Mit welcher Geschwindigkeit und wie breiten sich Störungen im Stromnetz aus?

Studie: Baumartig aufgebaute Verteilernetze sind robuster als engmaschige Verbundnetze

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Stromleitungen-Windturbine
Symboldbild (Quelle: reimax16 - stock.adobe.com)

Eine Studie der Jacobs University Bremen ist zu überraschende Erkenntnissen über erneuerbare Energien und Störungen in Stromnetzen gelangt. Wie intensiv die Belastung der Netze ist, hängt demnach stark von ihrem Aufbau der Netze ab. Allerdings 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 sind diese Fluktuationen nun untersucht worden.

Jacobs University befasst sich mit Erneuerbaren-Einspeisung

Die Ergebnisse zeigen auf, dass die zunehmende Erneuerbaren-Einspeisung zu einer Ausbreitung von Störungen führt. Prof. Stefan Kettemann und sein Team haben untersucht, mit welcher Geschwindigkeit und auf welche Weise sich Störungen im Netz ausbreiten. Eines der Ergebnisse der Grundlagenforschung lautet, dass selbst kleinste Schwankungen, verursacht etwa durch einen kurzzeitigen Anstieg der Stromeinspeisungen in Bremen, über große Distanzen messbar sind, etwa selbst im fast 600 km Luftlinie entfernten München.

Bestimmte Netze sind robuster als andere

Vor allem aber gilt, dass bestimmte Netze robuster als sind 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“, so 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.“

Ursache sind unterschiedliche Schwingungen der Stromnetze

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 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.

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