Erneuerbare Energien als Dienstleister der Netze

Mitarbeiterinnen des Fraunhofer-Institus sitzt vor vielen Monitoren.

Das Zusammenspiel der Kraftwerke und Netze wird per Leitwarte geregelt

Foto: IWES

Wind, Sonne und Co. haben 2012 rund 136 Milliarden Kilowattstunden Strom produziert – eine Summe, die rein rechnerisch den durchschnittlichen Jahresbedarf von knapp 39 Millionen Drei-Personen-Haushalten abdeckt. 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 stabile technische Bedingungen, also stabile Spannungen, herrschen. Außerdem ist für die Netzstabilität auch kurzfristig verfügbarer Strom aus Kraftwerken wichtig, um eine stabile Frequenz aufrechtzuerhalten.

Integration ins Stromnetz

Sind die Erneuerbaren in der Lage, mit der Strom-Vollversorgung auch die leitungstechnischen Aufgaben zu übernehmen, die bisher die konventionellen Großkraftwerke inne haben? Dieser Frage geht ein mehrjähriges Forschungsprojekt nach, das vom Bundesumweltministerium mit insgesamt 1,8 Millionen Euro gefördert wird.

Unter dem Titel "Kombikraftwerk 1 und 2" hat sich das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel mit neun Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft zusammengetan. In Modellen und Feldversuchen testen die Forscher, wie sich Wind-, Biogas- und Photovoltaikanlagen verknüpfen und zentral steuern lassen.

Für die Netzstabilität müssen die Kraftwerke 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.

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.

Tests im Labor und im Feld

Die Forscher aus Kassel haben 2007 mit dem "Kombikraftwerk 1" nachweisen können, dass ein Verbund aus Windenergie-, Photovoltaik- und Biogasanlagen jederzeit den Strombedarf decken kann. Für den Oktober 2013 haben sich die Projektpartner einen weiteren Test unter realen Wetterbedingungen vorgenommen.

Bei diesem Versuch geht es darum, die Regelleistung zur Einhaltung der Frequenz bereitzustellen. Dabei werden drei Biogasanlagen in Rheinland-Pfalz, ein Verbund von Photovoltaikanlagen in Hessen und zwei Windparks in Brandenburg zusammengeschaltet. Eventuell kommen noch weitere Biogas- und eine große Photovoltaikanlage hinzu. "Haben wir vor ein paar Jahren die Versorgungszuverlässigkeit getestet, so steht nun die Versorgungsqualität auf dem Prüfstand", sagt Kaspar Knorr, der Projektleiter von "Kombikraftwerk 2" am IWES.

Der Aufwand für das Experiment ist groß, vor allem die Kommunikation der Ökostrom-Kraftwerke untereinander ist eine Herausforderung. Noch kommunizieren die einzelnen Kraftwerken mit der zentralen Steuerung (Leitwarte) über unterschiedliche Protokolle, Übertragungstechniken und Sicherheitskonzepte. Zudem muss innerhalb von Sekunden kommuniziert werden. Knorr ist dennoch zuversichtlich, dass der Versuch gelingt. Erste Vorabtests mit den Windenergie-Kraftwerken seien erfolgreich verlaufen.

Blick in die Zukunft

Das Forschungsprojekt "Kombikraftwerk 1 und 2" hat auch zum Ziel, ein genaueres Szenario für eine Vollversorgung mit Erneuerbaren Energien im Jahre 2050 zu entwickeln. Knorr und seine Kollegen haben in detaillierten Simulationsrechnungen für das Bundesgebiet festgestellt: Eine Stromversorgung ausschließlich mit Wind, Sonne und Biomasse gelingt.

Und was geschieht bei Produktionsflauten wegen Wolken und/oder Windstille? Dann, so die Forscher, könne gut Methan einspringen, das mit überschüssigem Strom hergestellt und unterirdisch gelagert wird.