Solarstrom und das 50,2 Hertz-Problem: Warum die Energieversorger doch nicht so böse sind

Schon seit längerer Zeit wird über das so genannte 50,2-Hertz-Problem geredet, das besonders die Betreiber von Photovoltaik-Anlagen betrifft, weil hier Umrüstungen beziehungsweise Erweiterungen an der Anlagenausstattung durchzuführen sind.Vielen ist jedoch nicht so richtig klar, warum diese technischen Änderungen notwendig sind. Nachfolgend zeigt Björn-Lars Kuhn, (Proteus Solutions GbR) anschaulich, warum das Problem eigentlich besteht und wie es  in den Griff zu bekommen ist.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Ausgangsprobleme und ein paar physikalische Grundlagen, die das 50,2-Hertz-Problem erst entstehen lassen.

Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch herstellen
Zu den physikalischen Grundlagen gehört, dass reine Übertragungsnetze, also Leitungen, keine elektrische Leistung speichern können. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, dass immer so viel Leistung produziert bzw. zur Verfügung gestellt werden muss, wie von den Verbrauchern verlangt wird. Das war in der Vergangenheit von den Energieversorgern durchaus planbar, weil Erfahrungswerte und entsprechende Daten zum Verhalten der Verbraucher vorlagen.
Mit Ausbau der erneuerbaren Energien – insbesondere Wind und Photovoltaik – wurden diese Erfahrungswerte entsprechend verwässert, da nun Energiemengen in das Netz eingespeist werden, die schwieriger zu planen sind. Gerade bei diesen volatilen Energiemengen, die naturgemäß stark Wetter abhängig sind, müssen gute Prognosen vorliegen, um das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch zu garantieren.
Ausschlaggebend für diese Situation ist auch die gesetzliche Verpflichtung, dass Energie, die durch erneuerbare Erzeugungsformen produziert wird, in jedem Falle vom Netz (-betreiber) abgenommen werden muss. Das ist einerseits zwar gut, da z.B. zur Mittagszeit der Strompreis extrem sinkt, stellt aber die Energieversorger vor extreme Herausforderungen, die kaum ein PV-Anlagenbetreiber hören will.
Da gerade die volatilen Energien von einer Minute zur anderen extreme Erzeugungsschwankungen produzieren können, auf der Verbrauchsseite allerdings oft kaum Veränderungen zu verzeichnen sind, kommt es zu einem Überangebot oder auch zu einem Mangel an elektrischer Leistung, der ausgeglichen werden muss.
Ohne Ausgleich können elektrische Anlagen – bis hin zum Verbraucher – beschädigt werden oder es kann zu den gefürchteten großflächigen Stromausfällen (Blackouts) kommen.
Die 50,2-Hertz-Problematik ergibt sich aus diesem Missverhältnis zwischen Überangebot oder Mangel, da sich bei einem Mangel an Leistung die Netzfrequenz verringert und bei einem Überangebot erhöht. Das kann man sich nur schwer vorstellen, ist aber an einem einfachen Beispiel erklärbar.

Das "Dynamo"-Prinzip
Früher wurde nahezu die komplette Leistung über bewegliche Generatoren – ähnlich wie bei einem Fahrrad-Dynamo – erzeugt. Je mehr Verbraucher angeschlossen wurden, desto mehr Kraft wurde benötigt um diese Energie zu erzeugen. Dadurch wirkt eine plötzliche Lastzuschaltung wie eine Art Bremse und die Rotationsgeschwindigkeit sinkt ab, was dann  – bedingt durch das Dynamoprinzip – eine Reduzierung der Frequenz zur Folge hat. Ähnlich verhält es sich dann bei plötzlichem Lastwegfall; die Rotationsgeschwindigkeit steigt schnell an und die Frequenz erhöht sich.
Nun müssen aber alle Erzeuger im deutschen und europäischen Netz die Frequenz entsprechend in engen Grenzen einhalten und sogar synchronisieren; dies wurde bereits seit Jahren festgelegt. Würde dies nicht gemacht werden, so hätte das fatale Auswirkungen bis hin in den privaten Haushalt, da ja alle elektrischen und elektronischen Geräte auf diese einheitlichen Spannungs- und Frequenzvorgaben ausgelegt sind. Bei großen Leistungsübertragungen kann es durch Frequenzabweichungen zu unerwünschten Stromflüssen kommen, die potentiell auch eine hohe Zerstörungskraft gegenüber der Infrastruktur haben können.
Der Ausbau der erneuerbaren Energien, der de facto rasanter vorangetrieben wurde, als erwartet stellt nun die Netzbetreiber und Energieversorger vor entsprechend höhere Herausforderungen. Ein weiteres Beispiel:Das "Biergartenproblem"
Ein Biergarten in Bayern hat sich auf das Tagesgeschäft vorbereitet. Die Wetteraussichten für diesen Tag waren eher düster: leichter Regen, kaum Sonne, Temperaturen nur bis 18 Grad. Entsprechend plante der Wirt nur fünf Servicekräfte ein.
Entgegen der Vorhersage scheint an diesem Standort doch die Sonne mehr als erwartet, so dass unerwartet eine Menge mehr Gäste in den Biergarten strömen, die das gute Wetter ausnutzen wollen. Damit sind die fünf Servicekräfte entsprechend gefordert und die Wartezeiten der einzelnen Gäste verlängern sich. Der Wirt reagiert natürlich sofort und ruft noch rund zehn Aushilfskräfte an, die zur Unterstützung kommen müssen. Allerdings dauert das eine Weile bis diese vor Ort sind. Währenddessen kommen noch ungeplant zwei Busse mit japanischen Touristen an, die den Engpass noch erhöhen. Die Stimmung der wartenden Gäste sinkt.
Nach einiger Zeit kommen die angeforderten Aushilfskräfte vor Ort an. Bevor diese allerdings richtig anfangen können ziehen doch Wolken auf und es kommt zu einem Gewitter. Die Mehrheit der Gäste verlässt zügig den Biergarten und der Wirt steht jetzt mit 15 Servicekräften vor einem fast leeren Lokal.

Leistungsdifferenzen rasch ausgleichen
Die Energieversorger und Netzbetreiber in Deutschland stehen vor einem ähnlichen Problem. Durch Wetterverhältnisse und die Abnahmeverpflichtung der Leistungen aus erneuerbaren Energien müssen Überschuss und Mangel durch die Energieversorger kompensiert werden. Dafür arbeiten die Energieversorger mit entsprechenden Konzepten (Primär-, Sekundärregelung, Minutenreserve) um innerhalb extrem kurzer Zeit – bei der Primärregelung beispielsweise in max. 30 Sekunden – hohe Leistungsdifferenzen ausgleichen zu können. Die Infrastruktur in Deutschland und Europa ist allerdings nur in bestimmten Grenzen fähig, diese Schwankungen auszugleichen.
In Deutschland werden insgesamt 7.000 Megawatt positiver Regelleistung (zusätzliche Leistung für den Engpassfall), und 5.500 Megawatt negativer Regelleistung (Senkung der Produktion bzw. künstliche Erhöhung des Verbrauchs) vorgehalten.

Netzfrequenz von 50,2 Hertz ist die Obergrenze
Da Solarstromanlagen, vor allem in der Summe in Deutschland, nun erheblich größere Schwankungen erzeugen können, wurden international enge Grenzen festgelegt, innerhalb derer sich die Netzfrequenz bewegen darf. Die Frequenz 50,2 Hertz stellt dabei die Obergrenze dar. Wird diese erreicht, so müssen PV-Anlagen vom Netz genommen werden, um einen weiteren Anstieg zu vermeiden.
Allerdings kann das nicht wirklich funktionieren, weil der Zubau von PV-Kraftwerken letztendlich zu extremen Leistungen geführt hat. Würden bei Erreichen der 50,2 Hertz-Grenze alle Solarstromanlagen vom Netz getrennt werden, so fehlten praktisch von einer Sekunde zur anderen mehrere GW Leistung im Netz. Das Problem kehrt sich damit praktisch um.

PV-Kraftwerke müssen vom Netzbetreiber gezielt geregelt werden können
Um diesen dynamischen Ausgleich in Zukunft besser beherrschen zu können, müssen PV-Kraftwerke vom Netzbetreiber geregelt werden können, und das auch gezielt regional. Dabei geht es nicht um reine Willkür, wie oft auch die Vorwürfe gegenüber den Netzbetreibern formuliert werden. Nur so lassen sich Angebot und Nachfrage optimal zuordnen ohne die Stabilität der Netze zu gefährden.
Letztendlich startet kaum jemand bei 20 Grad minus im Winter sein Auto und gibt gleich von der ersten Sekunde an Vollgas. Die Energieversorger tun das jeden Tag.

Weitere Informationen zum Thema:
Wikipedia zur Netzfrequenz und Regelleistung http://de.wikipedia.org/wiki/Netzfrequenz; http://de.wikipedia.org/wiki/Regelleistung
BSW-Solar zur Nachrüstung von PV-Anlagen: http://www.solarwirtschaft.de/nachruestung.html