Der größte deutsche Übertragungsnetzbetreiber TenneT hat über Jahre etwas Unheimliches beobachtet: Die Frequenz im europäischen Stromnetz fällt kurz ab – und zwar jede Minute, präzise im 60-Sekunden-Takt. Die Ausschläge waren nie kritisch für die Netzstabilität, aber sie waren messbar und ungewöhnlich regelmäßig. Eine Ursache war nicht bekannt.

Ein Team am Forschungszentrum Jülich unter Leitung von Dirk Witthaut, der auch Professor am Institut für Theoretische Physik der Universität zu Köln ist, hat die Erklärung nun gefunden – zusammen mit Forschenden der Universität zu Köln und des Karlsruher Instituts für Technologie. Sie steht in einem Artikel in Nature Energy: Große Batteriespeicher prüfen im Minutentakt ihren Ladezustand, und weil sie das alle zur selben Zeit tun, erzeugen sie einen messbaren Verbrauchssprung.

Jahrelange Detektivarbeit

"Es war wirklich jahrelange Detektivarbeit", sagt Witthaut. Das Frequenzmuster wird von vielen Faktoren geprägt: Stromhandel, bei dem Kraftwerke abrupt zu- und abgeschaltet werden, schwankende Einspeisung aus erneuerbaren Energien, dazu allerlei Störungen. Zwei Beobachtungen engten die Suche ein. Erstens: Ein so exakter 60-Sekunden-Zyklus kann nur von etwas kommen, das von einer Uhr gesteuert wird. Zweitens: Der Effekt lässt sich nur erzeugen, wenn sehr viele Geräte gleichzeitig Strom ziehen – ein einzelner Verbraucher oder Erzeuger scheidet aus.

Den entscheidenden Hinweis lieferten Messungen auf dem eigenen Campus. Im "Living Lab Energy Campus" in Jülich, einer Forschungsinfrastruktur für hochintegrierte Energieversorgung, installierte das Team Messpunkte an Endgeräten an insgesamt 80 Standorten. Und tatsächlich: Das periodische Muster im Stromverbrauch trat genau dort auf, wo große Batteriespeicher die unterbrechungsfreie Stromversorgung sichern. "Wir haben uns einen davon genauer angesehen und fanden zu Beginn jeder Minute einen Verbrauchsspitz auf Grund der Leistungsprüfung", sagt Witthaut.

Ein Standard, den niemand festgelegt hat

Für solche Leistungsprüfungen gibt es keine verbindlichen Normen. Witthaut vermutet, dass die meisten Batteriehersteller ein 60-Sekunden-Intervall für sinnvoll hielten – und als Prüfzeitpunkt schlicht den Beginn jeder Minute wählten. Das Ergebnis ist eine Art Herdenverhalten in der Elektrotechnik: Tausende Geräte, die dieselbe vernünftige Entscheidung getroffen haben, erzeugen gemeinsam einen Takt, den niemand geplant hat.

Der Effekt ist nicht auf Europa beschränkt. Die Forschenden fanden das Muster weltweit. In Irland, wo Rechenzentren mit großen Batteriespeichern derzeit etwa ein Fünftel des Strombedarfs ausmachen, vervierfachte sich die Amplitude des Ein-Minuten-Signals zwischen 2016 und 2021.

Warum das nicht harmlos ist

Die periodischen Schwankungen treffen bereits Wasserkraftwerke. Die kurzen Verbrauchsspitzen bremsen die Turbinen kurz ab, bevor sie wieder auf ihre Drehzahl beschleunigen – das erhöht den Verschleiß. Mit dem Ausbau der Speichertechnologien dürfte das Problem zunehmen, nicht abnehmen.

Die Lösung wäre einfach: Prüfungen zufällig verteilen, statt sie immer zur selben Zeit zu starten. Genau das ist der Haken. Sie verlangt eine Änderung in Firmware, in Konfigurationen und in Normen – bei Geräten, die über Jahre im Feld stehen und deren Betreiber keinen Anlass sehen, etwas zu ändern, solange die Frequenzabweichung niemandem auffällt. Ein zufälliger Startzeitpunkt kostet nichts außer der Einsicht, dass er nötig ist.

Witthaut selbst bremst die Euphorie der eindeutigen Antwort: "Es ist durchaus möglich, dass Batteriespeicher hier nur ein Teil des Problems sind. Es lässt sich nicht ausschließen, dass auch andere digital gesteuerte Geräte – etwa Klimaanlagen, Wärmepumpen, Waschmaschinen und Geschirrspüler – ähnliche Muster zeigen."

Das ist der allgemeinere Punkt. Wenn Millionen Geräte ihre Arbeit nach derselben Uhr ausrichten, entsteht ein synchrones System, das niemand entworfen hat. Die Netzbetreiber sehen das Ergebnis in der Frequenz, aber die Ursache liegt in der Software von Geräten, die einzeln betrachtet völlig unauffällig sind. Wer demnächst Speicher oder flexible Lasten ausschreibt, sollte eine Zeile in die Spezifikation schreiben: Prüfintervalle randomisieren.

Quellen