Das europäische Stromversorgungssystem

Für viele Menschen kommt der Strom ganz selbstverständlich aus der Steckdose. Doch hinter dieser scheinbaren Selbstverständlichkeit steckt ein hochkomplexes und europaweit vernetztes System. Dieses System, das für unsere hohe Versorgungssicherheit sorgt, funktioniert nur im Gesamten und ist für einfach berechenbare und steuerbare Großkraftwerke ausgelegt. In den letzten beiden Jahrzehnten haben sich jedoch viele Rahmenbedingungen erheblich geändert, was das System vor neuen und zunehmend größer werdenden Herausforderungen stellt. Unter anderem der Kraftwerkspark. Allein in Deutschland ist die Zahl der Erzeugungsanlagen in den letzten 20 Jahren von rund 1.000 auf über 2 Millionen gestiegen. Damit verändert sich nicht nur die Erzeugungscharakteristik, sondern auch das Systemverhalten. Denn die vielen neuen Anlagen müssen auch vernetzt und integriert werden, was wiederum die Komplexität des Gesamtsystems verändert.

Die Mitgliedsländer des europäischen Verbundsystems Regional Group Continental Europe (ENTSO-E RG CE). Seit dem 16. März 2022 gehören auch das ukrainische und das moldawische Netz dazu.

Überblick

Ein fragiles Gleichgewicht: Ein Stromversorgungssystem auf Basis von Wechselstrom funktioniert nur, wenn eine permanente Balance zwischen Erzeugung und Verbrauch sichergestellt werden kann.
Frequenz als Indikator
Momentanreserve
Regelenergie
Puffer und Speicher: Die Speicherung von Energie ist eine zentrale Voraussetzung für einen sicheren Systembetrieb.
Mehr als nur Durchschnittswerte: Für eine sichere Stromversorgung müssen Ausreißer und Extreme berücksichtigt werden.
Energiepolitik: Die Rolle der Energiepolitik beim Umbau des Stromversorgungssystems.
Energiepolitisches Dreieck: Versorgungssicherheit – Bezahlbarkeit – Umweltverträglichkeit

Ein fragiles Gleichgewicht

Das europäische Stromversorgungssystem basiert auf Wechselstrom und funktioniert nur, wenn eine permanente Balance zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch sichergestellt werden kann. Diese Balance ist entscheidend für die Stabilität und Sicherheit des gesamten Systems. Wird diese Balance gestört, kann es zu erheblichen Störungen bis hin zum Kollaps des Systems kommen.

Das fragile europäische Verbundsystem

von SRF-Blackout-Thementag 2017

Frequenz als Indikator

Die Frequenz des Stromnetzes dient als wichtiger Indikator für die Systemstabilität. In Europa beträgt die Netzfrequenz 50 Hertz. Steigt die Frequenz, bedeutet dies, dass mehr Strom erzeugt als verbraucht wird. Sinkt die Frequenz, wird mehr Strom verbraucht als erzeugt. Diese Schwankungen können schwerwiegende Folgen haben, da sie die Stabilität des Netzes gefährden und wichtige Generatoren beschädigen können.

Die Frequenz der letzten 24 Stunden. Ein Klick auf „Continental Europe Frequency“ zeigt nur die Frequenz in der RG CE an.

Frequenzschema und aktuelle Frequenz (Quelle: www.netzfrequenz.info)

50 Hertz, mit der die Systemstabilität gemessen und ausgedrückt wird, ist der theoretische Zielwert, der möglichst genau eingehalten werden muss. In einem System, in dem sich die Last (der Verbrauch und auch immer mehr die Produktion aus volatilen Erzeugungsanlagen) ständig ändert, ist aber auch ein gewisses „Atmen“ erforderlich. Und wie in jedem dynamischen System gilt auch hier, dass ein vollständig stabiles System erst dann vorliegt, wenn das System tot ist.

Das europäische Verbundsystem zeichnete sich bisher durch seine Größe und durch seine Zusammensetzung, durch eine besonders hohe Frequenzqualität und -stabilität aus. Die meisten Abweichungen liegen im Bereich von +/- 0,05 Hertz. Dennoch gibt es immer wieder „Ausreißer“, die das zulässige Band für den Normalbetrieb von +/- 0,2 Hertz (also bis 49,8 und 50,2 Hertz) ausreizen. Daher werden hier auch Überschreitungen von +/- 0,1 Hertz ausgewertet, auch wenn in diesem Bereich noch alles als normal zu bezeichnen ist.

Grundsätzlich sind auch Abweichungen von +/- 0,8 Hertz zulässig, falls es zu größeren Störungen durch Ausfall von Erzeugungskapazitäten oder Verbrauchern kommen sollte, was bisher nur sehr selten der Fall war. Bis zu einer Abweichung von +/-200mHz (+/- 0,2 Hertz) wird diese durch den (automatischen) Einsatz von Regelleistung ausgeglichen.

Maßnahmen bei Unterfrequenz: Ab einer Frequenz von 49,8 Hz werden von den Kraftwerksbetreibern Leistungsreserven aktiviert. Sinkt die Netzfrequenz unter einen Wert von 49 Hz, wird sukzessive Last abgeworfen. Das heißt, bestimmte Gebiete werden vom Netz genommen, um den Verbrauch zu senken. Erst ab einer Unterfrequenz von 47,5 Hz werden alle Kraftwerke zum Eigenschutz vom Netz getrennt, es kommt zum sogenannten Blackout und das Netz muss neu aufgebaut werden („Schwarzstart“).

Maßnahmen bei Überfrequenz: Bei Überfrequenz wird die Einspeiseleistung der Kraftwerke schrittweise reduziert. Das klingt einfacher als es ist. Die Regelbarkeit von Kohle- und Kernkraftwerken liegt bei 3-5 % pro Minute. Es dauert also eine Weile, bis sich diese Kraftwerke an die veränderte Last anpassen können. Sie können nicht einfach (wie ein Auto) durch Drehen des Zündschlüssels abgeschaltet werden. Besser regelbar sind Gaskraftwerke (20 % der Nennleistung pro Minute) oder auch Windkraft- und Photovoltaikanlagen. Bis 2012 mussten PV-Anlagen ab einer Netzfrequenz von 50,2 Hz die Einspeisung abrupt einstellen („50,2-Hertz-Problem„). Durch den starken Ausbau der Solarenergie wäre diese Reduzierung jedoch so stark, dass es zu einer plötzlichen Unterfrequenz kommen würde. Deshalb drosseln die meisten PV-Anlagen ab 50,2Hz nur noch die Einspeisung und schalten erst ab einer Überfrequenz von 51,5Hz ganz ab. Leider ist nach wie vor unklar, wie viele Altanlagen europaweit noch bei 50,2 Hertz abschalten, was als unbekanntes Risiko betrachtet werden muss.

Beispiel Fahrradfahrer: Um die Bedeutung der Balance im Stromnetz zu veranschaulichen, kann man sich einen Fahrradfahrer vorstellen. Auf ebener Straße ist es einfach, die Geschwindigkeit zu halten. Sobald jedoch eine Steigung kommt, muss der Fahrradfahrer stärker in die Pedale treten, um gleich schnell zu bleiben. Geht es hingegen bergab, muss er bremsen, damit er nicht immer schneller wird. Ähnlich verhält es sich im Stromnetz: Wird mehr Strom erzeugt als verbraucht, steigt die Frequenz, und es muss „gebremst“ werden. Wird hingegen mehr Strom verbraucht als erzeugt, sinkt die Frequenz, und es muss „beschleunigt“ werden.

Herausforderungen durch erneuerbare Energien: Der zunehmende Einsatz erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarkraft stellt das Stromnetz vor neue Herausforderungen. Diese Energiequellen sind volatil, das heißt, ihre Erzeugung schwankt je nach Wetterbedingungen. Dies führt zu zusätzlichen Schwankungen im Netz, die ausgeglichen werden müssen. Die Integration dieser dezentralen Erzeugungsanlagen in das bestehende Netz erhöht die Komplexität und erfordert neue Lösungen, um die Systemstabilität zu gewährleisten.

Momentanreserve

Um diese ständigen Schwankungen ausgleichen zu können, gibt es verschiedene Steuerungsinstrumente. Die erste Stufe des Ausgleichs wird durch die sogenannte Momentanreserve sichergestellt. Sie ist der zentrale und zugleich wohl häufig unterschätzte Teil der Systemstabilität. Sie wird durch die Schwungmassen der Generatoren in konventionellen Kraftwerken bereitgestellt und wirkt wie ein „Stoßdämpfer“, der kurzfristige Schwankungen zwischen Stromerzeugung und Verbrauch ausgleicht. Diese Funktion erfolgt automatisch und rein physikalisch, ohne dass Eingriffe notwendig sind. Mit der Umstellung auf ein Stromversorgungssystem, das zunehmend auf Wind- und Solarenergie basiert, entsteht jedoch ein Problem: Diese erneuerbaren Energiequellen verfügen über keine Schwungmassen und können daher keine Momentanreserve bereitstellen. Um dieses Defizit zu kompensieren, sind neue Technologien wie Leistungselektronik, Batteriespeicher und eine intelligente Steuerung erforderlich. Der Aufbau solcher Systeme ist jedoch kostenintensiv und technisch anspruchsvoll. Gleichzeitig fehlt es an einer systemischen Planung, die diese neuen Anforderungen integriert, was die Energiewende zusätzlich erschwert und die Versorgungssicherheit gefährden kann.

Regelenergie

Treten weitere oder größere Abweichungen auf, kommt die sogenannte Regelenergie in drei Stufen zum Einsatz. Diese gleicht, wie in der folgenden Grafik dargestellt, Schwankungen im Stromnetz innerhalb von Sekunden („Primärreserve (PRL)/ Frequency Containment Reserves (FCR)„), fünf Minuten („Sekundärreserve (SRL)/ Automatic Frequency Restoration Reserves (aFRR)„) oder Viertelstunden („Minutenreserve (MRL)/ Manual Frequency Restoration Reserves (mFRR)„) aus.

Quelle: www.next-kraftwerke.de

Puffer und Speicher

Für die permanente Balancehaltung im Stromversorgungssystem sind die dargestellten Instrumente für die ersten 15 Minuten besonders wichtig. Doch damit endet die Betrachtung noch lange nicht. Auch danach muss jederzeit ausreichend Leistung bereitgestellt werden können. Genau genommen muss hier ein Zeitraum von zwölf Zehnerpotenzen – also von Sekunden bis Jahrzehnte – betrachtet werden, was meist nicht in dieser Form bewusst ist.

Bisher war das kaum ein Thema, da konventionelle Kraftwerke keinen eigenen Speicher benötigt haben, da die erforderliche Energie in der Primärenergie (Wasser, Gas, Uran, Kohle, Öl) gespeichert ist. Solange genug Primärenergie zur Verfügung steht, kann auch die Stromproduktion sichergestellt werden. Allerdings sind auch hier Maßnahmen (Erschließung von Lagerstätten, Aufbau der erforderlichen Infrastrukturen) über Jahre, wenn nicht sogar Jahrzehnte zu betrachten. Vieles nehmen wir davon einfach als selbstverständlich wahr, was es aber häufig nicht ist. Dies zeigen etwa die Umbrüche in der Gasversorgung durch den Krieg in der Ukraine.

Mit dem Umbau der Stromversorgung auf volatile, wetterabhängige Energiequellen entsteht ein Problem, das es in dieser Form bisher nicht gab. Denn der Ausgleich konnte relativ einfach durch den Einsatz von etwas mehr oder weniger Primärenergie sichergestellt werden.

Bei den neuen „erneuerbaren“ Energiequellen Wind und Sonne gibt es nur eine Stromproduktion, wenn auch die Primärenergie zur Verfügung steht. Diese ist sehr tages- bzw. jahreszeitenabhängig.

Daher braucht es für den Ausgleich enorme Speicherkapazitäten, die es in dieser Form heute weder gibt noch ist aus heutiger Sicht erwartbar, dass diese in entsprechendem Umfang aufgebaut werden können, schon gar nicht auf einem globalen Maßstab. Dazu fehlen die Ressourcen, sowohl was die Rohstoffe als auch die finanziellen Mittel betrifft. Siehe hierzu den Beitrag „Energy Storage and Civilization: A Systems Approach„.

Auch wenn die Zellpreise bei Batterien in den vergangenen Jahren enorm gefallen sind und hier exponentielle Entwicklungen passieren, was den Aufbau betrifft, sind das trotzdem im Vergleich zum heutigen Verbrauch vernachlässigbare Größen, auch wenn sie gleichzeitig unverzichtbar sind.

Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen in Deutschland von Anfang Dezember 2024 bis Anfang Januar 2025.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Probleme viel größer sind, als vielen Akteuren heute bewusst ist. Ohne leistbare und umsetzbare Lösungen im Bereich der Speicherung über das gesamte genannte Zeitspektrum kann eine Stromerzeugung rein aus erneuerbaren Energien nicht funktionieren. Dieser Umstieg soll bis 2030, spätestens bis 2040 oder 2045 in der gesamten Energieversorgung erfolgt sein, was völlig utopisch ist. Denn die bisherige Stromversorgung macht nur etwa 20 % des Gesamtenergieverbrauchs aus.

Selbst wenn der Energiebedarf durch die Elektrifizierung deutlich reduziert werden könnte, sind die Größenordnungen, die erreicht werden müssten, immer noch völlig unrealistisch. Ganz zu schweigen vom gesamten Infrastruktur- und Ressourcenbedarf, der für diesen Umbau erforderlich ist.

Hier auch eine Darstellung im Rahmen eines Vortrages:

Zusätzlich gibt es die interessante ARTE Doku „Droht uns der Blackout?„, wo der Stand aufgezeigt wird. Viel Forschung und Entwicklung, jedoch noch wenig Umsetzung, vor allem eine solche, die auch in größere Maßstäbe skaliert.

Arte Droht Uns Der Blackout 42 Die Antwort Auf Fast Alles

Mehr als nur Durchschnittswerte

Auch wenn Aussagen wie „Jeden Monat neuer EE-Erzeugungsrekord“ (aufgrund des stetigen Zubaus von EE-Anlagen) oder „EE erzeugen über 50 % und an manchen Tagen sogar über 100 % des Stroms in Deutschland“ (für wenige Minuten) aus Sicht der CO₂-Vermeidung sehr erfreulich sind, ist dies nur ein kleiner Ausschnitt aus der tatsächlichen Realität. Noch gefährlicher wird es, wenn dann auch noch einfache lineare Fortschreibungen vorgenommen werden: „Wir müssen nur schneller und mehr EE ausbauen, dann wird alles gut.“

Das ist leider ein großer Irrtum. Denn für ein funktionierendes Stromversorgungssystem braucht es viel mehr als Durchschnittswerte und singuläre Betrachtungen. Dazu einige Aspekte (ohne Anspruch auf Vollständigkeit):

Flexibilität

Zum Beispiel, warum die häufig geforderte Flexibilität im Stromnetz nicht zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit ausreicht:

🔧 Kurzschlussleistung: Erneuerbare Energien wie Wind- und Solaranlagen erzeugen weniger Kurzschlussleistung als konventionelle Kraftwerke, was die Fehlererkennung und -behebung im Netz erschwert.

⚖️ Winkelstabilität: Schwankungen bei der erneuerbaren Energieerzeugung können die Winkelstabilität des Netzes beeinträchtigen und das Risiko von Blackouts erhöhen.

⚡ Spannungsqualität: Die konstante Spannungsversorgung wird durch die intermittierende Einspeisung erneuerbarer Energien herausgefordert, was zu Störungen in industriellen Prozessen führen kann.

🌐 PowerQuality: Aspekte wie Frequenzstabilität und Harmonische müssen gewährleistet sein, um die Netzqualität zu sichern und sensible Elektronik zu schützen.

🛠️ Netzreserve und Black-Start-Fähigkeit: Konventionelle Kraftwerke bieten hier noch Vorteile, da sie schnell auf Schwankungen reagieren und das Netz nach einem Ausfall wieder hochfahren können.

🔄 Systemdienste: Dienste wie Frequenzregelung und Blindleistungsbereitstellung sind essenziell und müssen durch Technologien wie Batteriespeicher und intelligente Steuerungen ergänzt werden.

🏗️ Infrastruktur und Netzplanung: Die Modernisierung und Anpassung der Infrastruktur sind unerlässlich und erfordern erhebliche Investitionen.

📜 Marktmechanismen und Regulierung: Angemessene regulatorische Rahmenbedingungen fördern Investitionen in flexible Lösungen und neue Technologien.

🤝 Internationale Kooperation: Grenzüberschreitende Ausgleichsmechanismen sind entscheidend für die Netzstabilität.

Versorgungssicherheit im Rahmen der Energiewende ist komplexer als die reine Nutzung von Flexibilität. Zudem fehlt dafür die notwendige Digitalisierung im Stromversorgungssystem, was wiederum neue Risiken mit sich bringt, Stichworte Cyberangriffe oder Komplexität. Ein ganzheitlicher Ansatz, der all diese Faktoren einbezieht, ist notwendig, um die Energiezukunft erfolgreich zu gestalten. Ein möglicher Ansatz, um dazu rascher ins Tun zu kommen, sind dezentrale Funktionseinheiten mit einem sektorübergreifenden Energiemanagement („Energiezellensystem„).

Minimalwerte sind entscheidend

Ein weiterer, kaum diskutierter Aspekt ist die Frage, wie Zeiträume abgedeckt werden können, in denen wetterabhängige Energiequellen zu bestimmten, immer wiederkehrenden Zeiträumen, wie z.B. im November und Dezember 2024, kaum zur Versorgung beitragen können. Denn gerade diese sind für die System- und Versorgungssicherheit von zentraler Bedeutung. Ein Zuviel ist bei richtiger Umsetzung regelbar und beherrschbar. Aber auch hier gibt es mittlerweile eine Zuspitzung, da es immer mehr PV-Anlagen gibt, die nicht geregelt werden können und wo mittlerweile eine kritische Masse erreicht ist.

Da die erforderlichen Speicherkapazitäten auf absehbare Zeit nicht zur Verfügung stehen, bedeutet dies, dass die noch vorhandenen fossilen Kraftwerkskapazitäten nicht stillgelegt oder durch andere (Gaskraftwerke) ersetzt werden müssen. Sowohl für den Weiterbetrieb als auch für den Neubau fehlen die Rahmenbedingungen für einen wirtschaftlichen Betrieb.