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Jun 11, 2023

Wie ein Gerät dazu beitragen könnte, unser Stromnetz zu transformieren

Da immer mehr erneuerbare Energien ans Netz gehen und Anlagen für fossile Brennstoffe stillgelegt werden, müssen Stromnetze auf der ganzen Welt modernisiert werden, um einen stabilen Betrieb aufrechtzuerhalten. JUAN MIGUEL CERVERA MERLO/ALAMY STOCK PHOTO von

Da immer mehr erneuerbare Energien ans Netz gehen und Anlagen für fossile Brennstoffe stillgelegt werden, müssen Stromnetze auf der ganzen Welt modernisiert werden, um einen stabilen Betrieb aufrechtzuerhalten.

JUAN MIGUEL CERVERA MERLO/ALAMY LAGERFOTO

By Alexandra Witze

24. August 2023 um 9:11 Uhr

Von Colorado bis Washington, von Ohio bis Pennsylvania werden Kohlekraftwerke abgeschaltet. Die Vereinigten Staaten sind auf dem besten Weg, bis 2026 die Hälfte ihrer Kapazitäten zur Stromerzeugung aus Kohle abzuschalten. Das ist ein bemerkenswert schneller Rückgang gegenüber dem Kohlehöchststand im Jahr 2011 – und ein wichtiger Schritt bei der Umstellung auf saubere Energie und im Kampf gegen den Klimawandel.

Die Stilllegung großer, alter Kraftwerke hat jedoch eine überraschende Kehrseite. Diese Anlagen tragen dazu bei, die Stabilität des Stromnetzes aufrechtzuerhalten. Da immer mehr von ihnen offline gehen, muss etwas anderes einspringen, um diese Aufgabe zu übernehmen.

Ein Stromnetz ist ein komplexes Netzwerk, das Systeme zur Stromerzeugung, wie ein Kernkraftwerk oder eine Windkraftanlage, und Systeme zur Speicherung und Übertragung von Strom, wie Batterien und Übertragungsleitungen, umfasst. Ein Stromnetz kann aus vielen Gründen nicht mehr funktionieren, beispielsweise wenn ein Baum auf eine Stromleitung fällt oder eine Hitzewelle die Kapazität des Systems überfordert. In den Vereinigten Staaten pulsiert Strom wie ein Herzschlag mit einer Standardfrequenz von 60 Hertz durch das Netz. Diese Frequenz kann sich verschieben, wenn die Nachfrage über das Angebot hinausgeht oder wenn etwas im System, beispielsweise ein großer Generator, ausfällt. Selbst eine kleine Unterbrechung dieses 60-Hertz-Herzschlags kann zu Welleneffekten führen, von denen sich das Netz nur schwer erholen kann.

Große Kraftwerke sollen dazu beitragen, dass das Netz diesen Welleneffekten standhält. Die Trägheit ihrer rotierenden Generatoren verschafft ihnen im Falle eines unerwarteten Stromausfalls Zeit, und sie passen ihre Leistungsabgabe kontinuierlich an die Frequenz im Netz an, sodass alles stabil bleibt. Doch ein Stromnetz, das große Mengen erneuerbarer Energie, beispielsweise aus Windkraftanlagen und Sonnenkollektoren, einbezieht, funktioniert ganz anders. Es basiert auf Geräten, die als Wechselrichter bezeichnet werden, um den von Wind- und Solaranlagen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) für das Netz umzuwandeln. Und erneuerbare Energiesysteme mit Wechselrichtern verhalten sich nicht wie herkömmliche Kraftwerke. „Wir haben es mit einem völlig anderen physikalischen System zu tun“, sagt Patricia Hidalgo-Gonzalez, Elektroingenieurin an der University of California in San Diego.

Inzwischen kommt in den USA mehr Strom aus erneuerbaren Quellen. Netzbildende Wechselrichter werden wahrscheinlich eine große Rolle dabei spielen, die Energie sicher in das Stromnetz zu bringen.

Daher haben Forscher nach Möglichkeiten gesucht, das Netz stabil zu halten, da große Kraftwerke stillgelegt werden und erneuerbare Energien einen größeren Anteil der US-amerikanischen Stromerzeugung ausmachen. Die Antwort könnte in einem speziellen Wechselrichtertyp liegen, den sogenannten netzbildenden Wechselrichtern. Diese elektrischen Geräte, deren Größe von kleiner als eine Mikrowelle bis hin zu so groß wie ein Schiffscontainer reicht, sind speziell darauf programmiert, an der Schnittstelle zwischen etwas zu arbeiten, das Strom erzeugt oder speichert – wie Windturbinen, Solarpaneele und Batterien – und dem Netz. Entscheidend ist, dass sie in der Lage sind, den Fluss erneuerbarer Energie in das Netz schnell und reaktionsschnell zu steuern, und zwar auf eine Art und Weise, die der Steuerung großer Kraftwerke nachempfunden ist.

Durch den Einbau einiger netzbildender Wechselrichter in ein bestehendes Stromnetz können Ingenieure dazu beitragen, die Funktionen zu ersetzen, die bei der Stilllegung großer Kraftwerke verloren gehen. Darüber hinaus bieten netzbildende Wechselrichter weitere Vorteile, etwa die automatische Wiederinbetriebnahme eines Netzes, das offline gegangen ist. Dies kann die Gesellschaft widerstandsfähiger gegen Stromausfälle machen, die mit extremen, durch den Klimawandel ausgelösten Wetterereignissen wie Hitzewellen und Hurrikanen einhergehen (SN: 15.02.20, S. 22).

Die Menge des durch Solar- und Windkraft erzeugten Stroms in den USA ist im letzten Jahrzehnt dramatisch gestiegen.

Stellen Sie sich einen netzbildenden Wechselrichter wie eine Entenmutter vor, hinter der ein Haufen kleiner Entenküken herzieht, sagt Dominic Gross, Elektroingenieur an der University of Wisconsin-Madison. Ein netzbildender Wechselrichter kann Spannung in ein Netz einspeisen und dann seine Frequenz entsprechend der durch das System fließenden Leistung anpassen. Andere in das Netz einfließende Stromquellen, die kleinen Entenküken, können sich dann mit diesem netzbildenden Wechselrichter synchronisieren, genau wie sie es mit dem Stromfluss taten, der von Kraftwerken pulsierte.

Damit spielen netzbildende Wechselrichter eine Schlüsselrolle bei der Einspeisung von mehr erneuerbarer Energie in das Stromnetz. Hersteller wie General Electric, Siemens, Tesla und Hitachi stellen diese Geräte bereits her und sie werden seit Jahrzehnten in isolierten Stromnetzen, beispielsweise auf kleinen Inseln, eingesetzt. Heutzutage nimmt ihr Einsatz weltweit rasant zu, da große Energieversorger auf diese Geräte zurückgreifen, um den Boom bei erneuerbaren Energien zu bewältigen.

„Das Hinzufügen netzbildender Fähigkeiten zu erneuerbaren Energiesystemen ist ein einfacher erster Schritt, der beim Aufbau eines robusten Netzes für die Zukunft einen dramatischen Unterschied machen kann“, sagt Julia Matevosyan, Chefingenieurin der Energy Systems Integration Group in Austin, Texas. „Wir haben jetzt wirklich dieses Zeitfenster“, sagt sie.

Kohle- und Erdgaskraftwerke sind das Rückgrat des heutigen US-amerikanischen Stromnetzes. Wind- und Solarparks spielen eine geringere Rolle und nutzen netztreue Wechselrichter (orange), um mehr intermittierenden Strom ins System zu bringen. Doch netzbildende Wechselrichter (blau) könnten dazu beitragen, den Weg für ein zukünftiges Netz zu ebnen, das hauptsächlich auf erneuerbaren Energien basiert. Im Stromnetz der Zukunft könnte jedes Haus über Solarpaneele verfügen und Elektrofahrzeuge könnten bidirektional aufgeladen werden, sodass sie Energie in das Netz zurückspeisen könnten.

Wenn Ihr Haus über Solarpaneele verfügt, haben Sie wahrscheinlich auch einen Wechselrichter in Ihrer Garage. Energieunternehmen nutzen ähnliche Wechselrichter in Wind- und Solarparks, um große Mengen Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln und ins Netz einzuspeisen. Bei den meisten davon handelt es sich jedoch um sogenannte netzgeführte Wechselrichter. Sie sind wie die kleinen Entenküken, die ihrer Mutter hinterherlaufen – sie können ein paar Dinge selbst erledigen, aber sie sind nicht in der Lage, das System so zu steuern, wie es eine erwachsene Ente kann.

Ein netzbildender Wechselrichter kann jedoch die Veränderungen im Netz erkennen und in Echtzeit reagieren, um seine Frequenz anzupassen, die je nach Bedarf mehr oder weniger Strom einspeist, um das Netz zu stabilisieren. Florian Dörfler, Elektroingenieur an der ETH Zürich, vergleicht eine Gruppe netzbildender Wechselrichter in einem Stromnetz mit einem Bündel rotierender Fahrradräder, die durch ein Gummiband verbunden sind. Wenn eines der Räder aus irgendeinem Grund etwas langsamer wird, überträgt das elastische Band den Schwung von den anderen und bringt es wieder in Synchronität mit der Gruppe.

Netzbildende Wechselrichter sind nicht ganz neu; Sie werden seit Jahrzehnten weltweit für bestimmte Zwecke eingesetzt. In den Vereinigten Staaten befinden sie sich meist in Mikronetzen, kleinen Stromsystemen, die isolierte Gebiete wie Inseln oder kleine Anlagen versorgen.

In den 2010er Jahren baute beispielsweise eine Gruppe von Forschern und Branchenexperten im Santa Rita-Gefängnis in Dublin, Kalifornien, ein Mikronetz mit netzbildenden Wechselrichtern. Das Mikronetz nutzte Solarmodule auf dem Dach, fünf Windturbinen, eine Brennstoffzelle und einen Batteriespeicher Ziel war es, ein eigenständiges Stromversorgungssystem zu schaffen, das für den täglichen Bedarf funktioniert, im Falle eines Stromausfalls aber auch unabhängig vom Hauptstromnetz weiterlaufen kann – was für die Aufrechterhaltung der Sicherheit von entscheidender Bedeutung ist. Weitere Mikronetze, die netzbildende Wechselrichter nutzen, sind unter anderem ein Militärstützpunkt auf der hawaiianischen Insel Kauai und der Karibikinsel Sint Eustatius.

Die Herausforderung besteht nun darin, von kleinen, autarken Systemen auf größere Stromnetze umzusteigen, die viele erneuerbare Energien einbeziehen. Mehrere Länder haben mit diesem Vorhaben begonnen und ihre Systeme mit netzbildenden Wechselrichtern ausgestattet.

Australien ist vielleicht weltweit führend, mit drei großen Anlagen für erneuerbare Energien mit netzbildenden Wechselrichtern, die kürzlich in Betrieb genommen wurden, und drei weiteren Anlagen dieser Art in der Bauphase mit einer Gesamtleistung von 480 Megawatt. Einige davon befinden sich in Südaustralien, wo die Windenergie in den letzten Jahren boomt. Im Dezember gab die australische Agentur für erneuerbare Energien bekannt, dass sie 176 Millionen australische Dollar (ca. 118 Millionen US-Dollar) in acht weitere Projekte zur Erzeugung erneuerbarer Energie mithilfe netzbildender Technologien investieren werde. Insgesamt sollen diese acht Projekte 2 Gigawatt Strom erzeugen – das Zehnfache der bisherigen Netzbildungskapazität des Landes und ein „bahnbrechender“ Schritt in die richtige Richtung, sagt Matevosyan.

Auch das Vereinigte Königreich investiert in fünf neue Projekte, darunter eine 300-Megawatt-Anlage in Schottland, die 2024 fertiggestellt werden soll. Im Gegensatz dazu haben die Vereinigten Staaten auf nationaler Ebene wenig unternommen, um die Einführung netzbildender Wechselrichter zu fördern Die Produktion erneuerbarer Energien hat sich im letzten Jahrzehnt etwa verdoppelt und macht nun mehr als 20 Prozent der Stromerzeugung des Landes aus. „Die USA sind wahrscheinlich zehn Jahre hinter der Kurve“, sagt Dörfler.

Das könnte sich ändern. Das US-Energieministerium finanziert eine 25-Millionen-Dollar-Initiative, um daran zu arbeiten, mehr netzbildende Wechselrichter in das US-Stromsystem zu integrieren. Das als UNIFI bekannte Konsortium für „universelle Interoperabilität für netzbildende Wechselrichter“ befindet sich im zweiten von fünf Forschungsjahren. Es wird vom National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, zusammen mit der University of Texas in Austin und dem Electric Power Research Institute in Palo Alto, Kalifornien, geleitet.

Stromnetze zeigen ihr Alter – und sie sind besonders anfällig für die Kaskadeneffekte, die mit extremen Wetterbedingungen einhergehen können. Hier ist ein Blick auf einige aktuelle Ereignisse, die die Netze an den Rand ihrer Existenz gebracht haben.

Februar 2021Ein starker Frost in weiten Teilen von Texas (siehe oben) legte elektrische Geräte lahm und machte einen Großteil des Stromnetzes des Staates offline, was zu Hunderten von Todesfällen führte.

September 2021Der Hurrikan Ida hat in Louisiana mehr als eine Million Menschen mit Strom versorgt, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass die Übertragungsleitungen den Windgeschwindigkeiten des Hurrikans nicht standhalten konnten.

Mai 2022Ein heftiger Sturm über Ontario und Quebec (Kanada) brachte Stromleitungen zum Einsturz und ließ letztlich fast eine Million Menschen ohne Strom zurück.

Juni 2022Ein Ausfall in einem Kraftwerk in West-Texas führte zu weiteren Ausfällen im gesamten texanischen Netz, darunter zum Ausfall von 1,7 Gigawatt Solarstromerzeugung.

Januar 202Ein Spannungsstoß von 3 A lahmlegte das pakistanische Stromnetz und ließ mehr als 200 Millionen Menschen ohne Strom zurück.

Juni 2023Eine Hitzekuppel über Nordmexiko und Texas hätte beinahe dazu geführt, dass der Strombedarf Mexikos sein Angebot überstieg.

Bisher konzentrierte sich UNIFI auf grundlegende Fragen wie die Erarbeitung von Richtlinienvorschlägen für den Bau von netzbildenden Wechselrichtern durch Unternehmen. Bisher haben Hersteller auf der ganzen Welt ihre eigenen Arten von netzbildenden Wechselrichtern hergestellt, die kaum oder gar nicht aufeinander abgestimmt waren. Im Dezember veröffentlichte UNIFI Normentwürfe, die als erster Schritt hin zu einem nationalen Netzkodex dienen sollen, der technische Spezifikationen für Geräte enthält; eine zweite, aktualisierte Version wird für Ende des Jahres erwartet.

UNIFI brachte kürzlich eine Handvoll netzbildender Wechselrichter verschiedener Hersteller in das NREL-Labor in Colorado. Dort testen Forscher sie in einem 1-Megawatt-Stromsystem, um zu sehen, wie sie sich im gleichen Netz schlagen. Eine ähnliche UNIFI-Initiative testet die Leistung einer größeren Anzahl netzbildender Wechselrichter von zwei verschiedenen Herstellern in einem 20-Megawatt-System auf Kauai.

Ziel ist es herauszufinden, ob sich Wechselrichter verschiedener Hersteller reibungslos in ein großes Stromnetz integrieren lassen und wie viel Programmieraufwand nötig ist, um sie gut miteinander zu harmonieren. „Wie sorgt man dafür, dass Millionen dieser Dinge in einem groß angelegten Netzwerksystemkontext kollaborativ zusammenarbeiten?“ fragt Gross, der bei UNIFI arbeitet. Solche Tests sind nur ein erster Schritt, um die Vereinigten Staaten mit anderen Ländern gleichzuziehen, deren große Stromnetze bereits über netzbildende Wechselrichter verfügen.

UNIFI hofft, den Bekanntheitsgrad netzbildender Wechselrichter zu steigern und eine Orientierungshilfe für die derzeitige Wild-West-Landschaft verschiedener Unternehmen zu bieten, die diese herstellen. Aber es muss schnell gehen, um etwas zu bewirken. „Wir sprechen buchstäblich davon, den gesamten Elektrizitätssektor in etwa 15 Jahren zu transformieren“, sagt Ben Kroposki, Direktor des Power Systems Engineering Center am NREL und Organisationsdirektor von UNIFI. „Es hat 140, 150 Jahre gedauert, um das aufzubauen, was wir heute haben. Und das ist einfach eine monumentale Veränderung im Stromsektor.“

Wechselrichter in einem typischen Solarpanelsystem für Privathaushalte können mehrere tausend Dollar kosten, wobei die Kosten für Systeme im industriellen Maßstab höher sind. Aber gitterbildende Geräte sind nicht zwangsläufig teurer in der Herstellung als gitterfolgende Geräte. Hersteller verlangen etwas mehr, um ihre Forschungs- und Entwicklungskosten zu decken, aber der Unterschied sei im Vergleich zum erzielten Nutzen minimal, sagt Matevosyan. Auch wenn einige Länder Energieunternehmen dazu anregen, netzbildende Technologien einzuführen, sagt sie, dass jeder, der heute Netzkomponenten baut, diese selbstverständlich integrieren sollte. „Es macht einfach Sinn, sie gitterbildend zu machen“, sagt sie. „Sie können es zukunftssicher machen.“

Auch wenn netzbildende Wechselrichter eingeführt werden, gibt es noch Forschungsfragen, die beantwortet werden müssen. Eine Herausforderung besteht darin, dass noch nicht klar ist, wie viele Wechselrichter in den Netzen der Zukunft netzbildend sein müssen. Theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass einige Netze problemlos funktionieren werden, wenn sie 60 bis 70 Prozent ihres Stroms aus erneuerbaren Quellen mit netzkonformen Wechselrichtern beziehen. Aber andere könnten bei nur 20 Prozent abstürzen und müssen mehr netzbildende Wechselrichter im Mix haben, sagt Gross.

Die Anzahl für jedes Gitter hängt von Faktoren wie dem Alter, der Stabilität und der Geometrie des Gitters ab. Ein dicht vernetztes Netzwerk von Stromerzeugungsanlagen wie in Europa benötigt möglicherweise einen viel geringeren Prozentsatz an netzbildenden Wechselrichtern als ein langes, ausgedehntes Netzwerk wie das entlang der australischen Küste.

Das US-Stromnetz besteht eigentlich aus drei separaten Netzen im Osten und Westen des Landes sowie in Texas, die alle unterschiedliche Wechselrichteranforderungen haben. Und einige Energieversorger könnten sich dafür entscheiden, ihre Kohle- oder Gaskraftwerke abzuschalten, aber einige große Kern- oder Wasserkraftwerke beizubehalten, was weiterhin die Synchronität des Netzes unterstützen und weniger netzbildende Wechselrichter erfordern würde.

Zu den weiteren Forschungsschwerpunkten gehört die Suche nach neuen Wegen zur Diagnose und Behebung von Problemen im Netz. Ein Kurzschluss in einer Netzkomponente kann beispielsweise plötzlich große Strommengen einspeisen, eine Überspannung, die herkömmliche Kraftwerke automatisch bewältigen können, indem sie den fehlerhaften Teil abschalten. Netzbildende Wechselrichter können große Stromspitzen nicht tolerieren, was es schwieriger macht, diese Probleme in Echtzeit zu lösen. „Wie dies effizient und sicher erfolgen kann, ist immer noch eine große Forschungsfrage“, sagt Rodrigo Henriquez-Auba, ein Elektroingenieur in Mountain View, Kalifornien, der mit UNIFI zusammenarbeitet.

Einige Wissenschaftler, darunter Dörfler, erforschen, wie ein Stromnetz mit vielen netzbildenden Wechselrichtern auf neue Weise Strom bereitstellen könnte. Durch zusätzliche Schritte zur Optimierung der Zusammenarbeit der Wechselrichter können Forscher das System näher an das heranführen, was manche als virtuelles Kraftwerk bezeichnen – in dem viele kleine Geräte für erneuerbare Energien effektiv wie ein einziges traditionelles Kraftwerk funktionieren. Das könnte bedeuten, Wechselrichter so zu programmieren, dass sie schnell Strom aus einer Batterie ziehen und wieder einspeisen, um das Netz robuster gegenüber unerwarteten Schwankungen zu machen. Techniken des maschinellen Lernens können hilfreich sein, indem sie Wechselrichter anhand realer Daten trainieren, um den Betrieb zu optimieren.

Natürlich gibt es noch viele andere Herausforderungen beim Aufbau des Netzes der Zukunft, etwa die Suche nach besseren Möglichkeiten zur Speicherung von Strom aus Solar- und Windparks, den Bau der erforderlichen Übertragungsleitungen und die Beschleunigung des Anschlusses erneuerbarer Energieanlagen Das Netz ist aufgrund regulatorischer Probleme derzeit überlastet.

Hidalgo-Gonzalez sagt, dass das Stromnetz der Zukunft für alle stärker und widerstandsfähiger sein muss. Das heutige US-Stromnetz fördert viele gesellschaftliche Ungleichheiten. Es ist tendenziell schwach und weniger zuverlässig, beispielsweise in Gemeinden mit niedrigerem Einkommen, die anfälliger für extreme Wetterbedingungen sind als in wohlhabenderen Gemeinden. Im Jahr 2021 beispielsweise hat der Hurrikan Ida in Louisiana mehr als eine Million Menschen von der Stromversorgung abgeschnitten, und einige einkommensschwächere Gemeinden bekamen den Strom wochenlang nicht zurück.

Erneuerbare Energien, unterstützt durch netzbildende Wechselrichter, können eine große Rolle dabei spielen, das Netz widerstandsfähiger und gerechter zu machen, sagt Hidalgo-Gonzalez. „Wir müssen ganz schnell gehen“, sagt sie, „wenn wir den Klimawandel ernst nehmen wollen.“

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Eine Version dieses Artikels erscheint in der Science News-Ausgabe vom 26. August 2023.

Alexandra Witze ist Korrespondentin für Science News. Witze hat seinen Sitz in Boulder, Colorado und ist auf Erd-, Planeten- und Astronomiewissenschaften spezialisiert.

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