Netzstabilität
Momentanreserve ohne konventionelle Kraftwerke – eine neue Ära der Netzstabilität
Momentanreserve für ein stabiles Stromnetz
Im europäischen Verbundnetz wird Stromverbrauchern eine Wechselspannung mit einer konstanten Frequenz von 50Hz zur Verfügung gestellt. Die eingespeiste Leistung muss zu jedem Zeitpunkt der verbrauchten Leistung entsprechen, da das Stromnetz keine Energie speichern kann. Für eine stabile Netzfrequenz müssen genügend Anlagen auf Frequenzänderungen reagieren und ihre abgegebene oder aufgenommene Leistung unmittelbar anpassen. Da die genutzten Energiequellen der Anlagen nur verzögert auf Schwankungen reagieren können, wird ein Pufferspeicher für Energie benötigt. Dieser gleicht kurzfristige Differenzen zwischen erzeugter und verbrauchter Energie aus. Diese erforderliche Eigenschaft wird als Momentanreserve bezeichnet. Sie ist die gesamte Energie, die frequenzabhängig in Erzeugungsanlagen oder Batteriespeichern zwischengespeichert wird, und zur kurzfristigen Stabilisierung der Netzfrequenz beiträgt. Die Leistungsabgabe aus der Momentanreserve erfolgt abhängig von spontanen Frequenzänderungen. Dem Netz wird dadurch Leistung so zur Verfügung gestellt oder entnommen, dass sich die Frequenz der Spannung nur langsam ändern kann.
In konventionellen Kraftwerken wird die Momentanreserve durch die rotierenden Massen bereitgestellt, welche mit den Synchrongeneratoren mechanisch gekoppelt sind. Ein plötzlicher Anstieg der verbrauchten Leistung wird von der Momentanreserve ausgeglichen. Die benötigte Energie wird aus der Rotation der Massen geliefert, was mit einer Verringerung der Frequenz von Generatoren und Netz einhergeht. Durch das Abbremsen der rotierenden Massen wird zusätzliche elektrische Leistung ins Netz eingespeist. So wird einem Frequenzabfall aufgrund erhöhten Stromverbrauchs entgegengewirkt. Ein Teil der in der rotierenden Massen gespeicherten Rotationsenergie wird demzufolge ohne Zeitverzug in elektrische Energie umgewandelt und in das Netz eingespeist.
Umgekehrt führt ein Überangebot an Leistung zu einem Anstieg der Frequenz. Dabei wird die Energiedifferenz in der erhöhten Rotationsfrequenz der Massen gespeichert. Die Rotationsenergie nimmt dadurch zu und die Turbinen in den Kraftwerken werden mechanisch beschleunigt. Je größer die gesamte Trägheit im System ist, desto robuster verhält sich die Netzfrequenz gegenüber kurzfristigen Leistungsschwankungen.
Warum nimmt die Momentanreserve im europäischen Verbundnetz ab?
Bisher wird die Momentanreserve von Synchrongeneratoren großer Kraftwerke geliefert, die direkt eine Wechselspannung bereitstellen. Synchrongeneratoren rotieren mechanisch exakt mit der Frequenz des Netzes. Durch diese direkte Frequenzkopplung wird die mechanische Rotation bei steigender Frequenz im Netz beschleunigt und bei fallender Frequenz gebremst. Die meisten erneuerbaren Energieanlagen stellen dagegen zunächst eine Gleichspannung bereit. Die für das Netz benötigte Wechselspannung wird anschließend von Wechselrichtern gebildet. Diese arbeiten bisher so, dass sie sich an die gemessene Netzfrequenz anpassen und eine konstante Leistung einspeisen. Sie werden deshalb „netzfolgend“ genannt.
Netzfolgende Anlagen leisten keinen Beitrag zum unmittelbaren Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch. Durch den Ausbau erneuerbarer Energien nehmen die rotierenden Massen immer weiter ab und damit die für die Netzstabilität benötigte Frequenzträgheit. Eine zu geringe Momentanreserve kann dazu führen, dass die Stromversorgung nach einer Störung nicht mehr stabil ist, weil sich die Netzfrequenz zu schnell ändert.
Ersatz für die Momentanreserve konventioneller Kraftwerke
Die stabilisierenden Eigenschaften der Synchrongeneratoren werden im Projekt SUREVIVE auf die wechselrichterbasierte Einspeisung übertragen. Hierzu ist ein „netzbildender“ Betrieb der Wechselrichter vorgesehen. Die Energie der Momentanreserve wird von Batteriespeichern bereitgestellt. Die Regelung erfolgt so, dass das elektrische Verhalten eines Synchrongenerators virtuell nachgebildet wird. Dadurch soll die Netzstabilität auch bei vollständiger Bedarfsdeckung aus erneuerbaren Energien gewährleistet werden können.
Projekt SUREVIVE: Test unter realen Bedingungen
In Ländern wie Australien und Großbritannien werden netzbildende Wechselrichter in Pilotprojekten bereits erfolgreich eingesetzt. In Kombination mit Batteriespeichern liefern sie Momentanreserve, auch ohne konventionelle Kraftwerke: Ein gutes Zeichen für die Umstellung des europäischen Stromnetzes.
Jedoch unterscheidet sich das europäische Stromnetz von dem in Australien oder Großbritannien. Viele organisatorische und technische Fragen sind noch offen. Dabei spielt SUREVIVE eine zentrale Rolle.
SUREVIVE untersucht, wie netzbildende Wechselrichter in das Stromnetz des europäischen Festlands integriert werden können. Dafür werden sie samt Batteriespeicher in Föhren (Rheinland-Pfalz) installiert und getestet.
Voruntersuchungen minimieren technische Risiken. Der Betrieb wird durch präzise Messtechnik und ein erfahrenes Forschungsteam begleitet. Ziel ist es, mehrere netzdienliche Funktionen zu übernehmen:
- Frequenzstützung und Momentanreserve: Schnelle Leistungsregelung zur Frequenzstabilisierung
- Energetischer Ausgleich: Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch des lokalen Stromnetzes am Umspannwerk
Schwarzstartfähigkeit erproben – wie gelingt der Wiederaufbau des Stromnetzes?
Schwarzstartfähigkeit bedeutet, dass eine Anlage nach einem Ausfall des Stromnetzes eigenständig wieder hochgefahren werden kann. Durch die direkte Anbindung des Batteriespeichers an ein Umspannwerk entstehen ideale Bedingungen, um schwarzstartfähige und netzstabilisierende Steuerungskonzepte zu erproben. Bisher genutzte Schwarzstartlösungen reichen in Szenarien wie einem großflächigen Blackout oft nicht aus. Deshalb wird hier getestet, wie Batteriespeicher und Wechselrichter gemeinsam das lokale Netz eigenständig wieder in Betrieb nehmen können.
Auf dem Weg zur breiten Anwendung in Europa
Die Erkenntnisse aus dem SUREVIVE-Projekt sollen die Technologie im europäischen Stromnetz breit anwendbar machen. Die Ergebnisse werden wissenschaftlich ausgewertet und fließen in konkrete Empfehlungen für Netzbetreiber, Anlagenbetreiber und Regulierungsbehörden ein.
Zukunftssichere Energie: Batteriespeicher im Fokus
Neben der Speicherung und Bereitstellung von Energie kann ein Batteriespeicher durch netzbildende Wechselrichtertechnologie aktiv zur Netzstützung beitragen.