Zunehmend mehr Instabilitäten im europäischen Verbundsystem

Der Tag, an dem der Strom knapp wurde

Immer wieder kommt es zu brenzligen Situationen, wenn Solar- und Windkraftanlagen zu wenig Strom liefern. Dann müssen Industrieanlagen abgeschaltet werden. Die Netzschwankungen könnten aber noch schlimmer werden.

Freitag der 14., ist ein ruhiger, etwas diesiger Dezembertag. In einer Handvoll großer Industriebetriebe ist dagegen von vorweihnachtlicher Fröhlichkeit keine Spur. Der Stresspegel ist beachtlich gestiegen, seitdem die Netzbetreiber kurzfristig angekündigt haben, den Strom abzuschalten. Denn in Deutschland gibt es an diesem Mittag zu wenig Elektrizität. Später wird bei Netzbetreibern von einem „Prognosefehler bei den erneuerbaren Energien aufgrund einer seinerzeit komplexen Wetterlage“ die Rede sein. Die Sonne scheint nicht so intensiv, wie noch am Vortag geplant und erwartet war. „Die deutsche Regelzone war am 14. Dezember in der Spitze um rund 2500 Megawatt unterdeckt, die Gründe dafür untersuchen wir zurzeit“, sagt der Sprecher der Bundesnetzagentur. Rechnerisch fehlte die Kapazität von zwei großen Kernkraftwerken. Kurz nach 12.00 Uhr jedenfalls ist die „Minutenreserve“ der Pumpspeicherkraftwerke verbraucht, aus dem Ausland lässt sich auch nicht mehr Strom ziehen. Jetzt werden Großverbraucher wie Aluminiumhütten, Walzwerke und Gießereien abgeschaltet. Und zwar deutschlandweit – alle, die verfügbar sind. „In der Summe haben Aluminium und andere Industrieunternehmen 1025 Megawatt Leistung auf Anforderung der Netzbetreiber aus der Produktion genommen“, heißt es später bei Hydro Aluminium in Neuss. So bleibt das Netz doch noch stabil, in den Haushalten und Büros merkt niemand etwas. Nach knapp drei Stunden, gegen 15.00 Uhr, kehrt wieder Ruhe ein.

Am 10. Jänner 2019, 21.02, haben dann auf europäischer Ebene noch etwa zusätzliche 2.000 MW gefehlt, da die Frequenz auf 49,8 Hertz absackte.

Es kommt immer wieder vor, dass mehr Strom verbraucht als erzeugt wird. Zuletzt an Silvester. Laut Bundesnetzagentur wurden am 31. Dezember mittags 52 000 Megawatt Strom abgerufen, aber nur 46 000 Megawatt erzeugt. Dass dennoch nirgendwo das Licht flackerte oder die Pumpe der Heizung ausfiel, lag an Stromlieferungen aus dem Ausland. Der fehlende Strom, 10 Prozent der Nachfrage, wurde importiert. Doch das Ausland kann nicht immer die Lücke ausgleichen. Zunehmend schalten daher die vier Netzbetreiber Produktionsanlagen ab, um das Netz im Gleichgewicht zu halten. „Bisher sind dieses Jahr 78 Abschaltungen alleine der Aluminiumhütten erfolgt“. Das sei ein neuer Rekord.

In der Regel ist es so, dass das Ausland aus Deutschland importiert!!

Die Fehler können groß ausfallen, wie die Netzbetreiber gelernt haben. Bei Hochnebel kann die Abweichung zwischen am Vortag geschätzter und realisierter Sonnenstromgewinnung 8000 Megawatt betragen. Das sind 10 Prozent vom Verbrauch.

8.000 MW entspricht dem derzeitigen Spitzenverbrauch Österreichs!

Die Umschreibung „Krise“ für den Mittag Mitte Dezember weisen Netzagentur und Netzbetreiber zurück. „Die Bilanzkreisabweichung war zwar insgesamt recht groß, durch Zusatzmaßnahmen wie Börsenkäufe konnte die Situation aber ohne Probleme beherrscht werden“, heißt es beim Netzbetreiber 50Hertz.

Im Nachhinein ist alles kein Problem gewesen. Natürlich. Aber der Kipppunkt bei komplexen Systemen ist abrupt. Daher sollten die hier offensichtlich zunehmend häufiger auftretenden „schwachen Signale“ mehr ernst genommen werden. Vor allem auch von der Gesellschaft!

Die Industrie aber irritieren solche Einzelfälle, erst recht deren Häufung. Schon vier Tage später, am 18. Dezember, kam es zu einem Blackout in der Hamburger Alu-Hütte von Trimet samt dem benachbarten Walzwerk. „Die Produktion fiel schlagartig und ungeplant vollständig aus“. Nur mit Notstromdiesel habe die Notbeleuchtung aufrechterhalten werden können. „Dies verursachte beträchtlichen Produktionsausfall und Sachschaden.“ An diesem Donnerstag war die Alu-Hütte schon wieder von einem Ausfall betroffen. Hydro-Geschäftsführer Volker Backs führt solche Klagen nicht allein. In einer Umfage der stromintensiven Glasindustrie berichteten vier von 15 Unternehmen von mehr als zehn Produktionsbeeinträchtigungen im vergangenen Jahr nach Unterbrechungen oder Frequenzschwankungen im Netz. Die wirtschaftlichen Schäden gingen in die Hunderttausende. Auch die Wieland-Werke in Ulm, ein weltweit führender Spezialist für Kupfer und Kupferlegierungen, stellten „zuletzt häufiger als früher Störungen im Stromnetz fest“. Zuweilen seien „ganze Werksteile bis zu einen halben Tag lahmgelegt“ Zum Ärger komme der finanzielle Verlust: „Wir bleiben auf dem Schaden sitzen.“ Denn anders als bei den angekündigten „Lastabwürfen“ sind die von den Netzbetreibern zu zahlenden Entschädigungen bei ungeplanten Abschaltungen auf 5000 Euro gedeckelt.  Beim Autozulieferer Kirchhoff seien Hunderte Maschinen vernetzt. Schon leichte Stromschwankungen, erst recht Lieferausfälle, führten zu Systemabschaltungen. „Bis alles wieder funktioniert, können wir bei uns fast eine komplette Schicht nach Hause schicken“, sagt Kirchhoff. „Passiert dies mehrmals im Jahr, ist das nicht mehr aufzuholen.“ Er sei „darauf angewiesen, dass meine Produktion läuft.“ Die Netzbetreiber beobachten die Frequenzschwankungen im Netz. Dazu komme es öfter dann, wenn große Kraftwerke zur gleichen Zeiten an- oder abgeschaltet würden, etwa um 06.00 Uhr morgens oder auch 22.00 Uhr abends. Dann nämlich gehen manche Windparks vom Netz, um die Nachtruhe der Anwohner nicht zu stören. „Wir verfolgen diese Entwicklungen sehr genau, kritische Auswirkungen auf die Versorgungssicherheit sehen wir zum aktuellen Zeitpunkt aber noch nicht“, heißt es bei 50Hertz. Schon Schwankungen der Netzfrequenz im Millisekundenbereich führten zu Schäden an den hochempfindlichen Geräten. Bei Stromausfällen von mehr als zwei Stunden könnten Anlagen „unwiederbringlich“ verloren gehen. „Deshalb beobachten wir den stetigen Anstieg an Stresssituationen im Netz mit großer Sorge.“

Kommentar

Dieser Beitrag zeigt sehr schön die Ambivalenz in der öffentlichen Wahrnehmung zum Thema Versorgungssicherheit. Auf der einen Seite zunehmend mehr und größere Probleme im Alltagsbetrieb, die als klare  „schwachen Signale“ gewertet werden sollten. Auf der anderen Seite das Herunterspielen der Probleme, was auf eine gewisse Weise durchaus nachvollziehbar ist, da ja die Gesamtsituation („Durchschnittsfalle“) beherrschbar und „stabil“ ist. Aus systemischer Sicht zeigt sich hier ganz klar, dass hier eine Kumulation von negativen Entwicklungen stattfindet, die in einem komplexen System einen abrupten Phasenwechsel oder Kollaps herbeiführen können. Es mag durchaus stimmen, dass die aktuellen Probleme im Vergleich zu anderen Weltregionen marginal sind bzw. dort problemlos beherrscht werden (siehe etwa aktuell in Kalifornien). Systeme sind jedoch sehr unterschiedlich. Und das europäische Stromversorgungssystem ist ein hoch optimiertes und effizientes System, dass sehr empfindlich auf größer Störungen reagieren könnte. Sehr empfindlich bzw. sogar katastrophal wird die restliche lebenswichtige Infrastruktur bzw. Gesellschaft auf eine Großstörung oder ein Blackout reagieren, weil niemand damit rechnet. Daher sollten die steigenden Probleme nicht heruntergespielt werden und die Gesellschaft zur Vorsorge aufgerufen werden. Zusatzinfo zu den Hardwareschäden: 

Die FfE hat dies mal analysiert und kam zu dem Ergebnis, dass die Steuerungsrechner in der Industrie billiger wurden. Früher hatten sie große Stützkondensatoren in den Netzteilen, heute haben wir sehr effiziente kleine Netzteile, die aber schon bei wenigen fehlenden Wellen unterversorgt sind. Dies scheint einer der häufigsten Gründe zu sein wenn Industriesteuerungen aussteigen, und der Versorger keine Störung feststellen kann.

Diese Erkenntnis deckt sich leider mit den meinen. Die Kondensatoren werden immer billiger gebaut und wir bauen auch im Industrie-/Infrastrukturumfeld derzeit Dinge ein, die uns auch so in ein paar Jahren um die Ohren fliegen. Die geplante Opsoleszenz ist nicht nur mehr im Consumer-Bereich zu finden. Jüngste Bestätigung beim Stromausfall in ORF/ORS Sendeanlagen: „Außerdem mussten Netzteile ausgetauscht werden, die durch Stromausfälle defekt wurden.

Update 27.01.19 – Fehler in der Strommarktregulierung

Mit großem Interesse habe ich den Artikel „Der Tag, an dem der Strom knapp wurde“ (F.A.Z. vom 12. Januar) von Andreas Mihm gelesen. Ich bin selbst Stromhändler, und aus meiner Sicht zeichnen Sie das Bild nicht ganz vollständig. Deshalb würde ich gerne Folgendes ergänzen: Sie geben als Grund für die Schwankungen im Netz und die daraus resultierenden Abschaltungen insbesondere die volatile Einspeisung von Wind- und So-Ihr-Strom an. Das ist sicherlich nicht falsch. Doch bis vor ein paar Monaten war die volatile Einspeisung völlig unproblematisch für die Versorgungssicherheit, denn das System konnte mit der Volatilität effizient umgehen. Um genau zu sein, hat die Integration der erneuerbaren Energien bis Mitte Oktober 2018 sehr gut funktioniert. Doch dann hat die Bundesnetzagentur ein neues Vergabeverfahren auf dem Regelenergiemarkt eingeführt. Und dieses neue System, das Mischpreisverfahren, hat leider einige Schwachstellen, deren Folgen wir jetzt sehen. Denn das Mischpreisverfahren führt dazu, dass die Aktivierung von Regelenergie zum Ausgleich der eigenen Portfolioungleichgewichte für Energieversorger günstiger ist als der Ausgleich über den tagesaktuellen Handel. In der Folge wird mehr Regelenergie abgerufen, da Ungleichgewichte seltener durch kurzfristigen beseitigt werden. Bildlich gesprochen, ist das Bier am Kiosk jetzt billiger als im Supermarkt — und wie problematisch es ist, wenn die letzte Reserve vor der vorletzten Reserve verbraucht wird, sehen Sie am Beispiel des 14. Dezember 2018. An diesem Tag fehlten mittags 5000 Megawatt Strom aus Wind und Photovoltaik, in der Regelzone wurde teilweise über 2000 Megawatt positive Regelenergie abgerufen, also alles, was an Minuten- und Sekundärreserve zur Verfügung stand, und deshalb kam es zu Abschaltungen nach der Verordnung für abschaltbare Lasten. Das Mischpreisverfahren provoziert diese Situationen, weil es sich eben nicht mehr lohnt, die Ungleichgewichte im kurzfristigen Handel auszugleichen. Kommt dann hinzu, dass große Mengen an Regelenergie benötigt werden, wie am 14. Dezember, ist die Reserve schnell aufgebraucht, und es kommt zu Abschaltungen. Nur kurz zum Vergleich: Bis zur Einführung des Mischpreisverfahrens gab es im Jahr 2018 nicht eine Situation, in der mehr als 80 Prozent der verfügbaren Regelenergie abgerufen wurde. Seit Einführung des Mischpreisverfahrens kam dies bereits in 20 Viertelstunden vor. Vor allem den erneuerbaren Energien den Schwarzen Peter für die Abschaltungen unterzuschieben ist daher aus meiner Sicht unfair. Nicht die Erneuerbaren sind das Problem, sondern das neue Marktdesign. Das Mischpreisverfahren ist nicht in der Lage, die Erneuerbaren richtig zu integrieren. Wir sollten uns daher die Frage stellen, ob ein solches Marktdesign in Zeiten der Energiewende wirklich sinnvoll ist. MIRKO THODEN, OTTERSBERG

Anmerkungen Franz Hein

Durch das Eingreifen der BNetzA lohnt es sich für die Energiemarktteilnehmer nicht mehr, bestehende Ungleichgewichte zwischen Einspeisung und Bedarf im kurzfristigen Handel auszugleichen. Vielmehr werden die Reserven an Regelenergie missbraucht. Damit fehlen den Übertragungsnetzbetreibern diese unbedingt nötigen Reserven für das Ausregeln des Gesamtsystems. Das wiederum führt zu kritischen Systemzuständen. Schon seit langen gibt es Übergangsprobleme bei nahezu jedem Stundenwechsel, welche zu beachtlichen Frequenzabweichungen führen, weil die Kraftwerkseinspeisungen in den Fahrplänen der Händler treppenförmig und immer noch nicht rampenförmig festgelegt sind.

Schon kleinere Zeitlücken zwischen dem Ab- und Anfahren von Kraftwerken bedingen kurzzeitig einen Leistungsbedarf, wenn zu früh die Leistungseinspeisung abgesenkt und zu spät die geplante Leistungserhöhung erfolgt. Das entzieht dem Gesamtsystem Energie. Diese kommt im ersten Moment nur aus der Schwungmassenenergie aller am Netz befindlichen Synchrongeneratoren, also aus der Momentanreserve. Das hat ein Absinken der Drehzahl und damit der Frequenz zur Folge. Genauso kann ein zeitliches Überlappen des An- und Abfahrens beim Fahrplanwechsel zu überschießender Energie führen. Auch dieser Überschuss kann im ersten Moment nur als Schwungmassenenergie „vervespert“ werden. Damit erhöht sich kurzfristig die Drehzahl, also auch die Frequenz.

Die geschilderten Vorgänge sind die Konsequenzen aus dem Satz von der Erhaltung der Energie in abgeschlossenen Systemen. Sie erfolgen instantan (= augenblicklich), also ohne jeglichen Zeitverzug und ohne Einflussnahme von außen. Das ist ein Naturgesetz, das aber offenbar nicht genügend bekannt ist oder keine Beachtung findet. Denn es gibt selbst bei Fachleuten die Meinung (siehe eine dena-Studie), dass die Momentanreserve „nur“ die Frequenzänderung dämpft. Es gibt sogar Stimmen, die behaupten, dass Algorithmen die Momentanreserve obsolet (also verzichtbar) machen. Wie dann die Frequenz als Kenngröße für die Regelung entstehen soll, ist zumindest mir ein absolutes Rätsel.

Jede Frequenzänderung bedingt den Einsatz von Regelenergie (positiv oder negativ, je nach Auslenkung aus dem Leistungsgleichgewicht). Steht aber Regelenergie nicht ausreichend zur Verfügung (siehe oben die Folgen aus der Änderung des Marktdesigns), wird das System immer mehr aus dem Betriebspunkt „50 Hz“ ausgelenkt. Die Abweichung von der Sollfrequenz wird dadurch fortlaufend größer, bis endlich doch genügend Regelleistung aktiviert werden kann und so Regelenergie „verbraucht“ wird. Eine Möglichkeit ist noch das Abschalten großer Stromkunden, was in Frankreich beim 49,8 Hz-Vorfall automatisch erfolgte.

Nach dem Eindruck von einem Insider in einer der Leitzentralen der Übertragungsnetzbetreiber muss inzwischen alles für den Markt getan werden. Die Versorgungssicherheit hat nicht mehr die Priorität. Das geht nach meinen Kenntnissen inzwischen sogar soweit, dass Redispatchmaßnahmen ergriffen werden müssen, um dem Markt einen freien Handelsbereich zu garantieren, auch wenn damit den Stromkunden Kosten aufgebürdet werden. Das wird in den Netzentgelten „versteckt“. Ich kann das nur noch als einen staatlich erzwungenen Geldtransfer bezeichnen. Im normalen Leben würde ich einen solchen „Transfer“ Diebstahl nennen. Aber kann der Staat, dessen Regierung wir wählen, so handeln?

Und nun gibt es Empfehlungen einer Kohlekommission, die in ihrem Abschlussbericht sogar von Versorgungssicherheit „faselt“, aber keinerlei Vorstellungen hat, wie künftig das Ausregeln von Leistungsveränderungen bewerkstelligt werden kann. Dass so etwas ein „Markt“ gewährleisten kann, dagegen sprechen allein schon die Zeitabläufe. Solche Vorstellungen können nur von Marktfetischisten stammen, die von Naturgesetzen keine Ahnung haben. Im Stromsystem muss innerhalb von Sekunden das Ausregeln starten und längstens in einer Viertelstunde die Auswirkungen im System, z. B. eines Ausfalles, zurückgeführt sein. Wir haben allen Anschein nach keine Prüfungen bei Gesetzesvorhaben auf die damit verbundenen Nebenwirkungen