31.05.2018

Bäume leiten besser als Maschen

Baumartig verzweigte Stromnetze zeigen weniger Anfälligkeit gegenüber Einspeiseschwankungen.

Frequenzschwankungen im Stromnetz sind an der Tagesordnung. Je mehr erneuerbare Energien eingespeist werden, desto größer ist die Belastung für das Netz. Es muss nicht nur mit größeren Schwankungen fertig werden, sondern auch mit einer zunehmend klein­teiligen, hetero­genen und dezentralen Strom­erzeugung. Im Rahmen eines Forschungs­projekts an der Jacobs University Bremen haben Wissenschaftler unter der Leitung von Stefan Kettemann, Professor für theoretische Physik, diese Fluktuationen nun untersucht.

Abb.: Baumartige Netzstruktur mit fünf Ebenen (Bild: S. R. Tamrakar et al.)

Die Ergebnisse zeigen auf, dass die zunehmende Einspeisung von erneuer­baren Energien zu einer Ausbreitung von Störungen führt. Kettemann und sein Team haben untersucht, mit welcher Geschwindig­keit und auf welche Weise sich Störungen im Netz ausbreiten. Eines der Ergebnisse der Grundlagen­forschung: Selbst kleinste Schwankungen, verursacht etwa durch einen kurz­zeitigen Anstieg der Strom­einspeisungen in Bremen, sind über große Distanzen messbar, etwa selbst im fast 600 Kilometer Luftlinie entfernten München. Vor allem aber: Bestimmte Netze sind robuster als andere.

„Besonders überrascht hat uns, dass baum­artig aufgebaute Verteiler­netze, die vom Generator bis zum Verbraucher führen, stabiler gegenüber solchen Störungen sind als eng­maschige Verbund­netze, in denen die Strom­leitungen in vielen Schleifen kreis­förmig zusammen­geschlossen sind“, sagt Kettemann. „Das Gegenteil wäre deutlich erwart­barer gewesen. Denn eine Baum­struktur hat schließlich viel eindeutigere und hierarchischere Verbindungs­linien als ein kreis­förmiges Netz mit seiner Vielzahl an Maschen und Schleifen.“

Die Ursache für das außergewöhnliche Phänomen fanden die Forscher in den unter­schiedlichen Schwingungen, den Wellenmoden, beider Netze. Ähnlich wie bei Orgel­pfeifen zeigt sich, dass die Resonanz­frequenzen eng­maschiger Verbund­netze mit der Größe des Netzes kleiner werden. Für baumartig auf­gebaute Netze gilt dies nicht. Deren Resonanz­frequenz bleibt mit zunehmender Größe gleich hoch, wodurch sie weniger anfällig für Störungen sind.

Jacobs University Bremen / DE

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