Stromübertragung: Energie durch den Raum bewegen statt durch die Zeit
Die Übertragung ist der unsichtbarste Teil des Energiesystems und einer der folgenreichsten. Sie ist zugleich der Teil, in dem die bindende Beschränkung fast nie technisch ist. Die Technik ist seit einem Jahrhundert verstanden; was sie begrenzt, sind Genehmigungen, Fläche und der Umstand, dass niemand einen Mast haben will.
Warum die Spannung so hoch ist
Die als Wärme verlorene Leistung in einem Leiter ist der Strom zum Quadrat mal dem Widerstand. Da die gelieferte Leistung Spannung mal Strom ist, lässt sich dieselbe Leistung als hohe Spannung mit kleinem Strom oder als niedrige Spannung mit großem Strom übertragen - und weil der Verlustterm mit dem Quadrat des Stroms geht, gewinnt die Hochspannung mit gewaltigem Abstand. Zehnfache Spannung bedeutet ein Zehntel Strom und ein Hundertstel Verlust.
Dieser eine Zusammenhang hat das Netz so gebaut, wie es ist. Generatoren erzeugen bei vielleicht 20 Kilovolt, Transformatoren setzen das für die Fernübertragung auf 400 oder 765 Kilovolt hoch, und eine Kaskade von Umspannwerken bringt es an der Steckdose auf 230 Volt zurück. Der Transformator, der nur mit Wechselstrom arbeitet, ist der Grund, warum der Wechselstrom den Streit der 1890er Jahre gewann.
Moderne Hochspannungsleitungen verlieren rund 2 bis 3 Prozent je 1.000 Kilometer. Ein gesamtes nationales Netz aus Übertragung und Verteilung verliert typischerweise 5 bis 10 Prozent zwischen Generator und Verbraucher - bemerkenswert wenig dafür, Energie durch ein Land zu bewegen, und häufig wird weit mehr vermutet.
Wie weit Wechselstrom sinnvoll reicht, hat eine Grenze. Ein langes Kabel verhält sich wie ein Kondensator, der sich 50- oder 60-mal je Sekunde lädt und entlädt, und der dafür fließende Strom verbraucht Leiterkapazität, ohne etwas zu liefern. Freileitungen schaffen mehrere hundert Kilometer. Seekabel, bei denen das umgebende Meerwasser die Kapazität weit größer macht, stoßen bei rund 80 Kilometern an die Wand.
Was HGÜ ändert
Gleichstrom hat keine Perioden, also gibt es kein wiederholtes Laden der Kabelkapazität und keine Entfernungsgrenze aus dieser Quelle. Die Verluste sinken auf rund 3 Prozent je 1.000 Kilometer gegenüber 6 bis 8 bei vergleichbarem Wechselstrom, und das Kabel selbst trägt mehr Leistung, weil kein Blindanteil auftritt.
Die Kosten liegen an den Enden. Umrichterstationen, die Wechselstrom in Gleichstrom und zurück wandeln, sind teuer - dreistellige Millionenbeträge bei einer großen Verbindung -, weshalb sich HGÜ erst oberhalb einer Schwelle von rund 600 bis 800 Kilometern als Freileitung oder 50 bis 80 Kilometern als Seekabel rechnet. Darunter gewinnt gewöhnlicher Wechselstrom.
Darüber verändert HGÜ alles. China hat Verbindungen über 3.000 Kilometer mit 12 Gigawatt gebaut, die Wasserkraft und Wind aus dem Westen in die Küstenstädte bringen. Die Nordsee wird schrittweise mit See-HGÜ verkabelt, die Offshore-Windparks an mehrere Länder zugleich anbindet, sodass ein einzelner Park in den Markt verkaufen kann, der ihn gerade braucht.
Ein weiterer Vorteil ist die Steuerbarkeit. Eine Wechselstromkupplung bindet zwei Netze in Synchronismus, sodass eine Störung im einen in das andere übergeht. Eine HGÜ überträgt Leistung ohne diese Kopplung, und ihr Fluss wird elektronisch eingestellt statt von der Physik bestimmt, sodass ein Betreiber genau entscheiden kann, wie viel Leistung wohin geht. Deshalb verbindet HGÜ Netze mit unterschiedlichen Frequenzen und wird zunehmend eingesetzt, um innerhalb eines Netzes Steuerbarkeit zu schaffen.
Übertragung als Alternative zum Speicher
Der Vergleich, auf den es in einem erneuerbaren Netz ankommt, ist der zwischen einer Leitung und einer Batterie. Beide lösen dieselbe Nichtdeckung, und zwar entlang verschiedener Achsen: Der Speicher verschiebt Energie von einer Stunde in eine andere, die Leitung von einem Ort an einen anderen.
Dass die Leitung oft günstiger ist, hat statistische Gründe. Wind an zwei Standorten fünfzig Kilometer auseinander läuft stark gleich; über tausend Kilometer kaum noch. Die Gesamtleistung über einen Kontinent ist deshalb weit glatter als an jedem einzelnen Park, mit weniger tiefen Tälern und weniger abgeregelten Spitzen. Jede Megawattstunde, die eine Leitung aus einer windigen in eine windstille Region trägt, ist eine Megawattstunde, die nicht gespeichert werden musste.
Photovoltaik fügt eine zweite Dimension hinzu. Ein Netz über mehrere Zeitzonen sieht seine Solarspitze über mehr Stunden verteilt, und eine Ost-West-Verbindung lässt die Morgenerzeugung der einen Region den Frühstücksbedarf einer anderen decken. Europa und China nutzen das; die USA, deren Netz in drei schwach gekoppelte Verbünde zerfällt, weitgehend nicht.
Nichts davon beseitigt den Bedarf an Speichern, denn eine kontinentweit windstille, dunkle Woche ist im Winter ein reales Ereignis. Es senkt, wie viel Speicher nötig ist, und das zählt, weil der Speicher der teure Teil ist. Untersuchungen zu Systemen mit hohem Erneuerbarenanteil finden durchgehend, dass eine Begrenzung des Netzausbaus die Gesamtkosten deutlich erhöht und dass die günstigsten Auslegungen beides bauen.
Warum sie nicht gebaut wird
Die technischen Probleme der Übertragung wurden vor Jahrzehnten gelöst. Das Hindernis ist, dass eine Leitung Land von Menschen quert, die keinen Nutzen davon haben, und dass die Rechtsordnungen der meisten Demokratien diesen Menschen ausführliche Einwendungsrechte geben.
Große Übertragungsprojekte brauchen regelmäßig 10 bis 15 Jahre vom Vorschlag bis zur Inbetriebnahme, und der weit überwiegende Teil davon ist Beteiligung, Umweltprüfung und Rechtsstreit statt Bau. Die deutschen Nord-Süd-Korridore, die Ostseewind zur bayerischen Industrie bringen sollen, verzögerten sich erheblich und wurden dann teilweise zu einem Vielfachen der Kosten in die Erde verlegt, gerade um Widerstand abzubauen.
Die Frage der Kostenverteilung verschärft das. Eine Leitung nützt der exportierenden Region, der importierenden Region und dem Gesamtsystem in Anteilen, die sich tatsächlich schwer berechnen lassen und die Regulierer vor dem Bau klären müssen. Bei grenzüberschreitenden Leitungen kommt hinzu, dass Nutzen und Mast in verschiedenen Ländern liegen können.
Die Folge zeigt sich in den Zahlen. Die Abregelung - erneuerbare Erzeugung, die abgeschaltet wird, weil das Netz sie nicht abführen kann - ist dort stark gestiegen, wo Erzeugung schneller gebaut wurde als Leitungen. Das ist bereits bezahlte und dann verworfene Energie, und es ist der klarste messbare Preis eines zu geringen Netzausbaus. Es ist auch der Grund, warum Netzinvestitionen in mehreren Ländern zur bindenden Beschränkung des Erneuerbarenausbaus geworden sind, noch vor den Kosten der Erzeugung selbst.
Häufige Fragen
Warum wird Strom mit so hoher Spannung übertragen?
Weil die Verluste mit dem Quadrat des Stroms gehen. Bei gegebener Leistung senkt höhere Spannung den Strom anteilig, sodass zehnfache Spannung ein Hundertstel Verlust bedeutet. Transformatoren setzen die Generatorspannung für weite Strecken auf 400 oder 765 Kilovolt hoch und für Verbraucher wieder herunter - deshalb wurde Wechselstrom zum Standard.
Was ist HGÜ und wann wird sie eingesetzt?
Hochspannungsgleichstromübertragung. Sie verliert rund 3 Prozent je 1.000 Kilometer gegenüber 6 bis 8 bei Wechselstrom und kennt keine Entfernungsgrenze aus der Kabelkapazität. Die Umrichterstationen an beiden Enden sind teuer, weshalb sie sich erst oberhalb von rund 600 bis 800 Kilometern als Freileitung oder 50 bis 80 Kilometern als Seekabel rechnet.
Wie viel Strom geht im Netz verloren?
Typischerweise 5 bis 10 Prozent zwischen Generator und Verbraucher über Übertragung und Verteilung zusammen. Die Hochspannungsleitungen selbst verlieren nur 2 bis 3 Prozent je 1.000 Kilometer; der größere Teil des Rests entsteht im niedrigeren Verteilnetz näher beim Kunden.
Kann Netzausbau Speicher ersetzen?
Teilweise. Wind- und Solarerträge an Standorten tausend Kilometer auseinander laufen kaum noch gleich, sodass ein gut vermaschtes Netz eine weit glattere Gesamtleistung sieht und weniger Speicher braucht. Eine kontinentweit windstille, dunkle Woche deckt es nicht ab, weshalb die günstigsten Systeme beides bauen - Untersuchungen finden aber durchgehend, dass ein begrenzter Netzausbau die Gesamtkosten erhöht.
Warum dauert der Bau von Leitungen so lange?
Wegen der Genehmigung, nicht der Technik. Große Leitungen brauchen 10 bis 15 Jahre, überwiegend für Beteiligung, Umweltprüfung und Rechtsstreit, weil eine Leitung Land quert, dessen Eigentümer nichts davon haben. Die Kostenverteilung zwischen exportierender Region, importierender Region und System ist ein weiterer Streitpunkt, den Regulierer zuerst klären müssen.
