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Software-Update für grüne Energie

Mit der Energiewende ändert sich das Stromnetz dramatisch. Kieler Wissenschaftler arbeiten in einem DFG-Schwerpunktprogramm daran, das Netz der Zukunft flexibel, stabil und smart zu machen.

grüne Glühbirne
© Pixabay

Mit dem Abschied von fossiler Stromproduktion kommt erneuerbaren Energien eine immer größer werdende Bedeutung zu. Und auch wenn der Ausbau zurzeit ins Stocken geraten ist, wird die Gesellschaft vermutlich nicht um Photovoltaik und Windkraftanlagen herumkommen, um den weltweiten Energiehunger weiterhin stillen zu können. Für das Stromnetz bedeutet das die größte Veränderung seit über 100 Jahren. Denn nicht nur werden statt großen Kraftwerken (Atom-, Kohle-) immer mehr kleine und dezentrale Anlagen wie Wind- und Solarparks integriert. Mit den grünen Energien muss das Netz auch zunehmend mit eingespeistem Gleichstrom zum von den Kraftwerken produzierten Wechselstrom zurechtkommen. Die Digitalisierung erlaubt es, Strom intelligent zu steuern.

Zhixiang Zou
© Denis Schimmelpfennig

Die Forschung von Zhixiang Zou an Stromrichtern könnte die Energiewende entscheidend voranbringen.

Noch weiß niemand genau, wie das Stromnetz der Zukunft wirklich aussehen wird. Um Konzepte und Modelle dafür zu entwickeln, haben sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 15 Forschungseinrichtungen zusammengetan, darunter die Technische Universität Dortmund für die Koordination. In dem auf sechs Jahre angelegten Schwerpunktprogramm 1984 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) suchen sie nach Lösungen für ein verschiedene Energiesysteme umfassendes, dezentralisiertes, hybrides (Gleichstrom/Wechselstrom) und intelligentes Stromnetz. Professor Marco Liserre, international anerkannter Spezialist für Leistungselektronik, und sein Doktorand Zhixiang Zou steuern ihre Expertise für die Universität Kiel bei.

Liserre und Zou konzentrieren sich in einer deutsch-schweizerischen Kooperation mit der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne auf die Schnittstellen zwischen den Windkraft- oder Solaranlagen und dem Stromnetz, die sogenannten Stromrichter, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln und umgekehrt. Diese sind eine potenzielle Schwachstelle für die Stabilität des Netzes. Das Problem sind mögliche, schwer vorhersehbare Interaktionen der Stromrichter mit konventionellen Netzbetriebsmitteln, zum Beispiel Transformatoren, die die Spannungsqualität im Stromnetz negativ beeinflussen. „Stromrichter benötigen eine deutlich komplexere Steuerung und Kommunikation“, erklärt Liserre. „Deshalb interagieren sie anders, als wir es vom herkömmlichen Stromnetz gewohnt sind.“ Um diesen Beeinträchtigungen der Netzqualität durch grünen Strom entgegenzuwirken, müssen die Möglichkeiten und Eigenschaften des Stromrichters besser verstanden werden.

Diese Aufgabe haben sich die Forscher in der ersten dreijährigen Phase des Projekts, die sich aktuell dem Ende zuneigt, gesetzt. In einem virtuellen Inselnetz („Microgrid“), das Liserre und sein Team in ihrem Echtzeitsimulator-Labor an der Technischen Fakultät aufgebaut haben, modellierten sie verschiedene Problemstellungen, die in Lausanne an einem echten kleinen Netz getestet wurden. So konnten sie bereits einige Zwischenerfolge feiern: „Wir verstehen die Interaktion zwischen Stromrichter und Stromnetz besser und können genauer vorhersagen, wie die Geräte zum Beispiel bei Oberwellen reagieren“, sagt Liserre. Oberwellen sind zusätzliche Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Netz-Grundfrequenz von 50 Hertz sind. Sie entstehen in Transformatoren, aber auch in Schaltnetzteilen von Fernsehern sowie Computern und können deren Funktion beeinträchtigen oder die Geräte gar zerstören. Auch dem Problem von Spannungsabfällen durch Stromnetzstörungen oder Blitzeinschläge sind die Forscher auf der Spur.

Für die nächsten drei Jahre des Schwerpunktprogramms planen Liserre und seine Schweizer Kolleginnen und Kollegen aktive Maßnahmen. Es gilt, die Steuerungsmöglichkeiten des Stromrichters beherrschen zu können. Der Kieler Forscher vergleicht die Arbeit mit der an einem Handy: „Wir wollen nicht das Smartphone an sich verändern, sondern eine App entwickeln, um dessen Möglichkeiten richtig ausnutzen zu können.“ Am Ende des Programms soll der Übergang von einem bisher passiven Energiesystem zu einem steuerbaren, flexiblen System möglich sein. Ziel ist auch, dieses System widerstandsfähiger gegen Extremwetter, Naturkatastrophen und Terror zu machen, da die Komponenten aktiv und schnell reagieren können sollen. Wie wichtig so ein klug gesteuertes – oder sogar sich selbst steuerndes – Stromnetz ist, verdeutlicht Marco Liserre: „So könnte die Energiewende nicht nur für umweltfreundlichen Strom, sondern auch für mehr Sicherheit für die Gesellschaft sorgen.“

Autor: Denis Schimmelpfennig

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