Netzanbindung erneuerbarer Energiesysteme: Probleme und Lösungen

Die Erzeugung von Elektrizität mittels erneuerbarer Energiequellen wie Sonne und Wind schwankt aufgrund der wetterbedingten bedingten Veränderungen von Lichteinstrahlung bzw. Windgeschwindigkeit. Dies führt zu einem fluktuierenden Leistungsangebot, wie in der Abbildung rechts beispielhaft gezeigt. Diese Schwankungen sind nur zu einem gewissen Grad vorhersagbar.

Auch auf der Verbrauchsseite gibt es kurzzeitige Schwankungen der benötigten Leistung. Erzeugung und Verbrauch müssen in elektrischen Netzen jedoch ständig abgeglichen sein, damit es nicht zu Abweichungen von den Sollwerten der Netzfrequenz und der Spannung kommt.

Dieser Ausgleich wird durch Kraftwerke erreicht, die eigens für diesen vorgehalten werden und ihre schnell Leistungsabgabe schnell erhöhen bzw. verringern können (Regelkraftwerke). Außerdem werden fast alle konventionellen Kraftwerke so betrieben, dass schnell eine Leistungsreserve zu mobilisieren ist.

Die unstete Natur von Wind- und Solarenergie ergibt eine Reihe von Problemen bei ihrer Integration in die bestehenden Stromversorgungs-Strukturen: Das Lastmanagement der Versorgungsunternehmen orientiert sich an Regelmäßigkeiten im Verbraucherverhalten. Im Unterschied zu konventionellen Anlagen wie Kohle- und Atomkraftwerke, deren Leistungsabgabe nach einem vorher festgelegten Fahrplan steuerbar ist, lassen sich regenerative Energiequellen nur eingeschränkt als planbare Elemente des Kraftwerksparks einsetzen.

Durch schnelle Wechsel der meteorologischen Bedingungen wie Beschattung oder Windflaute kann es zu einem plötzlichen Leistungsabfall der regenerativen Stromerzeugung kommen (vgl. Abbildung rechts oben). Um das Netz stabil zu halten, muss also auf, zum Beispiel Pumpspeicher  und Gasturbinen, zurückgegriffen werden, die in Zeiträumen von Sekunden bis Minuten Leistungseinbrüche ausgleichen können. Diese Reserven werden sonst zur Erzeugung kurzfristiger, nicht prognostizierbarer Schwankungen auf der Verbraucherseite und zur Abdeckung kurzzeitiger Lastspitzen eingesetzt. Diese Regelenergie wird zum Großteil auf der Basis fossiler Energieträger erzeugt und ist kostenintensiv.

Bei starkem Windangebot können Überschüsse entstehen, die den aktuellen Strombedarf im Verbundnetz übersteigen und aus Gründen der Netzsicherheit und des Fahrplanbetriebes nicht ohne weiteres eingespeist werden können. In solchen Fällen werden es schon heute Windkraftanlagen durch den Netzbetreiber abgeschaltet.

Bei der Einbindung regenerativer Energiesysteme mit hoher installierter Leistung wie Offshore-Windparks kommt das Problem eines unzureichenden Netzausbaus hinzu. Oft verfügen Regionen mit hohem Wind- bzw. Sonnenenergiepotential über ein schwaches elektrisches Netz, das zur Aufnahme bzw. Weiterleitung großer Mengen elektrischen Stroms nicht ausgelegt ist. Außerdem ist das Netz in der Regel unidirektional konzipiert, für eine Verteilung von zentralen Großkraftwerken über mehrere Ebenen "nach unten" zu den einzelnen Verbrauchern. Eine Einspeisung von den tieferen auf höhere Ebenen ist ohne Umbauten nicht immer möglich.

Betreiber regenerativer Energiesysteme und Stromversorgungsunternehmen arbeiten an Lösungen für eine verbesserte Netzanbindung. Ein vielversprechender Ansatz ist die Speicherung von Wind- und Solarstrom in Form von Wasserstoff. Neben der direkten Einspeisung des elektrischen Stroms in das Verbundnetz wird dabei ein Teil der Energie zur Wasserstofferzeugung eingesetzt und bei Bedarf mit Brennstoffzellen in elektrische Energie zurückgewandelt. Das ermöglicht eine teilweise Entkopplung von Erzeugung und Nutzung und erlaubt ein flexibles Energiemanagement: Durch die Kombination von Wasserstoff und Brennstoffzellen kann die Leistungsabgabe erneuerbarer Energiequellen quasi verstetigt und steuerbar gemacht werden. Indem man Täler im Leistungsprofil  gezielt auffüllt, die Integration von Windenergie als planbarer Komponente in die Versorgung mit Elektrizität möglich.

  • Die Bereitstellung von elektrischem Strom aus Wasserstoff kann innerhalb von Sekunden erfolgen. Auf diese Weise lassen sich kurzfristige Leistungsdefizite unabhängig von externer fossiler Regelenergie ausgleichen. Mehr noch: Wind-/Solar-Wasserstoff-Systeme werden selbst zu Regelkraftwerken, die durch die Erzeugung von Spitzenlaststrom  auch auf unvorhergesehene Lastspitzen im elektrischen Netz reagieren können.
  • Das Auskoppeln von Wasserstoff führt zu einer geringeren Belastung des elektrischen Verbundnetzes und ist eine Alternative zu komplexen Netzausbau-Maßnahmen.
  • Das Stromerzeugungs-Potential, das den aktuellen Bedarf im Netz übersteigt, bleibt nicht ungenutzt.
  • Wasserstoff bietet die Option, regenerative Energie in Märkte außerhalb der Elektrizitätswirtschaft zu liefern. Dies sind vor allem der Verkehrssektor  und die Hausenergieversorgung, aber auch die Nutzung als Rohstoff in der chemischen Industrie (vgl. Schema im Abschnitt Erneuerbare Energiequellen und Wasserstoff.

Die Probleme relativieren sich außerdem, wenn Einzelanlagen in größere Systeme eingebunden werden und räumlich verteilt sind. Forschungsarbeiten belegen, dass sich kurzzeitige Leistungsschwankungen einzelner Windkraftanlagen bzw. Photovoltaikmodule deutlich kompensieren, wenn sie ausreichend weit voneinander entfernt stehen. Auch verlangsamen sich die zeitlichen Schwankungen durch den Verbund räumlich verteilter Anlagen. Ähnliche Mittelungseffekte über größere Zeiträume ergeben sich bei einer regionalen, deutschland- bzw. europaweiten Verteilung von Wind- und Solarenergieparks.

Ferner gibt es Software-Pakete, die die bereitgestellte Leistung von Windparks annähernd berechen, sodass Stromversorger ihren Kraftwerksfahrplan bis zu einem guten Grad darauf einrichten können.

Eine weitere Methode, um die zeitliche Übereinstimmung zwischen Bedarf einerseits und Erzeugung regenerativen Stroms andererseits zu verbessern, ist die Beeinflussung der Stromnachfrage durch die gezielte Änderung des Verbraucherverhaltens. Ein solches Demand-Side-Management betrifft vor allem staatliche und privatwirtschaftliche Großabnehmer und wird über eine entsprechende Preisgestaltung realisiert.

mehr:
Zukunftsorientiertes Energiemanagement durch Offshore-Windparks und Wasserstoffspeicherung

Beispiel für den Verlauf der Windenergieeinspeisung in Norddeutschland: Ab etwa 15 Uhr schnelle Abfälle und Anstiege von bis zu rund 400 MW innerhalb weniger Minuten.






























Ausgewählte Veröffentlichungen zum Thema

Th. Feck, R. Steinberger-Wilckens, K. Stolzenburg
Hydrogen as a Storage and Transportation Vector for Offshore Wind Power Production
Third International Workshop on Transmission Networks for Offshore Wind Farms, Stockholm, April 2002.

H.G. Beyer, H.-G. Bloos, J. Luther, R. Steinberger-Willms:
Kopplung größerer Photovoltaik- und Windenergiesysteme mit elektrischen Netzen - Untersuchungen zum zeitlichen Verhalten der eingespeisten Energie.
Endbericht zum Forschungsvorhaben BMFT-Förderkennzeichen 0329057B, Oldenburg, 1994.

R. Steinberger-Willms:
Untersuchung der Fluktuationen der Leistungsabgabe von räumlich ausgedehnten Wind- und Solarenergie-Konvertersystemen in Hinblick auf deren Einbindung in elektrische Verbundnetze
Verlag Shaker, Aachen, 1993, ISBN 3-86111-740-1.

H.G. Beyer, A. Hammer, J. Luther, K. Stolzenburg:
Temporal and spatial structures of highly time-resolved irradiance data
ISES Solar World Congress, Budapest, 1993.


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