Wie ein Gerät dazu beitragen könnte, unser Stromnetz zu transformieren.
Von Colorado nach Washington, von Ohio nach Pennsylvania werden Kohlekraftwerke stillgelegt. Die Vereinigten Staaten werden bis zum Jahr 2026 voraussichtlich die Hälfte ihrer Kapazität zur Stromerzeugung aus Kohle abgeschaltet haben. Das ist ein bemerkenswerter schneller Rückgang seit dem Höhepunkt der Kohle im Jahr 2011 und ein großer Schritt in Richtung sauberer Energie und Kampf gegen den Klimawandel.
Aber es gibt einen überraschenden Nachteil beim Stilllegen großer alter Kraftwerke. Diese Kraftwerke tragen zur Stabilität des Stromnetzes bei. Wenn immer mehr von ihnen offline gehen, muss etwas anderes einspringen, um diese Aufgabe zu übernehmen.
Ein Stromnetz ist ein komplexes Netzwerk, das Systeme zur Stromerzeugung wie ein Kernkraftwerk oder eine Windturbine sowie Systeme zur Speicherung und Übertragung von Strom wie Batterien und Stromleitungen umfasst. Ein Netzwerk kann aus verschiedenen Gründen ausfallen, beispielsweise wenn ein Baum auf eine Stromleitung fällt oder eine Hitzewelle die Kapazität des Systems überlastet. In den Vereinigten Staaten pulsiert die Elektrizität mit einer Standardfrequenz von 60 Hertz durch das Netzwerk. Diese Frequenz kann sich ändern, wenn die Nachfrage das Angebot übersteigt oder wenn ein großer Generator im System offline geht. Selbst eine kleine Unterbrechung dieses 60-Hertz-Pulses kann ripple-Effekte verursachen, von denen sich das Netzwerk nur schwer erholen kann.
Große Kraftwerke sind darauf ausgelegt, dem Netzwerk bei diesen ripple-Effekten Widerstandsfähigkeit zu verleihen. Die Trägheit ihrer rotierenden Generatoren gewährt Zeit im Falle eines unerwarteten Stromausfalls, und sie passen kontinuierlich ihre Leistung an die Frequenz im Netzwerk an, um alles stabil zu halten. Aber ein Stromnetz, das große Mengen erneuerbarer Energie enthält, wie beispielsweise Windturbinen und Solarmodule, funktioniert ganz anders. Es verlässt sich auf Geräte namens Wechselrichter, um den von Wind- und Solarenergieanlagen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) für das Netzwerk umzuwandeln. Und erneuerbare Energiesysteme mit Wechselrichtern verhalten sich nicht wie traditionelle Kraftwerke. "Wir haben es mit einem völlig anderen physikalischen System zu tun", sagt Patricia Hidalgo-Gonzalez, Elektroingenieurin an der University of California, San Diego.
In den USA stammt mittlerweise ein größerer Anteil des Stroms aus erneuerbaren Quellen. Grid-forming-Wechselrichter werden voraussichtlich eine große Rolle dabei spielen, die Energie sicher in das Stromnetz einzuspeisen.
Daher haben Forscher nach Möglichkeiten gesucht, das Netzwerk stabil zu halten, während große Kraftwerke stillgelegt werden und erneuerbare Energien einen größeren Anteil an der Stromerzeugung in den USA ausmachen. Die Antwort könnte in einer speziellen Art von Wechselrichter liegen, bekannt als grid-forming-Wechselrichter. Diese elektrischen Geräte, die von der Größe her von kleiner als eine Mikrowelle bis so groß wie ein Schiffscontainer sein können, sind speziell darauf programmiert, an der Schnittstelle zwischen etwas, das Energie erzeugt oder speichert - wie Windturbinen, Solarmodule und Batterien - und dem Netzwerk zu arbeiten. Wesentlich ist, dass sie in der Lage sind, den Fluss erneuerbarer Energie schnell und reaktionsschnell in das Netzwerk zu steuern, auf ähnliche Weise wie große Kraftwerke dies tun.
Durch die Integration von grid-forming-Wechselrichtern in ein bestehendes Stromnetz können Ingenieure dazu beitragen, die Funktionen zu ersetzen, die verloren gehen, wenn die großen Kraftwerke stillgelegt werden. Grid-forming-Wechselrichter haben auch weitere Vorteile, wie beispielsweise das automatische Wiederhochfahren eines ausgefallenen Netzes. Das kann die Gesellschaft widerstandsfähiger gegen Stromausfälle machen, die durch extreme Wetterereignisse aufgrund des Klimawandels, wie Hitzewellen und Hurrikane, verursacht werden (SN: 15.02. 20, S.22).
Die Menge an in den USA aus Solar- und Windenergie erzeugtem Strom hat sich in den letzten zehn Jahren dramatisch erhöht.
Man kann sich einen grid-forming-Wechselrichter wie eine Entenmutter vorstellen, die von einer Gruppe junger Entlein begleitet wird, sagt Dominic Gross, Elektroingenieur an der University of Wisconsin–Madison. Ein grid-forming-Wechselrichter kann Spannung in ein Netzwerk einspeisen und dann seine Frequenz entsprechend der durch das System fließenden Strommenge anpassen. Andere Quellen von Strom, die jungen Enten, können sich dann mit diesem grid-forming-Wechselrichter synchronisieren, so wie zuvor mit dem aus Kraftwerken pulsierten Stromfluss.
Das verleiht grid-forming-Wechselrichtern eine wichtige Rolle beim verstärkten Einsatz erneuerbarer Energien in das Stromnetz. Hersteller wie General Electric, Siemens, Tesla und Hitachi produzieren bereits diese Geräte, und sie werden bereits seit Jahrzehnten in isolierten Stromnetzen, wie auf kleinen Inseln, verwendet. Heute breitet sich ihr Einsatz weltweit schnell aus, während große Energieunternehmen auf diese Geräte setzen, um den Boom erneuerbarer Energien zu bewältigen.
Das Hinzufügen von grid-forming-Funktionen in erneuerbare Energiesysteme für Strom ist ein einfacher erster Schritt, der einen dramatischen Unterschied beim Aufbau eines robusten Netzes für die Zukunft machen kann, sagt Julia Matevosyan, Chefingenieurin bei der Energy Systems Integration Group in Austin, Texas. "Wir haben jetzt wirklich dieses Zeitfenster der Gelegenheit", sagt sie.
Kohlekraftwerke und Erdgas-Kraftwerke sind das Rückgrat des heutigen US-Stromnetzes. Wind- und Solarfarmen spielen eine kleinere Rolle und verwenden netzfolgende Wechselrichter (orange), um mehr intermittierenden Strom in das System einzuspeisen. Netzformende Wechselrichter (blau) könnten jedoch den Weg für ein zukünftiges Netz ebnen, das hauptsächlich auf erneuerbarer Energie basiert. In dem Netz der Zukunft könnten jedes Haus Solarpaneele haben und Elektrofahrzeuge bidirektionales Laden ermöglichen, sodass sie Energie ins Netz zurückspeisen können.
Wenn Sie Solarpaneele auf Ihrem Haus haben, haben Sie wahrscheinlich einen Wechselrichter in Ihrer Garage. Energieunternehmen verwenden ähnliche Wechselrichter in Wind- und Solaranlagen, um große Mengen an Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln und ins Netz einzuspeisen. Die meisten davon sind jedoch sogenannte netzfolgende Wechselrichter. Sie sind wie die Küken, die ihrer Mutter folgen - sie können einige Dinge alleine tun, sind aber nicht in der Lage, das System wie ein erwachsener Entenvogel zu betreiben.
Ein netzformender Wechselrichter kann jedoch die Änderungen im Netz erkennen und in Echtzeit reagieren, um seine Frequenz anzupassen. Dadurch wird mehr oder weniger Leistung eingespeist, um das Netz zu stabilisieren. Florian Dörfler, Elektroingenieur an der ETH Zürich, vergleicht eine Gruppe von netzformenden Wechselrichtern in einem Stromnetz mit einer Gruppe von sich drehenden Fahrradrädern, die durch ein Gummiband verbunden sind. Wenn eines der Räder aus irgendeinem Grund etwas langsamer wird, überträgt das Gummiband Schwung von den anderen und bringt es wieder in Einklang mit der Gruppe.
Netzformende Wechselrichter sind nicht völlig neu; sie werden weltweit seit Jahrzehnten für bestimmte Zwecke verwendet. In den Vereinigten Staaten kommen sie hauptsächlich in Inselnetzen vor, kleinen elektrischen Stromsystemen, die abgelegene Gebiete wie Inseln oder kleine Einrichtungen versorgen.
In den 2010er Jahren zum Beispiel baute eine Gruppe von Forschern und Industriefachleuten ein Inselnetz, das netzformende Wechselrichter im Santa Rita Gefängnis in Dublin, Kalifornien, integrierte. Das Inselnetz verwendete Solarpaneele auf dem Dach, fünf Windturbinen, eine Brennstoffzelle und Batteriespeicher, um ein eigenständiges Stromsystem zu schaffen, das im täglichen Betrieb funktionierte, aber auch unabhängig vom Hauptnetz weiterbetrieben werden konnte - ein entscheidender Faktor für die Sicherheit. Weitere Inselnetze, die netzformende Wechselrichter verwenden, sind eine Militärbasis auf der hawaiianischen Insel Kauai und die Karibikinsel St. Eustatius.
Die Herausforderung besteht nun darin, von diesen kleinen, eigenständigen Systemen auf größere Stromnetze umzusteigen, die eine große Menge an erneuerbarer Energie integrieren. Mehrere Länder haben bereits damit begonnen, netzformende Wechselrichter in ihre Systeme zu integrieren.
Australien ist vielleicht weltweit führend und hat drei große erneuerbare Energieanlagen in Betrieb genommen, die netzformende Wechselrichter verwenden, sowie drei weitere solche Anlagen, die derzeit entwickelt werden, insgesamt 480 Megawatt Leistung. Einige davon befinden sich in South Australia, wo die Windkraft in den letzten Jahren stark zugenommen hat. Im Dezember gab die Australian Renewable Energy Agency bekannt, dass sie 176 Millionen australische Dollar (etwa 118 Millionen US-Dollar) in weitere acht Projekte investieren wird, um erneuerbare Energie unter Verwendung von netzformenden Technologien zu erzeugen. Insgesamt sind diese acht Projekte darauf ausgelegt, 2 Gigawatt Leistung zu erzeugen - das Zehnfache der bisherigen netzformenden Kapazität des Landes und ein bahnbrechender Schritt in die richtige Richtung, sagt Matevosyan.
Auch das Vereinigte Königreich investiert in fünf neue Projekte, darunter eine Anlage mit 300 Megawatt in Schottland, die bis 2024 fertiggestellt werden soll. Im Gegensatz dazu hat die USA auf nationaler Ebene nur wenig unternommen, um die Einführung von netzformenden Wechselrichtern zu fördern, obwohl die Erzeugung erneuerbarer Energie in den letzten zehn Jahren etwa verdoppelt wurde und nun mehr als 20 Prozent der landesweiten Stromerzeugung ausmacht. "Die USA sind wahrscheinlich 10 Jahre hinter dem Trend", sagt Dörfler.
Das könnte sich jedoch ändern. Das US-Energieministerium finanziert eine 25 Millionen Dollar teure Initiative, um zu untersuchen, wie mehr netzformende Wechselrichter in das US-Stromnetz integriert werden können. Das Konsortium mit dem Namen UNIFI ("universal interoperability for grid-forming inverters") befindet sich im zweiten Jahr von insgesamt fünf Jahren Forschung. Es wird von der National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, in Zusammenarbeit mit der University of Texas in Austin und dem Electric Power Research Institute in Palo Alto, Kalifornien, geleitet.
Elektrische Netzwerke zeigen ihr Alter - und sie sind besonders anfällig für die sich kaskadenartig ausbreitenden Auswirkungen von extremem Wetter. Hier werfen wir einen Blick auf einige jüngste Ereignisse, die die Netze an ihre Grenzen gebracht haben.
Februar 2021Eine Kältewelle in weiten Teilen von Texas lähmte elektrische Ausrüstung und führte zum Ausfall eines Großteils des Stromnetzes des Bundesstaates, was zu Hunderten von Todesfällen führte.
September 2021Der Hurrikan Ida hat in Louisiana mehr als 1 Million Menschen den Strom genommen, unter anderem weil die Übertragungsleitungen den Windgeschwindigkeiten des Hurrikans nicht standhalten konnten.
Mai 2022Ein intensiver Windsturm in Ontario und Quebec, Kanada, hat Stromleitungen umgestürzt und letztendlich fast eine Million Menschen ohne Strom gelassen.
Juni 2022Ein Ausfall in einem Kraftwerk in West-Texas verursachte weitere Ausfälle im Netz von Texas. Dabei wurden 1,7 Gigawatt Solarstromerzeugung offline genommen.
Januar 2023Eine Spannungsspitze legte das nationale Stromnetz Pakistans lahm und ließ mehr als 200 Millionen Menschen ohne Strom.
Juni 2023Ein Hitzedome über Nordmexiko und Texas brachte Mexikos Stromnachfrage fast über das Angebot.
Bis jetzt hat sich UNIFI auf grundlegende Fragen konzentriert, wie zum Beispiel die Erarbeitung von Leitlinien für den Bau von netzsteuernden Wechselrichtern. Bisher haben Hersteller weltweit ihre eigenen Arten von netzsteuernden Wechselrichtern erstellt, ohne dass es dabei eine Koordination unter ihnen gab. Im Dezember veröffentlichte UNIFI Entwurfsstandards, die den ersten Schritt zu einem nationalen Netzcode darstellen und technische Spezifikationen für Geräte umfassen; eine zweite, aktualisierte Version wird bis Ende des Jahres erwartet.
UNIFI brachte kürzlich eine Handvoll netzsteuernder Wechselrichter verschiedener Hersteller ins NREL-Labor in Colorado. Dort werden sie in einem 1-Megawatt-System getestet, um zu sehen, wie sie in einem gemeinsamen Netz funktionieren. Ein ähnlicher UNIFI-Test untersucht die Leistung von einer größeren Anzahl netzsteuernder Wechselrichter von zwei verschiedenen Herstellern in einem 20-Megawatt-System auf Kauai.
Ziel ist es festzustellen, ob Wechselrichter verschiedener Hersteller nahtlos in ein großes Stromnetz integriert werden können und wie viel Programmierarbeit erforderlich ist, um sie harmonisch miteinander arbeiten zu lassen. "Wie lassen sich Millionen dieser Geräte in einem groß angelegten Netzwerksystem kontextbezogen zusammenarbeiten lassen?", fragt Gross, der mit UNIFI zusammenarbeitet. Solche Tests sind nur die ersten Schritte, um die USA auf den gleichen Stand zu bringen wie andere Länder, in denen bereits netzsteuernde Wechselrichter in ihren großen Stromnetzen eingesetzt werden.
UNIFI hofft, das Profil von netzsteuernden Wechselrichtern zu erhöhen und Orientierungshilfen für die derzeitige Landschaft unterschiedlicher Unternehmen zu bieten, die sie herstellen. Aber es muss sich schnell bewegen, um einen Unterschied zu machen. "Wir reden im Grunde davon, den gesamten Elektrizitätssektor in etwa 15 Jahren umzuwandeln", sagt Ben Kroposki, Leiter des Power Systems Engineering Center am NREL und Organisationsleiter von UNIFI. "Es hat 140, 150 Jahre gedauert, um das aufzubauen, was wir heute haben. Das ist also eine monumentale Veränderung im Elektrizitätssektor."
Wechselrichter in einer typischen Solaranlage für Wohnhäuser können mehrere tausend Dollar kosten, wobei die Kosten für industrielle Anlagen höher sind. Aber netzsteuernde Geräte sind nicht unbedingt teurer in der Produktion als netzfolgende Geräte. Die Hersteller verlangen etwas mehr, um ihre Forschungs- und Entwicklungskosten zu decken, aber der Unterschied ist minimal im Vergleich zum Nutzen, sagt Matevosyan. Obwohl einige Länder Energieunternehmen Anreize bieten, netzsteuernde Technologien einzusetzen, sagt sie, dass jeder, der heute Netzkomponenten installiert, diese selbstverständlich einbeziehen sollte. "Es macht einfach Sinn, dass sie netzsteuernd sind", sagt sie. "Dadurch können Sie sie für die Zukunft rüsten."
Auch wenn netzsteuernde Wechselrichter angenommen werden, gibt es noch offene Fragen in der Forschung. Eine Herausforderung besteht darin, dass noch nicht klar ist, wie viele Wechselrichter in den Netzen der Zukunft netzsteuernd sein müssen. Theoretische Berechnungen legen nahe, dass einige Netze problemlos 60 bis 70 Prozent ihrer Energie aus erneuerbaren Quellen beziehen können, indem sie netzfolgende Wechselrichter verwenden. Aber andere könnten bereits bei 20 Prozent zusammenbrechen und benötigen mehr netzsteuernde Wechselrichter in der Mischung, sagt Gross.
Die Anzahl für ein bestimmtes Netz hängt von Faktoren wie dem Alter, der Stabilität und der Geometrie des Netzes ab. Ein dicht miteinander verbundenes Netz von Stromerzeugungseinrichtungen wie in Europa könnte einen viel geringeren Prozentsatz an netzsteuernden Wechselrichtern benötigen als ein lang gestrecktes Netz entlang der australischen Küste.
Das US-Stromnetz besteht tatsächlich aus drei separaten Netzen, im Osten und Westen des Landes und in Texas, alle mit unterschiedlichen Wechselrichteranforderungen. Und einige Stromnetzbetreiber könnten sich dafür entscheiden, ihre Kohle- oder Gasanlagen vom Netz zu nehmen, aber einige große Kernkraft- oder Wasserkraftanlagen beizubehalten, die weiterhin die Synchronität des Netzes unterstützen und weniger netzsteuernde Wechselrichter erfordern.
Other research frontiers include figuring out new ways to diagnose and fix problems in the grid. A short circuit in a grid component, for example, can suddenly inject large amounts of current, a surge that traditional power plants can handle automatically by disconnecting the malfunctioning part. Grid-forming inverters cannot tolerate large spikes in current, making it harder to solve these problems in real time. “How to do so efficiently and safely is still a big research question,” says Rodrigo Henriquez-Auba, an electrical engineer in Mountain View, Calif., who works with UNIFI.
Some scientists, including Dörfler, are exploring how a power grid with a lot of grid-forming inverters could provide power in new ways. By taking extra steps to optimize how the inverters work together, researchers can move the system closer to what some describe as a virtual power plant — in which many small-scale renewable energy devices effectively function as a single traditional power plant. That might mean programming inverters to quickly draw power out of a battery and inject it to make the grid more robust to unexpected fluctuations. Machine learning techniques may help, by training inverters on real-world data to fine-tune operations.
Of course, there are many other challenges to building the grid of the future, such as figuring out better ways to store electricity from solar and wind farms, how to build the necessary transmission lines and how to speed up the connection of renewable power facilities to the grid, currently backlogged due to regulatory issues.
Hidalgo-Gonzalez says that the electrical grid of the future needs to be stronger and more resilient for everyone. Today’s U.S. power grid fosters a lot of societal inequities. It tends to be weak and less reliable, for example, in lower-income communities that are more vulnerable to extreme weather than it is in wealthier communities. In 2021, for instance, Hurricane Ida knocked out power to more than 1 million people in Louisiana, with some lower-income communities not getting it back for weeks.
Renewable energy, bolstered by grid-forming inverters, can play a big role in making the grid more resilient and equitable, Hidalgo-Gonzalez says. “We need to go really fast,” she says, “if we want to take climate change seriously.”
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