Stromnetz – Abhängigkeiten im Graphen – Szenarienentwicklung

Eines der faszinierendsten Eigenschaften eines Netzes ist die Abhängigkeiten der verschiedenen Komponenten voneinander. Wird an der einen Stelle eingegriffen, so verändert sich auch an einer anderen Stelle etwas. Ändert sich durch einen Umwelteinfluss ein Wert hier – muss an anderer Stelle nachgezogen werden. Das Stromnetz ist in sich ein System, welches ein koordiniertes Zusammenspiel vieler Eigenschaften darstellt. Der Netzbetrieb basiert zwar auf Regeln, diese sind jedoch wenig bekannt und zum Teil auch nicht dokumentiert. Die Regeln der Schaltvorgänge und Entscheidungen ergeben sich aus Erfahrung. Mit Hilfe eines Graphen können die Zusammenhänge aufgezeigt werden. Auf Basis der in einem voran gegangenen Beitrag bereits genannten Stundenszenarien Datenbank wurden erstmals die Zusammenhänge visualisiert.

Für jede Stunde ist im Stromnetz bekannt, wie hoch der Lastfluss ist. Ebenso ist bekannt, welche Einspeisung aus Sonnenenergie oder Windkraft geplant und später tatsächlich vorhanden ist.  Im Zuge des Engpassmanagements werden einzelne Kraftwerke aufgefordert ihre Leistung zu erhöhen oder zu reduzieren. Fasst man all diese Werte zusammen, so ergeben sich für jede Stunde über 180 verschiedene Attribute, die in irgend einem Zusammenhang zueinander stehen. Ziel der Visualisierung ist es diese Zusammenhänge aufzuzeigen und in eine Analyse zu überführen. Mit Hilfe der Attributen Evaluation CfsSubsetEval (vergl. WEKA Dokumentation) wird für jedes Attribut/Eigenschaft ermittelt, welches andere Attribut sich mit verändert. Führt man diese Evaluation für jedes Attribut durch, so entstehen die Kanten und Knoten eines Graphen.

Durch die hohe Anzahl der Knoten lässt sich der Graph nur sehr schwer auf einmal visuell erfassen. Zur besseren Lesbarkeit wurden in Blau alle abhängigen Werte des Stromnetzes gekennzeichnet (Last der H0-Profilkunden, Netzlast insgesamt, Anteil Strom aus Erneuerbaren, Wochentag, Tageszeit …). Mit grauer Farbe sind die Redispatch Kraftwerke gekennzeichnet.

Die Evaluation der Ergebnisse kann deutlich leichter in einer dynamischen (HTML5, SVG) Ansicht durchgeführt werden. Das ZIP-Archiv mit den Daten gibt es zum direkten Download  oder alternativ auf telefonische Anfrage (Rufnummer im Impressum).

Cluster / Gruppierungen

Stunde des Tages, Standard Lastprofil H0 Anteil und Wochentag bilden 3 Zentren, von denen die den stärksten Einfluss auf die anderen Attribute ausüben. Abhängig von der Tageszeit kommt es zu den meisten Redispatches in Deutschland. Abhängig von der Tageszeit schwankt natürlich auch die Netzlast, von daher ist es leicht erklärlich, dass die angenommene Netzlast in einem direkten Zusammenhang zur Uhrzeit steht.

In diesem Zusammenhang ist interessant, welche Kraftwerke in dieser Liste aufgeführt werden. Interpretiert werden kann dies als Antwort auf die Frage: Welche Kraftwerke werden von den Übertragungsnetzbetreibern geplant eingesetzt, um Schwankungen in der Netzlast auszugleichen. Zählt man das Kraftwerk Main/Wiesbaden hinzu, so ergeben sich hier 3 Reservekraftwerke.

Man kann aus dieser Darstellung allerdings auch den Rückschluss ziehen, dass es dem Stromhandel nicht ausreichend gelingt, die Bedarfsschwankungen abzubilden. Ein Alarmzeichen, welches auch durch den Cluster “Standard H0 Anteil” bestätigt wird.

Cluster: Standard Lastprofil H0

Haushaltsstromkunden werden im Deutschen Stromnetz nach dem sogenannten H0 Lastprofil abgerechnet. Dieses Profil gibt auf Basis des Jahresstromverbrauches eines Kunden einen bilanziellen Verbrauch für jede 15 Minuten. Dadurch benötigt der Stromanbieter keine unter-jährigen Zählerstände und kann/muss  immer entlang des Profiles einspeisen. Diese Vereinfachung wurde im Zuge der Strommarktliberalisierung gemacht, um den Stromkunden einen einfacheren Wechsel zwischen verschiedenen Anbietern zu ermöglichen.

Mittlerweile hat sich die Lebenswirklichkeit der Stromkunden geändert. Die Verbräuche folgen nicht dem Standardlastprofil aus den späten 1990er Jahren, wodurch auch die Summe des Verbrauchs aller Haushalte nicht mehr mit der eingespeisten Strommenge übereinstimmt. Heilbronn, Phillipsburg, Stuttgart sowie die Grenzregion zur Schweiz zeigen, dass es gerade im Süd-Westen von Deutschland zu Problemen kommt, wenn der Anteil des H0-Stroms an der gesamten Netzlast steigt. Feiertage wie Ostern, Pfingsten oder Weihnachten sind Tage, bei denen die Wahrscheinlichkeit steigt, dass es bei den genannten Kraftwerken zu einem Redispatch kommt. Die Richtung des Redispatches ist wahrscheinlich einer Erhöhung der Kraftwerksleistung, wie man ebenfalls in der Grafik erkennen kann.

Cluster: Solar-Strom Anteil

Bei wenigen Kraftwerken steigt die Wahrscheinlichkeit zu einem Redispatch, wenn die Einspeisung aus Photovoltaik relativ zur gesamten Einspeisung verändert. Hier bemerkt man sehr deutlich, dass in der unmittelbaren Nähe der Kraftwerke sehr große Freiflächenanlagen vorhanden sind. Durch den Redispatch wird eine Überlastung der Leitungen verhindert. Braunkohle ist die häufigste Substitution bei diesen Maßnahmen.

Auffälligkeit: Klassischer Redispatch nur selten vorhanden

Durch die Bildung der Cluster lassen sich die wichtigsten Wirkfaktoren für Netzeingriffe erkennen. Auffällig ist, dass sehr selten eine Kette von Kraftwerken gefunden werden konnte, obwohl dies nach der eigentlichen Definition von Redispatches vorhanden sein müsste. Laut Schulbuch wird bei einer drohenden Überlastung  einer Leitung das Kraftwerk auf der einen Seite reduziert und auf der anderen Seite erhöht.

Lehrmeinung:

Der Energiefluss geht von Punkt A zu Punkt B nach C. Die Leitung zwischen A und B droht zu überlasten. Das Kraftwerk in der Nähe von A wird reduziert, das Kraftwerk in der Nähe von B wird erhöht. Der Punkt C erhält immer noch die gleiche Strommenge.

Da die Stromleitungen und die Positionen der Kraftwerke kaum verändert werden, sollten sich Zusammenhänge wir auf der PV-Grafik zwischen Schkopau und Lippendorf sehr häufig finden lassen. Dies ist allerdings nicht der Fall, was zu einem generellen Überdenken der Redispatch-Definition führen sollte.

Relevante Kraftwerke / Reservekraftwerke

Soll ein Kraftwerk abgeschaltet werden, so muss im komplexen System des Stromnetzes von der Bundesnetzagentur eine Entscheidung über die Wichtigkeit/Rolle des Kraftwerkes getroffen werden. Auf Basis der Stundenszenarien kann diese Entscheidung assistiert werden. Attribute (blau), die nur wenige Kraftwerke als Knoten besitzen, sind kritischer. Würde man bei diesen Attributen ein Kraftwerk stilllegen, so hätte dies wesentlich größere Auswirkungen, als bei Attributen mit sehr vielen Kraftwerken.