MPI DS: Stromhandel hat Auswirkungen auf Versorgungssicherheit – Netzfrequenz

In einigen Wochen ist es wieder soweit, die alljährliche EarthHour findet statt und wird nicht im Stromnetz spürbar sein. Andere Ereignisse, wie die Ausfälle von Großkraftwerken   kann man hingegen sehr wohl an der Netzfrequenz ablesen. Bereits 2014 berichtete blog.stromhaltig, dass der Takt des Stromnetzes alle 15 Minuten durch den Stromhandel durcheinander kommt.

Damals meinte der Betreiber der Strombörse EpexSpot (EEX), dass der Handel keine Auswirkungen auf die Physik (und damit auf die Versorgungssicherheit) haben darf. Mittels einer stochastischen Analyse gab es widersprechende Indikatoren, die jetzt auch vom Max-Planck-Institut bestätigt werden.

„Damit wurde nachgewiesen, dass mindestens in Europa der Stromhandel einen wesentlichen Beitrag zu den Schwankungen der Netzfrequenz liefert.“ (Forscher des MPI)

Leider kommen die gleichen Forscher auch noch zu einer Aussage, die sich nicht mit den Analysen von blog.stromhaltig decken.

Schwankungen in der Netzfrequenz korrelieren mit Spot-Markt

Verlauf Sonnenuntergang auf die Netzfrequenz
Verlauf Sonnenuntergang / Auswirkungen auf die Netzfrequenz

Betrachtet man die Frequenzsprünge in einem Jahresverlauf, so stellt man fest, dass diese in Schwachlastphasen stärker ausfallen. Die Wechselrichter der Erneuerbaren Energieträger verwenden bereits einige Jahre einen sogenannten Gradienten, welcher die Wirkleistungseinspeisung direkt an die Frequenz koppelt. Scheint die Sonne, so helfen die PV-Anlagen bei der Stabilisierung der Netzfrequenz. Eine Netzdienlichkeit, die ohne rotierende Masse auskommt.

Das Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation kam jedoch zu folgendem Ergebnis:

„Ein Vergleich der Regionen zeigt, dass größere Schwankungen in der Frequenz in Netzen mit einem größerer Anteil an erneuerbaren Energien auftreten. So ist beispielsweise der Anteil der Wind- und Solarerzeugung in Großbritannien um ein vielfaches höher und auch die Schwankungen der Netzfrequenz sind deutlich größer als in den USA“

Bei den vom MPI DS untersuchten Netzen korreliert der Anteil der Erneuerbaren Energieen mit dem Handelsvolumen an der Spotbörse.  blog.stromhaltig würde daher eher sagen, dass größere Schwankungen bei einem größeren Handelsaufkommen (Anzahl der Transaktionen * Gehandeltes Volumen) auftreten.

Ursache: Netz-Fahrplan der Netzbetreiber

Aufgabe des Handels ist es eine Balance aus Angebot und Nachfrage zu finden. Die Regeln an den Marktplätzen geben vor, welche Leitungen wie geschaltet sind, damit Erzeugung zu Verbrauch kommt. Durch die unterschiedlichen Konstellationen, die sich hier ergeben können, verändert sich für jedes Produkt (Zeitfenster), wer verkauft (liefert) und wer  kauft (verbraucht). Die Netzbetreiber nutzen das Handelsergebnis der Strombörse, um die Netze zu schalten:

  • Leitungen aktivieren
  • Leitungen deaktivieren
  • Durchleitung ermöglichen
  • Umwege nehmen, damit jeder Liefervertrag erfüllt werden kann

Füttert man die Systeme der Netzbetreiber mit den Orderbüchern der Strombörse, so spucken die Algorithmen einen genauen Schaltplan/Fahrplan aus.  Automatisiert wird zu Beginn der neuen Produkte/Verträge das Netz umgeschaltet, indem Klemmen in den Umspannwerken geöffnet oder geschlossen werden. Dies erfolgt synchron in einem ganzen Netzverbund.

Die Energie folgt dann den neuen Wegen, die sich aus den Leitungen ergeben (dem geringsten Widerstand). Mit der Energie verbreitet sich auch die Netzfrequenz – in Lichtgeschwindigkeit. Das Problem ist, wenn man die Wegstrecke verändert, dann dauert es immer etwas länger/kürzer. Genau dieser Effekt wird in der Netzfrequenz abgelesen.

Netzfrequenz: Eine Messung des Gesundheitszustandes

Ein System gilt immer dann als stabil, wenn sich nichts verändert. Diese Binsenweisheit trifft auch auf das Stromnetz zu. Jedes Einschalten eines kleinen Verbrauchers hat minimale Änderungen der Netzfrequenz zur Folge. Weshalb bei kleinen Netzen (wie bei einer Insel) die Schwankungen der Netzfrequenz deutlicher sind, als bei einem großen Netz.

Im Sinne der Stabilität – und damit der Versorgungssicherheit – ist es die Auswirkungen von Veränderungen möglichst berechenbar zu halten.

blog.stromhaltig hat eine Methode entwickelt, welche  zweistufig die Gesundheit des Netzes ergibt.

Schritt 1: Triangulation und Modellbildung

An drei Orten, die möglichst weit voneinander entfernt liegen, wird die Netzfrequenz hochauflösend gemessen und mit einem Zeitstempel (GPS) versehen. Diese entstehenden Datenreihen werden genutzt, um eine Triangulation vorzunehmen. Jede Messstelle wird zu einem etwas unterschiedlichen Zeitpunkt den Sprung in der Netzfrequenz messen. Durch Ermittlung der „Laufzeit“ wird ein virtueller Punkt auf der Karte gefunden, der als „Ursprung“ angesehen werden kann. Die gleiche Technik ist bereits sehr bewehrt bei der Ermittlung des Epizentrums bei einem Erdbeben. Nur handelt es sich hierbei um einen realen Punkt auf der Erde – bei der Netzfrequenz zwar auch, dieser hat aber keine Bedeutung.

Im Modell wird dieser Punkt als „Schwerpunkt des Schaltzustandübergang“ bezeichnet. Dieser Punkt ist eindeutig für den Übergang eines bestimmten Zustands aller Klemmen im Verbundnetz zu einem anderen Zustand. Liegen die Schwerpunkte sehr weit voneinander entfernt, dann ist der Frequenzsprung größer. Bislang konnte so eine signifikante Korrelation zur Lieferbereitschaft der Braunkohlekraftwerken an der Lausitz – oder zur Offshore-Windenergie  identifiziert werden.

Da weder die EEX/EPEXSpot noch das angeschlossene Clearinghouse die Daten zu den tatsächlichen Lieferverträgen frei zugänglich macht, werden alle anderen verfügbaren Daten verwendet, um eine Prognose des Handelsergebnis zu erhalten. Dadurch wird der „Schaltzustand“ mit Algorithmen greifbar. Zu den Daten in der Energy Cloud gehören:

  • Engpassmanagement (Re-Dispatch)
  • Ungeplante Nichtverfügbarkeiten (Kraftwerke und Leitungen)
  • Price-Coupling und Cross-Border Flows
  • Prognosen Wind- und Sonnenstrom
  • Verbrauchsprognosen

Schwerpunkt plus die Handelsergebnisse bilden zusammen ein lernendes Neuronales-Netzwerk. Etwas „künstliche Intelligenz“, die zwar nicht erklärt warum etwas ist, wie es ist – aber bei gegebenen Eingangsparametern ein wahrscheinliches Ergebnis liefert.

Schritt 2: Vorhersage für die Netzstabilität

Durch das Vorhandensein des Modells konnte blog.stromhaltig bereits vor den Produktgrenzen (Beginn der 15 Minuten-Fenster), den wahrscheinlichen neuen Schwerpunkt ermitteln.  Durch einen Vergleich mit dem vorhergehenden Schwerpunkt wird eine Prognose der Schwankung der Netzfrequenz möglich.

„Um trotzdem den Anteil der erneuerbaren Energie zu erhöhen, empfehlen die Forscher eine verstärkte Investition in sogenannte Primärregelung und Demand Control, d.h. eine intelligente Anpassung der Erzeuger und Verbraucher an die Frequenz“

Was sich in den letzten 5 Jahren verändert hat, ist die Stärke der Schwankungen – und die wahrscheinlich dadurch bedingten kurzzeitigen Aktivierungen der Primärregelung.  Es scheint, als sei das Stromnetz zunehmend für einige Sekundenbruchteile im „Blindflug“ , bis die automatisierten Regelungen das System wieder stabilisiert haben und den neuen Lastfluß sauber abbilden.

Im Gegensatz zu den Forschern des MPI, würde von blog.stromhaltig die Empfehlung eher in Richtung der Übertragungsnetzbetreiber gehen, dass sie mehr Transparenz schaffen, so dass die Phänomene verstanden werden können.

Hier der Vorschlag (auch an das MPI): Bitte ein Competition bei Kaggle aufsetzen und mit Daten versorgen, bevor wir im Blindflug in den Blackout rutschen. blog.stromhaltig hat hierfür keine Forschungsgelder – unterstützt aber gerne bei der Erstellung eines Konzeptes.

#QED

„Interessanterweise erscheinen die durch Stromhandel hervorgerufenen Frequenzschwankungen im Netz bedeutender als solche aufgrund der Einspeisung erneuerbarer Energien“, fasst Prof. Marc Timme vom MPIDS die Studie zusammen.

Wichtig ist, was man aus der Erkenntnis macht 🙂

 

 

 

Diesen Beitrag offline lesen
Noch keine Stimmen.
Bitte warten...

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.