Beitrag als PDF-Dokument – Stand April 2022

Update: 02.10.21

Erstversion: 15.05.21

Abstract

Das europäische Stromversorgungssystem befindet sich in einem fundamentalen Umbruch. Was aus klimaschutzpolitischer Sicht unverzichtbar ist, führt durch eine nicht systemische Vorgangsweise zu einer immer größer werdenden Fragilität des Verbundsystems. Statt fundiertes Grundlagenwissen bestimmen Einzelinteressen, Ignoranz, Wunschvorstellungen und Aktionismus die Vorgangsweise, was in der größten Katastrophe nach dem Zweiten Weltkrieg enden könnte.

Noch haben wir die Möglichkeit, diesen fatalen Pfad zu verlassen. Dazu wäre aber ein rasches und entschlossenes politisches Handeln erforderlich, das derzeit nicht erkennbar ist. So müsste umgehend ein systemischer Umbau des europäischen Stromversorgungssystems in robuste Energiezellen in die Wege geleitet werden, um die sich abzeichnende Störanfälligkeit zu reduzieren. Technisch wäre das kein Problem, da das notwendige Wissen vorhanden ist und dieser Umbau im laufenden Betrieb erfolgen könnte.

Die größte Hürde stellt jedoch unser bisher erfolgreiches großtechnisches Denken dar, das durch ein komplementäres Komplexitäts- und vernetztes Denken ergänzt und zur Maxime gemacht werden müsste. Dazu sind entsprechende Rahmenbedingungen erforderlich. Der derzeitige Weg geht aber in die entgegengesetzte Richtung, in die Zentralisierung, womit aber ein zunehmend komplexer werdendes System nicht beherrschbar ist.

Die Stromversorgung ist die wichtigste Lebensader einer modernen Gesellschaft. Fällt diese aus, droht bereits nach wenigen Tagen ein gesellschaftlicher Kollaps, da weder die Menschen noch Unternehmen noch die Staaten auf einen derart weitreichenden Infrastruktur- und damit Versorgungskollaps vorbereitet sind.

Beitrag als PDF-Dokument – Stand April 2022

Executive Summary

• Das Österreichische Bundesheer sowie die Österreichische Gesellschaft für Krisenvorsorge (GfKV) rechnen binnen der nächsten fünf Jahre mit einem europaweiten Strom-, Infrastruktur- sowie Versorgungsausfall („Blackout“).
• Entscheidend sind hierfür die Entwicklungen in Deutschland, wo bis Ende 2020 rund 20 GW gesicherte Leistung (8 GW Atom und 12 GW Kohle) vom Netz gehen sollen. Bereits im Januar 2021 mussten nach der ersten Teilabschaltung (~ 5 GW), Kraftwerke, die stillgelegt werden sollten, wieder reaktiviert und zum Teil in den Hot-Stand-by-Modus versetzt werden, um die Systemsicherheit zu gewährleisten.
• In Deutschland werden durch den Kraftwerksausstieg große Mengen an systemkritischen Elementen entfernt, ohne adäquate Ersatzelemente bereitzustellen. Die rotierenden Massen der Generatoren, die Momentanreserve, sind unverzichtbare Pufferelemente („Stoßdämpfer“) für die Systemsicherheit.
• Der deutsche Bundesrechnungshof kritisiert im März 2021: „Die Annahmen des BMWi für die Bewertung der Dimension Versorgungssicherheit am Strommarkt sind zum Teil unrealistisch oder durch aktuelle politische und wirtschaftliche Entwicklungen überholt. Zur Bewertung der Dimension Versorgungssicherheit am Strommarkt hat das BMWi kein Szenario untersucht, in dem mehrere absehbare Risiken zusammentreffen, die die Versorgungssicherheit gefährden können.“
• Besonders gravierend sind die fehlenden Speicher, ohne welche die steigende Volatilität in der Erzeugung durch die neuen Erneuerbaren nicht beherrschbar ist. Dabei müssen mehrere Zeitdimensionen, von inhärent (Momentanreserve) bis saisonal berücksichtigt werden. In Deutschland gibt es derzeit eine Speicherkapazität von rund 40 GWh (Österreich 3.300 GWh), bei einem gleichzeitigen Verbrauch von rund 1.500 GWh pro Tag!
• Im vergangenen Jahrzehnt wurden in den meisten Ländern die bisher verfügbaren Kraftwerksüberkapazitäten signifikant reduziert.
• Hinzu kommt, dass der Infrastrukturumbau (Netze, Speicher, Betriebsmittel) nicht mit der Geschwindigkeit der Abschaltungen bzw. den neuen Kraftwerksstandorten mithalten kann und um viele Jahre verzögert ist.
• Bisher funktioniert das, weil Deutschland wie Österreich im gesamteuropäischen Verbundsystem (ENTSO-E) mit 36 Ländern eingebunden ist. Damit kann die Systemstabilität aufrechterhalten werden. Mitgehangen bedeutet jedoch auch mitgefangen und alle gehen gemeinsam unter, sollte etwas schiefgehen.
• Am Januar 2021 und am 24. Juli 2021 kam es zu zwei Großstörungen (Netzauftrennungen) im europäischen Verbundsystem. Zwei von insgesamt 5 in den vergangenen Jahrzehnten (2003, Blackout in Italien; 2006, Netzauftrennung quer durch Europa; 2015, Blackout in der Türkei)
• Am 8. Januar 2021 waren zwei wesentliche Faktoren mitverantwortlich: die reduzierte Verfügbarkeit von Momentanreserve und ein großflächiger Stromtransport (Stromhandel) vom Balken Richtung iberische Halbinsel.
• Am 24. Juli 2021 war ebenfalls ein hoher Stromtransport Richtung Iberische Halbinsel mitverantwortlich, dass rund 2 Millionen Menschen auf der Iberischen Halbinsel kurzfristig vom Stromnetz getrennt werden musste, nachdem es zuvor durch einen Flächenbrand unter einer Hochspannungsleitung zu einer Netzauftrennung gekommen war.
• Der Stromhandel soll gem. EU-Vorgabe bis 2025 massiv ausgeweitet werden. Bis 2025 müssen mindestens 70 Prozent der Grenzkuppelstellen für den Stromhandel zur Verfügung gestellt werden, was ein Vielfaches der heutigen Praxis darstellt. Dafür wurde die Infrastruktur nie ausgelegt. Was im Alltag zu einer Optimierung führt, schafft gleichzeitig eine steigende Verwundbarkeit, da sich Störungen wesentlich rascher und flächiger ausbreiten können.
• Das europäische Verbundsystem gehorcht nur einfachen physikalischen Gesetzen. Werden diese ignoriert – was derzeit in vielen Bereichen passiert – droht ein Systemkollaps mit katastrophalen Auswirkungen, da niemand weiß, wie lange es dauern könnte, bis dieses System wieder hochgefahren werden kann. Ganz abgesehen von den unvorstellbaren Kaskadeneffekte und langwierigen Wiederanlaufzeiten in vielen anderen Bereichen. Damit drohen längerfristige und schwere Versorgungsunterbrechungen und -engpässe, auf die unsere Just-in-Time-Gesellschaft nicht vorbereitet ist.
• Für eine erfolgreiche Energiewende ist ein systemischer und koordinierter Systemumbau („Energiezellensystem“) im gesamten Verbundsystem erforderlich. Bisher dominieren jedoch Einzelinteressen, nationale Alleingänge und Wunschvorstellungen die Vorgangsweise, welche absehbar in Europa in die größte Katastrophe nach dem Zweiten Weltkrieg führen!

Langversion 

Stand: 15.04.21 – aktuelles Update 04/2022

Am 8. Januar 2021 und am 24. Juli 2021 kam es zu zwei Großstörungen im europäischen Stromversorgungssystem (ENTSO-E/RG CE – Regional Group Central Europe). Diese verliefen im Vergleich zur bisher schwersten, am 4. November 2006, noch sehr glimpflich. Damals mussten binnen 19 Sekunden 10 Millionen Haushalte in Westeuropa vom Stromnetz getrennt werden, um einen europaweiten Kollaps zu verhindern. Am 8. Januar waren „nur“ große Unternehmenskunden in Frankreich und Italien betroffen, die sich für einen solchen Fall vertraglich dazu bereit erklärt haben. Am 24. Juli mussten jedoch auch rund 2 Millionen Haushaltskunden auf der Iberischen Halbinsel vom Stromnetz getrennt werden, um Schlimmeres zu verhindern. Durch die sich seit 2006 laufend verbessernden Vorsorge- und Kommunikationsmaßnahmen der 43 Übertragungsnetzbetreiber des europäischen Verbundsystems konnte die Störung nach jeweils rund einer Stunde behoben werden. Kaum jemand hat mit dieser erneuten Großstörung gerechnet und niemand weiß, ob die vorgesehenen Sicherheitsmechanismen auch beim nächsten Zwischenfall rechtzeitig greifen werden. Im schlimmsten Fall könnte es zu einem europaweiten Strom-, Infrastruktur- sowie Versorgungsausfall, einem sogenannten „Blackout“, kommen, wie dies das Österreichische Bundesheer oder der Autor binnen der nächsten fünf Jahre erwarten. Diese beiden Ereignisse sollte als sehr ernst zu nehmende Warnung verstanden werden.

 

Seit Jahren steigen im europäischen Verbundsystem die Aufwände, um die Netzstabilität aufrechtzuerhalten. Die österreichischen Engpassmanagementkosten, also jene Aufwände, um akut ein Blackout abzuwenden, sind von 2 Millionen Euro im Jahr 2011 auf 346 Millionen Euro im Jahr 2018 explodiert. Statt 2 Eingriffe waren binnen weniger Jahre Eingriffe an 301 Tagen erforderlich. Die Aufwände sind 2019 und 2020 durch die Marktauftrennung zwischen Deutschland und Österreich zurückgegangen, aber weiterhin auf sehr hohem Niveau. Die Ursachen liegen vorwiegend in der fehlenden Systemanpassung an die sich inzwischen stark geänderten Rahmenbedingungen.

Fehlenden Speicher und Puffer

Wind und Sonne stehen nicht immer zur Verfügung. Zum Teil kommt es zu erheblichen Abweichungen zwischen den Prognosen und der tatsächlichen Produktion. In einem System, wo während 31,5 Millionen Sekunden pro Jahr die Balance zwischen Erzeugung und Verbrauch ausgeglichen sein muss, ist das eine enorme Herausforderung. Es fehlen System-dienliche Speichern und Puffer, was durch weitreichende Kraftwerksinterventionen behoben werden muss. Das ist keine Dauerlösung. Zudem steigt durch die permanente Stresssituation die Störanfälligkeit des Gesamtsystems.

Während in Österreich theoretisch 3.300 GWh an Pumpspeicherkapazität zur Verfügung stehen, sind es in ganz Deutschland nur 40 GWh. Ohne nennenswerte Ausbaupläne oder Möglichkeiten. Bei einem aktuellen Stromverbrauch zwischen 60 und 80 GW könnte Deutschland damit nicht einmal eine Stunde des eigenen Stromverbrauches decken. Ganz abgesehen davon, dass das technisch gar nicht möglich wäre, da nur 11 GW an Engpassleistung, also gleichzeitig abrufbarer Leistung, zur Verfügung stehen. In ganz Europa stehen derzeit Speicher mit einer Turbinenkapazität von rund 47 GW zur Verfügung, zwei Drittel davon mit Pumpmöglichkeit, um bei Stromüberschuss die Speicherbecken wieder füllen zu können. Damit kann nur ein Bruchteil des europäischen Verbrauches gedeckt und zwischengespeichert werden.

Das Speicher-Thema reicht von inhärent bis saisonal, wozu unterschiedliche Technologien erforderlich sind. Bei der bisherigen Energiewende wurde außer Acht gelassen, dass konventionelle Kraftwerke den Speicher in der Primärenergie (Atombrennstäbe, Gas, Kohle, Öl) integriert haben, womit man die ständigen Verbrauchsänderungen leichter ausgleichen kann. In Zukunft gibt es einen steigenden und zunehmend schwieriger zu prognostizierenden Verbrauch und gleichzeitig eine volatile Stromerzeugung. Zwei Dinge, die ohne entsprechende Speicher und Puffer nicht in Einklang zu bringen sind.

Power-to-X

Für die saisonale Speicherung gilt Power-to-X als große Hoffnung, insbesondere die Nutzung von Wasserstoff. Grundsätzlich klingt das sehr verlockend, da mit dem Gasnetz bereits eine bestehende Infrastruktur zur Verfügung stehen würde. Das dazu aber noch einige große Herausforderungen zu lösen sind, wird meist nicht erwähnt. Schon gar nicht, die Kosten.

Durch die Ankündigung einer großen finanziellen Förderwelle wurde eine Goldgräberstimmung ausgelöst und großmundige Ankündigungen überschlagen sich. Es ist zu erwarten, dass auch Goldnuggets gefunden werden. Dass damit kurzfristig ein großer Durchbruch und eine breite Umsetzung möglich sein werden, sollte aber nicht erwartet werden. Wir benötigen aber rasch umsetzbare Lösungen, nicht erst in 10 oder 20 Jahren. Zum anderen wissen wir relativ wenig über die potenziellen Nebenwirkungen, etwa des Wasserdampfs, der bei der Rückverstromung im großen Stil freigesetzt wird. Was noch mehr bei der geplanten Methanisierung zu berücksichtigen ist, da hier die Auswirkungen bereits bekannt sind: Methan ist deutlich klimaschädlicher als CO₂.

Widersprüchlichkeit

Ganz generell gilt, dass es keine Energieform ohne Nebenwirkung gibt. Auch für Wind und PV-Anlagen werden viele Ressourcen benötigt, was leider meist verzerrt wahrgenommen wird. Die Einzelanlage ist klein und überschaubar. Aber wenn die konkrete Leistungsfähigkeit über einen Zeitraum eines Jahres betrachtet werden, schaut die Welt gleich anders aus. Durch eine falsche Betrachtungsweise werden häufig Äpfel mit Birnen verglichen, oder Durchschnittswerte herangezogen. Für die Systemsicherheit ist nur der fix kalkulierbare Beitrag für die permanent notwendige Balance relevant. Also nicht statistisch übers Jahr gerechnet, sondern planbar, verlässlich und konstant. Dazu ist weit mehr als nur eine Erzeugungsanlage erforderlich ist.

Genau diese Betrachtungsweise ist erforderlich, um einen systemischen Umbau unserer wichtigsten Lebensader sicherstellen zu können. Unser entweder-oder-Denken reicht dazu nicht aus. Es braucht ein sowohl-als-auch-Denken, um die bevorstehenden Herausforderungen zu bewältigen. Der CO₂-Ausstoß kann mit Erneuerbaren Energien deutlich verringert werden. Gleichzeitig benötigen wir aber auch andere Systemelemente, um die bisher gewohnte sehr hohe Versorgungssicherheit weiterhin gewährleisten zu können.

Momentanreserve

Ein wenig beachtetes und sehr kritisches technisches Detail betrifft die Momentanreserve, also die rotierenden Massen konventioneller Kraftwerke. Denn mit der Stilllegung von Atom- und Kohlekraftwerken, werden auch diese im großen Stil vom Netz genommen. Die Schwungmassen der Synchrongeneratoren sind für die Frequenzerzeugung und -haltung von zentraler Bedeutung. Hier wird permanent ohne Steuerungseingriffe mechanische in elektrische Energie umgewandelt wird und umgekehrt. Ein rein physikalischer Vorgang. Diese „Stoßdämpfer“ für Belastungsstöße haben bisher dafür gesorgt, dass das europäische Verbundsystem so stabil funktioniert. Diese werden nun nach und nach reduziert und gleichzeitig kaum ersetzt, da PV- und Windkraftanlagen diese Systemfunktion nicht mitbringen. Der Weiterbetrieb der Generatoren erfordert einen Umbau. Damit steigt zwangsläufig die Störanfälligkeit des Systems.

Die Momentanreserve ist ein inhärent vorhandener Energiespeicher, der einen kurzfristig auftretenden Energieüberschuss zwischenpuffern kann. Die erzeugte Frequenz des Wechselstromes zeigt daher auch immer an, ob ein Leistungsmangel oder ein Leistungsüberschuss im Gesamtsystem vorhanden ist. Über die Frequenz können IT-unabhängig Regeleingriffe zielgerichtet erfolgen und das Gesamtsystem stabil gehalten werden.

Umsetzungsgeschwindigkeit

Es gibt Ansätze mit großen System-dienlichen Batteriespeichern und einer entsprechenden Leistungselektronik, wie sie etwa bereits in Südaustralien, Großbritannien oder nun auch in Texas zum Einsatz kommen, um die Momentanreserve nachzubilden und zu kompensieren. Das ist eine Ergänzung, welche jedoch niemals die komplette Momentanreserve ersetzen kann. Auch hier gilt wieder ein sowohl-als-auch. Diese Systeme müssen aber im ENTSO-E RG CE Netz erst im größeren Stil implementiert werden. Wie so oft scheitert es nicht am Wissen oder an der Technik, sondern an der Umsetzung. Und zwar in der gleichen Geschwindigkeit, wie die anderen Maßnahmen getroffen werden.

Der deutsche Alleingang

Das größte Problem stellt aktuell der deutsche Alleingang dar, wo der zweite vor dem ersten Schritt gesetzt wird: So werden in den nächsten Monaten konventionelle Kraftwerke im großen Stil abgeschaltet, ohne einen gleichwertigen Ersatz dafür zur Verfügung zu haben. Zum Teil wandern diese auch in die Netzreserve, damit sie bei einem längerfristig absehbaren Energiemangel zusätzlich hochgefahren werden können. Bei Kurzfristereignissen oder Störungen werden diese jedoch zu spät kommen.

Bisher wurde fast ausschließlich auf den raschen Ausbau von Wind- und PV-Kraftwerken Wert gelegt und dieser massiv gefördert. Es fehlt die unverzichtbare Systemanpassung, beginnend bei den fehlenden Speichern und Puffer und geht weiter über die fehlenden Transportmöglichkeiten, also Leitungen. Hinzu kommt, dass der Strom nicht mehr nur im Einbahnverkehr verteilt werden muss, sondern dass die Konsumenten immer häufiger auch zu Produzenten, sogenannten Prosumern, werden und es dadurch auch zu großen Lastflüssen in die entgegengesetzte Richtung kommt, wofür das System und die Schutzeinrichtungen nie ausgelegt wurden.

Außerdem wird davon ausgegangen, so zumindest die aktuellen Planungspapiere, dass Deutschland in Zukunft einfach bei Bedarf Strom aus den Nachbarländern importieren wird. Die Rechnung wird nur ohne Wirten gemacht. Denn immer, wenn es in den vergangenen Jahren eng geworden ist, haben diese Länder aus Deutschland importiert. Außerdem werden überall konventionelle Kraftwerke stillgelegt. Und das immer irgendwo der Wind weht, ist eine Mär, die der Realität nicht Stand hält.

Ganz abgesehen davon, dass dafür die Transportinfrastruktur fehlt. Der Wunsch nach einer „europäischen Kupferplatte“ ist verständlich, entbehrt jedoch der Realität und ignoriert physikalische Rahmenbedingen und Gesetze. Dies hat auch der deutsche Bundesrechnungshof im Bericht zur „Umsetzung der Energiewende im Hinblick auf die Versorgungssicherheit“ im März 2021 festgestellt: „Die erwartbaren Engpässe im Stromnetz werden bis zum Jahr 2025 nicht beseitigt werden können“. Des Weiteren wurde festgehalten, dass: „Wesentliche Annahmen, auf denen die derzeitige Bewertung der Versorgungssicherheit am Strommarkt beruht, unrealistisch oder überholt sind.“

Dezentrale funktionale Einheiten

Hinzu kommt, dass sich Millionen von Kleinstkraftwerken und unzählige neue Akteure nicht mit der bisher erfolgreichen zentralen Struktur und Logik steuern lassen. Es braucht stattdessen ein „Orchestrieren“ dieser Vielzahl von Komponenten und Akteuren, die sich dann wie ein „Schwarm“ selbstorganisiert durch eine für alle zugängliche Sicht auf die Situation im Gesamtsystem automatisch an der Gewährleistung der Versorgungssicherheit beteiligen.

Das erfordert jedoch eine Neustrukturierung in sogenannte robuste Energiezellen, da die steigende Komplexität nicht anders beherrschbar sein wird. Denn komplexe Systeme lassen sich nicht zentral steuern, sie erfordern vielmehr dezentrale autonome Einheiten, wo Bedarf, Speicherung und Erzeugung möglichst lokal bzw. regional ausgeglichen werden und nicht wie derzeit, wo Probleme großräumig verschoben werden. Dabei sind auch systemübergreifende Synergien (Strom, Wärme, Mobilität) zu nutzen. Es geht also um eine ganzheitliche Energieversorgung in zellularen Strukturen, wozu erst ein umfassendes Umdenken erforderlich ist. Das ist bisher nur in Ansätzen erkennbar.

Ein solcher Ansatz steht auch nicht im Widerspruch zum bisherigen Großsystem, das auch weiterhin benötigt wird, da große Industrieunternehmen oder Städte noch länger nicht anders versorgt werden können. Aber man kann mit diesen dezentralen Strukturen und funktionalen Einheiten die Robustheit des Gesamtsystems Bottom-up und im laufenden Betrieb, ohne Unterbrechungen, erhöhen.

Zellularen Strukturen sind nicht so effizient wie unser bisheriges Großsystem, was aber nur so lange gültig ist, bis es zu einer Großstörung in Form eines Blackouts kommt. Denn dann würden mit einem Schlag alle bisherigen Effizienzgewinne vernichtet und unfassbare gesellschaftliche Schäden verursacht werden. Resilienz und Robustheit stehen im Widerspruch zu unserem rein betriebswirtschaftlich motiviertem Effizienzdenken, wodurch gerne auf die überlebenswichtigen Redundanzen und Reserven verzichtet wird.

Keine hundertprozentige Sicherheit

Hinzu kommt, dass es schlicht und einfach kein ausfallsicheres System gibt, wie das die europäischen Übertragungsnetzbetreiber bereits 2015 in ihrem Untersuchungsbericht zum Blackout in der Türkei klar und unmissverständlich zum Ausdruck gebracht haben: ”A large electric power system is the most complex existing man-made machine. Although the common expectation of the public in the economically advanced countries is that the electric supply should never be interrupted, there is, unfortunately, no collapse-free power system.”

Steigende Komplexität

Wir sollten von der Natur lernen, wo alles Lebendige in zellularen Strukturen organisiert ist. Das hat sich offensichtlich bewährt und überlebt. Was als dezentrale Energiewende gefeiert wird, ist derzeit alles andere als dezentral. Die gesamte bisherige Energiewende funktioniert nur aufgrund des vorhandenen zentralisierten Systems mit den erforderlichen Speichern und Puffern. Auch die propagierten „Smart Grid“- und Flexibilisierungsmaßnahmen hängen von einer umfassenden zentralisierten IT-Vernetzung und damit von einer steigenden Komplexität ab. Damit ergeben sich neben der Gefahr von Cyber-Angriffen weitere kaum beachtete Nebenwirkungen.

Komplexe Systeme

Komplexe Systeme weisen eine Reihe von unangenehmen Eigenschaften auf, die mit unserer bisher erfolgreichen linearen Denkweise und Maschinenlogik nicht beherrschbar sind. So steigen mit der Anzahl der Akteure und Vernetzung die Komplexität und somit die Dynamik, was wir ja laufend beobachten können. Wir kommen kaum mehr hinterher.

Gleichzeitig sinkt die Prognostizierbarkeit des Verhaltens des Systems, weil es zu selbstverstärkenden Rückkopplungsprozessen kommen kann, wie wir diese gerade beim Kohleausstieg sehen: Immer mehr Kraftwerksbetreiber möchten frühzeitig aussteigen, weil sich der Betrieb nicht mehr lohnt. Gleichzeitig haben wir in den vergangenen 10 Jahren die bisher tatsächlich vorhandenen Überkapazitäten weitgehend abgebaut, womit immer weniger Handlungsspielraum bleibt. Und zwar nicht nur in Deutschland, sondern im gesamten Verbundsystemgebiet.

Kohle- und Atomausstieg

Anfang Januar 2021 mussten deutsche Steinkohlekraftwerke wieder ans Netz gehen, die eigentlich für eine vorzeitige Abschaltung ausgewählt wurden, weil der Bedarf nicht mehr ausreichend gedeckt werden konnte.

Nach derzeitigem Planungsstand sollen bis Ende 2022 rund 22 GW an Atom- und Kohlekraftwerksleistung mit einer Jahresstromproduktionskapazität von rund 128 TWh vom Netz gehen und rückgebaut werden.

Sollte am derzeit fixierten deutschen Kohle- und Atomausstieg bis Ende 2022 festgehalten werden, entstehen in den kommenden Monaten bereits kritische Zeitfenster, wo Flächenabschaltungen zum Schutz des Gesamtsystems nicht mehr ausgeschlossen werden können.

Es ist dabei irrelevant, ob es sich in 99,99 Prozent der Zeit trotzdem ausgehen wird. Das Stromversorgungssystem kennt keine Toleranz, die Balance muss zu 100 Prozent der Zeit sichergestellt werden. Ansonsten kommt es zum Systemkollaps.

Fehlendes Grundlagenwissen um Zusammenhänge

In vielen Bereichen und auch bei Entscheidungsträgern fehlt es häufig an den grundlegendsten Kenntnissen, etwa wie unser Stromversorgungssystem funktioniert. Zudem geht es häufig nur um Einzelaspekte und kaum um systemische Zusammenhänge. Daher ist die Tragweite von Entscheidungen häufig nicht bewusst, oder sie wird schlicht weg ignoriert. Hinzu kommen nun noch die fehlenden Kenntnisse im Umgang mit komplexen Systemen, da diese nicht Bestandteil einer universellen Grundausbildung sind.

Kennzeichen von komplexen Systemen

Zu den weiteren Kennzeichen von komplexen Systemen zählen, kleine Ursachen können enorme Auswirkungen zur Folge haben, was wir gerade bei der Corona-Pandemie erleben. Ein Virus stellt binnen weniger Wochen die gesamte Welt auf den Kopf. Auswirkungen von Entscheidungen sind häufig irreversible. Ein abgeschaltetes und rückgebautes Kraftwerk ist für immer verloren. Eingemottete Kraftwerke können nur mit hohem Aufwand erhalten und wieder reaktiviert werden.

Nicht-Linearität bedeutet, dass viele unserer bisherigen Risikobewertungsmethoden scheitern. Besonders trügerisch sind die verzögerten Auswirkungen, da diese gerne vernachlässigt werden. Dazu zählt etwa das 50,2-Hertz-Problem, wo viele Altanlagen mit Wechselrichter sich zeitgleich vom Stromnetz trennen und einen Jo-Jo-Effekt versuchen würden. Angeblich soll dieses Problem behoben worden sein. Ob das so ist, wissen wir nicht. Es wurde auf jeden Fall viel zu lange nicht beachtet.

Hinzu kommen steigende Resonanzeffekte, wo sich etwa Wechselrichter und zunehmend mehr elektronische Systeme („Digitalisierung“, E-Mobilität etc.) gegenseitig beeinflussen und selbstzerstörerische Prozesse auslösen. So wurde bereits beobachtet, dass Brände bei Ladesäulen oder schwerwiegenden Produktionsausfällen ausgelöst wurden.

Noch schlimmer ist, dass sogar elektronische Bauteile oder Isolierungen von Leitungen rascher altern und es daher in absehbarer Zukunft zu einer steigenden Anzahl von Störungen im Infrastrukturbereich zu erwarten sind. Fachexperten sind davon überzeugt, dass die heute verbauten Wechselrichter so rasch als möglich durch eine neue Generation ersetzt werden müssten, um den Schaden zu begrenzen. Doch wer macht das, wenn ohnehin noch alles funktioniert?

Auch bei der Momentanreserve oder bei den Kraftwerksstilllegungen merkt man den Effekt nicht sofort. Die Dinge kumulieren weitgehend unbemerkt und zu irgendeinem Zeitpunkt kommt es zu einem zusätzlichen Ereignis, welches das Fass zum Überlaufen bringt und nicht mehr beherrschbar ist: kleine Ursache, große Wirkung. Es gibt auch keine einfachen Ursache-Wirkungsbeziehungen, wo man eine eindeutige Schuld zuweisen könnte. Es hat sich einfach über einen längeren Zeitraum aufgebaut.

Der Kollaps von komplexen Systemen ist, wie gut untersucht ist, kein Fehler, sondern ein Systemdesignmerkmal, um eine Erneuerung zu ermöglichen. In der Wirtschaftstheorie wird das als „Schöpferische Zerstörung“ bezeichnet. Neues kann sich häufig erst dann entfalten, wenn das alte kaputt oder zerstört worden ist. Eine Vorgangsweise, die bei unserer wichtigsten Lebensader, der Stromversorgung, einer Selbstmordabsicht gleichkommen würde.

Alternde Infrastrukturen

Wir stehen nicht nur wegen der Energiewende vor großen Umbrüchen. Ein Großteil der europäischen Infrastruktur kommt in den nächsten Jahren an ihr Lebens- und Nutzungsende. Die Mehrzahl der Kraftwerke oder Umspannwerke ist 40 bis 50 Jahre alt. Teilweise sogar älter. Damit müssen in den nächsten Jahren weitreichende Neuerungen eingeleitet werden. Das rechnet sich aber unter den derzeitigen rein betriebswirtschaftlichen Betrachtungen und den unsicheren Rahmenbedingungen nicht. Investitionen werden daher gerne aufgeschoben, was die Störanfälligkeit erhöht. Wenn aber erst dann investiert wird, wenn es sich rechnet, ist es bereits zu spät.

Allein in Deutschland gibt es über 1.150 Großtransformatoren, wovon rund 500 Stück bereits über 60 Jahre alt sind. Die Produktionskapazität beträgt jedoch nur mehr 2–4 Stück pro Jahr.

Der liberalisierte Strommarkt hat in vielen Bereichen zum Abbau der Reserven und Redundanzen geführt. Das, was in anderen Infrastrukturbereichen akzeptabel sein mag, könnte bei der überlebenswichtigen Strominfrastruktur ein böses Ende haben.

So wie bei der Truthahn-Illusion: Ein Truthahn, der Tag für Tag von seinem Besitzer gefüttert wird, nimmt aufgrund seiner täglich positiven Erfahrungen (Fütterung und Pflege) an, dass es der Besitzer nur gut mit ihm meinen kann. Ihm fehlt die wesentlichste Information, dass die Fürsorge nur einem Zweck dient: Am Tag vor Thanksgiving, bei dem die Truthähne traditionell geschlachtet werden, erlebt er eine fatale Überraschung. Diese Metapher kommt bei sehr seltenen Ereignissen mit enormen Auswirkungen zum Tragen, sogenannten Extremereignissen („X-Events“) oder strategischen Schocks. Wir verwechseln dabei gerne die Abwesenheit von Beweisen mit dem Beweis der Abwesenheit von Ereignissen.

Extremwetterereignisse

Alldem nicht genug, ist auch noch zu erwarten, dass in den kommenden Jahren auch in Europa wie bereits in Australien, Kalifornien oder Texas die Extremwetterereignisse zunehmen werden. Damit können auch schwerwiegende Infrastrukturschäden und -ausfälle einhergehen.

Die verheerende Sturzflutkatastrophe im Juli 2021 in Westdeutschland hat dies bereits vorgezeigt.

Extreme Trockenheit wiederum macht konventionellen Kraftwerken, die das Kühlwasser aus Gewässern entnehmen müssen, enorm zu schaffen. Gleichzeitig verringert sich die Leistungsfähigkeit von Wasserkraftwerken durch sinkende Pegelstände. Im anderen Extremfall führen Hochwässer oder Starkregenereignisse zum Problem bei der Stromerzeugung, wie etwa im Juni 2020, wo durch ein Starkregenereignis das größte polnische Kohlekraftwerk und parallel dazu weitere Erzeugungsanlagen ausgefallen sind, was zu einer kritischen Versorgungslücke führte.

Auch Pumpspeicherkraftwerke können durch eine verspätete Schneeschmelze wie 2021 an ihre Grenzen geraten.

Auch Energiezellen werden von solchen Ereignissen nicht verschont bleiben. Jedoch kann das Risiko von großflächigen Ausfällen deutlich reduziert werden. Zellen weisen nicht per se eine höhere Versorgungssicherheit auf. Aber sie helfen, den potenziellen Schaden zu verringern, und das wird aufgrund der dargestellten Probleme immer wichtiger. Grenzenlose Struktur schaffen extreme Abhängigkeiten.

Fehlende Sollbruchstellen

Durch fehlende und klar definierte Sollbruchstellen wird ein möglicher Netzwiederaufbau enorm erschwert. Das soll in den nächsten Jahren deutlich ausgeweitet werden. So müssen etwa aufgrund einer EU-Vorgabe bis 2025 mindestens 70 Prozent der Kapazität der nationalen Grenzkuppelstellen für den grenzüberschreitenden Stromhandel geöffnet werden.

Das, was im Alltag zu einer Belebung des Marktes und damit zu sinkenden Preisen führen kann, führt auf der anderen Seite zu einer massiven Verwundbarkeit des Gesamtsystems. Es wird immer weniger auf die physikalischen Grenzen Rücksicht genommen. Eine mögliche Störung kann sich dadurch wesentlich rascher ausbreiten. Diese Vorgaben widersprechen daher klar einem robusten, zellularen Ansatz und den Erkenntnissen aus den Systemwissenschaften.

Rückbau Windkraftanlagen

Bereits seit Jahren wird darauf hingewiesen, dass viele deutsche Windkraftanlagen betriebswirtschaftlich ohne neue Förderungen nicht weiterbetrieben werden können oder dass diese durch das Auslaufen von zeitlich befristeten Betriebsgenehmigungen zurückgebaut werden müssen. Eine Aufrüstung (Repowering) ist nicht an jedem Standort sinnvoll/möglich.

Demnach soll allein 2021 ein Rückbau von rund 4.500 MW und danach jährlich von rund 2.500 MW erfolgen. Damit ist in den nächsten 5 Jahren mit einer Leistungsreduktion von rund 15 GW zu rechnen, die nur teilweise durch Neuanlagen kompensiert werden. 2020 wurden rund 1.400 MW neu installiert. In den Folgejahren wird nicht mit wesentlich mehr gerechnet, also etwa der Hälfte der rückgebauten Leistung.

Digitalisierung

Durch die zunehmende Digitalisierung des Stromversorgungssystems steigen auch die wechselseitigen Abhängigkeiten: ohne Strom, keine IT. Ohne IT-Infrastruktur, keine Stromversorgung. Experten befürchten, dass bereits heute ein möglicher Netzwiederaufbau daran scheitern könnte, weil zunehmend mehr Schutzeinrichtungen ohne Rückfallebenen ausgestattet sind. Vieles kann und will man einfach nicht glauben, aber die Realität holt einen immer wieder ein. Ein kollektives Versagen, wie das etwa Gunther Dueck bereits vor vielen Jahren in „Schwarmdumm“ beschrieben hat.

Zudem entstehen immer mehr digitale Anwendungen auf dem Strom- und Flexibilitätsmarkt. Was im Alltag einen Mehrwert schafft, könnte rasch ins Gegenteil umschlagen, wie etwa der schwer­wiegende Cyberangriff auf die größte Ölpipeline der USA im Mai 2021 gezeigt hat. Dabei muss keine Schädigungsabsicht vorliegen. Ein außer Kontrolle geratener Cyberangriff oder auch nur eine schwerwiegende Störung, kann auch rasch zu Problemen in der physischen Welt führen, primär in einem System, mit einem derart fragilen Gleichgewicht.

Gefährlicher Stromhandel

Der Stromhandel spielt generell eine zu wenig beachtete Rolle, wenn es um die Gefährdung des europäischen Verbundsystems geht. Im Juni 2019 brachten deutsche Stromhändler das System an den Rand des Kollapses, nachdem sie eine Regulierungslücke ausgenützt haben. Trotz Abmahnung und nun in Aussicht gestellter hoher Strafen scheint es noch immer Lücken zu geben.

So kam es 2021 in den ersten drei Quartalen zu 175 Frequenzanomalien, die ursächlich auf eine betriebswirtschaftlich optimierte Kraftwerkseinsatzplanung zurückzuführen sind. Im gesamten Jahr 2020 waren es 141. Dabei muss um den Stundenwechsel die Hälfte bis zu zwei Drittel der vorgehaltenen Reserve für Ausgleichsmaßnahmen eingesetzt werden. Diese werden aber für unvorhergesehene Kraftwerksausfälle vorgehalten.

Sollte es in dieser Zeit tatsächlich zu einem oder mehreren Kraftwerksausfällen kommen, was beim Fahrplanwechsel wahrscheinlicher ist, könnte das zu einer weiteren Eskalation führen. Obwohl das Problem seit Langem bekannt ist, scheint die Regulation keine Notwendigkeit zu sehen, diesen Missbrauch abzustellen. Der Krug geht so lange zum Brunnen, bis er bricht.

8. Januar 2021

Es gibt auch mehrere Hinweise, dass die beiden Faktoren, die reduzierte Momentanreserve und der überbordende Stromhandel, wesentlich zur Großstörung am 8. Januar 2021 beigetragen haben, auch wenn das bisher noch in keinem offiziellen Untersuchungsbericht richtig angesprochen wurde.

Am 8. Januar kam es um 14:04 Uhr im Umspannwerk Ernestinovo (Kroatien) zu einer Überlastung einer Sammelschienenkupplung, die sich daraufhin ordnungsgemäß zum Eigenschutz abgeschaltet hat. Dies führte zu einer Überlastung von 13 weiteren Betriebsmitteln in Südosteuropa, wodurch das europäische Verbundnetz in zwei Teile aufgetrennt wurde. Die Folge war ein durch das auftretende massive Leistungsungleichgewicht verursachter massiver Frequenzanstieg in Südosteuropa auf 50,60 Hertz und ein Frequenzeinbruch auf 49,74 Hertz in Nordwesteuropa. Im Südosten gab es einen Leistungsüberschuss von 6,3 GW, welcher gleichzeitig im Nordwesten fehlte.

Der sehr steile Frequenzeinbruch bzw. -anstieg weist darauf hin, dass zu wenig Momentanreserve vorhanden war, welche eine derart gravierende Leistungsänderung abfedern hätte müssen. Zum anderen gab es zu diesem Zeitpunkt einen enormen Stromimport von etwa 6,3 GW in Spanien und Frankreich, was darauf hindeutet, dass der überregionale Stromhandel zur Überlastung beigetragen hat. Interessant ist dabei auch, dass die Sammelschienenkupplung im Umspannwerk Ernestinovo bisher nicht als systemrelevant eingestuft und daher nicht in die laufenden Sicherheitsberechnungen eingebunden war. Daher stellt sich die Frage, wie viele solch unbeobachteten Bruchstellen es noch geben könnte. Das Ereignis am 8. Januar 2021 sollte daher als sehr ernst zu nehmende Warnung verstanden werden, auch wenn von politischer Seite sofort behauptet wurde, dass die Stromversorgung sicher sei. 36 Länder sitzen in einem gemeinsamen Boot. Wenn dieses untergeht, gehen alle mit unter.

Nach einem Blackout

In Österreich sind wir wahrscheinlich in der Lage, als eines der ersten Länder in Europa wieder ein Stromnetz aufzubauen, was immer noch rund einen Tag oder länger dauern könnte. Bis auf europäischer Ebene wieder überall der Strom fließt, wird laut Experten-Einschätzungen zumindest eine Woche vergehen. Das ist aber nicht alles.

Ganz generell werden die Folgen und Wiederanlaufzeiten nach einem großflächigen und abrupten Ausfall der Stromversorgung massiv unterschätzt. Viele Vorbereitungen beschäftigen sich nur mit der unmittelbaren Vorsorge für den Stromausfall, was häufig in der Anschaffung oder Erweiterung einer Notstromversorgung mündet. Dabei ist die Phase 1, also die Zeit des Stromausfalls, noch am überschaubarsten. Viel schwerwiegender und katastrophaler werden sich die deutlich längeren Phasen des Wiederanlaufes (Phase 2 und 3) in den anderen Infrastruktursektoren und bei der Resynchronisierung der Versorgungslogistik auswirken, was in dieser Dimension völlig unterschätzt wird, weil uns dazu die Erfahrungen fehlen.

Die sehr hohe Versorgungssicherheit in allen Lebensbereichen, insbesondere in Mitteleuropa, wird zum Bumerang: Es fehlt an den erforderlichen Eigenvorsorgemaßnahmen und Rückfallebenen. Viel zu viele Menschen und Organisationen verlassen sich einfach blind auf die ständige Verfügbarkeit. Eine Truthahn-Illusion.

Langwieriger Wiederanlauf

So ist etwa zu erwarten, dass bis nach der Stromversorgung die Telekommunikationsversorgung, also Handy, Internet und Festnetz, wieder funktionieren wird, weitere Tage vergehen werden. Dies, weil mit schwerwiegenden Hardwareschäden, Störungen und Überlastungen zu rechnen ist. Damit wird es bis zumindest in die zweite Woche dauern, bis wieder eine Produktion und Warenverteilung im breiteren Umfang anlaufen kann.

Ganz abgesehen von den internationalen Verflechtungen und wechselseitigen Abhängigkeiten in der Versorgungslogistik. Auf das sind jedoch weder die Menschen noch Unternehmen oder die Staaten vorbereitet. Es droht eine unfassbare Katastrophe, die in die größte Katastrophe nach dem Zweiten Weltkrieg enden könnte, wie bereits 2011 das Büro für Technikfolgenabschätzung beim Deutschen Bundestag festgehalten hat: „Spätestens am Ende der ersten Woche wäre eine Katastrophe zu erwarten, d. h. die gesundheitliche Schädigung bzw. der Tod sehr vieler Menschen sowie eine mit lokal bzw. regional verfügbaren Mitteln und personellen Kapazitäten nicht mehr zu bewältigende Problemlage.“ Dabei bezog sich die Analyse noch gar nicht auf einen europaweiten Ausfall. Ganz zu schweigen von der enorm gestiegenen Vernetzung binnen der letzten Dekade.

Was kann getan werden?

Kurzfristig scheint nur mehr die Vorbereitung auf das Ereignis möglich zu sein, was auch ganz generell gilt: Verhindern und Sicherheit sind wichtig, aber zu wenig. Es braucht auch hier ein sowohl-als-auch-Denken: Wir müssen auch in der Lage sein, mit unerwarteten Ereignissen umzugehen und diese zu bewältigen. Das betrifft alle Ebenen. Beispielsweise ist die Verhinderung von Cyber-Angriffen enorm wichtig, dennoch ist ein Wiederherstellungsplan unverzichtbar, auch wenn man immer hofft, dass dieser nie benötigt wird. Aber Hoffnung ist zu wenig. Das gilt genauso beim Thema Blackout. Wir betreiben gerade die größte Infrastrukturtransformation aller Zeiten am offenen Herzen und ohne Auffangnetz. Das könnte sich als fataler evolutionärer Irrtum herausstellen.

Der wichtigste Schritt beginnt in den eigenen vier Wänden: Sich und die eigene Familie zumindest zwei Wochen völlig autark mittels eigener Vorratshaltung versorgen zu können. Das betrifft 2 Liter Wasser pro Person und Tag. Nach dem Stromausfall kann auch wieder gekocht aber nicht eingekauft werden. Daher Lebensmittel wie Nudel, Reis und Konserven für zwei Wochen. Das Gleiche gilt für wichtige Medikamente, Kleinkinder- oder Haustiernahrung. Taschenlampen, ein batteriebetriebenes Radio, Müllsäcke und sonstige wichtige Hilfsmittel, die man dann benötigen könnte. Einfach, was man auf einen zweiwöchigen Campingurlaub auch mitnehmen würde.

Sehr geringe Vorsorge

Wie aus verschiedenen Untersuchungen bekannt ist, können sich rund ein Drittel der Bevölkerung maximal vier Tage und ein weiteres Drittel maximal sieben Tage selbst versorgen. Damit beginnt ein Teufelskreis. Denn wenn sich die Menschen nicht mehr ausreichend selbst versorgen können, kommen sie nicht in Arbeit, um die Systeme wieder hochzufahren. Eine Teufelsspirale beginnt sich zu drehen. Daher ist eine breite Eigenvorsorge in der Bevölkerung wesentliche Voraussetzung dafür, damit wir ein solches Szenario bewältigen können. Das betrifft insbesondere auch jene Organisationen und Unternehmen, die in einem solchen Fall einen Notbetrieb aufrechterhalten müssen, also auch die Energiewirtschaft.

Inselbetriebsfähige PV-Anlagen

Was viele PV-Besitzer nicht wissen, ist, dass ihre PV-Anlage während eines Stromausfalls keinen Strom liefert, da die meisten Anlagen netzgeführt sind. Nur inselbetriebsfähige PV-Anlagen, also ergänzt mit Netztrennung, hybriden Wechselrichter und Speicher, können auch bei Netzausfall eine Notversorgung in den eigenen vier Wänden aufrechterhalten. Damit könnten die Beleuchtung, Heizung und Kühlgeräte (Vorräte!) weiterbetrieben werden. Das Szenario würde damit deutlich abgemildert. Gesellschaftlich noch wirkungsvoller und effizienter wäre es, so rasch als möglich regionale Energiezellen aufzubauen, wo zumindest eine Grundnotversorgung mit Wasser, Abwasser, Wärme oder Gesundheitsdienstleistungen auch während eines Netzausfalles aufrechterhalten werden könnte. Dazu fehlt es aber am notwendigen Bewusstsein und den erforderlichen Rahmenbedingungen.

Organisatorische Maßnahmen

Auf diese persönlichen Vorsorgemaßnahmen können dann die notwendigen organisatorischen Maßnahmen aufsetzen. Dabei beginnt der erste Schritt mit der Sensibilisierung des eigenen Personals, um die Eigenvorsorge anzustoßen. Zum anderen sind umfassende Überlegungen notwendig, wie im Fall eines Blackouts die erforderliche Kommunikation sichergestellt werden kann. In vielen Fällen werden nur Offline-Pläne, also vorbereitete Absprachen, die in den Köpfen der Mitarbeiter:innen verfügbar sein müssen, funktionieren. Das Schlüsselpersonal muss wissen, was zu tun ist, wenn niemand mehr erreicht werden kann und wie die Ablöse und Versorgung funktionieren, wenn ein Notbetrieb weiterlaufen muss.

Eine Alarmierung, wie sonst üblich, wird in der Regel nicht mehr funktionieren, da die Telekommunikationssysteme Großteils binnen weniger Minuten nach dem Stromausfall ausfallen werden. Bei der Mitarbeiter:innenverfügbarkeit sind vor allem die persönlichen Umstände, wie die räumliche Entfernung zum Arbeitsplatz oder sonstige Verpflichtungen, wie betreuungsbedürftige Personen, Funktionen in Gemeindekrisenstäben oder Einsatzorganisationen zu berücksichtigen. Ferner muss erhoben werden, wie lange die vorhandenen Ressourcen, etwa der Treibstoff für Notstromeinrichtungen oder Lebensmittel für einen Notbetrieb verfügbar sind, da mit einer Versorgung von außerhalb kaum zu rechnen ist, wenn nicht entsprechende Vorbereitungen getroffen werden. Das geht dann bis hin zu Wiederanlaufplänen, wo zu überlegen ist, welche Voraussetzungen erforderlich sind, um überhaupt wieder in einen geordneten Betrieb übergehen zu können.

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Summary

Das europäische Stromversorgungssystem befindet sich in einem fundamentalen Umbruch, wo gilt: „Viele Köche verderben den Brei“. Denn es fehlt an einer systemischen Gesamtkoordination und Vorgangsweise. Jedes Mitgliedsland macht seine eigene Energiewende in unterschiedliche Richtungen und es ist kaum eine koordinierte Vorgangsweise erkennbar. Zudem werden fundamentale physikalische und technische Rahmenbedingungen ignoriert und durch Wunschvorstellungen ersetzt, was absehbar in eine Katastrophe führen muss. Denn das Stromversorgungssystem gehorcht rein physikalischen Gesetzen. Noch haben wir die Möglichkeit, diesen fatalen Pfad zu verlassen.

Autor

Herbert Saurugg ist internationaler Blackout- und Krisenvorsorgeexperte, Präsident der Österreichischen Gesellschaft für Krisenvorsorge (GfKV), Autor zahlreicher Fachpublikationen sowie gefragter Keynote-Speaker und Interviewpartner zum Thema „ein europaweiter Strom-, Infrastruktur- sowie Versorgungsausfall (‚Blackout‘)“. Er beschäftigt sich seit 10 Jahren mit der steigenden Komplexität und Verwundbarkeit lebenswichtiger Infrastrukturen sowie mit den möglichen Lösungsansätzen, wie die Versorgung mit lebenswichtigen Gütern wieder robuster gestaltet werden kann. Unter www.saurugg.net betreibt er dazu einen umfangreichen Fachblog und unterstützt Gemeinden, Unternehmen und Organisationen bei der Blackout-Vorsorge.