Stromnetz für die Zukunft

17. Mai 2021

Der Umstieg auf erneuerbare Energien und der gleichzeitig wachsende Energiebedarf stellen unser Stromnetz vor viele Herausforderungen. Vor allem muss es leistungsfähiger, flexibler und intelligenter werden, ohne dabei an Ausfallsicherheit einzubüßen. Auf dem Weg zu einem solchen „Smart Grid“ sind viele Hürden zu bewältigen. HTWK-Professor Faouzi Derbel arbeitet daran.

Als im Februar 2020 das Sturmtief „Sabine“ über Deutschland fegte, sorgte das für einen neuen Rekord: Zwei Drittel des in Deutschland benötigten Stroms wurden aus Windkraft gespeist. Damit war für ein paar Tage das Ziel erreicht, das eigentlich erst bis 2030 vorgesehen ist: mindestens 65 Prozent des Strombedarfs aus erneuerbaren Energien zu decken. Doch der Orkan machte auch deutlich: Unser Stromnetz ist noch nicht für solche Extremereignisse gewappnet. Nicht nur, dass vielerorts umgestürzte Bäume für Stromausfälle sorgten. Es mussten auch etliche Windräder abgestellt werden, weil das Überangebot an Strom sonst das Netz womöglich überlastet hätte. Damit blieben nach Recherchen der ZEIT im Nordosten Deutschlands 210 Gigawattstunden an grüner Energie ungenutzt – diese Menge hätte eine Stadt mit 60.000 Einwohnerinnen und Einwohnern für ein ganzes Jahr versorgen können.

Um die Energiewende zu bewältigen, muss das deutsche Stromnetz auf vielen Ebenen leistungsfähiger werden. Beispielsweise sollte es mehr Strom transportieren können. Doch der Netzausbau wird allerorts durch Anwohnerkritik verzögert oder gar verhindert. Also müssen Versorgungsunternehmen das vorhandene Netz besser nutzen. „Tatsächlich gibt es hier noch einigen Spielraum“, sagt Faouzi Derbel, Professor für Monitoring und Diagnostik in der elektrischen Energietechnik an der HTWK Leipzig. Doch damit, einfach nur mehr Strom durch das Leitungsnetz zu schicken, ist es nicht getan. „Durch einen höheren Stromfluss erwärmen sich die Leiterseile in Freileitungsanlagen, die dadurch länger werden und stärker durchhängen. In direkter Nähe der Leitungen besteht ein elektrisches Feld mit hoher Spannung, das für Menschen und Tiere gefährlich werden kann. Außerdem können Kurzschlüsse entstehen“, so Derbel. Je nach Art der Freileitungsanlage ist deshalb ein Mindestabstand vorgeschrieben, bei neugebauten Freileitungen mit einer Nennspannung von 380 Kilovolt beispielsweise mindestens zwölf Meter bis zum Erdboden.

Um dennoch die Übertragungskapazität der Stromleitungen zu erhöhen, müssten Energieversorgungsunternehmen wissen, wann der maximale Durchhang der Stromleitungen erreicht ist. Zu diesem Zweck entwickelt Derbel gemeinsam mit seinem Team im Projekt „Zapdos“ eine Messeinrichtung. „Die Herausforderung ist es, ein autarkes System zu konstruieren, das nicht an den Leitungen befestigt ist. Schließlich darf man diese nicht anfassen“, sagt Derbel. Die Ingenieure stellen deshalb einen Messsensor mit Kamera her, der später am Mast angebracht werden kann. Mittels intelligenter Bildverarbeitung sollen aus den längs aufgenommenen Bildern die Neigungen der Leitungen erkannt und daraus der Durchhang ermittelt werden. Diese Daten sollen per Funk an die Energieversorgungseinrichtungen übertragen werden, die dann automatisch die durchgeleitete Strommenge anpassen können. Damit die Messeinrichtung autark funktioniert, soll sie ihre benötigte Energie für den Betrieb eigenständig aus den Ableitströmen an den Strommasten gewinnen. Bis Mitte 2022 soll der Sensor fertig sein.

„Was Stromausfälle angeht, gehört unser Netz zu den sichersten in ganz Europa. Das liegt auch an einer besonders ausgeprägten Fehlertoleranz in unseren Mittelspannungsnetzen. Grob gesagt, könnten die Netze auch dann weiterbetrieben werden, wenn ein Erdschluss, also ein Kurzschluss der Stromleitung mit der Erde, vorläge – solange der Fehlerstrom eine bestimmte Stärke nicht überschreitet“, erklärt Kai Bartholomäus, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Derbels Forschungsgruppe. Je größer ein Netz und je größer der Anteil an Erdkabeln, desto höher der mögliche Fehlerstrom. Für seine Berechnung werden mathematische Modelle verwendet. Doch je mehr dezentrale Energieerzeugerinnen und -erzeuger Strom ins Mittelspannungsnetz einspeisen, desto ungenauer sind diese Modelle. Ursache sind Oberschwingungen, die erneuerbare Energien im Stromnetz verursachen und die bei der üblichen Berechnungsmethode nicht berücksichtigt werden.

Um trotz ungenauer Berechnungen keine Stromausfälle zu riskieren, bleibt den Netzbetreibern nichts anderes übrig, als entsprechende Sicherheitsreserven vorzuhalten. Das reduziert die Übertragungskapazität des Stromnetzes unnötig – effizient ist das nicht. Als Lösung haben Faouzi Derbel und sein Team deshalb ein Messsystem entwickelt, das die Fehlerstromhöhe anhand eines kontrolliert herbeigeführten Erdschlusses messtechnisch ermittelt. Das Besondere an ihrem Verfahren ist, dass es – anders als herkömmliche Erdschlussversuche – keinerlei Risiko eines Stromausfalls birgt. Die nötige Technik passt in einen LKW. Das patentierte Verfahren befindet sich derzeit in der Markteinführungsphase und wird bereits bei verschiedenen Netzbetreibern eingesetzt. Dadurch können diese die Einhaltung der Grenzwerte mit sicheren Messungen nachweisen und ihre Netze effizienter nutzen, ohne Stromausfälle zu riskieren.