Hightech-Strategie

Erneuerbare Energien und stabile Netze

2050 werden Windparks, Solar- und Biogasanlagen mindestens 80 Prozent unseres Stroms erzeugen. Das führt zu Problemen beim Stromnetz. Es muss stabil sein, auch wenn der Strom weite Strecken zurücklegen muss. Im Rahmen der neuen Hightech-Strategie, arbeitet die Forschung an Lösungen - Zukunftsaufgabe "Nachhaltiges Wirtschaften und Energie".

Mitarbeiterinnen des Fraunhofer-Institus sitzt vor vielen Monitoren.

Das Zusammenspiel der Kraftwerke und Netze wird per Leitwarte geregelt

Foto: IWES

Die Stromerzeugung aus Sonne, Wind, Wasser und Biomasse erreichte 2014 mit rund 157 Milliarden Kilowattstunden (kWh) einen neuen Höchststand. Diese Summe entspricht rein rechnerisch dem durchschnittlichen Jahresbedarf von etwa 43 Millionen Drei-Personen-Haushalten. Aber für eine sichere Stromversorgung braucht es mehr als Kilowattstunden.

Elektrizität muss über weite Strecken transportiert werden können. Und das geht nur, wenn überall in den Stromleitungen die Netzstabilität gewahrt bleibt. Das heißt, Spannungen und Frequenzen müssen innerhalb bestimmter, eng definierter Parameter konstant bleiben. Insbesondere für die Aufrechterhaltung der Frequenzstabilität ist kurzfristig verfügbare Kraftwerksleistung wichtig, die Schwankungen im Netz ausgleichen kann.

Integration ins Stromnetz

Sind die Erneuerbaren in der Lage, mit der Strom-Vollversorgung auch die leitungstechnischen Aufgaben zu übernehmen, die bisher die konventionellen Großkraftwerke innehaben? Dieser Frage ging ein mehrjähriges Forschungsprojekt nach, das von der Bundesregierung mit insgesamt 1,8 Millionen Euro gefördert wurde.

Dass erneuerbare Energien den deutschen Strombedarf komplett decken können, wurde bereits 2007 mit dem Vorgängerprojekt Kombikraftwerk 1 nachgewiesen. In dem anschließenden Forschungsprojekt Kombikraftwerk 2 ging es vor allem um die Netzstabilität und die Sicherheit unserer Energieversorgung bei einer rein regenerativen Stromerzeugung. Dazu wurden unter anderem die Frequenz- und Spannungshaltung im Stromnetz mittels Erneuerbare-Energien-Anlagen erforscht.

Für die Netzstabilität müssen die Energieerzeugungsanlagen zwei Leistungen erbringen:

1. Regelleistung: Diese brauchen die Netzbetreiber, um die Frequenz im Stromnetz bei 50 Hertz zu halten. Dafür halten die Kraftwerke wiederum Kapazitäten vor, mit denen es möglich ist, innerhalb kürzester Zeit die Stromleistung zu erhöhen oder zu drosseln. Sinkt die Frequenz ab, wird positive Regelleistung bereitgestellt, indem die Kraftwerke ihre Leistung erhöhen. Steigt die Frequenz an, wird im Netz zu viel Energie produziert. "Negative Regelleistung" gibt es, wenn zum Beispiel Kraftwerke ihre Leistung mindern – oder wenn in Zukunft flexible Verbraucher Ihren Strombedarf kurzfristig erhöhen.

2. Spannungshaltung: Fließt Wechselstrom durch eine Leitung, entstehen um sie herum Paare von elektronischen Feldern und ein magnetisches Feld. Nur wenn diese Felder im Gleichklang schwingen, kann die notwendige Netzspannung von einigen Tausend Volt aufrechterhalten werden. Bei einer Freileitung von mehreren Hundert Kilometern geht jedoch dieser gemeinsame Takt verloren. Das liegt am physikalischen Widerstand der Leitung. In so einem Fall ist eine Stromzufuhr (so genannter Blindstrom) nötig. Hierdurch überlagern sich die Felder und kommen wieder in Gleichklang.

Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel hat sich mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft zusammengetan. "Nachdem wir schon 2007 mit der Bedarfsdeckung durch ein Regeneratives Kombikraftwerk viele Vorurteile widerlegen konnten, wollten wir uns nun einer neuen Herausforderung stellen und detailliert die Versorgungssicherheit einer rein auf erneuerbaren Energiequellen basierenden Stromerzeugung untersuchen", erläutert Dr. Kurt Rohrig, stellvertretender Leiter des Fraunhofer IWES. In Modellen und Feldversuchen testeten die Forscher, wie sich Wind-, Biogas- und Photovoltaikanlagen verknüpfen und zentral steuern lassen.

Netzstabilität gewährleisten

Im Forschungsprojekt "Kombikraftwerk 2" stand die Frage im Vordergrund, ob auch die für die Versorgungssicherheit unabdingbare Netzstabilität in einem Stromsystem mit 100 Prozent erneuerbaren Quellen jederzeit gewährleistet werden kann.

Voraussetzung für die Netzstabilität ist, dass die Frequenz und die Spannung an jedem Ort des Stromnetzes und zu jedem Zeitpunkt innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen. Zu große Abweichungen der Spannung können nur lokal, d.h. durch nahegelegene Anlagen behoben werden, während auf Frequenzabweichungen vor allem sehr schnell reagiert werden muss. Diese Maßnahmen zum Erhalt der Netzstabilität werden als Systemdienstleistungen bezeichnet.

Unter möglichst realen Bedingungen wurde untersucht, ob die im System voraussichtlich verfügbaren Anlagen an den richtigen Orten ans Stromnetz angeschlossen sind, um die Spannung zu halten, und ob ihre technischen Fähigkeiten ausgereift genug sind, um auf schnelle Frequenzabweichungen zu reagieren.

Simulation und Feldtest

In einem ersten Schritt wurde ein Simulationsmodell entwickelt, um ein künftiges System allein auf Basis erneuerbarer Energien zu untersuchen. Ein Feldtest mit heutigen realen Anlagen ergänzte diese Simulation. Dabei wurden Biogasanlagen in Rheinland-Pfalz, ein Verbund von Photovoltaikanlagen in Hessen und Windparks in Brandenburg zusammengeschaltet und über eine Leitwarte entsprechend den Erfordernissen der Netzstabilität ferngesteuert. Der Aufwand für das Experiment war groß, vor allem die Kommunikation der Ökostrom-Kraftwerke beim Feldtest untereinander war eine Herausforderung.

In der Simulation wurde für die Erzeugung ein Strommix von 60 Prozent Wind, 20 Prozent Photovoltaik, 10 Prozent Bioenergie und 10 Prozent Wasserkraft und Geothermie angesetzt. Die Simulation der Verteilung der Stromproduktion in Deutschland erfolgte mittels eines komplexen Verfahrens. Damit konnte ein komplettes standortgenaues Versorgungssystem modelliert werden. Das war die Grundlage, um intensive Netzstabilitätsberechnungen durchführen zu können. Im August 2014 legten die Forscher den Abschlussbericht zum "Kombikraftwerk 2" vor, in welchem die Ergebnisse von Modellversuch und Zukunftssimulation zusammengefasst sind.

Ergebnisse sind vielversprechend

Die Forscher stellten fest: Die heutige Versorgungsqualität ist auch mit einer intelligenten Kombination aus erneuerbaren Energien, Speichern und Backupkraftwerken mit erneuerbarem Gas erreichbar. Langfristig können wir also auf fossile und nukleare Energiequellen in der Stromerzeugung gut verzichten. "Dazu muss das System aber technisch und regulatorisch weiterentwickelt und konsequent auf die erneuerbaren Energien ausgerichtet werden", bewertet Kaspar Knorr, Projektleiter beim m IWES, die Ergebnisse.

Die Regulierung des Stromverbrauchs, also ein realistisches Lastmanagementpotenzial, wurde im Modell berücksichtigt. Dies reiche aber allein nicht aus, um Erzeugung und Verbrauch in Einklang zu bringen, so das Ergebnis im Projekt. Der Bau von Energiespeichern ist für die 100 Prozent erneuerbare Stromversorgung notwendig. Die Forscher empfehlen deshalb, neuartige Speichertechnologien wie Power-to-Gas weiter zu erforschen und zu entwickeln.

Der Feldtest hat bestätigt, dass erneuerbare Energien schon heute technisch in der Lage sind, Regelleistung zu erbringen. So werden bereits Biomasseanlagen für die Bereitstellung von Regelleistung eingesetzt. Eine wichtige Voraussetzung für mehr Netzsicherheit sehen die Forscher darin, dass dezentrale Erneuerbare-Energien-Anlagen mit sicheren und leistungsfähigen Kommunikationsstandards überwacht und gesteuert werden können. Eine Verknüpfung der Anlagen in Kombikraftwerken erweitert den Handlungsspielraum der erneuerbaren Energien zur Gewährleistung der Netzsicherheit.

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