Drahtseilkunst

Von Daniel Hautmann

Im Stromnetz herrscht das ganze Jahr über Hochsommer. Selbst wenn es stürmt und schneit: Die 324.000 Kilometer Freileitungen, die sich kreuz und quer durch Deutschland ziehen, müssen so betrieben werden, als wenn die Luft bei 35 Grad flirrt. So schreibt es die Industrienorm zur „Planung und Errichtung von Freileitungen“ vor, Kürzel: DIN EN 50341.

Für die Hochsommernorm gibt es einen guten Grund: Bei Hitze dehnen sich die Drähte zwischen den Strommasten aus, sie hängen dann tiefer durch. Um zu verhindern, dass sie der Erde gefährlich nah kommen oder gar Brände verursachen, gilt ein Mindestabstand von acht Metern zum Boden. Weil die Temperatur der Drähte aber nicht nur vom Wetter abhängt, sondern vor allem von der Strommenge, die hindurchfließt, drosseln die Betreiber die Leistung: Sie jagen nur so viel Strom hindurch, als wenn sich die Leitungen permanent bei 35 Grad ausgedehnt hätten.

An den meisten Tagen im Jahr lasten sie das Netz damit nicht so stark aus, wie sie könnten. Denn auch wenn die Zahl der Hitzetage in Deutschland steigt – 35 Grad werden noch immer selten erreicht. „Da ist viel Sicherheit drin, der Puffer nach oben ist groß“, sagt Markus Lieberknecht vom Übertragungsnetzbetreiber Tennet.

Diese künstliche Drosselung der Netzkapazität ist ein Bremsklotz für die Energiewende. Sie erschwert es, ausreichende Mengen an Ökostrom aus dem windreichen Norden in die Verbrauchszentren im Westen und Süden zu leiten, wo er Kohle-, Gas- und Atomkraftwerke ersetzen soll.

Ausgerechnet bei Sturm werden Windparks abgeschaltet – ein teurer Luxus

Obendrein kommt die Drosselung den Verbraucher teuer zu stehen. Denn wenn bei starkem Wind im Norden mehr Strom erzeugt wird, als über die Leitungen abtransportiert werden kann, müssen Windparks abgeregelt werden. Im Fachjargon ist von Einspeisemanagement die Rede, abgekürzt Einsman. Den Betreibern der Windparks stehen Entschädigungen für den Strom zu, den sie erzeugen könnten, aber nicht erzeugen dürfen. 2020 betraf das knapp drei Prozent der erneuerbaren Energien in Deutschland. Die Kosten dafür lagen bei 761,2 Millionen Euro. Die Summe wird den Verbrauchern auf die Stromrechnung draufgeschlagen.

Um diese teure Verschwendung von Ökostrom zu beenden, soll das Stromnetz in großem Stil ausgebaut werden. Doch die milliardenteuren Stromautobahnen wie Suedlink verzögern sich seit Jahren, nicht zuletzt durch den Protest von Anwohnern der Trassen. Deshalb rückt parallel eine weitere Möglichkeit in den Fokus: der sogenannte witterungsabhängige Freileitungsbetrieb, auch Freileitungsmonitoring genannt. Das Verfahren soll Schluss machen mit dem nicht enden wollenden Hochsommer im Stromnetz, indem es die Wetterbedingungen entlang der Leitungen in Echtzeit erfasst und die Stromkapazität entsprechend anpasst.

Starker Wind sorgt nicht nur für viel Strom. Er kühlt auch die Leitungen

Das Verfahren macht sich ausgerechnet den Faktor zunutze, der zur Überlastung der Leitungen führen kann: den Wind. Denn er liefert nicht nur Energie, er kühlt die Drähte zugleich. Das funktioniert am besten, wenn sie quer zur Hauptwindrichtung laufen. Passenderweise weht der Wind in Norddeutschland meist aus Westen, während die Trassen überwiegend von Nord nach Süd verlaufen. Zum Teil kalkulieren die Übertragungsnetzbetreiber die kühlenden Eigenschaften des Windes bereits in das Leitungsmanagement ein.

Prinzipiell können die nötigen Daten für das Freileitungsmonitoring direkt oder indirekt erhoben werden, also entweder per Messung direkt am Seil oder über nahegelegene Wetterstationen. Bislang wird nur ein kleiner Teil des Netzes entsprechend betrieben, doch das soll sich ändern. „Bis 2025 sollen die Potenziale des Freileitungsmonitorings zur Erhöhung der Transportkapazitäten im Übertragungsnetz gehoben werden“, sagt Elias Brunken, Experte für Stromnetze bei der Deutschen Energieagentur, im Gespräch mit EnergieWinde. „Eine Prüfung ergibt für die Leitungen Sinn, auf denen es zu Engpässen kommt.“

Der Übertragungsnetzbetreiber TransnetBW hat bislang an 250 Strommasten und 48 Umspannwerken Wetterstationen und Sensoren installiert. „Wir erfassen die Temperatur und auch den Wind kleinräumig, was uns im täglichen Netzbetrieb deutlich mehr Spielraum gibt“, wird Projektleiter Alexander Hofmann in einer Mitteilung des Unternehmens zitiert. „Das System hilft uns zunächst, die verwendeten Prognosewerte zu prüfen und bei Bedarf anzupassen. Ab 2023 wird dann für jede Leitung individuell und in Echtzeit ermittelt, welche Übertragungskapazitäten im Bedarfsfall zur Verfügung stehen.“

Auch Tennet setzt auf das Monitoring. Von seinem rund 13.000 Kilometer langen Höchstspannungsnetz sind mehr als 4200 Kilometer für den witterungsabhängigen Freileitungsbetrieb optimiert. „Bislang ist das aber noch eine weitestgehend analoge Erfassung. Heißt: Wetterdaten dienen als Grundlage. Wir reden also von einem indirekten System“, sagt Markus Lieberknecht.

20 bis 50 Prozent mehr Strom in der Leitung: Sensoren am Seil machen es möglich

Am Freileitungsmonitoring forscht auch Thomas Kanefendt, Fachmann für den witterungsabhängigen Freileitungsbetrieb, am Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik in Kassel. „In vielen Stromkreisen kann man in 80 Prozent der Zeit locker 20 Prozent mehr Strom auf die Leitungen geben“, sagt er. Allerdings nur, wenn es die anderen Netzbetriebsmittel wie Transformatoren zulassen. „In manchen Fällen können einzelne Stromkreise sogar mehr als 50 Prozent höher ausgelastet werden“, sagt Kanefendt im Gespräch mit EnergieWinde.

Um das Potenzial voll auszuschöpfen, müssen die Werte aber direkt am Seil gemessen werden. Dazu sind spezielle Sensoren nötig. Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration in Berlin arbeiten daran. Gemeinsam mit Partnern haben sie „Astrose“ entwickelt, einen fußballgroßen Funksensor, der die Neigung und die Torsion (Verdrehung) des Seils sowie die Stromstärke erfasst. Seine Energie bezieht er direkt aus dem Leiterseil, somit ist der unabhängige Betrieb gesichert. Jeder Sensor funkt seine Daten an den Nachbarn, zum Netzbetreiber übertragen wird dann gebündelt.

Der Aufwand ist groß. Ob er sich lohnt, hängt vom Einzelfall ab

2014 begann der Probebetrieb eines solchen Sensornetzwerks mit 59 Funksensorknoten an einer 110-Kilovolt-Freileitung im Harz. Sie verläuft über Stadtflächen, Äcker, Waldschneisen und weite Täler. In einem so unterschiedlichen Gelände würden Daten einzelner Wetterstationen in der Umgebung nicht ausreichen. Allerdings: „Der Aufwand ist enorm und die Kosten-Nutzen-Rechnung schwer zu erstellen“, sagt Kanefendt. Denn um die Sensoren installieren zu können, muss die Leitung abgeschaltet werden. Zudem müssen die Werte sicher übertragen und schließlich interpretiert und in Prognosen umgewandelt werden.

An einem ähnlichen System arbeiten Karlsruher Wissenschaftler im Projekt PrognoNetz. Sie wollen ein flächendeckendes, meteorologisches Netzwerk erproben, das mittels intelligenten Sensorknoten die Witterungsbedingungen nah genug an den Freileitungen misst. Statt Kameras setzen sie auf laserbasierte Systeme. Entscheidend sei, dass diese Sensoren untereinander vernetzt sind und das System selbstlernend ist. Einzelne Sensoren haben zwar wenig Informationen, das Sensornetzwerk beziehungsweise das System kann aber räumliche Profile erkennen.

Das Monitoring ersetzt den Ausbau der Netze nicht. Aber es macht sie effizienter

Das Projekt wird gerade an zwei Trassen des Übertragungsnetzbetreibers TransnetBW getestet. Letztlich sollen die smarten Sensoren die Durchleitungskapazitäten sogar selbst einstellen und regeln und eigenständig entscheiden, wie viel Strom zu welcher Zeit durch eine bestimmte Leitung fließen kann. Theoretisch können sie das auch, praktisch jedoch ist das Steuern Aufgabe des Menschen. Denn das Stromnetz gehört zur sogenannten kritischen Infrastruktur.

Allein kann das Freileitungsmonitoring die Probleme des Stromtransports zwar nicht lösen – es ist kein Ersatz für den Netzausbau und ändert nichts daran, dass auch im Süden des Landes mehr Windräder gebaut werden müssen, um die Stromerzeugung zu dezentralisieren. Aber es sorgt für eine bessere Auslastung der milliardenteuren Netze.

Über Freileitungsmonitoring schreibt unser Autor Daniel Hautmann auch in seinem Buch „Windkraft neu gedacht – Erstaunliche Beispiele für die Nutzung einer unerschöpflichen Ressource“.