Die Physik des Stromnetzes: Ein System, das von Trägheit zusammengehalten wird

In der Euphorie über erneuerbare Energien gerät die wichtigste stabilisierende Kraft des Netzes zunehmend in Vergessenheit.

Für die meisten Nutzer ist das Stromnetz ein unsichtbares Hintergrundsystem: zuverlässig, lautlos, sofort verfügbar. Strom fließt scheinbar automatisch, als ob er einfach „da“ wäre. Doch dieser Eindruck täuscht. Das Stromnetz ist kein Speicher und kein Kraftstofftank. Es ist ein dynamisches Gleichgewicht, das in Echtzeit geregelt und ständig neu ausbalanciert werden muss—ein physikalisch sensibles System mit zunehmender Störanfälligkeit.

Während sich die öffentliche Energiedebatte meist auf die Stromerzeugung konzentriert—wie viel, wie sauber, wie günstig—liegt die größere technische Herausforderung darin, Strom synchron, stabil und nutzbar bereitzustellen. Und die dafür wichtigste Eigenschaft—Trägheit—geht dem modernen Netz zunehmend verloren.

Echtes Gleichgewicht in Echtzeit

Strom ist ein außergewöhnliches Gut: Er muss in dem Moment verbraucht werden, in dem er erzeugt wird. Einen großtechnischen „Puffer“ gibt es bislang nicht. Selbst kleine Ungleichgewichte zwischen Erzeugung und Verbrauch können das System destabilisieren.

In Wechselstromnetzen (AC) ist der Stromfluss auf eine feste Netzfrequenz abgestimmt—60 Hertz in Nordamerika, 50 Hertz in Europa. Schon geringe Abweichungen davon sind kritisch. Ein Abfall um nur 0,5 Hertz kann Schutzeinrichtungen auslösen, Generatoren trennen oder im Extremfall großflächige Stromausfälle verursachen.

Trägheit: Das unsichtbare Rückgrat des Netzes

Frühere Stromnetze wurden durch die eigene Masse ihrer Maschinen stabilisiert. Große konventionelle Kraftwerke—Kohle, Gas, Wasserkraft oder Kernenergie—erzeugen Strom mit rotierenden Turbinen. Diese schweren Generatoren speichern Rotationsenergie (Drehimpuls), da sie mit der Netzfrequenz synchron laufen.

Bei plötzlichen Verbrauchsspitzen oder Einbrüchen in der Einspeisung wirken diese Massen wie Puffer: Sie verlangsamen Frequenzänderungen, stabilisieren das Netz und verschaffen wertvolle Millisekunden für Gegenmaßnahmen. Diese sogenannte rotierende Trägheit ist keine Nebensache. Sie war lange die Grundlage für Netzstabilität im 20. Jahrhundert.

„Trägheit ist kein Relikt der Vergangenheit – sie ist die Sicherheitsmarge der Zukunft.“

Erneuerbare Energie und das Trägheitsdefizit

Windkraft und Photovoltaik funktionieren grundlegend anders. Sie sind wechselrichterbasiert: Sie erzeugen Gleichstrom (DC), der über Leistungselektronik in Wechselstrom (AC) umgewandelt wird. Dabei entsteht keine rotierende Masse, die mit dem Netz synchron läuft. In einem zunehmend „inverter-dominierten“ Stromnetz geht diese Trägheit verloren.

Die Folge: Frequenzschwankungen, die früher Sekunden dauerten, geschehen heute in Bruchteilen davon. Diese Beschleunigung reduziert den Handlungsspielraum und erhöht die Störanfälligkeit des Systems.

Beispiel: Südaustralien, 2016

Am 28. September 2016 verursachten mehrere Blitzeinschläge im australischen Bundesstaat South Australia Spannungseinbrüche im Netz. Zahlreiche Windparks schalteten sich automatisch ab—teils aufgrund konservativer Schutzeinstellungen. Mit nur wenig synchroner Erzeugung verblieb zu wenig Trägheit im System, um die Netzfrequenz zu stabilisieren. Innerhalb von Sekunden brach das gesamte Netz zusammen—1,7 Millionen Menschen waren ohne Strom.

Ursache war nicht ein Mangel an Strom, sondern die fehlende Reaktionsfähigkeit eines trägheitsarmen Netzes auf einen ansonsten beherrschbaren Störfall.

„Synthetische Trägheit“: eine Teilantwort

Ingenieure setzen zunehmend auf sogenannte synthetische Trägheit: Batteriesysteme und fortgeschrittene Wechselrichter, die bei Frequenzänderungen blitzschnell reagieren können. Die Grundidee: Elektronische Systeme simulieren das Verhalten einer rotierenden Maschine.

Doch diese Lösung hat Grenzen. Wo Trägheit bei Schwungmassen rein physikalisch wirkt, ist die Reaktion bei elektronischer Trägheit mess-, rechen- und steuerungsabhängig. Steuerungstechnik, Datenübertragung und Netzstruktur beeinflussen die Geschwindigkeit der Reaktion. Die Simulation hilft—aber sie ersetzt nicht die Robustheit echter Masse.

Warum Kapazität nicht gleich Stabilität ist

In der öffentlichen Wahrnehmung gilt: Je mehr installierte Leistung, desto sicherer das Netz. Doch das ist irreführend. Ein Überschuss an Strom garantiert keine Stabilität. Im Gegenteil: Er kann instabil machen, wenn Frequenz und Spannung nicht korrekt geregelt werden.

Netze mit hoher Trägheit liefern automatisch:

• Blindleistung zur Spannungsstützung

• Frequenzdämpfung durch Masse

• Störfestigkeit bei Kurzschlüssen oder Spannungseinbrüchen

In trägheitsarmen Netzen müssen diese Dienste bewusst geplant, bezahlt und technisch ersetzt werden—meist mit hohem Aufwand.

Was ist zu tun?

Das Trägheitsdefizit ist lösbar—aber nur, wenn man es direkt adressiert. Mögliche Maßnahmen:

• Synchronous Condensers: umgerüstete Generatoren, die ohne Stromerzeugung rotieren und Trägheit sowie Blindleistung liefern. Sie werden bereits in Kalifornien und Australien eingesetzt.

• Hybridsysteme: Kombinationen aus Wechselrichtern und Schwungmassen an einem Standort.

• Netzbildende Wechselrichter: moderne Steuerungstechnik, die Frequenz- und Spannungsreferenzen selbst setzen kann. Vielversprechend, aber komplex in der Koordination.

• Gezielte Beibehaltung bestimmter thermischer Kraftwerke, insbesondere Wasserkraft und Gaskraftwerke mit schneller Regelfähigkeit und Schwarzstartfähigkeit.

Eines ist klar: Ein Netz ohne Trägheit ist technisch möglich, aber nur mit erheblichem Zusatzaufwand und Risiko betreibbar.

Fazit: Physik lässt sich nicht verhandeln

Das moderne Stromnetz ist eine beeindruckende zivilisatorische Leistung. Aber es gehorcht nicht politischen Vorlieben, sondern den Gesetzen der Physik. Wenn wir das Energiesystem dekarbonisieren, bleiben diese Gesetze bestehen—ob wir wollen oder nicht.

Rotierende Trägheit ist kein Anachronismus. Sie ist die Grundlage für Echtzeit-Stabilität. Wenn wir das Stromnetz der Zukunft gestalten wollen, müssen wir Trägheit messen, wertschätzen und bewusst einbauen.

Denn wenn das Netz versagt, geschieht es nicht langsam. Es geschieht plötzlich. Und nicht, weil es zu wenig Strom gibt—sondern weil die Zeit zur Reaktion fehlt.