Wie das Stromsystem in Spanien funktioniert und warum es bei einem Ungleichgewicht innerhalb von Sekunden zu Stromausfällen kommen kann

Aufgrund seiner geografischen Besonderheiten verfügt Spanien über mehr als zehn Elektrizitätssysteme. Das größte davon ist das Stromnetz der Halbinsel, durch das jährlich mehr als 200 Gigawattstunden fließen. Daneben existieren die Stromsysteme der Inseln La Palma, El Hierro, La Gomera, Teneriffa und Gran Canaria, die Verbindungen zwischen Fuerteventura und Lanzarote sowie die autonomen Städte Ceuta und Melilla. Obwohl das einheitliche System der Balearen seit 2012 mit der Halbinsel verbunden ist, bleibt es dennoch etwas isoliert.

An diesem Montag kam es zu einem Ausfall auf der Halbinsel, die laut Red Eléctrica Española etwa 94 % des Strombedarfs in Spanien deckt. Beatriz Corredor, die Präsidentin von Red Eléctrica, bezeichnete das System trotz der Vorfälle vom Montag als das “beste” in Europa, da es auf einem vielfältigen Energiemix basiert.

Zusammen mit thermischen Kraftwerken (Kohle, GuD-Kraftwerke und Brennstoff/Gas) sowie Kernkraftwerken verfügt das System über eine installierte Leistung von rund 50.000 Megawatt. Zusätzlich kommen etwa 45.000 Megawatt aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind, Wasser, Photovoltaik, Solarthermie, erneuerbarer Wärme, Kombikraftwerken, Kraft-Wärme-Kopplung sowie Abfall, Turbinen und Pumpen.

Darüber hinaus ist das System mit Frankreich, Portugal, Andorra und Marokko verbunden. Diese internationalen Verbindungen waren entscheidend, um den großen Blackout zu beheben und das Licht in die Haushalte zurückzubringen. Allerdings steht nur eine begrenzte Menge an elektrischer Energie zur Verfügung; die Kapazität Marokkos beträgt lediglich 1.400 Megawatt, während die französische Verbindung fast 3.000 Megawatt umfasst. Die französische Regierung weigert sich systematisch, den Stromfluss zu erhöhen, obwohl an einem Seekabel im Golf von Biskaya gearbeitet wird, um eine Kapazität von 5.000 Megawatt zu erreichen.

Insgesamt liegt die installierte Leistung in Spanien bei über 130.000 Megawatt. Allerdings wird diese theoretische maximale Erzeugungskapazität nie vollständig ausgeschöpft, da sie in der Regel nicht erforderlich ist. Bei Verbrauchsspitzen erreicht die Leistung lediglich 40.000 bis 45.000 Megawatt.

Das gesamte System ist über ein Stromübertragungsnetz miteinander verbunden. Es gibt mehr als 34.500 Kilometer Hochspannungsleitungen, zu denen auch Mittel- und Niederspannungsverteilungsleitungen gehören. Die Gesamtlänge dieser Leitungen übersteigt 600.000 Kilometer.

Die Hochspannungsleitungen und über 400 Trafostationen gehören zu Red Eléctrica, während die Mittel- und Niederspannungsleitungen im Besitz verschiedener Elektrizitätsunternehmen sind, die Unternehmen, Organisationen und Haushalte mit Strom versorgen.

Cecoel: Die Überwachungszentrale
Das Elektrische Kontrollzentrum (Cecoel) mit Sitz in Madrid ist für den Betrieb und die koordinierte Überwachung der Erzeugungs- und Übertragungsanlagen des nationalen Elektrizitätssystems in Echtzeit verantwortlich. Ziel ist es, ein konstantes Gleichgewicht zwischen der benötigten und der erzeugten Energie aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck empfängt, analysiert und verarbeitet Cecoel kontinuierlich etwa 240.000 Daten.

Cecoel erhält Echtzeitinformationen über Einrichtungen, die nicht im Besitz von Red Eléctrica sind, von den Kontrollzentren, die eingerichtet wurden, um Telemetriedaten in Echtzeit zu übermitteln. Zudem überwacht es permanent den Status des Netzwerks und der einzelnen Komponenten sowie deren elektrische Parameter. Dies geschieht über ein Telekommunikationsnetz, das auf die Kontrollvariablen einwirkt, um Sicherheit und Qualität der Versorgung zu gewährleisten.

Das System steuert und verwaltet Nachfrageschwankungen sowie Situationen der Nichtverfügbarkeit in den Erzeugungsanlagen. Dies erfolgt nach Redundanzkriterien: Wenn eine Leitung oder Anlage ausfällt, übernehmen sofort andere die Last, sodass immer Backup-Generatoren bereitstehen.

SCADA und Cyberangriffe
Zur Regelung des elektrischen Flusses kommen SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) zum Einsatz, die es ermöglichen, Umspannwerke zu steuern, die Verteilung des elektrischen Flusses zu überwachen und automatisierte Maßnahmen zu ergreifen. Ein möglicher Cyberangriff hätte sich gegen das SCADA-System richten können.

Wie wir alle in dieser Woche erfahren haben, muss das Netzwerk stets im Gleichgewicht sein; das Angebot muss im Verhältnis zur Nachfrage stehen. Da Strom nicht in großen Mengen gespeichert werden kann, erfolgt alles in Echtzeit. Die Hauptfunktion von Red Eléctrica besteht darin, “das konstante Gleichgewicht zwischen der benötigten Energie (Nachfrage) und der produzierten Energie (Erzeugung) zu gewährleisten, um die benötigte Energiemenge dorthin zu liefern, wo und wann sie gebraucht wird”. Dieser Prozess erfolgt kontinuierlich und passt die Erzeugung in Zehntelsekunden an.

“Das bedeutet, dass in Spanien jede Zehntelsekunde die gleiche Menge Energie erzeugt werden muss, die verbraucht wird”, erklärt Marcos Rupérez, Professor an der OBS Business School. Wenn wir beispielsweise das Licht im Wohnzimmer ausschalten, verringert eine spanische Anlage sofort die Produktionsleistung und synchronisiert alle Erzeugungs- und Verbrauchsquellen. “Es handelt sich um ein äußerst kritisches und instabiles System, in dem alles in Sekundenschnelle zusammenbrechen kann, wenn etwas ausfällt”, fügt der Experte hinzu.

Um den historischen Stromausfall an diesem Montag zu verstehen, ist es wichtig, die Funktionsweise des Wechselstroms zu begreifen, der durch das Stromnetz fließt. Dieser Strom oszilliert, bewegt sich also nicht in eine Richtung, sondern schwingt mit einer Frequenz von 50 Mal pro Sekunde. Rupérez erklärt, dass es sich dabei um eine Welle handelt, die sich 50 Mal pro Sekunde in entgegengesetzte Richtungen bewegt. Dieser Wert muss im gesamten nationalen Netz stabil und synchronisiert sein. “Mit anderen Worten: Alle Erzeugungsanlagen müssen nicht nur mit diesen 50 Hertz arbeiten, sondern sie müssen dies auch synchron tun, wie ein großes Orchester, das ohne Verzögerungen spielt”, erläutert er.

Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch
Was geschieht, wenn es zu einem Ungleichgewicht zwischen Energieangebot und -nachfrage kommt? Wenn das Netzwerk nicht rechtzeitig reagieren kann, um die Frequenzabweichung zu korrigieren, tritt ein Kettenereignis ein, bei dem alle Bedienfelder heruntergefahren werden.

Genau das ist passiert. Sinkt die Frequenz unter 50 Hertz, werden Windparks und Solarkraftwerke automatisch abgeschaltet; auch Kombikraftwerke und Kernkraftwerke schalten sich aus Sicherheitsgründen ab. “Das Netz zeigt 0 MW synchronisiert an, da es nicht möglich ist, die gemeinsame Spannung aufrechtzuerhalten”, schreibt Gonzalo García in “Hybrids and Electrics”.

Rupérez erklärt, dass dies geschehen ist, weil die meisten Erzeugungsanlagen den Befehl haben, sich abzuschalten, wenn die Frequenz zu stark von 50 Hertz abweicht. Es handelt sich um eine Sicherheitsmaßnahme. Das gesamte Netz, sowohl die Erzeugung als auch der Verbrauch, ist auf diese Frequenz ausgelegt. “Im Grunde genommen ist das, was passiert ist, dass es einen Bereich gab, in dem die Netzfrequenz destabilisiert wurde, weil sich ein noch zu untersuchendes Ereignis im gesamten Netz ausbreitete und zu einem Zusammenbruch führte”, sagt Rupérez.

Instabile erneuerbare Energien und notwendige Modernisierungen
Die derzeitigen erneuerbaren Energiequellen (Photovoltaik und Wind) gelten als instabil und machten zum Zeitpunkt des Blackouts 70 % der Erzeugung aus. Nur wenige Quellen, wie Kern-, Gas- und Wasserkraftwerke, gewährleisteten die Stabilität der Frequenz. Als der lokale Ausfall eintrat, konnte das Netzwerk die Frequenz nicht aufrechterhalten, was dazu führte, dass sich der Fehler ausbreitete und ein großer Teil des Netzes zusammenbrach.

“Photovoltaik ist die Technologie, die am wenigsten in der Lage ist, dem Netz Stabilität zu verleihen, wenn es Ungleichgewichte zwischen Erzeugung und Nachfrage gibt”, erklärt Ingenieur Manuel Moral, Professor für den Master-Abschluss in Renewable Energy Transition an der Europäischen Universität. “Sie hat die geringste Fähigkeit, auf solche Schwankungen zu reagieren und Stabilität zu gewährleisten”, fügt er hinzu.

Obwohl erneuerbare Energien heute nicht zur Stabilisierung des Netzes beitragen, gibt es Technologien wie die Grid Formation, die dies ermöglichen könnten. Antonio Turiel, Doktor der theoretischen Physik an der Autonomen Universität Madrid und Forscher am CSIC, argumentiert, dass die Elektrizitätsunternehmen nicht bereit sind, in die Modernisierung des Übertragungsnetzes zu investieren. “Das wurde nicht umgesetzt, weil es kostengünstiger war, Netze ohne Stabilisierungssysteme zu betreiben.” Turiel weist zudem darauf hin, dass der Stromausfall weniger gravierend gewesen wäre, wenn die Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (die im Leerlauf waren) in Betrieb gewesen wären. Diese wurden gestoppt, da die Stromunternehmen aufgrund negativer Preise Verluste erlitten.