Gefährliche Schwankungen: Wie stabil ist Europas Stromnetz wirklich?

Unsere Stromversorgung gilt als gesichert. Wir verfügen über eines der stabilsten Stromnetze weltweit – und das trotz des zunehmenden Anteils regenerativer Energien aus unzuverlässigen Quellen, trotz Atomausstieg und Rückbau alter Kohlekraftwerke. Zumindest versichern uns das die Verantwortlichen der großen Verteilnetzbetreiber immer wieder.

Neueste Ereignisse zeichnen jedoch ein anderes Bild: Erst kürzlich kam es in Spanien zu einem landesweiten Blackout. ¹ Dieser dauerte vielerorts mehrere Stunden, stellenweise sogar Tage. Und auch Tage später ist noch unklar, was genau geschehen ist. Die Ursachenforschung läuft weiter. Die Theorien reichten von einem Terroranschlag bis hin zu atmosphärischen Störungen. Inzwischen geht man überwiegend davon aus, dass durch den hohen Anteil an Photovoltaik im Netz zu starke Frequenzschwankungen verursacht wurden. In der Folge schalteten sich einzelne Netzknoten ab, was eine Kettenreaktion auslöste.

Das wirft natürlich Fragen auf: Ist unsere Stromversorgung wirklich so sicher und stabil, wie es etwa im Bericht der Bundesnetzagentur von 2022 dargestellt wurde? ² Oder könnte ein solches Szenario auch uns in Deutschland in Zukunft treffen?

Das Stromnetz

Um zu verstehen, wie so etwas passieren kann, müssen wir unser Stromnetz im Detail betrachten. Nur wenn wir verstehen, wie es funktioniert, können wir nachvollziehen, warum bei Störungen ganze Netzteile ausfallen.

Die Netzebenen

Das europäische Stromnetz gliedert sich in mehrere Netzebenen, die auf unterschiedlichen Spannungen arbeiten und durch Transformatoren miteinander verbunden sind:

Die oberste Netzebene bilden die Übertragungsnetze. Sie dienen dem Transport von Strom über weite Entfernungen und arbeiten mit Spannungen von 220 bis 380 kV. Deshalb werden sie auch Höchstspannungsnetze genannt. Die hohen Spannungen minimieren Übertragungsverluste und ermöglichen eine effizientere Nutzung der Leitungen – bei gleichem Leitungsquerschnitt kann mit höherer Spannung mehr elektrische Leistung übertragen werden. Diese Netzebene verbindet große Kraftwerke und Offshore-Windparks miteinander und überträgt Strom an die regionalen Hochspannungsnetze der Netzbetreiber. Auch der grenzüberschreitende Stromtransport erfolgt auf dieser Ebene. Die Übertragungsnetze bilden somit das Rückgrat des europäischen Stromsystems.

Über Transformatoren wird der Strom auf 110 kV heruntertransformiert. Streng genommen bilden diese Transformatoren eine eigene Netzebene, die für unser Verständnis aber nicht weiter relevant ist. Interessant wird es wieder im Hochspannungsnetz, das für den überregionalen Ausgleich innerhalb eines Netzbetreibers zuständig ist. Hier können auch kleinere Kraftwerke eingebunden sein, die primär der lokalen Versorgung dienen. Große Industriebetriebe, die enorme Strommengen benötigen, sind direkt an dieser Ebene angeschlossen und transformieren den Strom intern auf das benötigte Spannungsniveau. Der übrige Strom wird weiter in die Mittelspannungsnetze verteilt.

Diese arbeiten – je nach Region – mit 10, 20 oder 30 kV. Auch hier speisen teilweise Wind- und Solarparks ein. Kleinere Industrieanlagen können direkt angeschlossen sein. Von hier gelangt der Strom weiter zu den Trafostationen der Niederspannungsnetze.

Die Niederspannungsnetze sind die Netze, die uns zu Hause versorgen. Sie arbeiten mit einer Spannung von 400 V (früher oft als 380 V bezeichnet) und sind meist auf einige Straßenzüge begrenzt. In unseren Häusern wird der Drehstrom über einen Neutral- und Erdleiter in drei einzelne 230-V-Phasen mit einer Phasenverschiebung von 120° aufgeteilt – das entspricht der Spannung an unseren Steckdosen.

Von der Heim-Photovoltaik zum Export

Früher floss Strom stets in eine Richtung: vom Übertragungsnetz über Hoch- und Mittelspannungsebene hinunter bis zu den Niederspannungsnetzen – und schließlich in unsere Steckdosen. Die Energie der ersten Photovoltaikanlagen auf Hausdächern konnte also gar nicht über größere Strecken eingespeist werden. Die Transformatoren waren damals ausschließlich für die Abwärtswandlung der Spannung ausgelegt. Überschüssiger Strom musste also direkt in der Nachbarschaft verbraucht werden.

Mit der zunehmenden Zahl an Dach-Photovoltaikanlagen reichte dieses Prinzip bald nicht mehr aus. Trafostationen mussten umgerüstet werden, sodass nun auch Überschüsse aus lokalen Niederspannungsnetzen in höhere Netzebenen eingespeist werden können – bis hin zu den Übertragungsnetzen. Dort kann überschüssiger Strom sogar ins Ausland exportiert werden. Doch was geschieht, wenn auch dort ein Überschuss besteht und der Strom nicht benötigt wird?

Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch

Das Stromnetz selbst kann keinen Strom speichern – es dient nur dem Transport. Strom, der erzeugt wird, muss in exakt derselben Sekunde auch verbraucht werden. Umgekehrt muss für jeden Verbraucher im selben Moment auch ausreichend Strom bereitstehen. Schon geringe Abweichungen können auf allen Netzebenen große Schäden verursachen. Deshalb müssen Erzeugung und Verbrauch jederzeit fein aufeinander abgestimmt werden.

Wasserkraftwerke spielen hierbei eine wichtige Rolle, da sie innerhalb von Sekunden die Leistung anpassen können. Auch Gaskraftwerke reagieren schnell. Atomkraftwerke hingegen sind träge – sie liefern zwar konstant große Mengen Strom, lassen sich jedoch nur langsam regeln.

Solar- und Windparks ermöglichen schnelle Regelungen durch Abschalten oder Drosseln – etwa durch das Aus-dem-Wind-Drehen von Rotorblättern. Diese Option besteht allerdings nur, wenn Sonne oder Wind überhaupt vorhanden sind. In sogenannten Dunkelflauten fällt diese Regelmöglichkeit vollständig weg.

Netzfrequenz

Das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch lässt sich an der Netzfrequenz ableiten. Diese liegt in Europa bei 50Hz und resultiert im Ursprung aus der Drehgeschwindigkeit der Generatoren. Diese drehen sich mit einer Geschwindigkeit von 3000 Umdrehungen pro Minute (entspricht 50 pro Sekunde). Möchte ein Generator Strom ins Netz einspeisen, muss er dieser Netzfrequenz ein wenig voraus eilen, damit eine Spannungsdifferenz an den Flanken der Sinuswellen entsteht und der Strom fließen kann. Damit „schiebt“ er die Netzfrequenz ein wenig an und beschleunigt Diese. Verbraucher machen das genaue Gegenteil und durch die Trägheit der Last wird die Frequenz gebremst. Photovoltaikanlagen haben keine drehenden Wellen. Hier wird die Sinuskurve elektronisch erzeugt. Das Prinzip bleibt jedoch das Selbe.

Fällt die Frequenz zu stark ab – etwa weil plötzlich viele Verbraucher zugeschaltet werden oder weil Erzeuger ausfallen –, droht das Netz instabil zu werden. In Europa liegt der Toleranzbereich der Netzfrequenz typischerweise zwischen 49,8 und 50,2 Hz. Unterschreitet oder überschreitet die Frequenz diese Grenzen deutlich, greifen Schutzmechanismen: Verbraucher werden automatisch vom Netz getrennt, um es zu stabilisieren, oder Kraftwerke schalten sich ab, um Schäden zu vermeiden. Im Extremfall kann dies zu großflächigen Stromausfällen führen.

Die Netzfrequenz muss auch im gesamten europäischen Netz synchron sein, damit eine Übertragung zwischen den einzelnen Netzebenen funktioniert. Durch minimale Abweichungen weiß man wo in welche Richtung geregelt werden muss um ein stabiles Gleichgewicht herzustellen.

Umso größer das Netz ist, desto stabiler läuft diese Regelung, da man mehr Optionen zur Verfügung hat und kleine Schwankungen sich auf eine weitaus größere Anzahl an Verbrauchern aufteilen. Sie fallen somit weniger ins Gewicht. Daher ist unser europäisches Verbundnetz auch eines der stabilsten auf der ganzen Welt, was jedoch nicht heißt das es nicht dennoch zu unvorhergesehenen Störungen kommen kann.

Die Regeltechnik

Damit das Ganze funktioniert, wird das Stromnetz kontinuierlich an sämtlichen Knotenpunkten überwacht. Auf kleinste Schwankungen wird blitzschnell reagiert – größtenteils vollautomatisch. Diese Regelung erfolgt in mehreren Stufen.

In erster Linie werden Reservekraftwerke hoch- oder heruntergefahren. Das können schnell regelbare Wasserkraftwerke sein, bei denen lediglich eine Schleuse geöffnet oder geschlossen werden muss. Auch Rotorblätter von Windrädern lassen sich – sofern ausreichend Wind vorhanden ist – schnell in den Wind drehen oder aus ihm herausnehmen. Weniger ökologisch, aber sehr effektiv, lassen sich Gasturbinen dynamisch regeln. Zunehmend sollen künftig auch Batteriespeicher als Pufferspeicher in das Netz integriert werden. ³

Reichen diese Maßnahmen nicht aus, kommt es zu Notabschaltungen: Kraftwerke oder große Verbraucher werden vom Netz getrennt. Es entsteht ein sogenannter Brownout, also ein lokal begrenzter Stromausfall. Sobald sich die Netzfrequenz wieder stabilisiert hat, werden die abgeschalteten Netzbereiche schrittweise wieder zugeschaltet.

Zurück zur Kettenreaktion in Spanien

Was wir vergangene Woche auf der iberischen Halbinsel erlebt haben, war eine Kettenreaktion – ausgelöst durch vollautomatische Regeltechnik. Aufgrund starker Frequenzschwankungen wurden große Netzabschnitte und auch Kraftwerke abgeschaltet, um Schäden an Umspannwerken zu verhindern. Dies führte im verbleibenden Netz zu noch heftigeren Schwankungen – und zu weiteren automatischen Abschaltungen.

Solche Blackouts treten tendenziell eher in Randbereichen großer Verbundnetze auf, da dort weniger Möglichkeiten zur Kompensation bestehen. An der Grenze zu Frankreich konnte das Netz daher stabilisiert werden. Zudem war der Stromhandel zwischen Spanien und Frankreich zum Zeitpunkt des Ausfalls vergleichsweise gering, was die Auswirkungen auf das restliche europäische Verbundnetz begrenzte. Anderenfalls hätte sich die Kettenreaktion weiter ausbreiten können.

Zur konkreten Ursache lässt sich bislang wenig sagen. Was die Frequenzschwankungen ausgelöst hat und warum es letztlich zur Notabschaltung kam, bleibt Spekulation. Eine Cyberattacke konnte relativ schnell ausgeschlossen werden. Auch atmosphärische Störungen wurden in Betracht gezogen – insbesondere, da zeitgleich auch in England ähnliche Frequenzabweichungen registriert wurden –, konnten aber nicht eindeutig nachgewiesen werden. Eine plausible Erklärung sind starke Einspeisungsschwankungen auf der Versorgerseite: In Spanien stammt ein erheblicher Anteil der Energie aus Photovoltaik. Der Anteil erneuerbarer Energien ist dort höher als in Deutschland, und aufgrund der Randlage im Verbundnetz fehlen ausreichende Kompensationsmöglichkeiten.

Was lernen wir daraus?

Sind wir noch einmal mit einem blauen Auge davongekommen? Hätte sich die Kettenreaktion auch bis zu uns ausbreiten können? Und droht uns in Zukunft ein ähnliches Szenario?

Durch den fortschreitenden Ausbau erneuerbarer Energien kommt es auch in Deutschland zunehmend zu einem Ungleichgewicht in der Stromversorgung. In den sogenannten Dunkelflauten im Winter sind wir seit Jahren stark auf Stromimporte aus unseren Nachbarländern angewiesen. Eine Woche ohne Wind und Sonne lässt sich auch mit den derzeit vielerorts entstehenden Großspeichern nicht überbrücken. Die wenigen Pumpspeicherkraftwerke, die in unseren südlichen Bergregionen existieren, reichen bei Weitem nicht aus. Was würde ein solches „Beben“ in der Netzfrequenz auslösen, wenn in diesem Moment ein Großteil des Stroms aus französischen Atomkraftwerken stammt?

Ein europaweiter Zusammenbruch des Stromnetzes gilt zwar als sehr unwahrscheinlich – ausgeschlossen ist er jedoch nicht. Und je größer der betroffene Bereich, desto schwieriger wird ein Neustart des Netzes. Paradoxerweise benötigen Kraftwerke zunächst selbst Strom sowie ein funktionierendes Netz, um anlaufen zu können. Ohne Netz kann weder die Starttechnik betrieben werden noch eine stabile Frequenz aufgebaut werden. Nur wenige kleine Energieerzeuger sind tatsächlich kaltstartfähig. Von dort aus müsste das Netz dann schrittweise aufgebaut und synchronisiert werden – ein Prozess, der unter Umständen Wochen dauern kann, bis alle wieder mit Strom versorgt sind. Ein solches Szenario beschreibt auch Marc Elsberg sehr eindrucksvoll in seinem Roman Blackout.

Wie realistisch ein solcher großflächiger europäischer Blackout tatsächlich ist, lässt sich nur schwer einschätzen. Auch das aktuelle Ereignis in Spanien zeigt jedoch: Das europäische Verbundnetz ist insgesamt sehr stabil. Trotz des Ausfalls eines ganzen Landes blieb das restliche Netz funktionstüchtig – und das war nicht der erste Störfall dieser Art. Bereits am 8. Januar 2001 kam es im südöstlichen Teil des europäischen Netzes zu einer Systemauftrennung. ⁴ Ein Teil des Netzes wurde isoliert und lief nicht mehr synchron mit dem übrigen Netz. Dennoch kam es zu keinem Stromausfall – lediglich die überlasteten Höchstspannungsleitungen wurden getrennt, beide Netzbereiche konnten stabilisiert und nach einigen Stunden wieder synchronisiert und verbunden werden.

Fazit: Gesichert, aber nicht unverwundbar

Unsere Stromversorgung gilt zurecht als sehr stabil. Deutschland hat eines der zuverlässigsten Stromnetze der Welt, und die eingesetzten Technologien zur Netzüberwachung und -steuerung sind hochentwickelt. Dennoch zeigen Ereignisse wie der Blackout in Spanien, dass auch moderne Netze ihre Schwachstellen haben – vor allem, wenn sie immer stärker durch volatile Einspeiser wie Wind- und Solaranlagen geprägt sind.

Die Energiewende bringt große Chancen, aber auch neue Herausforderungen für die Netzstabilität. Wichtig bleibt, dass der Netzausbau mit dem Ausbau erneuerbarer Energien Schritt hält – und dass Speichertechnologien sowie intelligente Regelungssysteme weiterentwickelt werden, um Erzeugung und Verbrauch zuverlässig in Einklang zu halten.