Blackout gefällig?

Im Zusammenspiel der Kraftwerke, Stromnetze und Verbraucher sind regionale oder auch weiträumige Stromausfälle nicht auszuschließen. In Deutschland waren Blackouts in der Vergangenheit relativ selten; jeden Bürger trafen sie etwa eine Viertelstunde pro Jahr. Das wird in der Zukunft nicht so bleiben. Wegen der Einspeisung der volatilen Sonnen- und Windenergie werden die Stromnetze zwangsläufig immer instabiler, und Zusammenbrüche des Stromnetzes werden nicht ausbleiben. Schon jetzt sind fast tausend mal so viele korrigierende Eingriffe der Leitstellen pro Jahr erforderlich, als es vor der Ausrufung der Energiewende  im Jahr 2011 der Fall war. Das ist vergleichbar mit dem Autoverkehr: wer den Sicherheitsabstand beim Autofahren permanent nicht einhält, für den erhöht sich unweigerlich das Risiko eines Auffahrunfalls.

Münsterland als Vorbote

Der letzte größere Blackout in Deutschland geschah am 28. November 2005 im Münsterland. Ein heftiger Schneefall brach über diese Gegend herein, der nasse Schnee klebte an den Stromleitungen und Masten, bis diese schließlich unter diesem Gewicht zusammenkrachten. In der Folge knickten weitere Masten unter der Schneelast, sodass ein großer Landstrich mit 250.000 Bewohnern ohne Strom war. Der Verkehr kam sofort zum Erliegen, aber auch die vielen Kühe dieser ländlichen Gegend konnten nicht zur gewohnten Zeit gemolken werden, was einen besonderen Stress für diese Tiere bedeutete. Das Technische Hilfswerk musste mit Notstromaggregaten ausrücken, um die Melkmaschinen in Gang zu setzen.

Wegen der umfangreichen Störungen im Verteilnetz, dauerte es über eine Woche, bis die Gegend wieder vollständig mit Strom versorgt werden konnte. Für Deutschland war ein so langer Stromausfall über lange Zeit eine Ausnahme. Der Schaden hielt sich jedoch in Grenzen, weil viel nachbarschaftliche Hilfe gewährt wurde und die umliegenden größeren Städte von diesem Blackout verschont blieben.

Planspiele der Bundesregierung

Der Münsteraner Blackout war für die Bundesregierung der Anlass, ein Expertengremium darüber beraten zu lassen, was so alles bei einem wirklich großräumigen Stromausfall passieren könnte.
Im Folgenden werden die Erkenntnisse dieser Fachleute stichpunktartig zusammengefasst:

- Die Festnetztelefone fallen sofort aus, die Mobiltelefone einige Tage später.
- Fernseher und Radio fallen sofort aus, sofern nicht batteriebetrieben.
- Alle Internetverbindungen sind gestört, weil die Router ausfallen.
- Der Schienenverkehr bricht sofort zusammen; Passagiere müssen aus Tunnels geborgen werden.
- Die Schranken der Tiefgaragen blockieren.
- Die Tankstellen fallen aus, da Pumpen nicht betriebsbereit.
- Alle Fahrstühle und Rolltreppen kommen abrupt zum Stillstand.
- Die gesamte Beleuchtung einschließlich der nächtlichen Straßenlaternen fällt aus.
- Alle Heizungen und Klimaanlagen fallen aus.
- Alle Industrie- und Handwerksbetriebe müssen die Arbeit einstellen.
- Das Trinkwasser fällt aus, weil die Pumpen ohne Strom sind.
- Die Abwasseranlage- und Toiletten funktionieren nicht mehr.
- Milchvieh, Schweine und Geflügel sind schon nach wenigen Stunden extrem gefährdet.
- Die Geschäfte müssen schließen, da Ladenkassen nicht funktionieren.
- Die Lebensmittelversorgung bricht mangels Nachschub zusammen.
- Die Bankfilialen bleiben geschlossen, da die Geldautomaten nicht funktionieren.
- In den Krankenhäusern kommen die OP- und Dialysestationen in große Schwierigkeiten.
- Die Polizei kann mangels Mobilität ihre Aufgaben nicht mehr erledigen.
- Die Kriminalität nimmt rasch zu.
- etc. etc. etc.

Die oben genannten Experten haben auch die volkswirtschaftlichen Kosten eines Blackouts berechnet. Sie kommen auf 10 Euro pro nicht gelieferter Kilowattstunde. Dazu ein Rechenbeispiel:
Nehmen wir an, im Spätherbst passiere in Deutschland flächendeckender Stromausfall. Zu dieser Jahreszeit würden etwa 70 Gigawatt, entsprechend 70 Millionen Kilowatt Leistung ausfallen. Dann gilt für 1Stunde Stromausfall folgende Rechnung: 70 Millionen kWh mal 10 Euro = 700 Millionen Euro. Für 10 Stunden wären wir bereits bei 7 Milliarden Euro angelangt; in einer knappen Woche bei 70 Milliarden Euro. Wahnsinnige volkswirtschaftliche Kosten!

Ursachen und deren Behebung

Sieht man von menschlichem Versagen ab, so können Blackouts vor allem als Folge eines Spannungskollapses passieren oder aus Netzüberlastung. Ersteres ist denkbar, wenn große Energiemengen über weite Entfernungen transportiert werden müssen. Dabei kann die Spannung auf unzulässig niedrige Werte fallen, sofern nicht ausreichend Blindleistung vorhanden ist. Das Absinken der Spannung lässt bei unverminderten Leistungsbedarf den Strom weiter ansteigen, was zu einer Spirale nach unten führt, falls nicht umgehend Verbraucher abgeschaltet werden. Die Überlastung kann eintreten, wenn beispielsweise im Norden Deutschlands viel Windstrom eingespeist wird, bei insgesamt niedrigem Verbrauch.

Nach einem Blackout - sofern keine Leitungsschäden vorhanden sind - gibt es meist noch Netzteile die unter Spannung stehen. An sie wird, Stück für Stück, das restliche Netz vorsichtig zugeschaltet. Sollte kein Netzabschnitt mehr unter Spannung stehen, so müssen Kraftwerke für eine schnelle Stromproduktion in Anspruch genommen werden. Häufig benutzt man "schwarzstartfähige" Kraftwerke, das sind Gasturbinen oder Wasserkraftwerke, die besondere Ausrüstungen dafür besitzen.

Bei der Restrukturierung eines Stromnetzes sind die regenerativen Erzeugungseinheiten, also Wind- und Sonnenstrom meist nicht hilfreich. Wegen ihrer volatilen Einspeisung liefern sie keinen kalkulierbaren Beitrag zum Netzaufbau. Das unkontrollierte Zuschalten von Erzeugungsleistung kann die Frequenz in einer instabilen Netzinsel erheblich beeinflussen. Wenn die dadurch verursachte Erhöhung der Frequenz die zulässigen Grenzen überschreitet, so resultieren daraus wieder unkontrollierbare Abschaltungen.

Und so weiter, und so fort.

Hie Freileitung, hie Kabel

Bei den Informationsveranstaltungen der Übertragungsnetzbetreiber (also Tennet, Amprion, 50hertz und EnBW) fühlt man sich oft zurück versetzt in die Stauferzeit um 1140 n. Chr. Mit dem Schlachtruf "hie Welf, hie Waibling" kämpften damals die Anhänger der fränkischen Welfen gegen die staufischen Waiblinger von König Konrad III. um die Vorherrschaft im deutschen Reich. In ähnlicher Weise stehen sich heute - im Zeichen der Energiewende - die Anhänger der elektrischen Freileitungen und der unterirdischen elektrischen Kabel gegenüber.

Die unübersehbaren Freileitungen

Was stört das zumeist ländliche Publikum dieser Veranstaltungen an den Freileitungen? Möglicherweise sind es die unübersehbaren Stahlgittermaste, an denen die Leiterseile aufgehängt sind - obschon sie sich an dem ähnlich strukturierten Eiffelturm ergötzen, der sich drei Mal so hoch in den Pariser Himmel schwingt. Die Stromkonzerne haben (insgeheim) einiges Geld investiert, um diese Masten ansehnlicher zu machen. Im Internet (unter Google "Strommasten Design") kann man  sechs, zum Teil skurril-ästhetische, neuere Mastformen bewundern, die aber allesamt zwei bis drei Mal so teuer sind wie der gute alte Eisenmast.

Manche Menschen fürchten sich vor der magnetischen Strahlung, die von den Freileitungen ausgeht. In der Tat entstehen beim Wechselstrom Magnetfelder. In Deutschland sind 100 Mikrotesla zulässig und zwar einen Meter über dem Boden direkt unter der Spannfeldmitte. In ca. hundert Meter Abstand ist dieses Feld auf 1 Mikrotesla oder weniger abgesunken und - nach Aussagen der darauf spezialisierten Mediziner - völlig unschädlich. (Auch beim Betrieb der überaus beliebten Mobiltelefone entstehen hochfrequente Magnetfelder, bei denen man auch keine schädlichen Wirkungen auf den Organismus nachweisen konnte).

Das Erdmagnetfeld, welches ein Gleichfeld ist, hat offensichtlich keine Auswirkungen auf den menschlichen Körper, denn sonst würde es uns gar nicht geben. Womit wir bei den vieldiskutierten Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) wären. Diese Leitungen sollen vor allem die elektrische Windenergie vom Norden Deutschlands zu den südlichen Verbrauchszentren in Bayern und Baden-Württemberg bringen. Die Gleichstromübertragung ist verlustärmer, wodurch die Leitungen "schlanker" ausfallen und deshalb auch billiger sind. Sie besitzen allerdings auch unübersehbare Nachteile. So ist jeweils am Anfang und am Ende der mehrere hundert Kilometer langen Strecken eine große und teure Konverterstation erforderlich, die den ursprünglichen Wechselstrom in Gleichstrom wandelt und umgekehrt. Darüber hinaus kann man mit der HGÜ-Technologie keine Netze aufbauen. Anzapfungen der Transportleitungen sind unterwegs nicht möglich, denn der Gleichstrom lässt sich nicht transformieren. Die HGÜ-Technologie ist also (auf weit entfernte) Punkt-zu-Punkt-Übertragungen begrenzt.

Die unsichtbaren Kabel

Über die 20 Meter breiten (deutlich sichtbaren) Kabeltrassen, die oberirdisch nicht bebaut werden dürfen, wurde bereits im letzten Post berichtet. Die Kosten bei ihrer Verlegung sind ein Mehrfaches höher als bei den Freileitungen. Auch die Kabel strahlen Magnetfelder ab, die sogar noch etwas höher sind als bei den Freileitungen. Per Gesetz sind die Netzbetreiber gebunden, die wirtschaftlichste Form des Stromnetzes zu wählen - und das ist in der Regel die Freileitung. Tun sie das nicht, so droht ihnen die Nichtanerkennung der Mehrkosten durch die Regulierungsbehörde. Gleichzeitig gibt das Ausbaugesetz für die Energieleitung aber auch die Möglichkeit, den Betrieb von Höchstspannungskabeln im "Pilotverfahren" zu testen.

Weitaus höheren Aufwand verursachen die Kabel auch bei der Reparatur. Nach Erkenntnissen des Netzexperten Heinrich Gartmair sind mit Reparaturdauern von 1 bis 2 Wochen zu rechnen; bei einer Freileitung sind dies nur 1 bis 2 Tage. Das beginnt schon mit der Ortung des Leitungsschadens. Bei einer Freileitung sieht man die Fehlstelle meist schon mit dem bloßen Auge, wenn es sich um den Abriss eines Stromseiles handelt oder einen kaputten Strommast.  In diesem Fall braucht man nur eine Hebebühne, einen Autokran und eine Seilwinde und der Schaden ist meist noch am gleichen Tag behoben.

Im Falle einer Kabelleitung muss erst ein Bagger besorgt und ein Loch gegraben werden, dessen Größe davon abhängt, wie genau man den Fehler mittels Ortung von außen lokalisieren kann. Während der Reparaturphase wird eine Trasse von 40 Metern benötigt, um den Aushub zu lagern und um die Baustelle mit schweren Baufahrzeugen befahren zu können. In der Regel muss ein Stück Kabel ersetzt werden und mit zwei Muffen an die unbeschädigten Teile angebunden werden. Das klingt einfacher als es ist. Denn alle 700 bis 1000 Meter müssen die Kabel "gemufft" werden. Typischerweise hat ein Kabel einen Durchmesser von 24 Zentimetern und ein Gewicht von 40 Kilogramm pro Meter. Der Reparaturvorgang stellt extreme Anforderungen an die Reinheit; auch mikroskopische Verschmutzungen müssen vermieden werden.

Die lange Reparaturdauer birgt ein weiteres Problem. Wird das (üblicherweise verlegte) Reservekabel ebenfalls defekt, dann kann es zu in der Region zu einem mehrwöchigen Stromausfall kommen. Bei einer Freileitung gibt es keine derartigen Reinraumvorschriften und der unsichere Zustand beträgt, wie gesagt, nur 1 bis 2 Tage.

Ästhetik und Technik liegen bei der Verlegung von Stromleitungen also in einem kaum auflösbaren Clinch.

Zur Hierarchie des deutschen Stromnetzes

Die Energiewende führt zwangsweise zu einer Reihe von technischen und wirtschaftlichen Problemen, die nicht kurzfristig, sondern allenfalls im Zeitbereich von Jahrzehnten zu lösen sind. Vorrangig ist dabei das Manko der Stromtrassen, deren bisherige Struktur die Einspeisung von Sonnen- und Windstrom in grossen Mengen nicht ohne weiteres zulässt. Die Problematik der fehlenden leistungsstarken Nord-Süd-Trassen zur Anbindung der onshore- und offshore-Windparks an die Verbraucher in Süddeutschland ist allseits bekannt. Viel weniger bekannt ist, dass auch bei den hierarchisch weit darunter liegenden Verteilnetzen ein hoher Investitionsbedarf besteht, der in der Öffentlichkeit jedoch nur selten artikuliert wird.

Die Hierarchie der Stromleitungen

Unser Stromnetz ist in vier Ebenen gegliedert. An der Spitze befindet sich das Höchstspannungs- oder Übertragungsnetz, das mit 380 Kilovolt (kV), bzw. bei älteren Verbindungen mit 220 kV, betrieben wird. Es besteht aus Freileitungen mit Masten bis zu 90 Metern Höhe, welche die grossen Stromerzeuger, also die Atom-, Kohle- und Wasserkraftwerke anbinden. Dabei besitzt es eine Länge von ca. 36.000 km; derzeit fehlen etwa 4.500 km zur Einspeisung der grossen Windparks.

Unter dem Übertragungsnetz sind die Verteilnetze angesiedelt und zwar gestaffelt nach Hochspannung, Mittelspannung und Niederspannung. Das Hochspannungsnetz, mit ca. 75.000 km Länge, bedient über Freileitungen die Grosskunden (wie BASF) und die Umspannwerke. Das darunter liegende Mittelspannungsnetz mit ca. 500.000 km Länge - zumeist als Erdkabel - ist unter anderem für regionale Industriebetriebe und Krankenhäuser gedacht, die eine Spannung von 10 bis 20 kV nutzen. Das Niederspannungsnetz mit gut 1 Million km an Erdkabellänge bringt den Strom mit einer Spannung von 230/400 V zu den privaten Endverbrauchern.

Grundsätzlich fliesst der Strom "von oben nach unten", d. h. vom Höchstspannungsnetz zum Niederspannungsnetz. Man kann das deutsche Stromnetz vergleichen mit dem Strassennetz: das Höchstspannungsnetz entspricht den Autobahnen, das Hochspannungsnetz den Fernstrassen, das Mittelspannungsnetz den Durchgangsstrassen und das Niederspannungsnetz den vielen kleinen Strassen in den Wohngebieten.

Die Energiewende bringt neue Anforderungen

Derzeit sind in Deutschland ca. 25.000 Windkraftanlagen installiert mit einer maximalen Gesamtleistung von 25.000 Megawatt (spitze). Grosse Windparks benötigen also, wenn der Wind kräftig weht, ebenso hohe Anschlussleistungen wie grosse konventionelle Kraftwerke und werden deshalb an das Hochspannungsnetz oder gar an das Übertragungsnetz angebunden.

Im Gegensatz dazu sind die Paneele der Photovoltaikanlagen zumeist auf dem Land zu finden und daher weit verstreut in das Niederspannungsnetz eingebunden. Bei entsprechendem Sonnenschein werden hier zu Spitzenzeiten um die 30.000 Megawatt erzeugt. Dabei kann es zu einem besonderen Problem kommen: der Umkehr des Lastflusses. Wenn der Strom im Niederspannungsnetz (wegen Überfülle) nicht abgenommen werden kann, dann fliesst er von dort ins Mittelspannungsnetz oder gar Hochspannungsnetz und Übertragungsnetz. Das Niederspannungsnetz hat sich damit - unfreiwillig - zu einem Sammel- und Ausgleichsnetz entwickelt und im Gegensatz zu früher fliesst der Strom jetzt sowohl von oben nach unten als auch von unten nach oben. Die Netzführung muss sich auf diese zum Teil abrupten Wechsel einstellen. Das ist nicht einfach, wenn die Stromproduktion eines grossen Solarfeldes wegen vorbeiziehender Wolken immer wieder zwischen 100 Prozent und nahezu Null schwankt.

Hoher Investitionsbedarf, grosse Bauprobleme

Ein Netzausbau ist also auch bei den hierarchisch niedrigeren Netzen unabdingbar. Die Kosten für den Ausbau des gesamten Netzes werden von den zuständigen Stellen auf 28 Milliarden Euro abgeschätzt. Von diesen entfallen auf das Höchst- und Hochspannungsnetz 16, auf das Mittelspannungsnetz 8 und auf das Niederspannungsnetz 4 Milliarden Euro. Der Netzausbau kommt allerdings nur stockend voran. Von den 1.855 km Trassen, die laut Bundesregierung "sofort" gebaut werden müssten, wurde im Jahr 2012 kein einziger Kilometer realisiert, im nachfolgenden Jahr nur knapp hundert Kilometer.

Besonders schlecht bestellt ist es mit der Akzeptanz der Freileitungsmasten für die Überlandnetze. Immer wieder wird von der Öffentlichkeit die Forderung vorgebracht, diese - unsichtbar - als sogenannte Erdkabel im Boden zu verstauen. Aber das klingt einfacher, als es ist. Um ein Erdkabel zu verlegen, müssen die Netzbetreiber zunächst eine Arbeitstrasse von bis zu 40 Metern einrichten um Platz zu machen für die Bau- und Transportfahrzeuge. Die Kabelschächte sind dann zwar nur noch wenige Meter breit, aber nach Abschluss der Bauarbeiten dürfen über, und mehrere Meter neben den Schächten, nur schwachwurzelnde Pflanzen wachsen. Landwirte können diese Fläche also nur eingeschränkt bewirtschaften.
Zuweilen wird auch der Grundwasserspiegel durch die zwei Meter tiefen Schächte beeinträchtigt, ebenso wie durch die Wärme, welche die Kabel erzeugen. Darüber hinaus müssen die Netzbetreiber im Abstand von mehreren hundert Metern garagengrosse Gebäude errichten, die den Zugang zu den Verbindungsmuffen der Kabelabschnitte ermöglichen. Dazu kommen schliesslich noch die hohen Kosten: Erdkabel zu verlegen dauert etwa doppelt solang wie der Bau von Freileitungen. Die Gesamtkosten bei Erdkabeln übertreffen die der Freileitungen um den Faktor 3 bis 8.
Also: es gibt noch viel zu tun, packen wir´s an!