Ersatz für rotierende Massen Virtuelle Schwungmasse für das Stromnetz der Zukunft

Rotierende Masse in der Leistungselekronik.
Rotierende Masse in der Leistungselekronik.

Der Vormarsch der Erneuerbaren Energien ist für das Stromnetz nicht unproblematisch. Ohne konventionelle Kraftwerke fehlt die Momentan-Reserve der Generatoren, um die Netzfrequenz zu stabilisieren. Doch die rotierende Masse kann durch Leistungselektronik mit virtueller Inertia ersetzt werden.

Was passiert, wenn der Hausmeister vom FC Köln die Flutlichtanlage einschaltet? Kurzfristig wird zusätzliche Leistung benötigt, doch woher kommt diese? Sie wird aus der in der Schwungmasse der Generator-Rotoren gespeicherten Energie genommen. Bezeichnet wird das als Momentan-Reserve der Netzregelung. Werden die Generatoren abgebremst, sinkt die Drehzahl etwas – und damit auch die Netzfrequenz. Das merken die Regler für die Dampfzufuhr an den Turbinen und geben mehr Gas. Das Netz wird durch diese Primärregelung kurzfristig stabilisiert. Das Ganze lässt sich gut mit dem Tempomat-Regler in Autos vergleichen.

In Zukunft soll das Stromnetz jedoch mit Erneuerbaren Energien versorgt werden. Doch Wind- und Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) sind nicht direkt an das Stromnetz angeschlossen. Stattdessen wird der Strom, der durch Wind- und Solarenergie erzeugt wird, über elektronische Wechselrichter ins Stromnetz eingespeist. Insbesondere bei der PV gibt es keine rotierenden Massen mehr, welche die Leistung im ersten Moment eines Leistungssprungs liefern könnten. Bei Windanlagen gleicht der Wechselrichter, mit dem eine Windanlage ans Stromnetz angeschlossen ist, alle Überströme aus und kann ohne zusätzlichen Aufwand keine Momentan-Reserve liefern. Wo soll also bei einem zukünftigen Stromnetz die Momentan-Reserve herkommen?

Erneuerbare Energien auf dem Vormarsch

Der Tag, an dem unser elektrischer Strombedarf zumindest für ein paar Stunden ausschließlich mit Erneuerbaren Energien gedeckt werden kann, ist nicht mehr fern [1]. Im deutschen Netz gibt es jetzt schon Tageszeiten, zu denen der Strom zu 85 Prozent von erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird [2] (Bild 1). Bis jetzt sind allerdings noch genügend konventionelle Kraftwerke am Netz angeschlossen, deren Leistung nicht weiter heruntergefahren werden kann. Außerdem ist Deutschland Teil des europäischen Verbundnetzes, sodass zumindest aus anderen Ländern, die mit dem Umstieg auf Erneuerbare Energien noch nicht so weit sind, genügend Schwungmasse zur Verfügung steht. Aber auch dort sollen erneuerbare Energieträger ausgebaut werden, sodass zu überlegen ist, wie das Stromnetz denn künftig geregelt werden kann.

Die verlorengegangene Schwungmasse (Inertia) kann zum Beispiel mit virtueller Inertia ersetzt werden. Bisher beziehen sich entsprechende Vorschläge auf die Einspeise-Seite – z.B. für Windanlagen [3, 4] und PV- oder Batteriewechselrichter [5, 6, 7, 8]. Bei PV- und Batteriewechselrichtern werden kleine elektrische Speicher anstelle der mechanischen Schwungmassen eingesetzt. Zum Beispiel könnten Zwischenkreiskondensatoren von Einspeisewechselrichtern als Ersatzspeicher verwendet werden [5]. Doch warum sollten sich solche virtuellen Inertia nur auf die Einspeiseseite beschränken? Zwischenkreiskondensatoren sind in jedem Schaltnetzteil enthalten und könnten ebenfalls genutzt werden.

Energiebedarf im ungünstigsten Fall

Der Leistungs- und Energiebedarf für virtuelle Inertia kann mit Hilfe der Studie der Deutschen Energie-Agentur (DENA) ermittelt werden [9]. Fallen im ungünstigsten Fall plötzlich 3 GW Einspeiseleistung im europäischen ENTSO-E-Netz (Verband europäischer Übertragungsnetzbetreiber) aus, müssen im deutschen Stromnetz 372 MW ausgeregelt werden. Die Leistung fällt innerhalb von 20 s linear auf null, da sie von der Primärregelung übernommen wird. Damit ergibt sich eine Gesamtenergie von 3720 MWs. Wie viel müsste ein Netzteil für einen solchen Fall bereitstellen? Angenommen, alle Lasten würden sich an den virtuellen Inertia beteiligen: Zum Abschätzen der Summe aller Lasten kann die höchste Leistungsaufnahme mit etwa 80 GW in Deutschland als installierte Leistung angesetzt werden. Pro Kilowatt an installierter Leistung müssten also 4,6 W – aufgerundet etwa 5 W – und entsprechend 50 Ws geliefert werden.

Was bedeutet das für ein Schaltnetzteil? Im ungünstigsten Fall müsste ein 1-kW-Netzteil kurzfristig 5 W weniger Leistung ins Netz speisen – oder im umgekehrten Fall mehr beziehen. Das entspricht 0,5 % der Nennleistung und sollte keine Probleme für die Spezifikation des Netzteiles mit sich bringen.

Wie groß muss aber ein Zwischenkreis-Kondensator sein, um die notwendige Energie bereithalten zu können? Die Baugröße eines Kondensators ist schließlich durch den Energiegehalt bestimmt. Für Bild 2 wurden von der Webpräsenz eines Elektronikversandhandels Durchmesser, Bauhöhen, Kapazitäten und Nennspannungen von über 200 Elektrolytkondensatoren (Elko) in eine Tabellenkalkulation eingegeben und der Zusammenhang von Kondensatorvolumen und Energiegehalt berechnet [10]. Im ungünstigsten Fall soll der Zwischenkreiskondensator nicht vollständig entladen werden, sondern nur zum Teil. Wenn die Zwischenkreisspannung nur um einen geringeren Wert ΔU/Umax absinken darf, lässt sich die folgende Formel aus der maximal verfügbaren Energie Emax für den dann nutzbaren Energieanteil Euse herleiten:

E subscript u s e end subscript equals E subscript m a x end subscript times open square brackets 1 minus fraction numerator capital delta U over denominator U subscript m a x end subscript end fraction squared close square brackets

Fluktuationen im täglichen Betrieb

Im täglichen Betrieb ist die Momentan-Reserve auch für die Netzstabilität notwendig. Dabei sind jedoch deutlich kleinere Schwankungen der Leistung und der Zwischenkreisspannung zu erwarten. Bei einem Lastsprung wird die Drehzahl konventioneller Generatoren gleichmäßig linear niedriger, solange der Generator eine konstante Überlast liefert. Entsprechend reagieren Generatoren im Stromnetz auf einen linearen Frequenzabfall Δf mit einer konstanten zusätzlichen Leistungsabgabe ΔP. Die zusätzliche Leistungsabgabe ΔP ergibt sich demnach aus der zeitlichen Ableitung des Frequenzverlaufs. Als Formel ausgedrückt lautet sie:

fraction numerator increment P left parenthesis t right parenthesis over denominator P subscript 0 end fraction equals T subscript alpha times fraction numerator d over denominator d t end fraction space fraction numerator increment f left parenthesis t right parenthesis over denominator f subscript 0 end fraction

wobei f0 die Nennfrequenz und P0 die Nennleistung ist. Tα ist die Inertia-Zeitkonstante, auch Anlaufzeitkonstante genannt, und gibt die Steigung der Frequenzänderung wieder. Im Folgenden wird für Tα des ENTSO-E-Netzes 24 s verwendet [11]. Der Wert wird aus den Messdaten des Emslandvorfalls abgeschätzt, bei dem im November 2006 binnen 15 min von Deutschland bis Spanien Millionen Menschen von teilweise stundenlangen Stromausfällen betroffen waren. Eine Regelung für virtuelle Inertia müsste sich exakt an die Gleichung halten. So lässt sich aus den gemessenen Frequenzdaten des Stromnetzes leicht ermitteln, wie der Leistungsverlauf im täglichen Betrieb aussehen müsste. Ein Team der Technischen Hochschule Köln hat Netzfrequenzdaten ermittelt [12].

Davon wurden Daten für eine Stunde exemplarisch ausgewählt. Der Frequenzverlauf ist in Bild 3 als rote Kurve dargestellt. Die blaue Kurve stellt den berechneten Verlauf der zusätzlichen Leistung dar – bezogen auf die Nennleistung. Es zeigt sich, dass die Leistung den Bereich von ±0,15 % der Nennleistung nicht verlässt. Die geringe Abweichung zeigt, dass die vorhandene Hardware sicherlich ohne zusätzliche Erweiterung die zusätzliche Leistung bereitstellen kann. Die Strom¬änderungen am Zwischenkreis-Elko sind proportional zur Leistungsvariation und liegen daher auch nur im Promillebereich des Nennstroms. Sie sind damit mindestens eine Größenordnung geringer als der typische überlagerte Wechselstrom in Zwischenkreis-Elkos. Hinzu kommt die geringe Änderungsrate von wenigen mHz, sodass ein zusätzlicher Verschleiß der Zwischenkreis-Elkos unwahrscheinlich ist.