Bisher haben Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerke das Netz stabil gehalten. Das ändert sich, wenn mehr Wind- und Solarkraft eingespeist wird. ETH-Ingenieur Florian Dörfler über die Probleme der Energiewende und die Lehren aus dem Stromausfall in Spanien.
Der Stromausfall, der vor zwei Wochen Spanien und Portugal lahmlegte, entbrannte schnell eine Debatte darüber, inwiefern die Energiewende, und insbesondere die Wind- und Solarkraft, Schuld hatten.
Antworten auf diese Fragen können Ingenieure geben. Bislang hätten die Generatoren der konventionellen Kraftwerke – ob Wasser-, Kohle- oder Atomkraftwerke – das Netz stabil gehalten, erklärt Florian Dörfler, Professor am Departement Informationstechnologie und Elektrotechnik an der ETH in Zürich.
Das aber ändert sich, wenn mehr Wind- und Solarkraft ins Netz eingespeist wird. Diese grünen Kraftwerke produzieren Gleichstrom, der über einen Wechselrichter erst in Wechselstrom umgewandelt werden muss.
Nach dem Stromausfall sind mehrere Beobachter schnell zu dem Schluss gekommen, die erneuerbaren Energiequellen seien schuld. Was ist an dieser Argumentation richtig, und was ist daran falsch?
Was stimmt: Der grosse Flaschenhals, wenn man viele Erneuerbare integrieren will, ist nicht die Variabilität der Erneuerbaren, wie die Bevölkerung allgemein meint. Sondern: Wie hält man das Netz stabil? Aber das hängt nicht unbedingt mit den erneuerbaren Energiequellen zusammen, sondern mit der Leistungselektronik, die die Erneuerbaren einspeist.
Können Sie ein Beispiel geben, wie erneuerbare Energie ins Netz eingespeist wird?
Zum Beispiel werden moderne Wasserkraftwerke heute so gebaut, dass sich die Generatoren nicht mehr mit 50 Hertz drehen, sondern so, wie gerade das Wasser fliesst. Die Leistungselektronik, mithilfe sogenannter Wechselrichter, regelt das dann auf 50 Hertz hoch oder herunter. [Anmerkung der Redaktion: Das ist die Frequenz, bei der das europäische Netz stabil ist.]
Kohle-, Gas- und Atomkraftwerke speisen dagegen Wechselstrom direkt ins Netz ein. Wie funktioniert das?
Wie Wechselstrom erzeugt wird, geht zurück auf eine 120 Jahre alte Technologie und auf Herrn Nikola Tesla: Ein grosser Eisenkern dreht sich in einem Magnetfeld und induziert dadurch Ströme und Spannungen.
Was hat das mit der Stabilität des Netzes zu tun?
Dieser grosse Eisenkern ist eine träge Masse. Selbst wenn es zu Fluktuationen oder Störungen im Netz kommt, würde er sich robust weiterdrehen, mit der gleichen Geschwindigkeit. Im Prinzip wie bei einem Spinning-Bike im Fitnessstudio, dessen Pedale sich weiterdrehen. Diese Trägheit gibt es mit Wechselrichtern nicht.
Welche Rolle spielen diese Wechselrichter nun aber in der Energiewende?
Über kurz oder lang wird das Netz immer mehr von diesen Wechselrichtern dominiert. Alle Erneuerbaren, neue Wasserkraft, aber auch Hochspannungs- und Gleichspannungsleitungen sind mit Wechselrichtern zwischengeschaltet. Und da ist momentan der Flaschenhals: Wie macht man diese Wechselrichter robust? Wie hält man das Netz stabil, vor allem im Falle eines Fehlers?
Wir sind in einer Übergangsphase, was bedeutet das für die Art und Weise, wie wir das Stromnetz handhaben?
Das führt zu absurden Entwicklungen: Vor über zehn Jahren wurde in Deutschland das Nuklearkraftwerk Biblis abgeschaltet. Aber man hat den Generator, diese träge Masse, für einige Jahre mithilfe des Stroms aus dem Netz weiterlaufen lassen, um damit Spannungen und Frequenzen am Netz zu stabilisieren. Anstatt Strom zu liefern, hat der Generator nur noch Strom verbraucht.
Ist das ein Modell, das man so in die Zukunft tragen könnte?
Könnte man. Aber das ist natürlich eine sehr archaische Technologie und verursacht mechanische und elektrische Verluste. Ich glaube nicht, dass das auf lange Frist die Lösung wird.
Welche Lösung bevorzugen Sie?
Die beste, billigste Lösung ist immer eine Softwarelösung, und darauf wird es über kurz oder lang hinauslaufen. Technologisch gesehen haben wir alle Lösungen in der Schublade liegen. Man muss sie nur umsetzen. Es gibt auch «netzbildende» Wechselrichter – also Wechselrichter, die sich automatisch synchronisieren und so das Netz stabilisieren können. Das ist eine Technologie, die vor zehn, elf Jahren entwickelt wurde und auch immer robuster wird. Die müsste man einfach flächendeckend einführen.
Warum ist das nicht der Fall?
Momentan ist der kleinste Anteil aller Erneuerbaren mit diesen Wechselrichtern und der notwendigen Software ausgestattet. Überall in Europa, aber auch in den USA schreiben Leute an den Regulationen. Es gibt die Technologie, aber was es noch nicht gibt, sind die Standards.
Auch in Spanien gab es nach dem Stromausfall Kritiker, die sich über die fehlende Regulierung ausgelassen haben. Warum ist das kompliziert?
Es gibt Hunderte Hersteller für Wechselrichter, für Windturbinen, für Solar, für Batterien. Jeder kocht sein eigenes Süppchen. Man muss jetzt schauen, dass diese Anlagen kompatibel sind. Diese Standards gibt es eben noch nicht, sie werden gerade erst geschrieben. Natürlich hätte man sie gut fünf, sechs Jahre früher schreiben sollen.
Sie sagen zwar, dass es die technischen Lösungen gebe. Aber gleichzeitig galt bisher auch, dass sich die netzbildenden Wechselrichter bei einem Störfall abschalten. Gibt es Auswege?
Bei dem Wechselrichter gab es lange einen Flaschenhals: Wie schafft man es, dass sie sich selbst im Falle eines Fehlers weiterhin synchronisieren können, also wenn es grosse Spannungseinbrüche gibt? Jetzt glaube ich, dass wir dafür eine gute Lösung gefunden haben.
Sie haben einen neuen Algorithmus für den Wechselrichter entwickelt, mit dem Windkraft- oder Photovoltaikanlagen wohl weiterhin Strom liefern und zur Stabilität beitragen könnten. Warum war die Lösungsfindung so schwierig?
Es ist eines dieser Probleme, die man nicht mit Geld oder Arbeitskraft lösen kann. Es braucht einfach eine zündende Idee. In dem Fall war es bei uns dann ein Masterstudent, der sechs Monate Zeit hatte, sich richtig einzudenken.
Infolge des Stromausfalls in Spanien sind nun aber grundsätzliche Zweifel an der Stabilität eines grünen Stromnetzes aufgekommen. Was sagen Sie dazu?
Das ist die brennende Frage: Hätte ein konventionelles Netz, mit vielen Synchrongeneratoren, überlebt oder nicht? Bis jetzt wissen wir die Antwort nicht. Es kann sein, dass die Wechselrichter dazu beigetragen haben, dass wir einfach zu wenig Trägheit hatten oder uns im Fehlerfall nicht robust genug synchronisieren konnten. Aber das ist momentan Spekulation.
Dennoch steht fest: Die Energiewende stellt uns vor technische Herausforderungen. Unser Energiesystem wurde nicht nach den Anforderungen erneuerbarer Energien gebaut.
Im Prinzip wurde es auf die Anforderungen von 1880 gebaut.
Aber wir können das System jetzt nicht einfach niederreissen und neu bauen. Wo sind die Reibungspunkte?
Die Leute haben sehr aggressiv die Erneuerbaren integriert und sehr aggressiv diese Energie- und Marktliberalisierung vorangetrieben, bevor die Technologie dafür bereit war. Beispielsweise sollte jedes Kraftwerk, ab einer bestimmten Leistung, netzbildend sein und eine Art virtuelle Trägheit liefern können, also die mechanische Trägheit der klassischen Kraftwerke emulieren. Dafür gibt es jede Menge Lösungen. Was es nicht gibt, sind die Standards, der Zwang und der Business-Case.
Wie macht man das zum Geschäft?
Es gibt Energiemärkte für virtuelle Trägheit. Ein Beispiel: Ich könnte neben meiner Solarfarm eine Batterie stellen, die im Fehlerfall in den ersten Sekunden die Rolle einer virtuellen trägen Masse übernimmt und schnell Energie absorbiert oder wieder ans Netz abgibt. Das könnte sowohl netzbildend fungieren als auch die Rolle der trägen Masse übernehmen. Aber momentan gibt es weder den Zwang noch den Markt dafür.
Warum haben Stromproduzenten keine Anreize, diese Rolle für die Stabilität des Netzes zu übernehmen?
Ich bekomme mehr Geld, wenn ich einfach Energie einspeise und diese verkaufe.
Viele Kritiker der erneuerbaren Energien sagen, mit konventionellen Kohle- oder Nuklearkraftwerken wäre ein Stromausfall wie derjenige auf der Iberischen Halbinsel nicht geschehen. Stimmt das?
Die Chronologie des Ausfalls zeigt, dass es aus unbekannten Gründen grosse Schwingungen im europäischen System gab. Es gibt im europäischen Netz jedoch genügend Synchrongeneratoren, das hat also nichts mit Erneuerbaren zu tun. In Spanien sind dann innerhalb von wenigen Sekunden zwei Kraftwerke ausgefallen. Man weiss nicht genau, warum. Aber kein Netz der Welt hätte den Ausfall von zwei Kraftwerken verkraftet, auch ein konventionelles nicht.
Warum ist die Tatsache, dass zwei Kraftwerke vom Netz gingen, ein solcher Schock für das Stromnetz?
Jedes Netz wird dafür ausgelegt, dass es einen Worst-Case-Fehler aushält. Und dieser Worst-Case-Fehler ist normalerweise der Verlust eines grossen Kraftwerkes.
Aber in Spanien blieb es ja nicht nur bei dem Verlust dieser zwei Kraftwerke.
Wenige Sekunden später sind dann ungefähr 15 Gigawatt – also ein Grossteil der spanischen Erzeugung – ganz schnell vom Netz gefallen. Und das könnte mit den Erneuerbaren zusammenhängen. Die Frequenzen sind, nachdem die zwei Kraftwerke ausgefallen waren, sehr schnell gefallen. Und die erneuerbaren Energien wurden so ausgelegt, dass sie sich, wenn sie diese Art von Signalen sehen, einfach aus dem Netz ausklinken.
Ist das ein Schutzmechanismus, damit sie im Störfall nicht beschädigt werden?
Genau, um sich zu schützen. Aber ein konventionelles Kraftwerk, mit diesen grossen Schwungrädern, mit dieser trägen Masse, hätte sich vielleicht noch länger robust mitgedreht und vielleicht ein paar Sekunden länger überstanden. Vielleicht wäre das lang genug gewesen, um schnell die Back-up-Generation ans Netz zu holen. Wer weiss.
Es braucht also diese Pufferzeit, um reagieren zu können und einen Stromausfall abhalten zu können.
Die träge Masse gibt dir noch vier bis fünf Sekunden mehr Zeit, um zu reagieren. Wenn man genügend Batterien in Spanien gehabt hätte, die innerhalb dieser vier bis fünf Sekunden schnell hätten hochfahren können und ein paar Gigawatt an Leistung ins System hätten schicken können, hätte man es vielleicht stabilisieren können. Grundsätzlich brauchen wir schnelle Speicher, Batterien zum Beispiel. Aber auch Schwungräder. Diverse Startups bauen an Schwungrädern, die sowohl als Speicher dienen als auch träge Masse liefern. Das wären alles mögliche Lösungen.
Insbesondere Unterstützer der Atomkraft sagen, mit Kernkraftwerken wäre das sicher gelungen. Stimmt das?
Ich lese immer wieder: «Nukleargeneratoren hätten die Situation gerettet.» Das stimmt nicht. Nukleargeneratoren haben zwar sehr viel träge Masse, aber man kann sie nur sehr langsam rauf und runter regeln. Sie wären also niemals in der Lage gewesen, innerhalb von drei Sekunden diese Leistung zu stellen, eher innerhalb von einer halben Stunde. Man braucht in dem Fall Energiequellen, die man sehr schnell rauf und runter regeln könnte, zum Beispiel Batterien und andere Speicher. Gaskraftwerke wären auch möglich.
Die Ereignisse in Spanien sind ein Weckruf, so viel ist klar. Aber sind sie auch der erste grosse Stromausfall der Ära der erneuerbaren Energie?
Nein. Wir hatten ein gleichartiges Blackout schon in Australien, im Jahr 2016. Auch dort war der Stromanteil der Erneuerbaren sehr hoch, dann gab es eine grosse Störung, in dem Fall einen grossen Sturm, der ein paar Leitungen lahmgelegt hat, und ein Blackout folgte. Das war also das erste richtig grosse Ereignis, wo man sich fragen konnte: Hätte ein konventionelles Netz diese Störungen überlebt? Die Schlussfolgerung in Australien ist: Ja, ein konventionelles Netz hätte überlebt.
Es gibt viele Gründe, die für eine Energiewende sprechen. Aber offensichtlich wurde bei der Reihenfolge versagt. Das untergräbt auch das Vertrauen der Bevölkerung in grüne Energiealternativen. Was wurde falsch gemacht?
Man hat Erneuerbare sehr schnell und sehr aggressiv integriert, ohne dafür die technologischen Rahmenbedingungen zu schaffen. Für mich ist die Schlussfolgerung: zuerst die Standards schaffen, bevor man die Technologie integriert.
Hätte man also mit der Energiewende warten sollen, bis Standards formuliert worden wären? Hätte man damit in Kauf nehmen müssen oder sollen, dass die Energiewende womöglich langsamer vonstattengeht?
Nein, natürlich nicht. Sonst wäre nie etwas vorwärtsgegangen. Viele der zentralen Probleme, beispielsweise die Trägheit und netzbildende Wechselrichter, wurden selbst den Experten erst vor zirka zwölf Jahren bewusst. Aber heute sollte man die Technologie vor die Märkte stellen. Momentan ist es andersherum: Ein Problem im Netz wird identifiziert, daraufhin wird ein entsprechendes Energiemarktprodukt kreiert, die Technologie folgt, und die Standards kommen erst ganz am Ende.
