Der europäische Stromverbund gerät alle 60 s kurzzeitig aus dem Takt. So hat etwa der Übertragungsnetzbetreiber Tennet über mehrere Jahre auffällig regelmäßige Einbrüche der Netzfrequenz. Sicherheitskritisch waren die Abweichungen bislang nicht, ihre Ursache blieb jedoch ungeklärt. Jetzt haben Forschende des Forschungszentrums Jülich gemeinsam mit Partnern einen Auslöser identifiziert: Batteriesysteme, deren Steuerungssoftware im gleichen Takt Selbsttests ausführt.
Die in Nature Energy veröffentlichte Studie zeigt, dass die Schwankungen keineswegs auf Europa beschränkt sind. Das Forschungsteam um Prof. Dr. Dirk Witthaut, Leiter des Departments Netzwerke und komplexe Systeme, Institut für Energiesystemtechnik (ICE-1), untersuchte Frequenzmessungen aus Stromnetzen auf fünf Kontinenten und fand überall ein Signal mit einer Periodendauer von exakt 60 s.
Selbsttests erzeugen gemeinsame Lastspitzen
Den entscheidenden Hinweis lieferten Messungen auf dem Jülicher Forschungscampus. Dort untersuchten die Wissenschaftler den Stromverbrauch verschiedener Gebäude und technischer Anlagen. Besonders auffällig waren Einrichtungen mit batteriegestützten Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV).
Bei einer näher untersuchten Anlage registrierten die Forschenden jede Minute kurze Stromspitzen auf der Batterieseite. Der Hersteller bestätigte, dass sie durch regelmäßige Selbsttests des Batteriemanagementsystems entstehen. Das Team konnte die Auswirkungen bis zum Anschluss an das öffentliche 110-kV-Netz nachverfolgen.
„Uns war schnell klar, dass es sich bei der Ursache um etwas handeln muss, das von der Uhr gesteuert wird“, so Dirk Witthaut.
Entscheidend ist nicht der einzelne Batteriespeicher, sondern die Gleichzeitigkeit: Wenn zahlreiche Geräte ihre Prüf- und Steuerungsroutinen synchron ausführen, können sich die kurzzeitigen Laständerungen überlagern und auf die Netzfrequenz auswirken.
Frequenzabfälle in Irland deutlich verstärkt
Die beobachteten Schwankungen sind bislang nicht sicherheitskritisch. Dennoch können sie technische Folgen haben. Besonders Wasserkraftturbinen werden durch wiederkehrende Änderungen der Netzfrequenz zusätzlich beansprucht, was den mechanischen Verschleiß erhöht.
Wie sich das Phänomen verstärken kann, zeigen Messdaten aus Irland. Dort nahm der typische minutenbedingte Frequenzabfall zwischen 2016 und 2021 von rund 3 auf 12 mHz zu. Das Land verfügt über zahlreiche Rechenzentren, die unter anderem große USV-Anlagen einsetzen. Auch Veränderungen der Netzträgheit und der Frequenzregelung können zur Entwicklung beigetragen haben.
Mit der wachsenden Zahl von Batteriespeichern und digital gesteuerten Verbrauchern könnte die Bedeutung solcher Synchronisationseffekte weiter steigen. Die Forschenden halten es für möglich, dass auch Wärmepumpen, Wechselrichter oder andere vernetzte Geräte vergleichbare Lastmuster erzeugen.
Softwareänderungen könnten das Problem entschärfen
Die naheliegende technische Lösung wäre, zeitgesteuerte Routinen nicht mehr gleichzeitig auszuführen. Zufällig verteilte Prüfzeitpunkte oder individuell versetzte Steuerungszyklen könnten verhindern, dass sich viele kleine Lastspitzen zu einer messbaren Netzstörung addieren.
Dass sich dieser Ansatz umsetzen lässt, zeigt ein erstes Softwareupdate an einer untersuchten USV-Anlage. Damit wurde die strikte Periodizität der Stromspitzen in einem Batterieblock beseitigt, wenngleich die zugrunde liegende Synchronisationsproblematik noch nicht vollständig behoben ist.
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