Langzeitverlauf der Netzfrequenz (2011 – 2016)

Nachdem das Jahr 2016 zu Ende ist, gibt es hier auch ein neues Rasterdiagramm zur Netzfrequenz, in dem der Langzeitverlauf dargestellt wird.

Für weitere Erklärungen dazu empfehle ich meinen Beitrag vom März.

Rasterdiagramm zum Langzeitverlauf der Netzfrequenz von Juni 2011 bis Dezember 2016

Rasterdiagramm zum Langzeitverlauf der Netzfrequenz von Juni 2011 bis Dezember 2016

Mittlerweile ist der Verlauf von fünfeinhalb Jahren auf das Bild gequetscht, was die Sache nicht unbedingt übersichtlicher macht. Ich werde mir mal Gedanken machen, wie man das Ganze schöner gestalten kann. 🙂

Langzeitverlauf der Netzfrequenz (06.2011-03.2016)

Der Sollwert der Netzfrequenz beträgt 50Hz. Je nach Einspeisung und Verbrauch weicht die Netzfrequenz allerdings etwas von diesem Wert ab. Da Strom nicht (bzw. nur in sehr geringem Umfang) gespeichert werden kann muss immer genau so viel Strom erzeugt werden wie auch verbraucht wird. Ein Ungleichgewicht macht sich in der Netzfrequenz bemerkbar. Diese Abweichungen sind nicht schlimm, sondern Regelungstechnisch sogar notwendig, solange sie einen bestimmten Toleranzbereich nicht überschreiten (siehe auch die Erklärungen hier). In den fast 5 Jahren, die ich schon die Netzfrequenz aufzeichne, lag die maximale, kurzfristige Abweichung bei ungefähr +/- 150mHz, also noch völlig im erlaubten Bereich (langfristig wären bis zu +/- 180mHz erlaubt).

 

Diese Abweichungen sind nicht zufällig verteilt, sondern folgen bestimmten Ereignissen:

Netzfrequenz von Juni 2011 bis März 2016

Rasterdiagramm zur Netzfrequenz von Juni 2011 bis März 2016

 

Abweichungen im Tagesverlauf

Die Abweichungen in der Frequenz gegenüber 50Hz sind umso stärker, je stärker die Laständerung ist. Starke Laständerungen entstehen durch nicht prognostiziertes Verhalten der Verbraucher, Netzfehler und Kraftwerksausfälle. Seit der verstärkten Nutzung von regenerativen Energien wie Solar- oder Windkraft spielt auch hier die Genauigkeit der Wettervorhersage eine große Rolle, da das Wetter den Ertrag dieser Energieformen stark beeinträchtigt. Die Erzeugung konventioneller Energien kann gut gesteuert und somit auch gut vorhergesagt werden, bei den Regenerativen ist dieses nicht immer der Fall.

Auffällig ist, dass sich die Abweichungen von der Sollfrequenz nicht durch ein gleichmäßiges Rauschen bemerkbar machen, sondern dass die Frequenzänderungen besonders zum Stundenwechsel auftreten. Der Grund dafür ist, dass die Bilanzkreisverantwortlichen zwar eine Prognose pro Viertelstunde abgeben, die Händler an der Strombörse aber größtenteils stundenweise die Kapazitäten einkaufen und diese dann auch erst zum Stundenwechsel zugeschaltet werden. Dadurch kommt es besonders in den Morgenstunden und im Winter auch in den Abendstunden zu einer Überversorgung nach der Aktivierung der Leistung und die Netzfrequenz steigt kurzzeitig bis zum Einsetzen der (negativen) Regelleistung.

In den späten Abendstunden und am frühen Morgen zeigt sich ein umgekehrtes Bild. Hier wird stundenweise die Erzeugung heruntergefahren. Das hat zur Folge, dass zum Beginn einer vollen Stunde die Netzfrequenz sinkt und im Verlauf der Stunde wieder ansteigt. Leichte Frequenzveränderungen nach oben sind noch in der Mittagszeit von 12:00 – 14:00 Uhr herum zu beobachten. Zu diesem Zeitpunkt hat die Lastkurve einen Wendepunkt und nach der morgendlichen Zuschaltung von Erzeugungskapazitäten müssen diese jetzt langsam wieder abgeschaltet werden.

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(Kurz-)Analyse Sonnenfinsternis

Die Sonnenfinsternis vom 20. März 2015 wurde besonders mit Sicht auf die Stabilität der Stromversorgung mit Spannung erwartet. Einen Blackout gab es nicht* – und eine Betrachtung der Netzfrequenz des Tages zeigt, dass die Stromversorgung auch zu keinem Zeitpunkt gefährdet war (zumindest, was den Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch angeht):

Die Netzfrequenz während der Sonnenfinsternis am 20. März 2015

Die Netzfrequenz während der Sonnenfinsternis am 20. März 2015

 

Es ist zu erkennen, dass die Netzfrequenz zu Beginn der Sonnenfinsternis langsam etwas heruntergeht. Das hängt mit der nachlassenden Einspeisung durch die Photovoltaik zusammen. Nach und nach werden (konventionelle) Kraftwerke zugeschaltet, um die fehlende Solarenergie zu ersetzen. Nach der größten Bedeckung der Sonne werden innerhalb einer Stunde wieder 15GW durch Solarenergie mehr in das Netz eingespeist und die konventionellen Kraftwerke wieder heruntergefahren. Kraftwerke werden hauptsächtlich im Viertelstundentakt zu- und abgeschaltet, daher die häufigen Spitzen.

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Langzeitbetrachtung der Regelleistung

In den Rasterdiagrammen zur Netzfrequenz zeigen sich so gut wie keine Veränderungen im Laufe der Zeit. Eigentlich ist das ein gutes Zeichen, lediglich die Sichtbarkeit des Stromhandels an den Stundengrenzen könnte sich gerne verringern. Es zeigt aber, dass die Mechanismen zur Frequenzhaltung funktionieren. Bei Abweichungen der Netzfrequenz wird Regelleistung eingesetzt, um die Frequenz wieder auf ihren Sollwert von 50Hz zurück zu führen. Zuerst beteiligen sich alle Kraftwerke im gesamten Verbundnetz durch den Einsatz von Primärregelleistung (PRL). Diese PRL wird kurze Zeit später von der Sekundärregelleistung (SRL) eingesetzt – wobei hier nur die für die Abweichung verantwortliche Regelzone für den Einsatz von SRL zuständig ist. Hier ist interessant, in welcher Größenordnung die Regelleistung im Laufe der Zeit eingesetzt wurde und ob es (im Gegensatz zum Verlauf der Netzfrequenz) Veränderungen gibt. Daten zur PRL gibt es nicht, aber viertelstündliche Daten zur abgerufenen SRL sind über regelleistung.net beziehbar.

 

Rasterdiagramme zur Regelleistung

Die folgenden Bilder zeigen – änhlich wie in den Rasterdiagrammen zur Netzfrequenz – den Langzeitverlauf der abgerufenen SRL. Zunächst ein Diagramm mit addierten Werten (positive SRL minus negative SRL), für eine bessere Darstellung und Vergleichbarkeit wurden die Maximalwerte in sämtlichen Rasterdiagrammen auf 2000MW begrenzt:

Rasterdiagramm zur abgerufenen Sekundärregelleistung von Juni 2011 bis Februar 2015

Rasterdiagramm zur abgerufenen Sekundärregelleistung von Juni 2011 bis Februar 2015 (Datenquelle: regelleistung.net / Darstellung: Netzfrequenz.info; Markus Jaschinsky)

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Langzeitverlauf der Netzfrequenz

Der Sollwert der Netzfrequenz beträgt 50Hz. Je nach Einspeisung und Verbrauch weicht die Netzfrequenz allerdings etwas von diesem Wert ab. Da Strom nicht (bzw. nur in sehr geringem Umfang) gespeichert werden kann muss immer genau so viel Strom erzeugt werden wie auch verbraucht wird. Ein Ungleichgewicht macht sich in der Netzfrequenz bemerkbar. Diese Abweichungen sind nicht schlimm, sondern Regelungstechnisch sogar notwendig, solange sie einen bestimmten Toleranzbereich nicht überschreiten (siehe auch die Erklärungen hier). In den fast 4 Jahren, die ich schon die Netzfrequenz aufzeichne, lag die maximale, kurzfristige Abweichung bei ungefähr +/- 150mHz, also noch völlig im erlaubten Bereich (langfristig wären bis zu +/- 180mHz erlaubt).

Diese Abweichungen sind nicht zufällig verteilt, sondern folgen bestimmten Ereignissen:

Rasterdiagramm zur Netzfrequenz von Juni 2011 bis Februar 2015

Rasterdiagramm zur Netzfrequenz von Juni 2011 bis Februar 2015

Sonnenstand und Netzfrequenz

Deutlich zu erkennen ist eine Wiederholung in den Abendstunden. Hier liegt die Netzfrequenz zum Zeitpunkt des Sonnenuntergangs eher unter 50Hz und ist zu den Stundenwechseln stark erhöht. Auch in den Morgenstunden – zum Sonnenaufgang – zeigt sich ein ähnliches Bild. Etwas undeutlicher zu erkennen ist das Muster zur Mittagszeit, aber hier zeigt sich bei genauerem Hinsehen ein Muster, welches der Höhe des Sonnenstands zu folgen scheint. Diese Abhängigkeiten von der Sonne liegen nicht (nur) an der Einspeisung durch Photovoltaik. Vielmehr ist (auch) das Verhalten der Energieverbraucher ein Grund dafür. In den Wintermonaten wird früher das Licht eingeschaltet, das Heiz- und Kühlverhalten (Klimaanlagen) verändert sich und man hält sich eher zu Hause auf als es in den Sommermonaten der Fall ist – wodurch sich natürlich auch der Energieverbrauch ändert.

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Höchste Abweichungen der Netzfrequenz (2)

Bereits vor ein paar Tagen habe ich die höchsten Abweichungen herausgesucht, die in den letzten 3,5 Jahren in der Netzfrequenz aufgetreten sind. Dort war bereits zu erkennen, dass die maximalen Abweichungen nach oben und nach unten im Laufe der Zeit etwas geringer geworden sind. Um das etwas genauer zu untersuchen, wurden jetzt die Abweichungen nicht monatsweise, sondern pro Kalenderwoche genommen:

Abweichungen der Netzfrequenz je Kalenderwoche

Wöchentliche maximale Abweichungen der Netzfrequenz (Quelle: Netzfrequenz.info)

 

Auch hier lässt sich erkennen, dass die Frequenzen im Laufe der letzten Jahren immer weniger Abweichungen nach oben und nach unten aufweisen. Ein Muster nach Jahreszeit oder ähnlichem lässt sich hier nicht feststellen.

 

Standardabweichung der Netzfrequenz

Anstatt nur die unteren und oberen Grenzen der Frequenz zu betrachtem, ist auch die Standardabweichung interessant. Sie gibt an, um welchen Wert die Frequenz durchschnittlich um ihren Sollwert von 50Hz schwankt (für eine genauere bzw. korrekte mathematische Erklärung empfehle ich den Wikipedia-Artikel zur Standardabweichung).

Standardabweichung Netzfrequenz je Kalenderwoche

Standardabweichung Netzfrequenz je Kalenderwoche (Quelle: Netzfrequenz.info)

 

Auch die Standardabweichung ist im Laufe der Zeit geringer geworden. Das heisst, dass die Netzfrequenz weniger um ihren Sollwert von 50Hz schwankt. Deutlich zu erkennen ist ausserdem, dass die Schwankungen in der Wintermonaten stärker sind als im Sommer.

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Höchste Abweichungen der Netzfrequenz

Obwohl ich fast dauernd auf eine Netzfrequenzanzeige gucke, bin ich doch immer wieder überrascht, wenn die Frequenz (besonders in den Abenstunden zu den Stundenwechseln) sogar knapp unter 49,9Hz fällt. Auch gestern Abend lief die Kurve wieder aus dem unterem Bildschirmrand raus:

Netzfrequenz am 07. Januar 2015 am Abend

Netzfrequenz am 07. Januar 2015 am Abend (Quelle: Netzfrequenz.info)

Starke Schwankungen zu den Stundenwechseln sind normal und durch den Stromhandel und den damit verbunden notwendigen Netzumschaltungen bedingt. Diese Schwankungen sind je nach Jahreszeit zu verschiedenen Zeiten zu beobachten. Jetzt im Winter besonders ab 20:00 Uhr. Mal sind sie stärker und mal schwächer. Was genau der Grund für die unterschiedlichen Ausprägungen ist, ist mir noch nicht ganz klar.

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Analyse der Netzfrequenz Weihnachten 2014

Bereits vor einigen Tagen haben ich die Netzfrequenz über die Weihnachtsfeiertage zum Download angeboten. Wie dort bereits versprochen, gibt es jetzt auch eine Analyse, was die Daten überhaupt zu bedeuten haben und was man daraus ablesen kann.

 

Die Netzfrequenz – ein Indikator für die Ausgeglichenheit von Erzeugung und Verbrauch

Die Netzfrequenz beträgt in unserem Stromnetz 50Hz und schwankt leicht, je nachdem, wie gut Stromerzeugung und -Verbrauch miteinander abgestimmt sind. Strom kann nicht in den Netzen gespeichert werden und muss genau zu dem Zeitpunkt erzeugt werden, zu dem er gebraucht wird. Wird mehr verbraucht als erzeugt, so liegt die Frequenz leicht unter 50Hz. Liegt die Frequenz dagegen höher als 50Hz, so ist das ein Zeichen für eine Übererzeugung (oder je nach Definition für einen Unterverbrauch). Derartige Schwankungen sind völlig normal und für eine funktionierende Regelung auch notwendig, solange sich die Netzfrequenzabweichungen in einem bestimmten Rahmen bewegen. Bild 1 zeigt den durchschnittlichen Verlauf der Netzfrequenz zusammengefasst über mehrere Tage einer Dezemberwoche mit ihren Min- und Max-Werten. Es ist zu erkennen, dass die Netzfrequenz jeden Tag einen ähnlichen Verlauf hat.

durchschnittlicher Verlauf der Netzfrequenz zusammengefasst über mehrere Tage einer Dezemberwoche mit ihren Min- und Max-Werten

[Bild 1] Durchschnittlicher Verlauf der Netzfrequenz zusammengefasst über mehrere Tage einer Dezemberwoche mit Min- und Max-Werten (Quelle: Netzfrequenz.info)


Viele Schwankungen werden durch den Stromhandel und den damit verbundenen notwendigen Netzumschaltungen verursacht. Diese zum Teil sehr starken Ausschläge sind besonders zu den Stundenwechseln zu beobachten.

 

Vorrausplanung der Energieversorger

Die Energieversorger überlassen die Höhe der Stromproduktion nicht dem Zufall, sondern sie planen bereits im Vorraus. Diese Planungen sind meistens ziemlich gut zutreffend, da sich das Verhalten der Bevölkerung und der Industrie jeden Tag ähnlich sind und somit auch die Art und Weise des Energieverbrauchs jeden Tag auf’s Neue wiederholt. Verändernde Parameter sind hauptsächlich das Wetter (für die Höhe der Einspeisung aus Wind-/Solarenergie). Weitere zu berücksichtigende Faktoren wären noch die Verfügbarkeit von (konventionellen) Kraftwerken, Leitungskapazitäten und natürlich auch die Jahreszeit. Diese Dinge sollen aber in diesem Beitrag nicht berücksichtigt werden, hier geht es in erster Linie um das Verhalten der Menschen während der Weihnachtsfeiertage.

 

Weniger Energieverbrauch an Feiertagen

Die Industrie ist in Deutschland der größte Stromverbraucher. Selbst an Feiertagen wird hier zwar noch viel Strom verbraucht, aber doch um einiges weniger als an normalen Arbeitstagen, da ein Großteil der Arbeitnehmer zu Hause bleibt. „Normale“ Feiertage sind aus verbrauchstechnischer Sicht eher wie ein Sonntag zu betrachten. Etwas anders sieht es hier aber an den Weihnachtsfeiertagen aus.

 

Weihnachten vs. „normale“ Feiertage

Während „normale“ Feiertage eher wie ein Sonntag betrachtet werden können, sieht das Weichnachten etwas anders aus. Hier gibt es den ersten und zweiten Weihnachtstag als „echte“ Feiertage und dann noch den Heiligabend, der offiziell eigentlich kein Feiertag ist. Diese 3 Tage folgen aufeinander – und auch in den Tagen davor und danach haben viele frei (Brückentage, Betriebsferien). Diese Tage sind auch nicht mit einem „normalen“ Sonntag oder anderem Feiertag vergleichbar, das Verhalten der Bevölkerung weicht von anderen Tagen ab. Es ist zwar jedes Jahr relativ gleich, aber auch hier gibt es von Jahr zu Jahr wieder leichte Unterschiede. Je nachdem, auf was für Wochentage Weihnachten fällt oder wie z.B. das Wetter ist.

 

Geplante und tatsächliche Last in Deutschland über Weihnachten

Bild 2 zeigt die (jeweils einen Tag vorher) von den Energieerzeugern eingeplante Last im Stromnetz und die Tatsächliche. Zum Vergleich gibt es noch die Daten der Vorwoche.

Geplante und tatsächliche Last Weihnachten 2014 mit Vergleich zur Vorwoche

[Bild 2] Geplante und tatsächliche Last Weihnachten 2014 mit Vergleich zur Vorwoche (Datenquelle: entsoe.net / Darstellung: Netzfrequenz.info)

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