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08 Feb 2016

Im Takt

Es ist nicht möglich, dass Photovoltaik und Wind die Kernenergie ersetzen können. Wir verkünden und begründen das immer wieder. Beide erzeugen unzuverlässigen Flatterstrom, der vor allem dann verfügbar ist, wenn man ihn nicht braucht.

Es gibt aber einen weiteren, vielleicht noch wichtigeren Grund, warum das niemals gehen wird. Man spricht kaum davon. Vielleicht, weil die Sache so schwer verständlich ist. Versuchen wir es – weil es so wichtig ist. Es geht um die Synchronisation, um den Takt.

In einem Orchester musizieren alle im Takt. Im gleichen Takt. Wenn nicht, entsteht nicht Musik, sondern Lärm. Wer gibt dem Orchester den Takt vor? Der Dirigent, natürlich, oder die Dirigentin. Auch eine mechanische Vorrichtung, ein Metronom, könnte den Takt vorgeben. Aber es geht nicht ohne einen Taktgeber.
Was hat das mit Strom zu tun?

Wechselstrom

Der Strom, der in unseren Leitungen fliesst, ist Wechselstrom. Er heisst so, weil er immer wieder die Richtung wechselt. Genau 100 Mal in jeder Sekunde. Das ist der Takt des Wechselstroms. Er hat eine Frequenz von 50 Hertz. Und wer gibt dem Wechselstrom den Takt vor? Jetzt sind wir beim Thema.
Stellen Sie sich ein kleines Wasserkraftwerk vor, das ein einziges Haus versorgt. (Ja, das gibt es immer noch!). Eine Wasserturbine treibt einen Generator an, der Wechselstrom produziert. Bei einem einzigen Kraftwerk spielt es keine grosse Rolle, wie schnell der Generator dreht, Hauptsache, er dreht immer gleich schnell. Die Techniker sagen, mit konstanter Drehzahl, das ergibt Wechselstrom mit einer konstanten Frequenz.

Im Haus, das an dieses Kraftwerk angeschlossen ist, brannte im Gang die ganze Nacht eine Lampe. Am Morgen steht die Hausfrau auf und schaltet eine weitere Lampe ein. Jetzt muss das Kraftwerk die doppelte Leistung erbringen. Woher kommt diese zusätzliche Energie? Aus der kinetischen Energie des Rotors im Generator. Der Rotor wird gebremst, er läuft langsamer, der Takt stimmt nicht mehr.
Natürlich haben die Erbauer des Kraftwerks das vorausgesehen und eine Einrichtung eingebaut, die das korrigieren kann; nennen wir sie einen Regler. Der Regler merkt, dass der Generator droht aus dem Takt zu geraten und öffnet das Ventil, welches den Wasserstrahl auf die Turbine regelt gerade so weit, dass die Taktfrequenz konstant bleibt. Das gleiche passiert, wenn der Kochherd eingeschaltet wird. Das Umgekehrte, wenn ein Licht ausgeschaltet wird. Jetzt kommt zu viel Energie aus dem Wasserstrahl, sie lässt den Generator schneller drehen, doch der Regler verhindert das, indem er den Wasserstrahl leicht drosselt. Der Generator bleibt im Takt. So wird im Prinzip die Leistung geregelt: über die Drehzahl des Generators – das ist das gleiche wie die Frequenz des Wechselstroms.

Jetzt wurde das Haus zum Hotel ausgebaut und benötigt mehr Strom. Ein zweites Kraftwerk wird gebaut. Jetzt wird aus dem Solo ein Duett.
Zwei Musiker können auch ohne Dirigent im Takt spielen. Einer der beiden gibt den Takt vor. Nicht nur der Takt muss stimmen, sondern auch der Einsatz. Es genügt nicht, dass beide gleich schnell spielen. Wenn die Violinistin dem Pianisten einen halben Takt voraus eilt, tönt es nicht gut.

Synchronisation

Genau so ist es bei zwei Kraftwerken, die zusammenspannen. Die Generatoren beider Kraftwerkeerke müssen nicht nur gleich schnell drehen, sondern auch im Takt. Der Wechselstrom aus beiden Generatoren muss gleichzeitig die maximale Spannung erreichen und gleichzeitig durch null gehen. Das nennt man Synchronisieren.
Jetzt wird ein zweites Haus gebaut, das am zweiten Kraftwerk angeschlossen wird. Wird es also vom ersten Kraftwerk nicht versorgt? Doch: Wenn im zweiten Haus mehr Strom benötigt wird, aber das Ventil im Kraftwerk 2 bereits voll geöffnet ist, droht die Frequenz zu sinken, auch im ersten Haus. Das merkt Kraftwerk 1 und öffnet sein Ventil. So muss Kraftwerk 2 weniger Leistung ans Haus 1 liefern und kann Haus 2 versorgen.
So weit so vorstellbar. Unser Stromnetz besteht aber aus hunderten von grossen und kleinen Kraftwerken und Millionen von Verbrauchern. Bis vor einigen Jahren waren das alles Kraftwerke mit Generatoren, mit einer rotierenden Masse, angetrieben von Wasserturbinen oder Dampfturbinen in Kernkraftwerken.  Sämtliche Generatoren rotieren nicht nur exakt gleich schnell, sondern auch im Takt. Jeder liefert in der gleichen Tausendstel Sekunde die gleiche Spannung wie alle andern.
 

Leitstellen

Damit nicht genug: Unser Netz ist nur ein Teil des europäischen Netzes. Sämtliche Kraftwerke in Europa sind auf diese Weise synchronisiert. Die Generatoren in einem Gaskraftwerk in Apulien, in einem Kernkraftwerk in der Bretagne, einem Wasserkraftwerk im Wallis und einem Kohlekraftwerk in der Lausitz laufen alle gleich schnell und im Takt.
Das ist ein riesiges Orchester. Diese Synchronisation geht nicht ohne Dirigent. Der Dirigent, das ist die Leitstelle. In der Schweiz befindet sich diese in Laufenburg. Es gibt in Europa weitere, die natürlich eng zusammenarbeiten. Die Frequenz-Stabilisierung gelingt, weil der Strom grösstenteils aus Generatoren stammt, in denen ein schwerer Rotor rotiert. Kleine und kurzfristige Änderungen der Last können von der Trägheit der Rotoren aufgefangen werden und lassen so den Reglern Zeit, die Leistung anzupassen.
 

Negative Last

Photozellen haben keine rotierende Masse. Sie produzieren Gleichstrom. Damit die Leistung ins Netz eingespeist werden kann, muss diese zuerst durch einen elektronischen Wechselrichter in Wechselstrom mit einer Frequenz von genau 50 Herz umgewandelt und mit dem Netz synchronisiert werden. Das Netz „sieht“ diese Leistung aber nicht gleich wie die aus Generatoren. Sie kann nicht helfen, zu regeln, im Gegenteil, sie erfordert mehr Regelaufwand. Leistung aus Solar- und Windkraftwerken wirkt wie eine negative Last, die ausgeregelt werden muss. (Bitte den Begriff "negative Last nicht auf Wikipedia nachschauen. Er existiert offiziell nicht. Wie haben ihn erfunden, um – hoffentlich – die Anschaulichkeit zu verbessern.) Das geht gut, solange der Anteil dieser negativen Last klein ist. Sobald sie einen erheblichen Anteil ausmacht kommt die Regelfähigkeit der Generatoren rasch an ihre Grenze. Das ist mit ein Grund, warum der Generator des stillgelegten Kernkraftwerks Biblis im Leerlauf mitläuft – synchronisiert und im Takt. Die kinetische Energie seines Rotors dient gewissermassen als Sekundenreserve und ausserdem als Kompensator von Blindleistung – aber das ist ein anderes Thema!

Redispatch

Kaum thematisiert werden die Kosten! Das ungeplante Zu- oder Ausschalten von Leistung – unter Fachleuten „Redispatch“ genannt – kostet Geld. Solange das pro Jahr ein halbes Duzend mal nötig war, fielen diese Kosten nicht ins Gewicht. Aber letztes Jahr war ein Redispatch in Deutschland fast stündlich nötig. Die geschätzten Kosten beliefen sich auf eine Milliarde Euro – Tendenz stark steigend! Gemäss Verursacherprinzip müssten die Betreiber der Solar- und Windkraftwerke diese Kosten tragen. Aber statt dass man von ihnen eine Einspeisegebühr erhebt, belohnt man sie mit einer Einspeisevergütung! Die Summe dieser Vergütungen belief sich in Deutschland 2014 auf stolze 24 Milliarden Euro – um Strom zu produzieren, der am Markt für 3,8 Milliarden verkauft werden konnte.

In der Schweiz sind wir noch nicht so weit – aber auf dem besten Weg dahin. Wenn nicht noch jemand die Notbremse zieht.

http://www.netztransparenz.de/de/Redispatch.htm

 

 

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