Der Anteil erneuerbarer Quellen in der Energieversorgung steigt weltweit. Auch die Bundesregierung verfolgt ehrgeizige Ziele beim Ausbau regenerativer Energien. Bis 2025 sollen sie mindestens 40 bis 45 Prozent des Bruttostromverbrauchs abdecken. Allerdings werden insbesondere Windkraft- und Photovoltaikanlagen in über 90 Prozent aller Fälle auf der Verteilnetzebene angeschlossen. Das stellt diese Netze vor große Herausforderungen und nach den heute gültigen Rahmenbedingungen sind diese mit hohen Ausbaukosten verbunden. Für eine gleichbleibend sichere und wirtschaftliche Versorgung sind deshalb neuartige Netzstrukturen erforderlich. Vor diesem Hintergrund hat Siemens im Oktober 2014 zusammen mit dem Allgäuer Überlandwerk, der RWTH Aachen, der Hochschule Kempten und ID.Kom Networks das Projekt Iren2 in Wildpoldsried im Allgäu gestartet. Das Gesamtbudget dafür beträgt fünf Millionen Euro, wovon das Bundeswirtschaftsministerium im Rahmen der Förderinitiative Zukunftsfähige Stromnetze die Hälfte übernommen hat.
Mit Solar- und Windkraft, Biogas und Biomasse erzeugt die kleine Gemeinde bereits heute fünfmal so viel Energie, wie sie selbst verbraucht. Mit dieser Voraussetzung ist sie ideal geeignet, neuartige Netzstrukturen und ihre Betriebsführung wirtschaftlich und technisch zu untersuchen. Ziel von Iren2 ist es herauszufinden, wie sich Energiesysteme mit verteilter Stromerzeugung und zusätzlichen Komponenten wie Batteriespeichern, Blockheizkraftwerken, Biogasanlagen und konventionellen Erzeugern technisch und wirtschaftlich verbessern lassen.
Zudem will das Forschungskonsortium während der Projektlaufzeit von vier Jahren Microgrids – also regionale, in sich geschlossene und intelligente Stromverteilnetze – als Inselnetze sowie den Einsatz und Betrieb von Microgrids als sogenannte topologische Kraftwerke erproben. Genutzt werden dazu die bisher installierte Smart-Grid-Infrastruktur in Wildpoldsried sowie die Ergebnisse und Erfahrungen des Forschungsprojektes Irene (Integration regenerativer Energien und Elektromobilität), das Ende 2013 nach dreijähriger Laufzeit abgeschlossenen wurde.
Vom Vorgängerprojekt profitieren
Die wichtigsten Ergebnisse von Irene waren zwei wesentliche Erkenntnisse: Eine intelligente Netzplanung unter Berücksichtigung der gewonnenen Erfahrungen ermöglicht mehr Einspeisung aus erneuerbaren Energien, lässt sich aber mit weniger Netzausbaukosten realisieren. Der Ausbau selbst erfolgt dabei unter Verwendung regelbarer Netzkomponenten wie intelligenten Ortsnetzstationen. Er erfordert aber keine flächendeckende Messtechnik. Die notwendige Messtechnik wurde im Vorgängerprojekt Irene ebenso installiert, wie neue Betriebsmittel, wozu zum Beispiel zwei regelbare Ortsnetztransformatoren und ein Lithium-Ionen-Batteriespeicher gehören.
Wildpoldsried erzeugt und nutzt heute schon mehr erneuerbare Energien, als die Bundesregierung für 2020 vorgesehen hat. Erneuerbare und konventionelle Erzeuger, wie zwei Diesel-Aggregate auf der Basis von Pflanzenöl und Biodiesel sowie ein Speicher, bilden eine hybride Struktur und damit ideale Voraussetzungen für weitere Forschungen. Auf die bereits vorliegenden Erfahrungen und die vorhandene Infrastruktur setzt Iren2 als Folgeprojekt auf.
Microgrid regeln und steuern
Das Projekt ist der erste reale Microgrid-Test dieser Art außerhalb einer Laborumgebung. Gemeinsam mit den Konsortialpartnern will Siemens zeigen, dass sich die Stromversorgung von Wildpoldsried als Inselnetz, also getrennt vom Hauptnetz, betreiben lässt. Sollte es im Hauptnetz zu einer Störung kommen, könnte sich Wildpoldsried davon abkoppeln und als autarkes Inselnetz die Gemeinde weiter mit Strom versorgen. Darüber hinaus soll nachgewiesen werden, dass sich ein Microgrid auch als topologisches Kraftwerk nutzen lässt. Dieses kann wichtige Systemdienstleistungen für das übergeordnete Netz erbringen. Gleichzeitig dient das Projekt dazu zu zeigen, dass sich eine derartige Zelle mit einem hohen Anteil an regenerativer Einspeisung stabil und wirtschaftlich betreiben lässt. Das bereits vorhandene Netz wurde dazu mit Steuer- und Regeltechnik, mehreren Synchronisations- und Schutzgeräten, den beiden Dieselgeneratoren als Backup sowie einem schwarzstartfähigen Speichersystem erweitert. Alle diese Ergänzungen in der Infrastruktur sind inzwischen abgeschlossen.
Die zentrale Regelung und Steuerung aller Einheiten übernimmt Leittechnik von Siemens: Herzstück dabei ist der Sicam Microgrid Controller, der die effiziente und zuverlässige Regelung aller Betriebsmittel innerhalb eines Microgrids übernimmt. Die wichtigsten Aufgaben dabei sind die Überwachung und Steuerung der Erzeuger und des Netzes. Dabei werden über den Microgrid Controller im Zusammenspiel mit dem Leitsystem Spectrum Power Aktives Netzmanagement (ANM) alle Vorgänge und Strukturen verständlich und benutzerfreundlich visualisiert.
Das Netz im Echtzeitbetrieb stabil halten
Energieflüsse können auf Basis aktueller und historischer Daten analysiert werden – bei Bedarf lassen sich zudem viele weitere Funktionen integrieren. Als Testgebiet ist zunächst das Gebiet um den Sportplatz in Wildpoldsried vorgesehen. Hier ist der Sicam Microgrid Controller ebenso installiert wie die Dieselgeneratoren, das Batteriespeichersystem und eine Lastbank. Diese Einrichtung ist ein steuerbarer elektrischer Widerstand, der Strom in Wärme umwandelt. Sie dient dazu, einen Verbraucher oder unterschiedliche Lasten im Netz zu simulieren. Letztendlich wandelt eine Lastbank einen Stromüberschuss in Wärme um, wenn nicht genügend andere Verbraucher zur Verfügung stehen. In mehreren Stufen können dann weitere Ortsteile der Gemeinde ins Microgrid integriert werden.
Das Spectrum-Power-Aktives-Netzmanagement-System von Siemens ist ein weiterer Baustein für die Verteilnetze. Das System handhabt alle notwendigen Schritte, um Systemdienstleistungen bereitzustellen. Darüber hinaus dient es als Datensammler für den Microgrid Controller. Das ANM ist in einem Kontrollraum untergebracht, der sich im Kongresscenter kultiviert von Wildpoldsried befindet. Für die Anwender bietet das System eine interaktive Benutzeroberfläche. Hierüber können sowohl historische wie auch aktuelle Abschätzungen zum Netzzustand abgerufen werden. Außerdem ist es möglich, die Anwendungen zur Spannungs- und Blindleistungsverbesserung zu überwachen.
Versorgungssicher mit Erneuerbaren
Die Hauptaufgabe des Microgrid Controllers ist es, das Netz im Echtzeitbetrieb stabil zu halten. Dazu gehören die Spannungs- und Frequenzhaltung oder auch die Bereitstellung von Kurzschlussleistung innerhalb des Microgrids. Eine besondere Herausforderung stellt die Stabilisierung des Netzes beim Schwarzstart dar, also der Netzwiederaufbau von unten. Gleiches gilt bei der Re-Synchronisation mit dem Hauptnetz, wenn das Microgrid nach dem Inselnetzbetrieb wieder angekoppelt wird.
Über die Stabilisierung nach innen hinaus soll Wildpoldsried als topologisches Kraftwerk auch Leistungen zur Systemstabilität ins übergeordnete Netz liefern. Durch derartige Systemdienstleistungen kann die Gemeinde zeitweise dazu beitragen, konventionelle Kraftwerke komplett zu ersetzen. Dafür lässt sich die Leistung der erneuerbaren Erzeuger über die Leittechnik belastbar prognostizieren und intelligent planen und steuern.
Das Forschungsprojekt Iren2 belegt, dass Versorgungsnetze mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Erzeugern stabil und wirtschaftlich betrieben werden können. Ob innerhalb eines übergeordneten Netzes oder autark als Inselnetz: Die aktuelle Microgrid-Technik ebnet den Weg dafür, dass weniger fossile Brennstoffe verbraucht werden und dennoch die Versorgungssicherheit gewährleistet bleibt. Die erneuerbaren Energiequellen können also maximal ausgeschöpft werden und die Laufzeit der Backup-Generatoren wird im Gegenzug minimiert.
Wird ein solches Microgrid zusätzlich in die Lage versetzt, die übergeordnete Netzstabilität zu sichern, kann es sogar konventionelle Großkraftwerke zeitweise komplett ersetzen. Schon heute ist das Interesse an der modernen Lösung in Wildpoldsried weltweit sehr groß: Mehr als 120 Besuchergruppen aus rund 80 Ländern haben die Gemeinde im Allgäu bereits besucht. Sie konnten sich vor Ort einen überzeugenden Einblick verschaffen, wie die Energiewende in Deutschland vorangebracht wird.
