Handbuch Netzintegration Erneuerbarer Energien

Die modernen Erzeugungsanlagen Erneuerbarer Energien sind längst keine Ausnahme sondern anerkannte Teilnehmer des Elektrizitätsversorgungssystems mit allen Pflichten. Sie müssen gemäß den internationalen Netzkodizes ebenfalls an Systemdienstleistungen des Netzbetreibers teilnehmen: Frequenzhaltung, Spannungshaltung, Versorgungswiederaufbau und Betriebsführung. Die Netzintegration Erneuerbarer Energien ist ein Prozess, der mit der wirtschaftlich-technischen Planung unter Berücksichtigung der geltenden Netzanschlussregeln beginnt und mit der Inbetriebnahme der Erzeugungsanlagen endet. Dieser Prozess wird ausführlich erläutert und mit auf die Praxis bezogenen wegweisenden Aufgaben zur Auslegung und zum Netzanschluss von Erzeugungsanlagen verständlich gemacht. Ein umfassender Überblick wird über die Schwerpunkte der Netzintegration von Erzeugungsanlagen Erneuerbarer Energien gegeben.

Aus erneuerbaren Energieträgern kann elektrische und/oder thermische Energie gewonnen werden. Welche Energieart am Ausgang einer Energieerzeugungsanlage höhere Priorität bekommen soll, hängt vom Anlagentyp (statische oder rotierende) und von ihrem Auslegungsziel (Strom- oder Wärmeerzeugung) ab. Das Verfahren der Elektroenergieerzeugung aus Energien des Windes, der Sonnenstrahlung, des fließenden Gewässers und der Wasserströmungen auf See sind kurz beschrieben. Allgemeine technische Eigenschaften der Windenergieanlagen, PV-Anlagen, Wasserkraftwerke, Biomasse- und Biogasanlagen sowie Stromerzeugungsanlagen aus Energien von Gezeiten, Wellen und Meeresströmungen werden aufgezeigt.

Die große Menge der Informationsquellen und das unterschiedliche Darstellungsniveau der theoretischen Grundlagen der Elektrotechnik in zahlreichen Medien können in der Praxis Verständnisprobleme verursachen. Das Kapitel richtet sich an alle Interessenten, die das elektrotechnische Grundwissen gezielt auf die Netzintegration Erneuerbarer Energien zusammengefasst nachlesen möchten. Alle Grundbegriffe sowie Charakteristiken der Netze und Erzeugungsanlagen sind ausschließlich aus international anerkannten Standards, Normen, Netzkodizes und Richtlinien übernommen. Einige neue Begriffe wie – „Tangens-Verschiebungsfaktor“, „Elektrische Entfernung“, „Vollleistungsstundenzahl“ und andere – wurden eingeführt. Die Begriffe „Verbraucherzählpfeilsystem“, „Kurzschlussleistung“, „Netzimpedanzwinkel“, „Längs-Spannungsänderung“ und „Quer-Spannungsänderung“ am Netzanschlusspunkt der Erzeugungsanlage werden ausführlich erklärt. Diese Begriffe stellen im Buch die Grundsteine dar.

Das Kapitel informiert über die Änderungen der Netzeigenschaften beim breiten Einsatz der dezentralen Erzeugungsanlagen Erneuerbarer Energien: bi-direktionale Leistungsflüsse, Spannungsschwankungen, Energieverluste, Blindleistungsmangel, Spannungshaltung, Spannungsstützung, Spannungsqualität und vieles mehr. Die neue Vorgehensweise zur Spannungsregelung im Elektrizitätsversorgungssystem mit dezentralen Erzeugungsanlagen wird behandelt. Der Einfluss fluktuierender Leistungen dieser Erzeugungsanlagen auf die Verlustleistung, Elektroenergieverluste und Blindarbeit wird diskutiert. Die Übertragungsnetze und Seeplattformen für Offshore-Windparks sowie Netzanschluss der Stromerzeugungsanlagen auf dem Meeresboden werden ebenfalls betrachtet.

Die erforderlichen Eigenschaften der Erzeugungsanlagen Erneuerbarer Energien können nicht in klassischen Generatoren sichergestellt werden. Unterschiedliche Generatorsysteme werden in Bezug auf die Einsatzeignung in Erzeugungsanlagen Erneuerbarer Energien gegenübergestellt. Deren elektrische Eigenschaften werden im Hinblick auf Volatilität des ins Netz eingespeisten Stromes behandelt. Die systemtechnischen Anforderungen der Netzkodizes an das statische und dynamische Verhalten der Erzeugungsanlagen bei volatiler Leistungseinspeisung sowie bei Netzfehlern sind zusammengefasst und erläutert. Aus der Analyse des volatilen Verhaltens der Erzeugungsanlagen werden Möglichkeiten für die Reduzierung der internen Verluste und dadurch die Steigerung der Erträge gezeigt. Die Netzrückwirkungen werden vom Gesichtspunkt der Standardisierung, Messung, Messverfahren, Berechnung und Beurteilung betrachtet.

Im Fokus steht die Spannung an Netzpunkten nach der Inbetriebnahme dezentraler Erzeugungsanlagen Erneuerbarer Energien. Der Einfluss auf die unvermeidbaren Spannungsänderungen durch eingespeiste Wirkleistung und der bereitgestellten Blindleistung der Erzeugungsanlagen sowie der Kurzschlussleistung und des Netzimpedanzwinkels am Netzanschlusspunkt wird erklärt. Für die Analyse dieses Einflusses werden entwickelte Gleichungen und Grafiken vorgeschlagen. Diese ermöglichen unter anderem die maximale Anschlussleistung, die Mindestanforderungen an die Kurzschlussleistung und den Netzimpedanzwinkel am Netzanschlusspunkt für den gesicherten Netzanschluss der geplanten Erzeugungsanlage ohne komplizierte Netzberechnungen zu beurteilen. Die vorgeschlagenen generischen Netze ergeben die Möglichkeit einer vertieften Analyse des stationären und dynamischen Netzbetriebes infolge der Netzintegration Erneuerbarer Energien.

Rasant schnelle Entwicklung Erneuerbarer Energien hat Inkrafttreten neuer Netzkodizes und Regelwerke in Bezug auf ihre Netzintegration weltweit verursacht, die sich auf neue Fachbegriffe (Spannungshaltung, Spannungsstützung, Blindleistungsbereitstellung, Cluster, Dunkelflaute, Einschaltwindgeschwindigkeit, Abschaltwindgeschwindigkeit, FRT-Fähigkeit, Kurzschlussleistungsverhältnis, Erzeugungseinheit, Netzinselbetrieb, Netzrückwirkungen, Repowering, Schwarzstartfähigkeit und andere) stützen. Im Glossar sind Erläuterungen zu relevanten Begriffen der Netzintegration Erneuerbarer Energien aus internationalen Richtlinien, Normen und Standards zusammengestellt. Durch Nutzung dieser Fachbegriffe soll das Verständnis deren Inhaltes verbessert und die Kommunikation zwischen internationalen Projektpartnern vereinfacht werden.

Das Wörterbuch beinhaltet 111 Stichwörter und Fachbegriffe zum Thema „Netzintegration Erneuerbarer Energien“ in English, Deutsch, Japanisch, Französisch, Griechisch, Nepalesisch, Spanisch, Arabisch, Türkisch, Portugiesisch, Russisch und Chinesisch. Diese fassen Windenergieanlagen, PV-Anlagen, Wasserkraftwerke, Stromerzeugungsanlagen aus Energien von Gezeiten, Wellen und Meeresströmungen, elektrische Verteilungsnetze und Elektrizitätsversorgungssysteme mit Gleichstrom und Drehstrom sowie elektrische Netzbetriebe um. Die Stichwörter und Fachbegriffe wurden aus neuen internationalen Netzkodizes und Regelwerken in Bezug auf Netzintegration Erneuerbarer Energien zusammengestellt. Die Übersetzung wurde durch Fachexperten in ihrer Muttersprache gemacht.

Der Anhang stellt eine Übersicht der technischen Charakteristiken von relevanten Netzbetriebsmitteln aus den öffentlichen Quellen unterschiedlicher Länder in Bezug auf Netzintegration der Erzeugungsanlagen Erneuerbarer Energien dar. Alle Daten gelten ausschließlich als Richtwerte, da nur einige Netzbetriebsmittel in internationalen Standards genormt sind. Die rasante Entwicklung der Erneuerbaren Energien und strenge Anforderungen der neuen Netzkodizes haben Herstellung von speziellen elektrischen Netzbetriebsmitteln mit sich gebracht, die derzeit vielfach noch als Testanlagen gelten. Dadurch liegen deren technischen Charakteristiken nicht als endgültige vor sondern gelten als vorläufige, die permanent verbessert werden. Diese neuartigen Netzbetriebsmittel müssen eine minimale Netzrückwirkung der wachsenden Anzahl der Erzeugungsanlagen Erneuerbarer Energien sicherstellen und ihre Teilnahme bei Systemdienstleistungen der Netzbetreiber ermöglichen. Die Daten dargestellter Netzbetriebsmittel sollen den Planer bei der Auslegung der Erzeugungsanlagen Erneuerbarer Energien und bei der Beurteilung der Erfüllung der Anforderungen zu ihrem Netzanschluss unterstützen.