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Ein offensichtliches Hindernis zur Anwendung von Wind- und Solarkraft zur Elektrizitätsversorgung ist ihre Unstetigkeit – wenn der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint, dann braucht es andere Quellen. In konservativen Medien wird diesem Thema viel Aufmerksamkeit gewidmet, und so sollte es auch sein.
Jedoch ist eines der weniger bekannten Hindernisse für diese erneuerbaren Technologien die Frequenzregelung, obwohl sie viel früher zu einem kritischen Problem wird.
Seit den 1890er Jahren werden Stromnetze und -geräte rund um den Globus mit Wechselstrom betrieben, was bedeutet, dass der Stromfluss im System immer wieder seine Richtung ändert.
In Australien [und Europa] wechselt er 50 Mal pro Sekunde, d. h. mit einer Frequenz von 50 Hertz (in den USA sind es 60 Hertz).
Die Lieferung von Strom mit einer gleichmäßigen Frequenz ist sehr wichtig, da die Geräte und die Elektronik im Netz für eine bestimmte Frequenz/Spannung ausgelegt sind. Daher können sie durch eine falsche Stromzufuhr beschädigt werden.
In der Regel ist es den Netzbetreibern lieber, keinen Strom zu liefern als schlechten Strom. Automatisierte Kontrollen innerhalb das Stromnetzes unterbrechen die Versorgung, wenn die Frequenz oder die Spannung nicht den Vorgaben entspricht.
Die Südaustralier werden nicht so schnell vergessen, was 2016 im gesamten staatlichen Netz geschah. Der landesweite Stromausfall begann am späten Nachmittag bei schlechtem Wetter, und Tausende von Menschen mussten ohne Straßenbeleuchtung oder Ampeln aus der Stadt fahren.
Es gab eine Reihe von Ursachen, darunter Sturmböen, die einige Überlandleitungen zum Einsturz brachten, und ein Blitzeinschlag in einem Kraftwerk.
Nach diesen physischen Ursachen übernahmen automatische Schutzsysteme die Kontrolle. Die Windkraftanlagen trennten sich selbst vom Netz. Dadurch wurde die Kapazität der Verbindungsleitung zum übrigen Netz an der Ostküste ausgeschöpft, die daraufhin abgeschaltet wurde.
Von diesem Punkt an griffen die Abschaltungen kaskadenartig auf das gesamte Netz über. Dies alles geschah in weniger als einer Sekunde.
Die Möglichkeit einer kaskadenartigen Abschaltung kann nie ganz ausgeschlossen werden; automatisierte Schutzsysteme müssen Entscheidungen in einer Geschwindigkeit treffen, die jegliches menschliches Eingreifen verhindert.
Dennoch kann die Anfälligkeit des gesamten Systems variieren, und die zunehmenden intermittierenden erneuerbaren Energien tragen dazu bei, die Stabilität des Systems zu verringern.
Traditionelle vs. erneuerbare Erzeuger
Herkömmliche Generatoren verwenden Turbinen – Dampfturbinen, Turbinen mit offenem Kreislauf und Wasserturbinen (Wasserkraft). Diese Anlagen werden als „synchron“ bezeichnet, weil die Frequenz der von ihnen erzeugten Elektrizität direkt mit der Drehzahl der Turbinenwellen zusammenhängt.
Da diese Maschinen groß und schwer sind, braucht es Zeit und Energie, um sie zu beschleunigen oder zu verlangsamen, was bedeutet, dass sich die Stromfrequenz nicht zu schnell ändern darf. Dies nennt man „Trägheit“.
Wie Sie sich vielleicht vorstellen können, haben Solarmodule, die keine beweglichen Teile haben, keine Trägheit. Sie passen sich der Frequenz an, die bereits im System vorhanden ist; sie tragen nicht zu dessen Stabilisierung bei.
Windturbinen haben zwar große drehende Teile, ändern aber ständig ihre Geschwindigkeit, allein aufgrund der Windverhältnisse. Sie sind daher nicht dafür ausgelegt, sich mit dem Wechselstromnetz zu synchronisieren. Sie bieten also auch keine Trägheit.
Wenn ein System keine Trägheit hat, dann kann die Frequenz, anstatt sanft auf eine Laständerung zu reagieren, so wie ein Radfahrer ein Hochgeschwindigkeitsflattern bekommen (jedes Triebwerk kann das gleiche Problem haben, wenn es nicht ein ausreichend schweres Schwungrad hat).
Nach dem Stromausfall von 2016 hatte die Energiesicherheit für ein paar glorreiche und kurze Wochen oberste Priorität.
In den folgenden Jahren ergriff die südaustralische Regierung eine Reihe von Maßnahmen, darunter die Installation einer Großbatterie (nach einem Versprechen von Elon Musk, sie innerhalb von 100 Tagen zu bauen oder kostenlos zur Verfügung zu stellen), den Bau eines neuen Dieselkraftwerks und die Schaffung von Anreizen für die Erschließung und Förderung von Erdgas.
Außerdem wurden zwei synchrone Kondensatoren installiert. Synchronkondensatoren sind große, schwere, rotierende Wellen, ähnlich denen in einer Turbine, die aber keinen Strom erzeugen, sondern nur die Netzfrequenz stabilisieren.
In den darauffolgenden Jahren hat sich jede dieser Antworten als richtig erwiesen. Der Dieselgenerator wurde in mehreren kritischen Zeiten eingesetzt. Es stellte sich auch heraus, dass die Großbatterie in erster Linie der Stabilisierung des Netzes diente.
Obwohl sie vergleichsweise wenig Energie speichert, reagiert die Batterie schnell auf Störungen, die überall im Netz der Ostküste auftreten, sogar in Queensland. Seitdem wurde sie so programmiert, dass sie eine „virtuelle Trägheit“ bietet.
Die Technologie für ein 100-prozentig erneuerbares Netz existiert noch nicht
Fortschritte in der Technologie und im Netzmanagement haben dazu geführt, dass erneuerbare Energien einen immer größeren Anteil an der Stromversorgung übernehmen können, ohne die Netzfrequenz in unannehmbarer Weise zu destabilisieren.
Dennoch kann es sich kaum ein Netz leisten, zu 100 Prozent mit erneuerbaren Energien zu arbeiten, ohne zumindest ein paar traditionelle rotierende Generatoren am Netz zu haben.
Wind- und Solargeneratoren werden oft abgeschaltet oder „gedrosselt“, auch wenn noch einige Gas- oder Kohlegeneratoren in Betrieb sind. Der Netzbetreiber kann es sich nicht leisten, die Synchrongeneratoren abzuschalten, ohne die Frequenzregelung zu verlieren.
Im Northern Territory, das über ein eigenständiges Stromnetz verfügt, wurden etwa 60 MW an Solarparks errichtet, die jedoch noch nie eingeschaltet wurden, weil das System sie nicht aufnehmen kann.
Obwohl der Stromausfall von 2016 eine Reihe von Verbesserungen am südaustralischen Netz auslöste, steht die Energiesicherheit immer noch gefährlich weit unten auf der Prioritätenliste der australischen Regierungen.
Wichtige Maßnahmen zur Förderung der Energiesicherheit, wie der Bau des Kurri-Kurri-Spitzenlastgenerators in New South Wales [Gasturbinenkraftwerk], stoßen oft auf den Widerstand von Medien und Politikern.
Australien ist schon mehrmals gefährlich nahe an eine weitere kaskadenartige Abschaltung herangekommen. In kleineren Netzen kam es zu Zwischenfällen, die jedoch keine landesweite Aufmerksamkeit erregten, wie z. B. die Abschaltung von Alice Springs im Jahr 2019, bei der das zentralaustralische Netz allein aufgrund einer unvorhergesehenen Wolkendecke für mehrere Stunden abgeschaltet wurde.
Ein aktuelles Beispiel für einen Beinahe-Zusammenbruch ereignete sich Ende November 2022. Während eines schweren Unwetters wurde die Hauptübertragungsleitung, die Südaustralien mit dem Rest der Ostküste verbindet, in der Nähe von Tailem Bend unterbrochen.
Das Stromnetz Südaustraliens wurde zu einer Insel. Um die Systemstabilität zu gewährleisten, mussten mehrere rotierende Generatoren am Netz bleiben. Die Menge an Solarenergie, die der Bundesstaat tagsüber erzeugen kann, kann jedoch die Nachfrage übersteigen. Der Netzbetreiber musste mehr Solarstromerzeugung drosseln, als er direkt kontrollieren konnte.
Als Reaktion darauf begann der Marktbetreiber, Anbieter von Solarstrom hinter dem Zähler anzurufen und soziale Medien zu nutzen, um die Besitzer von Solaranlagen in Gewerbe- und Wohngebieten aufzufordern, ihre Anlagen abzuschalten. Dank dieser Anrufe gelang es, etwa die Hälfte des südaustralischen Solarstroms abzuschalten und damit eine weitere Abschaltung zu verhindern.
Das System war äußerst anfällig, doch das ganze Ereignis schaffte es kaum in die Abendnachrichten.
Trotz der mangelnden Resonanz auf diese Nachricht feierten die Medien einen Monat später lautstark einen ziemlich bedeutungslosen Meilenstein, als die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in diesem Bundesstaat zehn Tage lang 100 Prozent des Bedarfs deckte, was ohne den Export des größten Teils der Stromerzeugung in die Nachbarstaaten nicht möglich gewesen wäre.
Es scheint, dass die Entscheidungsträger ihren Blick fest auf die Fata Morgana der erneuerbaren Energien gerichtet halten – bis die Lichter tatsächlich ausgehen.
Es gibt mehrere Gründe, warum die erneuerbaren Energien kein einfaches Allheilmittel für die Stromversorgung in der Welt sind:
das Problem der Wetterabhängigkeit, das Problem der Energiespeicherung, das Problem des Ersatzes und des Recyclings am Ende der Lebensdauer, das Problem der Landfläche, das Problem der Baumaterialien und der Knappheit.
Jetzt kann man das Problem mit der Frequenzkontrolle zu dieser Liste hinzufügen.