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Das Stromnetz in Deutschland

Wie kommt eigentlich der Strom in die Steckdose? Erzeuger aller Größenordnungen wie Kraftwerke, PV-Anlagen und Windräder speisen ihre Energie in das Stromnetz ein. Dieses transportiert den Strom zu unzähligen Verbrauchsstellen. An seinem Anschluss entnimmt jede:r Verbraucher:in einfach so viel, wie gerade benötigt wird. Das klingt im ersten Moment recht unspektakulär. Das Stromnetz spielt jedoch eine zentrale Rolle für die Versorgungssicherheit und das Gelingen der Energiewende. Daher arbeiten Menschen rund um die Uhr daran, das Netz zu stabilisieren und die erneuerbaren Energien noch besser in das bestehende System zu integrieren. Und da gibt es noch einiges zu tun. Denn die Art der Stromerzeugung ändert sich – mit neuen Anforderungen an die Infrastruktur und deren Verwaltung.

Hochspannungsleitungen im Sonnenlicht

Was ist das Stromnetz?

Im Alltag denken wir meist nicht weiter als bis zur nächsten Energiequelle für unsere Endgeräte, wenn es um die Verfügbarkeit von Strom geht. Dabei ist die Suche nach der nächsten Steckdose bedeutungslos verglichen mit den Herausforderungen beim Betrieb des öffentlichen Stromnetzes. Denn dass am Hausanschluss und an jeder Steckdose immer genug Strom verfügbar ist, ist keine Selbstverständlichkeit. Schließlich muss zu jeder Tages- und Nachtzeit genug Strom im Netz sein. Unabhängig davon, ob wir gerade viel oder wenig Energie verbrauchen. Das Stromnetz ist viel mehr als ein simples Leitungsnetz. Zu seinem Betrieb gehört auch der permanente Abgleich von Stromerzeugung und Strombedarf. Um zu funktionieren, muss das Netz im Gleichgewicht sein.

Das Stromnetz ist europäisch

Über den Hausanschlusskasten und die Unterverteilung gelangt der Strom in die Wohnung oder das Eigenheim. Doch bis er dort angelangt ist, passiert der Strom einige Stationen im Verteilnetz. Dabei können wir nicht in Landesgrenzen denken. Das deutsche Stromnetz ist nämlich in das Europäische Verbundsystem integriert, das den Strom in alle Teilnehmerländer transportiert. Zugrunde liegt diesem System ein einheitlicher technischer Standard: Im europäischen Stromnetz fließt Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz. Das bedeutet, dass sich die Polung des Stroms in jeder Sekunde 50-mal von negativ zu positiv ändert. Für eine stabile Stromversorgung muss diese Frequenz möglichst konstant bleiben. Zu wenig Strom sorgt für eine geringere Frequenz, bei Stromüberfluss werden die Intervalle der Polung immer kürzer. Sind die Abweichungen von der Norm nach oben oder unten zu groß, dann kommt es zum Stromausfall.

Die grundsätzliche Herausforderung bei der Einhaltung der 50-Hertz-Frequenz liegt darin, dass das Stromnetz keine Speicherfunktion hat. Es kann nur den Strom verteilen, den die Kraftwerke und weiteren Erzeuger wie zum Beispiel private PV-Anlagen gerade einspeisen. Daher müssen Verbrauch und Erzeugung in jedem Moment im Gleichgewicht sein. Alles andere führt zu einer Beeinflussung der Frequenz und birgt die Gefahr eines Stromausfalls.

Das Stromnetz besteht aus mehreren Ebenen

Je mehr Einrichtungen von Erzeugung und Verbrauch zusammengeschaltet sind, desto besser lassen sich Schwankungen ausgleichen. Genau diese Funktion erfüllt das Europäische Verbundsystem. Hier einigen sich die Netzbetreiber laufend neu, wer wie viel Strom einspeisen und entnehmen darf. Das geschieht auf der höchsten Ebene des Netzes. Dieser Teil des Systems heißt auch Höchstspannungsnetz. Hier liegen Spannungen von 380 oder 220 kV an, die sich sehr gut für die Verteilung riesiger Energiemengen eignen. Zur Einordnung: Offshore-Windparks oder konventionelle Großkraftwerke speisen auf dieser Netzebene ihren Strom ein.

Bis er bei den Endverbraucher:innen ankommt, muss der Strom noch weitere Verteilungsebenen durchlaufen. Dabei sinkt das Spannungsniveau immer weiter ab, bis es bei den im Haushalt gängigen 230 bzw. 400 V ankommt. Auf das Höchstspannungsnetz folgt das Hochspannungsnetz. Das sind überregionale Verteilnetze, die mit einer Spannung von 110 kV arbeiten. Weil der Strom aus dem Höchstspannungsnetz stammt, muss er ein Umspannwerk durchlaufen, um auf das niedrigere Spannungsniveau zu gelangen.

Auf der nächsten Spannungsebene befinden sich die regionalen Verteilnetze. Hier fließt Strom im Bereich der Mittelspannung zwischen 10 und 30 kV. Solarparks, Schnellladestationen für E-Autos oder Industrie und Gewerbe sind an diesen Teil des Stromnetzes angeschlossen. Nachdem der Strom vom Höchstspannungsnetz kommend die Zwischenstufen von Hochspannung und Mittelspannung durchlaufen hat, gelangt er ins Niederspannungsnetz. Auf dieser Spannungsebene sind die privaten Haushalte angeschlossen.

Solarpark auf grüner Wiese

Wie funktioniert das Stromnetz?

Das europäische Stromnetz arbeitet mit einer Frequenz von 50 Hertz. Im Zuge der Standardisierung ist das die weltweit vorherrschende Frequenz für Wechselstromnetze. Dabei handelt es sich jedoch um eine Festlegung, von der beispielsweise die USA abweichen. Hier fließt Wechselstrom mit einer Frequenz von 60 Hertz durch das Netz.

Warum ist die Frequenz so entscheidend? Sie gibt Aufschluss über das Gleichgewicht von Stromerzeugung und Verbrauch. Sinkt die Frequenz unter den Sollwert, dann wird mehr verbraucht als eingespeist. Im umgekehrten Fall einer Überproduktion von Strom steigt die Frequenz über den europäischen Zielwert von 50 Hertz.

Da Angebot und Nachfrage nahezu nie in der perfekten Balance sind, müssen die Netzbetreiber ständig daran arbeiten, die Sollfrequenz zu halten. Dabei sind geringfügige Schwankungen unproblematisch. Die Netzbetreiber nutzen die sogenannte Regelenergie, um die Frequenz im Stromnetz einzustellen. Speisen sie zusätzlichen Strom ein, um einen Engpass zu vermeiden, spricht man von positiver Regelenergie. Ein Überangebot an Strom im Netz wird durch die Entnahme des Stroms (negative Regelenergie) beseitigt. Kurzfristige Schwankungen im Stromnetz gleicht beispielsweise die Primärreserve aus. Sie muss innerhalb von 30 Sekunden verfügbar sein, um Stromausfälle zu vermeiden. Unter anderem können Wasserkraftwerke und Stromspeicher so ihre Einspeisung schnell hochfahren. Neben dieser kurzfristigen Reserve gibt es weitere Arten der Regelenergie, die jedoch längere Reaktionszeiten aufweisen.

Reicht die Regelenergie als Werkzeug nicht aus, um die Netzfrequenz zu halten, dann können die Netzbetreiber zu sogenannten Brownouts greifen. Dazu nehmen sie Großverbraucher oder Stadtteile gezielt vom Netz, um den Stromverbrauch zu senken. Auf diese Weise lassen sich flächendeckende Stromausfälle (Blackouts) vermeiden.

Strom für Endverbraucher:innen

Für lange Zeit hat das Stromnetz wie eine Einbahnstraße funktioniert. Während die großen zentralen Kraftwerke für Braunkohle, Atomstrom oder Wasserkraftwerke ihre Energie auf der Höchstspannungsebene einspeisten, erfolgte die Entnahme auf den unteren Spannungsebenen. Dazwischen lagen die weiteren Spannungsebenen und Umspannwerke für die Verteilung des Stroms.

Dieses System ist verhältnismäßig überschaubar, denn die Einspeisung weniger großer Energieerzeuger muss stets den Gesamtbedarf der angeschlossenen Verbraucher:innen decken. Die Aufgabe, dies zu koordinieren, übernehmen die Netzbetreiber. Sie agieren dabei erfolgreich, denn bisher ist es in Deutschland nicht zu langanhaltenden Stromausfällen gekommen. Als Anhaltspunkt: Im Jahr 2022 war jeder Haushalt im Durchschnitt nur 10,6 Minuten ohne Stromversorgung. Die Stromversorgung in Deutschland ist damit eine der zuverlässigsten weltweit. Dabei geht der Trend der Ausfalldauer in den letzten Jahren immer weiter nach unten.

Luftaufnahme eines Hauses mit Solaranlage

Nun ändert sich aber mit dem verstärkten Einsatz erneuerbarer Energien die Funktionsweise des Stromnetzes. Denn viele Haushalte sind nicht mehr nur Verbraucher, sondern gleichzeitig auch Erzeuger. Sie betreiben private PV-Anlagen, deren Stromertrag sie zumindest teilweise in das öffentliche Stromnetz einspeisen. Durch die vielen kleinen Anlagen, die ihren Strom auf einem niedrigen Spannungsniveau an das Netz abgeben, steigt die Komplexität. Schließlich muss auch weiterhin auf jeder Ebene des Stromnetzes die Balance zwischen Angebot und Nachfrage gewährleistet sein. Die Gefahr von lokalen Netzüberlastungen steigt aber gerade beim Einsatz von Wind- und Sonnenenergie. Denn sind die Bedingungen günstig, etwa wenn viel Wind weht, dann speisen alle Anlagen große Mengen Strom in das Netz ein. Wenn diese Energie nicht abgenommen wird, müssen die Netzbetreiber gegensteuern.

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Stabilität des Stromnetzes

Die Stabilität des Stromnetzes aufrechtzuerhalten, das ist eine laufende Herausforderung. Schließlich müssen auf allen Ebenen des Netzes und in allen Regionen ausgeglichene Zustände herrschen. Um die dafür notwendige Synchronität von Stromerzeugung und -verbrauch sicherzustellen, überwachen die Verantwortlichen das Netz ständig. Im Bedarfsfall einfach Strom aus einem Speicher einspeisen? Diese Möglichkeit besteht bisher leider nicht im ausreichenden Maß. Denn Stromspeicher sind teuer und die benötigten Kapazitäten für solch eine Pufferfunktion sind immens.

Also müssen die Netzbetreiber direkt den Verbrauch und die Erzeugung koordinieren, um Schwankungen zu vermeiden. Das gelingt trotz der anspruchsvollen Aufgabenstellung bislang so gut, dass die Endverbraucher:innen auch von größeren Zwischenfällen kaum etwas mitbekommen. So wäre es am 26. Januar 2021 fast zu einem flächendeckenden Stromausfall in Europa gekommen. Die Ursache ging von einem Umspannwerk in Kroatien aus. Es kam zur unbeabsichtigten Trennung einer 400 kV-Leitung, die Strom grenzüberschreitend von Südosten in nordwestliche Richtung transportiert. In der Folge des unterbrochenen Stromflusses verlagerte sich der Strom auf die umliegenden Leitungen. Diese waren wiederum mit der zusätzlichen Energie überlastet, sodass weitere Sicherheitsmechanismen griffen. Die Leitungen schalteten sich automatisch aus.

Beeindruckend ist die Konsequenz dieses Vorgangs: Es kam zur Trennung des europäischen Stromnetzes in einen nordwestlichen und einen südöstlichen Teil. Während im nordwestlichen Abschnitt Strom fehlte, hatte das Teilnetz im Südosten einen Überschuss an Strom. Im Ergebnis verringerte sich die Frequenz im Nordwesten auf deutlich unter 50 Hertz, während sie im Südosten stark anstieg. Als Gegenmaßnahme gingen in Frankreich und Italien innerhalb von Minuten automatisch Industrieverbraucher vom Netz, um den Verbrauch zu senken. Gleichzeitig wurde Strom aus angrenzenden Netzen eingespeist, um das System zu stabilisieren. Im Südosten verringerte sich die Einspeisung, um den Überschuss zu begrenzen. Bis zum vollständigen Ausgleich der Frequenz im gesamten europäischen Netz verging ca. eine Stunde. Das zeigt, dass die Regelmechanismen zur Stabilisierung des europäischen Stromnetzes wirksam sind. Schließlich kam es trotz des kritischen Vorfalls nicht zu einem flächendeckenden Stromausfall.

Herausforderungen: die Energiewende und das Stromnetz

Die Energiewende setzt nun das Gleichgewicht im Stromnetz unter Druck. Denn statt weniger zentraler Kraftwerke produzieren viele kleine Erzeuger wie etwa private PV-Anlagen Strom, den sie in das Netz einspeisen. Unter diesen Rahmenbedingungen Angebot und Nachfrage von Strom auszubalancieren, das erfordert neue Werkzeuge und kürzere Reaktionszeiten.

Strom ist inzwischen auch nicht mehr nur der Träger für die Energieversorgung des Haushalts. Die Energieform dient zunehmend auch als „Treibstoff“ für die E-Mobilität. Durch den Siegeszug der Wärmepumpe als primäre Heizung im Neubau ist Strom zusätzlich ein wichtiger Wärmelieferant geworden. Expert:innen nennen diese Mehrfachnutzung von Strom auch Sektorkopplung. Ein stabiles Stromnetz wird daher immer wichtiger für das Funktionieren der gesamten Infrastruktur.

Bei den erneuerbaren Energien kommt dazu, dass ihr Stromertrag über die Zeit gesehen weniger stabil ist als der konventioneller Kraftwerke. Egal ob Wind- oder Sonnenenergie, bei Flaute oder bewölktem Himmel geht der Ertrag deutlich zurück – und dabei ist es ganz egal, ob gerade ein hoher Verbrauch im Stromnetz herrscht. Das macht den Job für die Netzbetreiber nicht einfacher. Denn sie müssen dann wiederum zusätzliche Kapazitäten ans Netz nehmen, um einen Mangel auszugleichen. Bei einem Überertrag schalten sie dagegen Anlagen aus, die eigentlich grünen Strom erzeugen könnten. Im Jahr 2022 entstanden dadurch Verluste von rund 900 Millionen Euro. Da der Beitrag der erneuerbaren Energien zur Stromversorgung weiter steigen wird, müssen die Netzbetreiber effizientere Strategien entwickeln, um deren schwankenden Ertrag auszugleichen.

Daneben steht die Hardware im Fokus: Leitungen und Umspannwerke erfordern ständig Wartungsarbeiten. Denn wie Straßen müssen die Betreiber sie überprüfen, verbessern und ausbauen, damit sie einsatzbereit bleiben.

Lösungsansätze für die Zukunft

Expert:innen sehen beim Stromnetz vor allem die Notwendigkeit für eine bestimmte Maßnahme. Da vermehrt dezentrale Anlagen Strom einspeisen, muss sich das Stromnetz an seine neue Rolle anpassen: Weg von der Einbahnstraße zur Stromverteilung und hin zum „Einsammelnetz“. Dazu muss das Netz mehr Reserven erhalten, um noch größere Strommengen umzuverteilen. Ein Blick auf die deutsche Infrastruktur macht es deutlich. Große Windkraft- und PV-Anlagen im Norden produzieren wertvollen grünen Strom. Der stark industrialisierte Süden benötigt diese Energie dringend. Bei den Verbraucher:innen kommt der Strom aber nur an, wenn das Stromnetz die Distanz überbrücken kann. Derzeit befinden sich dazu mehrere Netzausbauprojekte in der Vorbereitung. Zusätzlich arbeiten Forschung und Industrie daran, das Einspeisemanagement der erneuerbaren Energien zu verbessern. Das kann die Einspeisung besser mit dem aktuellen Strombedarf abgleichen und so die Stabilität des Netzes erhöhen.

Windkraft- und Solaranlagen in Landschaft

Speichermöglichkeiten sind ein weiterer Schlüssel, um die Einspeisung und den Verbrauch von Strom im Gleichgewicht zu halten. Als Reaktion auf ein Überangebot an Strom müssten Windräder nicht mehr stillstehen, sondern sie könnten weiterarbeiten und einen Speicher füllen. Bei niedriger Stromproduktion dienen diese Reserven dazu, das Defizit auszugleichen. Ausreichende Speichermöglichkeiten machen die Nutzung der erneuerbaren Energien noch effizienter. Ihr Ertrag ist durch die Speicherung in einem höheren Maße nutzbar. So kann derselbe Bestand an erneuerbaren Energien in Zukunft noch mehr Strom aus konventionellen Kraftwerke ersetzen. Das gilt übrigens auch im Kleinen: Wer einen eigenen Stromspeicher für die PV-Anlage installiert, kann mehr selbst produzierten grünen Strom nutzen und wird unabhängiger vom öffentlichen Stromnetz.

Die Anpassung des Verbrauchsprofils der Industrie kann ebenso einen Beitrag zur Stabilität des Netzes leisten. Energieintensive Betriebe haben so einen großen Einfluss, dass sie regelnd in das Stromnetz eingreifen können. Ihre Verbrauchsspitzen könnten sich stärker an Zeiten mit hohem Stromertrag orientieren, damit das Netz ausgeglichen bleibt.

Die erneuerbaren Energien sind nicht nur eine große Herausforderung für das Stromnetz. Vor allem PV-Strom sorgt auch für eine Entlastung. Dezentral auf privaten Hausdächern erzeugte Energie muss nämlich gar nicht über das Stromnetz fließen. Ein hoher Eigenverbrauch setzt Kapazitäten im Stromnetz frei.

Fazit

Das Stromnetz spielt in der Öffentlichkeit eher eine Nebenrolle, wenn es um den Status der Energiewende geht. Doch eins ist klar: Ohne den technischen und organisatorischen Ausbau des Stromnetzes kann der vermehrte Umstieg auf die erneuerbaren Energien nicht gelingen. Es gibt jedoch ausreichend Ansätze, um das Stromnetz für seine veränderte Aufgabe zu ertüchtigen. Durch ihre Umsetzung kann das Stromnetz auch in Zukunft im Hintergrund stabil und effizient arbeiten.

Autorin

Halina Schmidt schreibt bei DZ4 seit 2021 über Photovoltaik-Anlagen, grünen Strom und die Energiewende.