Der größte deutsche Übertragungsnetzbetreiber Tennet Germany hat über mehrere Jahre beobachtet, dass die Frequenz im europäischen Stromnetz alle 60 Sekunden kurzzeitig absinkt. Die Abweichungen waren zwar nicht sicherheitskritisch, aber deutlich messbar und ungewöhnlich regelmäßig. Die Ursache des Phänomens war zunächst unklar.

Ein Jülicher Team um Dirk Witthaut begab sich gemeinsam mit Forschenden der Universität Köln und des Karlsruher Instituts für Technologie auf die Suche – und wurde fündig: Verantwortlich sind offenbar viele große Batteriespeicher, die im Minutentakt ihren Ladezustand abfragen. Dies führt zu messbaren Schwankungen im Stromverbrauch, die zum Beispiel zum Verschleiß von Turbinen beitragen können. Die Batteriespeicher sorgen für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, und ihre Anzahl hat in den letzten Jahren stark zugenommen – und zwar weltweit: Die Forschenden stellten fest, dass es sich nicht um ein europäisches Phänomen handelte, sondern um ein globales.

Viele Geräte, ein gemeinsamer Takt

„Das war wirklich jahrelange Detektivarbeit“, sagt Dirk Witthaut vom Forschungszentrum Jülich. Im Muster der Netzfrequenz zeigen sich nämlich viele unterschiedliche Einflüsse. So sieht man darin zum Beispiel den Einfluss des Stromhandels, weil man Kraftwerke entsprechend abrupt an- oder abschaltet und die schwankende Einspeisungen durch erneuerbare Energien oder vielfältige Störeinflüsse. „Uns war schnell klar, dass es sich bei der Ursache um etwas handeln muss, das von der Uhr gesteuert wird“, sagt Witthaut. Anders ließ sich die exakte Periodizität von 60 Sekunden nicht erklären. Klar war auch: „Der beobachtete Effekt lässt sich nur erzeugen, wenn viele Geräte zum gleichen Zeitpunkt Strom verbrauchen“, Witthaut. Ein einzelner Verbraucher oder Erzeuger kam daher nicht infrage.

Messungen auf dem Campus liefern den Hinweis auf 60-Sekunden-Schwankung in Stromnetzen

Aber wie synchronisieren all diese Geräte ihren Verbrauch? Die entscheidenden Hinweise fanden die Forschenden schließlich mithilfe des Living Lab Energy Campus. In dieser Forschungsinfrastruktur auf dem Jülicher Campus werden in erster Linie hochintegrierte Energieversorgungssysteme entwickelt und erprobt. An insgesamt 80 Stellen verbaute das Team Messpunkte an Endgeräten – und tatsächlich: Genau an den Stellen, an denen große Batteriespeicher die unterbrechungsfreie Stromversorgung gewährleisten sollen, zeigte sich das gleiche periodische Muster im Stromverbrauch. „Eines davon haben wir uns genauer angeschaut und fanden am Anfang jeder Minute eine Stromspitze wegen der Leistungsabfrage“, sot Witthaut.

Da für solche Abfragen keine verbindlichen Standards existieren, vermutet Witthaut, dass sich Batteriehersteller mehrheitlich gedacht haben, ein 60-Sekunden-Intervall sei sinnvoll. Und als Testzeitpunkt hat man schlichtweg der Beginn jeder Minute festgelegt. „Dabei ist es durchaus möglich, dass Batteriespeicher hier nur ein Teil eines Problems sind“, erklärt Witthaut. „Es ist nicht ausgeschlossen, dass auch andere digital gesteuerte Verbraucher – etwa Klimaanlagen, Wärmepumpen, Waschmaschinen, Geschirrspüler – ähnliche Muster zeigen.“

Weniger Gleichzeitigkeit, weniger Verschleiß

Schon jetzt haben die periodischen Schwankungen im Strombedarf Auswirkungen auf Wasserkraftwerke. Der kurzzeitig höhere Bedarf führt nämlich dazu, dass die Turbinen kurz abbremst und dann wieder auf ihre ursprüngliche Drehgeschwindigkeit beschleunigt. Das erhöht den Verschleiß. Mit dem Ausbau von Speichertechniken könnten solche Probleme weiter zunehmen. In Irland, wo Rechenzentren mit großen Batteriespeichern rund ein Fünftel des nationalen Strombedarfs ausmachen, hat sich die Amplitude des 1-Minuten-Signals zwischen 2016 und 2021 vervierfacht. Die Lösung wäre indes einfach: „Man müsste die Abfragen schlicht zufällig verteilen, statt sie immer zum gleichen Zeitpunkt zu starten“, sagt Witthaut.

Die wissenschaftliche Originalpublikation zum Rätsel der 60-Sekunden-Schwankung in Stromnetzen ist unter diesem Link zu finden.

Quelle: Forschungszentrum Jülich | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH