Forschungsprojekt Netzstabilität

Sichere Stromversorgung nach der Energiewende

15. März 2021, 13:51 Uhr   |  Heinz Arnold

Sichere Stromversorgung nach der Energiewende
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Trotz schwankenden erneuerbaren Energien und der Dezentralisierung von Energieanlagen eine hohe Versorgungssicherheit gewährleisten – das ist das Ziel eines Forschungsprojekts zu Netzstabilität.


Um die Versorgungsicherheit auch nach der Energiewende zu gewährleisten, entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden (TUD) gemeinsam mit der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg sowie den Unternehmen RWE Battery Solutions, Skeleton Technologies und GE Grid im Rahmen eines Kooperationsprojektes zuverlässige Konzepte für die Nutzung erneuerbarer Energien.

Das Verbundvorhaben „UMZUG – Netzstabilität durch Momentanreserve bei stromrichterdominierten Netzen – der Umbruch zwischen stromrichter- und generatorbasiertem Elektroenergiesystem“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie bis 2024 mit insgesamt rund 5,8 Mio. EUR gefördert.

Künftig werden erneuerbare Energien die fossilen Energieträger ersetzen. Die Stromversorgung muss dabei möglichst unabhängig von der volatilen Verfügbarkeit von Wind und Sonne sein und auch weiterhin eine hohe Versorgungszuverlässigkeit aufweisen. Der Einsatz von erneuerbaren Energiequellen erfordert zudem eine neuartige Energieversorgungsstruktur. Große, generatorbasierte Kraftwerke werden durch dezentrale, stromrichterbasierte Einspeiseanlagen ersetzt. Dieser Umbruch schafft zusätzliche Herausforderungen für die Netzstabilität. Dresdner Forscherinnen und Forscher wollen im Rahmen ihres Teilvorhabens „Netzbildende Stromrichter, DC/DC-Konverter für PV-Speicher-Kraftwerke und Netzschutz“ Konzepte erarbeiten, die trotz der Prognoseunsicherheit von erneuerbaren Energien und der starken Dezentralisierung von Energieanlagen eine hohe Versorgungssicherheit gewährleisten.

Inselnetze mit virtuellen Synchronmaschinen

Bei der Erstellung von technisch geeigneten und wirtschaftlichen Kraftwerkskonzepten stehen für das TUD-Projektteam zwei Aspekte im Vordergrund: Zum einen werden Stromrichter untersucht, die dank des Einsatzes von virtuellen Synchronmaschinen (VSM) das Anfahren von Inselnetzen unabhängig vom Stromnetz, den sogenannten Schwarzstart, ermöglichen. Synchronmaschinen sind rotierende elektrische Maschinen, die in konventionellen Kraftwerken kurzfristig verfügbare Leistungsreserven, sogenannte Momentanreserven, schaffen. Während eines abrupten Erzeugungsausfalls oder einer plötzlichen Zunahme der Verbraucherlast im Übertragungsnetz kann mit der Momentanreserve die benötigte Energie zur Verfügung gestellt werden. Virtuelle Synchronmaschinen bilden die Eigenschaften der realen Synchronmaschinen nach. Sie können in Versorgungssystemen im Fall des Stromausfalls die Spannung im Netz erneut aufbauen. Das Forschungsteam will die vielfältigen Herausforderungen des parallelen Betriebes von Inselnetzen mit VSM-fähigen Stromrichtern erforschen und testen. Zudem wird es einen kostenoptimierten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) entwickeln, um Energiespeichersysteme in Inselnetze effizient einzubinden. Somit werden Momentanreserven für erneuerbare Elektroenergieanlagen generiert, die eine Elektroenergieversorgung ohne Unterbrechung ermöglichen.

Selektivschutz in modernen Energieversorgungssystemen

Der zweite Forschungsschwerpunkt widmet sich der Gewährleistung des Selektivschutzes in modernen Energieversorgungssystemen. Das Wegfallen konventioneller Kraftwerke stellt eine Herausforderung für die Schutztechnik dar. Diese geht häufig davon aus, dass im Falle eines Kurzschlusses (Netzfehler) ein Kurzschlussstrom fließt, der die im Normalbetrieb üblichen Ströme um ein Vielfaches übersteigt. In einem Netz, das hauptsächlich von Stromrichter-gekoppelten erneuerbaren Energieanlagen versorgt wird, ist dies häufig nicht gegeben. Diese und weitere Neuerungen motivieren die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der TU Dresden zum Entwickeln und Erproben neuartiger Schutzkonzepte. Außerdem werden konventionelle Schutzstrategien unter verschiedenen neuartigen Randbedingungen auf ihre Funktionalität untersucht, sowohl in der Simulation als auch im Labor. Am Ende soll als Ergebnis ein Schutzgeräteprototyp entstehen, der den neuen Anforderungen gerecht wird und zuverlässigen Schutz realisiert.

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