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Mathematik kann Stromnetz stabilisieren

Wissenschaftler untersuchten die Wechselwirkung gekoppelter schwingender Systeme. Wenn deren Rhythmus gestört ist, kann das System nicht richtig arbeiten. Abhilfe schafft komplizierte Mathematik – und die könnte auch dem Stromsystem der Zukunft helfen.

18.07.2015 – Kann Mathematik das Stromnetz stabilisieren? Ja, meint ein internationales Forscherteam vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) und liefert dafür Beweise. Es nutzt dazu eine innovative mathematische Methodik, aufbauend auf der Analyse komplexer Netzwerke, und überprüft diese in Experimenten mit chemischen Reaktionen. Im Fokus der Wissenschaftler steht der Rhythmus. Stockt er, kann der Effekt fatal sein – in einem Stromnetz kann es einen Blackout bedeuten, für das menschliche Herz sogar den Tod. Die Mathematik könnte zur Stabilisierung von Stromnetzen beitragen, für die eine unregelmäßige Zufuhr von Energie aus erneuerbaren Quellen eine neue Herausforderung bedeutet, sagen die Wissenschaftler.  

„Viele Systeme sind angewiesen auf winzige Vor- und Rückwärtsbewegungen in einem bestimmten Rhythmus, wie in der Musik – wir nennen das Oszillation“, erklärt Jürgen Kurths, Leiter der Forschungsgruppe am PIK. „Wenn nun der Rhythmus gestört wird, kann das System nicht richtig weiterarbeiten. Daher das Interesse, Wege zu finden, um den Rhythmus wieder herzustellen“, so Kurths. Die Stabilität von Stromnetzen war der Ausgangspunkt für die Wissenschaftler. Wechselstrom in Stromleitungen schwingt in einer bestimmten Frequenz, in Europa zum Beispiel mit 50 Hertz, in den USA mit 60. Diese kann gestört werden, wenn die Stromzufuhr sich von einem Moment zum anderen ändert. Genau das kann passieren, wenn zum Beispiel von Windrädern erzeugter Strom ins Netz fließt, und es plötzlich stürmt oder eine Windstille eintritt. Kohlekraftwerke hingegen produzieren sehr gleichmäßig Energie. Da das Verbrennen fossiler Rohstoffe Treibhausgasemissionen verursacht, die der Hauptverursacher gefährlicher Klimaveränderungen sind, werden jedoch mehr und mehr Erneuerbare Energien in die Stromnetze eingespeist.

Um diese Belastung der Stromnetze und eventuelle Blackouts zu vermeiden, sind neue Ansätze zur Stabilisierung gefragt. Die jetzt von den Wissenschaftlern entwickelte Methode ist nur eine von mehreren Möglichkeiten, von denen einige bereits diskutiert werden – sie ist allerdings hoch innovativ. „Das Prinzip ist ziemlich einfach, aber die Mathematik dahinter ist es keineswegs“, sagt István Kiss von der Saint Louis University in den USA. „Wir konnten zeigen, dass sich die Theorie in einem praktischen Experiment anwenden lässt, in dem die Rhythmizität in einem kleinen Netzwerk von Strom erzeugenden chemischen Reaktionen wieder hergestellt werden kann. Bei diesen Reaktionen findet eine Menge komplexer physikalischer und chemischer Prozesse statt, mit vielen Variablen und Unsicherheiten. Deshalb ist es wirklich erstaunlich, wie gut ein rein mathematisch entwickelter Ansatz hier seine Wirksamkeit beweist. Das deutet auf eine bemerkenswerte Allgemeingültigkeit hin.“

Die Wissenschaftler untersuchten die Wechselwirkung von gekoppelten schwingenden Systemen. Bereits im 19. Jahrhundert stellte man fest, dass zwei nebeneinander stehende Orgelpfeifen mit ähnlicher Tonhöhe gegenseitig ihre Vibrationen unterdrücken können. Ähnliche Phänomene kennt man aus der Neurowissenschaft, von chemischen Reaktionen und elektronischen Schaltkreisen. Bis jetzt konnte keine Lösung zur Wiederherstellung der Rhythmen gefunden werden.

„Wir zeigen, dass eine gewisse Verzögerung des Impulses, der etwa in einem Stromnetz von einem Element des Systems zum anderen geht, die vorher gestörten Oszillationen wieder herstellen kann“, sagt Wei Zou von der Huazhong University of Science and Technology in China, der Gastwissenschaftler am PIK und Leitautor der Studie ist. „Selbst eine schwache Abweichung kann einen großen Unterschied machen. Ich muss gestehen, dass wir selbst überrascht waren wie einfach und robust unsere Methode ist. Jetzt hoffen wir, dass sie die Tür zu zukünftiger Forschung im Bereich komplexer Systeme öffnet, und letztendlich Anwendungen in vielen Bereichen anregt, von der Biologie über das Ingenieurwesen bis zu den Sozialwissenschaften.“ rr
 

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