Stabiler Netzbetrieb mit 100% Erneuerbaren Energien

Die Netzregelung im europäischen Verbundnetznetz beruht auf den physikalischen Eigenschaften der großer Synchrongeneratoren in konventionellen Kraftwerken. Mit ihren rotierenden Massen sorgen diese Generatoren für die notwendige elektrische Stabilität der Stromversorgung. Nach wie vor muss daher zu jedem Zeitpunkt ein ausreichend hoher Anteil solcher sogenannter „Must-Run-Units“ am Netz angeschlossen sein, um die Systemstabilität zu gewährleisten. Um eine vollständige Umstellung des Energiesystems auf Erneuerbare Energien erreichen zu können, müssen zukünftig alle notwendigen Systemdienstleistungen durch moderne Anlagen bereitgestellt werden können.

Dafür bieten sich verschiedene Typen leistungselektronisch gekoppelter Anlagen, wie PV-Anlagen, Windenergieanlagen, Batteriespeicher aber auch HGÜ-Konverter sowie STATCOMs, an. Da solche stromrichterbasierten Anlagen im Gegensatz zum elektro-mechanischen Synchrongenerator jedoch ein entsprechendes elektrisches Verhalten nicht inhärent physikalisch besitzen, müssen geeignete regelungstechnische Lösung gefunden, implementiert und erprobt werden. Nur so kann zukünftig ein stabiler Netzbetrieb auch ohne Beteiligung großer Synchronmaschinen jederzeit gewährleistet werden.

Ein wesentliches Instrument für diesen Übergang ist die Entwicklung von Netzanschlussrichtlinien, die die Eigenschaften aller am Netz befindlichen Generatoren festlegen. Wir forschen daran, die Grundlagen für diese Richtlinien zu legen. Dafür untersuchen wir, welche Systemdienstleistungen bei der Einspeisung Erneuerbarer Energien erforderlich sind, um zum Beispiel zur Spannungs- und Frequenzhaltung beizutragen und im Fehlerfall das Netz zu stabilisieren. Um diese Erkenntnisse für die Praxis zu nutzen, arbeiten wir aktiv in Gremien mit, in denen Netzanschluss- und Prüfrichtlinien erarbeitet werden. Darüber hinaus unterstützen wir unsere Partner bei der richtlinienkonformen Umsetzung der sich Anforderungen, die sich kontinuierlich mit dem Ausbau der Erneuerbaren Energien weiterentwickeln.

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Stabiler Netzbetrieb mit 100% Erneuerbaren Energien« umfassen:

• Dynamische Blindleistungsbereitstellung
• Netzstützung im Fehlerfall
• Auslegung von Schutzsystemen
• Netzanschlussregeln und Prüfrichtlinien

Blindleistung fällt im Energiesystem einerseits in Freileitungen, Erdkabeln, Transformatoren und Motoren an, andererseits kann sie auch gezielt zur Einhaltung von Spannungsbändern in Stromnetzen eingesetzt werden. Durch die Dezentralisierung des Energiesystems ändert sich auch die Blindleistungsbereitstellung, wenn Großkraftwerke im Übertragungsnetz für den zentralen Blindleistungsausgleich wegfallen. Zudem wird laut Studienlage der Bedarf an Blindleistung generell steigen und aufgrund der fluktuierenden Einspeisung von Wind- und PV-Kraftwerken ebenfalls stärkeren Schwankungen unterworfen sein.

Mithilfe von Wechselrichtern, die in Wind- und PV-Kraftwerken sowie in Batteriespeichern zum Einsatz kommen, kann Blindleistung dezentral und hochdynamisch bereitgestellt werden. Dies bietet prinzipiell die Chance, das Blindleistungsmanagement im Stromnetz lokaler, schneller und präziser durchzuführen. Allerdings sind dafür neuartige, innovative Methoden für Netzplanung, Betriebsführung und Anlagenansteuerung erforderlich.

Wir forschen in diesem Themengebiet daran, die notwendigen Voraussetzungen für ein innovatives Blindleistungsmanagement zu schaffen. Dafür erstellen wir in Zusammenarbeit mit Forschungs- und Industriepartnern Simulationsmodelle von Stromnetzen und führen damit Netzsimulationen durch. Zudem nutzen wir unser messtechnisches Know-how zur Charakterisierung von Wechselrichtern, Generatoren und anderen Blindleistungsquellen. Damit tragen wir dazu bei, die Netzqualität in einem von Erneuerbaren Energien dominierten Energiesystem beizubehalten oder sogar zu erhöhen.

Die Stabilität der Stromnetze ist für Gesellschaft und Wirtschaft von zentraler Wichtigkeit. Damit es als Folge eines lokalen Fehlerfalls im Stromnetz nicht zu einem großräumigen oder gar europaweiten Stromausfall kommt, müssen PV-Anlagen ebenso wie andere dezentrale Erzeugungsanlagen bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen am Netz bleiben und netzstützenden Kurzschlussstrom einspeisen. Am Fraunhofer ISE beschäftigen wir uns seit mehr als zehn Jahren mit derartigen Fragen der dynamischen Netzstützung. Wir führen Spannungseinbruchsversuche durch und zeichnen das Verhalten von Wechselrichtern und Generatoren mit unserer hochgenauen Messtechnik auf und analysieren dieses. Darüber hinaus entwickeln wir die Anforderungen an Erzeugungs- und Speicheranlagen nach den Anforderungen des Netzes weiter. Zunehmend geraten aber auch andere Netzfehler in den Fokus der Netzbetreiber und der Wissenschaft – insbesondere Frequenzabweichungen und zeitweilige Überspannungsereignisse sind hier zu nennen.

Die Gefährdungslage durch solche Fehler ist zwar nicht neu, das Problem kann sich aber durch die zunehmende Dezentralität der Stromversorgung verschärfen. Unsere Forschungsarbeit gilt deshalb der Untersuchung der Auftrittsursachen, der Häufigkeit und der Konsequenz diverser Netzfehlerereignisse. Dazu nutzen wir sowohl unsere exzellente Laborinfrastruktur mit eigenem Hochspannungstransformator, diversen Prüfeinrichtungen und Netzsimulatoren, als auch unsere profunden Modellierungs- und Simulationserfahrungen im Gebiet der Kurzschluss- und Netzberechnung.

Aufgrund der Dekarbonisierung befindet sich das elektrische Netz in einem strukturellen Umbauprozess. Der Zubau Erneuerbarer Energien ändert zunehmend den Leistungsfluss und die Dynamik im Netz. Die daraus entstehenden Auswirkungen betreffen auch die im Netz implementierten Schutzsysteme, die sogenannte Sekundärtechnik. Sowohl vorhandene als auch zukünftige Schutzsysteme müssen auch mit der hochdynamischen, aber auch fluktuierenden Einspeisung der dezentralen Erzeugungseinheiten sicher zwischen Betriebs- und Fehlerfall unterscheiden können. Die neuen Herausforderungen betreffen unter anderem die dezentrale Blindleistungsbereitstellung, sowie die geänderten Kurzschlussleistungen und die Gefahr des Auftretens von zusätzlichen Oberschwingungen. Wir forschen an der Sekundär- und Schutztechnik, die für Transformation des Energiesystems erforderlich ist. Neben detaillierten Netzsimulationen steht uns ein Laborzentrum zur Verfügung, in dem die Ergebnisse validiert und die Netzsituationen real nachgebildet werden können. Damit tragen wir dazu bei, dass die Schutztechnik mit den neuen Herausforderungen Schritt hält und somit der zuverlässige Netzbetrieb sichergestellt wird.

Netzanschlussrichtlinien sind ein wesentliches Instrument zur Gewährleistung eines sicheren Netzbetriebes mit dezentraler Einspeisung. Alle Netzteilnehmer müssen den hierin festgeschriebenen Anschlussbedingungen genügen. In Deutschland, aber auch international, haben sich in den letzten Jahren große Änderungen dieser Regeln ergeben, um der zunehmenden Dezentralisierung unseres Energiesystems Rechnung zu tragen.

In diesem Zuge wurden auch neue Prüfrichtlinien erarbeitet, die den Nachweis der in den Netzanschlussrichtlinien festgeschriebenen Eigenschaften von Wechselrichtern und Generatoren und die dafür notwendigen Tests und Untersuchungen festlegen.

Am Fraunhofer ISE tragen wir mit unserer Forschung dazu bei, diese Richtlinienarbeit wissenschaftlich zu begleiten. Wir sehen uns dabei als unabhängigen Partner im Spannungsfeld zwischen Netzbetreibern und Anlagenherstellern. Mit den Vermessungen von Wechselrichtern und Generatoren in unserem Multi-Megawatt Lab sowie der Modellierung von elektrischen Anlagen bieten wir neben dieser Forschungsarbeit direkte Hilfestellung für Anlagenhersteller und dienen als kompetente Ansprechpartner zu allen Fragestellungen in diesem Bereich.