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Ursache für regelmäßige Leistungsspitzen im Stromnetz entdeckt
Alle 60 Sekunden sinkt in vielen Stromnetzen die Frequenz für kurze Zeit ab. Messungen in zwölf Netzen auf fünf Kontinenten und auf einem deutschen Forschungscampus zeigen, dass zeitgleich ausgelöste Selbsttests von Batteriespeichern solche Lastspitzen erzeugen können. Die Schwankungen sind bislang nicht sicherheitskritisch, haben aber Folgen für den Netzbetrieb.
Jülich (Deutschland). Die Frequenz des Wechselstroms zeigt an, ob Erzeugung und Verbrauch eines Stromnetzes im Gleichgewicht sind. Steigt die Nachfrage plötzlich, ohne dass entsprechend mehr Energie bereitsteht, sinkt die Frequenz kurzzeitig. Im europäischen Verbundnetz liegt der Sollwert bei 50 Hertz.
Viele Schwankungen entstehen durch Wetter, wechselnde Einspeisung oder den Stromhandel. Auffällig ist jedoch ein regelmäßig wiederkehrendes Signal, das exakt zum Beginn jeder Minute auftritt und über Jahre im Netz messbar bleibt. Für einen so präzisen Takt reicht eine zufällige Häufung einzelner Verbraucher kaum aus.
Ein Forschungsteam des Forschungszentrums Jülich (FZJ) um Prof. Dr. Dirk Witthaut hat Frequenzaufzeichnungen aus zwölf Stromnetzen auf fünf Kontinenten ausgewertet. Die statistische Analyse zeigt überall ein eng begrenztes Muster mit einer Periodendauer von genau 60 Sekunden. Besonders deutlich ist es in großen Netzen Europas, Nordamerikas und Australiens.
Anschließend suchte das Team am Living Lab Energy Campus in Jülich nach konkreten elektrischen Verbrauchern, die eine solche Regelmäßigkeit erzeugen könnten. Unter den mehr als 80 Messstellen auf dem Campus fiel die minutengenaue Leistungsspitze vor allem in Gebäuden mit batteriebasierter unterbrechungsfreier Stromversorgung auf. In vier Gebäuden war sie besonders ausgeprägt.
Bei einer genauer untersuchten Anlage registrierten Messgeräte im Batteriesystem kurze Stromimpulse und verfolgten deren Wirkung über Transformatoren bis zum Anschluss an das 110-Kilovolt-Netz. Der Hersteller bestätigte, dass die Impulse durch regelmäßige Selbsttests der Batteriesteuerung entstehen. Damit lässt sich die Verbindung zwischen einem lokalen Softwarevorgang und einer Leistungsschwankung im übergeordneten Stromnetz direkt nachweisen.
„Das war wirklich jahrelange Detektivarbeit“, erzählt Prof. Dr. Dirk Witthaut.
Entscheidend ist nicht allein, dass die Batterien ihre Betriebsbereitschaft prüfen. Problematisch wird die Routine, wenn viele Anlagen ihre Tests gleichzeitig zu Beginn jeder Minute ausführen. Die einzelnen Leistungsspitzen addieren sich dann und lösen eine messbare Reaktion der Netzfrequenz aus.
„Der beobachtete Effekt lässt sich nur erzeugen, wenn viele Geräte zum gleichen Zeitpunkt Strom verbrauchen“, erklärt Prof. Dr. Dirk Witthaut.
Versuche mit ein- und ausgeschalteter Uhrzeitsynchronisierung zeigen, dass externe Zeitgeber den Zeitpunkt solcher Testroutinen beeinflussen können. Die Auswertung weist zugleich darauf hin, dass nicht jede Anlage gleich reagiert und die Software unterschiedlicher Hersteller eine wichtige Rolle spielt. Ähnliche wiederkehrende Verbrauchsmuster wurden auch an einem vernetzten Backofen und in kleinen Rechnergruppen beobachtet.