In Zukunft wird immer mehr Strom aus Sonne und Wind ins Netz eingespeist. Dieses muss den hohen Strommengen standhalten, die je nach Wetter auch noch stark schwanken können. Forscher von Siemens und der Technischen Universität München entwickeln Lösungen, die das Stromnetz für die grüne Welle rüsten sollen.
Die Netze sichern: In einem Pilotprojekt bei Fürth setzen Siemens-Forscher spezielle Wechselrichter ein, die regulierend in die Netze eingreifen. Dadurch kann mehr Ökostrom eingespeist werden.
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Dunkelblau ist das neue Rot. Zumindest wenn es um die noch roten Hausdächer in Wohngebieten geht. Denn seit in Deutschland im Jahr 2000 das Erneuerbare-Energien-Gesetz beschlossen wurde – und in rund 50 weiteren Staaten als Vorbild für deren eigene Förderinstrumente herangezogen wurde –, verwandeln sich immer mehr Dächer durch Photovoltaikanlagen in kleine blaue Kraftwerke. Mit den damit einhergehenden Problemen wie der drohenden Überlastung ganzer Ortsnetze beschäftigen sich Wissenschaftler von Siemens und der Technischen Universität München. Sie suchen nach neuen Ansätzen mit denen das Stromnetz intelligenter und für große Mengen Photovoltaikstrom gerüstet werden kann.
Das ist leichter gesagt als getan. Denn die meisten heutigen Netze sind nur auf die großen, mit Kohle oder Gas betriebenen, Kraftwerke ausgelegt. Diese speisen Strom in das Hochspannungsnetz ein. Er fließt weiter in das Mittelspannungs- und das Niederspannungsnetz, an dem schließlich die Endverbraucher angeschlossen sind. Dieses hierarchische Prinzip funktionierte bisher gut – aber es reicht nicht für die Zukunft mit einer Vielzahl kleiner Stromerzeuger. Zwar ist der Anteil des Sonnenstroms weltweit heute noch relativ gering, doch in den nächsten 20 Jahren könnte er sich verfünfzigfachen. Der Einfluss auf Netzstabilität und elektrische Spannung wäre erheblich. „Dies könnte nicht nur wichtige und teure Komponenten wie etwa Transformatoren beschädigen, sondern auch andere elektrische Geräte in ihrer Funktion und Lebensdauer beeinträchtigen“, sagt Dr. Michael Metzger von Siemens Corporate Technology (CT). Zusammen mit Prof. Rolf Witzmann vom Lehrstuhl für Elektrische Energieversorgungsnetze der Technischen Universität München arbeitet er an der Lösung für diese Probleme.
Dazu analysierten sie zunächst die Lage. Sie berechneten für Deutschland, wie viel Photovoltaikstrom erzeugt werden könnte, wenn alle geeigneten Dächer und Freiflächen mit Photovoltaikanlagen bestückt würden – und kamen auf 161 bis 188 Gigawatt. Gegenwärtig liefern die deutschen Photovoltaikanlagen gerade mal ein Zehntel davon: 18 Gigawatt Spitzenleistung. Was ein ungebremster Ausbau an Kosten verursachen würde, zeigt eine weitere Berechnung: Allein um das Stromnetz eines kleinen Dorfes auf das dort vorhandene Potenzial aufzurüsten, müsste der örtliche Netzbetreiber 140.000 bis 200.000 Euro investieren. Der Grund dafür ist, dass die heutigen Transformatoren nur auf bestimmte Spannungswerte ausgelegt sind. Zu hohe Spannungen überlasten sie. Auch die Kabel, durch die der Strom fließt, können bei zu hohen Spannungen überlastet werden. Die Folge wäre ein Kurzschluss.
Blindstrom meistern. Dass es auch kostengünstigere Lösungen gibt, zeigt ein Pilotprojekt in Unterfarnbach bei Fürth (siehe auch Artikel „Gegen die Einbahnstraße"). Dort integrieren die Forscher Wechselrichter ins Netz, deren eigentliche Aufgabe es ist, aus dem Gleichstrom, der von der Photovoltaikanlage kommt, Wechselstrom zu machen und ihn an die Frequenz im Netz anzupassen. Doch dank einer Neuentwicklung von Siemens können die Wechselrichter jetzt auch so genannte Blindleistung aus dem Netz beziehen und auf diese Weise regulierend eingreifen. Es kann dadurch mehr Strom eingespeist werden, ohne dass das Netz teuer ausgebaut werden muss. Blindleistung wird von Geräten wie Motoren erzeugt, die ein magnetisches Feld immer wieder auf- und abbauen. Dadurch beziehen sie in regelmäßigen Abständen Strom und speisen ihn gleich wieder zurück ins Netz.
Ein weiteres Problem erneuerbarer Energien ist ihre Fluktuation. Wind- und Solaranlagen erzeugen nicht konstant eine gewisse Menge Strom – schwankender Wind, Wolken und Dunkelheit verhindern das. Die Wissenschaftler von Siemens und der TU München beschäftigen sich daher auch mit Stromspeicherlösungen, die überschüssigen Strom aufnehmen und bei Bedarf wieder ins Netz abgeben. Vielfältige Konzepte, wie solche Speicher aussehen könnten, gibt es bereits (siehe Artikel "Windstrom zu Wasserstoff") und (Pictures of the Future, Herbst 2009, Vorratskammern für Strom). „Womit wir uns beschäftigen, ist vor allem die Frage, wie groß die Speicher dimensioniert sein müssen, um das Netz möglichst effektiv und kostengünstig zu entlasten“, erklärt Witzmann. Dazu lassen die Wissenschaftler das Jahr 2005 im Computer wie im Zeitraffer ablaufen. Sie simulieren mit Hilfe der Wetterdaten die Interaktion zwischen Umweltbedingungen, Photovoltaikanlagen und Verbrauchern, und können Stromproduktion und Bedarf miteinander vergleichen. Bis 2011 sollen erste Ergebnisse feststehen.
Datenaustausch im Millisekundentakt. In einem weiteren Projekt beschäftigen sich Dr. Dragan Obradovic von Siemens CT und Prof. Dr. Sandra Hirche von der TU München mit der Frage, wie Fluktuationen in der Stromeinspeisung schnellstmöglich ausgeglichen werden können. „Wir entwickeln Regelstrategien, die ermöglichen, dass alle sich im Netz befindlichen Anlagen miteinander kommunizieren können“, verrät Obradovic. Bisher tauschen nur die großen Kraftwerke Informationen aus. Oft sind aber Störungen schon viele Stunden im Voraus absehbar, etwa wenn eine Komponente des Kraftwerks ausgewechselt werden soll. Für kleinere Schwankungen reicht alle zehn Minuten eine Statusmeldung. Weil aber Photovoltaikstrom von Wind und Wetter abhängig ist, kann ein Ausfall viel spontaner erfolgen. Zwar ist es nicht besonders schlimm, wenn nur eine Anlage ausfällt, doch ist ein ganzer Landstrich betroffen, droht Stromausfall. Dann müssen schnell die umliegenden Anlagen und Stromspeicher einspringen. „Wir gehen davon aus, dass in Zukunft derartige Informationen im Millisekundenbereich ausgetauscht werden müssen“, meint Obradovic.
Die Ergebnisse aus den Kooperationen fließen in ein Labornetz ein, das von CT-Wissenschaftlern bei Siemens in Erlangen aufgebaut wird. Dort sollen nicht nur die Lösungen für die einzelnen Probleme, wie örtliche Spannungsüberhöhungen, getestet werden. In kleinerer Ausführung entsteht hier auch ein Netz der Zukunft mit Photovoltaikanlagen, Verbrauchern und Stromspeichern. Damit kann dann ihr Zusammenspiel nicht nur simuliert, sondern real erprobt werden.