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Netzstabilität

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

11.10.2021

Letztes Update

30.12.2021

 

Der Einfluss erneuerbarer Energien auf die Netzstabilität

Inhalt des Wiki-Artikels

Netzstabilität besteht im Stromnetz, wenn die Menge an Strom eingespeist wird, die jeweils gerade nachgefragt wird. Ob das Netz stabil ist, lässt sich an der Frequenz ablesen. In Deutschland ist eine Netzfrequenz von 50 Hertz gängig. Steigt sie über diesen Wert, wird zu viel Strom ins Netz eingespeist. Fällt die Frequenz auf unter 50 Hertz, ist die Einspeisung zu gering. Leichte Schwankungen kommen häufig vor, sie haben keine negativen Konsequenzen. Wenn die Frequenz aber deutlich von den üblichen 50 Hertz abweicht, kann dies zu Problemen führen.

Die Systemstabilitätsverordnung Deutschlands

Bis zum Jahr 2011 waren die Netzanschlussbedingen derart gestaltet, dass Photovoltaikanlagen automatisch vom Netz getrennt worden wären, wäre die Frequenz über 50,2 Hertz angestiegen. Diese Art Sicherung musste deshalb geändert werden, weil sich in einem solchen Fall PV-Anlagen mit einer Leistung von insgesamt rund neun Gigawatt zeitgleich abgeschaltet hätten – das entspricht einer Leistung von 13 Großkraftwerken. Das hätte die Netzstabilität gefährden und Stromausfälle auslösen können. Damit auch mit erneuerbaren Energien in der Stromerzeugung die Netzstabilität gewahrt bleibt, trat am 26. Juni 2012 die „Verordnung zur Gewährleistung der technischen Sicherheit und Systemstabilität des Elektrizitätsversorgungsnetzes“ – kurz Systemstabilitätsverordnung beziehungsweise SysStabV – in Kraft. Die Verordnung dient dem Zweck, eine Gefährdung der Systemstabilität des Elektrizitätsversorgungsnetzes bei Über- und Unterfrequenzen durch Anlagen zu vermeiden, die Strom erzeugen mit Hilfe von:

Durch die Systemstabilitätsverordnung wurden die Betreiber von Verteilnetzen verpflichtet, die Frequenzeinstellungen bis Ende 2014 nachzurüsten, wobei die Kosten von den Netzbetreibern selbst zu tragen sind.

Netzstabilität nach der Energiewende

Die Energiewende ist in vollem Gange: Durch die Umstellung des Stromsektors auf erneuerbare Energien sollen Emissionen vermieden und dem anthropogenen Klimawandel entgegengewirkt werden. Die Umstellung des Energieversorgungssystems bringt viele Herausforderungen mit sich. Damit auch nach der Energiewende Netzstabilität und Versorgungssicherheit gewährleistet sind, müssen entsprechende Konzepte erarbeitet und umgesetzt werden. Ein Projekt ist das Verbundvorhaben „UMZUG – Netzstabilität durch Momentanreserve bei stromrichterdominierten Netzen – der Umbruch zwischen stromrichter- und generatorbasiertem Elektroenergiesystem“, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) bis zum Jahr 2024 mit 5,8 Millionen Euro gefördert wird. Im Rahmen des Projekts sollen Lösungen erarbeitet werden, wie trotz volatiler Stromerzeugung mittels Windkraft und Solarenergie und Dezentralisierung die Netzstabilität und eine hohe Versorgungssicherheit garantiert sind. Das Forschungsprojekt setzt dabei auf zwei Schwerpunkte:

  • Stromrichter in Verbindung mit virtuellen Synchronmaschinen
  • Gewährleistung des Selektivschutzes in modernen Energieversorgungssystemen

Mit Stromrichtern und dem Einsatz virtueller Synchronmaschinen (VSM) wird ein sogenannter Schwarzstart möglich: Inselnetze können unabhängig vom gesamten Stromnetz angefahren werden. Synchronmaschinen sind eigentlich elektrische Maschinen, die in konventionellen Kraftwerken Momentanreserven bereitstellen, also Energiereserven, die kurzfristig verfügbar sind. Virtuelle Synchronmaschinen ahmen die Eigenschaften realer Maschinen nach. Bei einem Stromausfall können sie die Spannung im Netz erneut aufbauen. Teil des Projekts ist die Entwicklung eines kostengünstigen Gleichspannungswandlers, denn in die Inselnetze sollen Energiespeichersysteme integriert werden. Da Speicher die Energie als Gleichstrom speichern, die Netze aber überwiegend aus Wechselstromleitungen bestehen, muss der Strom umgewandelt werden. Mittels der Speichersysteme werden Momentanreserven vorgehalten, so dass eine unterbrechungsfreie Energieversorgung gewährleistet ist.

Der zweite Forschungsschwerpunkt liegt in der Schutztechnik. Durch die Abschaltung konventioneller Kraftwerke sind neue Herausforderungen zu bewältigen. Bislang fließt im Fall eines Netzfehlers ein Kurzschlussstrom, der die im Normalbetrieb fließenden Ströme um ein Vielfaches übersteigt. Diese Schutztechnik ist aber in einem Netz, das vorwiegend aus stromrichtergekoppelten Erneuerbare-Energien-Anlagen gespeist wird, oft nicht gegeben. Aus diesem Grund werden neue Schutzstrategien entwickelt und getestet. Ziel ist die Entwicklung eines Schutzgeräteprototypen, der zuverlässigen Schutz bei geänderten Anforderungen bietet.

Versorgungs- und Spannungsqualität

Neben der Netzstabilität spielt die Spannungsqualität eine wichtige Rolle bei der Versorgungssicherheit. Da zuvor keine ausreichende Datenlage zur Spannungsqualität auf Verbraucherseite gegeben war, initiierte die Bundesnetzagentur 2020 eine freiwillige Befragung von Unternehmen, die an der Nieder-, Mittel- und Hochspannung angeschlossen sind. Die Schwerpunkte der Befragung lagen bei:

  • Art und Häufigkeit von Störungen
  • Kosten bei Ausfällen
  • Präventionsmaßnahmen
  • Austausch mit zuständigem Netzbetreiber
  • Technische Messung von Störungen

Die Spannungsqualität ist eine Säule der Versorgungsqualität. Ohne Spannungsqualität kann keine Versorgungsqualität gewährleistet werden. Daneben gibt es weitere Komponenten, die zusammen mit der Spannungsqualität die Basis für die Versorgungsqualität bilden. Die drei Säulen für die Versorgungsqualität sind:

  • Servicequalität
  • Spannungsqualität
  • Versorgungszuverlässigkeit

Während Schwankungen und Asymmetrien in der Stromversorgung der Spannungsqualität zuzurechnen sind, werden Kurzzeit- und Langzeitunterbrechungen der Versorgungszuverlässigkeit zugeordnet. Bei den Spannungsmerkmalen können bereits kleinste Abweichungen zu Störungen bei Letztverbrauchen oder im Netzbetrieb führen.

Die Befragung durch die Bundesnetzagentur hat ergeben, dass einige Unternehmen den Eindruck haben, die Spannungsqualität hätte sich in den letzten Jahren verschlechtert. Demgegenüber stehen allerdings Statistiken, die besagen, dass die Anzahl der netzseitiger Störereignisse nicht zugenommen hat, sondern nahezu gleich geblieben ist. Besonders wichtig ist die Spannungsqualität für Industrie und Gewerbe, denn Spannungseinbrüche können zu Produktionsausfällen und Defekten an Maschinen führen. Erklären lässt sich der Unterschied zwischen den Statistiken und der Wahrnehmung der Unternehmen durch den Einsatz von Leistungselektronik und informationsgestützten Systemen. Die Techniken bringen einige Vorteile mit sich, haben aber auch Nachteile:

  • Netzrückwirkungen
  • Empfindlichkeit gegenüber Änderungen von Spannungsmerkmalen

Die Bundesnetzagentur weist darauf hin, dass die Verbraucher in Gewerbe und Industrie Vorsorgemaßnahmen treffen sollten, um Spannungsqualität und somit auch Netzstabilität zu gewährleisten. Zwar könnten auch Netzbetreiber Optimierungsmaßnahmen durchführen, dies würde aber alle Verbraucher belasten. Aus volkswirtschaftlicher Sicht sollten also besondere Einzelanforderungen, die über das Ziel einer allgemeinen Versorgungsqualität hinausgehen, von den Unternehmen selbst umgesetzt werden. Geeignet sind zum Beispiel netzdienliche Maßnahmen, die mit ihren Flexibilitäten dazu beitragen, das Stromnetz stabil und störungsfrei zu halten.

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