Wie funktioniert eigentlich das Stromnetz?

Durch die unterschiedliche Nachfrage nach Strom pro Stunde, Tag und Saison, ist das Strommanagement des Netzes sowohl kompliziert als auch entscheidend für unseren Alltag ist. Das moderne Stromnetz muss zuverlässig und flexibel sein. Außerdem soll sie den Wettbewerb auf dem Markt beleben. 

Zuverlässigkeit: Da die Strominfrastruktur ein enormes Netzwerk ist, kann Elektrizität an den richtigen Stellen in großen Regionen des Landes eingesetzt werden. Das große Übertragungsnetzwerk ermöglicht es den Netzbetreibern, mit erwarteten und unvorhergesehenen Verlusten umzugehen, während sie immer noch den Strombedarf erfüllen.
Flexibilität: Das Stromnetz ermöglicht es, eine Vielzahl von Ressourcen zu nutzen, auch wenn sich diese weit entfernt von den Verbrauchern befinden. Zum Beispiel müssen Windkraftanlagen dort gebaut werden, wo der Wind am stärksten ist; Die Übertragungsnetze ermöglichen es, diesen Strom in ferne Städte zu übermitteln.
Wirtschaftswettbewerb: Weil das Netz mehrere Generatoren und Kraftwerke zur Stromversorgung der Verbraucher bietet, konkurrieren verschiedene Energierzeuger miteinander, um Strom zum günstigsten Preis zu liefern. Das Netz dient auch als eine Form der Versicherung und schützt Kunden vor Schwankungen der Rohstoffpreise.

Es ist essentiell das Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung - und Verbrauch zu halten. Reicht die erzeugte Energie nicht aus - kommt es zu Stromausfällen. Wird zu viel Strom produziert - kann es zur Überlastung der Stromnetze und Schäden an Kraftwerken oder Verbrauchergeräten kommen.
Das Stromnetz Deutschlands ist ein Teil des europäischen Verbundnetzes. Es besteht aus Stromnetzenvon 24 Ländern, meistens aus der Europäischen Union. Mit 667 Gigawatt und 400 Millionen Kunden ist es das größte synchrone Stromnetz in der Welt. Das Internationale Netz ist als Phasenregelschleife verbunden und hat 50-Hz Frequenz.
Gehandelt wird der Strom an der Leipziger Energiebörse oder der European Energy Exchange (EEX). Hier kann Strom nicht nur für Deutschland sondern auch für Frankreich, Österreich und der Schweiz gehandelt werden. Jeden Tag betreibt EPEX SPOT ihre Auktionen. Die Stromlieferung findet am nächsten Tag statt. Mittels dieses Markts können auch kurzfristige Strombedürfnisse gedeckt oder kurzfristige Kapazitäten verkauft werden. Die Teilnehmer des Marktes können bis zu 45 Minuten vor jeder Stunde, Strom für die bestimmte Stunde kaufen

Stromerzeugung

Bestimmte Arten von Kraftwerken wie Kohle und Kernkraftwerke stellen wenig kurzfristige Flexibilität zur Verfügung bei der Anpassung ihrer Stromproduktion. Für die dauert es eine lange Zeit, um ihre Stromleistung zu steigern oder zu senken. Andere Kraftwerken, wie z. B. Erdgaskraftwerken, können sehr schnell hochgefahren werden und werden oft verwendet, um Spitzenlasten zu decken. Schwankende Stromquellen wie Wind- und Photovoltaik werden in der Regel dann eingesetzt, wenn sie zur Verfügung stehen hauptsächlich weil ihr Brennstoff - Sonnenlicht und Wind - frei sind.

Ein Braunkohlekraftwerk in Berlin Rummelsburg. Bild:Ilya Sogolov - Eccuro.com

Der produzierte Strom muss eine Frequenz von genau 50 Umdrehungen pro Sekunde (Hertz) haben. Eine Abweichung von 10 Prozent kann bereits erhebliche Schäden an dem Kraftwerk verursachen. Zu jedem gegebenen Zeitpunkt steht auch immer eine Reserveleistung zur Verfügung, um eine bestimmte Menge in der Hinterhand zu haben. Diese Reserve soll mögliche Prognosefehler oder unerwartete Kraftwerksabschaltungen ausgleichen. Die Stromnachfrage, die Versorgung, die Reserveleistung und die Mischung aus Stromerzeugungstechnologien werden laufend von Netzbetreibern überwacht und verwaltet, um sicherzustellen, dass alles reibungslos funktioniert.

Stromerzeuger erzeugen ihren Strom bei niedrigen Spannungen. Um den Hochspannungs-Stromtransport zu ermöglichen, muss der Strom zunächst mit einem Transformator in höhere Spannungen umgewandelt werden. In Deutschland wird der Transport von Strom in zwei verschiedene Netze grob unterteilt: in das Übertragungs- und das Verteilnetz. Übertragungsnetze transportieren Höchstspannung, die Verteilnetze Hoch-, Mittel- und Niederspannung. Insgesamt fließt der Strom also durch vier Netze. Die Netze zeichnen sich durch unterschiedlich hohe bzw. niedrige Voltzahlen aus. Am höchsten fällt dabei das Höchstspannungs- bzw. Übertragungsnetz aus.

Übertragungsleitungen

Es gibt seit der Erfindung des Stroms immer noch zwei Methoden ihn zu transportieren: Gleichstrom und Wechselstrom. Das Wechselstromsystem hat den Vorteil, hohe Spannungen über lange Distanzen transportieren zu können, weil die Umwandlung mit Transformatoren ist  dabei einfacher. In Verbrauchernähe kann der Strom umgewandelt werden um niedrigere Spannungen an den Kunden zu liefern.

Wenn der Strom weite Strecken zurücklegen muss, geschieht dies mithilfe der sogenannten Übertragungsnetze. Diese werden entweder als Freileitungen oder als unterirdische Stromkabel gebaut.
Meistens bestehen die Netze aus Freileitungen. Sie sind zwar nicht isoliert und aus diesem Grund für das Wetter anfällig, andererseits ist die einfache Wartung und der niedrige Preis das ausschlaggebende Argument für ihre Nurtzung. Freileitungen sowie unterirdische isolierte Übertragungsleitungen bestehen aus Aluminium-Legierung und werden mit Stahl verstärkt. Übertragungsleitungen sind vielfältig vernetzt und beiten ein hohe Zuverlässigkeit der Stromversorgung. Die vier größten Betreiber Deutschlands beaufsichtigen das deutsche Übertragungsnetz unter dem Namen des “deutschen Netzregelverbund”.

Bild:Ilya Sogolov - Eccuro.com

Wenn Elektrizität durch die Drähte fließt, verschwindet ein Teil davon als Wärme wegen des Widerstandes.
Übertragungsleitungen tragen hohe Spannungen. Damit verringern sie den Anteil des Stroms, der durch die Übertragung verloren geht. In Europa und der USA liegen die Übertragungsverluste bei etwa 6% im Durchschnitt. In Deutschland liegt die Zahl bei etwa 5.7%. Je höher die Spannung auf einer Übertragungsleitung ist, desto weniger Strom verliert sie. Die Spannungen von Übertragungsnetze liegt typischerweise in Deutschland bei 220 oder 380 Kilovolt. In den USA sind diese Zahlen noch höher.
Der Bedarf an Hochspannungsleitungen kann einfach erklärt werden; Elektrische Leistung (P) kann als Produkt der der elektrischen Spannung (U) und der elektrischen Stromstärke (I) gezeigt werden.
P=U*I
Das heißt um eine große Menge an Energie zu transportieren wird entweder eine hohe Spannung oder eine hohe Stromstärke benötigt. Eine Steigerung der Stromstärke führt zu höheren Energieverlusten resultierend aufgrund des Widerstandes, weshalb die Spannung so hoch wie möglich gehalten wird. Wegen des sogenannten “Skin-Effekt” bei höherfrequenten Wechselstrom, ist die Stromdichte in der Nähe der Oberfläche des Leiters am größten. Daher benötigen Stromleitungen eine möglichst große Fläche. Die Steigerung der Stromstärke führt zu einer Erhöhung der Materialkosten.

Bild:Ilya Sogolov - Eccuro.com

Verteilungsnetze

Das Verteilungsnetzwerk ist ein System von Drähten, welches dort beginnt , wo die Übertragungsleitungen zu Ende sind. Diese Netzwerke verteilen Strom an Häuser, Schulen und Unternehmen.
Verteilernetze werden von regionalen Anbietern betrieben. Es befanden sich 2016 mehr als 900 Stromnetzbetreiber deutschlandweit. Dazu sind normalerweise Erdkabeln im einsatz. Auf diese nimmt Stromlieferung weniger Platz und beeinflusst kaum den Umwelt. Andererseits sind Wartungsarbeiten dadurch deutlich aufwändiger. Die Netzbetreiber tragen die Verantwortung für eine stabile Stromlieferung in Deutschland. Das Bundesnetzagentur agiert als Regulator und hat die Kontrolle über die Ausführungen.
Verteilnetze transportieren üblicherweise Hochspannung mit 110 Kilovolt und bei Mittelspannungsnetzen liegen die Zahlen bei 20 bis 25 Kilovolt. Einen erheblichen Teil der erneuerbaren Stromquellen werden wegen ihre Nähe zum Verbraucher auf diese Weise an das Stromnetz angeschlossen. Die Niederspannungsnetze sind die letzte Stufe der Verteilernetze. Sie übertragen Energie mit 230 oder 400 Volt. Im Industriegebieten werden auch Spannungen von 500 oder 690 Volt geliefert. Das Verteilnetz ist dann zu Ende, wenn Strom endlich zum Verbraucher kommt, so dass man die Lichter einschalten, fernsehen oder den Geschirrspüler laufen lassen kann.
Eine visuelle Erklärung über das Stromnetz können sie in diesem Video finden.

Umspannwerke - die Knoten der Stromnetze

Übertragungsleitungen sind notwendig, um Hochspannungsstrom über lange Distanzen zu tragen und Stromerzeuger mit Stromverbraucher zu verbinden.Diese hohen Spannungen sind auch deutlich höher als das, was Sie in Ihrem Haus benötigen, also wird der Strom sobald er nah am Endverbraucher ist, mit Hilfe einesTransformator zurück zu einer niedrigeren Spannung gewandelt, bevor er das Verteilungsnetz betritt.
Eine Umspannwerk verbindet zwei oder mehr Stromleitungen. Sie verfügt über Transformatoren, um die Leistung zwischen Übertragungsspannungen, Spannungsregelungs oder Leistungsfaktorkorrekturvorrichtungen umzuwandeln. Neben der Umwandlung von Spannung isolieren Verteilerstationen auch Störungen in den Übertragungs- oder Verteilungssystemen. Verteilungsstationen sind typischerweise die Punkte der Spannungsregelung. In diesem Video von Stromnetz Berlin wird die Funktionsweise eines Umspannwerks in Berlin weiter erleuchtet.
Umspannwerke die zwischen den Übertragungsnetzen und dem Verteilnetz stationiert sind, schützen auch vor Störungen in den Übertragungs- oder Verteilungssystemen. Weiterhin dienen sie typischerweise als Punkte der Spannungsregelung.

Ein Umspannwerk in Berlin Oberschöneweide- Umspannwerke wandeln Elektrizität von niedrigen zur hohen Spannung für Fernübertragung um und wandeln sie dann zurück zu niedriger Spannung für den Gebrauch in Häusern und in anderen Anlagen um. Bild:Ilya Sogolov - Eccuro.com

Bild:Ilya Sogolov - Eccuro.com

Fazit und Zusammenfassung

Das Stromnetz ist ein dynamisches System. Es hat sich im letzten Jahrhundert drastisch verändert und entwickelt, um neue Technologien, die Erhöhung des Strombedarfs und einen wachsenden Bedarf an zuverlässigen, diversen Stromquellen zu bewältigen. Sogar auf einer stündlichen Basis ändert sich das Netz, wobei verschiedene Stromquellen manipuliert werden, um die Nachfrage zu den geringsten Kosten zu liefern.
Da sich die Technologie ändert und bessere Möglichkeiten zur Verfügung stehen, konnten erhebliche Verbesserungen am Stromnetz vorgenommen werden. Beispielsweise könnten Energiespeichertechnologien Elektrizität für einen späteren Einsatz speichern, um die Nachfrage nach Stromspitzen oder die rasche Zunahme zu erfüllen, wodurch die Effizienz und Zuverlässigkeit erhöht wird. Neuere, fortgeschrittenere Messgeräte wie Selbstprogrammier-Thermostate ermöglichen eine bessere Datenerfassung für ein effektiveres Management und schnellere Reaktionszeiten.
Es wird oft gesagt, dass “die beste Energie, die ist, die gar nicht verbraucht wird”, sagt der Energieexperte Markus Rövekamp “Die zweitbeste Energie Ist die, welche nicht transportiert werden muss.” Dezentrale Stromerzeugung wie zum Beispiel photovoltaische Paneelen auf Einzelheime reduzieren den Transportstrecke der Strom fast auf null, wodurch die Effizienz gesteigert und Geld gespart wird. Investitionen von Verbrauchern - wie etwa der Erwerb energieeffizienter Geräte, der Bau von energieeffizienten Gebäuden oder die energetische Sanierung - sparen Kunden Geld und nutzen Energie effizienter.