Die 60-Sekunden-Frequenzdelle: getaktete Batterie-Selbsttests statt Stromhandel

Netzbetreiber rechnen mit Frequenzrauschen und haben Mittel dagegen. Ein Signal, das sich einmal pro Minute wiederholt und dessen Timing nicht driftet, ist ein Problem anderer Art. TenneT Germany beobachtete ein solches Signal über mehrere Jahre im europäischen Netz. Laut Forschungszentrum Jülich hat ein Team unter Leitung von Dirk Witthaut gemeinsam mit Kollegen der Universität zu Köln und des Karlsruher Instituts für Technologie die Ursache nun in Batteriesystemen ausgemacht, die jede Minute ihren Ladezustand prüfen. Die Arbeit erschien am 30. Oktober 2026 in Nature Energy. Sie beschreibt einen Konstruktionsfehler, der leicht zu übersehen ist: Viele unabhängige Geräte führen dieselbe Softwareroutine aus und sind an dieselbe Uhr gekoppelt.

01Eine Signatur im Uhrentakt

Die Frequenz ist ein unmittelbarer Indikator für das Leistungsgleichgewicht. Die Änderungsrate der Frequenz folgt dem momentanen Leistungsungleichgewicht im Netz. Nach der Lesart der Studie bedeutet ein Frequenzabfall in der ersten Hälfte jeder Minute, dass die Nachfrage in diesem Intervall die Erzeugung übersteigt.

Das Muster ist nicht auf Europa beschränkt. Die Autoren werteten Frequenzaufzeichnungen aus 12 Stromsystemen auf fünf Kontinenten aus. Sie fanden einen schmalen Spektralpeak bei einer Periode von genau einer Minute, dessen Timing über lange Zeiträume kohärent bleibt.

Die Größenordnung ist wichtig, denn der Effekt ist klein. Die Studie schätzt, dass einer periodischen Frequenzschwankung von 3 mHz eine kohärente Leistungsschwankung von etwa 80 MW entspricht. In Kontinentaleuropa beträgt die Nennfrequenz 50 Hz, die Abweichung ist also winzig. TenneT stellte fest, dass sie messbar und ungewöhnlich regelmäßig ist, auch wenn die Abweichungen für die Netzsicherheit nicht kritisch waren.

Witthauts Überlegung war, dass die Exaktheit der Periode die meisten physikalischen Erklärungen ausschloss. „Uns wurde schnell klar, dass die Ursache etwas sein muss, das von der Uhr gesteuert wird.“ Auch die Amplitude schloss jedes einzelne Gerät als Ursache aus. Der Effekt setzt voraus, dass viele Geräte im selben Moment Leistung beziehen.

02Die Quelle auf einem Campus

Der entscheidende Beleg kam vom Living Lab Energy Campus in Jülich. Das Team brachte an Endgeräten an 80 Standorten Messpunkte an. Dasselbe periodische Verbrauchsmuster zeigte sich genau dort, wo große Batteriesysteme für unterbrechungsfreie Stromversorgung sorgen.

Sekundärquellen zur Studie liefern weitere Details zur Beweiskette:

• An einer Anlage zeichnete das Team wiederkehrende Stromspitzen an den Batterieklemmen auf. Der Hersteller bestätigte, dass periodische Selbsttests des Batterie-Energiemanagements sie verursachten.
• Eine Spektralanalyse verfolgte die resultierende Leistungsschwankung durch Transformatoren und eine Sammelschiene bis zur Schnittstelle mit dem öffentlichen 110-kV-Netz.

Die Formulierung der Studie selbst ist weiter gefasst als die Schlagzeile „Batteriespeicher“. Sie nennt taktsynchronisierte Steuerungssoftware in digital geregelten Energiegeräten, insbesondere in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) und Batteriespeichersystemen, als Quelle periodischer Lastspitzen, die sich über Spannungsebenen hinweg ausbreiten. Das Pressematerial aus Jülich ist lockerer formuliert und spricht von großen Batteriespeichersystemen. Der Mechanismus ist in beiden Fällen derselbe. Eine Routineprüfung zieht kurzzeitig Leistung und ist auf den Beginn der Minute gelegt.

03Warum die Selbsttests im Gleichschritt laufen

Niemand hat diese Geräte koordiniert. Witthauts Erklärung ist profan. Für solche Leistungsprüfungen gibt es keine verbindlichen Normen, und er vermutet, dass die meisten Hersteller ein 60-Sekunden-Intervall für sinnvoll hielten. Als Testzeitpunkt wurde schlicht der Beginn jeder Minute gewählt. Jeder Hersteller traf eine für sich vernünftige Entscheidung. In der Summe erzeugen diese Entscheidungen ein Signal im Netzmaßstab.

Die Studie prüft die Rolle der Zeitsynchronisation direkt. Bei einer USV wurde das Timing des Selbsttests mit und ohne Synchronisation über das Network Time Protocol (NTP) verglichen:

• Bei deaktiviertem NTP drifteten die Selbsttest-Signaturen langsam relativ zu UTC.
• Bei aktiviertem NTP wurde das tägliche Fortschreiten der Signaturen deutlich ausgeprägter, mit etwa 6 s pro Tag.

Eine Zusammenfassung der Studie besagt, die Phase bleibe tagsüber stabil und springe um Mitternacht. Das konnte ich am Volltext nicht überprüfen. Nach der Darstellung der Studie ist es die externe Uhrensynchronisation, die unabhängige Geräte im Gleichschritt hält. Die Autoren beschreiben eine breitere Klasse cyber-physischer Synchronisationseffekte in digital geregelten Geräten, die mit extern synchronisierten Uhren oder periodischen Softwareroutinen arbeiten.

In einem Kommentar in derselben Zeitschrift beschreibt Florian Dörfler eine Störung, die in Netzen weltweit exakt jede Minute wiederkehrt und von taktsynchronisierten USV-Selbsttests verursacht wird, die unbeabsichtigt im Gleichklang wirken.

Die Studie behauptet nicht, dass USV- und Batteriesysteme die ganze Erklärung sind. Witthaut sagte, es sei durchaus möglich, dass Batteriespeichersysteme nur einen Teil des Problems ausmachen. Er hält es für denkbar, dass Wärmepumpen, Klimaanlagen und andere digital gesteuerte Geräte ähnliches Verhalten zeigen. Das bleibt eine Hypothese und ist kein Messergebnis.

04Folgen für Frequenzregelung und Einsatzplanung

Die Amplitude des Effekts hängt sowohl von der Quelle als auch vom Netz ab, in das sie einspeist. Die Autoren weisen darauf hin, dass geringere Trägheit die Frequenzantwort auf ein gegebenes Ungleichgewicht verstärken kann, während die Dynamik der Turbinenregler von Wasserkraftwerken ein von außen eingeprägtes Signal verstärken kann. Zwei Befunde aus der Studie und der Berichterstattung darüber zeigen das:

• Irland. Rechenzentren mit großen Batteriesystemen machen rund ein Fünftel des Strombedarfs des Landes aus, und die Amplitude des Einminutensignals vervierfachte sich zwischen 2016 und 2021. Sekundärberichte über die Studie beziffern die Delle auf etwa 3 mHz, die auf 12 mHz anwuchs.
• Wasserkraft. Eine erklärbare Machine-Learning-Analyse fand systematische Korrelationen zwischen dem Einsatz der Wasserkraft und der Signalamplitude im kontinentaleuropäischen Netz. Der mechanische Preis: Kurze Lastspitzen bremsen die Turbinen kurzzeitig ab und beschleunigen sie dann wieder, was den Verschleiß erhöht.

Wasserkraftgeprägte Systeme kannten ein verwandtes Problem bereits. Nordische Arbeiten aus den 2010er-Jahren beschreiben eine „60-Sekunden-Schwingung“, die Verschleiß an Wasserkrafteinheiten verursacht. Ein nordischer Bericht zur Frequenzqualität von 2015 hielt fest, die Ursachen dieser Schwingung seien noch nicht vollständig geklärt, vermerkte aber, dass die Reaktion der Frequenzhaltung sie verstärkt. Die neue Studie erhebt nicht den Anspruch, jede nordische Schwingung zu erklären. Sie liefert aber einen plausiblen externen Auslöser für eine Komponente, die sich allein durch die Abstimmung der Regelung nicht erklären ließ. Eine Zusammenfassung der Studie nennt skandinavische Amplituden über 10 mHz und für 2025 keine Amplitude über 10 mHz mehr, nachdem die Regeln zur Frequenzregelung 2023 überarbeitet worden waren. Das konnte ich am Volltext der Studie nicht verifizieren, und die Studie führt die Verbesserung möglicherweise nicht auf die Regeländerung zurück.

Für die Regelungsauslegung geht es um den Unterschied zwischen stochastischen und deterministischen Störungen. Reserven werden für zufällige Ungleichgewichte dimensioniert, etwa durch Prognosefehler oder Kraftwerksausfälle. Die Frequenz spiegelt auch das Marktverhalten wider, darunter das abrupte Schalten von Kraftwerken, das das Jülicher Team unter den vielen Einflüssen auf das Muster aufführt. Eine periodische Einminutenkomponente legt sich über all das. Ihre Phase und ihre Periode sind vorhersagbar. Laut Studie können Maßnahmen auf Systemebene die Frequenzauswirkungen deterministischer Störungen verringern. Außerdem lasse sich die Ursache direkt über die Regelungsauslegung angehen.

In der Praxis bedeutet das zwei Stellhebel, die ich hier mit eigenen Worten beschreibe und nicht aus der Studie zitiere. Netzbetreiber können das bekannte Signal berücksichtigen, wenn sie festlegen, wie Reserveeinheiten und Turbinenregler der Wasserkraft reagieren. Gerätehersteller können aufhören, das Signal zu erzeugen.

05Die Lösung und was unbewiesen bleibt

Die Lösung auf Geräteseite ist günstig. Witthaut: „Man müsste die Prüfungen einfach zufällig verteilen, statt sie immer zur gleichen Zeit zu starten.“ Ein zufälliger Versatz im Scheduler verteilt die Last über die Minute, sodass sich die Summe vieler Geräte einer Konstanten annähert. An der Batteriehardware muss nichts geändert werden. Weil keine Norm die Prüfungen regelt, dürfte der wahrscheinliche Weg eine Anforderung oder Richtlinie zur Testplanung sein, die für neue Geräte gilt und bei bestehenden per Firmware-Update ausgespielt wird. Weder die Studie noch das Pressematerial sagen, dass eine solche Änderung im Gange ist.

Mehrere Punkte bleiben offen:

• Zuordnung. Die Kausalkette ist für bestimmte Anlagen in Jülich im Detail belegt. Ihr Anteil am weltweiten Signal wurde nicht quantifiziert. Die Autoren selbst lassen Raum für andere Geräte.
• Wachstum. Die Studie warnt, dass der rasche Ausbau von Batteriespeichern, Rechenzentren und des Internets der Dinge solche Schwingungen weiter verstärken könnte. Der irische Datensatz ist bislang der wichtigste Beleg für wachsende Amplituden.
• Schwere. Die Autoren berichten, dass die Störungen in den untersuchten Netzen keine sicherheitskritischen Werte erreicht haben. Die Kosten bestehen vor allem in Verschleiß an Wasserkraftanlagen und zusätzlicher Belastung der Frequenzregelung.

Die allgemeinere Lehre betrifft die Software. Je mehr Leistungselektronik und vernetzte Regler in die Netze kommen, desto mehr wird eine Voreinstellung wie „jede Minute bei :00 ausführen“ zu einem Teil der Netzdynamik. Eine aus Bequemlichkeit in der Firmware getroffene Planungsentscheidung kann Jahre später in einer kontinentalen Frequenzaufzeichnung auftauchen.