Wie kommt es zu Stromausfällen? Eine Energie-Professorin erklärt es dir

Ein Gewirr an Hochspannungsleitungen. Wir werden es für dich entwirren.Bild: AP/AAP

Interview

Frau Dr. Hug, wie funktioniert eigentlich ein Stromnetz? Und wie kommt es zu Ausfällen?

Patrick Toggweiler

Frau Prof. Dr. Hug, ich weiss, es gibt Kraftwerke, die Strom produzieren. Und ich weiss, es gibt Hochspannungsleitungen, über die der Strom transportiert wird. Damit erschöpft sich allerdings mein Wissen. Können Sie mir so einfach wie möglich erklären, wie ein Stromnetz funktioniert?
Gabriela Hug: Es gibt ein paar Dinge, die man wissen muss. Zum Beispiel, dass immer genau so viel Strom ins Netz eingespeist werden muss, wie in dem Moment gerade verbraucht wird.

Wenn ich also zu Hause meine Playstation anwerfe, dann muss irgendwer mehr Strom ins Netz speisen?
Sehr vereinfacht gesagt, ja. Sobald Sie Strom verbrauchen, verändert sich die Frequenz im Netz. Sie ist deshalb nicht stationär, sie sollte aber immer ungefähr gleich bleiben. Eine einzelne Playstation verändert die Frequenz nicht dramatisch. Sobald sich die Frequenz aber entscheidend verändert, das heisst sich die Last in grösserem Mass verändert, muss ein Ausgleich geschaffen werden.

Prof. Dr. Gabriela Hug vom Institut für Energieübertragung der ETH erklärt gegenüber higgs.ch, wie Synchronmaschinen funktionieren. Den ganzen Talk gibt es hier.screenshot: youtube/higgs

Und wie wird dieser Ausgleich geschaffen?
Dafür sind Synchronmaschinen in den Kraftwerken zuständig. Diese bestehen aus drehenden Rotoren, die zum Beispiel durch Dampf oder Wasser angetrieben werden. Die Drehgeschwindigkeit dieser Rotoren bestimmt die Frequenz im Netz, gleichzeitig entspricht diese Rotation kinetischer Energie. Mit dieser kinetischen Energie wird kurzfristig der Ausgleich geschaffen und deshalb verändert sich bei einer Laständerung auch die Frequenz. Längerfristig – innerhalb von Minuten – muss mehr Wasser oder Dampf zum Rotor geführt werden.

Der Laie glaubt, man könne so viel Strom wie möglich ins Netz einspeisen.
Nein. Wenn man zu viel produziert, steigt die Frequenz im Netz, denn die überschüssige Energie wird in Form von kinetischer Energie in den Rotoren gespeichert.

Was muss ich sonst noch über das Stromnetz wissen?
Sie können es sich wie ein Strassennetz vorstellen. Es gibt Autobahnen – das sind die Hochspannungsleitungen. Sie bilden ein grobmaschiges Netz. Dieses Netz erstreckt sich über die ganze Schweiz und im Verbundnetz auch über Westeuropa. Dieser Strom hat Höchstspannung, 220'000 Volt oder 380'000 Volt. Und dann gibt es die Land- und Quartierstrassen, die in die einzelnen Quartiere und zu den Abnehmern führen. Da ist die Spannung wesentlich geringer.

Und über dieses Netz und mehrere Netzstufen kommt der Strom dann zu meiner Playstation?
Genau. Der Strom sucht sich von der Produktion bis zum Abnehmer den einfachsten Weg.

Aha. Und was passiert, wenn irgendwo eine Leitung nicht funktioniert?
Da kommt es extrem darauf an, auf welcher Stufe sich diese Leitung befindet – und auf den Ausbau der Infrastruktur. In der Regel wird auf der «Autobahnebene», der Ebene der Hochspannungsleitungen, eine Sicherheit von n-1 eingebaut. Das heisst: Es kann eine Leitung ausfallen, ohne dass es zu Überlastungen im Netz und zu Stromunterbrüchen kommt.

Dann fliesst der Strom, der nicht mehr durch die unterbrochene Leitung kann, anderswo durch? Durch eine oder mehrere andere Leitungen?
Ja. Der Strom muss sich einen anderen Weg suchen. Nun besteht aber das Problem, dass jede Leitung ein gewisses Limit besitzt. Wird dieses überschritten, wird die Leitung mit einem Leitungsschalter unterbrochen.

Und der Strom muss sich wieder einen neuen Weg suchen.
Genau. Damit steigt die Gefahr, dass weitere Leitungen überlastet werden. So kann es dann zu Kettenreaktionen und grossflächigen Ausfällen kommen.

Wie kann man eine solche Kettenreaktion stoppen?
Wenn die Balance zwischen Erzeugung und Last nicht mehr stimmt, kann zum Beispiel automatisch «Ballast» abgeworfen werden. Man hängt bewusst gewisse Gebiete vom Netz ab. Man kann zum Beispiel Baden «aufgeben», um dafür den ganzen Kanton Aargau zu «retten».

Können wir nicht Olten aufgeben und Solothurn retten?
[lacht] Wieso?

Zwischen watson.ch und Olten funkt's eben immer so schön.
Olten ist aber super!

Ja, da haben Sie wohl recht! Aber zurück zu den Hochspannungsleitungen. Wieso wird nicht einfach eine Sicherung von n-2 eingebaut?
n-2 würde zu viel kosten, denn das Netz müsste stark überdimensioniert gebaut werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass gleich zwei parallele Hochspannungsleitungen ausfallen, ist ziemlich tief. Damit es zu einem Blackout kommt, müssten in der Regel mehrere dumme Zufälle eintreffen. So war das auch bei den letzten grossen Ausfällen in Italien und in den USA/Kanada 2003.

Hinweis

Wir haben dieses Interview 2019 im Rahmen der Stromkrise in Argentinien geführt. Aus aktuellem Anlass präsentieren wir es erneut.

Und jetzt in Argentinien?
Ich kenne das Netz dort zu wenig genau, um Aussagen zu diesem Fall machen zu können. Ausserdem kennt man, so viel ich weiss, die Ursachen noch nicht.

Okay, n-1, die Ebene der Hochspannungsleitung, ist klar. Wie sieht es auf tieferen Stufen aus?
Auf der höheren Ebene gibt es für den Strom mehrere Wege von A nach B. Auf den tieferen Ebenen beginnt das Verteilnetz radial zu werden. Das hat zur Folge, dass der Strom nur noch einen Weg zum Abnehmer hat. Dementsprechend grösser ist das Risiko für einen Ausfall und deshalb kommen kleine lokale Stromausfälle auch häufiger vor.

Das leuchtet ein. Trotzdem noch schnell zum Fall in Argentinien: Kann sowas in der Schweiz auch passieren?
Selbstverständlich ist theoretisch alles möglich. Das Schweizer Netz ist aber sehr gut ausgebaut und die Versorgungssicherheit ist hoch. Wie sich dies in der Zukunft mit dem Atomausstieg und dem Zubau von Erneuerbaren entwickeln wird, ist insbesondere langfristig noch nicht geklärt und Teil der Forschung.