Analyse verschiedener Methoden zur Berechnung tertiärer Regelungsreserven für erneuerbare Energien in Japan

Die Lichter am Laufen halten, wenn das Wetter unvorhersehbar ist

Je stärker Japan auf Solar- und Windkraft setzt, desto dringlicher wird eine Frage: Wie hält man die Stromversorgung stabil, wenn Sonnenschein und Wind am nächsten Tag nie ganz so sind, wie vorhergesagt? Diese Studie blickt in das Herz des japanischen Strommarkts, um zu untersuchen, wie Netzbetreiber Ausgleichsenergie einkaufen, um plötzliche Rückgänge bei Erneuerbaren abzudecken, und ob die derzeitigen Regeln für das eingesetzte Geld die gewünschte Zuverlässigkeit liefern.

Warum Ausgleichsenergie für sauberen Strom wichtig ist

Solar- und Windanlagen verhalten sich nicht wie konventionelle Kohle- oder Gaskraftwerke. Ihre Einspeisung steigt und fällt mit Wolken und Windböen, teilweise auf Arten, die Prognosen nicht erfassen. Fällt die Solarproduktion hinter die am Vortag erwartete Menge zurück, kann das Netz in letzter Minute nach Strom ringen, was Frequenzprobleme oder sogar Ausfälle zur Folge haben kann. Als Absicherung müssen die japanischen Netzbetreiber eine spezielle Form von Reserve kaufen, die Replacement Reserve for Feed‑in‑Tariff‑Erneuerbare (RR‑FIT), die dazu gedacht ist, unerwartete Defizite großer Solar‑ und Windparks abzudecken.

Wie Japan seine Sicherheitsreserve derzeit beschafft

Die RR‑FIT wird mit einem Regelwerk berechnet, das von der nationalen Koordinationsstelle der Übertragungsnetzbetreiber festgelegt wurde. Für jedes halbstündige Zeitfenster des kommenden Tages ziehen die Netzbetreiber zwei Jahre vergangener Prognosefehler heran, unterteilen diese nach Tageszeit und Leistungsbereich und betrachten die größten Fehler, die unter diesen Bedingungen auftraten. Anschließend versuchen sie, Fehler auszuschließen, die nahe an der Echtzeit auftreten und durch eine separate, schnellere Reserve gedeckt werden—dazu subtrahieren sie einen hohen „Tail“-Wert der Stunde‑vor‑Stunde‑Fehler von einem ähnlich hohen Wert der Tag‑vor‑Stunde‑Fehler. Das ergibt eine umfangreiche Tabelle empfohlener Reservegrößen, die theoretisch fast alle schwerwiegenden Überschätzungen der Einspeisung durch erneuerbare Energien abdecken sollte.

Was reale Daten über die Schwächen verraten

Anhand von fünf Jahren detaillierter Betriebsdaten aus der Chubu‑Region—einem der größten Stromsysteme Japans—zeigen die Autoren, dass die aktuelle RR‑FIT‑Methode nicht hält, was sie verspricht. Obwohl sie sehr seltene, extreme Fehler adressiert, deckten die resultierenden Reserven die relevanten Prognosedefizite nur in etwa 70–80 Prozent der Fälle ab, und in einigen Stunden entstanden Reservelücken von mehr als 2 Gigawatt. Ein Teil des Problems ist mathematischer Natur: Die Subtraktion zweier separat berechneter „Worst‑Case“-Werte entspricht nicht der direkten Bemessung der Reserve aus der tatsächlichen Differenz zwischen Tag‑vor‑Stunde‑ und Stunde‑vor‑Stunde‑Prognosen für jede Stunde. Außerdem teilt die aktuelle Methode die Daten in grobe Blöcke nach Zeit und Leistungsniveau, was zu lückenhafter Statistik, vielen Nullen oder inkonsistenten Werten und der Notwendigkeit ad‑hoc Korrekturen führt.

Intelligentere Methoden zur Bemessung des Sicherheitsnetzes

Um diese Probleme zu beheben, testet die Studie zwei Verbesserungen. Die erste (Modifikation I) bemisst die Reserve direkt aus der Verteilung der Differenz zwischen Tag‑vor‑Stunde‑ und Stunde‑vor‑Stunde‑Prognosefehlern, statt aus der Differenz ihrer separaten Extremwerte. Die zweite (Modifikation II) glättet die blockartige Reservetabelle zu einer kontinuierlichen Kurve mittels Splines, sodass ähnliche Prognosepegel ähnliche Reserveempfehlungen erhalten. Auf die gleichen Chubu‑Daten angewendet, bringen diese Änderungen die Reservegrößen näher an das tatsächliche Prognoseverhalten. So deckte etwa im Jahr 2021 eine niedrigere statistische Schwelle in Kombination mit beiden Modifikationen Erzeugungsdefizite zu 78,7 Prozent ab und erforderte dabei nur 2,3 Terawattstunden RR‑FIT—etwa 7 Prozentpunkte mehr Abdeckung bei fast 30 Prozent weniger Reserve im Vergleich zur aktuellen Regel. Die verbesserten Methoden verringerten außerdem die größten stündlichen Reservedefizite und reduzierten unnötige Überschüsse.

Versteckte Hilfe durch andere Reserven und Marktgestaltung

Trotz der Schwächen der RR‑FIT ist die Zuverlässigkeit des japanischen Netzes nicht gesunken. Der Grund: Ein anderer Vorrat an Ausgleichsenergie—die Stunde‑vor‑Stunde‑Reserve—fängt stillschweigend einen Großteil der Lücken auf. Kombinieren die Autoren RR‑FIT mit den verbliebenen Stunde‑vor‑Stunde‑Reserven, die für ihren ursprünglichen Zweck nicht benötigt wurden, liegt die Gesamtdeckung der Prognosefehler für Erneuerbare selbst bei moderaten RR‑FIT‑Niveaus über 95 Prozent. Dieser Maskierungseffekt kann dazu führen, dass Systembetreiber und Politik die Leistungsfähigkeit der RR‑FIT allein überschätzen und erschwert die Beurteilung, wie viel dieser teuren Reserve tatsächlich notwendig ist.

Was das für zukünftige Erneuerbare und Kosten bedeutet

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Japan Zuverlässigkeit verbessern und Kosten sparen kann, indem es die Bemessung der Reserven für Erneuerbaren‑Ausfälle ändert. Die direkte Nutzung der Statistik der Prognosefehlersdifferenzen und die Glättung der Reservekurve führen zu einer besseren Übereinstimmung zwischen Ausgleichsenergie und tatsächlichem Risiko. Die Ergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass die derzeitigen RR‑FIT‑Mengen deutlich reduziert werden könnten, ohne den Gesamtschutz wesentlich zu verringern, weil die Stunde‑vor‑Stunde‑Reserven bereits sehr üppig sind. Für Länder weltweit, die Netze mit hohem Anteil an Wind und Sonne planen, ist die Botschaft klar: Intelligente Reserveberechnung und Marktregeln müssen sich gemeinsam weiterentwickeln, sonst drohen überhöhte Kosten für Reserve, die nicht dort eingesetzt wird, wo sie am dringendsten gebraucht wird.

Zitation: Fonseca, J.G.S., Hori, T. & Ogimoto, K. Analysis of different methods to calculate tertiary regulation reserves for renewable energy in Japan. Sci Rep 16, 8348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37441-x

Schlüsselwörter: Reserven für erneuerbare Energien, Zuverlässigkeit des Stromnetzes, Unsicherheit bei Prognosen, Strommärkte, Japanisches Energiesystem