Was ist die Netzfrequenz?

Definition

Haushaltsüblicher Wechselstrom hat in Deutschland (und Europa) bekanntlich eine Frequenz von 50 Hertz (Hz). Weniger bekannt ist, dass diese Frequenz auch über das Verhältnis von Stromerzeugung und Stromverbrauch in einem Stromnetz Auskunft gibt: Ist die Frequenz zu niedrig, fehlt Strom im Netz – steigt die Frequenz zu sehr an, befindet sich zu viel Strom im Netz. Um die Netzfrequenz bei 50 Hz stabil zu halten, bedarf es eines intelligenten Angebot-Nachfrage-Mechanismus sowie, bei Über- bzw. Unterfrequenz, eines funktionierenden Regelenergiesystems.

50 Hertz vs. 60 Hertz

In den allermeisten Regionen, die flächendeckend mit Wechselstrom versorgt werden, liegt heutzutage die nominale Netzfrequenz entweder bei 50 Hz oder bei 60 Hz. Diese Unterscheidung hat vor allem historische Gründe, die in die Anfänge der Elektrifizierung zurückreichen. Damals erwies sich in den USA eine Netzfrequenz von 60 Hz aus technisch-logistischen Gründen als sinnvoll. Der Richtwert von 50 Hz in Deutschland soll auf den AEG-Gründer Emil Rathenau zurückgehen. Von Berlin ausgehend avancierte der Nominalwert allmählich zum Standard. Noch in den 1940er Jahren waren unterschiedliche Frequenzen – auch innerhalb eines Staates – nicht unüblich. Zur Vereinheitlichung der Netzfrequenz kam es erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Mittlerweile ist die 50-Hz-Netzfrequenz weltweit vorherrschend. Eine vollständige Umrüstung wäre derzeit aber wirtschaftlich nicht rentabel. Dies zeigt sich insbesondere in Japan, wo beide Netzfrequenzen koexistieren.

Was geschieht aus technischer Sicht?

Grundlagen des Wechselspannungsbetriebes

Bei der Wechselspannung verändert sich, wie der Name bereits andeutet, die Polarität kontinuierlich. Hierzu braucht es zwei unterschiedlich aufgeladene Pole, zwischen denen eine Spannungskraft erzeugt wird, damit die geladenen Stromteilchen in Bewegung versetzt werden und schließlich Strom fließt. Die elektrische Spannung ist also die Grundvoraussetzung, damit Strom überhaupt fließen kann. Je höher die Differenz zwischen den aufgeladenen Punkten, desto höher ist die elektrische Spannung, die in Volt (V) gemessen wird. Gleichsam führt eine höhere Spannung zu einer höheren elektrischen Leistung. Dabei gilt:

P (Momentanleistung) = U (elektrische Spannung) · I (elektrische Stromstärke)

Bei einem engmaschigen Verbundnetz, welches mit Wechselspannung betrieben wird, ist eine einheitliche und weitgehend zeitlich konstante Frequenz notwendig. Die Frequenz bezeichnet die Häufigkeit der aufeinanderfolgenden Polaritätswechsel zwischen zwei Punkten.

PRL-Schwelle, PRL Regelenergie
Netzfrequenz mit Totband und Regelband der Primärrregelleistung. Wird die Schwelle zum Einsatz der Primärregelleistung überschritten, muss die Anlage Regelenergie liefern.

Praktischer Nutzen der Netzfrequenz: Zeitsignal für Radiowecker

Das europäische Verbundnetz weist mittlerweile nur noch geringfügige Abweichungen vom Nominalwert 50 Hertz auf. Noch in den 1980er Jahren war jedoch, beispielsweise in der ehemaligen DDR, eine Unterschreitung der Netzfrequenz von einem oder zwei Hertz an Tagen mit geringerer Stromerzeugung keineswegs selten. Auch heute haben kleine Abweichungen bei der Netzfrequenz noch ganz praktische Folgen, denn die Netzfrequenz wird auch als Zeitsignal für einfache elektronische Geräte wie beispielsweise Radiowecker genutzt: Im Frühjahr 2018 führte das europaweite Absinken der Netzfrequenz zu vielen Verspätungen in Schule und Büro, da die zu niedrige Netzfrequenz die Radiowecker nachgehen und später klingeln ließ.

Laut einer Pressemitteilung des Verbands der Übertragungsnetzbetreiber ENTSOE-E haben diese konkreten Netzfrequenzabweichungen ihren Ursprung jedoch nicht in spezifischen physikalischen oder technischen Eigenschaften des Stromnetzes, sondern in einer politischen Auseinandersetzung zwischen Serbien und der autonomen Republik Kosovo: Dort müssten derzeit 113 GWh Strommenge ausgeglichen werden; eine politische Kompensationslösung stehe noch aus, so die ENTSOE-E in ihrer Pressemitteilung.

Berechnung der Netzfrequenz

Die in Hertz anzugebende Netzfrequenz errechnet sich aus den Polaritätswechseln pro Sekunde, die sich in Spannungswellen äußern. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz bedeutet dies, dass insgesamt 50 Spannungswellen pro Sekunde erfolgen und die Spannung dabei insgesamt einhundert Mal ihre Polarität wechselt.

Da Strom im Netz nur schwierig zu speichern ist, muss es für eine funktionierende Stromversorgung ein Gleichgewicht aus Produktion und Verbrauch geben. Wenn die Netzfrequenz vom Nominalwert abweicht, handelt es sich entweder um Über- oder Unterspeisung. Somit ist die Netzfrequenz der Referenzwert der Momentanleistung.

Im europäischen Verbundnetz treten nur geringfügige Abweichungen von der 50-Hz-Marke auf, so dass Netzbetreiber immer seltener eingreifen müssen. Dennoch ist die Regelleistung in ständiger Bereitschaft, um möglicherweise entstandene Ungleichgewichte wieder ausbalancieren zu können. Mit dem Ausbau der Erneuerbaren Energien gehen größere Fluktuationen einher. Trotzdem kommt es – am Beispiel Deutschlands – zu keinen größeren Versorgungsunterbrechungen, die statistisch mit dem SAIDI erfasst werden.