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Sonne, Wind und Stromhandel

Ursachen von Frequenzschwankungen in Stromnetzen sind vielfältig

Jülich / Göttingen, 8. Januar 2018 – Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Sonne und Wind kann zu Schwankungen im Stromnetz führen. Doch können sich diese auf die Versorgungssicherheit auswirken? Um diese Frage zu beantworten, analysierten Jülicher und Göttinger Wissenschaftler, zusammen mit Kollegen aus London und Tokio, verschiedene Arten von Fluktuationen in einer Anzahl von Stromnetzen in Europa, Japan und den USA – und kamen zu überraschenden Ergebnissen. Ihre Studie wurde heute in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Unser Stromnetz arbeitet mit einer Netzfrequenz von 50 Hertz – meist erzeugt durch Turbinen, zum Beispiel in Wasser- oder Kohlekraftwerken – die mit 50 Umdrehungen pro Sekunde rotieren. "Entzieht ein Verbraucher dem Stromnetz nun mehr elektrische Energie, so sinkt die Netzfrequenz leicht ab, bevor eine gesteigerte Energieeinspeisung die vorherige Frequenz wiederherstellt", erklärt Benjamin Schäfer vom Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS), Erstautor der Studie. "Die Abweichungen von dem Sollwert 50 Hertz dürfen niemals zu groß werden, da sonst empfindliche elektrische Geräte beschädigt werden können."

Auch erneuerbare Energieerzeuger verursachen Schwankungen der Netzfrequenz, da der Wind nicht immer mit der gleichen Geschwindigkeit weht oder Wolken für eine ständig schwankende Einspeisung durch Photovoltaikanlagen sorgen. Um zusätzliche erneuerbare Energieerzeuger in das Stromnetz zu integrieren wird oftmals vorgeschlagen, das Netz in kleine autonome Zellen aufzuteilen, sogenannte Microgrids: Damit könnte beispielsweise eine Gemeinde mit einem Blockheizkraftwerk und ihrer eigenen Wind- und Photovoltaik-Erzeugung weitestgehend energieautonom operieren.

Doch wie wirken sich die Aufteilung in kleine Zellen und zusätzliche erneuerbare Erzeuger auf das Stromnetz aus? Um diese Frage zu beantworten, haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und dem MPIDS die Schwankungen der Netzfrequenz in Stromnetzen in verschiedenen Regionen der Welt analysiert – und mithilfe mathematischer Modelle Vorhersagen über mögliche Anfälligkeiten und deren Ursachen erstellt.

Zwei Überraschungen in einer Analyse

Dafür haben sie zunächst Messungen aus Europa, Japan und den USA zusammengetragen. Eine systematische Analyse der Daten offenbarte gleich zwei Überraschungen für die Wissenschaftler. "Zum einen zeigt das Netz alle 15 Minuten besonders starke Schwankungen", erklärt Dirk Witthaut vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Köln. "Dies ist genau der Zeitraum in dem sich Erzeuger auf dem Strommarkt in Europa auf eine neue Verteilung für die Erzeugung einigen – damit ändert sich, wo wie viel Strom in das Netz eingespeist wird. Zumindest in Europa leistet der Stromhandel also einen wesentlichen Beitrag zu den Schwankungen der Netzfrequenz."

Zum anderen folgen die statistischen Schwankungen des Netzes um den Sollwert von 50 Hertz nicht wie erwartet einer Gauß-Verteilung – also einer symmetrischen Verteilung um einen Erwartungswert: Stattdessen sind mehr extreme Schwankungen wahrscheinlich. Mit mathematischen Modellen berechneten die Wissenschaftler die erwarteten Schwankungen je nach Netzgröße und schätzen ab, wie sehr die Störungen von erneuerbaren Energien abhängen.

Schlüsselfaktor Stromhandel

Im Vergleich der untersuchten Regionen zeigte sich, dass ein größerer Anteil an erneuerbaren Energien tatsächlich zu größeren Schwankungen im Netz führt. „So ist beispielsweise der Anteil der Wind- und Solarerzeugung in Großbritannien um ein vielfaches höher als etwa in den USA – das führt zu größeren Schwankungen der Netzfrequenz“, erklärt Dirk Witthaut. Für einen erhöhten Anteil an erneuerbaren Energiequellen, so empfehlen die Wissenschaftler, sollte daher verstärkt in eine intelligente Anpassung der Erzeuger und Verbraucher an die Netzfrequenz – sogenannte Primärregelung und Demand Control - investiert werden.

Eines der interessantesten Ergebnisse der Studie zeigte sich jedoch im Vergleich der beiden Ursachen: Die durch den Stromhandel hervorgerufenen Frequenzschwankungen im Netz erscheinen bedeutender als solche aufgrund der Einspeisung erneuerbarer Energien.

Kleine Stromnetze, stellten die Wissenschaftler außerdem bei ihrer Untersuchung fest, zeigen stärkere Schwankungen. "Unsere Studie weist darauf hin, dass eine Aufteilung eines großen und damit sehr trägen Netzes – wie etwa das kontinentaleuropäische Stromnetz – in Microgrids zu größeren Frequenzschwankungen führt", so Benjamin Schäfer. "Technisch sind Microgrids daher nur eine Option, wenn die heutigen sehr strikten Frequenz-Standards aufgeweicht würden."

Frequenzmessungen in Deutschland aus dem Jahr 2015Frequenzmessungen in Deutschland aus dem Jahr 2015 (Daten: 50Hertz): Die Stromnetzfrequenz schwankt um 50Hz im europäischen Stromnetz und zeigt große Sprünge insbesondere bei den Handels-Intervallen von 15 Minuten. Meist bleibt die Netzfrequenz innerhalb des gelben Bereichs, doch Ausreißer nach oben und unten (grau) sind vor allem alle 15 Minuten sehr wahrscheinlich.
Copyright: MPI für Dynamik und Selbstorganisation / Benjamin Schäfer

Originalpublikation: "Non-Gaussian Power Grid Frequency Fluctuations Characterized by Lévy-stable Laws and Superstatistics" by Benjamin Schäfer, Christian Beck, Kazuyuki Aihara, Dirk Witthaut, Marc Timme, Nature Energy, DOI: 10.1038/s41560-017-0058-z

Weitere Informationen:

Institut für Energie und Klimaforschung, Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE), Forschungszentrum Jülich

Ansprechpartner:

Dr. Dirk Witthaut
Institut für Energie und Klimaforschung, Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE)
Tel.: 02461 61-3397
E-Mail: d.witthaut@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation
Tel.: 02461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de

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