Mit Fortschreiten der Energiewende hängt die Resilienz des Stromsystems zunehmend vom Verteilnetz ab: Statt der Synchrongeneratoren von Großkraftwerken im Übertragungsnetz müssen künftig vor allem die netzbildenden Stromrichter der Batteriespeicher, Photovoltaik- und Windenergie-Anlagen in den unteren Netzebenen für die nötige Trägheit – und damit Stabilität – im System sorgen. Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE entwickelt nun mit der TU Braunschweig, der SMA Solar Technology AG und weiteren Partnern im Forschungsprojekt „Verteilnetz 2030plus“ Lösungen und Produkte, mit denen sich die Netze mithilfe der Stromrichter auch nach dem Abschalten von Atom- und Kohlekraftwerken sicher betreiben lassen.
„In der alten Energiewelt sorgen vor allem die rotierenden Massen der an das Übertragungsnetz angeschlossenen Großkraftwerke für die nötige Stabilität. Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien sind hingegen in Zukunft vor allem netzbildende Stromrichter dezentraler Erzeugungsanlagen im Verteilnetz gefordert, diese Rolle zu übernehmen“, sagt Philipp Strauß, stellvertretender Leiter des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE.
Entsprechend ausgerüstete Stromrichter können das stabilisierende Strom- und Spannungsverhalten am Netzanschlusspunkt der Kraftwerke mit einer netzbildenden Regelung im Verteilnetz nachbilden, erläutert Prof. Dr. Bernd Engel von der TU Braunschweig. „In unserem Forschungsprojekt untersuchen wir, wie Stromrichter diese für die Versorgungssicherheit so wichtige Aufgabe optimal wahrnehmen können.“
Forscher wollen Entwicklung netzbildender Stromrichter voranbringen
Das Vorhaben zielt dem Fraunhofer IEE zufolge vor allem darauf, Instrumente für die dynamische Simulation und Analyse von Verteilnetzen zu erstellen sowie die Entwicklung netzbildender Stromrichter voranzubringen. Darüber hinaus bereiten die Partner im Rahmen von „Verteilnetz 2030plus“ Feldtests vor, die dann in einem Anschlussprojekt durchgeführt werden sollen.
Besonderes Augenmerk legen die Forscher auf die dynamischen Wechselwirkungen, die durch den netzbildenden Betrieb zwischen den Stromrichtern im Verteilungsnetz entstehen können. Auch mögliche Interaktionen mit der Schutztechnik und Betriebsmitteln im Verteilnetz nehmen die Wissenschaftler in den Fokus.
Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes liegt darauf, die bislang verfolgten Konzepte zum Schutz der Verteilnetze mit Blick auf die zunehmende Installation von netzbildenden Stromrichtern zu prüfen. Das sei notwendig, weil diese Komponenten eine deutlich geringere Toleranz gegenüber Überlastströmen haben als Synchrongeneratoren. Somit bestehe das Risiko, dass weniger gut zwischen Kurzschlüssen und Normalbetrieb unterschieden werden kann. „Wir liefern in unserem Forschungsvorhaben Lösungen, die das verhindern“, erklärt Philipp Strauß.
Zudem untersuchen die Partner, wie sich in den Verteilnetzen die nötigen Kapazitäten für die Aufnahme netzbildender Stromrichter schaffen lassen. Dabei berücksichtigen sie auch, dass es mit deren Regelung zu Ausgleichsschwingungen zwischen einzelnen Komponenten kommen kann. Ebenso befassen sich die Forscher mit der Interoperabilität zwischen den Produkten verschiedener Hersteller.
Forschungsergebnisse in die Produktentwicklung überführen
Darüber hinaus untersuchen die Experten, wie sich netzbildende Stromrichter einsetzen lassen, um bei einer Störung im Höchst- oder Hochspannungsnetz in den darunterliegenden Ebenen Teilnetze zu bilden – etwa um bei einer Naturkatastrophe einzelne Netzgebiete weiter mit Strom versorgen zu können. Gleichzeitig müssen solche Stromrichter aber auch verhindern, dass sich unkontrolliert und von den Leitwarten unbemerkt Inselnetze bilden, die Personen und Anlagen gefährden können.
Nicht zuletzt ist Ziel des Forschungsprojektes, die gewonnen Erkenntnisse in die Produktentwicklung zu überführen, Systemlösungen zu erarbeiten und diese zu erproben. Die SMA Solar Technology AG übernimmt dabei die Entwicklung der Prototypen.
„Projekt stärkt Resilienz des Energiesystems“
Das Kick-off-Treffen des Forschungsprojekt „Sicherer und stabiler Betrieb des Stromrichter-dominierten Verteilnetzes – VN2030plus“ fand im Juni 2023 statt. Leitung und Koordination liegen in den Händen des Fraunhofer IEE. Ein Steuerungskreis aus Vertretern von Verteil- und Übertragungsnetzbetreibern sowie von Herstellern aus dem Bereich Netz-Systemtechnik begleitet die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Das Projekt hat eine Laufzeit von drei Jahren und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit ca. 2,57 Mio. € gefördert.
„Den Verteilnetzen kommt bei der Energiewende eine Schlüsselrolle zu: Hier wird ein Großteil des Erneuerbare-Stroms eingespeist, hier werden neue Verbraucher wie Wärmepumpen und Wallboxen installiert“, sagt Thomas Degner vom Fraunhofer IEE und Koordinator des Verbundprojektes. „Mit unserem Forschungsprojekt tragen wir dazu bei, dass die Verteilnetze ihrer Verantwortung für die Versorgungssicherheit gerecht werden können. Damit stärken wir die Resilienz des gesamten Energiesystems.“
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Man kann vielleicht für diesen ‚Synchroneffekt‘ das beste aus der ‚mechanischen Welt‘ und der Digitaltechnik verbinden und mehrere größere Synchronmotoren an neuralgischen Einspeisungs- und Übergabestellen zur Steuerung der Digitalkomponenten verwenden. Der geringe Energieverbrauch von fast reibungslos laufenden Synchronmotoren dürfte im Interesse der Stabilität zu verschmerzen sein.