Das Blackout-Märchen

Müssen wir in Deutschland flächendeckende Stromausfälle auf Grund von Versorgungsengpässen fürchten? Nein, sagt der Jülicher Netzexperte Professor Dirk Witthaut. Außerdem erläutert er, warum gesetzliche Regelungen in manchen Fällen ein viel größeres Problem für die Stabilität von Stromnetzen sind als die erneuerbaren Energien.

18. Januar 2023

Herr Prof. Witthaut, in den letzten Monaten war immer wieder von drohenden Blackouts in Deutschland die Rede – also von flächendeckenden Stromausfällen. Bisher kam es nicht dazu. Bestand oder besteht in der Zukunft eine realistische Gefahr für solche Szenarien?

Das Risiko eines Blackouts war, ist und bleibt sehr gering. Manche Medien und Politiker haben allerdings ein anderes Bild gezeichnet. Das resultiert meines Erachtens daraus, dass Begriffe falsch verwendet wurden – vielleicht aus Unkenntnis, vielleicht aus politischem Kalkül.

Welche Begriffe meinen Sie?

Blackout und kontrollierte Abschaltung. Unter einem Blackout verstehen Fachleute einen ungeplanten, unkontrollierten, großflächigen Stromausfall. Solch einen großflächigen Ausfall gab es in Europa zuletzt im November 2006. Kontrollierte, lokal beschränkte Stromabschaltungen durch die Netzbetreiber sind hingegen eine Notfallmaßnahme bei Strommangel. Die Wahrscheinlichkeit solcher Maßnahmen ist in der Tat viel größer als in den vergangenen Jahren.

Weshalb?

Es bestand die Gefahr einer massiven Gasknappheit wegen des Ukraine-Kriegs und dem Stopp russischer Gaslieferungen. Gaskraftwerke tragen jedoch einen nicht unerheblichen Anteil zum deutschen Strommix bei. Zudem beziehen wir in bestimmten Situationen Strom aus Nachbarländern, darunter auch Atomstrom aus Frankreich. Etliche Kernkraftwerke in Frankreich stehen aber still, weil sie überprüft oder repariert werden müssen. Über die letzten Jahre hat dieser Stillstand schleichend zugenommen. Diese Versorgung ist also nicht unbedingt zuverlässig, es könnte zu Engpässen kommen und damit zur Notwendigkeit, Verbraucher kontrolliert abzuschalten.

Was passiert bei so einer kontrollierten Abschaltung?

Zunächst wird manchen Industriezweigen der Strom abgeschaltet – kontrolliert und gepaart mit finanziellen Entschädigungszahlungen. Krankenhäuser oder andere kritische Infrastrukturen werden selbstverständlich nicht vom Netz genommen. Die Versorgung mit Nahrungsmitteln oder Medikamenten wäre nicht gefährdet.

Wie groß muss der Mangel sein, damit Strom abgeschaltet wird?

Das lässt sich nicht genau sagen. Bei einem Mangel schießen erst mal die Strompreise nach oben. Schon dies führt dazu, dass industrielle Verbraucher sparen oder gar den Betrieb einstellen. Erst wenn diese Selbstregulation nicht reicht, wird gezielt Strom durch die Netzbetreiber abgeschaltet. Das ist übrigens nichts Außergewöhnliches. Insbesondere in Frankreich wird das routinemäßig in der Industrie angewendet, weil es dort in der Vergangenheit immer mal wieder zu Strommangellagen kam. Die Privathaushalte trifft es aber in der Regel nicht.

Bei einem Blackout sähe das anders aus?

Ja, der kann alle und jeden treffen, also auch die medizinische Versorgung oder die mit Nahrungsmitteln. Für solche Fälle gibt es zwar Notstromaggregate, doch diese sichern nur wenige Tage die flächendeckende Stromversorgung der kritischen Infrastruktur. Ein Blackout von zwei Wochen hätte wahrscheinlich verheerende Konsequenzen. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit dafür vernachlässigbar gering, weil das europäische Stromnetz ziemlich robust ist und es auch für Notfälle etliche Maßnahmen gäbe, mit denen ein solches Szenario abgewendet werden kann.

Wenn also zuhause mal der Strom ausfällt, hat das nichts mit einem Blackout zu tun?

Stromausfälle passieren jede Woche hundertfach. Diese betreffen aber nur einen kleinen Teil des Verteilnetzes, oft nur eine Straße. Die Techniker fahren raus und beheben das Problem typischerweise schnell. Die Ursachen sind vielfältig: Ein Bagger durchtrennt etwa versehentlich eine Leitung oder ein Transformator an der Straße ist defekt.

Was müsste für einen Blackout passieren?

Ein Blick in die Geschichte der größeren Stromausfälle zeigt, dass die Gründe dafür nie ein absehbarer Mangel an Strom waren. 2003 gab es etwa einen Kurzschluss bei einer Hochspannungsleitung über den Alpen, was zu einem länger andauernden Stromausfall in einem relativ großen Gebiet führte. 2006 wurde eine Leitung über die Ems außer Betrieb genommen und dann in einem Umspannwerk eine fehlerhafte Schaltaktion ausgeführt. Beides Mal kam es danach zu einem Dominoeffekt: Eine Leitung fällt aus, der Strom fließt einen anderen Weg, eine zweite Leitung wird dadurch überlastet und notabgeschaltet. Der Strom fließt wieder einen anderen Weg und die nächste Leitung wird notabgeschaltet. Und so geht es immer weiter. Solche Dominoeffekte gab es übrigens auch 2021 zweimal, aber da ist nichts weiter passiert, weil die Netzbetreiber das Problem kompensieren konnten.

Die Ursachen von Blackouts lagen also bisher ausschließlich im Netz und nicht am fehlenden Strom?

Richtig. In allen Fällen war auf der Erzeugerseite alles im grünen Bereich – das Übertragungsnetz hingegen war überlastet oder beschädigt. 2005 hat etwa ein Schneechaos im Münsterland gleich mehrere Leitungen niedergerissen, was in flächendeckenden Stromausfällen endete. Manchmal reicht aber auch schon ein eigentlich kleiner Schaden aus. So war im Januar 2019 zum Beispiel ein Messgerät auf einer deutsch-österreichischen Koppelleitung defekt. Im Endeffekt mussten 1,5 Gigawatt notfallmäßig vom Netz genommen werden.

"Damit das Netz stabil bleibt, müssen Erzeugung und Verbrauch von Strom immer im Gleichgewicht sein. Man kann sich das wie eine Waage vorstellen, auf der einen Seite erzeugte Strommenge auf der anderen der Bedarf."

Kann ein Mangel an Strom also gar nicht zum Blackout führen?

Prinzipiell schon, aber in der Vergangenheit lagen die Gründe eben nicht bei den Erzeugern, sondern im Übertragungsnetz. Damit das Netz stabil bleibt, müssen Erzeugung und Verbrauch von Strom immer im Gleichgewicht sein. Man kann sich das wie eine Waage vorstellen, auf der einen Seite erzeugte Strommenge auf der anderen der Bedarf. Aber ein Ungleichgewicht kommt nicht aus heiterem Himmel und die Netzbetreiber haben – wie erwähnt – Vorhersagen und dann vielfältige Möglichkeiten einzugreifen. Ein plötzlicher Ausfall eines Kraftwerks wäre deutlich problematischer, aber auch dafür werden Vorkehrungen getroffen.

Sie erforschen die Stabilität von Stromnetzen. Welche Faktoren beeinflussen denn diese Stabilität?

Da spielen eine Reihe verschiedener Aspekte eine Rolle. Zum Beispiel muss die erzeugte Strommenge die Nachfrage decken. Die Erzeugung wird daher auf Grundlage von Vorhersagen an den Strommärkten koordiniert und die Mengen entsprechend zur Verfügung gestellt. Im Betrieb selbst gibt es dann mehrere Regelkreise, die die Erzeugung permanent anpassen. Außerdem darf der Strom auf jeder Leitung einen bestimmten Sicherheitswert nicht überschreiten, sonst kommt es zu Schäden an Leitungen oder zu Kurzschlüssen. Um das zu vermeiden, werden Leitungen manchmal notabgeschaltet. Zusätzlich muss die Spannung stabil gehalten werden. Wenn die Erzeugung primär in Norddeutschland ist, aber große Verbraucher in Bayern sitzen, dann fällt die Spannung im Süden gegenüber dem Sollwert ab – auch ein Spannungsabfall kann prinzipiell zu einem Blackout führen. In der Regel sind solche potenziellen Gefahrensituationen durch Simulationen schon einige Tage vorher bekannt. Stromanbieter reagieren dann und fahren zum Beispiel Windturbinen im Norden herunter und Kraftwerke im Süden herauf.

Grafik mit der Menge an Terawattstunden, die in Deutschland 2021 und 2022 erzeugt und verbraucht wurden.

Erneuerbare Energien wie die Windkraft werden zunehmend in Deutschland verwendet. Welche Herausforderungen ergeben sich daraus für die Stromnetze?

Erzeugung und Verbrauch fallen dadurch räumlich auseinander. Windstrom bekommt man nun mal an der Nordseeküste viel günstiger und verlässlicher als in Bayern. Um die Energie von Nord nach Süd zu bringen, benötigen wir allerdings ein deutlich stärkeres Netz. Wind- und Solarenergie sind außerdem nicht steuerbar wie etwa Kohlekraftwerke. Stattdessen werden sie ausschließlich vom Wetter bestimmt. Wir brauchen daher eine viel größere Flexibilität mit Speichern, Backup-Generatoren und flexiblen Verbrauchern. Erneuerbare und fossile Kraftwerke unterscheiden sich zusätzlich ganz massiv in ihrer Netzanbindung. Kraftwerke erzeugen Strom in sogenannten Synchronmaschinen. Windturbinen und Photovoltaikanlagen hingegen in leistungselektronischen Invertern. Diese beiden Bauteile verhalten sich unterschiedlich, wenn sie Strom ins Netz einspeisen. Synchronmaschinen haben etwa einige vorteilhafte stabilisierende Eigenschaften, dafür sind Inverter unglaublich flexibel. Unser Hauptproblem ist es, dass wir keine Erfahrungswerte haben, wie sich ein Netz aus Invertern am besten bauen und betreiben lässt. Wir können es ja nicht einfach in einem Feldexperiment ausprobieren. Hier ist noch viel Forschungsarbeit notwendig.

Was muss unternommen werden, um die bestehenden Systeme bereits jetzt zu verbessern?

Das Wichtigste ist, den Netzausbau nicht weiter zu vertrödeln. Wir brauchen dringend mehr Übertragungskapazitäten, um vor allem den Windstrom aus dem Norden zu den industriellen Verbrauchern im Süden zu bringen. Das bedeutet vor allem mehr Stromleitungen, aber auch mehr Speicher- und Back-up-Lösungen, wenn etwa Leitungen ausfallen. Derzeitige flexible Backup-Systeme sind besonders Gaskraftwerke, die aber durch die Gaskrise besonders betroffen sind. Der stockende Netzausbau ist meines Erachtens eines der größten Hindernisse für die Energiewende. Es gibt aber noch weitere technische Dinge, die sich verbessern ließen, darunter optimierte Simulationen und Überwachungsmechanismen.

Wie hilft Ihre Forschung dabei?

Wir untersuchen insbesondere Leitungsausfälle und ihre möglichen Folgen: Wann können diese zu gefährlichen Fehlerkaskaden führen? Wo ist das Netz besonders verwundbar? Außerdem erforschen wir die Regelsysteme, die dafür sorgen, dass Erzeugung und Verbrauch im Gleichgewicht bleiben. Dazu führen wir mathematische und statistische Analysen von Daten aus Stromnetzen durch und schauen, was wir daraus über die Systeme und ihre Stabilität lernen können. Tatsächlich spiegeln sich etwa in den Stromfrequenzdaten viele Eigenschaften der Netze wider. Und sie zeigen auch, dass das Stromnetz nicht nur technisch betrachtet werden darf.

Logo des Forschungsmagazins des Forschungszentrums Jülich

Warum?

Auch Gesetze, Regulationen und Märkte beeinflussen die Stabilität und Zuverlässigkeit des Netzes. Die Frequenzstabilität wird zum Beispiel stark vom Handel auf dem europäischen Strommarkt bestimmt. Die Energie wird nämlich in Zeitblöcken gehandelt – typischerweise in 1-Stunden und 15 Minuten-Blöcken. Heißt: In diesem Zeitraum muss der Versorger eine bestimmte Menge an Strom liefern. Am Anfang des Blocks wird also die Leistung hochgefahren, um die vereinbarte Menge zu erreichen, und am Ende abrupt heruntergefahren. Dadurch entstehen im Erzeugernetz viele sprunghafte Rampen. Die Last durch die 300 Millionen Verbraucher im europäischen Stromnetz ändert sich dagegen nur langsam und stetig. Dadurch kommt es immer wieder zu einem Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch, was sich negativ auf die Frequenzstabilität auswirkt. Wir sehen daher in den Frequenzdaten deutlich die Fingerabdrücke von gesetzlichen Regelungen zum Stromhandel. Sie sind die treibende Kraft hinter Netzstabilitätsproblemen und nicht die erneuerbaren Energien, die sich deutlich weniger auf die Frequenzstabilität auswirken.

Die Fragen stellte Janosch Deeg

Grafik mit den Energieträgeranteilen an der Gesamterzeugung.

Ansprechpartner:
Prof. Dirk Witthaut
Institut für Energie- und Klimaforschung, Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE)
Tel.: 02461 61-3397
E-Mail: d.witthaut@fz-juelich.de

Letzte Änderung: 27.01.2023