Bewegungsenergie der rotierenden Turbinen und Generatoren wie ein großes Schwungrad. Diese sogenannte Sofortreserve (Momentanreserve) stellt innerhalb von Millisekunden zusätzliche Energie bereit oder nimmt überschüssige Energie auf. Dadurch wird eine plötzliche Frequenzänderung zunächst gebremst.
Primärregelung – Automatische Leistungsanpassung
Innerhalb weniger Sekunden übernimmt anschließend die Primärregelung. Kraftwerke, Batteriespeicher und andere geeignete Anlagen reagieren automatisch auf die gemessene Frequenz. Sinkt sie unter 50 Hertz, wird mehr Leistung bereitgestellt. Steigt sie darüber, wird die Einspeisung entsprechend reduziert.
Sekundärregelung – Rückkehr zur Sollfrequenz
Nach etwa 30 Sekunden bis wenigen Minuten übernimmt die Sekundärregelung. Sie gleicht das Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch vollständig aus und führt die Netzfrequenz wieder auf ihren Sollwert von 50 Hertz zurück.
Tertiärregelung – Langfristige Absicherung
Bleibt der Leistungsbedarf über einen längeren Zeitraum bestehen, wird zusätzlich die Tertiärregelung – auch Minutenreserve genannt – aktiviert. Dabei werden weitere Kraftwerke oder Speicher gezielt zu- oder abgeschaltet, damit genügend Leistung dauerhaft zur Verfügung steht und die zuvor eingesetzten Regelreserven wieder aufgefüllt werden.
Vier Regelstufen sorgen für ein stabiles Stromnetz
Dieses Zusammenspiel sorgt dafür, dass das europäische Stromnetz auch dann stabil bleibt, wenn sich der Stromverbrauch innerhalb weniger Sekunden deutlich verändert oder Kraftwerke unerwartet ausfallen.
Der Weg des Stroms im Überblick
Der Weg des Stroms lässt sich daher vereinfacht wie folgt darstellen:
Generator → Transformator → Höchstspannungsnetz (380 kV) → Umspannwerk → Hochspannungsnetz (110 kV) → Mittelspannungsnetz (10–30 kV) → Ortsnetzstation → Niederspannungsnetz (230/400 V) → Steckdose
Ein stabiles Netz für eine sichere Stromversorgung
Während der Strom diesen Weg zurücklegt, überwachen die Übertragungsnetzbetreiber permanent die Netzfrequenz und gleichen jede Abweichung durch die verschiedenen Regelstufen aus. Nur weil Erzeugung und Verbrauch in jeder Sekunde nahezu exakt im Gleichgewicht gehalten werden, steht uns elektrischer Strom jederzeit zuverlässig aus der Steckdose zur Verfügung.
Warum ein Stromnetz mehr braucht als nur genügend Strom [zurück]
Genügend Strom allein genügt nicht
Die Energiewende wird häufig auf eine einfache Frage reduziert: Erzeugen Windkraft- und Solaranlagen genügend Strom? Tatsächlich ist diese Frage jedoch nur ein Teil der Wahrheit. Mindestens genauso wichtig ist eine andere Frage: Kann das Stromnetz jederzeit stabil betrieben werden?
Denn ein Stromnetz muss weit mehr leisten, als lediglich genügend elektrische Energie bereitzustellen. Es muss die erzeugte Leistung jederzeit sicher transportieren, Spannung und Frequenz stabil halten und auch dann zuverlässig funktionieren, wenn unerwartet Kraftwerke oder Leitungen ausfallen, aber auch wenn zusätzliche Verbraucher Strom benötigen
Vorangegangen wurde bereits erläutert, wie Strom vom Kraftwerk bis zur Steckdose gelangt und wie verschiedene Regelmechanismen dafür sorgen, dass Erzeugung und Verbrauch jederzeit im Gleichgewicht bleiben. Doch selbst ein funktionierendes Regelsystem allein garantiert noch keine Netzstabilität.
Deshalb unterscheiden Fachleute zwischen der eigentlichen Energieversorgung und der Systemstabilität. Beide sind unverzichtbar.
Nicht nur die Strommenge entscheidet
Häufig wird angenommen, es reiche aus, wenn deutschlandweit genügend Strom erzeugt wird. Tatsächlich muss dieser Strom jedoch auch über die vorhandenen Leitungen zu den Verbrauchern transportiert werden.
Genau hier entstehen häufig Netzengpässe.
Beispielsweise erzeugen starke Windparks im Norden Deutschlands oft deutlich mehr Strom, als dort verbraucht wird. Gleichzeitig benötigen Industrie und Ballungsräume im Süden große Energiemengen. Sind die Übertragungsleitungen ausgelastet, kann der Strom nicht vollständig dorthin fließen, wo er benötigt wird.
In solchen Fällen greifen die Übertragungsnetzbetreiber mit sogenannten Redispatchmaßnahmen ein. Kraftwerke oder erneuerbare Energieanlagen vor einem Engpass werden angewiesen, ihre Leistung zu reduzieren. Gleichzeitig erhöhen andere Anlagen hinter dem Engpass ihre Einspeisung. Die insgesamt erzeugte Strommenge bleibt nahezu gleich – sie wird lediglich räumlich anders verteilt. So wird verhindert, dass Leitungen überlastet werden.
Warum große Kraftwerke das Netz stabilisieren
Neben der eigentlichen Stromerzeugung erfüllen konventionelle Kraftwerke noch eine weitere wichtige Aufgabe.
Die Generatoren von Kohle-, Gas-, Wasser- oder Kernkraftwerken bestehen aus großen, mehrere hundert Tonnen schweren rotierenden Maschinen. Diese speichern enorme Mengen kinetischer Energie. Diese gespeicherte Bewegungsenergie wird als Sofortreserve oder rotierende Trägheit bezeichnet.
Fällt beispielsweise ein großes Kraftwerk plötzlich aus oder steigt der Stromverbrauch schlagartig an, geben die rotierenden Generatoren für kurze Zeit einen Teil ihrer Bewegungsenergie an das Stromnetz ab. Dadurch sinkt die Netzfrequenz nicht schlagartig, sondern deutlich langsamer.
Diese wenigen Sekunden sind von entscheidender Bedeutung. Sie verschaffen den automatischen Regelmechanismen – von der Primärregelung bis zur Minutenreserve – genügend Zeit, um zusätzliche Leistung bereitzustellen und die Netzfrequenz wieder auf ihren Sollwert von 50 Hertz zurückzuführen.
Die Sofortreserve wirkt damit wie das Schwungrad eines Motors: Sie verhindert abrupte Veränderungen und sorgt für einen ruhigen und stabilen Netzbetrieb.
Wind- und Solaranlagen arbeiten nach einem anderen Prinzip
Windenergie- und Photovoltaikanlagen speisen ihren Strom heute überwiegend über elektronische Wechselrichter in das Stromnetz ein.
Im Gegensatz zu den großen Synchrongeneratoren konventioneller Kraftwerke sind diese Anlagen nicht direkt mit der Netzfrequenz gekoppelt. Deshalb stellen sie von Natur aus keine rotierende Sofortreserve bereit.
Je größer der Anteil solcher leistungselektronisch gekoppelten Anlagen wird, desto wichtiger werden zusätzliche technische Maßnahmen zur Stabilisierung des Stromnetzes.
Hierzu gehören beispielsweise Batteriespeicher, netzbildende Wechselrichter sowie sogenannte synthetische Trägheit. Diese Technologien können einen Teil der bisher von rotierenden Generatoren übernommenen Aufgaben ersetzen.
Allerdings befindet sich dieser Umbau vielerorts noch im Aufbau. Deshalb spielen klassische Synchronmaschinen in vielen Stromnetzen weiterhin eine wichtige Rolle.
Virtuelle Kraftwerke – viele kleine Anlagen werden zu einem großen Kraftwerk
Eine wichtige Entwicklung der Energiewende sind sogenannte virtuelle Kraftwerke.
Dabei werden zahlreiche dezentrale Energieanlagen digital miteinander verbunden und zentral gesteuert. Dazu gehören beispielsweise Windparks, Solaranlagen, Batteriespeicher, Biogasanlagen, Blockheizkraftwerke und steuerbare Verbraucher.
Für den Netzbetreiber verhalten sich diese vielen kleinen Anlagen dadurch wie ein einziges großes Kraftwerk.
Virtuelle Kraftwerke können ihre Einspeisung gemeinsam steuern, Regelenergie bereitstellen, Redispatchmaßnahmen unterstützen und Batteriespeicher gezielt einsetzen. Dadurch wird das Stromsystem flexibler und die vorhandenen Anlagen können wesentlich effizienter genutzt werden.
Virtuelle Kraftwerke ersetzen keine rotierenden Generatoren
Oft entsteht der Eindruck, virtuelle Kraftwerke könnten konventionelle Kraftwerke vollständig ersetzen. Ganz so einfach ist es jedoch nicht.
Werden ausschließlich Wind- und Solaranlagen zusammengeschaltet, entsteht zwar eine größere steuerbare Einheit. Die physikalischen Eigenschaften rotierender Generatoren werden dadurch jedoch nicht automatisch ersetzt.
Insbesondere bei längeren Dunkelflauten oder beim plötzlichen Ausfall großer Erzeugungsanlagen fehlen weiterhin gesicherte Leistung und natürliche Sofortreserve.
Erst die Kombination aus erneuerbaren Energien, Batteriespeichern, flexiblen Gaskraftwerken, Biomasseanlagen oder anderen regelbaren Kraftwerken ermöglicht ein vollständig stabiles Gesamtsystem.
Systemdienstleistungen – die unsichtbaren Helfer des Stromnetzes
Die größte Herausforderung der Energiewende besteht deshalb nicht allein darin, genügend Strom aus erneuerbaren Energien zu erzeugen.
Ebenso wichtig ist es, die bisher von konventionellen Kraftwerken bereitgestellten Systemdienstleistungen zu ersetzen.
Dazu gehören unter anderem:
- die Bereitstellung der Sofortreserve,
- die Stabilisierung der Netzfrequenz,
- die Bereitstellung von Regelenergie,
- die Vermeidung von Leitungsüberlastungen durch Redispatch,
- die Spannungsregelung,
- die Schwarzstartfähigkeit nach einem großflächigen Stromausfall.
Diese Aufgaben bleiben für Verbraucher meist unsichtbar. Ohne sie könnte jedoch kein modernes Stromnetz zuverlässig funktionieren.
Fazit: Ein stabiles Stromnetz ist weit mehr als nur Stromerzeugung
Ein leistungsfähiges Stromsystem besteht nicht nur aus Windrädern, Solaranlagen oder Kraftwerken. Es ist ein hochkomplexes Zusammenspiel aus Energieerzeugung, Netzbetrieb und zahlreichen technischen Systemdienstleistungen.
Erneuerbare Energien können heute einen immer größeren Anteil der Stromversorgung übernehmen. Damit das Stromnetz auch künftig sicher und stabil bleibt, müssen jedoch gleichzeitig ausreichende Regelenergie, Sofortreserve, Speicher, flexible Kraftwerke, virtuelle Kraftwerke sowie leistungsfähige Stromnetze zur Verfügung stehen.
Nur wenn all diese Bausteine ineinandergreifen, lässt sich eine zuverlässige, wirtschaftliche und sichere Stromversorgung gewährleisten.
Wissenswertes für interessierte Leser [zurück]
Systemdienstleistungen – die unsichtbaren Helfer des Stromnetzes
Wer einen Lichtschalter betätigt, erwartet selbstverständlich, dass sofort Licht angeht. Ob draußen Sturm herrscht, die Sonne scheint oder gerade ein Großkraftwerk ausgefallen ist – der Verbraucher bemerkt davon in der Regel nichts.
Dass das Stromnetz dennoch zuverlässig funktioniert, ist kein Zufall. Hinter den Kulissen sorgen zahlreiche technische Einrichtungen dafür, dass Erzeugung, Transport und Verbrauch elektrischer Energie jederzeit im Gleichgewicht bleiben. Diese Aufgaben werden unter dem Begriff Systemdienstleistungen zusammengefasst.
Systemdienstleistungen erzeugen keinen zusätzlichen Strom. Sie sorgen vielmehr dafür, dass der vorhandene Strom sicher, zuverlässig und in hoher Qualität zum Verbraucher gelangt.
Ein Stromnetz ist kein gewöhnliches Versorgungsnetz
Im Gegensatz zu Wasser oder Erdgas lässt sich elektrische Energie nur sehr begrenzt speichern. Deshalb muss in jeder einzelnen Sekunde genau so viel Strom erzeugt werden, wie gleichzeitig verbraucht wird.
Schon kleine Abweichungen können dazu führen, dass sich die Netzfrequenz oder die Netzspannung verändern. Werden diese Abweichungen nicht innerhalb kürzester Zeit ausgeglichen, drohen zunächst Abschaltungen einzelner Anlagen und im Extremfall großflächige Stromausfälle.
Die Aufgabe der Systemdienstleistungen besteht deshalb darin, das Stromnetz auch unter wechselnden Bedingungen jederzeit stabil zu halten.
Die Sofortreserve – die erste Sicherheitsstufe
Die schnellste Hilfe im Stromnetz liefert die Sofortreserve (oder Momentanreserve).
In konventionellen Kraftwerken drehen sich Generatoren mit mehreren tausend Umdrehungen pro Minute. Die schweren Rotoren speichern dabei große Mengen kinetischer Energie – ähnlich wie das Schwungrad eines Motors.
Fällt plötzlich ein großes Kraftwerk oder eine wichtige Leitung aus, geben diese rotierenden Massen innerhalb von Millisekunden einen Teil ihrer Bewegungsenergie an das Stromnetz ab. Dadurch sinkt die Netzfrequenz nicht schlagartig, sondern deutlich langsamer.
Diese physikalische Trägheit verschafft den automatischen Regelsystemen wertvolle Zeit, um weitere Maßnahmen einzuleiten.
Die Sofortreserve arbeitet vollständig automatisch und benötigt weder Computer noch Funkverbindungen. Sie ist eine unmittelbare Folge der rotierenden Generatoren.
Regelenergie – das automatische Gleichgewicht
Nach der Sofortreserve übernehmen die verschiedenen Stufen der Regelenergie.
Innerhalb weniger Sekunden reagieren Kraftwerke, Batteriespeicher oder andere geeignete Anlagen automatisch auf Frequenzänderungen und gleichen den Leistungsunterschied aus.
Je nach Reaktionsgeschwindigkeit unterscheidet man zwischen Sofortreserve, Sekundärreserve und Minutenreserve.
Ihre Aufgabe besteht darin, die Netzfrequenz möglichst schnell wieder auf 50 Hertz zurückzuführen und das Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch wiederherzustellen.
Redispatch – damit Leitungen nicht überlastet werden
Selbst wenn genügend Strom erzeugt wird, kann es vorkommen, dass einzelne Stromleitungen an ihre Belastungsgrenze gelangen.
Dies geschieht beispielsweise, wenn große Windparks im Norden Deutschlands sehr viel Strom erzeugen, der in die Industriezentren im Süden transportiert werden soll.
In diesem Fall ordnen die Übertragungsnetzbetreiber sogenannte Redispatchmaßnahmen an.
Anlagen vor einem drohenden Netzengpass reduzieren ihre Leistung, während andere Kraftwerke oder Speicher hinter dem Engpass ihre Einspeisung erhöhen.
Dadurch bleibt die Stromversorgung unverändert, die Belastung der Leitungen wird jedoch reduziert.
Redispatch sorgt also nicht für die Stabilisierung der Netzfrequenz, sondern für eine sichere Auslastung des Stromnetzes.
Blindleistung – der unsichtbare Begleiter des Wechselstroms
Neben der eigentlichen elektrischen Leistung spielt auch die sogenannte Blindleistung eine wichtige Rolle.
Sie verrichtet zwar keine nutzbare Arbeit, wird jedoch benötigt, um elektrische und magnetische Felder in Transformatoren, Motoren und Leitungen aufzubauen.
Ohne ausreichend Blindleistung könnten Spannungen im Stromnetz stark schwanken. Geräte würden nicht mehr zuverlässig arbeiten und die Übertragung elektrischer Energie würde deutlich erschwert.
Konventionelle Kraftwerke liefern Blindleistung praktisch automatisch über ihre Synchrongeneratoren. Moderne Wind- und Solaranlagen können diese Aufgabe ebenfalls übernehmen – allerdings nur mit entsprechend ausgelegter Leistungselektronik und geeigneter Regelung.
Kurzschlussleistung – die Stabilitätsreserve des Netzes
Eine weitere, oft wenig bekannte Größe ist die Kurzschlussleistung.
Sie beschreibt vereinfacht gesagt, wie „stark“ ein Stromnetz an einem bestimmten Punkt ist und wie gut es Spannungsschwankungen oder Störungen verkraften kann.
Ein Netz mit hoher Kurzschlussleistung bleibt auch bei plötzlichen Laständerungen oder Fehlern vergleichsweise stabil.
Mit dem Rückgang großer Synchrongeneratoren nimmt diese Eigenschaft vieler Netze ab. Deshalb müssen neue technische Lösungen entwickelt werden, um auch künftig eine ausreichend hohe Netzstabilität sicherzustellen.
Schwarzstartfähigkeit – wenn das ganze Netz ausgefallen ist
Kommt es zu einem großflächigen Stromausfall, reicht es nicht aus, einfach alle Kraftwerke wieder einzuschalten.
Viele Kraftwerke benötigen selbst elektrische Energie, um Pumpen, Lüfter oder Steuerungen zu starten.
Deshalb gibt es sogenannte schwarzstartfähige Kraftwerke.
Sie können ohne externe Stromversorgung anlaufen und anschließend schrittweise weitere Kraftwerke und Netzbereiche wieder zuschalten.
Auf diese Weise wird das Stromnetz Abschnitt für Abschnitt wieder aufgebaut.
Virtuelle Kraftwerke – der digitale Dirigent
Mit der Energiewende entstehen immer mehr kleine dezentrale Stromerzeuger.
Windparks, Solaranlagen, Batteriespeicher, Biogasanlagen und Blockheizkraftwerke können heute über digitale Leitstellen miteinander verbunden werden.
Diese sogenannten virtuellen Kraftwerke koordinieren tausende einzelne Anlagen und steuern ihre Einspeisung so, als wären sie ein einziges großes Kraftwerk.
Sie erleichtern die Bereitstellung von Regelenergie, unterstützen Redispatchmaßnahmen und verbessern die Ausnutzung der vorhandenen Anlagen.
Sie ersetzen jedoch nicht automatisch die physikalischen Eigenschaften großer rotierender Generatoren, insbesondere die natürliche Sofortreserve oder die hohe Kurzschlussleistung.
Synchronkondensatoren – Kraftwerke ohne Turbine
Auf den ersten Blick sehen Synchronkondensatoren wie gewöhnliche Generatoren eines Kraftwerks aus. Tatsächlich handelt es sich um große Synchronmaschinen, die jedoch keine Turbine besitzen und keinen Strom erzeugen.
Stattdessen werden sie mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz in Drehung versetzt. Einmal auf Nenndrehzahl gebracht, übernehmen sie wichtige Aufgaben für die Stabilität des Stromnetzes.
Durch ihre mehrere hundert Tonnen schweren Rotoren stellen sie eine natürliche Sofortreserve bereit. Kommt es zu einer Störung, geben sie kurzfristig Bewegungsenergie an das Netz ab und verlangsamen dadurch den Frequenzabfall.
Gleichzeitig können Synchronkondensatoren große Mengen Blindleistung bereitstellen oder aufnehmen. Dadurch stabilisieren sie die Netzspannung und verbessern die Übertragungsfähigkeit des Stromnetzes.
Darüber hinaus erhöhen sie die Kurzschlussleistung eines Netzes. Das erleichtert den Schutzsystemen das sichere Erkennen und Abschalten von Fehlern und verbessert insgesamt die Netzstabilität.
Da Synchronkondensatoren keine elektrische Energie erzeugen, tragen sie zwar nicht direkt zur Stromversorgung bei. Sie übernehmen jedoch genau jene physikalischen Eigenschaften großer Kraftwerksgeneratoren, die in Stromnetzen mit einem hohen Anteil von Wind- und Solaranlagen zunehmend fehlen.
Deshalb werden in mehreren europäischen Ländern stillgelegte Generatoren ehemaliger Kohle- oder Kraftwerke nicht verschrottet, sondern zu Synchronkondensatoren umgebaut. Auf diese Weise bleiben wichtige Systemdienstleistungen erhalten, obwohl die eigentliche Stromerzeugung eingestellt wurde.
Was ist ein netzbildender Wechselrichter?
Moderne Windenergieanlagen, Photovoltaikanlagen und Batteriespeicher speisen ihren Strom über elektronische Wechselrichter in das Stromnetz ein. Die meisten heute eingesetzten Geräte sind sogenannte netzfolgende Wechselrichter (Grid Following Inverter). Sie orientieren sich an der bereits vorhandenen Netzspannung und -frequenz. Fällt das Netz aus, können sie ohne eine vorhandene Spannungsreferenz in der Regel keinen stabilen Inselbetrieb aufrechterhalten.
Netzbildende Wechselrichter (Grid Forming Inverter) arbeiten anders. Sie erzeugen selbst eine stabile Wechselspannung mit der Sollfrequenz von 50 Hertz und können damit die Rolle eines rotierenden Generators teilweise übernehmen. Andere Wechselrichter können sich anschließend an dieser Referenz orientieren.
Darüber hinaus reagieren netzbildende Wechselrichter innerhalb von Millisekunden auf Störungen. In Verbindung mit Batteriespeichern können sie kurzfristig große Leistungen bereitstellen und durch geeignete Regelverfahren eine synthetische Trägheit nachbilden. Dadurch tragen sie wesentlich zur Stabilisierung moderner Stromnetze bei.
Trotz dieser Fortschritte unterscheiden sie sich jedoch weiterhin von klassischen Synchrongeneratoren. Die natürliche Sofortreserve eines mehrere hundert Tonnen schweren Rotors beruht auf gespeicherter Bewegungsenergie und ist unmittelbar physikalisch verfügbar. Netzbildende Wechselrichter erzeugen eine vergleichbare Wirkung dagegen mithilfe von Leistungselektronik, Sensorik und Regelalgorithmen. Beide Konzepte verfolgen das gleiche Ziel – die Stabilisierung des Stromnetzes –, beruhen jedoch auf unterschiedlichen technischen Prinzipien.
Die Energiewende verändert auch die Systemdienstleistungen
Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien verändert sich nicht nur die Art der Stromerzeugung.
Auch viele Systemdienstleistungen, die früher automatisch von Kohle-, Gas-, Wasser- oder Kernkraftwerken erbracht wurden, müssen heute auf andere Weise bereitgestellt werden.
Hierfür kommen unter anderem leistungsfähige Batteriespeicher, netzbildende Wechselrichter, Synchronkondensatoren sowie moderne Regel- und Leittechnik zum Einsatz.
Die technische Herausforderung besteht deshalb nicht allein darin, ausreichend Strom aus erneuerbaren Energien zu erzeugen. Ebenso wichtig ist es, sämtliche Systemdienstleistungen dauerhaft und zuverlässig bereitzustellen.
Literaturhinweis: