Zuverlässige Energie: Speicher, Notstrom & USV im Überblick

Grundlagen zur Stabilität im öffentlichen Stromnetz

In einer immer stärker vernetzten und technologisierten Welt ist eine stabile, zuverlässige und qualitativ hochwertige Stromversorgung unverzichtbar. Sie ist nicht nur ein entscheidender Faktor für das tägliche Leben von Privathaushalten, sondern auch das Rückgrat von Industrie und Wirtschaft.

Besonders angesichts der globalen Herausforderungen durch den Klimawandel steht das Stromnetz vor der Aufgabe, eine bezahlbare und möglichst CO₂-freie Energieversorgung zu gewährleisten. Doch welche Faktoren tragen zur Stabilität des öffentlichen Stromnetzes bei, und wie wird sichergestellt, dass auch in Zukunft eine hohe Versorgungsqualität gegeben ist?

Die Stabilität eines Stromnetzes lässt sich in zwei grundlegende Bereiche unterteilen:

Versorgungszuverlässigkeit: Die Fähigkeit des Netzes, Strom ohne längere Unterbrechungen bereitzustellen.
Spannungsqualität: Die Konstanz und Reinheit der elektrischen Spannung, die an Verbraucher geliefert wird.

Beide Bereiche spielen eine zentrale Rolle, insbesondere für Unternehmen, deren Produktionsprozesse auf eine störungsfreie Energieversorgung angewiesen sind.

Versorgungszuverlässigkeit
Grundsätzlich kann gesagt werden, dass die Zuverlässigkeit der Stromversorgung in Deutschland hoch ist und auch der rapide Ausbau der erneuerbaren Energien – und damit die Energiewende – darauf keinen negativen Einfluss hat.
Die 852 Netzbetreiber in Deutschland melden Netzunterbrechungen ab einer Dauer von drei Minuten an die Bundesnetzagentur. Daraus ergibt sich für 2023 im Durchschnitt eine Unterbrechung für die Letztverbraucher von 12,8 Minuten. Diese Zeit liegt im zehnjährigen Mittel und verdeutlicht die Stabilität des Netzes – auch mit dem Ausbau der volatilen erneuerbaren Energien.
Als Indikator für die Netzstabilität wird international der sogenannte SAIDI-EnWG-Index genutzt, der auch den Vergleich der Netzzuverlässigkeit in verschiedenen Ländern ermöglicht. Der System Average Interruption Duration Index (SAIDI) gibt die durchschnittliche Dauer der Unterbrechung eines Energienetzes pro versorgtem Verbraucher an. Er ist der wichtigste Indikator für die Zuverlässigkeit von Energienetzen, insbesondere von Strom- oder Gasnetzen, und wird wie folgt berechnet:
SAIDI=Summe aller Versorgungsunterbrechungen/Gesamtzahl aller Verbraucher
SAIDI wird in Zeiteinheiten gemessen, meist in Minuten oder Stunden. Normalerweise wird ein Jahreswert ermittelt. (Quelle: Wikipedia – System Average Interruption Duration Index)
Deutschland erzielt hier Spitzenwerte und gehört damit weltweit zu den Ländern mit der höchsten Netzstabilität. Ein kurzer Vergleich aus dem Jahr 2020:
- Deutschland = 0,3
- Frankreich mit seinen Atomkraftwerken = 0,4
- Niederlande = 0,8
- Italien = 1,3
- USA = 1,3
Die folgende Tabelle (Bundesweite Kennzahlenentwicklung Strom (2006 bis 2023)) zeigt deutlich, dass sich die SAIDI-Kennzahl seit 2006 erheblich verbessert hat, was die Stabilität des Netzes widerspiegelt. Dies ist insbesondere auf die immer stärkere Regulierung, Steuerung und Eingriffe in die Erzeugungsanlagen erneuerbarer Energien zurückzuführen.
Die volatilen erneuerbaren Energien führen jedoch auch zu Stresssituationen im Netz und haben eine Zunahme von Redispatch-Eingriffen zur Folge. Diese stiegen von einer einstelligen Zahl Anfang der 2000er-Jahre auf über 12.000 Eingriffe im Jahr 2022, mehr als 15.000 Eingriffe im Jahr 2023 und erreichten 2024 mit 17.500 Eingriffen einen neuen Rekordwert. (Quelle: www.saurugg.net)
Für die Industrie und Wirtschaftsbetriebe ist das öffentliche Stromnetz mit der oben dargestellten und im internationalen Vergleich hohen Sicherheit von essenzieller Bedeutung, da es eine verlässliche Produktion ermöglicht. Allerdings gibt der SAIDI-Index nur Werte für Netzunterbrechungen von mehr als drei Minuten wieder!
Kurzzeitige Versorgungsunterbrechungen
Kurzzeitige Versorgungsunterbrechungen (bis zu drei Minuten) sind dennoch relativ häufig. Die oben beschriebene Versorgungssicherheit wird neben dem Redispatch auch durch ein ausgefeiltes, gestuftes Schutzsystem gewährleistet.
Werden beispielsweise Kurzschlüsse in Oberleitungen durch herabfallende Äste erkannt, erfolgt automatisch eine Ab- und Zuschaltung, wodurch der Fehler häufig eliminiert wird. Diese Automatisierung erzeugt Kurzzeitunterbrechungen im Millisekunden- bis Minutenbereich, die täglich und häufig vorkommen.
Solche Schutzeinrichtungen sind jedoch für den sicheren Versorgungsbetrieb unabdingbar, da sie längere Unterbrechungen oder komplette Ausfälle verhindern. Fremdeinwirkungen – insbesondere Wetterphänomene wie Gewitter, Sturm und Überflutungen – lösen diese automatischen Schutzmechanismen aus und können zu stärkeren Ausfällen führen.
Spannungsqualität
Die Merkmale der Versorgungsspannung sind in der europaweit geltenden Norm EN 50160 beschrieben.
Darin sind unter anderem für den Normalbetrieb in der Niederspannung folgende Merkmale gelistet: [(Quelle: VDE/FNN)]
Die Spannungsqualität wird durch die Beschaffenheit des jeweiligen Netzes sowie durch Netzrückwirkungen von Erzeugungsanlagen und Verbrauchsgeräten bestimmt. Netzrückwirkungen dieser Anlagen können nur indirekt durch Normen und Verträge reguliert werden.
Einige Faktoren, wie kurze Versorgungsunterbrechungen, werden stark durch atmosphärische Erscheinungen (z. B. Gewitter, Windböen) oder durch Eingriffe Dritter (z. B. Erd- und Baggerarbeiten) beeinflusst. Netzbetreiber leisten einen wesentlichen Beitrag zur Spannungsqualität, indem sie Maßnahmen ergreifen, wie beispielsweise:
- Netzausbau bei steigender Netzlast,
- permanente Netzüberwachung und -führung,
- Einsatz leistungsfähiger Betriebsmittel und Steuerungen,
- Begrenzung der Rückwirkungen störender Kundengeräte auf die Versorgungsspannung.
Netzkunden – sowohl Verbraucher als auch Erzeuger – können sich entweder neutral oder netzstützend verhalten.
Ebenso können sie Netzrückwirkungen verursachen, die sich negativ auf das Netz selbst oder andere Nutzer – etwa am Nachbaranschluss – auswirken. Negative Netzrückwirkungen sind beispielsweise:
- Oberschwingungen
  Schwingungen mit einer anderen Frequenz als 50 Hz. Sie entstehen u. a. durch Gleichrichter in Fernsehgeräten, Energiesparlampen, EDV-Geräten und Unterhaltungselektronik sowie durch Frequenzumrichter in Drehstrommotoren (z. B. in Pumpen, Papiermaschinen, Bandsägen oder Klimageräten) oder durch Wechselrichter in Windkraftanlagen.
- Flicker
  Flackern oder Flimmern, das durch Lastschwankungen – beispielsweise bei Widerstandsschweißmaschinen oder Lichtbogenöfen – verursacht wird. Diese Störungen können etwa beim Glühlampenlicht direkt wahrgenommen werden.
- Unsymmetrien
  Diese entstehen durch den einphasigen Anschluss leistungsstarker Verbraucher oder Erzeuger, wie z. B. Durchlauferhitzer oder PV-Anlagen, und können unter anderem zur Überhitzung von Motoren führen.

Auswirkungen der Versorgungsqualität

Die Spannungsqualität kann erhebliche Auswirkungen haben, sowohl auf das Netz als auch auf angeschlossene Verbraucher.

Insbesondere in Industrie und Gewerbe können selbst kurze Spannungsschwankungen oder Unterbrechungen hohe wirtschaftliche Schäden verursachen.

Quelle: ZVEI (Zahlen aus 2013, mittlerweile deutlich höher!)

Auch kurze Stromausfälle können in Unternehmen erhebliche Schäden verursachen. Eine aktuelle Studie der DIHK zeigt, dass 70 Prozent der deutschen Unternehmen im vergangenen Jahr von diesem Problem betroffen waren.

Viele deutsche Unternehmen verzeichneten Schäden an Maschinen und Produktionsausfälle infolge kurzfristiger Stromunterbrechungen. Dies wurde durch eine Umfrage unter 1.000 deutschen Unternehmen aus verschiedenen Regionen und Branchen festgestellt, die von der DIHK (Deutsche Industrie- und Handelskammer) durchgeführt wurde.

42 Prozent der befragten Unternehmen berichteten von Stromausfällen mit einer Dauer von bis zu drei Minuten.
28 Prozent waren von Stromausfällen mit einer Dauer von mehr als drei Minuten betroffen.

Bereits Spannungsschwankungen von wenigen Sekunden können in der Industrie – insbesondere bei Präzisionsmaschinen – zu gravierenden Schäden führen. (Quelle: Deutsche Wirtschaftsnachrichten (27.05.2024) – Wirtschaftliche Schäden durch kurzfristige Stromausfälle)

Grenzen der öffentlichen Stromversorgung

Die öffentliche Stromversorgung in Deutschland ist sehr zuverlässig. Allerdings ist sie immer abhängig von den Anforderungen der zu versorgenden Anlagen und unterliegt den Vorgaben der Norm EN 50160.

Die Versorgung von Gewerbe- und Industriestandorten stellt besondere Anforderungen an die Netzqualität. Eine kontinuierliche Energieversorgung ohne Unterbrechungen ist im öffentlichen Netz systembedingt nicht möglich.

Da Netzbetreiber ihr "Stromprodukt" innerhalb der Norm EN 50160 bereitstellen – und somit auch mögliche Unterbrechungen oder Frequenzabweichungen enthalten sein können – liegt es in der Eigenverantwortung der Unternehmen, die für ihre Prozesse notwendige Spannungsqualität sicherzustellen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen.

Lösungen zur Sicherstellung der Spannungsqualität

Grundsätzlich muss jedes Unternehmen analysieren, ob eine Netzunterbrechung verkraftbar ist oder verhindert werden muss.

Diese Bewertung umfasst insbesondere folgende Fragen:

Welche Auswirkungen oder Kosten entstehen durch kurzfristige oder längerfristige Netzunterbrechungen?
Falls sie verhindert werden muss: Handelt es sich um kritische oder unkritische Lasten?

Kritische Lasten und ihre Anforderungen (Quelle: ZVEI)
Bei digitalen Geräten (z. B. Computer, TK-Systeme, Messinstrumente) kommen Mikroprozessoren zum Einsatz, die mit Frequenzen von mehreren Mega- bis Gigahertz arbeiten. Sie führen also Millionen bis Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde aus.
Schon eine wenige Millisekunden andauernde Spannungsstörung kann sich auf Tausende bis Millionen elementarer Rechenoperationen auswirken. Dies kann zu Fehlfunktionen wie Datenverlusten mit schwerwiegenden Folgen (z. B. an Flughäfen oder in Krankenhäusern) und zu Produktionsausfällen mit hohen Kosten führen.
Beispiele für kritische Lasten:
- Industrielle Prozesse mit empfindlicher Regel- und Überwachungstechnik (Gefahr von Produktionsausfällen)
- Flughäfen und Krankenhäuser (Gefährdung der Sicherheit von Personen)
- IT-Infrastruktur und Kommunikationssysteme (hohe wirtschaftliche Schäden durch Systemausfälle)
Lösung: Für kritische Lasten ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)unabhängig von der öffentlichen Netzqualität erforderlich.
- USV-Anlagen (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) sind seit Jahrzehnten etabliert und erprobt.
- Sie ermöglichen Leistungen von wenigen Watt bis zu mehreren Megawatt (MW).
Unkritische Lasten und ihre Anforderungen
Unkritische Lasten sind Verbraucher, die bei einem Netzausfall kurzfristig ausfallen dürfen, ohne dass eine USV erforderlich ist. Trotzdem müssen sie für eine weite Versorgung ohne öffentliches Netz abgesichert sein.
Beispiele für unkritische Lasten:
- Heizungsanlagen in Zuchtbetrieben
- Lüftungs- und Kühlanlagen
Eine Spannungsunterbrechung von mehreren Sekunden ist in diesen Fällen nicht kritisch, da das Gut (z. B. Tiere oder Lebensmittel) dabei keinen sofortigen Schaden nimmt.
Lösung: Hier reicht eine Notstromversorgung, die nach einem Netzausfall automatisch startet.

Typische Standardlösungen für Netzersatz:

Ersatzstromversorgung (NEA)
Häufig mittels Netzersatzanlagen (NEA), d. h. Dieselaggregate, die nach einem Netzausfall gestartet werden.
USV-Systeme
Doppelwandler-Anlagen mit Bleibatterien, häufig in Kombination mit NEA.