12.08.2022 | Gleichmässige Netzfrequenz entscheidend für die Netzstabilität

Warum das Netz mit 50 Hertz «pulsiert»

50 Hertz, das ist der Takt, der unser Stromnetz und das von ganz Europa am Laufen hält. Fällt es zu heftig aus dem Takt, drohen Stromausfälle bis hin zum Blackout.

Am 8. Januar 2021 schlitterte Europa knapp an einem grossflächigen Stromausfall vorbei. Damals sackte die Netzfrequenz in Nordwesteuropa innert Sekunden deutlich unter 50 Hertz ab, weil ein Unterwerk in Kroatien ausgefallen war. Zur Stabilisierung des Netzes mussten in kürzester Zeit grosse Mengen an Strom ins europäische Verbundnetz eingespeist werden.

Axpo allein lieferte an diesem Tag innert 11 Sekunden rund 300 Megawatt sogenannte Primärregelleistung und damit gut 7 Prozent der Leistung, die Nordwesteuropa fehlte. Als grösster Lieferant agierte seitens Axpo das Pumpspeicherwerk Limmern.

50-mal pro Sekunde

Das europäische Verbundnetz, darin ist das schweizerische eingebunden, arbeitet mit Wechselstrom. Er hat unter anderem den Vorteil, dass die Spannung einfach transformiert werden kann. Die Häufigkeit mit der er seine Richtung pro Sekunde ändert, ist die Frequenz. Sie wird in Hertz gemessen, benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz. Er konnte 1886 als Erster elektromagnetische Wellen im Experiment erzeugen und nachweisen.

Dass die Frequenz des Netzes gerade 50 Hertz beträgt – der Strom ändert also 50-mal pro Sekunde seine Richtung – hat rein historische Gründe und ist kein technisches Muss. In den USA sind es beispielsweise 60 Hertz geworden.

Ist die «Pulsrate» aber einmal bestimmt, müssen im Verbundnetz alle Kraftwerke, Überlandleitungen und elektrischen Anlagen und Geräte synchron in diesem Takt arbeiten.

Taktgeber Kraftwerk

Gibt beim Menschen das Herz den Puls vor, sind es beim Stromnetz die Generatoren der Kraftwerke. Die Drehzahl der Rotoren aller Generatoren des Netzes ist genau auf 50 Hertz eingestellt.  

Damit die Frequenz und damit das Netz stabil bleiben, muss in jedem Moment genauso viel Strom erzeugt werden, wie gerade verbraucht wird, denn Strom kann (noch) nicht elektrisch ausreichend gespeichert werden.

In der Praxis schwankt die Netzfrequenz jedoch ein wenig. Solange die Abweichung aber nicht mehr als plus/minus 0,2 Hertz beträgt, ist alles im grünen Bereich.

Kommt es jedoch zu grösseren Schwankungen, trennen sich Anlagen automatisch vom Netz (Frequenzschutz), um sie vor Beschädigung zu schützen, ähnlich der Sicherungen im Haushalt. Werden zu viele Anlagen oder Leitungen gleichzeitig vom Netz getrennt und speisen plötzlich keinen Strom mehr ein, kann es wie am 8. Januar 2021 geschehen zu ausgesprochen brenzligen Situationen kommen oder schliesslich zu einem Blackout wie 2006, als sich Westeuropa mit einem grossflächigen Stromausfall konfrontiert sah.

Pulsfühler Swissgrid

In der Schweiz wacht die Netzgesellschaft Swissgrid darüber, Abweichungen auszugleichen und sorgt damit für ein stabiles Netz. Wann sie eingreifen muss, kann man hier sehen. Und wie die Frequenz gerade aktuell aussieht, findet man hier.

Schwankungen beim Strombedarf sind bis zu einem gewissen Grad vorhersehbar. So brauchen wir im Winter, wenn es kalt ist, mehr Strom als im Sommer. Gleichzeitig führen die Flüsse im Winter weniger Wasser, die Wasserkraftwerke können weniger Strom produzieren. Was die Mangellage im Winter nochmals verstärkt. Auch hat das lokale Wetter einen starken Einfluss zum Beispiel für Wind- und Solarkraft. Das macht verlässliche Wetterprognosen so wichtig. Über die 24 Stunden eines Tags wiederum folgt der Stromverbrauch dem typischen Aktivitätsmuster der Verbraucher, was sich wiederum gut einkalkulieren lässt. All diese Schwankungen werden bei der Stromerzeugung und im ordentlichen Handel an den Strombörsen berücksichtigt.

Kommt es lediglich zu kleineren Unregelmässigkeiten, hilft die Trägheit der rotierenden Teile der grossen Kraftwerke von Portugal bis Griechenland die Frequenz zumindest kurzfristig stabil zu halten – ganz ohne Eingriff (Momentanreserve). Fällt beispielsweise ein Kraftwerk aus, drehen die rotierenden Teile aufgrund ihrer Masse erst einmal weiter. Das kennen wir vom Velofahren. Haben wir die Räder erst einmal in Schwung gebracht, drehen sie sich weiter, auch wenn wir zwischenzeitlich nicht in die Pedale treten. 

Für unvorhergesehene Schwankungen, die die Netzfrequenz um mehr als 0,2 Hertz verändern, braucht es aber sogenannte Regelenergie.

In einer ersten Stufe reagieren die Turbinen der Kraftwerke in ganz Europa lokal und erhöhen oder reduzieren die Leistung selbstständig (Primärregelenergie). Nach einigen Minuten löst die Sekundärregelung die Primärregelung ab. Die Leistung wird durch Schweizer Kraftwerke wie die von Axpo erbracht, denen der Übertragungsnetzbetreiber Swissgrid ein automatisches Signal schickt. Nach einer Viertelstunde werden einzelne Kraftwerke im In- oder Ausland angewiesen, mehr oder weniger Energie ins Netz einzuspeisen. Das ist die dritte Stufe, die Tertiärregelenergie. 

Was passiert nochmal im Generator?

Wechselstrom wird über elektromagnetische Induktion in den Generatoren der Kraftwerke erzeugt. Die tonnenschweren Turbinen der Anlagen werden je nach Kraftwerkstyp von Dampf oder Wasser angetrieben, die wiederum den Magneten – den von Drahtspulen ummantelten Rotor des Generators – zum Drehen bringen.

Die rotierenden Magnetpole bewegen die Elektronen in den Drahtspulen hin und her, sodass am einen Anschluss ein Elektronenüberschuss (Minus-Pol) herrscht und am anderen ein Mangel (Plus-Pol). Es entsteht Spannung. Sobald die Pole der Spannungsquelle mit einem elektrischen Leiter verbunden werden, fliesst Strom, der schliesslich ins Netz eingespeist werden kann. 

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