Globaler Durchschnitt – regionale Streuung?

Eingangsüberlegung zur Frequenzstreuung

Die Frequenz gilt europaweit als annähernd identisch. Unterschiede kann man lediglich feststellen, wenn man eine sehr hohe zeitliche Auflösung in der Darstellung der Frequenz wählt. Während im Sekundenbereich die Frequenz noch annähernd identisch aussieht, zeigen sich kleine Unterschiede im Zehntelsekundenbereich. Dies gilt sowohl im normalen Tagesverlauf als auch bei besonderen Ereignissen.

Obige Abbildung zeigt einen typischen Frequenzgang, hier am 16.01.2019, zwischen 06:55 Uhr und 07:05 Uhr. Man erkennt den klassischen Frequenzanstieg in den Morgenstunden zum Stundenbruch. Abgebildet sind die Rohdaten mehrerer Messstationen. Alle laufen annähernd gleich. Kleine Sprünge deuten entweder auf Schaltungen im Netz hin oder sind durch sehr kurzfristige Störungen begründbar, die durch die Messung im Verteilnetz vorkommen können. Diese Abweichungen sind normal.

Bei genauerer Betrachtung stellt man aber fest, dass die Schwankungen der einzelnen Linien variieren. Dies wird umso deutlicher, wenn man in ein kürzeres Zeitfenster hineinzoomt.

Die Abbildung zeigt den Bereich zwischen 06:57 Uhr und 06:58 Uhr. Während eine rote Linie in der Mitte kaum schwankt, hüpfen die blauen und die orangen Linien mehr oder weniger zeitlich und in der Amplitude regelmäßig um die rote Linie. Zwischen beiden Extrema sieht man andere Linien.

Diese Beobachtung wirft die Frage auf, ob Frequenzschwankungen einzelner Messstationen gewissen Mustern folgen, während die durchschnittliche Frequenz zwischen Messstationen identisch ist. Ein solches Schwanken deutet auf regionale Spezifika hin. Bspw. könnte in stark industrialisierten Regionen ein stärkeres Schwanken aufgrund von kurzfristigem An- und Abfahren von großen Verbrauchsanlagen erwartet werden oder man kann evtl. tages- oder wochenzeitlich bedingte Schwankungen aufgrund der am Netz angeschlossenen Erzeuger erwarten. Diesen Überlegungen soll im Folgenden nachgegangen werden.

Analysemethode zur Bestimmung der Frequenzstreuung

Als Maß der Streuung verwenden wir die Standardabweichung der Frequenz, Sigma f, über eine Spanne von fünf Sekunden

Sigma f ist die Wurzel der mittleren quadratischen Abweichung der Einzelwerte von ihrem arithmetischen Mittel. Daher ist es stets positiv. Je stärker die Streuung, umso größer Sigma f.

Wir betrachten das Halbjahr von November 2018 bis April 2019. Um statistische Effekte der Frequenzmessung ausschließen zu können, werden für die Analyse nur Messdaten von Stationen verwendet, die im Zehntelsekundenbereich aufzeichnen. Durch diese Vorgaben wird jeder Analysewert aus Messwerten erzeugt.

Wir haben auch alternative Analyseverfahren bspw. mit längerem Zeitfenster oder andere Streuungsmaße getestet. Die zentralen Aussagen hängen aber nicht wesentlich vom Verfahren ab.

Allgemeine Beobachtungen

Zunächst muss geklärt werden, ob Frequenzschwankungen zufällig sind oder ob es systematische Unterschiede zwischen Messpunkten gibt. Hierzu wird in einem ersten Schritt eine Gesamtbetrachtung vorgenommen.

Die Abbildung zeigt das wochenmittlere Sigma f der analysierten Messstationen. Auf den ersten Blick bestätigt sich die in obigem Fallbeispiel gemachte Beobachtung: Offensichtlich gibt es Regionen, in denen eine stärkere Schwankung der Frequenz vorkommt wie um Boretto oder Schäfstall und solche mit vergleichsweise geringer Schwankung wie Schondorf und Büdingen. Es zeigt sich auch, dass die Verteilung der Streuung über die Messstationen über die Zeit annähernd gleich bleibt. Dies bedeutet, dass die Muster über die Zeit stabil sind, wobei die Streuung bei Messstationen mit höherem Sigma f stärker ausfällt als bei solchen mit geringerem Sigma f. Bei genauer Betrachtung sieht man, dass es in der Weihnachtswoche offensichtlich geringere Schwankungen gibt und diese anschließend insgesamt ansteigen.

Übertragungsnetzbetreiber erklären diese allgemeinen Schwankungsdifferenzen damit, dass Frequenzschwankungen im Zentrum eines Netzes im Durchschnitt schwächer sein sollten als an den Rändern des Netzes. Diese Beobachtung machen wir auch, da bspw. die Messstation in Boretto, relativ weit südlich, oder die in Lleida, relativ weit westlich, im europäischen Verbundsystem stärkere Frequenzschwankungen aufzeichnen. Betrachtet man aber Schäfstall oder Großräschen, beide im Zentrum des Verbundnetzes, scheint es zusätzliche lokale Effekte zu geben. Großräschen liegt bspw. am Rande des Lausitzer Braunkohlereviers.

Zeitliche Mustererkennung

Während die vorangehende Analyse allgemeine Schwankungsdifferenzen aufzeigt, geht es im Folgenden um Effekte in typischen Zeitintervallen.

a) Wochentage

Wochentage unterscheiden sich typischerweise hinsichtlich des Energieverbrauchs und damit der Energieerzeugung. An Arbeitstagen wird tagsüber mehr Leistung abgerufen. Dieser Leistungsabruf beginnt auch früher als am Wochenende oder an Feiertagen. Man kann gewisse, damit verbundene Schwankungen auch in der Frequenz erkennen. Bspw. geht die Morgenrampe üblicherweise mit einem Frequenzsprung nach oben zu den Stundenbrüchen einher, während man in den Abendstunden einen Frequenzabfall zu den Stundenbrüchen sieht (vgl. Erneuerbare wirken netzstabilisierend und Langzeitanalyse der Netzstabilisierung). Diese Beobachtungen sind über Europa hinweg quasi gleich.

Überrascht hat uns aber, dass auch die Frequenzstreuung gewissen Mustern folgt. Diese Muster unterscheiden sich zwischen den Messpunkten. Exemplarisch haben wir oben fünf Muster dargestellt.

Die Streuungsverläufe in der Abbildung oben links ähneln sehr stark den Verläufen der Frequenz. Tagsüber liegt die Streuung höher als in den Nachtzeiten. Teilweise lässt sich hier das aus dem Energieverbrauch bekannte Zweihöckermuster erkennen. Der Unterschied zwischen Messpunkten besteht in der Stärke der Ausprägung. Boretto und Schäfstall weisen auch hier eine sehr starke Differenz zwischen Tag- und Nachtstunden auf.

Die Abbildung oben rechts zeigt ebenfalls das Zweihöckermuster. Die Amplitude in den Morgenstunden ist aber größer als die in den Abendstunden. Die Frequenzstreuung über den Tag und über die Nacht ist im Gegensatz zur ersten Abbildung ähnlich groß. Zudem zeigt der Vergleich, dass bei diesen Messpunkten die Morgenpeaks etwas früher und die Abendpeaks etwas später stattfinden.

Auch in der Abbildung Mitte links sehen wir die Zweihöckerstruktur mit etwas früherem zweitem Peak. Die Abbildung Mitte rechts zeigt eine Dreihöckerkurve mit wesentlich geringerer Frequenzstreuung in den Nachtstunden.

Lleida weicht komplett von den anderen Abbildungen ab, da hier allgemein in den Nebenzeiten (nachts und am Wochenende) eine höhere Frequenzstreuung vorliegt.

Die Unterschiede in der Frequenzstreuung deuten darauf hin, dass regionale Unterschiede in Verbrauch und Erzeugung Einfluss auf die Streuung haben könnten. Die Kurve von Boretto deutet darauf hin, dass mit steigender heterogener Nachfrage auch die Unsicherheit im Abruf zunimmt. Die Kurve von Büdingen bei Frankfurt zeigt hingegen eine recht homogene Nachfrage mit einer erhöhten kurzfristigen Unsicherheit in den frühen Morgenstunden, wenn die Rechenzentren um Frankfurt hochgefahren werden. Die höhere nächtliche Unsicherheit in Lleida lässt sich vermutlich nur durch die Kombination geringere nächtliche Nachfrage und Windverfügbarkeit in Spanien erklären. Durch die geringere nächtliche Nachfrage stehen weniger konventionelle Kraftwerke zur Verfügung. Dadurch können Schwankungen in der Summe schlechter kompensiert werden. Eine Mutmaßung könnte auch sein, dass der spanische Übertragungsnetzbetreiber REE mehr Volatilität in den Nebenzeiten akzeptiert. Diese Mutmaßung muss aber durch weitere Messstationen in Spanien geprüft werden.

(An dieser Stelle der Hinweis: Wir sind sehr am Ausbau des Messsystems außerhalb Deutschlands interessiert und würden uns über Ihre Unterstützung freuen. Bitte nehmen Sie bei Interesse Kontakt mit uns auf: kraemer@gridradar.net.)

b) Verlauf über die Stunde

Aus der Frequenzanalyse ist bekannt, dass zum Stundenwechsel starke Frequenzsprünge geschehen. Im Verlauf der Stunde treten stärkere Frequenzänderungen allerdings nur selten auf. Daher wird davon ausgegangen, dass derartige Frequenzänderungen v.a. durch das aktuelle Marktdesign mit Stundenprodukten bedingt sind. (Die ENTSO-E wird zu marktbedingten Einflüssen auf die Netzstabilität demnächst auch eine Analyse herausgeben.) Frequenzsprünge, also Abweichungen in der Frequenz, sollten auch zu einer stärkeren Streuung der Frequenz führen.

Wir haben unsere Analyseergebnisse in folgender Abbildung dargestellt:

Stärker noch als in der reinen Frequenzbetrachtung zeigt das Bild die typischen Börsenprodukte mit starken Frequenzstreuungen zu den Stundenwechseln, aber auch zu den Halbstunden und, schwächer ausgeprägt, zu den Viertelstunden. Bspw. dominieren in Spanien und Italien die Stundenprodukte, in Italien zusätzlich die Halbstundenprodukte die Märkte. In Deutschland und – historisch bedingt – in Österreich spielt hingegen der Intraday-Handel mit seinen Viertelstundenprodukten bereits eine größere Rolle, weshalb bei diesen Messstationen die Ausschläge zu den Viertelstunden zu finden sind.

Auch bei der Stundenbetrachtung lassen sich wieder starke regionale Unterschiede ausmachen. Dabei scheinen die regional unterschiedlichen Kraftwerkstypen eine Rolle zu spielen. Die Messstation in Großräschen am Rande des Lausitzer Reviers zeichnet nur geringe Schwankungen über die Stunde und auch zum Stundenbruch auf. Braunkohlekraftwerke können in Ihrer Fahrweise nur langsam angepasst werden. Daher fahren sie eher durchgängig und dominieren aufgrund ihrer Erzeugungsleistung die regionale Einwirkung auf die Frequenz. Die Messstation in Schäfstall hingegen nimmt die Fahrweise der Flusskraftwerke am Lech auf. Diese sind leistungsmäßig wesentlich kleiner, aber auch wesentlich flexibler einsetzbar. Die Frequenzstreuung gerade zum Stundenbruch zeigt, dass diese Flexibilität auch aktiv genutzt wird. Aber auch zur halben Stunde und zur dritten Viertelstunde ist ihre Flexibilität gefragt.

c) Stundenbruch

Wie in früheren Untersuchungen gezeigt, kommt dem Stundenbruch eine besondere Bedeutung zu, wobei die Frequenzänderungen über die Tagesstunden variieren. Wir haben für die folgende Betrachtung das Zeitfenster von drei Minuten vor bis drei Minuten nach dem Stundenbruch gewählt. Dies entspricht dem Bereich, in dem die stundenbezogene Frequenzänderung beginnt und endet. Die folgende Abbildung zeigt für jede Stunde jeweils die durchschnittliche 5-sekündliche Standardabweichung im Intervall drei Minuten vor bis drei Minuten nach dem Stundenbruch.

Es zeigt sich auch hier wieder ein sehr heterogenes Bild mit einigen Messstationen, bei denen die Stundenbruch-bezogene Frequenzstreuung über den Tagesverlauf quasi gleich bleibt, und solchen, bei denen die Frequenzstreuung über den Tagesverlauf variiert.

Exemplarisch betrachten wir drei Messstationen mit besonderen Verläufen:

• Die Messstation in Boretto zeichnet eine höhere Frequenzstreuung über die Tagesstunden als über die Nachtstunden auf. Aus dem Vergleich mit der täglichen Entwicklung über die Woche (s.o.) wird klar, dass die Frequenzstreuung in Boretto weniger am Stundenbruch als vielmehr an der Tageszeit hängt.

• Schondorf weist zwei starke Ausschläge in den Zeiten der höchsten Energienachfrage morgens und abends auf, während die Frequenzstreuung über den Tag und in den Nachtstunden eher gering ausfällt. Es ist davon auszugehen, dass dieses Muster durch die Nähe der Messstation zu München bedingt ist. Der im Tagesverlauf relativ frühe erste Ausschlag und der relativ späte zweite deuten darauf hin, dass es sich um tagesbedingte Änderungen in der Kraftwerksfahrweise handelt.

• Den starken Ausschlag der Messstation in Lleida um 03:00 Uhr können wir uns nicht erklären. Es handelt sich dabei weder um einen statistischen „Ausreißer-Effekt“ noch um das Ergebnis mehrerer Einzelereignis.

Fazit

Die Frequenz ist ein Indikator für die Systemstabilität im europäischen Verbundsystem. Sie folgt regionsübergreifend einem annähernd gleichen Verlauf. Betrachtet man allerdings ihre Streuung, so sieht man große Unterschiede zwischen Regionen.

In der vorangehenden Untersuchung wurde exemplarisch das Halbjahr von Anfang November 2018 bis Ende April 2019 betrachtet. Es kann gezeigt werden, dass die identifizierten Streuungen nicht zufällig sondern systematisch sind und sich regional unterscheiden. Einerseits existieren allgemeingültige Unterschiede in der Stärke der Streuung, die aber über die Zeit quasi gleich bleiben. Messstationen mit schwächerer Frequenzstreuung zu Beginn der Betrachtungsperiode bleiben über die Zeit im unteren Streuungsbereich. Solche mit stärkerer Streuung zu Beginn bleiben im oberen Streuungsbereich. Andererseits lassen sich Streuungsmuster identifizieren, wenn man typische Zeitintervalle betrachtet. Bspw. kann gezeigt werden, dass die Messstation im norditalienischen Boretto ein Tag-Nacht-Muster mit stärkerer Frequenzstreuung in den Tagesstunden aufzeichnet. Das nordspanische Lleida hingegen hat einen besonders starken Ausschlag in den Nachtstunden. Bei anderen Messstationen wie der in Schäfstall am nördlichen Lech oder der in Großräschen in der Lausitz zeigen sich die Fahrweisen von Kraftwerken.

Da solche Muster systematisch sind und sich über die Zeit nicht wesentlich ändern, können diese Informationen genutzt werden. Einerseits lassen sich daraus regionale Unterschiede identifizieren. Dadurch kann bspw. gezeigt werden, dass der Abruf von Frequency Containment Reserves (FCR) oder früher Primärregelleistung regional unterschiedlich häufig erfolgt. FCR wird dezentral aktiviert, indem sogenannte PID-Regler an den Erzeugungsanlagen die Frequenz aufnehmen und bei Verlassen des Reglertotbands von 50 +/- 0,01 Hz direkt die Fahrweise der Erzeugungsanlagen anpassen. In Regionen mit stärkerer Frequenzsstreuung wie Boretto oder Schäfstall sollte daher häufiger FCR aktiviert werden als bspw. in Büdingen, was sich natürlich auch auf den Verschleiß der Anlagen auswirkt. FCR-Anbieter werden allerdings gemäß einer nationalen Merit Order kontrahiert.

Die aktuellen Schritte in der FCR-Cooperation und in Deutschland (Commission Regulation (EU) 2017/1485, Art. 163 ff) und Beschluss BK6-018-006 bzgl. der Anpassung von FCR zu kurzfristigeren Angebotsperioden sind in diesem Sinne zu begrüßen. Seit 01.07.2019 wird FCR in Deutschland tageweise ausgeschrieben, ab 01.07.2020 in Vier-Stunden-Zeitscheiben. Unsere Analyse zeigt, dass dies definitiv richtige und wichtige Schritte in Richtung Flexibilisierung sind. Andererseits zeigt unsere Analyse, dass mehr Flexibilität hinsichtlich Systemstabilisierung durchaus wünschenswert wäre. Außerhalb Deutschlands wie bspw. in den Niederlanden oder in Österreich können Erzeuger auch Flexibilitäten zur Systemstabilisierung abweichend von den starren Regelleistungsprodukten an ihren Anschluss-ÜNB anbieten. Unsere Analysen zeigen, dass ein solches Angebot gerade hinsichtlich des regional (und nicht nur national) unterschiedlichen Bedarfs durchaus sinnvoll ist. Insbesondere ist der zeitliche und regionale Bedarf prognostizierbar. Damit ergeben sich aus Sicht von ÜNBs sinnvolle Business Cases für Erzeuger und Verbraucher (!) über das notwendige, aber in seiner Ausgestaltung starre Regelleistungssystem hinaus.

Auf Basis unserer bisherigen Analysen haben wir ein statistisches Prognoseinstrument entwickelt, mit dem Frequenzabweichungen vorhergesagt werden können. Dies berücksichtigt regionale aber bspw. auch wetterbedingte Einflüsse und die Netzsituation. In einem der nächsten Artikel werden wir das Instrument vorstellen.