Versorgungssicherheit und Netzstabilität

Autoren: Bernhard Suter, Jörg Hofstetter –

Nach dem Stromausfall in Spanien und Portugal am 28. April 2025 wird das Thema einer zuverlässigen Stromversorgung aktuell wieder heftig diskutiert.
In solchen Diskussionen sollten wir einen Unterschied machen zwischen Versorgungssicherheit und Netzstabilität. Bei der Versorgungssicherheit geht es um die Bereitstellung von genügend Energie, bei der Netzstabilität um die dynamische Kontrolle des Netzes, damit diese Energie auch ausgeliefert werden kann.

Ein Problem der Versorgungssicherheit besteht darin, dass es im Energiemarkt für gewisse Stunden nicht genügend Angebote gibt. Das Resultat davon kann sein, dass die Stromnetzbetreiber einen Lastabwurf durchführen müssen. Für die Verbraucher kann dies zu Stromrationierung führen indem der Strom in bestimmten Gebieten zu gewissen Zeiten abgestellt werden muss (sog. Rolling-Blackouts). Eine solche Strommangellage kann sich möglicherweise über Monate ausdehnen, wie z.B. in Kalifornien um das Jahr 2000. Wenn wir über Szenarien für den Ausbau der Energieproduktion und der Kapazität der Übertragungsnetze diskutieren, dann geht es in ersten Linie um die Garantie der Versorgungssicherheit. Wir haben dieses Thema auch schon z.B. in diesen Hintergrundberichten aufgegriffen.

Versorgungssicherheit ist eine Voraussetzung für ein stabiles Netz, aber damit ist die Netzstabilität noch nicht gewährleistet. Der Jongleur im obigen Bild verliert die Kontrolle nicht, weil er zu wenig Keulen hat, sondern weil er aus dem Takt gerät.

Bei der Netzstabilität geht es um die dynamische Feinabstimmung von Angebot und Nachfrage zu jeder Zeit.

Diese wird hauptsächlich von Übertragungsnetzbetreibern  gewährleistet – in der Schweiz ist heute die Swissgrid dafür verantwortlich. In enger technischer Zusammenarbeit mit den anderen Netzbetreibern des europäischen Netzverbundes ENTSO-E betreiben diese einen Markt für Regelleistungen. Wenn mit der Regulierung der Netzstabilität etwas schief geht, dann kann es sein, dass sich Kraftwerke und andere Anlagen zum Schutz vom Netz trennen und damit ein Teil des Netzes zusammenbricht. Dies kann zu einem grossflächigen, totalen Stromausfall führen, der jedoch in der Regel nur ein paar Stunden andauert, bis das Netz sorgfältig wieder von null auf in Betrieb genommen werden kann.

Stromnetze werden in der Regel so betrieben, dass sie den Ausfall der grössten einzelnen Anlage verkraften können (N-1 Redundanz), da isolierte, unabhängige Mehrfachausfälle extrem selten sind. Andererseits besteht das Risiko von verknüpften Mehrfachausfällen durch potenzielle Kaskadeneffekte oder Extremereignisse wie Unwetter oder Fremdeinflüsse (Kriege, Terrorismus, Cyber-Attacken).

Kurzfristige Schwankungen im Stromnetz stellen eine besondere Herausforderung für die Netzstabilität dar, da sie so schnell ausgeglichen werden müssen, dass für ein gezieltes Zu- oder Abschalten zusätzlicher Generatoren keine Zeit bleibt. Diese Aufgabe übernehmen Generatoren mit automatischer Leistungsregelung. Dank der Massenträgheit ihrer rotierenden Komponenten können sie selbst extreme Leistungsspitzen im Teilbereich von Sekunden abfedern. Im Zuge der Umstellung auf eine nachhaltige Energieversorgung fallen jedoch zunehmend solche großen, rotierenden Generatoren weg. Moderne Batteriespeichersysteme mit netzbildenden Wechselrichtern können technisch diese Funktion ebenfalls übernehmen, ihr wirtschaftlicher und bedarfsgerechter Ausbau ist eine zentrale Aufgabe.

Fazit: Beide Aspekte, Netzstabilität und Versorgungssicherheit, sind zentral. Die technologischen Mittel, um sie auch bei einem forcierten Ausbau der erneuerbaren Energien zu gewährleisten, sind vorhanden oder in Entwicklung, erfordern aber konsequente Investitionen und angepasste Rahmenbedingungen.

Historisch-technischer Exkurs:

Seit der Entstehung der ersten Stromnetze im 19. Jahrhundert dient die Netzfrequenz zur Regelung der Leistungsbilanz im Netz. Diese Frequenz steht in direkter Verbindung zur Drehgeschwindigkeit der grossen Generator und Elektromotoren (synchrone Maschinen) welche lange Zeit die grössten Produzenten und Verbraucher im Netz waren.

Ist die momentane Leistung im Netz etwas zu tief, so verlangsamen sich alle diese synchronen Maschinen ein bisschen, ist die Leistung zu hoch so beschleunigen diese. Dank der Massenträgheit wirken diese Maschinen wie ein grosses Schwungrad, das sich abrupten Veränderungen der Drehgeschwindigkeit widersetzt. Diese Trägheit, auch Momentanreserve genannt, ist eine erste passive Stufe der Netzstabilität.

Die nächste Stufe sind die Leistungsregler an den Antriebsmaschinen der Generatoren, welche mit ein bisschen Verzögerung auf die fallende oder steigende Drehzahl reagieren. Die Kraftwerken welche an dieser Primärregelung teilnehmen, dürfen nicht ganz mit Volllast laufen und müssen immer bereit sein innert Sekunden mehr oder weniger “Gas” zu geben – bzw. Wasser, Dampf oder womit auch immer der Generator angetrieben wird.

Die nächste Stufe zur Erhaltung der Netzstabilität sind sind Kraftwerke (oder Verbraucher), die auf Abruf bereitstehen, innert 5-15 Minuten ihren Betrieb zu ändern. Also um mehr oder weniger zu produzieren (bzw. zu verbrauchen) als im Fahrplan vorgesehen ist. Dies dient z.B. dazu, dass die Leistungsregler der Primärreserve wieder in ihre Ruhelage zurückkehren können oder um den Netzfahrplan von den Prognosen an die Realität anzupassen.

Mit der Modernisierung der Stromnetze sind heute immer weniger synchrone Maschinen am Netz. Wind und PV Anlagen sind in der Regel über elektronische Wechselrichter ans Netz gekoppelt. Ausserdem sind auch immer mehr Motoren asynchron über Energiesparende Leistungselektronik indirekt ans Stromnetz angeschlossen.

Die Mehrheit der Wechselrichter werden heute als netzfolgend betrieben. Das heisst, dass sich diese nicht aktiv an der Regelung der Netzfrequenz und der Balancierung der Leistung beteiligen. Es gibt aber auch netzbildende Wechselrichter – vor allem in grossen Batteriekraftwerken – welche elektronisch das Verhalten von traditionellen synchronen Generatoren nachbilden, inklusive simulierter Massenträgheit und frequenzgesteuerter Leistungsregelung.

Im Gegensatz zu traditionellen Grosskraftwerken mit Anschlussleistung im Gigawatt Bereich sind PV und Wind Generatoren in der Regel kleiner oder modular aus kleineren Teilen aufgebaut. Um wirksam in die Prozesse der Übertragungsnetzbetreiber zur Netzstabilität eingebunden zu werden müssen diese in der Regel als Pools oder Virtuellen Kraftwerke organisiert werden.