Horrorszenario instabile Stromnetze – Phänomen aus dem Straßenverkehr hilft
Die Stromnetze müssen fit sein für mehr Erneuerbare Energien. Doch der Ausbau kann sie zeitweise auch instabiler machen. Ein internationales Forscher-Team hat nun erstmals dieses Phänomen im Detail simuliert, in größerem Maßstab demonstriert und ein Instrument für Vorhersagen entwickelt.
Forschende nutzen das Braess-Phänomen, um instabile Stromnetze besser zu verstehen.
Foto: Markus Breig, KIT
Sonnenstrom, Windenergie, Biomasse – erneuerbare Energien sind auf dem Vormarsch. Und das ist gut so. Doch nach wie vor ist es für die Stromnetzbetreiber eine große Herausforderung, sie zuverlässig in das deutsche Stromnetz zu integrieren. Denn die „alten“ Netze sind hauptsächlich als Einbahnstraße angelegt: Der Strom wird in einem Kraftwerk produziert und dann über Leitungen in praktisch nur einer Richtung zu den Haushalten transportiert. Erneuerbare Energien allerdings speisen an ganz verschiedenen Stellen Strom ins Netz. Hinzu kommt: Die Menge ist immer unterschiedlich und zeitlich nicht festzulegen. Genau dieses volatile Verhalten müssen die Stromnetze von morgen dauerhaft verarbeiten und aushalten können.
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Ausbau für erneuerbare kann Stromnetze instabil machen
Instabile Stromnetze – das ist genau das Szenario, was aktuell niemand in der Realität sehen möchte. Doch genau das ist möglich: Denn mit dem Ausbau der Stromnetze, kann es durchaus zu Instabilitäten und somit auch Stromausfällen kommen. Dass der Ausbau notwendig ist, steht nicht zur Diskussion. Denn eine nachhaltige Energieversorgung muss mehr regenerative Energiequellen einbinden und den Strom über deutlich weitere Strecken möglichst mit wenig Verlusten transportieren.
Das Phänomen eines instabilen Netzes nennt sich Braess-Paradoxon. „Dieses besagt, dass eine zusätzliche Option anstatt zur Verbesserung zur Verschlechterung der Gesamtsituation führt“, erklärt Benjamin Schäfer, Leiter der Forschungsgruppe Datengetriebene Analyse komplexer Systeme (DRACOS) am Institut für Automation und angewandte Informatik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Das Phänomen geht auf den deutschen Mathematiker Dietrich Braess zurück. Er hat es erstmals auf das Straßenverkehrsnetz angewandt: Beim Bau einer neuen Straße kann es dazu kommen, dass die Fahrzeit sich für alle Verkehrsteilnehmenden verlängert. Bislang haben Forschende diesen Effekt in Verkehrssystemen beobachtet und auch schon zum Teil auf biologische Systeme übertragen. Für Stromnetze gibt es dazu erst nur Theorien und Prognosen in sehr kleinem Maßstab.
Deutschlands Stromnetz als Vorlage für Simulation
Das internationale Forschungsteam um Benjamin Schäfer hat sich dieses Phänomen nun genauer angeschaut und erstmals im Detail für Stromnetze simuliert. Das deutsche Stromnetz diente dafür als Vorlage. Für den Versuchsaufbau im Labor berücksichtigten die Forschenden auch geplante Verstärkungen und Ausbauten. Das Wechselstromnetz zeigte in der Simulation und im Experiment Kreisflüsse: Wird eine Leitung verbessert, verringert sich zum Beispiel der Widerstand. Dadurch lässt sich mehr Strom transportieren. „Aufgrund von Erhaltungssätzen gibt es dadurch effektiv einen neuen Kreisfluss, und in manchen Leitungen fließt mehr, in anderen weniger Strom“, sagt Schäfer. Treffe dies ausgerechnet die Leitungen, die ohnehin schon stark belastet seien, dann könne der zusätzliche Stromfluss zu einer Überlastung führen. Am Ende müsse man eine solch belastete Leitung stilllegen. Die Folge: Das Netz wird instabiler und bricht vielleicht sogar zusammen.
Die Netzbetreiber in Deutschland prüfen während des Betriebs und auch beim Bau neuer Leitungen natürlich alle denkbaren Szenarien. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Reservekapazitäten, um genau solch einem Phänomen wie dem Braess-Paradoxon, standhalten zu können. Doch es kann Fälle geben, in denen in kürzester Zeit Entscheidungen getroffen werden müssen, sei es, dass Leitungen stillgelegt oder Leistung von Kraftwerken verschoben werden müssen. „Dann bedarf es eines intuitiven Verständnisses von Kreisflüssen, um einschätzen zu können, wann das Braess-Paradoxon auftritt und so schnell die richtigen Entscheidungen zu treffen“, erläutert Schäfer.
Instabilitäten in Stromnetzen besser vorhersagen können
Eine Unterstützung soll deshalb ein besonderes Vorhersageinstrument bieten. Es ist so ausgelegt, den Netzbetreibern dabei zu helfen , Entscheidungen schneller und fundierter treffen zu können sowie das Braess-Paradoxon miteinzubeziehen. Die Ergebnisse des Forschungsteams verbessern das theoretische Verständnis dieses Phänomens. Darüber hinaus entstanden in diesem Rahmen praktische Leitlinien, mit denen eine Netzerweiterung effizienter zu planen ist und so die Stabilität des Netzes besser gewährleistet werden kann.
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