Netz

Netzintegration

Die Errichtung und Netzeinbindung großer europäischer Offshore-Windparks stellt die wohl größte Herausforderung für die Stromnetze in Europa dar. Die Netzintegration der geplanten Windparks mit einer voraussichtlichen Erzeugungskapazität von bis zu 41 GW im gesamten Nordseeraum ist mit heutiger Technik nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren. Die teilweise sehr umfangreichen geplanten Leistungen von über 1.000 MW und Küstenentfernungen von bis zu 200 km zu möglichen Netzanschlusspunkten machen die Nutzung unkonventioneller Übertragungssysteme erforderlich. Die Integration der geplanten Erzeugerleistung in die bestehenden Übertragungsnetze und der Abtransport der erzeugten Energie in die Verbrauchszentren stellt ebenfalls eine besondere technische Herausforderung dar.

Netzanbindung

Die Rahmenbedingungen für den Netzanschluss haben sich durch eine Änderung des Energiewirtschaftsgesetzes grundlegend geändert. Die Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland sind hiermit verpflichtet worden, Offshore-Windparks an ihr Netz anzuschließen. Dadurch wird es nun möglich, den Netzanschluss effizienter zu gestalten, indem mehrere Windparks mittels unkonventioneller hochleistungs-Übertragungssysteme, z.B. Gasisolierter Rohrleiter, gemeinsam an das Netz angeschlossen werden. Untersucht wird hier insbesondere die Machbarkeit eines zukünftigen Nordsee-Verbundnetzes der geplanten Windparks.

Systemintegration

Neben der Anbindung an das Festland werden auch die Auswirkungen einer zentralen Windenergieeinspeisung im Bereich der Nordsee auf das Übertragungsnetz und den europäischen Stromhandel untersucht. Die Ziele sind hierbei die Entwicklung eines Marktmodells und darauf aufbauend die Identifikation von Netzengpässen sowie die Ermittelung des Einflusses von hoher Windenergieeinspeisung auf den Einsatz thermischer Kraftwerke. Anhand der hieraus resultierenden Ergebnisse sollen dann im weiteren Verlauf der Forschung verschiedene Netzausbauszenarien und Maßnahmen zur Engpassminderung, z.B. Redispatch thermischer Kraftwerke, untersucht werden. Hierbei wird neben dem Ausbau des vorhandenen Netzes auch die Einführung eines zusätzlichen gesamteuropäischen Overlaynetzes analysiert.

Optimierte Netzbetriebsführung

Der zunehmende Ausbau der Windenergienutzung führt aufgrund ihrer starken Fluktuationen und schlechten Prognostizierbarkeit zu erhöhten Anforderungen an die Netzbetriebsführung.

Lokale Verteilungsnetze

Deshalb ist der Aufbau einer sicheren und planbaren Stromversorgung für Stromnetze mit hohem Windenergieanteil zwingend erforderlich. Ziel ist sowohl die Entwicklung kosteneffizienter und wirksamer Methoden, als auch die Vergrößerung des Kapazitätseffektes und des Erzeugungsanteils der Windenergie in lokalen elektrischen Verteilungsnetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die zeitlich variable Energieerzeugung durch Windenergie mit technischen Maßnahmen wie die Integration von Energiespeichern und durch industriespezifisches Lastmanagement unterstützt werden. Das Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft entwickelt daher eine Simulation für lokale Stromnetze und untersucht das Verhalten bei hohem Windenergieanteil in verschiedenen Fallstudien. Weiterhin arbeitet das Institut an der Bestimmung netzschonender Ausbaupfade der regenerativen Einspeiser und an einer Integration der Wasserstoffwirtschaft in das lokale Verteilnetz.

Regelungsstrategien

Darüber hinaus wird das energietechnische Potenzial von Windenergie hinsichtlich technischer Realisierbarkeit und erzielbarer ökonomischer Vorteile grundlegend untersucht. Auf der Basis einer weiterzuentwickelnden Software zur technischen und ökonomischen Simulation von elektrischen Netzen werden proaktive Managementstrategien entwickelt und anhand von Szenarien bewertet. Darüber hinaus wird untersucht, wie und mit welchem Aufwand die verbraucherinternen Speichereffekte durch zusätzliche Latentkältespeicher erweitert werden können.

Die Erkenntnisse aus den Szenarien und die dabei entwickelten Regelungsstrategien können zusammen mit den zu untersuchenden Tarifmodellen zukünftig in die Planungen zur Auslegung von Windenergieparks und lokalen Stromnetzen einfließen und langfristig zu einer Implementierung des proaktiven Last- und Speichermanagements in Stromversorgungsnetze führen.

Stromgestehungskosten Offshore-Windenergie

Die Offshore Windenergie ist eine Schlüsseltechnologie für die Erzeugung von regenerativen Energien. Aufgrund ihrer relativ hohen Kosten, unter anderem durch komplexere Installations- und Wartungsprozesse, sind Offshore Windenergieanlagen (OWEA) bislang jedoch nur bedingt wettbewerbsfähig und maßgeblich von Subventionen abhängig. Die Forschung des ForWind-Mitglieds Institut für Planung und Steuerung produktionstechnischer und logistischer Systeme an der Universität Bremen setzt an diesem Punkt an und versucht durch verschiedene Maßnahmen die Stromgestehungskosten (LCoE) entlang der gesamten Wertschöpfungskette der OWEA von derzeit 117€/MWh auf 35€/MWh zu senken. Um eine Senkung der LCoE in dieser Größenordnung zu realisieren, erarbeitet und implementiert das Bremer Institut für Produktion und Logistik u.a. ein Konzept für die Digitalisierung der OWEA entlang ihres kompletten Lebenszyklus. Hauptaugenmerk liegt dabei einerseits auf einer Industrie 4.0 Einbindung der OWEA durch einen digitalen Zwilling und das Internet der Dinge (IoT). Neben einem verbesserten Informationsaustausch sollen mittels der dadurch geschaffenen Dateninfrastruktur auch intelligente Strategien und Instrumentarien für eine vorausschauende Wartung eingeführt werden. Außerdem werden optimierte Installations- und Logistikprozesse während der Errichtungsphase der OWEA konzipiert, die auf eine Kostenreduktion in der Errichtungsphase abzielen. Validiert werden die erarbeiteten Konzepte anhand eines 12+MW Turbinen-Prototyps sowie durch Start einer ersten Vorserie von 4-6 OWEAs.

Internationale Integration von Offshore Windenergie

Am Institut für Elektrische Energiesysteme der Universität Hannover wurde in den letzten Jahren im Verbund mit mehreren Partnern daran geforscht, was für neue technisch wie ökonomisch effiziente Möglichkeiten der kurz- und mittelfristigen Anbindung von Offshore-Systemen in der Deutschen Bucht an die internationalen Energiesysteme entwickelt werden können. Die wissenschaftlichen Fragestellungen zur Regelung, zur Betriebsführung und zur Planung derartiger Systeme werden angesichts des bevorstehenden Ausbaus der Windenergie-Kapazitäten in der Nordsee immer relevanter.

Projekte zum Forschungsthema „Netz“

Schwerpunkte der Forschung

Regelung von Inselnetzen

In zahlreichen Entwicklungsländern ist kein flächendeckendes Verbundnetz zur Energieversorgung vorhanden. Diese ist nur über so genannte dezentrale Inselnetze möglich. Das Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB), Universität Bremen, beschäftigt sich mit der Regelung solcher Inselnetze, die von mehreren Einspeiseeinheiten aus vorwiegend regenerativen Quellen gespeist werden.

Übertragungssysteme

Der Ausbau der Erneuerbaren Energien in Europa erfordert auch einen Ausbau des Europäischen Übertragungsnetzes. Der starke Widerstand der Bevölkerung gegen den Bau neuer Freileitungen wird hierbei vielfach den Bau unterirdisch verlegter Übertragungssysteme für die 400-kV-Ebene erforderlich machen. Da für längere Strecken und vor allem für so genannte Zwischenverkabelungen bisher noch keine ausreichenden Betriebserfahrungen vorliegen, besteht in diesem Bereich ein erheblicher Forschungsbedarf.

Forschungsziel ist es, das Verhalten unterirdisch verlegter Übertragungssysteme im Zusammenspiel mit dem heutigen, stark freileitungsdominierten Netz zu untersuchen. Es werden Vor- und Nachteile der verschiedenen Techniken zusammengetragen und die Voraussetzungen für einen sicheren Netzbetrieb analysiert. Freileitung, Kabel und Gasisolierte Rohrleiter (GIL) werden betrachtet, um für einen gegebenen Einsatzort die wirtschaftlich und technisch optimale Leitung zu finden. Besonderes Augenmerk gilt dem Einsatz der GIL, da diese besonders günstige elektrische Parameter aufweist und eine sehr gute thermische Belastbarkeit verspricht. Ein EU-Forschungsprojekt, an dem das IEH gemeinsam mit ForWind, der Firma Siemens und der Firma ILF beteiligt ist, soll den Einsatz eines GIL-Systems zur Anbindung der Offshore-Windenergie untersuchen. Dabei werden unter anderem die elektrische und thermische Belastbarkeit sowie die thermischen Einflüsse auf die Umgebung geprüft.

Schwerpunkte:

• Vergleich konventioneller und anderer Übertragungstechniken, z.B. Hochspannungs- Gleichstromübertragung (HGÜ) und GIL
• Thermische Modellierung von Leitungssystemen
• Übertragungsverhalten
• Transientenanalyse, Wechselwirkungen

Effizienzsteigerung von Windenergiesystemen und der Netzanbindung

Betrachtet man Windenergieanlagen über ihre gesamte Wirkungskette, ergeben sich von der Energieerzeugung in der Anlage bis hin zur Netzanbindung große Potentiale zur Effizienzsteigerung. Von der Energiewandlung über Tragstrukturen bis hin zur Anbindung ans Stromnetz können Kosten gesenkt und Betriebsdauern verlängert werden.

Windleistungsvorhersage

Präzise Vorhersagen der Windleistung sind inzwischen eine unverzichtbare Komponente, um die wachsenden Beiträge der Windenergie an der Energieversorgung sicher zu stellen. ForWind entwickelt Vorhersageverfahren für die Windleistung auf der Grundlage der besten verfügbaren Wettervorhersagemodelle. Als Eingangsdaten dienen vertikal hoch aufgelöste Windprofile aus der Wettervorhersage, die in weiteren physikalisch-statistischen Modellen entsprechend der spezifischen Nutzung aufbereitet werden.

Windleistungsvorhersagen werden sowohl für größere Regionen als auch für Einzelstandorte erstellt. Wesentlich ist die zusätzliche Möglichkeit, die Vorhersageunsicherheit durch die Angabe von Vertrauensintervallen zu quantifizieren.

ForWind nutzt die entwickelten Vorhersagemodelle intensiv als Forschungsinstrument. Zur Weiterentwicklung der Modelle werden unterschiedliche Szenarien simuliert. Dabei helfen Messdaten zur Windgeschwindigkeit und der gleichzeitig aus Windenergieanlagen eingespeisten Leistung, die Modelle für verschiedene Regionen und Windparks zu evaluieren und zu verbessern. Durch die Kopplung der Modelle mit statistischen Verfahren des Post-Processings werden individuelle Vorhersagen optimiert. Detaillierte Untersuchungen zeigen die Entwicklung der Vorhersagegüte bei räumlich verteilten On- und Offshore-Systemen.

Zink/Luft-Mikrobrennstoffzelle

Grundlagenforschung im Bereich der Brennstoffzellen ist eine zentrale Voraussetzung, um kompakte und umweltfreundliche Speichertechnologien für Windkraftanlagen zu entwickeln. Die bisher entwickelten Brennstoffzellensysteme bestehen häufig aus umweltschädlichen bzw. seltenen Materialien und/oder die Herstellung ist kostenintensiv. Für den Betrieb ist zudem eine sehr aufwendige und komplexe Systemtechnik erforderlich, da ein geeigneter Energieträger (z.B. Wasserstoff) von außen zugeführt werden muss.

Das Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ) der Universität Bremen entwickelt Technologien für miniaturisierte Brennstoffzellen als Schlüsselkomponenten für autarke Mikrosysteme und arbeitet an deren Optimierung unter Gesichtspunkten der Systemintegration. Beabsichtigt sind langlebige Energieversorgungen, die kostengünstig hergestellt werden können und aufgrund ihrer Integrationsfähigkeit nicht mehr die Baugröße der angebotenen Mikrosysteme dominieren. Dies ermöglicht den Bau großer und effizienter Energiespeicher für die Windkraftanlagen.

Das Ausgangsmaterial Zink gewährleistet als Reaktionspartner mit dem Luftsauerstoff eine sehr hohe Energiedichte, als Elektrolyt kommt eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung (Kalilauge) zum Einsatz. Eine einfache und gehäuselose Bauweise begünstigt zusätzlich eine automatisierte Fertigung sowie das Recycling der umweltfreundlichen Materialien. Die Schichten der Brennstoffzelle können außerdem großflächig hergestellt werden, so kann die Zelle in beliebiger Größe und Geometrie ausgestanzt und mit elektrischen Anschlüssen versehen werden. Die Zink/Luft-Brennstoffzelle hat aufgrund der wenig aufwendigen Produktion und der günstigen Materialien das Potential, die Kommerzialisierung der Brennstoffzellen voranzutreiben und den beteiligten Unternehmen neue Absatzmöglichkeiten zu erschließen.