Stromversorgung: Robuster durch dezentrales Management

Welche Vorteile ein zellulares Elektrizitätsnetz bei der Einbindung Erneuerbarer Energien bietet - Interview mit Thomas Walter über ein besseres Strom-Versorgungssystem.

Telepolis hat Dr.-Ing. Thomas Walter von Easy Smart Grid in Karlsruhe zu den systembedingten Vorteilen zellularer Netze befragt.

Was verstehen Sie unter einem zellulären Netz?

Thomas Walter: Ein zelluläres Netz trägt der Tatsache Rechnung, dass bei einem regenerativ versorgten Energiesystem auch die Erzeugung dezentral wird und Energie nicht mehr nur in einer Richtung, die in Form der bisherigen Kaskade von oben nach unten fließt. Entsprechend muss auch der Abgleich von Erzeugung und Verbrauch zumindest teilweise dezentral organisiert werden, und eine Zelle ist eine physikalische Einheit, in der das passiert.

Weniger Netzausbau nötig

Welche Vorteile haben zelluläre Netze gegenüber einem kaskadierten System?

Thomas Walter: Zuerst einmal kann auch ein zelluläres Netz ebenfalls kaskadierte Segmente aufweisen, besitzt aber eben auch nebeneinander (gleichberechtigt) angeordnete. Der Grundgedanke dabei ist, dass durch verstärkt dezentralen Abgleich von Erzeugung und Verbrauch weniger Netzausbau erforderlich wird.

Würden z.B. in Deutschland die schwankenden Energiemengen, die von Nord nach Süd transportiert werden müssen, durch Maßnahmen in den Zellen "Nord" und "Süd" geglättet, würde für dieselbe Transportleistung weniger Übertragungskapazität, also Netzausbau, nötig.

Mehr dezentrales Management heißt zudem mehr dezentrale Verantwortung und fördert damit die lokale Lösung lokaler Probleme. Dadurch steigt auch die Resilienz, weil Probleme nicht "exportiert" werden und sich im gesamten Europäischen Netz ausbreiten.

Im entsprechenden Arbeitskreis des VDE wird zudem diskutiert, dass solche Zellen zumindest für eine bestimmte Zeit inselnetzfähig sein sollten: Tritt eine Störung außerhalb einer Zelle auf, die deren Funktion gefährden könnte, kann sich die Zelle selbst davon isolieren und weiter funktionieren. Ein üblicher Schutzmechanismus in Natur, Organisationen oder Technik: Eine Sollbruchstelle, vergleichbar mit einer Sicherung, erzeugt einen kleinen Schaden und verhindert dadurch große.

Blackout und Schwarzstart

Wie lassen sich schwarzstartfähige Einheiten organisieren?

Thomas Walter: Im Falle eines Blackouts würden bereits heute in Vorbereitung eines Schwarzstarts ebenfalls Netzinseln um schwarzstartfähige Kraftwerke herum gebildet und Verbindungen zu anderen Netzbereichen abgeschaltet.

Der Vorteil bei einem zellulären Netz besteht darin, dass diese Netztopologie nicht erst im Störungsfall entsteht, sondern aktiv so gestaltet wurde, dass die in einer solchen Zelle befindlichen dezentralen Erzeuger, Verbraucher und Flexibilitäten aktiv in ein zelluläres Energiemanagement eingebunden werden und deren systemstützendes Verhalten Schwarzstarts erleichtert.

Bei ad-hoc-Netzzellen ist dagegen die Gefahr groß, dass beim Zuschalten weiterer Netzbereiche, deren Verhalten schwer vorherzusagen und zu kontrollieren ist, das Netz wieder zusammenbricht. Man sollte dabei nicht vergessen, dass etwa 10 Prozent aller Menschen weltweit von Inselnetzen der verschiedensten Größen von Micro Grids bis zur Größe von Gran-Canaria mit 800.000 Einwohnern versorgt werden, für die Schwarzstartfähigkeit eine Standardanforderung ist. Schwarzstartfähigkeit selbst setzt voraus, dass sogenannte Netzbildner vorhanden sind.

Leider hat man bei der Einführung der Photovoltaik vergessen, diese Eigenschaft zu implementieren. Man benötigt zusätzlich eine Schwungmasse, die ein Netz stabil halten kann.

Das können auch "virtuelle Schwungmassen" aus Batterien und geeigneter Leistungselektronik sein. Nach dem Schwarzstart muss dann genügend Erzeugung verfügbar ist, um bei gegebenen Lasten einen stabilen Zustand herbeizuführen und zu erhalten. Dazu ist auch der Zuschnitt solcher Zellen wichtig. Viele ländliche Gebiete haben einen Erzeugungsüberschuss und bieten sich an, Ausgangspunkt für Schwarzstarts zu sein.

Welche Vorteile bieten Wasserkraftwerke mit Synchrongeneratoren für den Schwarzstart?

Thomas Walter: Zuerst einmal ist Wasserkraft nicht volatil und kann daher – unabhängig von aktueller Solarstrahlung oder Windgeschwindigkeit – einen Schwarzstart zu jeder Zeit unterstützen. Zusätzlich kann ein Synchrongenerator neben seinem Beitrag zur Netzbildung zusätzlich Schwungmasse bereitstellen – eine zunehmend knappe Ressource.

Lässt sich ein Schwarzstart für die einzelnen Zellen automatisieren?

Thomas Walter: Die Controller der oben erwähnten Micro-Grids sind in der Lage, Blackouts zu erkennen und Schwarzstarts durchzuführen. Sie steuern typischerweise kleine Netzsegmente, die zudem einen Diesel-Synchrongenerator haben.

Wir entwickeln und demonstrieren ein Verfahren, bei dem sich lokale Gleichgewichtspreise ableiten lassen, die zusätzlich automatisierte Lastreaktion in Echtzeit ermöglichen und damit ein systemstabilisierendes Verhalten auch der Teilnehmer einer solchen Netzzelle, was natürlich Schwarzstarts erleichtert.

Was ein zelluläres Netz kann

Warum können Zellen schneller wieder hochgefahren werden als großräumige Regionalnetze?

Thomas Walter: Ein zelluläres Netz reduziert das Risiko großflächiger Ausfälle, weil Störungen an der Ausbreitung gehindert werden. Damit gibt es allenfalls einzelne Zellen, die ausfallen, und der Wiederaufbau erfolgt dann nicht aus dem großflächigen Schwarzfall, sondern gemeinsam mit den noch funktionierenden.

Denken Sie an die Verwüstung im Ahrtal 202: Direkt daneben gab es völlig intakte Infrastruktur, die zum Wiederaufbau genutzt werden konnte. Ohne diese hätte das Ahrtal "aus sich selbst heraus" aufgebaut werden müssen. Zudem haben Netzzellen im Gegensatz zu reinen Verteilnetzen die Fähigkeit, lokalen Verbrauch und lokale Erzeugung aufeinander anzupassen, was den Schwarzstart erleichtert, indem diese stabilisierend agieren.

Lässt sich das Zusammenschalten einzelner Zellen automatisieren?

Thomas Walter: Selbstverständlich sollte das Zusammenschalten wie auch das Trennen von Zellen automatisiert ablaufen. Wir schlagen vor, dass Zellen als lokale Energiemärkte bewirtschaftet werden, bei denen sich ein lokaler Gleichgewichtspreis bildet.

Im Normalfall sind sie gekoppelt und stellen dann einen gemeinsamen Energiemarkt mit dem Gleichgewichtspreis des gekoppelten Systems dar. Wenn sie beispielsweise durch Überlastung der Koppelstellen getrennt werden, bilden sie temporär verschiedene Marktpreise aus.

Koppeln kann man Zellen, wenn diese Preise in einen "normalen" Rahmen zurückkehren, also weder gegen null, mit einem deutlichen Überangebot an Erzeugung, noch gegen extrem teure Preise tendieren, also einem übergroßen Verbrauch. Koppelt man Zellen über Leistungselektronik, kann zudem der Kopplungsvorgang sanft ablaufen. (Christoph Jehle)