Langzeitverlauf der Netzfrequenz (06.2011-05.2018)

Die folgende Grafik zeigt das Rasterdiagramm für den Langzeitverlauf der Netzfrequenz der letzten 7 Jahre:

Rasterdiagramm zum Langzeitverlauf der Netzfrequenz (06.2011-05.2018)

Rasterdiagramm zum Langzeitverlauf der Netzfrequenz (06.2011-05.2018)

Es sind im weiterhin hauptsächlich die altbekannten Muster zu erkennen, deswegen verweise ich für die Erklärungen zum Bild auf meinen Beitrag zum Langzeitverlauf vom April 2016.

Ein paar Auffälligkeiten gibt es aber doch:

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Netzfrequenz und Fußball-WM (GER-MEX)

Häufig kommt die Frage auf, in welcher Form sich gesellschaftliche Ereignisse auf den Stromverbrauch und die Netzfrequenz auswirken. Bereits zur letzten Fußball-WM (bei der Deutschland wohl noch besser gespielt hat als zur jetzigen 😉 ) konnten u.a. beim Finalspiel Deutschland – Argentinien Auffälligkeiten beobachtet werden.

So war es auch am 17. Juni 2018 beim Spiel Deutschland – Mexiko:

Netzfrequenz während des WM-Vorrundenspiels Deutschland - Mexiko

Netzfrequenz während des WM-Vorrundenspiels Deutschland – Mexiko

Stromerzeugung und Verbrauch müssen jederzeit ausgeglichen sein

Die Netzfrequenz hängt davon ab, wie gut Stromerzeugung und Verbrauch in dem Moment ausgeglichen sind. Ein Absinken der Frequenz unter 50Hz bedeutet, dass zu dem Zeitpunkt mehr Energie verbraucht als in das Stromnetz eingespeist wird. Steigt die Netzfrequenz über 50Hz, dann gibt es zu dem Zeitpunkt ein Überangebot an Strom.

Was zeigt das Bild?

In der Grafik ist die höher aufgelöste Kurve (die „zappeligere“ Linie) die aktuelle Netzfrequenz. Die restlichen Kurven sind Daten aus den Vorjahren zum gleichen Zeitraum in jeweils einer Auflösung von 5 Minuten. Das sind zum einen der Durchschnittswert, Minimum und Maximum und 1σ (1 Sigma) bzw. 2σ. Die σ-Werte sagen etwas über die Wahrscheinlichkeit aus, mit der sich die Messwerte in einem bestimmten Bereich befinden (siehe auch Normalverteilung bei Wikipedia).
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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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