Der Elektronen-Highway

Bis der Strom aus der Steckdose kommt, hat er einen weiten Weg hinter sich – vielleicht vom Kohlekraftwerk am Rande der Stadt, vielleicht aber auch von einem Kernkraftwerk in Frankreich oder einer Windkraftanlage in Dänemark. Der elektrische Strom sucht sich nach den Kirchhoff’schen Gesetzen immer den Weg des geringsten Widerstandes, die Versorger gewährleisten, dass stets genug Energie im Netz ist. Das geht heute nur noch im internationalen Verbund. In Zeiten des grenzüberschreitenden Stromhandels wächst die Bedeutung der Netze – die dafür nur schlecht gerüstet sind. „Die Stromnetze in Europa sind Eselspfade” , meint Ralf Christian, Geschäftsführer der Energieverteilnetzsparte bei Siemens. Nur zehn Prozent des Stroms könnten heute über die Grenzen gehandelt werden. Ein Mehrfaches ist nötig, um Strom aus Wind- und Sonnenenergie optimal zu integrieren. Denn „grüner Strom” wird oft woanders geerntet, als er verbraucht wird, und er schwankt. Das Smart Grid, wie die EU-Kommission das intelligente Netz der Zukunft nennt, soll für den Transport und mithilfe moderner Kommunikationstechnologie für Verlässlichkeit und Effizienz sorgen.

Doch dafür sind erhebliche Anstrengungen nötig. Die deutsche Energieagentur dena geht in ihrer Netzstudie von 2005 davon aus, dass 2015 allein in Deutschland ungefähr 36 Gigawatt maximale Leistung aus Windkraft ins Netz eingespeist werden muss – plus 11,3 Gigawatt aus anderen regenerativen Quellen, wobei immer nur ein Teil der Leistung tatsächlich zur Verfügung steht. In manchen Gegenden von Mecklenburg-Vorpommern stammt schon heute die Hälfte des Stroms aus Windkraft und wird in 110- Kilovolt-Hochspannungsnetze eingespeist, die der Last kaum noch gewachsen sind. Soll die elektrische Energie von der Küste zu den Verbrauchern in den Ballungszentren in Süd- und Westdeutschland kommen, müssen die Netze verstärkt werden, laut dena sind 392 Leitungskilometer betroffen. 850 Kilometer müssten neu gebaut werden.

Autobahnen statt Landstrassen

Doch herkömmliche Wechselspannungsleitungen sind nicht überall erste Wahl. „Die sind wie Landstraßen”, sagt Hans Müller-Steinhagen, Leiter des Stuttgarter DLR-Instituts für Technische Thermodynamik. „Wir brauchen aber mehr Autobahnen.” Müller-Steinhagen meint damit Leitungen, die große Mengen Energie über weite Distanzen transportieren können. Doch das bringt die bewährte Hochspannungstechnik mit Wechselstrom in die Klemme. Weil sich die Stromrichtung 50-mal in der Sekunde umkehrt, kommt es zu Phasenverschiebungen. Über mehrere Hundert Kilometer können die Wellen von Spannung und Strom so auseinander laufen, dass sie mit entgegengesetzter Phase schwingen – und keine Leistung übertragen, obwohl Strom übers Kabel fließt. Die Alternative: „ Hochspannungs-Gleichstromübertragung”, kurz HGÜ. Die erste HGÜ der Welt nahm der Energietechnik-Konzern ABB 1956 zwischen der schwedischen Insel Gotland und dem Festland in Betrieb. Das Prinzip, Energie mit Gleichstrom zu befördern, ist viel älter: Die erste Freileitung Deutschlands, die 1882 von Miesbach zur Elektroausstellung nach München führte, arbeitete mit Gleichstrom.

Fast eine Million Volt Spannung

Hohe Leistungen erfordern hohe Spannungen. Doppelte Spannung bedeutet halben Strom, die Verluste durch Wärme in den Leitungen sinken gar auf ein Viertel. ABB und Siemens schrauben die Spannung in ihren aktuellen Bauvorhaben in China auf 800 000 Volt hoch. Die Stromventile zum Gleichrichten – sogenannte Thyristoren –, die solche Spannungen und Ströme aushalten, werden heute mit Laserimpulsen gesteuert und arbeiten fast verlustfrei. Moderne Gleichrichter für HGÜ – und die Wechselrichter, die den Gleichstrom am Ende der Leitung wieder in Wechselstrom zerhacken – verkraften riesige Leistungen: 6400 Megawatt, die Leistung von etwa sieben großen Kohlekraftwerken – soll eine HGÜ-Leitung vom Wasserkraftwerk Xiangjiaba nach Shanghai transportieren. ABB will sie 2011 in Betrieb nehmen und liefert sich eine Rekordjagd mit Marktführer Siemens, der ab 2010 satte 5000 Megawatt von Wasserkraftwerken in der chinesischen Provinz Yünnan nach Süden in die Provinz Guangdong schicken will.

Eine Faustregel besagt, dass sich HGÜ – trotz der höheren Kosten durch die zusätzlichen Wechselrichter – an Land ab etwa 500 Kilometer lohnt, unter Wasser schon ab 30 bis 50 Kilometer. Die Einbindung von Solarstrom aus Nordafrika erfordert also zwingend HGÜ. Die Verluste betragen bei HGÜ 3 Prozent pro 1000 Kilometer, auf dem Weg von Nordafrika nach Europa würden also nur 10 bis 15 Prozent der Energie verloren gehen – vernachlässigbar angesichts der viel höheren Energieausbeute in der Sahara. In einer Wechselstrom-Hochspannungsleitung wären die Verluste fünfmal so groß. Für abgelegene Standorte in Deutschland – zum Beispiel Offshore-Windparks in der Nordsee – böte sich eine Gleichstrom-„Standleitung” an, die mit HGÜ-Technik Strom von der See an die Küste bringt und von dort nonstop nach Süddeutschland. Schon heute sind England und die skandinavischen Länder via HGÜ ans europäische Verbundnetz angeschlossen. ■

Bernd Müller ist ehemaliger bdw-Redakteur und freier Autor für Innovationsthemen in Esslingen.

von Bernd Müller