Die 50 Hertz Netzfrequenz

In Deutschland und Europa haben wir flächendeckend eine Netzfrequenz von 50 Hertz (Hz). Wie hoch eine mögliche Abweichung ist und wie stark diese sein darf, wusste ich bisher nicht ganz genau einzuschätzen. Bereits geringe Abweichungen führen zu erheblichen Problemen im Stromnetz. Aufmerksam wurde ich auf die Thematik über das von mir eingebaute Smart Meter in den eigenen vier Wänden.

Was ist die Netzfrequenz?

Anfangen möchte ich mit der generellen Frage: Was ist die Netzfrequenz? In Europa haben wir einen Standard-Netzfrequenz von 50 Hz. Die USA und in Teilen von Japan ist die Netzfrequenz bei 60 Hz. Das europäische Verbundnetz reicht von der südwestlichsten Spitze Portugals über Deutschland bis in die Türkei. Im gesamten Verbundnetz ist die Netzfrequenz mit Ausnahme lokaler kurzfristiger Pendelungen gleich. Unabhängig, ob die Sollfrequenz 50 Hz oder 60 Hz beträgt, müssen diese so stabil wie möglich gehalten werden.

Im Gegensatz zu einem Gleichstromnetz schwankt in einem Wechselstromnetz die Spannung, im Mittel zwischen +/- 10 % von 230 Volt. Die Veränderung erfolgt 50-mal in der Sekunde, quasi mit einer Schwingung, deren Frequenz 50 Hertz beträgt.

Die Höhe der Frequenz sagt nichts über den Netzzustand aus. 50 Hertz ist eine Zahl, auf die man sich geeinigt hat – ein historischer Zufall. Durch den Physiker Heinrich Hertz wurde „Hz“ die Einheitsgröße.

Der Screen zeigt im Diagram „Smart Energy“ den Verlauf der Spannungswerte über alle 3 Leiter (Phasen). Deutlich ist die Schwankung zwischen 230 Volt bis 240 Volt zu erkennen. Das Diagramm „Netzfrequenz“ zeigt im gleichen Betrachtungszeitraum die Änderung der Frequenz. Der blaue Wert spiegelt den aktuellen Wert wider.

• Überfrequenz:  Erzeugte Leistung größer als die verbrauchte Leistung.
• Unterfrequenz: Erzeugte Leistung kleiner als die verbrauchte Leistung.

Wie wird eine flächendeckende, gleiche Netzfrequenz erreicht?

Die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Kraftwerken sind vergleichbar mit denen, die zwischen den Radlern auf einem Fahrrad mit mehreren Menschen (4) herrschen. Sind alle Tretkurbeln über eine Kette miteinander verbunden, müssen alle Fahrer gleich schnell die Pedale bewegen. Jeder kann aber frei entscheiden, mit wie viel Kraft er zur Fahrt beitragen will. Im Ergebnis kann der kräftigste Radfahrer den größten Einfluss auf die Trittfrequenz nehmen, er allein wird jedoch gegen die anderen drei Mitfahrer nicht ankommen. Letztlich ergibt sich die Trittfrequenz und die damit einhergehende Fahrgeschwindigkeit aus der kollektiven Anstrengung wie von selbst, aber verändert sich auch fortlaufend. 

Analog dazu sind im Stromnetz alle Kraftwerke über Stromkabel miteinander verbunden. Alle müssen sich mit der gleichen Frequenz „drehen“. Für ein Kraftwerk ist es unmöglich, gegen die vielen anderen Erzeuger anzukämpfen. Dennoch beeinflusst jedes einzelne Kraftwerk die Veränderung der sich einstellenden Netzfrequenz. Die Netzfrequenz ist praktisch an jeder Steckdose in Europa identisch. Wie so oft ist zwischen Theorie und Praxis viel Raum. In der realen Welt der Physik ist das deutlich komplexer. Das Beispiel hilft, hoffe ich, Euch ein besseres Bild für Netzfrequenz zu bekommen. 

Messung der Netzfrequenz

Stromerzeugung und Stromverbrauch müssen sich zu jeder Zeit exakt die Waage halten. Damit die Netzfrequenz stabil bleibt, bedarf es einer sogenannten Regelenergie. In erster Linie sorgt diese dafür, die Frequenz im „grünen Bereich“ zu halten. Läuft die Frequenz aus diesem Bereich heraus (egal ob positiv oder negativ), wird mit zusätzlicher Einspeisung oder Lastabwurf mehr und mehr gegengesteuert. Als „normaler Bereich“ wird die Frequenz zwischen 49,80 Hz und 50,20 Hz bezeichnet. Mit meinem Smart Meter erfasse ich die Netzfrequenz und speichere die Werte im ioBroker zur Visualisierung. 

Was passiert, wenn die Netzfrequenz zu hoch ist?

Steigt die Netzfrequenz, reduzieren die Kraftwerke ihre Einspeiseleistung. Bei Gaskraftwerken, Windkraft- oder Photovoltaikanlagen (PV) lässt sich das schneller anpassen als bei älteren Kohle- und Kernkraftwerken. Ab einer Frequenz von 50,20 Hz (man spricht dann von Überfrequenz) reduzieren ein Großteil der PV-Anlagen ihre Wirkleistung. Die Obergrenze der im Normalbetrieb geduldeten Frequenzabweichung beträgt 50,50 Hz. Erst ab einer Überfrequenz von 51,50 Hz erfolgt eine komplette Trennung der Anlage vom Netz.

Was passiert, wenn die Netzfrequenz zu niedrig ist?

Sinkt die Netzfrequenz unter 49,80 Hz (man spricht dann von Unterfrequenz), werden zusätzliche Leistungsreserven eingesetzt. Dabei wird auf alle Kraftwerke im Verbundnetz zurückgegriffen. Fällt die Frequenz weiter, kommt es zu einem Lastabwurf und es werden ausgewählte Bereiche vom Stromnetz getrennt. Die Folge ist eine Reduzierung des Stromverbrauchs. Die Untergrenze der im Normalbetrieb geduldeten Frequenzabweichung beträgt 49,50 Hz.

Wie ist die Netzfrequenz nutzbar?

Es gibt viele Uhren, welche die Netzfrequenz als Zeitmessung nutzen. Wird die Frequenz höher, so gehen sie schneller. Wird die Frequenz niedriger, so gehen sie langsamer bzw. „gehen nach“. Ich habe eine Mikrowelle, die geht nach Korrektur der Uhrzeit ab einer bestimmten Zeit immer wieder „vor“. Ein Radiowecker richtet sich häufiger auch nach der Netzfrequenz.

Blackout: Wenn das Stromnetz zusammenbricht

Am 9. August 2019 gingen in vielen Regionen in Großbritannien die Lichter aus. Knapp eine halbe Million Haushalte und Unternehmen hatten am Nachmittag keinen Strom mehr. Die Ursache war der Ausfall zweier Kraftwerke. 

An dem Nachmittag fiel die Netzfrequenz von regulär 50 Hz durch den Ausfall eines Gaskraftwerkes und nachgelagert eines Offshore-Windparks auf 48,80 Hz. Die Batteriespeicher trugen dazu bei, dass die Netzfrequenz schnell wieder in den vorgegebenen Korridor zurückkehrte. Ohne die Batteriespeicher wäre die Lage sicher nicht so glimpflich ausgegangen.