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Störungen im Stromnetz und Notstromfälle in Kernkraftwerken in den Jahren 2003 bis 2012

 

Quelle: Studie Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH

Kernkraftwerke und auch viele Kraftwerke mit fossilen Energieträgern können nicht ohne externe Zuführung von elektrischer Energie in den Anfahrbetrieb gehen. Nach einem erfolgreichen Lastabwurf auf Eigenbedarf ist jedoch die Aufnahme des Normalbetriebs ohne externe elektrische Energiezufuhr möglich, da die Anlage bereits alle relevanten Systeme selbst versorgt und lediglich die Leistung erhöht werden muss, um wieder ins Netz einspeisen zu können.

Bewertung der Netzausfälle

Ein Netzausfall ist in den meisten Fällen nicht auf eine einzelne Ursache zurückzuführen, sondern die Folge des Zusammentreffens mehrerer Ursachen. Die in Kapitel 3 geschilderten Netzausfälle wurden teilweise durch recht unterschiedliche Ursachen ausgelöst, allerdings finden sich oftmals vergleichbare Ursachen, die direkt oder indirekt zur Auslösung oder zum Verlauf einer Netzstörung oder eines Netzausfalls beigetragen haben. Diese sind im Folgenden zusammengefasst.

Einige der Netzstörungen oder Netzausfälle wurden durch das gleichzeitige oder zeitnahe Zusammentreffen mehrerer unabhängiger Fehler verursacht. Überwiegend spielten dabei eine Rolle:

  • Technische Defekte, oft auch die Überlagerung mehrerer unabhängiger technischer Defekte
  • Menschliche Fehleinschätzungen oder fehlerhafte Personalhandlungen
  • Ungleichgewicht zwischen erzeugter und verbrauchter Leistung bzw. unzureichende Kapazitäten für die Produktion und Verteilung der elektrischen Energie

In vielen Fällen wurde der Verlauf der Netzstörung durch weitere Faktoren zusätzlich begünstigt:

  • Kommunikationsprobleme bei der Verständigung der Beteiligten, unzureichender Koordination oder zu langsames Ergreifen von Korrekturmaßnahmen
  •  Fehlerhafte oder ungeeignete Überwachungseinrichtungen des Netzes
  • Lange Stromtransportwege aufgrund starker räumlicher Entfernung zwischen erzeugter und verbrauchter Leistung
  • Aufspaltung des Netzes in Teilnetze
  • Verletzung der (n-1)-Sicherheit

Davon grundsätzlich zu unterscheiden sind Netzausfälle, bei denen es durch externe Ereignisse zu schweren Schäden am Stromnetz oder an Erzeugungskapazitäten kam:

  • Schäden am Stromnetz durch Witterungseinflüsse oder Naturereignisse
  • Schäden am Stromnetz oder dessen Regelung durch menschliche Einflüsse
  • Schwere Beschädigung von Erzeugungseinheiten durch Witterungseinflüsse oder Naturereignisse
  • Schwere Beschädigung von Erzeugungseinheiten durch menschliche Einflüsse

Bewertung der aufgetretenen Ereignisse

Die ungeplante Trennung eines Kernkraftwerks von den externen Netzanbindungen kann unterschiedliche Ursachen haben. Oftmals liegt auch ein Zusammentreffen mehrerer Ursachen vor. Auch ist die Reaktion der Anlagen auf die Ereignisse unterschiedlich. So muss es bei Ausfall aller Netzanbindungen beispielsweise nicht zwangsläufig zu einer Reaktorschnellabschaltung kommen, wenn ein erfolgreicher Lastabwurf auf Eigenbedarf durchgeführt wird. Eine weitere mögliche Folge einer Netzstörung ist der Übergang in einen Inselbetrieb, der nicht das Kraftwerk allein sondern auch umliegende Schaltanlagen oder Verbraucher umfasst.

Eine Propagation einer Netzstörung in die Anlage sollte normalerweise durch Schutzeinrichtungen verhindert werden. Daher liegt hier, vor allem wenn die Situation längerfristig (mehrere Sekunden oder länger) bestehen bleibt, meist eine Kombination mehrerer Ursachen vor.

Die in Kapitel 3 geschilderten Ereignisse mit Verlust oder Störung der Netzanbindungen der Kernkraftwerke wurden teilweise durch unterschiedliche Ursachen hervorgerufen, die jedoch wiederholt beobachtete werden können. Daher finden sich bei vielen Ereignissen vergleichbare Ursachen. Diese sind im Folgenden zusammengefasst.

Einige der Ereignisse mit Verlust der externen Netzanbindungen traten im Zusammenhang mit den in Teil A des vorliegenden Berichts beschriebenen großflächigen Netzstörungen oder Netzausfällen auf:

  • großflächiger Netzausfall, der zum Notstromfall oder Station Blackout der Anlage führte
  • großflächiger Netzausfall, der zum Verlust der Netzanbindungen und einem erfolgreichen Lastabwurf auf Eigenbedarf der Anlage führte

Eine Reihe von Ereignissen, die über das korrekte Ansprechen von Netz- oder Blockschutzeinrichtungen zur Trennung der Anlage vom externen Netz führten, traten aufgrund von anlagennahen bzw. lokalen Einzelfehlern im externen Netz auf:

  • Ereignisse durch Witterungseinflüsse (Blitzschläge, Eisregen, Starkwind etc.) oder Naturereignisse (Erdbeben etc.)
  • menschliche Fehleinschätzungen oder fehlerhafte Personalhandlungen im Rahmen von Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten am externen Netz
  • Spannungs- oder Frequenzschwankungen im externen Netz oder lokale Netzstörung

Bei vielen Fällen, die zur Trennung der Anlage vom externen Netz führten oder eine Propagation einer Netzstörung in die Anlage nach sich zogen, lag eine Kombination aus einem Einzelfehler und einer nicht korrekt arbeitenden Schutzeinrichtung vor:

  • Versagen einer Netzschutzeinrichtung (z. B. durch einen Defekt)
  • Außerbetriebnahme einer Netzschutzeinrichtung (z. B. während Wartungsarbeiten)
  • Ungeeignete Schutzeinrichtung im Netz (z. B. Sammelschienenschutz der Schaltanlage), die den auftretenden Fehler nicht klären konnten
  • Ungeeignete oder fehlende Schutzeinrichtung in der Anlage (z. B. Blockschutzeinrichtung), die den auftretenden Fehler nicht klären konnten
  • Versagen oder ungeeignete Einstellung von nachgelagerten Schutzeinrichtungen in der Anlage (z. B. Aggregateschutz), die eine Auswirkung des Fehlers auf Komponenten nicht verhindern konnten

Bei Fällen, in denen eine Schutzeinrichtung nicht korrekt arbeitet oder aus anderen Gründen versagt, sind zumeist Schädigungen oder Fehlfunktionen der nachgelagerten Komponenten durch die Störung nicht auszuschließen. Bei den hier aufgeführten handelt es sich beim auslösenden Fehler um Störungen, die nicht alle drei Phasen des externen Netzes gleichermaßen beeinflussen:

  • Einphasige Kurz- oder Erdschlüsse
  • Zweiphasige Kurz- oder Erdschlüsse

Bei den folgenden Ereignissen zeigt sich, dass es durch die Propagation von Netzstörungen in die Anlage auch zu systematischen Ausfällen kommen kann:

  • Common cause failures von betroffenen Komponenten

Auch gab es Fälle, in denen es zur Trennung der Anlage vom externen Netz kam, ohne dass eine Störung des externen Netzes vorlag:

  • Passive Fehler oder Logikfehler, die durch ein unabhängiges einleitendes Ereignis zu Tage traten
  • Durchführung von Prüfungen an mit der Stromerzeugung verbundenen Komponenten (Generator etc.)
  • Fehlauslösung von Signalen
  • Technische Defekte

In einigen Fällen wurde der Ereignisverlauf durch zusätzliche Fehler negativ beeinflusst:

  • technische Defekte von zur Ereignisbeherrschung benötigten Komponenten
  • Zerstörung von zur Ereignisbeherrschung benötigten Komponenten durch externe
    Einwirkungen

Auch traten immer wieder Notstromfälle oder Ereignisse mit Station Blackout während der Revision oder dem Nichtleistungsbetrieb der Anlagen auf:

  • im Vergleich zum Leistungsbetrieb geringere Zahl an Rückfallebenen bei der elektrischen Energieversorgung (Lastabwurf auf Eigenbedarf nicht möglich, Freischaltung von Komponenten wie Dieselgeneratoren oder Transformatoren etc.)

Zusammenfassung

Der Ablauf von Netzstörungen und Netzausfällen, bei denen technische Defekte, menschliche Fehleinschätzungen oder das Ungleichgewicht zwischen erzeugter und verbrauchter Leistung ursächlich sind, unterscheidet von solchen, bei denen externe Einflüsse wie Stürme oder Erdbeben zum Netzausfall führen. Im Fall technischer Defekte, menschlicher Fehleinschätzung u. ä. geht der Netzwiederaufbau meist zügig vonstatten. So waren die Verbraucher bei Netzausfällen aufgrund von technischen Defekten u. ä. meist innerhalb einiger Stunden wieder versorgt, wie beispielsweise in Schweden und Dänemark 2003 nach 7 Stunden, in Griechenland 2004 nach 2 Stunden, in Europa 2006 ebenfalls nach 2 Stunden, in Brasilien und Paraguay 2009 nach 4 Stunden und in Indien 2012 nach 15 bzw. 16 Stunden. Bei den großen Netzausfällen in den USA dauerte der Netzaufbau 2003 bis zu 48 Stunden und 2008 in Florida 36 Stunden. Sobald der Netzausfall auf Witterungseinflüsse wie Stürme oder Eisregen oder sonstige Naturereignisse zurückzuführen ist, dauert der vollständige Netzwiederaufbau aufgrund der in diesen Fällen auftretenden Schäden am Stromnetz oder an Erzeugungskapazitäten zumeist mehrere Tage oder sogar Wochen, wie beispielsweise im Münsterland 2005 (4 Tage), in Frankreich und Spanien 2009 (mehr als 1 Tag), in Japan 2011 (mehr als 3 Wochen) und in den USA 2012 (mehr als 10 Tage). Eine detailliertere Bewertung der Ursachen der hier beschriebenen Netzausfälle wird in Teil A, Abschnitt 4 gegeben.

In der Betriebserfahrung sind anlagenspezifisch sehr unterschiedliche Auswirkungen von Netzausfällen und Netzstörungen auf deutsche und internationale Kernkraftwerke zu beobachten. In einer Vielzahl von Ereignissen im internationalen Umfeld führten Netzinstabilitäten und Netzausfälle in den Jahren 2003 bis 2012 zu Notstromfällen in Kernkraftwerken. Teilweise standen diese Ereignisse im Zusammenhang mit großflächigen Netzausfällen, andere sind auf anlagennahe oder lokale Fehler im externen Netz zurückzuführen. Es ist zu beobachten, dass häufig eine Kombination aus einem Einzelfehler und einer nicht korrekt arbeitenden bzw. ungeeigneten Netz- oder Blockschutzeinrichtung ursächlich für die Trennung einer Anlage vom externen Netz oder aber die Propagation einer Netzstörung in die Anlage war. Dabei können die auslösen- den Einzelfehler im Netz auch Störungen, die nur eine oder zwei Phasen des externen Netzes betrafen sein, wie beispielsweise 2004 in Palo Verde, 2006 in Forsmark oder 2012 in Byron. Dies verdeutlicht, wie wichtig es ist, dass Netz- und Blockschutzeinrichtungen auch im Hinblick auf solche Fehler wirksam arbeiten. Deren ordnungsgemäße Funktion leistet einen entscheidenden Beitrag dazu, dass die Eigenbedarfs- bzw. Notstromversorgung der Anlage auslegungsgemäß zur Verfügung steht.

Der letzte Notstromfall in einer deutschen Anlage ereignete sich 2004 im Kernkraftwerk Biblis. Hier werden Unterschiede in der Auslegung deutscher und vieler internationaler Kernkraftwerke sichtbar. Kommt es während des Leistungsbetriebs einer deutschen Anlage zu einer Störung am Hauptnetz oder am Hauptnetzanschluss, wird zunächst ein Lastabwurf auf Eigenbedarf ausgelöst. Dieser war nach den der GRS vorliegenden Informationen in den vergangenen Jahren in 20 von 28 Fällen längerfristig erfolgreich. Misslingt der Lastabwurf auf Eigenbedarf, kommt es zu einer Umschaltung auf das Reservenetz. Erst wenn auch diese nicht gelingt, muss die Versorgung der sicherheitstechnisch wichtigen Verbraucher der Anlage durch Notstromdiesel aufrechterhalten werden. Da international nicht alle Anlagen zwei getrennte Netzanschlüsse besitzen und die Anlagen teilweise auch nicht lastabwurffähig sind, besitzen die deutschen Anlagen im Vergleich zu diesen internationalen Anlagen mehr Rückfallebenen zur Aufrechterhaltung der Eigenbedarfsversorgung bevor ein Notstromfall überhaupt eintreten kann.

Abgesehen von der Eigenbedarfsversorgung des Kernkraftwerks ermöglicht der Lastabwurf auf Eigenbedarf beim Ausfall des Stromversorgungsnetzes einen schnelleren Wiederaufbau des Netzes. Kernkraftwerke und auch viele Kraftwerke mit fossilen Energieträgern können nicht ohne externe Zuführung von elektrischer Energie in den Anfahrbetrieb gehen. Nach einem erfolgreichen Lastabwurf auf Eigenbedarf ist jedoch die Aufnahme des Normalbetriebs ohne externe elektrische Energiezufuhr möglich, da die Anlage bereits alle relevanten Systeme selbst versorgt und lediglich die Leistung erhöht werden muss, um wieder ins Netz einspeisen zu können. Beispielsweise sind US-amerikanische Anlagen im Gegensatz zu den kanadischen CANDU-Reaktoren in vielen Fällen nicht lastabwurffähig, was sich auch beim Netzausfall 2003 in den USA und Kanada auf die Zahl an Notstromfällen in Kernkraftwerken und vor allem auf die benötigte Zeit bis zum erneuten Einspeisen der Anlage ins Netz auswirkte.

Die zuverlässige Versorgung der deutschen Kernkraftwerke mit elektrischer Energie aus dem Verbundnetz hat in der Vergangenheit zu deren auslegungsgemäßem Betrieb beigetragen. Die hohe Bedeutung einer zuverlässigen elektrischen Energieversorgung aus dem Verbundnetz ist auch aufgrund der zukünftig zunehmenden Anzahl von Kernkraftwerken in der Nachbetriebsphase unverändert gegeben.

Vor dem Hintergrund der Energiewende in Deutschland und aufgrund der Bedeutung der elektrischen Energieversorgung von Kernkraftwerken für deren sicheren Betrieb sollte der Zuverlässigkeit der Netzversorgung in Deutschland daher besondere Beachtung geschenkt werden. Aus Sicht der GRS sollten die Entwicklungen bei Energieerzeugung und -transport verfolgt und unter den Aspekten der Zuverlässigkeit der deutschen Stromversorgung und der Stabilität des europäischen Verbundnetzes ausgewertet werden, um frühzeitig angemessene Gegenmaßnahmen bei einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit des deutschen Stromnetzes auch im Hinblick auf die sicherheitstechnische Bedeutung für die in Betrieb und in der Nachbetriebsphase befindlichen deutschen Kernkraftwerke ergreifen zu können.

Kommentar

Grundsätzlich lässt die vorliegende Studie darauf hoffen, dass eine europäische Großstörung innerhalb weniger Stunden behoben werden kann. Es könnte aber gleichzeitig auch ein folgenschwerer Trugschluss sein (Truthahn-Illusion), da es für die steigenden Netzinstabilitäten und eines dadurch (mit)ausgelösten Blackouts keine Referenzen gibt, vor allem was den Netzwiederaufbau unter derartigen Rahmenbedingungen betrifft.

Zum anderen irritiert einmal mehr die rein nationale Betrachtung. Wie sieht es etwa bei den nicht-deutschen Atomkraftwerken in Europa aus? Wurden dort auch Untersuchungen gestartet? Etc.

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