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Schiller-Institut e. V.
"Zweck der Menschheit ist kein anderer als die
Ausbildung der Kräfte des Menschen, Fortschreitung."
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Die zunehmende Gefahr von Blackouts durch Wind- und Solarenergie

Von Prof. Alwin Burgholte

Alwin Burgholte ist emeritierter Professor der Jade-Hochschule in Wilhelmshaven. In der Internetkonferenz des Schiller-Instituts am 24. Juli hielt er den folgenden Vortrag.

1. Die elektrische Stromversorgung erfordert unabdingbare Voraussetzungen

    a) Die Erzeugerleistung muß immer exakt der benötigten Leistung bzw. dem elektrischen Verbraucherstrom entsprechen. Die Leistung wird in Kilowatt (kW), Megawatt (MW) oder Gigawatt (GW) gemessen. Der Leistungsbedarf in der Bundesrepublik Deutschland schwankt je nach Jahres- und Tageszeit etwa zwischen 40 GW und 80 GW. Der Energiebedarf ergibt sich aus dem Produkt Leistung mal Zeit und wird in Kilowattstunden (kWh), Megawattstunden (MWh), Gigawattstunden (GWh) oder Terawattstunden (TWh) angegeben. Der elektrische Energiejahresbedarf Deutschlands liegt etwa bei 600 TWh.

    b) Die Verteilung der elektrischen Leistung erfolgt mit einer konstanten Frequenz von 50 Hz mit unterschiedlichen Spannungen: Niederspannung 230/400 Volt für den Hausgebrauch und Mittelspannung 10 kV, 20 kV oder 30 kV für die regionale Verteilung in der Fläche. Hoch- und Höchstspannungen (110 kV, 220 kV und 380 kV) bedienen die großen Leistungsverbraucher und die Fernverteilung.

    c) Nur leistungsstarke Kraftwerke, die sogenannten Grundlast-Kraftwerke, können eine konstante Frequenz vorgeben und garantieren. Eine konstante Netzfrequenz ist für die meisten Verbraucher von größter Bedeutung. Konventionelle Kraftwerke bestimmen über ihre konstante Drehzahl die Netzfrequenz. Bei hoher Belastung des Netzes sinkt die Drehzahl und damit die Frequenz. Das ist wie beim Fahrradfahren, berghoch wird man langsamer.

    d) Wind- und Solaranlagen können nur wetterabhängig elektrische Leistung erzeugen. Sie sind auch nicht in der Lage, ein eigenes 50 Hz-Netz aufzubauen. Ohne ein vorhandenes stabiles Stromversorgungsnetz können die Anlagen weder in Betrieb genommen noch gesteuert oder überwacht werden.

    e) Auf der Grundlage des Gesetzes zur Förderung regenerativer Energien wird in Deutschland die Erzeugerleistung dieser Anlagen jedoch immer bevorrechtigt abgenommen, und das zu einem für 20 Jahre garantierten Festpreis je Kilowattstunde. Erzeugte, aber nicht benötigte Leistung, wird zu geringen Preisen am europäischen Markt verkauft oder verschenkt, ja, teilweise zu negativen Strompreisen entsorgt. Zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität muß ein Mindestleistungsanteil von 25% bis 35% des Verbrauchs von den 50 Hz-Kraftwerken immer eingespeist werden.

    f) Die genannten regenerativen Energieanteile sagen absolut nichts über die prozentual verfügbare Leistung aus.

2. Wie gesagt, konventionelle Kraftwerke garantieren derzeit die gesicherte Stromversorgung

Für die Überwachung der Stromversorgungssicherheit in Deutschland ist die Bundesnetzagentur (BNetzA) zuständig. Sie entscheidet, ob und wo Kraftwerke stillgelegt werden dürfen. Den Beitrag von Windenergieanlagen für die gesicherte Stromversorgung stuft die BNetzA mit 1% und den von Solaranlagen nur mit 0% ein. Es fehlen die entsprechenden Langzeitspeicher zur Überbrückung der Einspeiselücken.

Auch im deutschen Netz wurde der Strom schon mehrfach knapp; es drohte ein Blackout.

3. Was sind die Ursachen für Netzstörungen, und wie ist der Blackout definiert?

Von einem Blackout spricht man heute, wenn die Stromversorgung großflächig über mehr als acht Stunden ausfällt und zum Wiederaufbau der elektrischen Stromversorgung eine koordinierte Teilnetzbildung und der dezentrale Einsatz geeigneter Kraftwerke erforderlich wird. Der Wiederaufbau des Netzes kann bei großflächigem Ausfall Wochen dauern.

Kurzfristige Stromausfälle, die regional begrenzt sind, treten häufiger auf und sind auch kurzfristig zu beheben.

Natürliche Ursachen können für einen Ausfall verantwortlich sein, wie Sturm, Hochwasser, Schnee- und Eislasten. Wenn bei Bauarbeiten ein Stromversorgungskabel zerstört wird, kommt es auch zu einem Stromausfall. Kurzschlüsse gegen Erde oder zwischen den Phasen unterbrechen ebenfalls die elektrische Stromversorgung.

Gefährlicher können aber elektromagnetische Impulse (EMP) werden, eine kurzzeitige breitbandige elektromagnetische Strahlung, die bei einem einmaligen, hochenergetischen Ausgleichsvorgang abgegeben wird.

So führen Blitze zu einer massiven elektromagnetischen Beeinflussung, vor allem im Bereich des Blitzkanals und des Einschlagspunktes. Dieser elektromagnetische Impuls wird auch als lightning electromagnetic pulse (LEMP) bezeichnet.

Ein nuklearer elektromagnetischer Puls, kurz NEMP (nuclear electromagnetic pulse), wird beispielsweise durch die Explosion einer Nuklearwaffe in mehreren 100 Kilometern Höhe hervorgerufen. Die dabei erzeugte Gammastrahlung wirkt mit extrem steilen Flanken unmittelbar auf elektronische Systeme, so daß diese gestört oder komplett zerstört werden können.

4. Steigt die Wahrscheinlichkeit des Eintretens von Blackouts?

Hat die Energiewende, der Umbau der elektrischen Stromversorgung auf ausschließlich regenerative Erzeugerquellen, einen Einfluß darauf? Das schätzen viele Experten und Verantwortliche als sehr gering ein; denn sie argumentieren, technisch bleibe alles beherrschbar, manchmal weht eben weniger Wind, oder es gibt weniger Sonnenstunden, dann muß eben mehr Leistung importiert werden. Dafür sind die Übertragungsnetze vermehrt auszubauen. Der Mangel an regenerativer Energie tritt aber europaweit großflächig auf. Damit wird es oft nicht möglich sein, aus den Nachbarstaaten die fehlende Leistung zu importieren.

Am Freitag, dem 8. Januar 2021, kam es um 14:04 Uhr zu einem gravierenden Zwischenfall im europäischen Stromversorgungssystem, dem größten zusammenhängenden Stromnetz der Welt. Der Zwischenfall führte zu einer Netzauftrennung. Durch Ausfall eines Kraftwerks in Kroatien kam es zu einer Überlastung von 13 weiteren Knotenpunkten in Südosteuropa. Die Frequenz unterschritt mit 49,8 Hz die untere Abschaltgrenze. Diese von 50 Hz geringe Frequenzabsenkung führte damit zu einer Aufsplittung des Netzes. Zum Eigenschutz der anderen Netze wurden der gesamte Balkan und die Türkei vom europäischen Netz getrennt. Diese Netztrennung konnte durch Aktivierung von Reservekraftwerken durch die europäischen Übertragungsnetzbetreiber nach rund einer Stunde behoben werden.

Das Problem liegt in der absoluten Forderung, daß die Stromproduktion zu jeder Zeit exakt dem Stromverbrauch entsprechen muß. Entsteht dabei eine Lücke, kann es zu einem Blackout kommen.

So kam es 2003 in den USA zu einem großen Stromausfall. Ein Defekt in einem Kraftwerk in New York löste chaotische Zustände im Nordosten Amerikas und in Teilen Kanadas aus. Zehntausende standen im Stau, alle Ampeln waren ausgefallen. Viele Menschen steckten in Fahrstühlen fest. U-Bahnen und Züge blieben stecken, das Telefonnetz funktionierte nur teilweise. Im UN-Gebäude mußten Tausende von Mitarbeitern nach Hause geschickt werden. Auch das Börsengeschehen in der Wall Street war betroffen.

Am 4. November 2006 ging in großen Teilen Europas aufgrund menschlichen Versagens das Licht aus. Ohne Abstimmung und ohne ausreichende Kommunikation wurde eine Hochspannungsleitung in Niedersachsen für das Auslaufen eines Kreuzfahrtschiffs abgeschaltet. In einer Kettenreaktion gingen daraufhin gleich mehrere Leitungen vom Netz. Etwa 15 Millionen Menschen waren in Deutschland, Frankreich, Belgien, Italien, Österreich und Spanien bis zu zwei Stunden ohne elektrische Leistung.

Im deutschen Netz wurde der Strom am 6., 12. und 25. Juni 2019 knapp. Die Situation im Stromnetz war kritisch. Der Grund waren spekulative Manipulationen auf höhere Preise für Reserveleistung.

Auch kommt es nahezu alle 15 Minuten zu Stabilitätsproblemen im deutschen Netz, weil alle 15 Minuten ein neuer Strompreis an der Strombörse veröffentlicht wird und dies zu Netzumschaltungen bei den Verbrauchern führt.

5. Aber die Cyberkriminalität ist eine der größten Bedrohungen in der heutigen Zeit

Am 31. März 2015 um 10 Uhr vormittags fiel in 80 von 81 türkischen Provinzen der Strom aus, fast 80 Millionen Menschen waren betroffen.

Aber was passiert eigentlich bei einem Hack – zum Beispiel beim Blackout in der Ukraine 2015 oder 2017 mit der Schadsoftware WannaCry?

Am 23. Dezember 2015 geschah in der Zentrale eines Energieversorgers in der Ukraine etwas Seltsames: Auf einem Monitor fing der Cursor plötzlich an, sich selbst zu bewegen und auf Schaltflächen zuzusteuern, mit denen die Leistungstrennschalter eines Unterwerkes in der Region abgeschaltet wurden. Auch die Bestätigung dieser Aktion wurde fremdgesteuert ausgeführt. Der Mitarbeiter wurde ausgeloggt. Jegliche Versuche, sich wieder einzuloggen, scheiterten, weil die Angreifer auch die Paßwörter verändert hatten. Weitere Unterwerke wurden abgeschaltet. Insgesamt waren rund 30 Anlagen ferngesteuert deaktiviert. Es dauerte mehrere Stunden, bis das Netz größtenteils wieder in Betrieb war, und zwar nur dank manuell einschaltbarer Leistungstrennschalter.

Am Nachmittag des 12. Mai 2017 tauchten erste Berichte über einen Angriff mit einer Erpressungssoftware auf. Eine Ransomware wurde installiert. Nur wenige Stunden später hatte der Angriff die Bildschirme der Deutschen Bahn und des National Health Services in Großbritannien erreicht. Innerhalb nur eines Tages waren durch WannaCry laut Europol über 230.000 Computer in mehr als 150 Ländern infiziert. Zudem wird geschätzt, daß durch den Angriff auf das National Health Service bis zu 70.000 Geräte, darunter MRI-Scanner, Blutkonservenkühlschränke und andere medizinische Geräte infiltriert wurden. Am Tag des Angriffs mußten nicht-kritische Notfälle abgewiesen werden. Viele Krankentransporte wurden umgeleitet. Der WannaCry-Angriff zielte nicht auf einzelne Systeme, es war vielmehr ein breit angelegter Angriff, der so viele Systeme wie möglich infizieren sollte. Der entstandene Schaden belief sich dabei auf mehrere Millionen US-Dollar.

Weltweit können noch viele Beispiele aufgezählt werden: die Mega-Stromausfälle 2017 in Argentinien und Uruguay. 2017 schaltete die gefährliche russische Cyberwaffe das Stromnetz von Kiew aus.

Der Stromausfall in Venezuela im Sommer 2019, der durch einen „elektromagnetischen Angriff“ auf Staudämme im Süden des südamerikanischen Landes ausgelöst wurde. Betroffen war das größte Wasserkraftwerk des Landes am Guri-Stausee.

Und nicht nur Stromnetze werden angegriffen:

In den USA wurde im Mai 2021 nach einer Cyberattacke die wichtigste US-Pipeline lahmgelegt!

Und die jüngste Attacke im Juni 2021: Hacker der Gruppe REvil, deren Mitglieder in Rußland vermutet werden, starteten einen Cyberangriff auf IT-Sicherheitsfirmen, um ein Lösegeld von 70 Mio. Dollar zu fordern.

6. Aber das Vertrauen in eine Versorgungssicherheit ist in der Öffentlichkeit sehr groß

Fällt die Stromversorgung einmal aus, entsteht nicht gleich Panik. Aber was passiert bei einem Ausfall über Wochen und länger?

Es geht nichts mehr!! Kein elektrischer Verbraucher im Haushalt, Industrieanlagen stehen still, wenn keine unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen verfügbar sind. Der Verkehr bricht zusammen, die Bahnen stehen still. Pumpen für die Wasser- und Gasversorgung fallen aus. Alle Ladenkassen, Tankstellen und das ganze Telefonnetz brechen zusammen.

Das ist der Stoff des Bestsellers Blackout – Morgen ist es zu spät von Marc Elsberg, der umfassend recherchiert hat. Er zeigt realistisch, wie die weltweite Vernetzung in sämtliche Lebensbereiche hineinspielt und welche Herausforderungen das mit sich bringt. Europa entwickelt sich zurzeit in diese Richtung. Durch Einführung der Smart Meter entsteht ein Netzzugang zu allen Erzeugern und Anwendern elektrischer Energie.

7. Zusammenfassend kann man folgende Ursachen für großflächige Blackouts nennen:

  • Systemkollaps – unzureichende Netzstabilität. Die fluktuierende Einspeiseleistung von Wind- und Solaranlagen macht das Netz dynamischer und fragiler. Immer mehr Stromimporte – immer mehr Redispatches werden erforderlich.

  • Cyberattacken und Terroranschläge sind ein weiteres Gefahrenpotential.

  • Spekulationsgeschäfte mit Reserveleistungen führen zu einer Verknappung der verfügbaren Leistung.

  • Naturkatastrophen, schwere Gewitter, Waldbrände, Überschwemmungen und Stürme können die Stromnetze beschädigen und Defekte verursachen, ebenso wie gefrierender Regen, heftige Schneefälle, große Kälte oder Hitze. Gleiches gilt für Elementarereignisse wie etwa Lawinenabgänge, Muren, Felsstürze oder Erdbeben.

  • Nicht nur „klassische“ Stürme können zum Problem werden, auch Sonnenwinde stellen eine Gefahr dar, die durch Plasmaeruptionen der Sonne entstehen und nach 24 bis 36 Stunden die Erde erreichen. Diese Welle deformiert das Erdmagnetfeld und löst einen geomagnetischen Sturm aus. Die heftigen Schwankungen des Erdmagnetfelds induzieren Spannungen in ungeschützten elektrischen Leitungen. Das kann Satelliten, Transformatoren von Hochspannungsleitungen und auch elektronische Geräte zerstören.

  • Ein Anschlag auf die Kraftwerke ist auch mit hochfrequenten elektromagnetischen Impulsen (EMP) möglich, die jedes elektronisch betriebene Gerät in ihrem Einflußbereich auf der Stelle unbrauchbar machen.

  • Auch menschliches Versagen wie Schaltfehler in Umspannwerken sowie Berechnungsfehler bei Abschaltungen stellen weitere mögliche vom Menschen verursachte Szenarien für einen Blackout dar.

8. Welche Schutzmaßnahmen gibt es vor Blackouts?

Eine richtige, engmaschige Verteilernetzstruktur schafft Sicherheit. So existiert in Kontinentaleuropa das UCTE-Verbundnetz (Union for the Coordination of Transmission of Electricity), das mit den Netzen der nordeuropäischen Staaten NORDEL und mit dem UKTSOA in Großbritannien gekoppelt ist. Derzeit wird gerade eine neue HGÜ-Leitung (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung) von Großbritannien nach Deutschland gebaut.

Ein Netzmonitoring, die ständige Überwachung der Leistungsflüsse und der Spannungs- und Frequenzwerte, ermöglicht es, schnelle Gegenmaßnahmen vor einem Netzzusammenbrauch einzuleiten. Bei Leistungsmangel können Verbraucher vom Netz abgeschaltet, bei Leistungsüberschuß weitere Verbraucher, z.B. Kühlhäuser, eingeschaltet werden.

Ein wichtiges Sicherheitsprinzip ist die sogenannte Momentanreserve, die im Falle eines Belastungsstoßes die Frequenzabsenkung in Grenzen hält. Mehrere hundert Tonnen schwere, rotierende Massen in den Generatoren und Turbinen der Kern-, Kohle- und Gaskraftwerke haben eine Rotationsenergie gespeichert und geben daraus zusätzliche Leistung ab.

„Diese Schwungmassen werden im Laufe der Energiewende nicht verschwinden“, sagen die Übertragungsnetzbetreiber. „Sie müssen aber teilweise durch neue und teilweise auch bekannte technische Lösungen ersetzt werden.“ Daran arbeite man kontinuierlich. Das ist eine spekulative, nicht belastbare Aussage.

Ein zentrales Sicherheitsprinzip ist außerdem das sogenannte „(n-1)-Kriterium“. Das bedeutet, daß zum Beispiel beim Ausfall eines Kraftwerks oder einer Leitung immer Ersatz zur Verfügung steht. So entstehe ein großer Sicherheitspuffer.

Um die Sicherheit des Stromnetzes zu gewährleisten, gibt es außerdem noch weitere Maßnahmen, die von der Bundesnetzagentur (BNetzA) zusammengefaßt wurden:

  • Redispatchmaßnahmen, d.h. Drosselung oder Erhöhung der Stromeinspeisung von Kraftwerken nach vertraglicher Vereinbarung unter Ersatz der Kosten.

  • Reservekraftwerke aktivieren: Einsatz von Kraftwerken zur Beschaffung noch fehlender Redispatchleistung aus der Netzreserve nach vertraglicher Vereinbarung unter Ersatz der Kosten.

  • Ein Einspeisemanagement durchführen, d.h. Abregelung von Stromeinspeisung aus Erneuerbaren Energien- und Kraft-Wärme gekoppelten Anlagen auf Verlangen des Netzbetreibers mit Entschädigung.

9. Zum Schluß zusammengefaßt:

  • Eine elektrische sichere Stromversorgung ist für das gesamte öffentliche Leben, für Wirtschaft und Industrie überlebenswichtig.

  • Dieser Ernst der Lage wird aus politischen und ideologischen Gründen nicht genügend beachtet.

  • Finanzielle Interessen der Wind- und Solarwirtschaft sowie spekulative Finanzgeschäfte stehen im Vordergrund.

  • Technische Argumente werden nicht zur Kenntnis genommen oder gar nicht verstanden.

  • Funk, Fernsehen und Presse unterstützen die Energiewende, indem sie ständig vor den Gefahren eines Klimawandels warnen und eine Transformation unseres Energiesystems fordern.

  • Und die Wissenschaft liefert die gewünschten Argumente und lebt nicht schlecht von neuen Studien.

Es ist überfällig:

  • einen ergebnisoffenen wissenschaftlichen Streit über den Anteil des CO2-Einflusses auf die Erderwärmung zu führen sowie

  • die Verhältnismäßigkeit der CO2-Reduktionen durch die einzelnen Ländermaßnahmen zu berücksichtigen.

Nach diesen Ergebnissen sollten sich dann die politischen Vorgaben ausrichten.