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Datenschatz für die Gestaltung "grüner Energiesysteme"

Wissenschaftler publizieren offene Ressource zur Frequenzstabilität in Stromnetzen

Jülich, 11. Dezember 2020 – Ein internationales Team von Forschern hat eine Datenbank mit Messungen von bestehenden globalen Stromnetzsystemen erstellt. Sie soll die Entwicklung von Stromnetzen ermöglichen, die den zukünftigen neuen Anforderungen durch die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen gerecht werden. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht und ist ein erster Schritt hin zu einer gemeinschaftlichen Energieforschung, die verstärkt auf internationale Zusammenarbeit setzt. Die Wissenschaftler hoffen, dass die öffentlich zugänglichen Daten helfen, weltweit neue Energiekonzepte zu entwerfen und zu testen.

Die Einführung erneuerbarer Energiequellen zur Eindämmung des Klimawandels verändert die Energiesysteme weltweit in rasantem Tempo. Das betrifft insbesondere das Elektrizitätssystem – also die Stromnetze. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden weltweit neue Technologien und Geschäftsmodelle entwickelt. „Wir sollten jedoch nicht übersehen, was wir von den bestehenden Systemen lernen können“, erklärt Leonardo Rydin Gorjão vom Forschungszentrum Jülich.

Gemeinsam mit einem internationalem Forscherteam hat Leonardo Rydin verschiedene Elektrizitätssysteme auf der ganzen Welt untersucht: Die Studie umfasst Daten von 17 Standorten auf drei Kontinenten: insgesamt zwölf verschiedene synchrone Gebiete – Regionen mit verschiedenen Kraftwerken und Verbrauchern, die miteinander verbunden sind und mit der gleichen Frequenz arbeiten. Das Ziel der Forscher war, die Frequenzänderungen zu verstehen, die sich aus dem Verhältnis von Energieangebot und -Nachfrage ergeben.

Für ihre Messungen verwendeten die Wissenschaftler ein am KIT entwickeltes kleines Messgerät, das die Frequenz eines Stromnetzes mithilfe von GPS-Signalen ermittelt und aufzeichnet – sie mussten es dafür nur in eine Steckdose im jeweiligen Stromnetz stecken.

Schwankungen in kleinen Netzen

"Das Stromnetz in allen europäischen Ländern arbeitet mit einer Frequenz von etwa 50 Hertz und ist in einem einzelnen synchronen Bereich nahezu konstant", erklärt Dr. Benjamin Schäfer, Marie-Curie-Forschungsstipendiat an der Queen Mary University of London und einer der Hauptautoren der Studie. Diese Frequenz entspricht großen Turbinen, etwa in Wasser- oder Kohlekraftwerken, die sich 50 mal pro Sekunde drehen. "Wenn der Verbrauch steigt, sinkt die Frequenz leicht ab, während etwa lang anhaltende Windperioden die Frequenz des Stromnetzes erhöhen könnte, da mehr Energie eingespeist wird." Daher neigt die Frequenz dazu, im Laufe eines Tages um ihren Referenzwert zu schwanken. "Zu große Schwankungen sind gefährlich für die Stabilität des Netzes", erklärt Prof. Dirk Witthaut vom Forschungszentrum Jülich. Für einen reibungslosen Betrieb muss deshalb oft nachgesteuert werden. "Die Schwankungen der Frequenz sagen jedoch viel darüber aus, wie ein bestimmtes Synchrongebiet betrieben wird - etwa wie groß das Netz ist, wann Handel betrieben wird, wie oft Steuerungsmaßnahmen ergriffen werden und vieles mehr."

Mit ihren Messungen testeten die Forscher theoretische Vorhersagen darüber, wie die Größe eines Synchronbereichs seine Stabilität beeinflussen kann. "Kleinere Synchrongebiete zeigen tendenziell weitaus stärkere Frequenzschwankungen", sagt Leonardo Rydin. "Das konnten wir mit unserer Studie bestätigen. Unsere Ergebnisse zeigen insbesondere wie wichtig die Berücksichtigung der Größe bei der Auslegung und Steuerung von Netzen ist, besonders von Mikronetzen."

Daten für die Zukunft

Ein Synchronbereich sollte, wie der Name schon sagt, synchron sein: also überall nahezu die gleiche Frequenz haben. Gemittelt über mehrere Minuten trifft das auch zu. "Für eine Zeitskala von Sekunden jedoch zeigten unsere gleichzeitigen Messungen an verschiedenen Orten des kontinentalen europäischen Snychronbereichs etwas anderes", so Leonardo Rydin. "So stellten wir etwa in Lissabon, Karlsruhe und Istanbul signifikante Unterschiede zwischen den Frequenzen fest. Je weiter zwei Standorte innerhalb eines Bereichs auseinanderliegen, desto länger dauert es, bis sie vollständig synchronisiert sind." In ihrer Studie konnten die Wissenschaftler diesen Effekt erstmals belegen und die Zeitspanne bis zu einer vollständigen Synchronisierung messen.

Die Daten der Wissenschaftler und ihre detaillierte statistische Analyse sind offen zugänglich. Der Vergleich zwischen den verschiedenen Systemen liefert darüber hinaus auch empirische Daten für die Zukunft, erklärt Dirk Witthaut. „Wir hoffen, dass sie bei dem Design und der Steuerung von Stromnetzen in ganz Europa helfen werden.“


Originalveröffentlichung: "Open database analysis of scaling and spatio-temporal properties of power grid frequencies",
Leonardo Rydin Gorjão, Richard Jumar, Heiko Maass, Veit Hagenmeyer, G.Cigdem Yalcin,Johannes Kruse, Marc Timme, Christian Beck, Dirk Witthaut and Benjamin Schäfer
nature communications, 11 December 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-19732-7

Weitere Informationen:

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

Ansprechpartner:

Leonardo Rydin Gorjão
Institut für Energie- und Klimaforschung, Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE)
Tel.: 02461 61-1722
E-Mail: l.rydin.gorjao@fz-juelich.de

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

Dr. Benjamin Schäfer
School of Mathematical Sciences, Queen Mary, University of London, United Kingdom
E-Mail: b.schaefer@qmul.ac.uk

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Pressereferentin, Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de