Schriftenreihe des Energie-Forschungszentrums Niedersachsen (EFZN)

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Die Energiewende in Deutschland mit dem Ziel eines klimaneutralen Energiesystems erfordert den massiven Ausbau erneuerbarer Energien. Mit einem steigenden Anteil fluktuierender, erneuerbarer Erzeugung steigt auch der Bedarf an kurz und langfristigen Energiespeichern. Der wirtschaftliche Betrieb eines solchen des Langzeitspeichers ist allerdings erwünscht, um die Projektierung und den Bau für Speicherbetreiber attraktiv zu machen und komplizierte Anreizsysteme und Subventionen zu vermeiden.
Ein in bisherigen Untersuchungen kaum beachtetes Konzept zur Langzeitspeicherung von elektrischer Energie ist das Wasserstoff-Druckluftspeicherkraftwerk (HCAES), das untertägige Salzkavernen zur Speicherung der Arbeitsgase Druckluft und Wasserstoff nutzt. Das Konzept basiert auf dem Prinzip des Druckluftspeicherkraftwerks und nutzt zusätzlich die höhere Energiedichte von Wasserstoff aus, um die Speicherkapazität
des HCAES zu erhöhen. Zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit eines Wasserstoff-Druckluftspeicherkraftwerks wurde das Konzept zunächst analysiert und mit anderen Konzepten zur Speicherung von Druckluft oder Wasserstoff in Salzkavernen verglichen. Die optimale Dimensionierung zur gleichzeitigen Teilnahme an mehreren Energiemärkten wurde anhand eines linearen Optimierungsmodells mit perfekter Prognose untersucht. Die Ergebnisse der Dimensionierung wurden im Anschluss hinsichtlich des Einflusses von Betriebsrestriktionen mit einem gemischtganzzahligen linearen Optimierungsmodell analysiert. Zusätzlich wurde der Einfluss von Prognoseunsicherheiten im Rahmen einer rollierenden Planung untersucht.

Die Transformation des elektrischen Energiesystems stellt neue Anforderungen an die Netzstabilität, da konventionelle Großkraftwerke zunehmend durch stromrichtergekoppelte erneuerbare Erzeugungsanlagen ersetzt werden. Diese Arbeit untersucht den Einsatz der virtuellen Synchronmaschine (VISMA) als Schlüsseltechnologie zur Bereitstellung netzstabilisierender Systemdienstleistungen in dezentralen Stromnetzen.

Im Mittelpunkt steht die Entwicklung eines modularen, universell einsetzbaren Steuer- und Regelungskonzepts für den stabilen Betrieb von Microgrids. Behandelt werden sowohl der Netzparallel- und Inselnetzbetrieb als auch der unterbrechungsfreie Wechsel zwischen beiden Betriebsarten. Darüber hinaus werden Verfahren zur Synchronisierung von Inselnetzen, zum Schwarzstart sowie zur Analyse und Beherrschung von Netzstabilitätsphänomenen wie Wirk- und Blindleistungspendelungen entwickelt.

Die vorgeschlagenen Regelungsstrukturen zeichnen sich durch einen dezentralen, kommunikationsarmen Aufbau aus und gewährleisten auch bei Kommunikationsausfällen einen sicheren Netzbetrieb. Die Konzepte werden nicht nur simulationsgestützt untersucht, sondern in einem realitätsnahen, vollständig stromrichterbasierten Niederspannungsnetz mit mehreren VISMA-Systemen experimentell validiert. Die Ergebnisse belegen, dass das entwickelte Regelsystem einen stabilen und flexiblen Betrieb von Microgrids ermöglicht und einen wichtigen Beitrag zur Integration erneuerbarer Energien in zukünftige elektrische Energiesysteme leistet.