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3. Dezember 2020

Windenergieanlagen können das Stromnetz stabilisieren

In Zukunft müssen Erneuerbare-Energien-Anlagen zur Netzstabilität beitragen. Windenergieanlagen sind besonders geeignet, um das Stromnetz zu stützen und Momentanreserve zu liefern.

Immer mehr Windenergieanlagen speisen in das deutsche Stromnetz ein. Gleichzeitig gehen konventionelle Kraftwerke vom Netz. Diese sorgen bisher mit der Massenträgheit ihrer Synchrongeneratoren für Stabilität im Stromnetz. Damit die Versorgungssicherheit weiterhin gewährleistet werden kann, müssen künftig Erneuerbare-Energien-Anlagen diese Aufgabe übernehmen.

Die kinetische Energie in den Rotoren von Windenergieanlagen kann genutzt werden, um den Verlust an Massenträgheit auszugleichen und die so genannte Momentanreserve zur Stabilisierung des Netzes zu liefern. Doch halten die Anlagen den dadurch entstehenden mechanischen Belastungen stand? Das erfolgreich abgeschlossene Forschungsprojekt „GridLoads“ zeigt: Windenergieanlagen können Momentanreserve bereitstellen. Die Regelungsmodule der Anlagen müssen jedoch zuvor für die neue Aufgabe gerüstet werden.

Anlage und Netz treten in Interaktion

Bislang sind Netzzustand und Anlagenbetrieb bei Windenergieanlagen weitgehend entkoppelt. Wenn die Anlagen nun Regelleistung erbringen, um Schwankungen durch Trägheit im Netz auszugleichen und die Einspeisung zu vergleichmäßigen, treten die Windenergieanlage und das Netz in eine beständige Interaktion und es entsteht eine komplexe Wechselwirkung zwischen dem Stromnetz und der Anlage. In der Folge verändern sich auch die Anforderungen an die Generatorregelung der Anlagen. Um zum Beispiel bei Bedarf kurzfristig die Frequenz zu stützen und somit das Netz zu stabilisieren, muss die Wirkleistung der Windenergieanlagen verändert werden. Dabei können Schwingungen entstehen, die zu erhöhten mechanischen Belastungen führen. Der Triebstrang mit Rotorblättern, Wellen, Getriebe und Generator ist davon genauso betroffen wie der Turm.

Die Projektpartner Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE und MesH Engineering haben anhand komplexer Simulationen untersucht, wie sich netzstützende Regelungsstrategien auf die Anlagenelemente auswirken. Die Forscherinnen und Forscher brachten hierfür die Anlagen- und die Netzseite zusammen. So haben sie auf mechanischer Seite das Anlagenverhalten mit hochauflösende Mehrkörpermodelle simuliert und diese mit Netzwerk-Simulationen auf elektrischer Seite gekoppelt. Auf diese Weise konnten sie die elektromechanischen Rückwirkungen einer Referenzanlage exakt identifizieren.

Grafik mit Windenergieanlagen, Stromnetz und Haushalten

Leistungselektronik anpassen

So konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass Windenergieanlagen grundsätzlich netzstabilisierende Leistungen wie Momentanreserve liefern können, ohne dass die mechanischen Komponenten außerordentlich belastet werden. Allerdings müssen die Anlagenhersteller ihre Regelungsmodule für die Leistungselektronik zuvor an die neuen Aufgaben anpassen. Wie das möglich wird, zeigen die Forscherinnen und Forscher ebenfalls in dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten „GridLoads“-Vorhaben.

Lediglich bei einigen seltenen, speziellen Netzfehlern – etwa dem Komplettausfall eines Kraftwerks oder der fehlerbedingten, spontanen Bildung eines Inselnetzes - können übermäßige mechanische Belastungen von Triebstrang und Turm auftreten. Doch für diese Extremsituationen könnten die Anlagen gerüstet werden: Etwa indem die Hersteller die elektrischen Komponenten und den mechanischen Triebstrang überdimensional ausgestalten und so die Überlastfähigkeit erweitern. Oder indem sie Batterien oder Superkondensatoren als Kurzzeitspeicher installieren, die innerhalb kürzester Zeit die benötigten hohen Leistungen bereitstellen oder aufnehmen können. Eine andere Alternative ist, die Leistungsreserven der Windenergieanlagen zu nutzen. Denn Windenergieanlagen laufen den überwiegenden Teil ihrer Lebensdauer im Teillastbereich und nicht mit voller Nennleistung, sodass genügend Auslegungsreserve vorhanden ist.

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