Wie ist das eigentlich mit der Netzfrequenz?

In einem wie immer sehr lesenswerten Beitrag in ef-online schreibt der hochgeschätzte Edgar L. Gärtner etwas über die Probleme von Stromnetzen bei schwankender Erzeugung, wie sie z.B. durch Windstromeinspeisung entstehen. Ihm ist dabei aber ein kleiner Fehler unterlaufen, den ich hier mal berichtigen möchte. Er schreibt:

Das europäische Verbundnetz der UCTE (Union for the Coordination of Transmission of Electricity) ist so ausgelegt, dass Frequenzschwankungen von mehr als 2,5 Hertz ausgeschlossen werden, um empfindliche und lebenswichtige Elektromotoren in Personenaufzügen, Klimaanlagen, Wasserpumpen und so weiter vor dem Durchbrennen zu schützen. Deshalb werden schon bei Frequenzänderungen von nur einem Hertz aus Sicherheitsgründen Lasten abgeworfen oder zusätzliche Kraftwerke hochgefahren, um die Frequenz zu stabilisieren.

Das ist so nun nicht richtig, was man einfach auch schon daraus herleiten kann, dass die 50 Hz Netzfrequenz und deren entsprechender Schutz ja schon bestand, bevor es überhaupt eine "empfindliche Elektronik" gab. Auch macht es wenig Sinn, einen Personenaufzug vor Orientierungsstörungen zu schützen, indem man ihm ganz den Saft abdreht.
Es ist richtig, dass moderne Aufzüge Schwierigkeiten bekommen, ihren genauen Stockwerk-Haltepunkt zu finden, wenn die Netzfrequenz nicht stimmt. Es ist auch richtig, dass drehzahlgeregelte Motoren frequenzabhängig sind, und dass Elektronik-Bauteile allgemein bei Netzschwankungen Problemchen bekommen könnten. Aber deshalb schaltet man keine Erzeuger oder Verbraucher aus Sicherheitsgründen ganz ab.

Das Problem ist hier sowohl in der Ursache, als auch in der möglichen Wirkung ein ganz banales mechanisches. Um das zu erklären, muss ich ein bissl weiter ausholen, aber kompliziert wirds nicht.

Ganz einfach geht es hier um den Schutz vor Zerstörung der Turbosätze (Turbine plus Generator) in den Erzeugerkraftwerken.
Die Netzfrequenz von (bei uns) 50 Hz resultiert ja aus der Drehbewegung der Generatorwelle mit den Rotorwicklungen im Generatorständer (dem Stator). Dort wird die Spannung induziert, die dann abgeleitet und ins Überlandnetz eingespeist wird. Bei einer Drehzahl von 3000 u/min entspricht dies 50 u/sec und das bedingt dann unsere Frequenz von 50 Hz (Schwingungen/sec). Das ist in fossilen Kraftwerken der Normalfall. In KKW ist die Drehzahl nur halb so hoch (1500 u/min), dafür hat der Generatorrotor aber doppelt soviele Polpaare und erzeugt bei jeder Umdrehung halt zwei Schwingungen und nicht nur eine.

So, warum soll am Ende nun immer eine Frequenz von 50 Hz rauskommen? In Japan haben sie z.B. 60 Hz, und im Bahnstromnetz wird auch schonmal mit 16,66 Hz gefahren. Wieder ganz einfach, man braucht einen Standard für alle Erzeuger die ins selbe Netz einspeisen, weil die Einspeisung synchron erfolgen muss. Alle Generatoren im selben Netz laufen deshalb mit exakt der gleichen Phasenlage, egal wie die nun räumlich verteilt sind. Der Grund hierfür ist, dass das große Netz jeden einzelnen kleinen Generator sozusagen "einnordet". Würde man einen Generator asynchron zuschalten, gäbe es einen Riesenruck, und das Netz würde ihn entweder sofort "hochziehen" oder abbremsen, bis er synchron zur Netzfrequenz läuft.

Gut, also die gleiche Frequenz und Phasenlage ist zwingend, aber das Netz könnte doch auch mit einer anderen Standardfrequenz schwingen. Wäre doch egal, oder?

Prinzipiell schon, wie ja Japan oder die Bahn beweisen. Es geht aber darum, eine sozusagen "gesunde" und passende Frequenz für alle Turbosätze als Standard zu definieren.
Der Grund hierfür liegt in den benötigten Dampfdurchsatzmengen und dem Eigenschwingverhalten der Turbinen. Wenn man möglichst viel Dampf in einer Turbine abbarbeiten möchte, muss dieser sie ja auch in einer entsprechenden Geschwindigkeit passieren. Man kann also eine Turbine kaum mit lediglich 100 u/min betreiben, denn da würde der schnelle Dampf ja auf ein quasi fast stehendes System treffen. Sie muss also schon hurtig rotieren.
Zu hohe Rotationsgeschwindigkeiten bedeuten aber auch, dass die letzten Turbinenschaufeln ganz am Ende (das sind die breitesten und längsten) einer zunehmend größeren Fliehkraftbelastung unterliegen. Die Schaufelspitzen können schon im Normalfall durchaus Schallgeschwindigkeit erreichen, wenn man dies noch erhöhen würde bräuchte man extrem stabiles Material, oder es würde das ganze Ding einfach auseinanderreißen.
Als das mal anfing mit der Standard-Drehzahl war an solch hochfeste Materialien gar nicht zu denken, da waren die 3000 u/min einfach ein gut zu erreichender Wert für alle handelsüblichen Dampfturbinen.

Okay, die 3000 u/min als Richtwert sind ja okay, aber warum darf diese Drehzahl denn nun nicht zu sehr sinken? Zu schnell ist ja klar, da zieht es die Schaufeln in die Länge, aber zu langsam? Und, wie kommt es überhaupt dazu?

Man muss sich vorstellen, dass die ganzen Stromverbraucher im Netz wie eine Bremse wirken, gegen die die Turbine permanent annarbeitet. Wenn jetzt große Verbraucher zugeschaltet werden, oder andere Erzeuger plötzlich ausfallen, dann wird diese Bremslast größer. Die Drehzahl geht sozusagen erstmal ein wenig in die Knie, und wird dann so schnell wie möglich durch zusätzliche Dampfzufuhr wieder auf die 3000 u/min gebracht. Da geht es aber nicht um Größenordnungen, sondern vielleicht um eine oder zwei Umdrehungen. Eine Betriebsstörung ist das nicht, da ist mehr notwendig. So z.B. der flächendeckende Ausfall von Windparks bei Starkwind. Da muss man sich vor Augen führen, dass die Dinger normalerweise bloss so ein bissl rumrotieren, aber bei kräftigerem Wind plötzlich so richtig zum Leben erwachen. Da wird richtig reingepowert, und die geregelten Erzeuger drosseln sich immer weiter ein, bzw müssen ganz vom Netz.
Wenn jetzt der Wind aber zu stark auffrischen sollte, dann gehen die Windmühlen ins Sicherheits-AUS. Das wird dann zum Problem, wenn sonst kaum noch Erzeugungskapazität da ist, die diesen Ausfall kompensieren kann.

Unser Netz ist bis 47,5 Hz (entspricht 2850 u/min) nach unten, und bis 51,5 Hz (entspricht 3090 u/min) nach oben abgesichert. Bei Überschreitungen dieser Grenzwerte muss heftig eingegriffen werden. Zwangs-Lastabwürfe von Verbrauchern wären z.B. die Folge, wenn die Frequenz zu stark sinkt.
Das passiert dann aber nicht, um irgendwelche Elektronik zu schützen, sondern um die Turbinendrehzahl nicht zu sehr absinken zu lassen.

Hier geht es nämlich um sogenannte "kritische Drehzahlen", die ebenso verhindert werden müssen wie Überdrehzahlen.
Jedes Bauteil hat ja eine bestimmte Eigenfrequenz, mit der es zu schwingen beginnt, wenn man es anregt. Das ist wie bei einer Glocke, einer Stimmgabel oder einer Klavierseite. Bei unserer Nenndrehzahl von 3000 u/min passiert da nix. Alle Turbinen werden so gebaut, dass sie in diesem Bereich ganz ruhig laufen.
Aber wehe, man kommt in den Frequenzbereich der Eigenschwingung irgendeiner Teilturbine oder Schaufelstufe. Dann entstehen Resonanzen, und die sowieso schon angeregte Eigenschwingung wird immer weiter verstärkt.
Vielleicht kann man sich das mit einem riesigen Stahlblech mal vorstellen. Das Ding muss so groß sein, dass seine Eigeschwingung genau 1 Hz beträgt. Und wir stehen jetzt mit einem Hammer daneben und hauen jede Sekunde genau einmal drauf, wenn die Ausschwingweite gerade maximal von uns weg ist. Dann verstärken wir somit diese Schwingung immer weiter, bis dann letztendlich das Material nachgibt.

Bei einer Turbine ist es ähnlich, nur würde da wohl nicht das Material an sich nachgeben, sondern sie würde erstmal irgendwo anecken, anschleifen, ihre Lager wegsprengen oder ähnliches. Das gäbe jedenfalls einen Riesenknall mit Totalschaden.

Wen interessieren da schon Personenaufzüge, die 20 cm zu spät halten?

Wichtiger Nachtrag: Im etwas kraftwerkspanischen Deutschland muss man heutzutage aufpassen, dass man ja alles richtig beschreibt, deshalb hier noch was zur Beruhigung:
Wenn die Netzfrequenz zu stark abfallen sollte, ist nicht zu befürchten dass da jetzt reihenweise die Turbinen in die Luft gehen. Die sind schon alle selbst vor Ort mehrfach abgesichert. Das Netzmanagement greift nur deshalb schon vorher ein, damit sich nicht noch mehr Erzeuger wegen eigener Sicherheitsabschaltungen vom Netz trennen müssen. Damit würde die "Bremslast" für die verbliebenen Kraftwerke, deren Drehzahlen noch nicht im kritischen Bereich sind, ja noch größer. So ist das gemeint.