Netzausfall und Schwarzstart — wenn die Waage zerbricht

Grid Failure and Black Start — When the Balance Breaks

Physik Klasse 9 11 Aufgaben
ElektrizitätStromnetzTechnikKerncurriculum

Kippt die Momentanbilanz zu weit, schützt sich das Netz in Stufen: Ab 49,0 Hz werden gezielt Stadtteile abgeworfen (Lastabwurf — eine Schutzmaßnahme, kein Versagen), unter 47,5 Hz trennen sich die Kraftwerke selbst. Am System-Split vom 8. Januar 2021 (49,74 Hz im Nordwesten, rund 50,6 Hz im Südosten) und am iberischen Blackout vom 28. April 2025 wird der Kaskaden-Mechanismus konkret. Der Wiederaufbau widerlegt die Vorstellung vom „großen Schalter": Große Kraftwerke brauchen zum Anfahren selbst Strom; nur schwarzstartfähige Anlagen (v. a. Wasserkraft) starten allein, dann werden Netzinseln einzeln bilanziert und im Takt zusammengeschaltet. Bereitet die Bewertung von Versorgungssicherheit in der Energiewende vor.

Können & Üben

Kurbel, Lampen, 50 Hertz — das Stromnetz auf dem Tisch

workshop

60 min · once

klassenraum

Vier Stationen nach dem Prinzip Vermuten – Beobachten – Erklären; die Kinder erleben die Momentanbilanz im eigenen Arm. Vor jeder Beobachtung schreibt jede Gruppe ihre Vermutung auf einen Klebezettel — erst dann wird gekurbelt. Station 1 — Die Bilanz im Arm. Ein Kind kurbelt, eine Lampe leuchtet. Vermuten: Was ändert sich an der Kurbel, wenn die zweite Lampe zugeschaltet wird — nichts, langsam schwerer, sofort schwerer? Beobachten: Es wird SOFORT schwerer, beim Abschalten sofort leichter. Erklären: Der Arm ist das Kraftwerk, die Lampen sind die Stadt. Es gibt keinen Vorrat zwischen Kurbel und Lampe — jede zugeschaltete Lampe kommt augenblicklich als Kraft im Arm an. Erzeugung = Verbrauch, in jedem Augenblick. Station 2 — Der Takt als Zeiger. Das Metronom läuft; das kurbelnde Kind hält seinen Kurbeltakt genau auf dem Metronom — das ist „50 Hertz". Vermuten: Was passiert mit dem Takt, wenn zwei Lampen auf einmal zugeschaltet werden und das Kind gleich stark weiterkurbelt? Beobachten: Der Takt sackt ab — die Kurbel wird schwerer, die Drehung langsamer. Erklären: Genau so verrät die Netzfrequenz die Bilanz — mehr Verbrauch bremst alle Generatoren, der Takt sinkt unter 50. Dann Regelleistung spielen: Ein zweites Kind legt die Hand mit an die Kurbel, bis der Takt wieder auf dem Metronom liegt. Anschließend auf dem Tablet den echten Zeiger auf netzfrequenz.info ansehen — er zittert um wenige Hundertstel, weil draußen gerade dasselbe Spiel in Kontinentgröße läuft. Station 3 — Der Zusammenbruch. Vermuten: Was passiert, wenn alle Lampen gleichzeitig angeschaltet werden? Beobachten: Der Takt bricht ein, das Kind kommt nicht mehr nach, die Lampen glimmen nur noch — irgendwann gibt der Arm auf, alles ist dunkel. Erklären: So kippt die Waage im echten Netz. Bevor es so weit kommt, wirft das Netz gezielt Last ab — hier: die Begleitperson schaltet zwei Lampen weg, und sofort trägt der Arm den Rest wieder. Lastabwurf ist Schutz, kein Versagen. Danach kurz vom 8. Januar 2021 erzählen (Netz in zwei Hälften — 49,74 Hz im Nordwesten, rund 50,6 Hz im Südosten) und vom iberischen Blackout am 28. April 2025. Station 4 — Schwarzstart. Alles ist dunkel, der Arm ist „das einzige schwarzstartfähige Kraftwerk". Vermuten: Alle Lampen sofort wieder anschalten — klappt das? Beobachten: Nein — der Arm schafft den Start nur mit einer Lampe, dann Takt halten, dann die nächste dazu. Erklären: Genau so wird ein echtes Netz nach dem Blackout wieder aufgebaut — Insel für Insel, die Bilanz muss von der ersten Sekunde an stimmen. Zum Abschluss an der Tafel das Anfangsbild widerlegen — das Netz ist kein Tank, den man füllt, sondern eine Waage mit einem Zeiger, und der Zeiger heißt 50 Hertz.

guide

4–16

Voraussetzungen (1)

Die Netzfrequenz — der Zeiger der Waage
Klasse 9
›

Ermöglicht (1)

Das Stromnetz — die Maschine hinter dem Lichtschalter
Klasse 9
›
Leicht
Multiple Choice #1 18s â–¶ Testen

Trotz Regelleistung fällt die Frequenz unter 49,0 Hz. Was tun die Netzbetreiber?

  • â—Ź Sie schalten gezielt ganze Stadtteile ab, um den Rest zu retten
  • â—‹ Sie warten, bis sich das Netz von selbst erholt
  • â—‹ Sie erhöhen die Spannung in den Leitungen
Das ist der Lastabwurf — die letzte Schutzstufe. Weniger Verbrauch bringt die Waage wieder ins Gleichgewicht — besser ein Stadtteil kurz dunkel als ein ganzes Netz im Blackout.
Wahr / Falsch #2 12s â–¶ Testen

Wenn bei zu niedriger Frequenz ein Stadtteil automatisch abgeschaltet wird, ist das eine geplante SchutzmaĂźnahme des Netzes.

âś“ Wahr
Der Lastabwurf ist in Stufen fest geplant und ausgetestet. Er opfert wenig Verbrauch, um die Momentanbilanz — und damit alle anderen — zu retten.
Wahr / Falsch #3 15s â–¶ Testen

Beim Blackout in Spanien und Portugal am 28. April 2025 dauerte es rund zehn Stunden, bis fast alle wieder Strom hatten — obwohl die Kraftwerke unbeschädigt waren.

âś“ Wahr
Zerstört war nichts — aber ein Netz startet nicht auf Knopfdruck. Es musste aus schwarzstartfähigen Anlagen und über die Verbindungen nach Frankreich und Marokko Insel für Insel neu aufgebaut werden.
LĂĽckentext #4 10s â–¶ Testen

Kraftwerke, die ohne Strom von außen anfahren können — vor allem Wasserkraftwerke —, nennt man ___-fähig.

âś“ Antwort: schwarzstart
Schwarzstartfähige Anlagen sind die Zündkerzen des Netzes. Von ihnen aus werden nach einem Blackout die ersten Netzinseln mit Strom versorgt.
Multiple Choice #5 18s â–¶ Testen

Wie kommt ein Land nach einem totalen Blackout wieder ans Licht?

  • â—Ź Kleine Netzinseln werden aufgebaut und nacheinander im Takt verbunden
  • â—‹ Ein zentraler Hauptschalter schaltet das ganze Netz auf einmal wieder ein
  • â—‹ Man wartet, bis sich die Leitungen wieder mit Strom gefĂĽllt haben
In jeder Insel muss die Momentanbilanz von der ersten Sekunde an stimmen — Erzeugung und Verbrauch werden Stück für Stück gemeinsam hochgefahren, dann werden die Inseln synchronisiert und verbunden.
Wahr / Falsch #6 12s â–¶ Testen

Ein Blackout entsteht, wenn der im Netz gespeicherte Strom aufgebraucht ist.

âś“ Falsch
Im Netz ist kein Strom gespeichert, der sich aufbrauchen könnte. Ein Blackout entsteht, wenn die Momentanbilanz so weit kippt, dass die Schutztechnik Kraftwerke und Lasten trennt.
Mittel
Multiple Choice #1 20s â–¶ Testen

8. Januar 2021 — das Verbundnetz zerreißt in zwei Inseln. Im Nordwesten fehlten plötzlich rund 6,3 GW Erzeugung. Was zeigte der Frequenzzeiger dort?

  • â—Ź Er fiel binnen Sekunden auf 49,74 Hz
  • â—‹ Er stieg binnen Sekunden auf 50,6 Hz
  • â—‹ Er blieb bei genau 50 Hz stehen
Fehlende Erzeugung heißt sinkende Frequenz. Im Südosten, wo dieselbe Leistung plötzlich zu viel war, schoss der Zeiger im selben Moment auf rund 50,6 Hz — eine Waage, zwei Hälften.
Multiple Choice #2 20s â–¶ Testen

8. Januar 2021 — Sekunden nach der ersten überlasteten Leitung schaltet eine ganze Kette weiterer Leitungen ab. Welcher Ablauf steckt dahinter?

  • â—Ź Der Stromfluss verlagerte sich auf Nachbarleitungen und ĂĽberlastete auch sie
  • â—‹ Der in den Leitungen gespeicherte Strom war plötzlich aufgebraucht
  • â—‹ Die Kraftwerke hatten den Strom fĂĽr den Tag bereits verkauft
Fällt eine Leitung aus, sucht sich die Leistung sofort Umwege. Die Nachbarn tragen dann mehr, als sie dürfen, und schalten sich zum Selbstschutz ebenfalls ab — eine Kaskade.
Multiple Choice #3 18s â–¶ Testen

Warum kann ein groĂźes Gaskraftwerk nach einem totalen Blackout nicht einfach von selbst wieder anfahren?

  • â—Ź Seine Pumpen und Steuerungen brauchen selbst elektrischen Strom
  • â—‹ Sein Brennstoff geht beim Blackout verloren
  • â—‹ Es muss warten, bis das Netz wieder mit Strom gefĂĽllt ist
Ein Kraftwerk ist selbst ein Großverbraucher, solange es hochfährt. Nach einem totalen Blackout gibt es diesen Startstrom nirgends — genau das macht den Wiederaufbau so schwer.
Multiple Choice #4 18s â–¶ Testen

Zwei Netzinseln sollen nach einem Blackout wieder verbunden werden. Was muss vorher auf beiden Seiten ĂĽbereinstimmen?

  • â—Ź Der Takt der Generatoren auf beiden Seiten
  • â—‹ Die Zahl der Kraftwerke auf beiden Seiten
  • â—‹ Die Länge der Leitungen auf beiden Seiten
Verbunden wird nur synchron. Passen Frequenz und Schwingung nicht zusammen, wirkt das Zusammenschalten wie ein Schlag auf beide Netze — deshalb wird vorsichtig angeglichen, dann verbunden.
Wahr / Falsch #5 12s â–¶ Testen

Sinkt die Frequenz unter etwa 47,5 Hz, trennen sich die Kraftwerke zum Selbstschutz vom Netz.

âś“ Wahr
So tief außerhalb ihres Arbeitsbereichs nehmen Turbinen und Generatoren Schaden. Die Selbstabschaltung schützt die Maschinen — macht aber aus dem Frequenzsturz endgültig den Blackout.