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<p>Schwindende Ressourcen, fortschreitende Erderwärmung, abnehmende Artenvielfalt: Um die Zukunft unseres Planeten steht es nicht zum Besten. Damit „Nachhaltigkeit“ kein Schlagwort bleibt, sondern Realität wird, arbeiten Max-Planck-Wissenschaftler in Bereichen wie Energietechnik oder Klimaforschung an innovativen Konzepten für eine lebenswerte Welt von morgen.</p>

Wissenschaft im grünen Bereich

Schwindende Ressourcen, fortschreitende Erderwärmung, abnehmende Artenvielfalt: Um die Zukunft unseres Planeten steht es nicht zum Besten. Damit „Nachhaltigkeit“ kein Schlagwort bleibt, sondern Realität wird, arbeiten Max-Planck-Wissenschaftler in Bereichen wie Energietechnik oder Klimaforschung an innovativen Konzepten für eine lebenswerte Welt von morgen.

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Komplexe Systeme

Netz mit Taktgefühl

31. Mai 2012

Neue Energie braucht auch neue Leitungen. So sollen künftig mehr kleine, dezentrale Wind- und Solaranlagen statt weniger großer Kraftwerke die Republik mit Strom versorgen. Wie das Hochspannungsnetz darauf reagiert und wie es sich dafür optimieren lässt, untersucht die Arbeitsgruppe Netzwerk-Dynamik unter Leitung von Marc Timme am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen.

Text: Tim Schröder

In Schleswig-Holstein produzieren Windräder schon fast die Hälfte des dort verbrauchten Stroms. Wenn der Anteil vor allem dezentraler, regenerativer Kraftwerke wächst, muss sich auch das Hochspannungsnetz daran anpassen. Bild vergrößern
In Schleswig-Holstein produzieren Windräder schon fast die Hälfte des dort verbrauchten Stroms. Wenn der Anteil vor allem dezentraler, regenerativer Kraftwerke wächst, muss sich auch das Hochspannungsnetz daran anpassen. [weniger]

Wie empfindlich ein großes Stromnetz sein kann, wurde vielen Menschen schlagartig bewusst, als am 4. November 2006 gegen zehn Uhr abends das Licht ausging. Der Stromausfall ließ nicht nur Glühbirnen und Fernseher erlöschen. Er legte auch den Bahnverkehr lahm, selbst im fernen Österreich. Und das, obwohl man nur eine einzige Stromtrasse in Norddeutschland abgeschaltet hatte, die 380-Kilovolt-Hochspannungsleitung Conneforde über der Ems.

Ein neuer Kreuzfahrtriese war auf dem Weg von der Werft in Papenburg in die Nordsee. Ein Schiff, so hoch, dass es der Freileitung gefährlich nahe kam. Vorsichtshalber schaltete man den Strom ab. Mit fatalen Folgen: Der Druck auf den Aus-Knopf stellte halb Europa auf den Kopf, weil sich die Netzbetreiber nicht ordentlich abstimmten, um den Ausfall zu kompensieren. Am Ende waren weite Regionen in Deutschland, Frankreich, Belgien, Italien, Österreich und Spanien für mehrere Stunden ohne Strom.

Stromnetze sind unerhört komplex und bis heute nicht vollkommen verstanden. Zwar gibt es viele Sicherheitseinrichtungen, die den Stromausfall in der Regel verhindern. Doch wie das Beispiel der Conneforde-Leitung zeigt, braucht es manchmal nur eine falsche Absprache zwischen den Netzbetreibern, und schon steht die Welt still. Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien wird das Stromnetz künftig noch komplexer. Neue Wind- und Solarparks entstehen und müssen mit eigenen Leitungen an das europäische Verbundnetz angekoppelt werden. Allein für die Nordsee sind Hunderte von Windenergieanlagen geplant. 20 Gigawatt Strom sollen sie liefern. So viel wie zwölf Atomkraftwerke. Kritiker befürchten, dass der massive Ausbau das Stromnetz schwächen könnte.

Um diese Bedenken zu verstehen, hilft ein Blick auf die physikalischen Grundlagen unserer Stromversorgung: Das europäische Verbundnetz arbeitet mit Wechselstrom; dieser Strom schwingt im Gleichtakt, im Rhythmus der Kraftwerksgeneratoren. Wie in einem Fahrraddynamo drehen sich in den haushohen Maschinen Elektromagnete in einer Kupferspule. 100-mal pro Sekunde ändert der Strom sein Vorzeichen: 50-mal positiv und 50-mal negativ – das macht eine Frequenz von 50 Hertz. Alle Kraftwerksgeneratoren und großen Elektromotoren in Mittel- und Westeuropa rotieren fein abgestimmt mit dieser Frequenz, sodass sie synchron laufen.

Viele kleine Kraftwerke ersetzen wenige Große

Bevor Kraftwerke ans Netz gehen, stimmen die Betreiber die Generatorfrequenz sorgfältig auf die Netzfrequenz, also 50 Hertz, ab. Fällt ein Kraftwerk aus, müssen andere Kraftwerke seinen Job erledigen und werden hochgefahren. Da das jedoch eine Weile braucht, werden ihre Generatoren zunächst abgebremst, um die Leistung aufrechtzuerhalten. Die Spannungsfrequenz sinkt daher leicht. Fällt eine Leitung aus, müssen andere Leitungen ihre Stromlast übernehmen – dürfen darunter aber nicht selbst zusammenbrechen, damit es nicht zum Blackout kommt. Zudem kann bei einer unterbrochenen Leitung die Frequenz in verschiedenen Bereichen des Netzes auseinanderdriften. Variiert sie zu stark, kommt das Netz aus dem Takt. Es kommt zu unkontrollierten Schwankungen und Kurzschlüssen. Um das zu verhindern, schaltet das System auf Not-Aus, wenn es auseinanderdriftende Frequenzen registriert: Stromausfall.

Auslaufen im zweiten Anlauf: Am 7. November 2006 wurde die „Norwegian Pearl“ von der Papenburger Werft über die Ems in die Nordsee geschleppt, nachdem ein erster Versuch wenige Tage zuvor abgebrochen worden war: Er hatte in weiten Teilen Europas zu einem Stromausfall geführt, weil eine Hochspannungsleitung über dem Fluss vorsichtshalber abgeschaltet worden war. Bild vergrößern
Auslaufen im zweiten Anlauf: Am 7. November 2006 wurde die „Norwegian Pearl“ von der Papenburger Werft über die Ems in die Nordsee geschleppt, nachdem ein erster Versuch wenige Tage zuvor abgebrochen worden war: Er hatte in weiten Teilen Europas zu einem Stromausfall geführt, weil eine Hochspannungsleitung über dem Fluss vorsichtshalber abgeschaltet worden war. [weniger]

Die Stromversorgung zu kontrollieren ist also ein diffiziler Prozess, der sich im existierenden Hochspannungsnetz Deutschlands aber gut eingespielt hat – von Ausnahmen wie dem Fall der Conneforde-Leitung einmal abgesehen. Doch wird das im Stromnetz der Zukunft genauso gut funktionieren?

Dieses Stromnetz ist heute auf große, zentrale Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerke ausgerichtet, die vor allem die umliegenden Regionen mit Strom versorgen. Knüpft man mehr und mehr Sonnen- und Windenergieanlagen in dieses Netz, könnte es instabiler werden, fürchten Kritiker. Ihre Skepsis ist nicht unbegründet. Schließlich schwankt das Stromangebot der Windräder und Fotovoltaikanlagen mit dem Wetter. Was die Skeptiker bisher jedoch kaum im Blick hatten: Auch die Architektur des Netzes wird sich völlig ändern. Weg von großen Kraftwerken, die vor allem ihre direkte Umgebung versorgen, hin zu vielen kleinen, dezentralen Stromproduzenten.

Die Frequenz ihres Stromangebots zu synchronisieren könnte schwieriger sein, als wenige große Akteure in einen gemeinsamen Takt im Netz zu bringen – so wie auch ein Cellist und ein Pianist leichter einen gemeinsamen Rhythmus finden als ein großes Orchester. Zwar werden im Stromnetz weiterhin große Kraftwerke entstehen, dabei wird es sich aber teilweise um leistungsstarke Windparks in Norddeutschland handeln, deren Strom auch im Süden der Republik verbraucht werden soll.

 
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