Windenergiekonverter speisen mal mehr, mal weniger Energie ins Netz. Mit neuen energietechnischen Systemen gelingt es den Ingenieuren, die launischen Segnungen des Windgottes Aiolos zu bändigen. Autor: Constantinos Sourkounis
Die Nutzung der Windenergie stellt die Stromnetzbetreiber vor völlig neue Herausforderungen: Bei guten Windverhältnissen stellen die Windparks große Energiemengen bereit, in Schwachwindzeiten ergibt sich eine entsprechend geringere Energieabgabe an das elektrische Netz. Diese fluktuierende Energieabgabe ruft aus technischer Sicht eine Minderung der Energiequalität in den elektrischen Netzen hervor. Diese äußert sich in Form von Spannungsänderungen und bei Inselnetzen auch durch Frequenzschwankungen.
Damit auch bei einem niedrigen Energieangebot des Windes immer ausreichend Energie zur Verfügung steht, müssen hohe Kraftwerksreserven durch entsprechenden Aufwand abrufbar gehalten werden. Umgekehrt müssen bei guten Windverhältnissen und niedriger Last im Netz die Windräder gedrosselt werden, was dazu führt, dass sich Energieausbeute und Ausnutzungsgrad der Anlagen verschlechtern.
Diesen Problemen kann mit der so genannten Energiekonditionierung entgegengewirkt werden: einer bedarfsgerechten Anpassung des Leistungsflusses ins elektrische Netz. Dazu wird ein spezielles System parallel am Netz zwischen dem Netzknoten und dem Windpark angeschlossen. Es besteht aus einem sogenannten Leistungsstellglied, einem Speicher und einem Regelungssystem. Das Leistungsstellglied muss zur Glättung hochdynamischer Leistungsänderungen aus dem Windpark mit entsprechender Dynamik reagieren können und je nach Bedarf Leistung liefern oder aufnehmen. Darüber hinaus ist es zur Stabilisierung der Netzspannung erforderlich, Blindleistung bereitzustellen. Diese Anforderungen lassen sich mit einem so genannten „selbstgeführten Wechselrichter” realisieren. Dieses Gerät ist in der Lage, Wirk- und Blindleistung unabhängig voneinander zu liefern beziehungsweise aufzunehmen.
Hierzu berechnet ein spezielles Energiemanagement die Sollwerte für die Leistungsregelung des Stellgliedes. Die dynamischen Leistungsänderungen der Windenergiekonverter können somit geglättet werden, ohne dass es erforderlich wäre, sie zu drosseln. Die überschüssige Leistung kann mit Hilfe des Energiekonditionierers zwischengespeichert werden. Dazu kommen heute verschiedene Speichersysteme zum Einsatz:
• Batterien. Sie bieten, bei ausgezeichneter Dynamik, die Möglichkeit, auch größere Energiemengen zu speichern. Dafür haben sie, je nach Typ, nur eine relativ begrenzte Lebensdauer. Sie werden vor allem zum Ausgleich von kurz- und mittelfristigen Fluktuationen des Energieangebotes bzw. –verbrauchs eingesetzt. • Schwungradspeicher. Im Gegensatz zu Batterien habe sie keinerlei Memory-Effekt. Für ihre Lebensdauer ist es also unerheblich, wie vollständig und wie oft man die gespeicherte Energie abruft. Dafür weisen die Schwungräder einen relativ hohen Eigenverbrauch durch Reibung auf. Desweiteren unterliegt das Schwungradsystem auch im „Stand-By-Modus” einem Verschleiß.
• Druckluft- und Wasser-Pumpspeicher. Mit unterirdischen Kavernen, in denen Luft unter hohen Druck gesetzt wird, oder mit höher gelegenen Wasserreservoirs lassen sich mittel- und langfristige Schwankungen der Windenergie und des Energieverbrauchs ausgleichen.
Insgesamt steht mit der Energiekonditionierung eine Technologie bereit, die es ermöglicht, die Windenergie effizienter als bisher zu nutzen. Untersuchungen an der Ruhr-Universität-Bochum (siehe Kasten) zeigen, dass eine kurzfristige Glättung des Wind-Energieangebotes möglich ist. Ebenso lässt sich die mittelfristige Änderung der abgegebenen elektrischen Leistung begrenzen. Eine sichere Vorhersage über die kurz- und mittelfristige Verfügbarkeit der Windenergie in elektrischen Versorgungsnetzen wird möglich. Damit könnte in Zukunft ein höherer Anteil der Windenergie zur Grundlastversorgung genutzt werden. ■
Prof. Dr.-Ing. habil. Constantinos Sourkounis ist Inhaber der Professur für Energiesystemtechnik und Leistungsmechatronik an der Ruhr-Universität Bochum. Er erforscht die Integration dezentraler Energieversorgungssysteme in das Energieversorgungsnetz.
