Das Wetter macht, was es will

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Etwa ein Viertel der welt­weiten Strom­erzeu­gung stammt mitt­ler­weile aus erneu­er­baren Ener­gie­quellen. Das geht aus dem „Global Status Report 2017“ des Netz­werks „Rene­wable Energy Policy Network for the 21st Century“ hervor. Auf mehr als 2.017 Giga­watt (GW) Strom summierte sich 2016 demnach die Leis­tung erneu­er­barer Ener­gie­träger. Das sind über 20 Prozent des globalen Gesamt­ener­gie­ver­brauchs. Tendenz stei­gend.

Zwar liegt Deutsch­land mit Wind- und Solar­energie im inter­na­tio­nalen Vergleich weit vorn, doch der Markt ist in Bewe­gung. So ziehen viele asia­ti­sche Länder und vor allem Anrai­ner­staaten des Persi­schen Golfs und der Sahara nach. Beispiels­weise haben Taiwan und Südkorea den Atom­aus­stieg beschlossen und wollen im Gegenzug auch Wind- und Solar­kraft ausbauen.

Länder, die bislang auf Öl gesetzt haben, entde­cken ihre natür­li­chen Ener­gie­quellen: Nachdem die Verei­nigten Arabi­schen Emirate vor Kurzem ankün­digten, 163 Milli­arden Dollar in die Produk­tion von Ökostrom inves­tieren zu wollen, zieht nun auch Saudi-Arabien nach und plant den Bau neuer Solar­kraft­werke mit einer Leis­tung von über zehn Giga­watt. Zwischen 30 und 50 Milli­arden Dollar will das König­reich dazu inves­tieren. Auf der anderen Seite der Sahara baut Marokko konse­quent Wind- und Solar­energie aus und nimmt gerade die Phase zwei des 350-Mega­watt-Solar­pro­jekts Noor in Betrieb. Für Planer und Betreiber von Wind- und Solar­kraft stehen die Sterne deshalb grund­sätz­lich gut.

NETZE SAUBER HALTEN

Zwar werden Sonnen- und Wind­energie land­läufig als saubere Ener­gien betrachtet, doch gilt dies nur für die CO 2 ‑Emmis­sionen und nicht für die Netze, in die rege­ne­ra­tive Erzeuger einspeisen. Dabei macht es grund­sätz­lich keinen Unter­schied, ob der Strom eines einzelnen Wind­rads ins Orts­netz oder der eines Wind- oder Solar­parks in Mittel‑, Hoch- oder Höchst­span­nungs­netze einge­speist wird. Auf allen Ebenen treten bei Einspei­sung rege­ne­ra­tiver Ener­gien multiple Netz­rück­wir­kungen auf.

Um die Netze sauber zu halten, bedarf es großer tech­ni­scher und finan­zi­eller An stren­gungen. Der Betrieb dieser Anlagen am Span­nungs­band des jewei­ligen Netz­ver­knüp­fungs­punktes ist deshalb schon in der Planungs­phase ein zentraler Aspekt. Nur wer hier alle tech­ni­schen Möglich­keiten in Betracht zieht, kann eine kosten- und leis­tungs­op­ti­mierte Gesamt­lö­sung ermit­teln und die Strom­ge­ste­hungs­kosten, die Leve­lized Cost of Energy (LCOE), konse­quent opti­mieren. Die intel­li­gente Kombi­na­tion von Betriebs­mit­teln ist dabei der Schlüssel zu einer opti­malen Lösung auf allen Span­nungs­ebenen.

AKTIV- UND PASSIVFILTER OPTIMIEREN KOSTEN

Durch die Einspei­sung von Wind- und Solar­strom treten vermehrt Stör­größen in öffent­li­chen Strom­netzen auf. Dazu zählen unter anderem Span­nungs­schwan­kungen, Blind­leis­tungen, Ober­schwin­gungen, Supra­har­mo­ni­sche und Reso­nanzen. In einigen Fällen reichen Blind­leis­tungs­kom­pen­sa­ti­ons­an­lagen oder passive Filter wie bisher alleine nicht mehr aus. Insbe­son­dere die sich stetig ändernden Netz­an­schluss­richt­li­nien erfor­dern neue Denk­an­sätze. Nur durch die Kombi­na­tion verschie­dener Lösungen gelangen Planer und Betreiber zu einer opti­malen Lösung.

Soge­nannte Hybrid­sys­teme, also die Kombi­na­tion von Passiv­filter und Aktiv­filter, ermög­li­chen beispiels­weise am Netz­an­schluss­punkt von Wind- und Solar­parks eine umfas­sende Filter­wir­kung und Blind­leis­tungs­kom­pen­sa­tion. Passiv­filter wirken hierbei breit­bandig bis in den supra­har­mo­ni­schen Frequenz­be­reich. Aktiv­filter redu­zieren im nieder­fre­quenten Bereich selektiv Harmo­ni­sche.

Passiv­filter stellen eine Verschal­tung aus Konden­sator und Induk­ti­vität dar. Mit ihnen lassen sich die Netz­im­pe­danz positiv beein­flussen und die Ober­schwin­gungs ‑anteile im Netz redu­zieren. Weiterhin stellen Passiv­filter eine fixe kapa­zi­tive Blind­leis­tung bereit und können je nach Anfor­de­rung stufen­weise dimen­sio­niert werden.

Aktiv­filter basieren auf leis­tungs­elek­tro­ni­scher IGBT-Tech­no­logie und werden heute insbe­son­dere in Indus­trie­netzen vermehrt einge­setzt, um Netz­rück­wir­kungen zu redu­zieren und die Span­nungs­qua­lität zu verbes­sern. Der einge­speiste Kompen­sa­ti­ons­strom in Phasen­op­po­si­tion zur Stör­größe redu­ziert Ober­schwin­gungen und Blind­leis­tungen mit hoher Dynamik stufenlos. Zudem lassen sich mit entspre­chenden Anlagen unsym­me­tri­sche Lasten ausglei­chen oder Flicker kompen­sieren. Wichtig ist auch die modu­lare Erwei­ter­bar­keit. Kommen beispiels­weise neue Wind­räder hinzu oder ändert sich neben der Produk­tion auch die Stör­lage, können Betreiber schnell darauf reagieren und über zusätz­liche Filter­mo­dule auf die neue Situa­tion reagieren. Die opti­male Dimen­sio­nie­rung der kombi­nierten Filter und der Kompen­sa­ti­ons­an­lagen ermit­teln Spezia­listen, indem sie bereits in der Planungs­phase umfang­reiche Simu­la­ti­ons­stu­dien durch­führen oder im laufenden Betrieb die Span­nungs­qua­lität messen. Damit können die gültigen Normen erfüllt und die notwen­dige Zerti­fi­zie­rung erfolg­reich abge­schlossen werden.

Ein weiterer Bereich, wo sich durch die Kombi­na­tion von Betriebs­mit­teln das Gesamt­de­sign von Wind- und Solar­an­lagen opti­mieren lässt, liegt in der Dimen­sio­nie­rung der Strom­richter. Da die Halb­lei­ter­mo­dule eine feste Strom­be­last­bar­keit aufweisen, sind der über­trag­baren Leis­tung am jewei­ligen Netz­knoten Grenzen gesetzt. Entschei­dend für die Dimen­sio­nie­rung ist hier die Breite des Span­nungs­bandes im Eingangs­be­reich der Wech­sel­span­nung. Hier kommt der Trans­for­mator mit Stufen­schalter ins Spiel.

KOSTEN RUNTERREGELN

Dieser bietet nämlich einen signi­fi­kant klei­neren Eingangs­span­nungs­be­reich zur AC-Seite des Strom­rich­ters. Der mit einem Last­stu­fen­schalter ausge­stat­tete Trans­for­mator hilft den Unter­nehmen, die verwen­deten Strom­richter optimal auszu­lasten. Ohm’sche Verluste im Netz werden mini­miert. Das schma­lere Span­nungs­band erhöht die über­trag­bare Leis­tung des Strom­rich­ters. Das bedeutet im Umkehr­schluss: Beim konse­quenten Einsatz der Rege­lungs­technik über sämt­liche Span­nungs­ebenen können Anla­gen­planer alle Strom­richter entspre­chend kleiner dimen­sio­nieren. Senkung der LCOE lautet das Zauber­wort.

Die Kombi­na­tion von gere­geltem Trans­for­mator und Strom­richter sowie von Aktiv- und Breit­band-Passiv­filter bringt Planer von Solar- und Wind­kraft­an­lagen ihrem wich­tigsten Ziel einen entschei­denden Schritt näher: Sie schaffen Anlagen mit maxi­malem finan­zi­ellen Ertrag, indem sie die Inves­ti­ti­ons­kosten mini­mieren und gleich­zeitig die Anla­gen­leis­tung maxi­mieren – und das auf allen Span­nungs­ebenen.

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