Pictures of the Future      Frühjahr 2008

Smart und sicher – die Energienetze von morgen

Intelligente Netztechnik hilft, erneuerbare Energien – etwa aus Wind- oder Solaranlagen – gut ins Stromnetz zu integrieren. Schwankungen bei Einspeisung und Verbrauch gleicht sie aus: durch Verfahren der automatischen Netzsteuerung und finanzielle Anreize für die Verbraucher. Siemens ist führend bei der Entwicklung von Lösungen für nach-haltige Stromnetze.

Ein Sommerabend im Jahr 2016: Eine halbe Stunde nach dem Finale der Fußball-Europameisterschaft geht buchstäblich das Licht aus. Die Offshore-Windparks in der Nordsee sowie die Onshore-Windparks in Dänemark, Nord­deutschland und Großbritannien laufen wegen eines überraschend hereinbrechenden Starkwinds auf Hochtouren und drücken statt der erwarteten 20 000 MW das Doppelte ins europäische Verbundnetz – eine Riesenmenge, die etwa der Produktion von 20 Kernkraftwerken entspricht und die Betreiber auf dem falschen Fuß erwischt. Vor allem an den Hochspannungsleitungen und Umspannungsstationen zwischen den Ländern – den Nadelöhren des Verbundnetzes – kommt es nur Sekunden später zu starken Überlastungen. Das Stromnetz bricht zuerst lokal und dann im gesamten Netz zusammen. Über den Kontinent legt sich tiefste Dunkelheit…

Dass ein solches Szenario einmal Realität werden könnte, befürchten Experten schon lange – bereits am 4. November 2006 hat ein Netzblackout halb Europa eine vorzeitige Nacht beschert. Außerdem werden in den nächsten Jahren vor allem in der Nordsee große Windparks aufgebaut – bei Starkwind werden gewaltige Ströme in die gut 40 Jahre alten Netze fließen. Ein Blackout lässt sich dann nur vermeiden, wenn die Betreiber konventioneller Kraftwerke ihre Anlagen schnell herunterfahren.

"Das europäische Verbundnetz muss intelligenter werden, um die schwankenden Stromflüsse vor allem von den unsteten Energiequellen Wind und Sonne auszugleichen", sagt Dr. Michael Weinhold, Chief Technology Officer im Sektor Energy von Siemens. "Der Stromtransit zwischen den deutschen und europäischen Netzregelzonen muss auch bei höherer Belas­tung ausfallsicher bleiben."

Die Zeit drängt, denn der Ausbau regenerativer Energien mit Schwerpunkt Wind ist beschlossene Sache: Am 23. Januar 2008 stellte die Europäische Kommission ihr Klimaschutzpaket vor, mit dem Ziel, die Emissionen von Treibhausgasen bis 2020 um mindestens 20 % gegenüber 1990 zu reduzieren und den Anteil erneuerbarer Quellen an der Energieproduktion von 6 % im Jahr 2005 auf 20 % zu erhöhen. Sollte obendrein ein neues globales Klimaschutz-Übereinkommen in Kraft treten, wird das Reduktionsziel für das Jahr 2020 auf 30 % angehoben.

Allein die installierte Leistung der deutschen Windenergieparks soll bis zum Jahr 2030 von heute 23 GW auf künftig 50 GW steigen. Verschärft wird die Lage noch durch die Liberalisierung des Strommarkts, die zu einem umfangreichen Energiehandel in Europa mit schwer kalkulierbaren Lastflüssen führt. Im Jahr 2007 wurden 1 273 TWh – das Zweieinhalbfache des deutschen Strombedarfs – über die größte europäische Strombörse EEX in Leipzig gehandelt, Tendenz steigend.

Nachhaltiges Energiesystem. Die Lösung für diese Herausforderungen ist das Smart-Grid-Konzept der Europäischen Union, das den Ausbau des Stromnetzes zu einem nachhaltigen Energiesystem vorsieht. Klimaschutz und sichere Stromversorgung stehen dabei ganz oben auf der Agenda. Ein wesentliches Ziel: Das Netz muss schwankende Einspeisungen selbstständig regeln können. In Energiespeichern sollen vorübergehende Überschussmengen zwischengelagert werden, und eine flexible Laststeuerung soll Stromfresser automatisch für eine gewisse Zeit ein- oder ausschalten. ­Systeme für Blackout-Prävention – etwa das Siemens-System FACTS – verhindern Netzausfälle, indem sie die Spannung schnell regeln, Netzschwankungen dämpfen, den Stromfluss steuern und die Übertragungsleistung langer Leitungen erhöhen.

"Langfristig werden wir die zusätzli­chen großen Ener­giemengen, etwa von Offshore-Wind­parks, nur durch den Ausbau des Höchstspannungsnetzes störungsfrei übertragen können", prognostiziert E.ON-Netzexperte Dr. Wolfgang Woyke. "Eine Lösung ist die Hoch­spannungs-Gleichstromübertragungs-Technik (HGÜ)." Damit lassen sich große Energiemengen bei geringen Verlusten selbst über Entfernungen von mehr als 1000 km transportieren. Siemens ist führend in der HGÜ-Entwicklung und auf ­allen Kontinenten mit großen Projekten vertreten (Pictures of the Future, Frühjahr 2006, Stromübertragung via Seekabel).

Die bessere Wirtschaftlichkeit wegen der geringeren Übertragungsverluste kommt auch der Umwelt zugute, etwa in China: Dort realisiert Siemens die weltweit leistungsfähigste HGÜ, die ab dem Jahr 2010 Wasserkraftwerke in Südchina über 1 400 km mit den Industriezentren an der Küste verbinden soll. Ohne HGÜ wären die 5 000 MW aus Wasserkraft über so große Entfernungen nicht zu transportieren – dadurch hilft die HGÜ, pro Jahr 30 Mio t CO₂ einzusparen. Ein weiterer Vorteil: Eine HGÜ funktioniert wie eine Firewall, sie trennt Netze verschiedener Länder und vermeidet so netzübergreifende Blackouts.

Die Neuentwicklung HVDC PLUS (High Volt­age Direct Current Power Link Universal System) ist für den an der Entwicklung beteiligten Siemens-Experten Weinhold ein weiterer Baustein für "nachhaltig integrierte Energiesysteme". Bei HVDC PLUS ist die Stromrichterstation so kompakt konstruiert, dass sie sogar auf Offshore-Windparks und Ölbohrplattformen be­quem Platz findet, um die Verbindung mit dem Festland herzustellen.

Supraleitende Strombegrenzer. Moderne Netztechnik braucht darüber hinaus auch eine Leistungselektronik mit Halbleiterbauelementen großer Stromtragfähigkeit und hoher Sperrspannung. "Leistungsschalter müssen nicht nur hohe Lasten zuverlässig ein- und ausschalten können, sondern auch die extrem hohen Ströme eines Kurzschlusses beherrschen", sagt Dr. Roland Kircher von der Abteilung Power und Sensor Systems bei Siemens Corporate Technology (CT). Wissenschaftler von CT entwickeln daher mit Simulationsprogrammen und komplexen physikalischen Modellen Bauteile mit neuen Materialien und Kontaktgeometrien. Damit soll der beim Schaltvorgang entstehende Lichtbogen rasch gelöscht und so die Anlage zuverlässig geschützt werden.

"In Zukunft könnten supraleitende Strombegrenzer eine Alternative zu konventionellen Schaltern sein", sagt Kircher. "Diese Geräte haben bei Temperaturen von etwa -196 °C nahezu keinen elektrischen Widerstand." Übersteigt der Strom im Netz einen bestimmten kritischen Wert, reagiert der Supraleiter schlagartig: Sein Widerstandswert wächst in weniger als einer Millisekunde enorm an. Er begrenzt dadurch effektiv den Strom und minimiert das Risiko eines Stromausfalls. Danach geht er wieder in den supraleitenden Zustand über und ist erneut einsatzbereit. Eine erste, sich selbst regenerierende Hochleistungs-Sicherung für Ströme von 300 A und Spannungen von 7 500 V hat CT mit derartigen Supraleitern im Jahr 2007 bereits erfolgreich getestet.

Der Pkw als Stromspeicher. Derartige Innovationen werden bald gebraucht, denn in Zukunft könnte sich die Belastung des Stromnetzes sogar noch weiter erhöhen – dann nämlich, wenn aus Klimaschutzgründen ein großer Teil der Autos auf Plug-in-Hybridtechnik oder reinen Elektroantrieb umgestellt wird (Clean-tech). Diese Fahrzeuge entnehmen dem Netz nicht nur Strom, sondern speisen ihn bei Bedarf auch wieder ein. In Zukunft könnte man also beispielsweise die Batterien von Hybridfahrzeugen zur Pufferung der Energie aus Windkraftanlagen nutzen. Das Potenzial ist riesig: Wären die 45 Millionen Pkw in Deutschland Hybridfahrzeuge, so ergäbe sich eine maximale Ladeleistung von etwa 270 GW. Die Batteriekapazität aller Fahrzeuge entspräche also einem gigantischen Speicher, der überschüssige Energiemengen aus dem Netz zwischenlagern und bei Bedarf wieder abgeben könnte – ferngesteuert durch modernste Leistungselektronik. Aus dem Consumer wird so ein Prosumer, eine Mischung aus Stromproduzent und -verbraucher, der einerseits Strom ins Netz einspeist und ihn andererseits günstig nutzt.

Intelligente Netzinfrastruktur. Der Trend ist klar: Zur Kontrolle der Energieeinspeisung und -steuerung wird im Netz der Zukunft auch noch die Steuerung des Verbrauchs über flexible Tarifangebote hinzukommen. Das bedeutet, bei Energieüberschuss wird Strom günstig angeboten, bei Engpässen werden hingegen höhere Preise verlangt – kluge Verbraucher können so auch ihren Geldbeutel schonen. "Wir brauchen eine intelligente Netzinfrastruktur mit Kommunikations- und IT-Technik, die Verbraucher wie etwa Kühlhäuser oder Waschmaschinen fernsteuert", sagt E.ON-Netzexperte Woyke. Die Steuerung über finanzielle Anreize ist ein integraler Bestandteil des intelligenten Netzkonzepts mit so genannten Smart Meters, den kommunikationsfähigen Stromzählern der Zukunft.

"Es wird in Zukunft möglich sein, ein Preissignal an den Verbraucher zu senden, zum Beispiel 'Strom kostet zur Zeit nur 5 Cent'. So ist der Kunde in der Lage, seinen Stromverbrauch selbst zu beeinflussen", skizziert Frank Borchardt, Leiter Smart Metering bei E.ON Energie, eine mögliche Variante. "Es ist sogar denkbar, dass sich etwa Waschmaschinen mit Hilfe von intelligenter Haustechnik bei einem bestimmten Preisniveau automatisch einschalten. So kann der Stromverbrauch gleichmäßiger über den Tag verteilt werden und die Strom­netze können in Zukunft deutlich effizienter genutzt werden." In Österreich hat Siemens bereits 1000 Haushalte mit intelligenten Zählern ausgerüstet (IT-Lösungen) – und in den nächsten Jahren sollen weitere Hunderttausende Haushalte folgen.
                                                                                                    Harald Hassenmüller