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Verteilung der Energieerzeugung, Jahresenergieerträge sowie installierte Leistungen und Volllaststunden im Überblick.
© Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES, Kassel
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Lokale Spannungshaltung sorgt für stabiles Netz

In einer Netzebene darf die Spannung um maximal zehn Prozent schwanken. Liegt sie darüber, können Schäden an Isolatoren oder Bauteilen entstehen. Zudem steigt die Gefahr eines Kurzschlusses. Fällt die Spannung zu weit ab, kann das System instabil werden und zusammenbrechen. Eine wesentliche Aufgabe der Netzbetreiber ist daher, das Spannungsniveau aufrecht zu halten. Im Gegensatz zur Frequenzhaltung erfolgt die Spannungshaltung lokal. Dazu ist sogenannte Blindleistung notwendig. Diese erzeugt zwar einen Stromfluss, der jedoch keine Arbeit verrichten kann. Durch gezieltes Hinzufügen von positiver oder negativer Blindleistung können Netzbetreiber so die Spannung beeinflussen.

Die Spannungen der einzelnen Netzknoten beeinflussen sich zudem gegenseitig. Das bedeutet: Bei allen Verfahren zur Spannungshaltung müssen auch die benachbarten Knoten in die Berechnungen mit aufgenommen werden. Im Projekt haben die Entwickler eine Proportionalregelung entworfen, mit deren Hilfe es möglich ist, die Spannung immer innerhalb des vorgegebenen Spannungsbandes zu halten. Lediglich an einigen Einspeiseknoten lag die Spannung etwas ober- beziehungsweise unterhalb der Toleranz. Insgesamt attestieren die Forscher dem Szenario, dass es auch beim Einsatz von erneuerbaren Energien die Spannung dank der neuen Regelung unabhängig von der Jahreszeit im vorgegebenen Band halten kann. Die geplanten Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Trassen können zudem dabei helfen, hohe Blindleistungen beim Leistungstransport zu verringern.

Versorgungswiederaufbau von unten nach oben

Derzeit bauen die Netzbetreiber nach einem Stromausfall die Spannung von der Höchstspannung abwärts zur Niederspannung wieder auf. Das bedeutet: Zunächst sorgen große Kraftwerke für ein stabiles Netz auf der 400-kV-Ebene, ehe darunterliegende Netzbereiche zugeschaltet werden. Dieses Verfahren wird bei einer Versorgung mit vielen Erzeugern in der Nieder- und Mittelspannungsebene nicht funktionieren. Daher haben die Ingenieure einen Versorgungswiederaufbau von unten nach oben untersucht. Das funktioniert so: Nach einem Stromausfall bilden sich mehrere Inselnetze, ohne dass die Höchstspannungsebene unter Spannung steht. Wenn die Inseln stabil laufen, können sie verbunden werden. Danach schalten sie sich auf das Übertragungsnetz. Um das zu testen, haben die Entwickler einen Versuchsaufbau realisiert. Dieser bildete ein typisches Verteilnetz aus Biogasanlage, Windenergieanlage, regelbaren und nichtregelbaren Lasten nach. Zum Testbeginn war die Anlage vom Verbundnetz getrennt, nach und nach konnten die Ingenieure die einzelnen Teile aktivieren – bis das Netz am Schluss stabil lief und sich mit dem Verbundnetz synchronisieren konnte. Die Schlussfolgerung: Ein Versorgungswiederaufbau von unten und eine Spannungshaltung mit erneuerbaren Energien ist möglich.

Speichertechniken für Zeiten ohne Sonnenschein und Wind

Doch was ist, wenn der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint? Dafür sind Speichertechnologien notwendig. Zudem springen dauerhaft verfügbare Anlagen wie zum Beispiel Biomasse-Kraftwerke im Notfall ein. Damit auch bei anhaltend schlechtem Wetter eine sichere Versorgung gewährleistet ist, muss überschüssige Energie gespeichert werden. Die Forscher setzen dabei hauptsächlich auf das sogenannte Power-to-Gas-Verfahren. Die überschüssige Energie spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff lässt sich in einer chemischen Reaktion methanisieren und in das Erdgasnetz einspeisen. Über Gaskraftwerke kann dann bei schlechtem Wetter eine Rückverstromung erfolgen. Ein effektiver Netzausbau kann dabei helfen, Erneuerbare Energien zu unterstützen. Im Zusammenspiel mit neuen Stromspeichern lässt sich so das notwendige Grundgerüst schaffen. Die Forscher gehen davon aus, dass Großspeicher bis zum Jahr 2050 technisch ausgereift und wirtschaftlich sind. Weiterhin besitzt in der Simulation jede dritte Photovoltaikanlage auf Gebäuden eine Batterie. Die schon jetzt erfolgreich im Einsatz befindlichen Pumpspeicher-Kraftwerke unterstützen die neuen Energiespeicher.

Bis 2050 sind neue Innovationen notwendig

Weiteren Entwicklungsbedarf sehen die Forscher unter anderem beim Anteil netzbildender Umrichter, der Spannungshaltung aus unterlagerten Netzebenen im Zusammenspiel mit dem Übertragungsnetz, bei Untersuchungen zum Kurzschlussstrom und bei weiteren Simulationen zur Netzstabilität. Außerdem sehen sie die weitere Kopplung zwischen Stromversorgung, Verkehr und Wärmenetzen als einen Schlüssel zur Energieversorgung der Zukunft. Darüber hinaus muss das bestehende Stromnetz ausgebaut und optimiert werden. Aktuelle Forschungsprojekte zu diesen Themen laufen unter anderem innerhalb der Forschungsinitiativen Energiespeicher und Zukunftsfähige Stromnetze.

Projektinfo 06/2015:
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Industriepartner
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Industriepartner
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Zukunftsfähige Stromnetze
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