Überraschende Erkenntnisse über erneuerbare Energien und Störungen in Stromnetzen
29. Mai 2018
Wind und Sonne sind umweltfreundliche Stromlieferanten. Da sie jedoch für eine schwankende Energiezufuhr sorgen, belasten solche erneuerbaren Energien die Stromnetze stärker als bislang angenommen. Das geht aus einer Studie hervor, die an der Jacobs University Bremen entstanden und jetzt im renommierten Nature-Journal „Scientific Reports“ veröffentlicht worden ist. Wie intensiv diese Belastung ist, hängt jedoch stark vom Aufbau der Netze ab. Überraschenderweise zeigt sich ausgerechnet ein bestimmter Typus von Stromnetzen als besonders stabil, von dem die Forscher dies bislang am wenigsten erwarteten.
Frequenzschwankungen im Stromnetz sind an der Tagesordnung. Je mehr erneuerbare Energien eingespeist werden, desto größer ist die Belastung für das Netz. Es muss nicht nur mit größeren Schwankungen fertig werden, sondern auch mit einer zunehmend kleinteiligen, heterogenen und dezentralen Stromerzeugung. In einem Forschungsprojekt an der Jacobs University Bremen unter der Leitung von Dr. Stefan Kettemann, Professor für Theoretische Physik, sind diese Fluktuationen nun untersucht worden.
Die Ergebnisse zeigen auf, dass die zunehmende Einspeisung von erneuerbaren Energien zu einer Ausbreitung von Störungen führt. Kettemann und sein Team haben untersucht, mit welcher Geschwindigkeit und auf welche Weise sich Störungen im Netz ausbreiten. Eines der Ergebnisse der Grundlagenforschung: Selbst kleinste Schwankungen, verursacht etwa durch einen kurzzeitigen Anstieg der Stromeinspeisungen in Bremen, sind über große Distanzen messbar, etwa selbst im fast 600 Kilometer Luftlinie entfernten München. Vor allem aber: Bestimmte Netze sind robuster als andere. „Besonders überrascht hat uns, dass baumartig aufgebaute Verteilernetze, die vom Generator bis zum Verbraucher führen, stabiler gegenüber solchen Störungen sind als engmaschige Verbundnetze, in denen die Stromleitungen in vielen Schleifen kreisförmig zusammengeschlossen sind“, sagt Kettemann. „Das Gegenteil wäre deutlich erwartbarer gewesen. Denn eine Baumstruktur hat schließlich viel eindeutigere und hierarchischere Verbindungslinien als ein kreisförmiges Netz mit seiner Vielzahl an Maschen und Schleifen.“
Die Ursache für das außergewöhnliche Phänomen fanden die Forscher in den unterschiedlichen Schwingungen, den Wellenmoden, beider Netze. Ähnlich wie bei Orgelpfeifen, deren tiefster Resonanzton mit der Länge tiefer wird, zeigt sich, dass die Resonanzfrequenzen engmaschiger Verbundnetze mit der Größe des Netzes kleiner werden. Für baumartig aufgebaute Netze gilt dies nicht. Deren Resonanzfrequenz bleibt mit zunehmender Größe gleich hoch, wodurch sie weniger anfällig für Störungen sind.
Die Ergebnisse des Projekts wurden jetzt in der Zeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht. Es wurde finanziert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Forschungsinitiative Stromnetze. An ihr ist die Jacobs University über das Verbundprojekt „CoNDyNet“ (Collective Nonlinear Dynamics of Complex Electricity Grids) mit dem Teams von Stefan Kettemann, Hildegard Meyer-Ortmanns, Professorin für Theoretische Physik, und Gerd Brunekreeft, Professor für Energiewirtschaft beteiligt. Verbundpartner sind das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), das Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, das Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) sowie das Forschungszentrum Jülich.
Weitere Informationen:
S. R. Tamrakar, M. Conrath, S. Kettemann: Propagation of Disturbances in AC Electricity Grids, Scientific Reports 8, 6459 (2018).
Abrufbar unter:
https://www.nature.com/articles/s41598-018-24685-5
Fragen beantwortet:
Prof. Dr. Stefan Kettemann, Professor of Theoretical Physics
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