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Ausgabe 01/2018
Stromversorgung

Frequenzschwankungen im Netz       

Erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind können zu Frequenz-Schwankungen im Stromnetz führen. Doch beeinträchtigt das die Versorgungssicherheit? Dazu untersuchte ein internationales Forscherteam die Stromnetze in Europa, Japan und den USA.


Der Wechselstrom im europäischen Stromnetz besitzt eine Frequenz von 50 Hertz
(Foto: IPP, Axel Kampke)

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Das Stromnetz arbeitet mit einer Frequenz 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: „Die Abweichungen von dem Sollwert 50 Hertz dürfen niemals zu groß werden, da sonst empfindliche elektrische Geräte beschädigt werden können.“


Frequenzmessungen im europäischen Stromnetz
(Grafik: Benjamin Schäfer)

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Auch erneuerbare Energieerzeuger verur­sachen solche Abweichungen. Denn der Wind weht nicht immer mit gleicher Geschwindig­keit, Wolken sorgen für schwankenden Sonnenstrom. Um zusätzliche Erneuerbare aufzunehmen, wird oft vorgeschlagen, das Netz in kleine autonome Zellen aufzuteilen, in Microgrids: Damit würde beispielsweise eine Gemeinde mit Blockheizkraftwerk und eigenen Wind- und Photovoltaik-Anlagen weitgehend energieautonom.

Die Analyse von Messdaten aus Europa, Japan und den USA offenbarte nun zwei Überraschungen. „Zum einen zeigt das Netz alle 15 Minuten besonders starke Schwankungen“, so Dirk Witthaut vom Forschungszentrum Jülich. „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 wieviel Strom in das Netz eingespeist wird. Zumindest in Europa leistet der Stromhandel also einen wesentlichen Beitrag zu den Schwankungen der Netzfrequenz.“ Zum anderen sind die statistischen Schwankungen um den Sollwert von 50 Hertz nicht, wie erwartet, symmetrisch um den Mittelwert verteilt. Stattdessen sind mehr extreme Schwankungen wahrscheinlich.

Mit mathematischen Modellen berechneten die Wissenschaftler die erwarteten Schwankungen je nach Netzgröße. Es zeigte sich, dass ein Mehr 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“, so Dirk Witthaut. Für einen erhöhten Anteil an erneuerbaren Energiequellen sollte daher verstärkt in eine intelligente Anpassung der Erzeuger und Verbraucher an die Netzfrequenz investiert werden – sogenannte Primärregelung und Demand Control. Bedeutender jedoch erscheinen die durch den Stromhandel hervorgerufenen Frequenzschwankungen.

Kleine Stromnetze, so die Analyse, 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.“  

fzj



Originalveröffentlichung:

Non-Gaussian Power Grid Frequency Fluctuations Characterized by Lévy-stable Laws and Superstatistics. Benjamin Schäfer, Christian Beck, Kazuyuki Aihara, Dirk Witthaut, Marc Timme, in: Nature Energy, Band 3, Februar 2018, Seite 119 - 126, DOI: 10.1038/s41560-017-0058-z