Stromnetze und dezentrale Energiespeicher

Messungen der Spannungsqualität, Modellerstellung und Analyse von Stromnetzen mit dezentraler Energiespeicherung

 

Die charakteristischen Eigenschaften des Stromnetzes lassen sich folgendermassen veranschaulichen. Zum einen reagiert es wie ein rotierender zylindrischer Körper, der nicht zu schnell und nicht zu langsam drehen darf. Wird der Zylinder durch ein Lastmoment abgebremst, muss durch ein antreibendes Moment in Gegenrichtung die Drehzahl wieder erhöht werden. Mit sogenannten Regelkraftwerken sorgt die Swissgrid in Abstimmung mit den anderen europäischen Übertragungsnetzbetreibern für eine jederzeit ausgeglichene Momenten- bzw. Leistungsbilanz und damit für Frequenzstabilität. Die Produktion aus Sonne und Wind wird von der Natur vorgegeben und richtet sich nicht nach dem Strombedarf. Die Leistungsänderungsgeschwindigkeiten können gerade bei Windkraftwerken enorm sein. Aufgrund des gesetzlich definierten Einspeisevorrangs der Erneuerbaren müssen alle anderen Kraftwerke in «windigen» und «sonnigen» Zeiten ihre Leistung schnell reduzieren. Nimmt die Einspeisung langfristig europaweit zu, werden mehr thermische Kraftwerke aus wirtschaftlichen Gründen stillgelegt. Aus diesem Grund basieren neue Konzepte zur Netzregelung und den Bilanzausgleich zusätzlich auf regelbaren Lasten und vor allem auf Stromspeichern.

Die zweite Eigenschaft betrifft die Netzspannung.  Stromleitungen verhalten sich wie Wasserleitungen. Sind mehrere Leitungen parallel oder das System gut vernetzt, fliesst auch bei Ausfall einer Leitung das Wasser zu jedem Kunden. Ist allerdings der Durchfluss zu hoch, steigt der Druckabfall, und der Druck beim Kunden kann zu gering werden. Durch eine ausreichende Dimensionierung sichert man beim Wasser- wie auch beim Stromnetz eine hohe Transportkapazität und Verfügbarkeit. Die Spannung im Stromnetz ist ähnlich dem Wasserdruck an den verschiedenen Verknüpfungspunkten ein Mass für die Belastungen. Sind die Lastflüsse hoch, sinkt die Spannung unzulässig ab oder es schalten sich überlastete Leitungen ab. Einheimische Kraftwerke der Energiewende sind verglichen zur aktuellen Produktion klein und speisen aus diesem Grund dezentral in lokale und regionale Verteilnetze ein. Der Strom wird also verbrauchernah produziert. Bei einer optimalen Anpassung des lokalen Stromverbrauchs wird das Stromnetz somit entlastet. Wird beim Verbraucher allerdings wesentlich mehr produziert als verbraucht, fliesst der Strom «rückwärts» und Spannungsverhältnisse kehren sich um. Das Stromnetz wird sich also langfristig in seiner Struktur nicht verändern, muss aber darauf vorbereitet werden, dass der Strom in alle Richtungen fliessen wird. Mit Know-how und intelligenten Massnahmen müssen Verteilnetz auf diese Einspeisungen ausgelegt werden. Eine technische Lösung für solche Probleme besteht in der dezentralen Energiespeicherung, welche sofort auf Ungleichgewichte im Netz reagiert und allfälligen Einspeisungsüberfluss aufnimmt. 

Seit ca. 15 Jahren ist die Gruppe Netze des ESReC gemeinsam mit vielen Netzbetreibern und der Industrie auf dem Weg, Simulationsmodelle von Kraftwerken, Übertragungsnetzen und Verteilnetzen zu erarbeiten. So können wir heute zum Beispiel die dynamische Interaktion der wichtigsten Kraftwerke im schweizerischen Übertragungsnetz simulieren oder die Ausbreitung von wesentlichen Störgrössen im lokalen Verteilnetz durch Messung und Modellierung beschreiben. Hierfür stehen uns diverse eigene und kommerzielle Simulationstools sowie ein umfangreicher Gerätepark für die vielfältigen Mess- und Überwachungsaufgaben im Verteilnetz zur Verfügung. Das Hauptziel der Forschungsgruppe ist die Förderung der wirtschaftlich und technisch optimalen Einbindung neuer erneuerbarer Energiequellen in das Stromnetz der Zukunft. 

Aktivitäten und Kompetenzen

  • Analyse der Auswirkungen dezentralisierter Energiegewinnung und -speicherung auf das Verteilernetz
  • Entwicklung dynamischer Kraftwerksmodelle 
  • Statische und dynamische Modellierung von Übertragungs- und Verteilernetzen
  • Dynamische Modellierung von Wasserkraftwerken und dezentrale Erzeugungs- und Speichersysteme
  • Messungen und Analyse der Spannungsqualität in Verteilernetzen