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.
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