In Deutschland und weiten Teilen der Welt liegt die Netzfrequenz bei 50 Hertz. Das bedeutet, dass sich das Signal des Wechselstroms 50-mal pro Sekunde wiederholt oder, dass der Strom 100-mal pro Sekunde seine Richtung ändert. Für elektrische Geräte ist das besonders wichtig, da diese nur bei einer bestimmten Frequenz richtig funktionieren. Warum die Netzfrequenz hierzulande bei ziemlich genau 50 Hertz liegt, warum sie immer einmal schwankt und welche Auswirkungen das hat, erklären wir in den folgenden Abschnitten.
Die Themen im Überblick
Netzfrequenz beschreibt die Wiederholung elektrischer Signale
Wer elektrische Energie aus dem öffentlichen Stromnetz bezieht, erhält in aller Regel Wechselstrom. Dieser ist leicht auf verschiedene Spannungsebenen zu transformieren und dadurch vorherrschend, wenn es um den Betrieb von Stromnetzen geht. Eine besondere Eigenschaft des Wechselstroms ist, dass er immer wieder in eine andere Richtung fließt. Wie oft das passiert, lässt sich als Netzfrequenz in Hertz angeben. Bei einem Wert von 50 Hertz wiederholt sich das Signal der elektrischen Energie 50-mal pro Sekunde. Das heißt: Strom fließt in einer Sekunde 50-mal in jede Richtung. Er ändert seine Fließrichtung damit insgesamt 100-mal pro Sekunde.
Höhe der Frequenz in verschiedenen Stromversorgungsnetzen
In Deutschland hat sich eine Netzfrequenz von 50 Hertz (kurz 50 Hz) etabliert, da dieser Wert sowohl für Energieerzeuger als auch für Netzbetreiber und Stromverbraucher von Vorteil ist. In verschiedenen Teilen der Welt und in unterschiedlichen Netzen sind jedoch auch andere Werte üblich.
So beträgt die Netzfrequenz in den USA, Saudi-Arabien und in Teilen Japans beispielsweise 60 Hertz. Zurückzuführen ist das in Nordamerika unter anderem auf eine Empfehlung von Nikola Tesla, der zur Zeit der Errichtung der Stromnetze die Westinghouse Company beriet. Genau wie in Deutschland sah er den Wert als günstig für Stromerzeuger und -verbraucher an.
In Spezialbereichen sind aber auch höhere Wechselzahlen üblich. So zum Beispiel in den Bordnetzen von Flugzeugen (400 Hz) oder bei industriellen Anwendungen (200 oder 400 Hz). Ein Grund dafür ist es, kleinere Transformatoren bauen zu können. Geräte und Anlagen sind dadurch kompakter und vor allem leichter.
Historische Gründe für eine Frequenz von 50 Hertz im Stromnetz
Das die Netzfrequenz hierzulande genau 50 Hertz beträgt, hat vor allem historische Gründe. Nachdem die Wechselzahlen, wie die Frequenz auch genannt wird, in den Anfängen der Elektrifizierung ständig anders ausfielen, entschied sich Emil Rathenau, Generaldirektor der AEG, für einen Wert von 50 Hz. Seine Begründung: „[…] Nach eingehenden Erwägungen entschloss man sich zu 50 Perioden in der Sekunde, weil bei dieser Wechselzahl der Spannungsabfall [der Übertragungsleitungen] durch Selbstinduktion in angemessenen Grenzen zu halten ist; für den Betrieb von Transformatoren, Motoren und Glühlampen erscheint sie besonders geeignet, und auch die Benutzung von Bogenlampen ist zulässig, wenn die Anforderungen an Beständigkeit des Lichtes nicht übertriebene sind.“
Interessant zu wissen
Einige Experten gehen davon aus, dass sich der Wert 50 auch deshalb etablierte, weil er einer Normzahlenreihe angehört. Diese Zahlenwerte finden immer wieder Anwendung, wenn es um die Vereinheitlichung verschiedener Sachverhalte geht.
Schwankungen der Frequenz und ihre Folgen für Verbraucher
Die Netzfrequenz ist ein Indikator für die Regelqualität eines Stromnetzes. Denn sie verändert sich kaum, wenn Stromerzeugung und -verbrauch kontinuierlich ausgewogen sind. Kommt es zu starken Schwankungen auf der Erzeuger- oder der Verbraucherseite, führt das auch dazu, dass sich die Netzfrequenz ändert. Zu beobachten ist dabei Folgendes:
- Liegt die Produktion über dem Verbrauch, steigt die Frequenz an
- Liegt die Produktion unter dem Verbrauch, sinkt die Frequenz ab
Starke Schwankungen können dabei zu Schäden an sensiblen elektrischen Geräten führen. Sie lassen Digitaluhren falsch laufen und sind daher unbedingt zu vermeiden.
Übrigens:
Netzbetreiber zeichnen den Verlauf der Spannungsschwankungen auf. Da sich diese unter Umständen auch auf die Qualität von Fotos, Videos und Tonaufnahmen auswirken, können Kriminologen manchmal Rückschlüsse auf Ort und Zeit der Aufnahme finden, wenn sie die Frequenzschwankungen mit Filtern isolieren.
Verschiedene Möglichkeiten zur zuverlässigen Regelung der Frequenz
Ausgleichen lässt sich die Netzfrequenz in der Regel durch das Zu- oder Abschalten von Leistungen und Lasten. Steigt die Wechselzahl an, weil große Verbraucher ausfallen oder Strom aus erneuerbare Energien Anlagen im Überschuss vorhanden ist, reduzieren Netzversorger die Einspeiseleistung oder schalten flexible Verbraucher zu. Letztere sind beispielsweise Elektroheizkessel, die in der Industrie für Wärme, Heißwasser oder Dampf sorgen.
Fällt die Netzfrequenz hingegen ab, müssen Erzeuger mehr Strom liefern. Möglich ist es dabei zum Beispiel, die Leistung flexibler Kraftwerke anzuheben oder Verbraucher wie Wärmepumpen vorübergehend vom Netz zu nehmen.
Abschaltung von Stromerzeugern führen zu großen Stromausfällen
Ist die Schwankung zu hoch, schalten Versorger alle Kraftwerke ab, um das Stromnetz erneut hochzufahren. Das passiert bei einem Wert von 47,5 Hertz und verursacht einen Blackout – einen flächendeckenden Stromausfall im betroffenen Netzgebiet. Steigt die Frequenz auf über 50,02 Hertz an, reduzieren Betreiber die Einspeiseleistung von Anlagen zur regenerativen Stromerzeugung (zum Beispiel Photovoltaik) schrittweise. Ab einem Wert von 51,5 Hertz trennen sie diese komplett vom Netz.
Bedeutung positiver und negativer Regelenergie im Netz nimmt zu
Mit dem Anteil regenerativer Energien aus Photovoltaik- oder Windkraftanlagen treten auch immer größere Schwankungen im Stromnetz auf. Grund dafür sind die unterschiedlichen Angebote von Wind und Sonne, die sich nur mit positiver oder negativer Regelenergie ausgleichen lassen. Diese, auch Regelleistung genannte, Reserve gleicht plötzliche Leistungsschwankungen aus, um das Stromnetz aufrecht zu erhalten.
- Positive Regelenergie beschreibt dabei die höhere Einspeisung ins Netz, um die gesunkene Frequenz wieder anzuheben. Infrage kommen hier auch abschaltbare Lasten wie Wärmepumpen, für die Versorger unter Umständen bestimmte Sperrzeiten vorgeben können.
- Negative Regelenergie beschreibt abschaltbare Leistungen. Hierzu drosseln Netzbetreiber unter anderem die Einspeisung von erneuerbare Energien-Anlagen oder die Leistung von Kraftwerken.
Primärregelleistung, Sekundärregelleistung und Minutenreserve
Kommt es zu unvorhergesehenen Schwankungen des elektrischen Leistungsbedarfs, unterscheidet man zwischen drei Regelenergiearten, der Primärregelleistung, der Sekundärregelleistung und der Minutenreserve.
Primärreserve – erste Maßnahme bei Abweichung der Netzfrequenz
Kommt es zu einer plötzlichen Abweichung der Netzfrequenz, wird frequenzabhängig elektrische Leistung zugeschaltet oder aus dem Stromnetz genommen. Laut Definition muss der Anbieter von Primärregelleistung innerhalb von 30 Sekunden die gesamte Angebotsleistung zur Verfügung stellen und dann für mindestens 15 Minuten aufrechterhalten. Bereitgestellt wird diese Reserve durch den Verband Europäischer Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E), in dem alle europäischen Netzbetreiber Pflichtmitglieder sind. Die gesamte Primärreserve wird gleichmäßig über alle europäischen Netzbetreiber verteilt und entspricht innerhalb der ENTSO-E etwa ± 3000 MW.
Sekundärreserve – Ablösung der Primärreserve binnen fünf Minuten
Dauert die Netzschwankung etwas länger, wird die Sekundärregelleistung aktiviert. Hier verpflichtet sich der jeweilige Anbieter, binnen 5 Minuten die maximal zugesicherte Leistung bereitzustellen. Während für die Primärregelleistung größtenteils Großkraftwerke in Frage kommen, lassen sich hier auch Wasserkraft- oder Wärmekraftwerke (größtenteils Gasturbinen) verwenden. Im Unterschied zur Primärreserve, die von der ENTSO-E kontrolliert wird, wird die Sekundärreserve von den vier deutschen Übertragungsnetzbetreibern zur Verfügung gestellt. Diese sind wiederum verpflichtet, ihren aktuellen Netzstatus untereinander zu teilen, so dass koordiniert gegen Netzschwankungen vorgegangen werden kann.
Minutenreserve – Bereitstellung innerhalb von 15 Minuten
Gibt es größere oder länger andauernde Schwankungen im Stromnetz, die die Sekundärreserve nicht vollständig überbrücken kann, wird die Minutenreserve hinzugeschaltet. Hier muss binnen 15 Minuten die zugesicherte Leistung bereitgestellt werden. Auch hier profitieren Kraftwerke, deren Leistung sich flexibel anpassen lässt und die im Regelbetrieb nicht unbedingt mit Volllast laufen, um wirtschaftlich zu sein. Im Gegensatz zu den Großkraftwerken der Primärreserve und den Wasserkraft- und Wärmekraftwerken der Sekundärreserve kommen hier deutlich mehr Stromanbieter in Frage, die die technischen Anforderungen erfüllen können.
Interessant zu wissen:
Positive und negative Regelenergie werden häufig auch für Privatanwender vergütet. So profitieren Verbraucher mit Wärmepumpen in manchen Fällen zum Beispiel von besseren Stromkonditionen, wenn sie bestimmte Sperrzeiten akzeptieren, zu denen der Netzbetreiber die Anlage abschaltet. Industrieunternehmen haben gegebenenfalls finanzielle Vorteile, wenn sie elektrische Lasten schnell zuschalten können, was zum Beispiel mit Elektroheizkesseln für Warmwasser, Heißwasser oder Dampf funktioniert.
Bedeutung der Netzfrequenz für Stromerzeuger und USV-Anlagen
Die einheitliche Netzfrequenz von 50 Hertz hat dazu geführt, dass auch elektrische Verbraucher hierzulande für diese ausgelegt werden. Geht es um mobile Stromerzeuger, Netzersatzanlagen oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen, müssen diese elektrische Energie daher ebenfalls mit einer Frequenz von 50 Hertz liefern. Andernfalls kann es zu Schäden an sensiblen Verbrauchsgeräten wie Computern oder Steuerungen kommen. Zu beachten ist das bei der Auslegung von Stromerzeugern.
FAQ: Häufig gestellte Fragen zum Thema Netzfrequenz
Was ist die Netzfrequenz und warum liegt sie hierzulande bei 50 Hertz?
Die Netzfrequenz beschreibt, wie oft Wechselstrom pro Sekunde in jede Richtung fließt. Bei 50 Hertz sind es 50-mal – Strom ändert damit in einer Sekunde 100-mal seine Richtung. Der Wert hat sich hierzulande etabliert, da er einen optimalen Kompromiss für Stromerzeuger, Verbraucher und Netzbetreiber darstellt.
Warum schwankt die Frequenz und wie lässt sie sich regulieren?
Schwankungen der Netzfrequenz sind auf ein unausgeglichenes Verhältnis von Stromerzeugung und Verbrauch zurückzuführen. Ausgleichen lässt sich das mit dem Zuschalten oder Abschalten von Lasten und Leistungen. Bei einer steigenden Frequenz sind Einspeiseleistungen zu reduzieren oder Verbraucher zuzuschalten. Eine sinkende Frequenz erfordert das Hochfahren der Leistung oder das Abschalten elektrischer Verbraucher.
Welche Folgen haben schwankende Frequenzen für Verbraucher?
Da sich die Frequenz auch auf die Drehzahl auswirkt, laufen Motoren schneller oder langsamer, was Schäden oder Probleme in technischen Prozessen verursachen kann. Digitaluhren, die sich an der Wechselzahl orientieren, laufen falsch und Transformatoren nehmen Schaden von zu hohen Frequenzen.
Was ist in puncto Netzfrequenz bei Stromerzeugern zu beachten?
Geht es um die Auslegung von Notstromaggregaten und Stromerzeugern, ist die richtige Frequenz zu wählen. Die Einspeisung in das Hausnetz darf darüber hinaus nur über einen Netztrennschalter erfolgen, um unterschiedliche Frequenzen in einem Netz zu vermeiden.
