Das Projekt
Stabiler Inselnetzbetrieb eines umrichterdominierten Mittelspannungsnetzes
Warum das Stromnetz der Zukunft anders funktioniert – und wie Fuchstal hilft, es zu verstehen.
Motivation
Die Energiewende verändert das Netz grundlegend
Bis 2030 sollen 80 % des Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energien stammen. Große Kohle- und Gaskraftwerke stellen bisher den Großteil der Systemdienstleistungen bereit, die das Netz stabil halten. Mit ihnen fallen auch die Synchronmaschinen weg, deren rotierende Schwungmassen Frequenzschwankungen abfedern.
An ihre Stelle treten viele kleine Photovoltaik- und Windenergieanlagen, die über Stromrichter ins Netz einspeisen. Auch Verbraucher nutzen immer häufiger Stromrichter. Diese Anlagen müssen künftig wesentliche Netzdienstleistungen wie Momentanreserve, Regelenergie und Spannungshaltung übernehmen.
Gleichzeitig steigt das Risiko großflächiger Stromausfälle: schwankende Erzeugung, sinkende Trägheit im Netz, fehlender Netzausbau und Stromhandel über weite Strecken. Ein funktionierendes Notfall-Inselnetz kann eine Gemeinde in einer solchen Lage weiter versorgen.
Forschungsfrage
Wie ist in der Praxis ein stabiler Netzbetrieb in einem Netz ohne zentrale Regelungsstruktur möglich, das ausschließlich von Stromrichtern gespeist und belastet wird?
Eine zentrale Abstimmung aller Regler, wie sie in kleinen Inselnetzen üblich ist, kommt für das große Verbundnetz nicht in Frage. Frequenz und Spannung müssen deshalb ohne übergeordnete Kommunikation stabil bleiben – mit Anlagen nach dem heutigen Stand der Technik.
Ziele
Was das Projekt untersucht
Wechselwirkungen
Unerwünschte Interaktionen zwischen den Regelungen netzbildender und netzfolgender Stromrichter erkennen und vermeiden.
Momentanreserve
Bewerten, welchen Beitrag Wechselrichter zur Momentanreserve und zum Kurzschlussstrom leisten können.
Systemstabilität
Stabilität von Spannung und Frequenz bei Lastwechseln und beim Zuschalten von Betriebsmitteln untersuchen.
Netzübergang
Einen reibungslosen Wechsel zwischen Verbund- und Inselnetzbetrieb ermöglichen.
Anschlussregeln
Die technischen Anschlussregeln (TAR) mit ihren P(f)- und Q(U)-Kennlinien kritisch auf ihre Eignung für die künftige Netzstabilität prüfen.
Schutz & Energiemanagement
Schutzkonzepte und Betriebsstrategien für wechselrichterdominierte Netze und den Inselnetzbetrieb entwickeln.
Ziel für die Gemeinde: ein erprobtes Konzept zur Notversorgung von Fuchstal bei einem Blackout – gespeist aus Wind, Sonne und dem Batteriespeicher.
Vorgehen
Simulation und Feldversuch gehen Hand in Hand
Vor jedem Feldversuch erstellen die Hochschulen ein Simulationsmodell des gesamten Netzes und testen die Parametrierung der Anlagen. So kann jeder Versuch sicher geplant werden. Die Messdaten aus dem Feld dienen anschließend dazu, die Modelle zu überprüfen und zu verbessern.
- RMS-Simulationen bilden das Frequenz- und Spannungsverhalten im Inselnetz ab.
- EMT-Simulationen machen schnelle Regelungsinteraktionen und Einschaltvorgänge sichtbar.
- Energiesystemmodelle planen die verfügbaren Energiemengen in Batterie und Windangebot.
- Gestufte Feldversuche nehmen schrittweise weitere Anlagen in das Inselnetz auf.
Das Reallabor
Energiezukunft Fuchstal
Mehr zum Energiekonzept der Gemeinde: fuchstal.de – Energiezukunft Fuchstal
Die Gemeinde Fuchstal im Landkreis Landsberg am Lech versorgt sich mit eigenen Windenergieanlagen, Solarparks, einem Batteriespeicher und einem großen Wärmespeicher mit Power-to-Heat-Anlage weitgehend selbst aus erneuerbaren Energien. Dafür wurde sie mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis ausgezeichnet.
Diese Infrastruktur und die Eigentümerstruktur der Anlagen sind in Deutschland nahezu einzigartig. Das Reallabor entspricht bereits heute dem Verbundnetz im Jahr 2040. Neu ist, dass ganz auf einen speziell angepassten zentralen Netzregler und auf rotierende Maschinen verzichtet wird.
| Batteriespeicher | 3,35 MWh |
|---|---|
| Netzbildende Wechselrichter | 2 × 2,9 MW (zusammen 5,8 MW) |
| Windenergieanlagen (netzfolgend) | 4 × 3 MW |
| Power-to-Heat-Anlage | 4,7 MW, gekoppelt an Wärmespeicher (Nahwärme) |
| Netz | 20-kV-Mittelspannung, u. a. ca. 9 km Kabelstrecke |
| Verbraucher & PV | Ortsteile Asch und Leeder |
Vorarbeiten
Aufbauend auf LINDA
In den Forschungsprojekten LINDA und LINDA 2.0 wurde bereits gezeigt, dass eine lokale Inselnetzversorgung mit dezentralen Erzeugungsanlagen funktioniert – damals mit einem Wasserkraftwerk als stabilisierender Schwungmasse. „Fuchstal leuchtet“ geht den nächsten Schritt: Was passiert, wenn es gar keine Trägheit im Netz mehr gibt?
„Das Projekt mit dem Ziel der Notversorgung unserer Gemeinde ermöglicht uns, dass im Falle eines Blackouts ein erprobtes Konzept zur elektrischen Versorgung unserer Gemeinde vorhanden ist und wir den Bürgern damit Sicherheit geben können.“
„Die Energieinfrastruktur der Gemeinde Fuchstal und die Eigentümerstruktur der Anlagen ist so in Deutschland nahezu einzigartig.“