Batteriespeicher verursachen weltweit regelmäßige Frequenzschwankungen im Stromnetz

Seit Jahren beobachten Netzbetreiber ein ungewöhnliches Phänomen: Alle 60 Sekunden sinkt die Netzfrequenz kurzzeitig ab. Forschende des Forschungszentrums Jülich haben nun die Ursache identifiziert. Verantwortlich sind offenbar zahlreiche Batteriespeicher, deren Steuerungssysteme gleichzeitig Leistungsabfragen durchführen. Die dadurch entstehenden Lastspitzen gefährden die Netzstabilität derzeit nicht, können aber den Verschleiß von Kraftwerksturbinen erhöhen.

Der deutsche Übertragungsnetzbetreiber Tennet hatte über mehrere Jahre festgestellt, dass die Frequenz im europäischen Stromnetz in regelmäßigen Abständen von genau einer Minute kurzzeitig zurückgeht. Obwohl die Abweichungen vergleichsweise gering ausfallen und keine unmittelbare Gefahr für die Versorgungssicherheit darstellen, blieb ihre Ursache lange ungeklärt.

Ein Forschungsteam des Forschungszentrums Jülich, der Universität zu Köln und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) konnte das Phänomen nun auf die unbeabsichtigte Synchronisierung digital gesteuerter Energieanlagen zurückführen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Batteriespeicher verursachen gleichzeitige Lastspitzen

Bei der Untersuchung der Frequenzschwankungen stellten die Forschenden fest, dass die außergewöhnlich regelmäßigen Abweichungen nur durch zeitgesteuerte Prozesse verursacht werden konnten. Dafür mussten zahlreiche elektrische Geräte nahezu gleichzeitig ihren Stromverbrauch erhöhen.

„Uns war schnell klar, dass es sich bei der Ursache um etwas handeln muss, das von der Uhr gesteuert wird“, erklärt Dirk Witthaut vom Forschungszentrum Jülich.

Entscheidende Hinweise lieferte der Living Lab Energy Campus in Jülich. Dort installierten die Wissenschaftler an insgesamt 80 Stellen Messpunkte, um den Stromverbrauch verschiedener Anlagen zu untersuchen. Besonders auffällig waren Gebäude mit batteriegestützten unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV).

Diese Systeme kommen beispielsweise in Rechenzentren zum Einsatz, um bei einer Unterbrechung der Stromversorgung den Betrieb aufrechtzuerhalten. Ihre Steuerungssoftware führt regelmäßig Leistungsabfragen durch, die kurzzeitig zusätzliche elektrische Energie benötigen.

Die Untersuchungen zeigten, dass solche Abfragen häufig exakt zu Beginn einer neuen Minute stattfinden. Werden sie von zahlreichen Anlagen gleichzeitig ausgeführt, entsteht eine messbare Lastspitze, die sich bis auf die Netzfrequenz auswirkt.

Auswirkungen auch außerhalb Europas messbar

Das Phänomen beschränkt sich nicht auf das europäische Stromnetz. Die Forschenden konnten vergleichbare Frequenzschwankungen auch in anderen Stromsystemen nachweisen.

Besonders deutlich zeigt sich die Entwicklung in Irland. Dort haben Rechenzentren mit großen Batteriespeichersystemen einen erheblichen Anteil am Stromverbrauch. Zwischen 2016 und 2021 vervierfachte sich die Amplitude der dort gemessenen Frequenzschwankungen im Ein-Minuten-Takt.

Die kurzfristigen Veränderungen des Strombedarfs können unter anderem Wasserkraftwerke belasten. Steigt die elektrische Last plötzlich an, werden ihre Turbinen kurzzeitig abgebremst und anschließend wieder beschleunigt. Die wiederholten Drehzahländerungen können zu zusätzlichem mechanischem Verschleiß führen.

Mit dem weiteren Ausbau von Batteriespeichern und Rechenzentren könnte die Bedeutung solcher Effekte zunehmen. Auch die zunehmende Digitalisierung der Stromversorgung stellt damit neue Anforderungen an die Abstimmung einzelner Anlagen.

Einfache Anpassung der Steuerung könnte Problem lösen

Nach Einschätzung der Forschenden ließe sich das Problem vergleichsweise einfach beheben. Anstatt Leistungsabfragen immer zum gleichen Zeitpunkt auszuführen, könnten die Steuerungssysteme diese zufällig über die Zeit verteilen. Dadurch würden sich die Lastspitzen weniger stark überlagern.

Da bislang keine verbindlichen Standards für den Zeitpunkt solcher Abfragen existieren, haben sich offenbar viele Hersteller unabhängig voneinander für ein Intervall von 60 Sekunden entschieden.

Die Forschenden schließen zudem nicht aus, dass weitere digital gesteuerte Verbraucher zu ähnlichen Effekten beitragen. Dazu zählen beispielsweise Klimaanlagen, Wärmepumpen oder Haushaltsgeräte.

Die Ergebnisse zeigen damit, dass die zunehmende Digitalisierung des Energiesystems neben neuen Möglichkeiten zur intelligenten Steuerung auch unerwartete Wechselwirkungen verursachen kann. Entscheidend ist dabei nicht allein das Verhalten einzelner Anlagen, sondern ihre gleichzeitige Reaktion auf digitale Steuersignale.