Energieversorgungsnetze und Integration Erneuerbarer Energien (SENSE)

Anwendungsbeispiele aus dem Labor

Sektorenkopplung

Durch die Kombination von elektrischen und thermischen Netzen kann im SENSE Smart Grid Labor die Sektorenkopplung praktisch erprobt und angewendet werden. Thermische Speicher erhöhen die Flexibilität im Stromnetz und helfen bei der Integration erneuerbarer Energien. In Zeiten, in denen die Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien hoch ist, können die Speicher geladen werden. Die gespeicherte Energie kann dann in Zeiten, in denen die Einspeisung erneuerbarer Energien niedrig ist, zur thermischen Lastdeckung genutzt werden. Dementsprechend kann der Strombedarf von Kältemaschinen und Wärmepumpen in diesen Zeiten gesenkt werden. Dieses Prinzip wird auch in der TV-Dokumentation "Kälte, Kühlung, Klimaschutz" im ZDF dargestellt. Der Beitrag kann hier in der ZDF-Mediathek ab Minute 21 angesehen werden. 

Echtzeitlabor der Energiewende

Um den klimafreundlichen Netzbetrieb von der Niederspannung bis zur Höchstspannung interaktiv zu erleben, wurde im Rahmen des Verbundprojekts WindNODE eine neue Labor-Plattform geschaffen. Damit steht nun ein System bereit, das Studierenden den derzeitigen Netzbetrieb und den Netzbetrieb der Zukunft nahebringt sowie die Erforschung des Netzbetriebs der Zukunft ermöglicht. 

Weitere Informationen zum Echtzeitlabor der Energiewende im SENSE Smart Grid Labor gibt es hier.

Unsymmetrien im Netz

Erneuerbare Energien sind gut für die Umwelt. Solaranlagen oder Elektroautos bringen jedoch auch Herausforderungen für das Netz mit sich. Um diese Herausforderungen geht es in diesem Beispiel. Konkret geht es um unsymmetrische Einspeisungen oder Verbraucher im Netz. Unsymmetrisch bedeutet hierbei, dass nicht alle drei Phasen gleich stark belastet werden. Ein gutes Beispiel hierfür sind einphasige Verbraucher, wie z.B. Kühlschränke, Waschmaschinen, Lampen und vieles mehr. Kurzum, quasi alles, was man an eine gewöhnliche Steckdose anschließen kann sind einphasige Verbraucher. In der Praxis sind die Steckdosen oder die einzelnen Wohnungen dann an unterschiedliche Phasen angeschlossen. So kann es z.B. sein, dass man selbst an die erste Phase angeschlossen ist und die Wohnung nebenan an die zweite Phase. Im großen Maßstab verteilen sich die einphasigen Lasten so auf das Dreiphasennetz.

Jedoch kann es trotzdem passieren, dass eine Phase viel stärker beansprucht wird, als die übrigen. Das bedeutet, dass durch diese Phase erheblich mehr Strom fließt. In Folge sinkt die Spannung in dieser Phase und die Spannungen sind damit nicht mehr symmetrisch. Dies kann man in der Abbildung rechts sehen. Im Bereich von 0 bis 60 ms sind z.B. die Spannungen in den Phasen b und c erkennbar niedriger als in Phase a.

Durch den Einsatz von regelbaren Umrichtern ist es jedoch möglich, diese Unsymmetrie auszugleichen. Zum Zeitpunkt von 60 ms wird eine entsprechende Regelung aktiviert und sorgt innerhalb weniger Millisekunden dafür, dass die Spannungen wieder auf ihre normalen Werte zurückkehren. Die Spannungen sind nun wieder symmetrisch, trotz der unsymmetrischen Verbraucher.

Harmonische im Netz

Ein zunehmend wichtiges Thema in der Energieversorgung ist Power Quality. Vereinfacht ist damit die Qualität der Spannung und des Stroms gemeint, womit ein Verbraucher versorgt wird. Eine geringe Qualität, z.B. aufgrund von Verzerrungen in der Kurvenform, kann schnell zu beachtlichen Schäden führen.

Solche Verzerrungen entstehen in erster Linie durch nichlineare Elemente im Netz. Bei nichtlinearen Elementen sind die Spannungen und Ströme keine Sinuskurven mehr, sondern sie werden entsprechend verzerrt. Hierbei entstehen neue Frequenzanteile, welche Störungen im Netz hervorrufen können. Entsprechend sind diese neuen Frequenzanteile (auch Harmonische) unerwünscht und im Betrieb gelten strenge Grenzwerte. Ein bedeutender Grenzwert ist der THD (Total Harmonic Distortion). Dieser gibt an, wie groß die Verzerrung ist und muss in der Regel unter 10 % liegen.

In der Abbildung links ist in rot eine entsprechend verzerrte Kurve dargstellt. Diese besitzt einen THD von rund 10 % und unterscheidet sich sichtbar von der schwarz gestrichelten Sinuskurve. Doch auch hier lassen sich intelligente Umrichter einsetzen. In diesem Fall werden die unerwünschten Frequenzanteile gemessen und anschließend durch das Hinzufügen oder Entnehmen bestimmter Ströme unterdrückt. Das Ergebnis ist dann die blaue Kurve. In diesem Fall liegt die Verzerrung jetzt nur noch bei rund 1,3 %. Der Grenzwert wird demnach eingehalten und das Netz kann sicher betrieben werden.