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Frequenzhandel: Sonne, Wind und Stromhandel

Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Sonne und Wind kann zu Schwankungen im Stromnetz fhren. Doch knnen sich diese auf die Versorgungssicherheit auswirken? Um diese Frage zu beantworten, analysierten Jlicher und Gttinger 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 berraschenden Ergebnissen. Ihre Studie wurde heute in der Fachzeitschrift Nature Energy verffentlicht.

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", erklrt Benjamin Schfer vom Gttinger Max-Planck-Institut fr Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS), Erstautor der Studie. "Die Abweichungen von dem Sollwert 50 Hertz drfen niemals zu gro werden, da sonst empfindliche elektrische Gerte beschdigt werden knnen."

Auch erneuerbare Energieerzeuger verursachen Schwankungen der Netzfrequenz, da der Wind nicht immer mit der gleichen Geschwindigkeit weht oder Wolken fr eine stndig schwankende Einspeisung durch Photovoltaikanlagen sorgen. Um zustzliche erneuerbare Energieerzeuger in das Stromnetz zu integrieren wird oftmals vorgeschlagen, das Netz in kleine autonome Zellen aufzuteilen, sogenannte Microgrids: Damit knnte 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 zustzliche erneuerbare Erzeuger auf das Stromnetz aus? Um diese Frage zu beantworten, haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jlich und dem MPIDS die Schwankungen der Netzfrequenz in Stromnetzen in verschiedenen Regionen der Welt analysiert und mithilfe mathematischer Modelle Vorhersagen ber mgliche Anflligkeiten und deren Ursachen erstellt.
Zwei berraschungen in einer Analyse

Dafr haben sie zunchst Messungen aus Europa, Japan und den USA zusammengetragen. Eine systematische Analyse der Daten offenbarte gleich zwei berraschungen fr die Wissenschaftler. "Zum einen zeigt das Netz alle 15 Minuten besonders starke Schwankungen", erklrt Dirk Witthaut vom Jlicher Institut fr Energie- und Klimaforschung und dem Institut fr Theoretische Physik der Universitt Kln. "Dies ist genau der Zeitraum in dem sich Erzeuger auf dem Strommarkt in Europa auf eine neue Verteilung fr die Erzeugung einigen damit ndert 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 Gau-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 Netzgre und schtzen ab, wie sehr die Strungen von erneuerbaren Energien abhngen.

Schlsselfaktor Stromhandel

Im Vergleich der untersuchten Regionen zeigte sich, dass ein grerer Anteil an erneuerbaren Energien tatschlich zu greren Schwankungen im Netz fhrt. So ist beispielsweise der Anteil der Wind- und Solarerzeugung in Grobritannien um ein vielfaches hher als etwa in den USA das fhrt zu greren Schwankungen der Netzfrequenz, erklrt Dirk Witthaut. Fr einen erhhten Anteil an erneuerbaren Energiequellen, so empfehlen die Wissenschaftler, sollte daher verstrkt in eine intelligente Anpassung der Erzeuger und Verbraucher an die Netzfrequenz sogenannte Primrregelung 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 auerdem bei ihrer Untersuchung fest, zeigen strkere Schwankungen. "Unsere Studie weist darauf hin, dass eine Aufteilung eines groen und damit sehr trgen Netzes wie etwa das kontinentaleuropische Stromnetz in Microgrids zu greren Frequenzschwankungen fhrt", so Benjamin Schfer. "Technisch sind Microgrids daher nur eine Option, wenn die heutigen sehr strikten Frequenz-Standards aufgeweicht wrden."

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