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Sonnenfinsternis 2015

 

Quellen: www.spiegel.de (08.09.14), www.sueddeutsche.de (16.02.15), Die Welt (20.02.15), Die Presse (20.02.15), zahlreiche weitere Medien

Während sich Astronomen auf den 20. März 2015 freuen, blicken die deutschen Stromnetzbetreiber besorgt auf diesen Tag. Eine partielle Sonnenfinsternis könnte nach SPIEGEL-Informationen die Netze gefährden.

Bei einer installierten Leistung von mittlerweile fast 40 Gigawatt könnte ein solch abrupter Leistungsverlust für die Zentralen, die die Stromnetze steuern, nur schwer auszubalancieren sein.

“Wenn der 20. März aber ein sonniger Tag wird, wird es stressig”, sagte ein Mitarbeiter eines großen deutschen Energienetzbetreibers der “Welt”.

Nach Berechnungen des Oldenburger Instituts energy & meteo systems im Auftrag der Netzbetreiber könnte bei Beginn der Sonnenfinsternis gegen 9.30 Uhr Solarstromkapazität von bis zu zehn Gigawatt schlagartig ausfallen. Wenn dies ein sonniger Tag ist, wäre das in etwa so, als würden zehn Atomkraftwerke gleichzeitig vom Netz gehen.

Noch größer wird das Problem allerdings zweieinhalb Stunden später sein, wenn sich die Sonne gegen 12 Uhr wieder hinter dem Mond hervorschiebt. Weil die Sonne dann höher steht, könnten in ganz kurzer Zeit sogar bis zu 20 Gigawatt Solarleistung zurück ins Stromnetz drängen. Ein Rein und Raus von Kilowattstunden in dieser Größenordnung und in diesem kurzen Zeitfenster ist ohne Vorbild im Management des europäischen Stromnetzes.

Normalerweise müssen die Stadtwerke und Regionalversorger ihren “Bilanzkreis” von Stromnachfrage und Stromangebot stets auf der Basis von 15-minütigen Intervallen ausbalancieren. Nimmt einer dieser “Bilanzkreisverantwortlichen” diese Pflicht nicht so ernst und speist Strom der Einfachheit halber nach den Durchschnittswerten ganzer Stunden ein, könnte das in den kritischen Stunden der Sonnenfinsternis der Tropfen sein, der das Fass zum Überlaufen bringt.

Siehe Kommentar zum Schluss.

Verlauf der Sonnenfinsternis

Wetter in den letzten Jahren

Vom Wetter der vergangenen Jahre auf die Zukunft zu schließen, ist etwas gewagt. Dennoch ein möglicher Indikator, war es doch in 3 von 4 Jahren weitgehend schön und sonnig. 2013 hingegen gab es eine weitgehend geschlossene Wolkendecke.

Lageeinschätzung des Verbandes der Europäischen Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E)

Der Verband der europäischen Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E) hat einen Bericht und eine FAQ zu den Herausforderungen bei der Netzsteuerung/Versorgungssicherheit im Rahmen der Sonnenfinsternis am 20. März 2015 herausgegeben:

The sun goes up and down every day. Why is a solar eclipse creating concern?
A solar eclipse is not comparable to a normal sunrise or sunset due to the fact that the speed of the solar infeed is faster than a normal sunrise and sunset. It also impacts operational practices, as it occurs in the middle of the morning. It’s like having 2 sunrises and two sunsets in the same day.

Not all the TSOs will be affected by the eclipse on the same scale, but all will see the same impact on the
frequency

Wie aus der nachfolgenden Darstellung ersichtlich ist, kann es zwischen 10:30 und 11:00 Uhr (09:30 bis 10:00 UTC) zu einer Leistungsdifferenz von bis zu über 30 GW kommen, was etwa den vierfachen österreichischen Verbrauch um diese Zeit darstellt.

Quelle: ENTSO-E; Comparison of expected infeed from solar on March 20 during clear sky conditions with and without solar eclipse

Quelle: ENTSO-E; Comparison of expected infeed from solar on March 20 during clear sky conditions with and without solar eclipse

Viel entscheidender ist jedoch die Leistungsänderungsgeschwindigkeit:

Figure 2 shows that the minute-to-minute power gradient may exceed -400 MW/minute and +700 MW/minute. Fortunately, the highest gradient occurs when the PV infeed returns (requiring a reduction in the load following reserves). Note that a gradient exceeding -400 MW/minute persists for half an hour.

Expected power gradient in MW per minute from solar power on March 20

Quelle: ENTSO-E; Expected power gradient in MW per minute from solar power on March 20 during clear sky conditions with and without solar eclipse.

Leistungsänderungsgeschwindigkeit

Der wesentliche Unterschied zur täglichen Sonnenfinsternis ist daher die Geschwindigkeit der Veränderung, auch als Leistungsänderungsgeschwindigkeit bezeichnet:

Die Leistungsänderungsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit (z. B. in Einheiten von Megawatt pro Minute), mit der die von einem Kraftwerk erzeugte elektrische Leistung geändert wird, beispielsweise im Lastfolgebetrieb. Je nach Typ und genauer Ausführung eines Kraftwerks ist die Leistungsänderungsgeschwindigkeit technisch begrenzt.

Bei Wärmekraftwerken mit Dampfturbinen liegt die Grenze meist bei rund 5 bis 10 % der maximalen Leistung pro Minute, also z. B. bei einem 500-MW-Kraftwerk bei 25 bis 50 MW pro Minute. Diese Begrenzung rührt daher, dass diverse Komponenten (Dampfturbine, Kessel oder Dampferzeuger) bei schnelleren Leistungsänderungen durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung zu stark belastet würden.

Hohe Leistungsänderungsgeschwindigkeiten werden von Pumpspeicherkraftwerken, anderen Wasser-Speicherkraftwerken und von Gasturbinen (damit auch von Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken) erreicht, wobei bei den Gaskraftwerken wiederum der Leistungsbereich stärker begrenzt ist.

Leistungsaenderungsgeschwindigkeit

Das heißt, die physikalische Infrastruktur wird durch rasche Leistungsänderungen massiv belastet, was wiederum die Fehler- und Ausfallwahrscheinlichkeit erhöht. Und hier zählt wiederum das schwächste Glied in der Kette – und die potentielle Gefahr von Dominoeffekten. In der Medienberichterstattung wird fast  nur Deutschland erwähnt. In Europa gibt es aber mittlerweile rund 90 GW ausgebaute PV-Leistung – also doppelt so viel, wie in Deutschland. Daher hat das durchaus eine europäische Dimension mit schwer abschätzbaren Wechselwirkungen.

PV Ausgebaute Leistung 2015

Quelle: ENTSO-E; Expected installed capacity on photovoltaic in Continental Europe on March 2015 in MW

Siehe dazu auch Gleichzeitigkeitsfaktor bei Leistungsänderungen von Franz Hein.

Fast tägliche Herausforderungen

Für Österreich sieht der Übertragungsnetzbetreiber APG angesichts einer installierten Photovoltaik-Leistung von rund 800 Megawatt (MW) keine Probleme, wenn an einem sonnigen 20. März 50 bis 60 Prozent dieser Kapazität weggehen, wie APG-Vorstand Gerhard Christiner sagte. Das könne mit dem normalen Regelenergievolumen kompensiert werden. Quelle: OE24

Ja, die APG hat öfters weit höhere Herausforderungen zu bewältigen, wie etwa am 02. März (Daten):

Windstromproduktion APG 02.03.15 - 03.03.15

Etwa zwischen 13 und 16 Uhr, wo innerhalb kürzester Zeit eine Differen von 1.200 MW (~7x Flusskraftwerk Freudenau) ungeplant zu- und dann kurz darauf wieder weggeschaltet werden mussten. Konventionelle Kraftwerke sind für einen solchen Betrieb nicht ausgelegt. Es kommt dabei zu massiven mechanischen Belastungen, die sich auf die Lebensdauer der Generatoren auswirken.

Zusätzlich wurden in den frühen Morgenstunden des 03. März fast 2.000 MW Windstrom erzeugt, was fast der ausgebauten Leistung entspricht. Diese Leistung ist zwischen 20:45-21:00 auf 65 MW gesunken! Was einmal mehr auf die Notwendigkeit einer Energiebevorratung verweist.

Zusätzlich muss hier angemerkt werden, dass derartige Einzelereignisse fast täglich beherrscht werden. Gefährlich wird es nur, wenn mehrere solche Ereignisse kumulieren, was eben am 20. März nicht ausgeschlossen werden kann. Hinzu kommt die europäische Dimension.

Studie zum Einfluss der Sonnenfinsternis im März 2015

Die Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW) Berlin hat in einer Studie den Einfluss der Sonnenfinsternis im März 2015 auf die Solarstromerzeugung in Deutschland untersucht.

Die Reduktion der PV-Leistung in den vier Regelzonen ist dabei von einer hohen Gleichzeitigkeit geprägt, wodurch nur mit geringen regionalen Ausgleichseffekten während der Sonnenfinsternis zu rechnen ist. Dies geht auch aus dem Summenprofil der gesamten PV-Erzeugung in Deutschland hervor.

Die Ergebnisse der Studie lassen sich mit folgenden Kernaussagen zusammenfassen:

  1. Die Auswirkungen der Sonnenfinsternis auf die Solarstromerzeugung und auf das Stromversorgungssystem in Deutschland hängen stark von der Wetterlage ab, sind aber kalkulierbar und beherrschbar.
  2. Die in Deutschland vorhandenen Pumpspeicherwerke haben aus technischer Sicht das Potenzial die resultierenden Schwankungen in der Solarstromerzeugung zu glätten.
  3. Um die Flexibilität des konventionellen Kraftwerksparks durch schnell regelbare Gaskraftwerke als alternative Ausgleichsoption zu nutzen, ist der Grundlastanteil an der Stromerzeugung zu reduzieren.
  4. Damit auch zukünftig bei zunehmenden Leistungsschwankungen im Stromversorgungssystem der Ausgleichsbedarf gedeckt werden kann, sollte ein Zubau von Speicherkapazitäten verfolgt werden.

Studie: Sonnenfinsternis am 20. März 2015 – Auswirkungen auf die Systemstabilität der Deutschen Stromversorgung

10. März 2015 – Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg

Frauenhofer - Ergebnis auf einem Blick 20.03.15

Gefahr durch Sonnenfinsternis?

Der Spiegel schreibt in einem Artikel, dass sich die deutschen Stromnetzbetreiber vor der Sonnenfinsternis am 20. März 2015 fürchten. Laut Spiegel beträgt die installierte Leistung 40 Gigawatt und solch ein abrupter Leistungsverlust sei schwer auszubalancieren. Was ist von dieser Aussage zu halten? Im Prinzip ist beides richtig, allerdings wird hier ein Zusammenhang suggeriert, den es so nicht gibt. Nur, weil die installierte Leistung 40 Gigawatt beträgt, erzeugen die Solaranlagen noch lange nicht so viel und die Sonnenfinsternis wird auch nicht dafür sorgen, dass urplötzlich die komplette Solareinspeisung wegfällt.

Die vollständige und detaillierte Analyse finden Sie auf www.netzfrequenz.info (11.09.14).

Sonnenfinsternis und die Netzfrequenz

Die Sonnenfinsternis am 20. März 2015 wird die Energieversorger vor eine gewisse Herausforderung stellen. Ob sie diese Herausforderung meistern, wird sich sehr gut an der Netzfrequenz ablesen lassen. Um die Netzfrequenz während der Sonnenfinsternis auch “ausser Haus” gut beobachten zu können, gibt es jetzt auch eine Echtzeitanzeige mit einer für mobile Endgeräte optimierten Darstellung: http://www.netzfrequenz.info/mobile/mobile.html

Kommentar

Grundsätzlich sollte dieses Ereignis beherrschbar  sein, da man sich darauf vorbereitet und es nicht überraschend eintritt.

Nichtsdestotrotz stellt die kommende Sonnenfinsternis eine große Herausforderung für die Stromversorgungsinfrastruktur und damit Versorgungssicherheit dar und sollte nicht unterschätzt werden (siehe auch Pressemeldung der deutschen Übertragungsnetzbetreiber). Die Übertragungsnetzbetreiber – die dem regulierten Markt angehören – sind bisher nicht im immer wieder üblichen Schlagabtausch um die Energiewende aufgetreten. Daher ist diese Meldung nicht mit anderen in einen Topf zu werfen. Hier geht es nicht um die Abgeltung von verloren gegangenen Geschäftsmodellen, sondern um die Systemsicherheit.

Gleichzeitig spiegelt sich hier einmal mehr unser Entweder-oder-Denken wider, das sofort Übertreibungen und Verschwörungstheorien auf den Plan ruft. Ein Sowohl-als-auch-Denken würde uns an die reale Verwundbarkeit erinnern und zum Nachdenken anregen. Es macht in jedem Fall Sinn, uns als Gesellschaft ernsthaft mit der Möglichkeit eines europäischen Blackouts auseinandersetzen, da es eine Vielzahl an Möglichkeiten gibt, die ein solches auslösen können. Das die Instabilitäten im europäischen Stromversorgungssystem aufgrund des einseitigen Systemumbaus deutlich ansteigen, ist mittlerweile kein Geheimnis mehr. Gleichzeitig sind wir weit von robusten und lebensfähigen Energiezellen entfernt. Ein solches Szenario würde die europäische Wirtschaft (siehe Mein Unternehmen auf ein Blackout vorbereiten) und Gesellschaft ziemlich hart treffen, da kaum eine andere Infrastruktur noch die Menschen auf einen mehrstündigen oder sogar mehrtägigen Stromausfall vorbereitet sind. Und letztendlich geht es nicht um einen Stromausfall, sondern um einen weitgehenden Infrastrukturkollaps. Daher gilt die wesentlichen Frage, auch wenn wir noch kein solches Szenario erlebt haben, wären wir darauf vorbereitet?

Besonders besorgniserregend ist in diesem Zusammenhang die aktuelle deutsche Studie zur Treibstoffqualität von Notstromeinrichtungen. Demnach war bei 60 % der Netzersatzanlagen der Brennstoff (Diesel) zum Zeitpunkt der Probennahme oder in naher Zukunft nicht mehr verwendbar, bzw. war/ist dieser nur bei 8 % der Netzersatzanlagen uneingeschränkt verwendbar. Wenn nicht einmal die, die vorgesorgt haben, sicher einen Notbetrieb aufrecht erhalten können, dann übersteigen die möglich Folgen unsere Vorstellungskraft.

Zum anderen wäre es höchst an der Zeit, die rosaroten Brillen einmal beiseite zu legen und wirklich hinter die Kulissen zu blicken und mit einem nachhaltigen Systemumbau zu beginnen (siehe etwa Der Strommarkt nach gelungener Energiewende). Die derzeitige Umsetzung der Energiewende stellt in vielen Bereichen eine Sackgasse dar (siehe etwa Physik versus Marketing und Politik), da hauptsächlich die Stromerzeugung umgestellt wird, was bei weitem zu Kurz greift, aber massiv in unsere wichtigste Lebensader eingreift. Eine operation am offenen Herzen mit ungewissen Ausgang.

Allzuoft werden besorgte Einwände zur Systemsicherheit als übliches Geplänkel abgetan. Möglicherweise etwas zu leichtfertig. Sollte tatsächlich etwas schief gehen, müssen wir uns wohl auch als Gesellschaft die Frage gefallen lassen, ob wir nicht grob fahrlässig gehandelt haben, indem wir alle Warnungen ignoriert haben. So wie etwa auf der Deepwater Horizon 2010 im Golf von Mexiko. Auch damals wurden die Warnsysteme vorsorglich abgeschaltet … Ein europäisches Blackout würde viel weitreichendere Folgen nach sich ziehen.

Die Terroranschläge von Paris sind kaum zwei Monate vergangen. Auch damals wurden wir überrascht, obwohl wir seit Jahren davor gewarnt wurden. Ein Blackout würde jedoch nicht nur eine überschaubare Anzahl von Menschen, sondern möglicherweise mehrere hundertmillionen betreffen. Wollen wir das wirklich weiterhin ignorieren und darauf ankommen lassen? Und genauso fahrlässig wie bei manch anderen Alltagssituationen handeln? Etwa wie Autofahrer, die trotz Eis- oder Nebelwarnung mit erhöhter Geschwindigkeit fahren und dann Massenkarampolaschen verursachen?

Hier nochmals zur Verdeutlichung der möglichen Folgen:

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4 Comments

  1. […] In den letzten Tagen gab es eine sehr aufgeregte Berichterstattung zur kommenden Sonnenfinsternis am 20. März 2015. Dabei wird auch die Möglichkeit eines Blackouts in Folge der verringerten Produktion von Photovoltaik-Anlagen diskutiert. Wir verfolgen dieses Thema schon seit September 2014, als es zum ersten Mal in den Medien aufgeschlagen ist. Der Erstbeurteilung – die Sonne geht ja jeden Tag unter, am 20. März halt fast zweimal – ist mittlerweile doch etwas Nüchternheit gewichen. Ganz so einfach ist das nicht, wie auch einem aktuellen Bericht des Verbandes der Europäischen Übertragungsnetzbetreiber (ENTSO-E) zu entnehmen ist. Ich vertraue trotzdem darauf, dass die Netzbetreiber alles unternehmen werden, um das Worst-Case-Szenario zu verhindern. Die größere Gefahr geht wohl von einer Stromüberproduktion speziell nach der Sonnenfinsternis um die Mittagszeit aus, als von einer zu niedrigen Produktion. Das hängt natürlich von den tatsächlichen Wetterbedingungen ab. Was möglicherweise unterschätzt wird ist, dass anscheinend eine Sonnenfinsternis mit starken Winden einhergeht. Dieses Ereignis wird für die Netzsteuerung sicher keine einfache Fingerübung und ein zusätzliches unvorhergesehenes Ereignis könnten das berühmte Fass zum Überlaufen bringen. Detailliertere Informationen finden Sie im Post Sonnenfinsternis 2015. […]

  2. Franz Hein sagt:

    Die bevorstehende Sonnenfinsternis bringt außerordentlich hohe Gradienten, das ist das eigentliche Problem. Morgens ist es noch vergleichsweise harmlos, da die Intensität der Sonneneinstrahlung morgens erst noch zunimmt. Dann kommt die partielle Bedeckung, die sich über den Kontinent schiebt. Sicher besonders schwierig wird es gegen Ende der Sonnenfinsternis, da dann die Intensität der Sonneneinstrahlung erheblich höher ist. Der Anstieg der Photovoltaikeinspeisung ist entsprechend rasant. Vorher muss mit zusätzlicher Einspeisung die verringerte PV-Leistung ausgeglichen werden (was vermutlich noch relativ leicht zu meistern ist). Aber bei dem Anstieg muss sehr rasch diese zusätzliche Leistung wieder abgefahren werden. Wenn dann noch Windeinspeisungen dazu kommen, wird die Situation noch kritischer. Das Problem umschreibe ich mit dem Thema “Gleichzeitigkeitsfaktor”. Unser Energieversorgungssystem hat eine gewisse Robustheit, aber die ist immer begrenzt. Es kann aus dem Gleichgewichtszustand in begrenztem Maß ausgelenkt werden. Wenn eine Auslenkung zu rasch kommt und zu weit das System aus dem Gleichgewichtszustand heraus führt, dann wird ein Kipppunkt überschritten und das System kollabiert. Das gilt für beide Richtungen – zu hohe, plötzliche Belastung – aber auch zu hohe, plötzliche Einspeisung. Letzteres testen wir nun bei der bevorstehenden Sonnenfinsternis.

    Hätten wir schon ein autonomes, netzdienliches Verhalten in vielen Energiezellen, dann würden diese Energiezellen “mitdenken” und bei dem extremen Anstieg gegen Ende der Sonnenfinsternis entweder zusätzliche Leistungsanforderungen generieren (z. B. Energie vom Netz beziehen und/oder die eigene PV-Einspeisung in lokale Energiebevorratungsmöglichkeiten einspeichern) oder eventuell im Einsatz befindliche BHKW-Energieeinspeisungen absenken.

    Derzeit haben wir “nur” ein zentrales Vorgehen, kein “Mitdenken”. Das ist gegenwärtig das Problem.

  3. Sonnenfinsternis am 20. März stellt elektrisches System in Europa vor große Herausforderung

    Gemeinsame Pressemitteilung der vier deutschen Übertragungsnetzbetreiber 50Hertz, Amprion, Tennet und TransnetBW
    http://www.amprion.net/pressemitteilung-192

    Aufgrund des hohen Anteils an installierter Photovoltaik-Leistung (PV) in Deutschland – rund 39.000 Megawatt – sowie in Italien und Frankreich stellt die Sonnenfinsternis eine große Herausforderung an das Management des Stromnetzes in Europa dar.

  4. […] Hier nochmals zur Vertäutlichung der möglichen Folgen (siehe auch Sonnenfinsternis 2015): […]

  5. […] werden kann. Nichtsdestotrotz sind die damit verbundenen Herausforderungen enorm, worauf sich die europäischen Übertragungsnetzbetreiber auch umfassend vorbereiten. Wir lehnen aber die derzeit kolportierte Scheinsicherheit und Meldungen wie folgende strikt […]

  6. […] am kommenden Freitag (Sonnenfinsternis) etwas schief gehen – was aufgrund der aktuellen Wetterprognosen durchaus nicht […]

  7. […] noch zusätzliche Informationen zur bevorstehenden Sonnenfinsternis am Freitag (siehe auch Sonnenfinsternis 2015) senden. Bei Bedarf (z. B. Änderungen der Wetterprognosen) wird […]

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