Ett stabilt elnät är grundläggande för ett tillförlitligt och hållbart energisystem. Kredit:Markus Breig, KIT
En hållbar energiförsörjning kräver utbyggnad av elnät. Nya transmissionsledningar kan dock också leda till att näten blir mer instabila snarare än stabilare, vilket man kan förvänta sig. Detta fenomen kallas Braess-paradoxen.
För första gången har ett internationellt team, inklusive forskare från Karlsruhe Institute of Technology (KIT), nu simulerat detta fenomen i detalj för elnät, demonstrerat det i större skala och utvecklat ett prediktionsverktyg som ska stödja elnätet operatörer i beslutsfattandet. Forskarna rapporterar i tidskriften Nature Communications .
Den hållbara omvandlingen av energisystemet kräver en utbyggnad av näten för att integrera förnybara källor och transportera el över långa avstånd. En sådan utbyggnad kräver stora investeringar och syftar till att göra näten mer stabila. Men genom att uppgradera befintliga linjer eller lägga till nya kan nätet bli mer instabilt snarare än stabilare, vilket resulterar i strömavbrott.
"Vi talar då om Braess-paradoxen. Detta fenomen säger att ett ytterligare alternativ leder till en försämring av den övergripande situationen istället för till en förbättring", säger Dr Benjamin Schäfer, chef för Data-driven Analysis of Complex Systems (DRACOS) forskargrupp vid KIT Institute for Automation and Applied Informatics.
Fenomenet är uppkallat efter den tyske matematikern Dietrich Braess, som först diskuterade det för vägnät:Under vissa förutsättningar kan byggandet av en ny väg öka restiden för alla trafikanter. Denna effekt har observerats i trafiksystem och diskuterats för biologiska system. För elnät har det hittills bara förutspåtts teoretiskt och illustrerats i mycket liten skala.
Forskare simulerar tyskt elnät inklusive planerade utbyggnader
Forskare under ledning av Dr Schäfer har nu simulerat fenomenet i detalj för elnät för första gången och demonstrerat det i större skala. De simulerade det tyska elnätet, inklusive planerade förstärkningar och utbyggnader. I en experimentell uppställning i laboratoriet som visar Braess-paradoxen i ett växelströmsnät, observerade forskarna fenomenet i simulering och i experiment, med särskild tonvikt på cirkulära flöden.
De senare är avgörande för att förstå Braess-paradoxen:En kraftledning förbättras, till exempel genom att minska dess motstånd, och kan då bära mer ström. "På grund av bevarandelagar ger detta upphov till ett nytt cirkulärt flöde, och mer ström flyter sedan i vissa ledningar och mindre i andra", förklarar Schäfer. "Detta blir ett problem när den mest belastade ledningen måste bära ännu mer ström, blir överbelastad och så småningom måste stängas av. Detta gör nätet mer instabilt och i värsta fall kollapsar det."
Intuitiv förståelse möjliggör snabba beslut
De flesta elnät har tillräcklig reservkapacitet för att motstå Braess-paradoxen. Vid byggande av nya ledningar och under drift undersöker nätoperatörerna alla möjliga scenarier. Men när beslut måste fattas med kort varsel, till exempel att stänga ledningar eller flytta kraftverkseffekt, finns det inte alltid tillräckligt med tid för att gå igenom alla scenarier. "Då behöver man en intuitiv förståelse för cirkulära flöden för att kunna bedöma när Braess-paradoxen inträffar och därmed fatta rätt beslut snabbt", säger Schäfer.
Tillsammans med ett internationellt och tvärvetenskapligt team har forskaren därför utvecklat ett prediktionsverktyg för att hjälpa nätoperatörer att ta hänsyn till Braess-paradoxen i sina beslut. "Resultaten av forskningen har möjliggjort en teoretisk förståelse av Braess-paradoxen och gett praktiska riktlinjer för att planera nätutbyggnader på ett förnuftigt sätt och stödja nätstabilitet", säger Schäfer. + Utforska vidare
