Virtuelle Synchronmaschinen und Smart-Grid-Lösungen

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Die Energiewende hat auch bei den Herstellern einen Innvovationsschub ausgelöst. Frank-Helmut Wehner, Smart Grid Architect bei Schneider Electric berichtet, mit welchen Ansätzen sein Unternehmen die verbesserte Integration erneuerbarer Erzeugungsanlagen unterstützen will.

Mit zunehmender Popularität verteilter Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen werden die Netze an die Grenzen ihrer Belastbarkeit geführt, da immer mehr fluktuierende und über Wechselrichter einspeisende Energiequellen die Spannungsqualität und Netzstabilität beeinflussen. Im Allgemeinen wird ein Anteil von über 30 Prozent erneuerbarer Einspeisung als kritisch angesehen, wenn keine entsprechenden Maßnahmen getroffen werden. Die Stabilitätsprobleme führen bekanntermaßen auch zu einem Phänomen, das volks- und betriebswirtschaftlich fragwürdig ist: Netzbetreiber reduzieren die Leistung der regenerativen Erzeugungsanlagen oder schalten sie vollständig ab, wenn zu viel Energie im Netzgebiet erzeugt wird. Da die Betreiber gemäß EnWG hierfür entlohnt werden müssen, wird faktisch für nicht erzeugten Strom gezahlt. In der öffentlichen Diskussion wird allerdings häufig nur über die installierten Leistungen gesprochen, die dynamischen Vorgänge im Netz aber ausgeblendet. Sinnvolle Konzepte zur besseren Integration erneuerbarer Energien sind also dringend erforderlich.

Im Smart-Grid-Modellprojekt auf Borkum werden Speicher in der Mittel- und Niederspannung eingesetzt und ihr Zusammenspiel mit intelligenten Energiemanagementsystemen untersucht. Foto: Schneider Electric GmbH

Frequenz- und Spannungshaltung

Zwei Faktoren sind vor allem verantwortlich für die Frequenz- und Spannungshaltung in konventionellen elektrischen Netzen: Erstens die magnetischen und mechanischen Eigenschaften rotierender Synchrongeneratoren in Kraftwerken und zweitens die Steuerungsmechanismen für die Rotationsgeschwindigkeit und die Energieerzeugung (Wirk- und Blindleistung) dieser traditionellen Erzeugungseinheiten. Synchrongeneratoren passen ihre Wirk- und Blindleistungserzeugung – auch bei plötzlichen Lastveränderungen im Netz – automatisch an, indem die Netzspannung und -frequenz dafür als Steuergrößen herangezogen werden. Diese Fähigkeit bildet die rotierende Reserve oder Primärregelung. Die heute in PV- und Windenergieanlagen sowie Speichern eingesetzten Wechselrichter haben allerdings weder die physischen Eigenschaften einer Synchronmaschine noch den unmittelbaren Zugang zu den Steuergrößen. Nicht nur ist ihre Energieerzeugung von der Verfügbarkeit der erneuerbaren Quellen abhängig, sie sind zudem auf ein stabiles Netz angewiesen, da die Steuerungen der Umrichter in der Regel auf die Netzfrequenz als Führungsgröße zurückgreifen. Wenn diese verteilten Einheiten die netzstabilisierenden Energiequellen zunehmend ersetzen, müssen diese Steuerungen ihren Beitrag zur Frequenz- und Spannungsregelung in den Netzen leisten, um die Netzstabilität zu gewährleisten. Die Hersteller sagen zwar, dass die Umrichter hierzu grundsätzlich in der Lage wären, allerdings sind vorher wichtige Fragen zu beantworten. Hierzu gehört vor allem die Frage nach der Messung der Frequenz.

homeLYnk arbeitet auch als Server für die Visualisierung und Bedienung des ProsumerHome- Systems. Foto: Schneider Electric GmbH

Virtuelle synchrone Energieerzeugung

Virtuelle Synchronmaschinen – und darum handelt es sich ja, wenn dezentrale EE-Anlagen virtuell zusammengeschaltet werden – könnten die notwendige Regel- und Reserveleistung liefern, die den einzelnen, verteilt installierten, erneuerbaren Energiequellen fehlt. Dies kann erreicht werden, indem die Erneuerbare-Energien-Anlagen mit Kurzzeitspeichern (für die Energiereserve) und einer geeigneten Steuerung, die das Verhalten von konventionellen Kraftwerken und deren Steuerungsverhalten nachbildet, ausgerüstet werden. Die von den EE-Anlagen abgegebene Spannung kann dann Frequenz und Netzspannung stabilisieren, wie es bei Synchrongeneratoren der Fall ist. Dies funktioniert, unabhängig davon, ob der Wechselrichter allein oder parallel zu anderen Synchrongeneratoren betrieben wird. Gemäß der Aussage namhafter Umrichterhersteller, stellt dies zwar grundsätzlich kein Problem dar, allerdings fehlen derzeit hier noch die Anreize. Umrichter müssten zusätzliche Funktionen übernehmen oder für höhere Nennwerte ausgelegt werden, um bestimmte Systemdienstleistungen zu ermöglichen. Hierbei gilt es jedoch zu bedenken, dass die notwendigen Systemdienstleistungen nicht immer an beliebiger Stelle erzeugt werden können. So muss die erforderliche Blindleistung dort erzeugt werden, wo sie benötigt wird.

Energiespeicherung

Da in einem System Erzeugung und Verbrauch jederzeit im Gleichgewicht sein müssen, bekommt in Netzen mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energieerzeugung die Speicherung eine größere Bedeutung. Aufgrund der Reserve und der Eigenschaften der Kurzzeitspeicher, Lastspitzen zu reduzieren oder zu verschieben, können Speicher dazu beitragen, Erzeugung aus erneuerbarer Energie und Verbrauch besser aufeinander abzustimmen. Dadurch wird es möglich, die auf fossilen Brennstoffen basierende Energieerzeugung an- und abzuschalten, ganz so, wie es der mittleren Produktion aus erneuerbaren Energien und dem Lastprofil entspricht, ohne Einschränkungen in der Netzstabilität, der Spannungsqualität und den Schutzfunktionen. Mit zusätzlichen Energiespeichern und/oder intelligentem Lastmanagement wird es so ermöglicht, nicht nur die Grenze von 30 Prozent erneuerbare Energien zu überschreiten, sondern sogar weitaus höhere EE-Anteile zu erreichen.

Die skizzierte Optimierung von Erzeugung, Verbrauch und Speicherung elektrischer Energie wird zunehmend in Microgrids gelöst. Als Microgrid wird ein Teilnetz angesehen, das sowohl über eigene (nicht notwendigerweise erneuerbare) Energieerzeugung sowie über steuerbare Lasten und gegebenenfalls über Energiespeicher verfügt. Hat ein solches Microgrid ausreichende Eigenerzeugungsanlagen, so dass der Verbrauch hieraus vollständig gedeckt werden kann, so kann es auch als Inselnetz betrieben werden. Mögliche Einsatzfälle sind intelligente Gebäude, intelligente Distrikte oder Gemeinden, industrielle Standorte oder Inseln.

Smart-Grid-Modellprojekt NETffient

Das Forschungsprojekt NETffient auf der Insel Borkum – eines von vielen Projekten, an denen Schneider Electric mitwirkt – beschäftigt sich mit entsprechenden Konzepten und Lösungen: Hier werden Energiespeicher und ihre Einbindung in ein Smart Grid untersucht. An diesem Projekt, das sich über vier Jahre von Januar 2015 bis Dezember 2018 erstreckt, arbeiten 13 Unternehmen und Institute aus sieben EU-Ländern mit.

Im Rahmen des Projekts leitet Schneider Electric die Arbeitsgruppe „Architecture and concept design”, die das erste große Arbeitspaket von insgesamt acht geplanten Arbeitspaketen im Projekt übernimmt. Zusammen mit den anderen Beteiligten wurden hier die Struktur des Projektaufbaus entworfen und die Anlagen und Installationen ausgewählt. Schneider Electric ist auch verantwortlich für die Anbindung der Anlagen an die übergeordnete Steuerung. Im Januar 2017 begann die Installation der Anlagen. Sie soll bis Oktober des Jahres abgeschlossen sein.

Lösung für Endverbraucher

Der Logic Controller homeLYnk ist das Gateway vom Prosumer- Home-System zum Versorgungssystem. Foto: Schneider Electric GmbH

Für die Endverbraucher in den insgesamt 40 angeschlossenen Haushalten – teilweise handelt es sich um Prosumer mit eigenen Energieerzeugungsanlagen – stellt Schneider Electric wichtige Elemente zur Verfügung. Unter dem Begriff „ProsumerHome” sind alle Elemente zusammengefasst und vernetzt, die ein energie-intelligentes Zuhause bilden: unter anderem Photovoltaik, Heimspeicher, Elektromobilität und Wärmepumpen. Ein wichtiger Baustein in der ProsumerHome- Architektur ist das homeLYnk von Schneider Electric, das sowohl als Gateway zu den Datenkanälen mit Routeranbindung zum WLAN als auch als Server für die Darstellung der Energiedaten und Messwerte auf den User-Interfaces der Hausbesitzer dient.

Speichertechnologien

Ein Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf aktuellen Speichertechnologien mit dem Ziel, diese zur Marktreife zu bringen. Sowohl im Nieder- als auch im Mittelspannungsbereich werden Speicher eingesetzt. Es werden Synergien zwischen verschiedenen Speichertechnologien und ihr Zusammenspiel mit intelligenten Energiemanagementsystemen untersucht. In der Mittelspannung, am Einspeisepunkt aus dem Netz der EWE, sind ultraschnelle Kondensatoren (UltraCaps) mit einer Gesamtleistung von 8,6 kWh installiert. Hiermit können zum Beispiel plötzliche Lastspitzen aus Einschaltvorgängen abgefangen werden. Voll aufgeladen können sie einen Entladestrom von 1000 A über einen Zeitraum von 30 s liefern. Weitere Speicher sind in der Versorgung von Gewerbegebäuden, in Haushalten und an Erneuerbare- Energien-Anlagen vorgesehen. Die gesamte Batteriekapazität beträgt 1 MWh. An Lithium-Ionen-Batterien werden Module von 2,56 kWh bis 1,28 MWh angewendet. Auch thermische Speicher werden genutzt. Hier handelt es sich vor allem um eine intelligente und vorausschauende Steuerung der Haustemperaturen: Vor anstehenden Lastspitzen im Netz wird die Temperatur in den Häusern etwas erhöht, damit während der Lastspitze die Heizungen abgeschaltet werden können. Andererseits wird hauptsächlich geheizt, wenn genügend Strom zur Verfügung steht.

Ausblick

In das Projekt NETffient auf Borkum sind alle Beteiligten an einer Energieversorgungskette einbezogen – vom Energieversorger bis zum einzelnen Haushalt. Dadurch soll untersucht werden, wie die Anwenderakzeptanz gesteigert werden kann und welche Algorithmen und Visualisierungen zu einer besseren Anpassung des Nutzerverhaltens führen. Aus den gewonnenen Praxiserfahrungen beim Zusammenspiel der Erzeugungs-, Speicher- und Steuerungselemente sollen marktreife Lösungen und Anwendungen entstehen, die neue Business Cases ermöglichen.

Kontakt: Schneider Electric GmbH, Frank-Helmut Wehner, 63500 Seligenstadt, T +49 6182 81-1544, frank-helmut.wehner@schneider-electric.com

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