20.5.2021 - Jann Raveling

Erneuerbare Energien und Blackouts: Kaltstart für die Windenergieanlage

Umweltinnovationen

Forschungsprojekt untersucht Schwarzstartfähigkeiten für Windenergieanlagen

Die Zukunft der Energietechnik
Windparks stellen künftig einen erheblichen Teil der Energieinfrastruktur © pixabay

Großflächige Stromausfälle – oder Blackouts – sind selten. Sind auch Kraftwerke von Netzzusammenbrüchen betroffen, müssen sie wieder online gebracht werden. Das ist bei regenerativen Energiequellen eine Herausforderung. Ein Bremer Forschungsprojekt hat sich dabei der Windenergie angenommen.

Windparks werden heute immer größer und größer. Der geplante Windpark He Dreiht in der Nordsee soll ab 2025 über eine Leistung von 900 Megawatt verfügen. Das entspricht beinahe einem Atomkraftwerk. Fällt so ein Windpark aus – zum Beispiel weil es Störungen beim Netzanschluss gibt – hat das direkte Auswirkungen auf die Energieversorgung und das Stromnetz Deutschlands, die daraufhin angepasst werden müssen.

Eine ebenso große Herausforderung ist aber der darauffolgende „Neustart“ des Windparks. Ein Kraftwerk ohne externe Netzversorgung anzufahren wird auch als „Schwarzstart“ bezeichnet. Konventionelle Kraftwerke wie zum Beispiel Gasturbinen können heute schwarzstartfähig gemacht werden, aus eigener Kraft wieder ans Netz gelangen und so die Stromversorgung wieder aufbauen. Bei Windenergieanlagen und Parks ist diese Fähigkeit jedoch noch kaum verbreitet.

Neue Dimension in der Windkraft

Und kaum erforscht – weshalb es das Projekt Wind-2-Grid des Instituts für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) unter der Leitung von Prof. Orlik an der Universität Bremen gibt. Das Projekt erforscht, wie einzelne Windenergieanlagen und Verbünde von Anlagen schwarzstartfähig werden können, um sich selbst sicher mit Strom zu versorgen und ein Inselnetz mit mehreren Anlagen aufzubauen. Denn am Ende sollen Windparks sicher und nachhaltig wieder mit dem Netz synchronisiert werden können, ohne dessen Stabilität zu gefährden.

„Bisher waren Windparks so klein, dass sie für die Netzstabilität kaum relevant waren. Das ändert sich zusehends. Das Ziel ist, dass sich Windparks segmentiert nacheinander ans Netz bringen lassen, ohne die Stabilität zu gefährden. Wir wollen herausfinden, wie sich diese Fähigkeit auch wirtschaftlich und nachhaltig betreiben lässt“, so Florian Redmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Projekt am IALB.

Wind2Grid  - Das Team
Im Projekt: Dr. Holger Raffel, Antonio Mielach und Florian Redmann © WFB/pusch

Windenergieanlagen benötigen Strom für den Neustart

Eine Windenergieanlage ist auf Energieversorgung angewiesen. Die Steuerungselektronik, Generatorkühlung, Blattwinkelverstellung oder Turmdrehung – all diese Systeme benötigen Strom. Steht eine Anlage still, kann sie nicht ohne externe Stromversorgung wieder ihre Produktion aufnehmen.

Gibt es aufgrund eines Stromausfalls jedoch kein externes Netz, müssen andere Lösungen her. Offshore-Anlagen werden heute zum Beispiel über Dieselgeneratoren mit Strom versorgt. Das ist jedoch keine nachhaltige Lösung.

„Wir denken deshalb an eine lokale Energieversorgung durch Lithium-Akkus oder noch zukunftsweisender: durch Wasserstoff-Speicher“, so Antonio Mielach, zweiter wissenschaftlicher IALB-Mitarbeiter im Projekt. Mit Windstrom betriebene Elektrolyseure direkt an der Anlage oder im Park könnten Wasserstoff erzeugen und in Tanks zwischenspeichern. Kommt es zu einem Stromausfall, erzeugen Brennstoffzellen wiederum Strom aus diesem Wasserstoff, der dann genutzt werden kann, um die Windenergieanlagen online zu bringen. Das kann bis zu mehrere Stunden dauern – je nachdem, wieviel Wind weht und wie lange der Netzausfall dauert. Dementsprechend groß müssen die Speicher dimensioniert werden.

„Damit schaffen wir einen konkreten Anwendungsfall für Wasserstoff – womit wir der Wasserstoffwirtschaft bei ihrer Entwicklung helfen“, ist sich Mielach sicher.

Schwarzstart-Infrastruktur: eine teure Angelegenheit

Eine Herausforderung bei diesem Konzept: die Kosten. Denn der Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur in einem Windpark ist teuer, was die Wirtschaftlichkeit der Anlagen verringert. „In unseren Modellen schauen wir uns deshalb auch weitergehende Nutzungsmöglichkeiten an. Die Elektrolyseure könnten ja die Schwarzstartfähigkeit bereitstellen und zusätzlich Wasserstoff auch für andere Verbraucher produzieren und laufend verkaufen, sollte es zu keinem Netzausfall kommen“, so Mielach.

Auch aus diesem Grund ist die Bremer wpd-Gruppe Teil des Forschungsprojekts. Die Windparkbetreiberin steuert Wissen aus der Praxis bei, um Betrachtungen zu Wirtschaftlichkeit und Realisierbarkeit zu ermöglichen. „Wir beziehen Entwicklungen wie den Wasserstoffpreis ein oder überlegen, zwischengespeicherten Wasserstoff zu nutzen, um die Netzeinspeisung zu glätten. Außerdem betrachten wir regulatorische Hürden“, erklärt Wissenschaftler Redmann.

Denn die Schwarzstartfähigkeit ist für die Netzbetreiber heute gesetzlich vorgeschrieben, um die Netzsicherheit in Deutschland zu gewährleisten. Dazu werden bisher konventionelle Kraftwerke verwendet und das Potential der Windenergie noch nicht genutzt. Angesichts eines steigenden Prozentsatzes an regenerativen Energien wird dieser Schritt jedoch unweigerlich kommen, sind sich die Bremer Forscher sicher.

Prüfung an der echten Windenergieanlage

Neben theoretischen Überlegungen, neuen Betriebsstrategien und -konzepten, Modellierungen und Simulationen forscht das Team im Projekt Wind-2-Grid auch praktisch. An einer Forschungswindenergieanlage soll der Schwarzstart erprobt werden. Dazu entwickeln Mielach und Redmann gerade einen Prüfstand, der von einem Lithium-Ionen-Akku versorgt wird und zudem auch das Verhalten einer Brennstoffzelle simulieren kann.

„Uns geht es darum, die Anlagen eigensicher zu betreiben. Zunächst wollen wir eine Einzelanlage wieder in Betrieb nehmen, dann zusammen mit mehreren Anlagen ein Inselnetz aufbauen, um zuletzt dieses Inselnetz mit dem Gesamtnetz synchronisieren zu können, ohne dieses noch zusätzlich zu belasten“, so Redmann. Das Forschungsprojekt konzentriere sich vor allem auf die ersten beiden Aspekte.

Es sind damit die Vorarbeiten, um einmal ein schwarzstartfähiges Energienetz zu ermöglichen, das sich komplett aus erneuerbaren Energien speist und somit auch in Zukunft ein stabiles Netz in Deutschland ermöglicht.

Die Energieversorgung von morgen sicherstellen - ein Blick in den Schaltschrank mit der Hochleistungselektronik
Die Energieversorgung von morgen sicherstellen - ein Blick in den Schaltschrank mit der Hochleistungselektronik © WFB/Pusch

Gemeinsam mehr für Bremen erreichen

Das Forschungsprojekt wird aus dem Förderprogramm Angewandte Umweltforschung (AUF) der Bremer Senatorin für Klimaschutz, Umwelt, Mobilität, Stadtentwicklung und Wohnungsbau sowie den Mitteln des EFRE - Europäischer Fonds für regionale Entwicklung gefördert und von der BAB – Die Förderbank für Bremen und Bremerhaven administrativ betreut.

Im Bereich des Umwelt- und Klimaschutzes unterstützt das Programm innovative Forschungs- und Entwicklungsvorhaben bremischer Forschungseinrichtungen, vorzugsweise in Kooperation mit Unternehmen.

„Wir arbeiten seit vielen Jahren verlässlich mit der BAB zusammen. Wir unterstützen uns gegenseitig und tun so etwas Gutes für Bremen“, sagt Dr. Holger Raffel, Leiter des Bremer Centrums für Mechatronik an der Universität Bremen und zuständig für Koordination und Verwaltung im Wind-2-Grid-Projekt. Das Forschungsprojekt Wind-2-Grid läuft noch bis Ende 2022.

„Wir haben einen weiten Weg vor uns – aber einer muss damit anfangen. Das Thema ist hochrelevant für die Versorgungssicherheit in Deutschland und deshalb befassen wir uns frühzeitig damit“, so Raffel abschließend.
 
 

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