Strom / Energie

Die Energie im Wandel

Energie, die Energiewende und der Klimawandel sind landauf, landab ein viel diskutiertes Thema. Energie gibt es in verschiedenen Energieformen, die ineinander umgewandelt werden können. Beispiele für Energieformen sind etwa die potentielle, kinetische, elektrische, chemische und  die thermische Energie.

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Die Niederspannungs-Installationsnormen helfen, Installationen effizient und sicher zu meistern. Die Normen werfen aber auch Fragen und Themen auf, die wir im «ET Elektrotechnik» behandeln.

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Bild: Swissgrid.

Wie Umrichter das Stromnetz stabilisieren

Für eine nachhaltige Energieversorgung wird in der Schweiz die Photovoltaik kräftig ausgebaut. Anders als herkömmliche Kraftwerke brauchen Solaranlagen für die Stromerzeugung keine Generatoren. Damit fehlen die rotierenden Massen, diein der bisherigen Stromversorgung das Netz stabilisieren. Eine Studie der ETH Zürich zeigt, wie die Problematik umgangen werden kann.

Störungen unserer Stromversorgung sind selten. Zum Beispiel wenn ein Kraftwerk unerwartet ausfällt. Dann sinkt die Frequenz der Wechselstromversorgung unter 50 Hertz (Hz), bis andere Kraftwerke den Ausfall kompensieren. Ein Anstieg der Frequenz hingegen ist zu beobachten, wenn beispielsweise ein grosser Strombezüger vom Netz abgeschnitten wird. Dann herrscht vorübergehend eine Stromüberproduktion – und die Netzfrequenz klettert über 50 Hz, bis die Kraftwerke ihre Produktion gedrosselt haben.

Die Stromversorgung ist so ausgelegt, dass Störungen in aller Regel innert Sekunden behoben werden: Dank der automatischen Anpassung der Kraftwerksleistung (genannt Regelreserve) wird das Gleichgewicht zwischen Produktion und Bezug schnell wiederhergestellt, die Netzfrequenz kehrt zum Sollwert von 50 Hz zurück. Zur Netzstabilität tragen hinreichend grosse Kraftwerkskapazitäten ebenso bei wie ein eng vermaschtes Netz. Eine wichtige Rolle spielt auch die Konstruktionsweise der Kraftwerke: Wasser-, Kern- oder Gaskraftwerke nutzen zur Stromerzeugung grosse Generatoren. Die rotierenden Metallelemente haben eine Schwungmasse, deren Trägheit das Stromnetz dauerhaft stabilisiert, indem sie allzu schnellen Frequenzänderungen entgegenwirkt. Darüber hinaus leisten die Wicklungen der Generatoren einen Beitrag zur Dämpfung von Frequenzschwingungen.

Wegfall von Schwungmasse

Mit dem geplanten Atomausstieg und dem Ausbau der Solarenergie wird der Anteil generatorgestützter Kraftwerke künftig zurückgehen. Netzexperten betrachten diese Entwicklung mit Sorge, denn Solaranlagen verfügen nicht über Generatoren mit netzstabilisierender Schwungmasse. Ihnen fehlt die Fähigkeit zur passiven Schwingungsdämpfung, und sie beteiligen sich meist nicht an der von der nationalen Netzgesellschaft Swissgrid und den anderen europäischen Übertragungsnetzbetreibern organisierten Bereitstellung von Regelleistung. «Wenn wir die Solarkraft ausbauen und gleichzeitig konventionelle Kraftwerke vom Netz nehmen, müssen die Umrichter einen Beitrag leisten, damit das Netz im Fall von Störungen weiterhin ins Gleichgewicht zurückfindet», sagt Dr. Alexander Fuchs, Wissenschaftler an der Forschungsstelle Energienetze der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ).

Das ist möglich, weil moderne Umrichter in der Lage sind, rotierende Masse nachzubilden, wenn sie ‹netzunterstützend› betrieben werden. Das gilt für Umrichter von Solaranlagen, Batteriespeichern und Elektroauto-Ladestationen, aber auch für die Umrichter, wie sie in Windkraftanlagen eingesetzt werden, um den Strom der unterschiedlich schnell rotierenden Generatoren mit passender Frequenz ins Wechselstromnetz einspeisen zu können. Werden die Umrichter über eine geeignete Software intelligent gesteuert, leisten sie einen Beitrag zur Netzstabilität, so wie es die Generatoren von traditionellen Kraftwerken tun.

«Netzunterstützende» Umrichter

Alexander Fuchs hat zusammen mit einem Forscherteam untersucht, wie die Netzstabilität auch bei einem starken Umbau der Energieversorgung in Richtung Solar- und Windenergie sichergestellt werden kann. Beteiligt war ein Wissenschaftler von Hitachi Energy, einem Joint Venture, das kürzlich aus der früheren Netzwerksparte von ABB hervorgegangen ist. In ihrer Untersuchung verwendeten die Forscher Computersimulationen, die das dynamische Verhalten von Stromnetzen beschreiben. Das Projekt wurde vom BFE finanziell unterstützt.

Um die Netzstabilität zu gewährleisten, müssen nicht alle neu im Stromnetz verbauten Umrichter ‹netzunterstützend› betrieben werden. Es genügt, wenn das bei einem Teil der Fall ist. Das Forschungsteam von ETHZ und Hitachi Energy hat in seiner Untersuchung abgeschätzt, welcher Anteil der Umrichter ‹netzunterstützend› betrieben werden muss, damit sich die Netzstabilität im Zuge des Umbaus des Energiesystems nicht verschlechtert. Fazit: Wird in der Schweiz Kraftwerksleistung aus Generatoren durch Photovoltaikanlagen ersetzt, müssten rund zehn Prozent der neuen PV-Anlagen ‹netzunterstützend› betrieben werden, damit die Netzstabilität nicht leidet.

Batterien stehen im Vordergrund

«Netzunterstützende» Umrichter haben somit ein grosses Potenzial, einen Beitrag zur Netzstabilität leisten zu können. Wie sie das in einem künftigen Energiesystem tun werden, bleibt mit der jüngsten Untersuchung offen. So ist es zwar möglich, einen Umrichter aus einer PV-Anlage ‹netzunterstützend› zu betreiben, allerdings ist das wenig sinnvoll, weil eine PV-Anlage das Netz nur unterstützen kann, wenn sie Strom produziert, die ‹netzunterstützende› Funktion aber rund um die Uhr benötigt wird. «Wir gehen davon aus, dass in der praktischen Umsetzung die Funktion der Netzunterstützung künftig hauptsächlich durch Batterien übernommen wird. Das ist aus heutiger Sicht die einzige praktikable Lösung, weil nur so die Netzunterstützung rund um die Uhr abgerufen werden kann», sagt Alexander Fuchs. «Am einfachsten wäre wohl, die Batterien für die Netzunterstützung zu ertüchtigen, die von Hausbesitzern mit PV-Anlage ohnehin eingebaut werden.»

Um den Weg zu solchen Lösungen zu ebnen, möchten die ETHZ-Wissenschaftler verschiedene Umsetzungsvarianten der Netzunterstützung untersuchen, einschliesslich deren Integration in unterschiedliche Verteilnetztypen (z. B. städtische Netze, ländliche Netze, industrielle Netze). An den Mehrkosten sollten die neuen Lösungen kaum scheitern, vermuten die Wissenschaftler: «Werden Umrichter der neusten Generation eingesetzt, ist im Prinzip nur ein Software-Update nötig, um diese ‹netzunterstützend› betreiben zu können.»

fen.ethz.ch/activities/system-operation/acsicon.html

Was erzeugt Energie?

Unter Strom und Energie fallen Themen der Elektrotechnik wie Starkstromtechnik (Energie- und Antriebstechnik) sowie Schwachstromtechnik (Nachrichtentechnik) und Mess- und Automatisierungstechnik.

Auch das Thema Licht ist mit der Lichtsteuerung, Lichtplanung, Beleuchtungskonzepten, Blaulichtgefährdung, Raummanagement-Anwendungen und Strassenbeleuchtung Teil des Bereichs Strom und Energie. Zudem ist E-Mobilität gerade heute mit den verschiedensten Mobilitätskonzepten und Facetten der Stromerzeugung ein immer wichtiger werdendes Thema.

Unter Elektrotechnik und damit Energietechnik sowie Strom fällt aber auch die Gebäude-, Installations- und Verteiltechnik mit Messen, Steuern und Regeln, Gebäudeautomation, Smart Home sowie IoT, ICT, Multimedia, Multimedia und Netzwerktechnik. Zu all diesen Fachgebieten gibt es ausserdem Aus- und Weiterbildungsangebote.