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Baumartige Verteilernetze stabiler als engmaschige Verbundnetze

Die je nach Wetterlage fluktuierende Erzeugung von Wind- und Sonnenstrom sorgen für eine schwankende Energiezufuhr und belasten die Stromnetze. Doch nicht jedes Stromnetz ist gleich anfällig. Überraschenderweise sind gerade die baumartig aufgebauten Verteilernetze stabiler als engmaschige Verbundnetze. Ursächlich sind die unterschiedlichen Wellenmoden und die selbstregulierende Funktion träger Masse als Momentanreserve.

Baumartig aufgebaute Verteilernetze, die vom Generator bis zum Verbraucher führen, sind stabiler gegenüber Einspeise-Fluktuation erneuerbarer Energien als engmaschige Verbundnetze, in denen die Stromleitungen in vielen Schleifen kreisförmig zusammengeschlossen sind. (Grafik: Jacobs University)

Baumartig aufgebaute Verteilernetze, die vom Generator bis zum Verbraucher führen, sind stabiler gegenüber Einspeise-Fluktuation erneuerbarer Energien als engmaschige Verbundnetze, in denen die Stromleitungen in vielen Schleifen kreisförmig zusammengeschlossen sind. (Grafik: Jacobs University)

Eine verlässliche Stromversorgung und damit eine stabile Verteilung elektrischer Energie ist heute für alle Bereiche unserer Gesellschaft essentiell. Konventionelle Energieversorgungssysteme sind zentral organisiert und werden auch weitgehend zentral kontrolliert. Dieses Funktionsprinzip steht durch den Umbau der Stromerzeugung vor großen Herausforderungen, weil die Einbindung erneuerbarer Energien kleinteilige, heterogene und dezentrale Erzeugung mit sich bringt, die zudem von Fluktuationen geprägt und nur eingeschränkt vorhersagbar ist.

In einem Forschungsprojekt an der Jacobs University Bremen unter der Leitung von Dr. Stefan Kettemann, Professor für Theoretische Physik, im Rahmen des Verbundprojekt "CoNDyNet - Kollektive Nichtlineare Dynamik Komplexer Stromnetze" sind diese Fluktuationen nun näher untersucht und die Ergebnisse im renommierten Nature-Journal „Scientific Reports“ veröffentlicht worden.

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

Vor allem aber: Bestimmte Stromnetze sind robuster als 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“, sagt 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.“

Die Ursache für das außergewöhnliche Phänomen fanden die Bremer 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.

Prof. Dr. Kettemann gibt jedoch auch zu Bedenken, dass mehr Erneuerbare im Netz nicht nur mehr Fluktuationen in der eingespeisten Leistung bedeuten, sondern auch weniger Momentanreserve im Netz: "Die Generatoren konventioneller Kraftwerke haben eine träge Masse, so dass sie kurzzeitig Energie speichern und wieder abgeben können, wenn diese Kraftwerke einfach abgeschaltet werden, geht diese selbstregulierende Funktion verloren."

Das wesentliche Ergebnis der Veröffentlichung in Scientific Reports ist daher, dass bei weniger träger Masse im Netz die Unterschiede in der Netztopologie wichtiger werden, da die Generatoren stärker miteinander gekoppelt werden. Dann zeigt sich, dass Störungen in baumartigen Netzen (wie der größte Teil der Verteilnetze im Netzbetrieb) schneller abklingen, und weniger weit propagieren, als in vermaschten Verbundnetzen.

"Wohlgemerkt gelten unsere Untersuchungen für kleine Störungen. Erst bei starken Störungen, die wir und andere in anderen Veröffentlichungen auch untersucht haben, kann es zu Stromausfällen kommen. Dann kommt die N-1-Regel zum tragen, die besagt, dass ein Netz auch bei Ausfall einer Leitung stabil bleiben muss: dann ist Vermaschtheit nötig", so Prof. Dr. Kettemann.

"Im normalen Netzbetrieb ist aber vor allem wichtig, dass die Frequenz und Spannungsfluktuationen klein sind, dann sind baumartige Netze besser, wie unsere Studien zeigen. Das heißt, am besten wäre es, ein vermaschtes Netz aufzubauen, das im Normalbetrieb durch Schalter aber als Baumnetz betrieben wird", empfiehlt Kettemann. "So ist es beim Verteilnetz ja auch, es gibt z. B. pro Straßenzug immer 2 parallele Leitungen, die im Normalbetrieb nicht verbunden werden, bei Stromausfall aber zusammengeschaltet werden können, so dass weiter alle Stromkunden beliefert werden können."

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"Baumartige Verteilernetze stabiler als engmaschige Verbundnetze" wurde am 01.06.2018 verfasst