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Netzintegration von Windenergieanlagen

Umsetzung einer sicheren Stromversorgung mit fluktuierender Windleistung

von Prof. Dr. Detlef Schulz

Windenergie stellt mit mehr als 27 GW den höchsten Leistungsanteil der regenerativen Energien in Deutschland. Zukünftig muss ihre Netzintegration optimiert werden, damit trotz der fluktuierenden Energiebereitstellung fossil befeuerte Kraftwerke langfristig abgelöst werden können. Prof. Dr. Detlef Schulz zeigt, welche Maßnahmen für eine langfristig erfolgreiche Netzintegration umgesetzt werden müssen.

Momentan tragen erneuerbare Energien rund 14 Prozent zur Stromerzeugung bei. Bis zum Jahr 2020 soll sich dieser Anteil schon auf 20 bis 30 Prozent erhöhen. Wenn die technischen Voraussetzungen für eine optimale Netzintegration geschaffen werden, kann bereits im Jahr 2050 eine Vollversorgung aus regenerativen Energien möglich werden. In der „klassischen“ Stromversorgung mit fossilen Brennstoffen besteht das Ziel in der bedarfsgerechten Energiebereitstellung. Bei der fluktuierenden Windenergie und auch bei der Photovoltaik ist dies nicht immer möglich, hier muss die Anpassung entweder auf der Verbraucherseite oder durch Energiespeicher erfolgen. Mit dem Übergang zur regenerativen Stromversorgung verändert sich auch die räumliche Anordnung des Kraftwerkparks. Während fossil befeuerte Kraftwerke als möglichst große Einheiten in der Nähe von Brennstoffquellen bzw. Verbraucherzentren gebaut wurden, liefern erneuerbare Energiequellen ihre Stromanteile aus einer dezentralen Verteilung. Das ist für die Spannungsregelung im Netz vorteilhaft, erfordert jedoch eine angepasste Netzstruktur und den dafür notwendigen Netzausbau. Durch die flexible leistungselektronische Netzkopplung der Windenergieanlagen können sie schon heute an der Netzregelung beteiligt werden. Wegen des hohen Leistungsanteils der Windenergie und ihrer fluktuierenden Charakteristik werden die notwendigen Strukturanpassungen hier besonders deutlich. Die sich daraus ergebenden Aufgabenstellungen sowie notwendige Maßnahmen und Lösungsansätze sollen nachfolgend beschrieben werden.

Anforderungen an eine optimale Netzintegration

Eine optimale Netzintegration von Windenergie muss folgende Bedingungen erfüllen:

- Ausschöpfung der lokalen Erzeugungspotenziale, d.h. Abtransport der erzeugten Leistungen aus Gebieten mit hohen Windgeschwindigkeiten für Onshore- und Offshore-Windparks. Hierfür sind die Ertüchtigung bzw. der Ausbau des Netzes erforderlich.

- Ergänzung des fluktuierenden Leistungsprofils durch komplementäre erneuerbare Energiequellen wie Photovoltaik, Biomasse-Kraftwerke und Wasserkraftwerke zu einem „virtuellen Kraftwerk“ mit Grundlastcharakter. Hierzu müssen geeignete Energiequellen zusammengefasst und lokal gemeinsam gesteuert werden.

- Möglichst erzeugungsnahe Kopplung mit einem passenden Verbrauchsprofil, z.B. mit zeitlich steuerbaren Verbrauchern, den sog. „virtuellen Speichern“.

- Ex-/Import von Energie über das elektrische Verteilungs- und Transportnetz. Dies erfordert die Netzertüchtigung bzw. den Netzausbau über weite Strecken.

- Möglichst erzeugungsnahe Kopplung mit Energiespeichern in Form von „systemübergreifender“ Speicherung,z.B. Erzeugung von Wasserstoff aus Windstrom und Einspeisung in das Erdgasnetz bzw. systeminterne Speicherung, z.B. in Pumpspeicherwerken. Hierzu müssen neue Anlagen zur Elektrolyse bzw. neue Energiespeicher gebaut werden.

- Optimierung dieser Punkte durch ein intelligentes Stromversorgungsnetz – „Smart Grid“. Ein Smart Grid kann kein Ersatz für den Netzausbau bzw. Neubau von Energiespeichern sein. Durch die Erfassung und Steuerung der Netzgrößen kann jedoch eine verbesserte Anpassung zwischen Erzeugung und Verbrauch erfolgen und die Netzverluste können minimiert werden.

- In den folgenden Abschnitten sollen die hier genannten Punkte näher betrachtet werden.

Netzertüchtigung und Netzausbau

Oft reicht die Übertragungskapazität von Freileitungssystemen nicht aus, um zusätzlichen Windstrom zu Transportieren. Dann werden die betroffenen Windparks in ihrer Leistung reduziert bzw. abgeschaltet. Als kurzfristig zu realisierende Maßnahme zur Kapazitätserhöhung des Stromtransports kann ein Temperaturmonitoring eingesetzt werden. Im Normalbetrieb erfolgt die Belastung der Leiterseile unter der Annahme von 35 °C Außentemperatur, 0,6 m/s Windgeschwindigkeit und 100 Prozent Sonneneinstrahlung. Bei hohen Windleistungen und den damit verbundenen höheren Windgeschwindigkeiten werden die Leiterseile jedoch besser gekühlt und können abhängig von der Kühlung bis zu 50 Prozent höher belastet werden. Eine weitere mittelfristig realisierbare Möglichkeit ist der Ersatz der Standard-Leiterseile mit 80 °C Grenztemperatur durch sog. Hochtemperatur- Leiterseile mit einer Grenztemperatur von bis zu 210 °C. Dadurch kann die Übertragungskapazität verdoppelt werden, es treten jedoch höhere Leitungsverluste auf. Mittel- und langfristig kann die Übertragungsspannung angehoben werden, wodurch die Leistung quadratisch zur Spannungserhöhung anwächst. Hingegen ist der Neubau von Freileitungssystemen aufgrund der aufwändigen Genehmigungsprozesse nur langfristig umsetzbar. Deshalb werden wegen der einfacheren Realisierbarkeit und geringerer Vorbehalte von Anwohnern trotz höherer Investitions- und Betriebskosten auch Hochspannungskabel zur Netzanbindung von Windparks eingesetzt.
Alle beschriebenen Umrüstungen und Ausbauten verursachen hohe Kosten. Zu beachten ist, dass diese Maßnahmen zur Erhaltung der Ausfallsicherheit im Netz jeweils auf zwei parallelen Netzabschnitten umgesetzt werden müssen. Davon kann im Ausnahmefall nur dann abgewichen werden, wenn die betreffende Leitung ausschließlich dem Windstromtransport dient.

Virtuelle Kraftwerke

Virtuelle Kraftwerke bilden einen Zusammenschluss unterschiedlicher erneuerbarer Energien. Das Ziel besteht darin, durch die Verstetigung der Leistungsabgabe einen besseren Beitrag zur Grundlastversorgung zu liefern. Passend zur Windenergie können z. B. Gasturbinenkraftwerke mit Biomassefeuerung oder geothermische Kraftwerke geregelt werden. Es ist sinnvoll, auch die sog. „virtuellen“ Energiespeicher in dieses Konzept einzubinden, da hiermit ein Ausgleich fluktuierender Energiebereitstellung erfolgen kann. Virtuelle Kraftwerke gehören heute bereits zum Stand der Technik. Solange die erneuerbaren Energiewandler räumlich eng installiert sind, liegt die Steuer- und Regelbarkeit in einer Hand und ist mit vertretbarem Aufwand umsetzbar. Ermöglicht wird der Betrieb virtueller Kraftwerke nur durch das gemeinsame Vorgehen von Energiepark- und Netzbetreibern. Dabei müssen technische Problemstellungen gelöst werden wie z. B. definierte Schnittstellen für die erneuerbaren Energiewandler, aber auch neue organisatorische Ansätze gefunden werden wie z. B. die Einbindung der virtuellen Kraftwerke in die Lastfahrpläne der Netzbetreiber.

Virtuelle Speicher

Eine kostengünstige Alternative zu neuen Energiespeichern kann die Steuerung von Verbrauchern als sog. virtueller Speicher sein. Virtuell deshalb, weil keine Energie gespeichert, jedoch der gleiche Effekt wie bei der Speicherung erzielt wird. Durch die gezielte Zu- und Abschaltung bzw. Leistungssteuerung von unkritischen Prozessen lassen sich Energieerzeugung und –verbrauch anpassen. Somit bleibt ein stabiler Netzbetrieb gewährleistet. Viele private und vor allem industrielle Prozesse lassen eine Leistungssteuerung in weiten Bereichen zu. Für Industriestromkunden werden heute gezielte Abschaltungen über mehrere Stunden vertraglich geregelt. Diese Abschaltungen sind bei unkritischen Prozessen tolerierbar. Dazu gehören elektrische Speicherheizungen, die elektrische Warmwassererwärmung, Kühl- und Gefriergeräte, Lüftungsanlagen sowie Pumpen in Warmwasserheizungen. Mit der Regelung aller Arten von Kreislaufpumpen, Ventilatoren und Druckluftpumpen sowie der Einflussnahme auf Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung lassen sich erhebliche Leistungsschwankungen abfangen.

Export und Import von Energie

Wenn ein Leistungsüberschuss besteht, kann dieser als Export in andere Regionen mit passendem Verbrauch transportiert werden. Leistungsdefizite können durch einen Stromimport ausgeglichen werden. Dabei fallen entfernungsabhängige Verluste an. Teilweise ist dafür der zeit- und genehmigungsaufwändige Bau neuer Übertragungsstrecken erforderlich. Solche Leistungstransite sollten in einem überschaubaren Rahmen bleiben, damit keine ungewollten Abhängigkeiten zu politisch instabilen Regionen entstehen, wie dies z.B. beim zukünftigen Solarstrom-Import aus Nordafrika der Fall sein könnte.

Energiespeicher

Zusätzliche Energiespeicher sind daher nur dann erforderlich, wenn entweder das Netz nicht ausreichend ausgebaut ist oder weder steuerbare Energieerzeuger noch eine Verbrauchersteuerung eine Anpassung zwischen Erzeugung und Verbrauch sicherstellen können. Im Vergleich zu den vorher beschriebenen Maßnahmen ist der Neubau von Energiespeichern immer die kostenintensivste Lösung. Als großtechnische Energiespeicher stehen nur wenige Technologien zur Verfügung. Pumpspeicherwerke weisen mit 81 Prozent Wirkungsgrad den höchsten Gesamtwirkungsgrad auf. Ihre Speicherkosten liegen unter den Kosten für die Druckluft- und Wasserstoffspeicherung. Hohe Potenziale für ihren weiteren Zubau ergeben sich durch die Nutzung von geologischen Strukturen in ehemaligen Tagebauen und Kalksteingruben. Existierende Druckluftspeicher erreichen einen Wirkungsgrad von nur 42 Prozent. Zudem besteht eine starke Konkurrenz für die Nutzung von Kavernen zur Druckluftspeicherung. Wasserstoff weist hohe Energiedichten auf und kann systemübergreifend im bestehenden Erdgasnetz gespeichert werden. Eine langfristig tragfähige Lösung ist die Beimischung von Wasserstoff im Erdgasnetz zu Heizzwecken. Die Speicherung in Kavernen erfordert vergleichsweise hohe Investitionen. Falls eine Rückverstromung von Wasserstoff in Gasturbinen oder Brennstoffzellen erfolgt, liegt ein geringer Gesamtwirkungsgrad von max. 28 Prozent vor.

Intelligente Netze: Smart Grids

Intelligente Netze bestehen aus den Messgeräten zur zeitlich aufgelösten Erfassung von Energieverbrauch und –erzeugung sowie dem übergeordneten Steuerungssystem. Durch die genaue Kenntnis der Verbrauchsdaten kann die benötigte Energie bedarfsgerecht erzeugt bzw. beschafft werden. Leitungsverluste sollen dabei minimiert werden. Steuerbare Verbraucher können der fluktuierenden Energieerzeugung angepasst werden. Auftretende Leistungsdifferenzen werden durch steuerbare Energieerzeuger sowie Energiespeicher ausgeglichen.

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