Stromausfall

Unter einem Stromausfall versteht man den Ausfall der Versorgung mit elektrischer Energie.

Die Energieübertragung erfolgt mit elektrischem Strom, der im selben Moment erzeugt und transportiert werden muss, in dem er gebraucht wird. Daher ist der Grund eines Stromausfalles immer die Unterbrechung des Stromkreises.

Ursachen

Betrifft ein Stromausfall nur ein einzelnes Gerät, ist ein Defekt des Gerätes anzunehmen.
Fällt der Strom in einem oder mehreren Zimmern, oder einer Gerätegruppe aus, ist ein Auslösen der Sicherung oder des Fehlerstromschutzschalters (FI-Schalter) wahrscheinlich.
Ist ein ganzes Haus von einem Stromausfall betroffen, könnten auch die Hauptsicherung oder eine Beschädigung die Zuleitung die Ursache sein.
Sind einzelne Straßenzüge, Siedlungen oder – im ländlichen Raum – begrenzte Gebiete vom Stromnetz getrennt, liegt im allgemeinen ein Defekt im Bereich des Niederspannungsnetzes (230/400 V) vor. In ländlichen Gegenden können auch Freileitung unterbrochen sein oder eine Turm- oder Transformatorenstation ausgefallen.
Sind einzelne Stadtteile (Bezirke) oder in ländlichen Regionen ganze Ortschaften ausgefallen, liegen meist Unterbrechungen im so genannten Mittelspannungsnetz vor. Einer der häufigsten Ausfallsursachen sind Bauarbeiten in deren Rahmen die 10 kV bis 30 kV führenden Mittelspannungsleitungen unterbrochen werden. Die Ursache können aber vorallem in ländlichen Regionen auch direkte Blitzeinschläge in die Mittelspannungsleitungen sein, welche aus kostengründen meist als Freileitung ausgeführt sind.
Zu netzweiten, überregionalen Stromausfällen kommt es beispielsweise, wenn die Regelung des Wechselstromnetzes nicht oder nicht schnell genug auf Störungen oder Veränderungen im Stromnetz reagiert. Andere Ursache können Schaltfehler in grösseren Umspannwerken sein - allerdings sind diese Fehler durch den hohen Automatisierungsgrad eher selten. Blitzeinschläge sind in der höchsten Spannungsebene kaum die Ursachen von längeren Ausfällen.

Größere Defekte im Stromnetz, wie eine Störung in einem Elektrizitätswerk, die Beschädigung einer Hochspannungsleitung, ein Kurzschluss oder eine Überlastung des Stromnetzes sind bei einer funktionierenden Regelung des Stromnetzes kein Grund für einen netzweiten Stromausfall. Stromnetze sind oberhalb der lokalen Ebene stark vermascht aufgebaut. Bei Störungen werden entweder Spitzenlast-Kraftwerke hochgefahren oder der Strom über andere Leitungswege gelenkt. Da die Stromnetze der meisten Länder Europas ein Verbundnetz bilden, kann auch Leistung von benachbarten Netzen angefordert werden, wenn innerhalb des eigenen Netzes ein Problem besteht.

Wenn die Stromversorgung in einem Netz vollständig zusammengebrochen ist, und selbst die Kraftwerke keinen Strom mehr aus dem Netz (zum Anfahren) beziehen können, so spricht man auch von einem Schwarzfall. Für diesen Fall muss jedes Kraftwerk über eigene, netzunabhängige Versorgungseinrichtungen verfügen die ein sicheren Verhalten garantieren. Dies ist inbesondere bei Kernkraftwerken zur Energieversorgung der Pumpen und Kühleinrichtungen im Störfall von wesentlicher Bedeutung.

Szenario eines großen Stromausfalls

Als Anlässe für einen Stromausfall eines ganzen Gebiets werden von Energieversorgungsunternehmen meist angegeben: Ein Defekt in einem Elektrizitätswerk, die Beschädigung einer Leitung, ein Kurzschluss oder eine lokale Überlastung des Stromnetzes. Diese Anlässe wären jedoch bei einer funktionierenden Regelung im allgemeinen kein Grund für einen Stromausfall.

Doch, diese Anlässe können durchaus in einem funktionierenden System ein Anlass für eine Versorgungsunterbrechung sein. Nämlich immer dann, wenn das n-1-Kriterium verletzt wird. Das bedeutet, dass zu jeder Zeit ein elektrisches Betriebsmittel, Transformator, Leitung oer Kraftwerk, ausfallen darf ohne dass es zu einer Überlastung eines anderen Betriebsmittels kommen darf oder gar zu einer Unterbrechung der Energieversorgung. So müssen in Deutschland und im Gebiet der UCTE die (Verbund-) Netze geführt werden. Kommt es z.B. durch einen Defekt in einem "Elektrizitätswerk" zum Ausfall mehrerer Trfafos oder Leitungen kann es dann zur Unterbrechung der Stromversorgung kommen. Im korrekt betreibenen System müssen also mindestens zwei Ereignisse zusammen kommen, dann können oben genannte Ereignisse zu einer Versorgungsunterbrechung führen.

Auswirkungen im gestörten Netz

Ein Problem besteht dann, wenn bei einem größeren Ausfall nicht schnell genug Ersatzleistung herangeschafft werden kann, sei es aufgrund von Kommunikationsproblemen, sei es aufgrund nicht ausreichend mobilisierbaren Spitzenlastkraftwerken, sei es aufgrund unzureichend geschalteter Ersatzleitungen. Lässt sich für den momentanen Bedarf im eigenen Netz nicht genügend Energie aktivieren (z. B. bei Ausfall der Netzregelung), sinken sowohl die Netzspannung als auch (was wichtiger ist) die Netzfrequenz, denn in den verbliebenen Kraftwerken ist dann die vom Netz angeforderte Leistung höher als die augenblicklich erzeugte. Das führt dazu, dass die Generatoren durch den Anstieg der Blindleistung abgebremst werden und den Turbinen mehr Leistung (Dampf, Gas oder Wasser) zugeführt werden muss.

Die Generatoren werden nicht durch den höheren Blindleistungsbedarf gebremst sondern dadurch dass sich das Gegenmoment, Leistungsabgabe an das Netz, vergrößert hat, das Antriebsmoment, Leistungsabgabe der Turbine, jedoch nicht oder nur geringfügig vergrößert hat. Es besteht also ein Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch. Das bremst die Generatoren ab.

Gelingt dies nicht rechtzeitig und die Frequenzdifferenz zwischen dem Netz und dem Generator einen kritischen Wert übersteigt, werden die Generatoren aufgrund der zu hohen Ströme von automatischen Schutzeinrichtungen vom Netz abgetrennt.

Es wird nie eine Frequenzdifferenz zwischen Kraftwerk und Netz geben. Generator und Netz haben bei Verwendung von Synchrongeneratoren immer die selbe Frequenz. Die Abschaltung eines Kraftwerks bei Störungen erfolgt entweder weil der Generatorstrom zu groß geworden ist oder die Drehzahl des Maschinensatzes zu klein geworden ist. Dies wird gemacht um Beschädigungen der Turbine durch zu kleine, oder zu große, Drehzahlen zu vermeiden.

Dies wird in den benachbarten Netzen sofort registriert – es fließen dann hohe Ausgleichsströme – und diese werden versuchen, durch verstärkte Stromeinspeisung das Netz zu stabilisieren. Auch hier sind jedoch die Transformatoren in den Umspannwerken geschützt und werden bei zu großen Differenzen abgetrennt. Abgeschaltet wird bei zu großem Strom.

Lässt sich auch hierdurch das Problem nicht lösen (z. B. weil nicht genügend Verbindungsleitungen freigeschaltet wurden), kann durch einen gezielten Lastabwurf der Stromverbrauch verringert werden: Bei Größt-Verbrauchern wie Aluminiumwerken, Stahlwerken usw., die sich hierzu bereit erklärt haben (und deshalb einen günstigeren Strompreis bezahlen), wird dann die Anschlussleistung reduziert.

Erst wenn dies nichts hilft, käme es zu regionalen Stromabschaltungen, um wenigstens im Rest des Netzes eine Versorgung aufrecht zu erhalten.

Zu einem Gesamtausfall des Netzes kommt es, wenn die Netzregelung nicht, oder zu träge reagiert und Nachbarnetze das eigene Netz nicht stützen können (weil z. B. zu wenig Verbindungsleitungen geschaltet sind). Dann kann es zu einem stärkeren Absinken der Netzfrequenz kommen. Dies würde an den Verbindungsstellen zu funktionierenden Netzen zu sehr hohen Ausgleichströmen führen, so dass hier die Sicherungen auslösen. Fällt die Stützung des Netzes durch Nachbarnetze aus, sinkt die Netzfrequenz weiter. Ist dann immer noch kein gezielter Lastabwurf möglich, sinkt die Netzfrequenz unter eine kritische Grenze und das Netz schaltet sich automatisch ab.

Bei großen Störungen sinkt, oder steigt, die Frequenz im gesamten Verbundnetz und nicht nur im betroffenen Netz. Es gibt also überall eine Differenz der Frequenz zu ihrem Sollwert. Daher können Leitungen oder Transformatoren nicht durch eine Frequenzdifferenz abgeschaltet werden. Sie werden durch den Schutz, oben als Sicherung bezeichnet, abgeschaltet wenn der Strom durch das Betriebsmittel dessen Belastbarkeit überschreitet. Das Absinken der Frequenz wird alleine durch das Ungleichgewicht von Erzeugung und Verbrauch verursacht. Im normalen Betrieb des Verbundnetzes sind mit wenigen Ausnahmen alle Verbundkuppelleitungen, oben als Verbindungsleitungen bezeichnet, immer in Betreib und müssen daher nicht erst "freigeschaltet" werden um Reserveenergie in ein gestörtes Teilnetz zu transportieren. Durch den Transport von Reserveenergie können unter normalen Betriebsbedingungen keine Verbundkuppelleitungen überlasteterden, Ausnahmen bestätigen sicher die Regel wie der Blackout Italiens im September 2003 gezeigt hat. Allerdings war hier auch das n-1-Kriterium, weiter ober beschrieben, verletzt. Der Lastabwurf funktioniert übrigens automatisch und muss nicht vom Bedienpersonal vorgenommen werden, die benötige Zeit wäre auch viel zu kurz.

Die Netzregelung die für den Ausgleich von Verbrauch und Erzeugung in den ersten kritischen Augenblicken verantwortlich ist funktioniert ohne Eingriff eines Menschen und reagiert sehr schnell. Den Blackout eines Netzes kann man ihr sicher nicht anlasten. Vielmehr müssen mehrere Ereignisse zusmmentreffen. Beim Blackout in Italien hat die Netzregelung überigens funktioniert und trotzdem ist es zum Ausfall ganz Italiens gekommen.

Auswirkungen in Nachbarnetzen

Das Zusammenbrechen eines Netzes würde allerdings auch die umgebenden Netze in Schwierigkeiten bringen. Dann fehlt plötzlich ein großer Stromverbraucher, so dass ohne weitere Maßnahmen die Netzfrequenz zu stark steigen würde. Es wird dann versucht, die Stromproduktion zu drosseln, wie schnelles Herunterfahren von Spitzenlast-Kraftwerken. Zusätzlich werden Maßnahmen ergriffen, den Stromverbrauch zu erhöhen, wie das Starten der Pumpen in Pumpspeicherwerken, Einschalten von Stromverbrauchern per Rundsteuerbefehl (Leistungserhöhung bei industriellen Verbrauchern, Aufheizen von Nachtspeicherheizungen), verstärkte Abgabe in Nachbarnetze.

Das Ansteigen der Frequenz nach Abtrennung eines Leistung importierenden Teilnetzes wird durch die Netzregleung automatisch begrenzt. Ist die Netzregelung jedoch ausgeschöpft muss der Verbrauch z.B. durch zuschalten von Pumpen erhöht oder die Erzeugung durch Reduzierung der Einspeisung zusätzlich reduziert werden.

Gelingt es nicht, den Fortfall des gestörten Netzes zu kompensieren, steigt im Nachbarnetz die Netzfrequenz zu stark an. Dies hätte zur Folge, dass sich das Netz zuerst wegen zu großer Unterschiede in der Netzfrequenz von den Nachbarnetzen trennen und das Netz sich dann bei zu hoher Netzfrequenz abschalten würde.

Die Frequenz in einem zusammenhängenden Verbundnetz wird immer überall erhöht oder abgesekt. Es wire nie eine Frequenzunterschied zwischen benachbarten Teilnetzen auftreten.

Bezog ein Nachbarnetz erhebliche Mengen Strom aus dem gestörten Netz, muss hier natürlich die Netzregelung auf den Fortfall der Stromeinspeisung reagieren (siehe oben).

Folgen

Kritisch sind Stromausfälle besonders für Krankenhäuser, da diese Strom zum Betrieb medizinischer Geräte benötigen. Aber auch sicherheitsrelevante Systeme (wie Radargeräte der Flugsicherung, Ampeln oder Signalanlagen der Eisenbahn) oder andere Versorger (wie Wasserwerke, Gaswerke oder Telekommunikationsunternehmen) benötigen Strom zum Arbeiten. Aus diesem Grund verfügen beispielsweise Krankenhäuser und andere kritische Einrichtungen ebenso wie viele Unternehmen über Notstromaggregate, die häufig mit Dieselgeneratoren betrieben werden und sich automatisch zuschalten, sobald ein Stromausfall eintritt. Zusätzlich verfügen viele Einrichtungen über mehrere Netzanschlüsse an (weitgehend) unabhängige Netze.

Die Netzanschlüsse sind auf unterschiedliche lokal getrennte Umspannwerke geschaltet um beim Ausfall eines Umspannwerks über das andere weiter mit Strom versorgt werden zu können. Das übergeordnete Netz ist bei beiden Umspannwerken in der Regel das selbe, so dass sich eine Störung dort auch auf beide Anschlüsse auswirkt. Viel wichtiger ist z.B. in Krakenhäusern die Verwendung einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV)

Große historische Stromausfälle

9. November 1965, 17:45 Uhr. Im Nordosten der USA und in vielen Teilen Kanadas fällt der Strom aus (Blackout) . Etwa 30 Millionen Menschen waren davon betroffen. Viele befürchteten in den Zeiten des Kalten Kriegs, dass ein Atomkrieg die Ursache gewesen sei. Erst nach sechs Tagen wurde der Auslöser, ein defektes Strom-Relais in Ontario (Kanada) gefunden.
13. Juli 1977. In New York City und in Gebieten des Landkreises Westchester nördlich von New York fiel in der Nacht durch Blitzeinschläge der Strom aus. Es kam zu Plünderungen und Unruhen, 3800 Menschen wurden festgenommen und die Feuerwehr musste über 1000 Feuer löschen.
In Kalifornien gibt es regelmäßig Stromausfälle aufgrund von Energieknappheit. Insbesondere im Jahr 2000 kam es vermehrt zu Stromausfällen durch eine künstlich herbeigeführte Stromknappheit, da einige Betreiber ihre Kraftwerke vom Netz nahmen um die Marktpreise zu manipulieren. (siehe auch Enron)
Am 14. August 2003 kam es zu einem großflächigen Stromausfall im Nordosten der USA sowie in Teilen Kanadas. Der Ausfall ist die Folge einer Marktaufsplitterung und mangelnder Investitionen nach der Deregulierung des Strommarktes. Jahrzehntealte Netze mit schlechter Wartung konnten die ständig steigende Last nicht mehr verkraften. Der Zusammenbruch wurde schon seit Jahren vorausgesagt.
24. September 2003. In Südschweden und Dänemark fiel der Strom aus. 3,5 Millionen Menschen hatten stundenlang keinen Strom mehr. Es gab viele Unfälle infolge ausgefallener Ampelanlagen. Die Eisenbahn stand still. Telefone funktionierten nicht mehr. Schuld daran soll ein Unwetter oder Reparaturarbeiten in dem schwedischen Kernkraftwerk Oskarshamn gewesen sein. Dort wird etwa ein Zehntel des schwedischen Stroms produziert.
28. September 2003, 3.30 Uhr. In Italien und der Vatikanstadt kam es durch die Unterbrechung zweier Stromleitungen aus Frankreich und der Schweiz zu einem Stromausfall. Da es am Wochenende und mitten in der Nacht geschah, kam es aber zu keinen größeren Zwischenfällen. Die Feier zur Weißen Nacht – eine Kulturnacht mit Opernaufführungen und Konzerten in Rom – endete ganz plötzlich als die Lichter überall ausgingen.
12. Juli 2004. In Athen und Umgebung kam es knapp einen Monat vor den Olympischen Spielen zu einem stundenlangen Stromausfall, der wahrscheinlich auf menschlichem Versagen beruhte, denn es waren freie Kapazitäten vorhanden.
22. Juni 2005. Das gesamte Eisenbahnnetz der Schweizerischen Bundesbahnen SBB wurde um 17.47 Uhr mitten in der Rushhour durch einen auslösenden Überlastschalter lahmgelegt. Zur Überlastung kam es, da von drei Verbindungen zwischen den Kraftwerken im Alpengebiet und der Zentralschweiz gleichzeitig zwei wegen Bauarbeiten an der NEAT außer Betrieb waren. Dadurch wurde das Hochspannungsnetz in zwei Teile geteilt. Während sich im Süden die Kraftwerke wegen fehlender Last abschalteten, fehlten in der restlichen Schweiz rund 200 MW. Auch die Leitungen aus Deutschland und Frankreich konnten die fehlende Leistung nicht ausgleichen, so dass sich nach und nach die restlichen Kraftwerke wegen Überlast abschalteten. 200 000 Pendler steckten in rund 1500 Zügen fest, welche bei hochsommerlichen Temperaturen ohne Klimaanlage ausharren mussten. Nach drei Stunden konnte die Stromversorgung wieder hergestellt werden.
Bei der Untersuchung des Vorfalls stellte sich heraus, dass ein Grund für den großflächigen Ausfall ein falsches Leistungsmanagement gewesen ist: Hätte man frühzeitig einige kleinere Bereiche abgeschaltet, hätte man Angebot und Nachfrage eher wieder in Übereinstimmung bringen können und der ganz große Ausfall hätte vermieden werden können.
25. November 2005. Nach heftigen Schneefällen ereignete sich im Norden Nordrhein-Westfalens sowie in Teilen Südwest-Niedersachsens einer der größten Stromausfälle in der Geschichte der Bundesrepublik. Besonders betroffen war das westliche Münsterland mit den Landkreisen Borken, Coesfeld und Steinfurt. Von den rund 250.000 betroffenen Menschen waren viele drei Nächte lang ohne Strom, bis sie mit Notstromaggregaten versorgt oder provisorisch wieder an das Stromnetz angeschlossen werden konnten. Erste Schätzungen der IHK Nord-Westfalen gingen von einem wirtschaftlichen Schaden von 100 Millionen Euro aus.
Ursache für den Stromausfall waren eingeknickte Strommasten und gerissene oder sehr tiefhängende Hochspannungsleitungen. Der sehr nasse Schnee setzte sich auf den Leitungen außergewöhnlich fest und umhüllte sie mit einem Eispanzer, dessen Durchmesser ein Vielfaches des Durchmessers der Leitungen annahm. Hinzu kam kräftiger Wind, der diese durch die vergrößerte Windangriffsfläche in Schwingungen versetzte. Dem hohen Gewicht des Schnees und den auftretenden Schwingungen hielten viele Masten und Leitungen nicht stand und knickten ein beziehungsweise rissen.

In vielen Staaten wurden die Stromnetze in den letzten Jahren nicht ausreichend erneuert und ausgebaut. Dadurch sind die Netze wesentlich störanfälliger geworden. Mit weiteren Ausfällen ist somit zu rechnen.

Siehe auch

Weblinks