Energiewende auf hawaiianisch

Der idyllische Inselarchipel Hawaii im Pazifik macht ernst mit seinen Plänen, die Stromversorgung bis 2045 komplett auf erneuerbare Energien umzustellen. Schon heute setzt die Hawaii Electric Company verstärkt auf erneuerbare Energien. Aber Hawaii benötigt - wie viele andere Inseln weltweit - auch noch konventionelle Kraftwerke, die mit fossilen oder nachwachsenden Rohstoffen betrieben werden. Hawaii verfolgt mit dem Umstieg auf erneuerbare Energien große Ziele: Es will weniger von importiertem Öl abhängig sein, fossile Emissionen reduzieren, den Strompreis stabilisieren und eine eigenständige Energieversorgung aufbauen. So werden fossile Ressourcen überflüssig. Gleichzeitig muss der zukünftige Mix an erneuerbaren Energiequellen eine zuverlässige und stabile Stromversorgung garantieren. Jetzt wird ein Forschungsverbund unter der Leitung von Siemens Technology in Princeton, New Jersey, evaluieren, wie die größte Insel, Big Island, mithilfe eines neuen Assistenzsystems mit hundert Prozent erneuerbarer Energie aus Wind und Sonne versorgt werden kann. Heute ist dies für größere Netze noch nicht möglich. „Dazu fehlt es an Technologien, die wir in diesem Projekt entwickeln werden“, erklärt Projektleiter Ulrich Münz.

Es könnte so einfach sein: Inseln wie die von Hawaii haben ausreichend Wind und Sonne und verfügen manchmal auch noch über andere erneuerbare Energiequellen, wie Wasserkraft, Geothermie oder Biomassekraftwerke, um die Versorgung der Insel sicherzustellen. Wenn da nur nicht die Tücken des Stromnetzes wären. Denn die stammen praktisch überall auf der Welt noch aus den Zeiten, in denen Kohle-, Gas- und Ölkraftwerke den größten Teil der Stromlast produzierten, auch auf Big Island.

Neben den vielen unerwünschten Eigenschaften dieser Kraftwerke, allen voran die Emissionen des klimaschädlichen CO₂, haben sie auch eine Reihe von Fähigkeiten, die sich nicht so ohne weiteres durch Wind- und Solarenergie ersetzen lassen. Ihre riesigen, rotierenden Massen der Turbinen-Generatoreinheiten tragen erheblich zur Stabilität des Stromnetzes bei. Denn dieses muss in jedem Augenblick exakt austariert sein: Strombedarf und Stromeinspeisung müssen sich die Waage halten. Ist dies nicht der Fall, dienen die direkt mit dem Netz gekoppelten Generatoren der Kraftwerke mit ihrer Rotationsenergie als so genannte Momentanreserve. Auch die rotierenden Komponenten von Biomasse-, Wasser- und Geothermiekraftwerken tragen dazu bei. Die Spannungsregelung im Netz erfolgt derzeit hauptsächlich ebenfalls mittels dieser Kraftwerkgeneratoren. Solar- und Windenergieanlagen werden hingegen über leistungselektronische Wechselrichter mit dem Netz verbunden, die nicht über diese Fähigkeiten verfügen.

Die große Herausforderung liegt daher nicht nur im Ausbau der erneuerbaren Energien, sondern darin, neue Assistenzsysteme für die Energielandschaft der Zukunft zu entwickeln. Siemens treibt das mit Projekten wie IREN2 oder DynaGrid voran. Im Rahmen von IREN2 im bayerischen Dorf Wildpoldsried gelang es den Forschern erstmals, ein Microgrid vom öffentlichen Stromnetz zu trennen und den Strombedarf des Dorfes zeitweise nur über die dort erzeugte Leistung aus Solar- und Batteriewechselrichtern zu decken. Hierfür wurden Sinamics-Wechselrichter von Siemens eingesetzt, die über spezielle Funktionen verfügen, um Momentanreserve bereitzustellen. Sind aber viele von ihnen im Netz, besteht das Risiko von physikalisch bedingter Leistungsoszillationen, die zum Blackout führen können. Die Siemens-Forscher haben spezielle Assistenzsysteme für die Auslegung der Sinamics-Regler entwickelt, die diese Oszillationen dämpfen.

Mit dem Projekt DynaGrid demonstrierte Siemens zusammen mit seinen Forschungspartnern eine dynamische Leitwarte, die mit einer Reihe von Assistenzsystemen das Stromnetz der Zukunft mit seinen hochdynamischen Betriebsmitteln stabil und zuverlässig betreiben kann, vorerst noch im Laborbetrieb. Auch hier hatte eines der Assistenzsystem die Aufgabe, Leistungsoszillationen zwischen Kraftwerken zu dämpfen.

Diese in Deutschland entwickelten Technologien werden jetzt nach und nach in immer größeren Projekten erprobt. In Wildpoldsried wird ein Netz mit 130 Kilowatt an Leistung aus Solarenergie beherrscht. Bei dem kürzlich in Betrieb genommen Energiesystem auf der Galapagos-Insel Isabela handelt es sich bereits um ein Megawatt. Jetzt werden mit dem Forschungsprojekt Renew100 auf Big Island, Hawaii, erstmals die Voraussetzungen für ein weitaus größeres Insel-Stromnetz untersucht: Die größte Insel des Archipels benötigt 180 Megawatt an Höchstleistung. Das Projekt wird vom US-Energieministerium mit drei Millionen Dollar gefördert.

Vor dem eigentlichen Testlauf mit einem immer größeren Anteil an erneuerbaren Energien muss das Assistenzsystem seine Fähigkeiten im Betrieb eines digitalen Zwillings des Hawaiianischen Stromnetzes unter Beweis stellen. „So ein digitaler Zwilling ist ein Simulationsmodell, das zeigt, was im Stromnetz passiert, wenn man wichtige Parameter ändert, beispielsweise konventionelle Kraftwerke im großen Stil durch Windparks ersetzt“, erklärt Münz. Die Daten für das Netzmodell liefert Hawaii Electric Light. Das Forschungsinstitut Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) kalibriert das Netzmodell so, dass es die tatsächlichen Messverläufe wiedergibt. Sie werden dann in einen Echtzeitsimulator eingebaut.

Die Siemens-Netzleitwarte Spectrum Power steuert dieses virtuelle Netz. Das Assistenzsystem besteht aus der Siemens-Software Siguard, die vorausberechnet, wie sich das Inselnetz nach kritischen Ereignissen verhält, sowie den von Siemens Corporate Technology entwickelten Algorithmen. Diese schlagen dem Betriebsführer alternative Einstellungen der Wechselrichter seiner Erneuerbaren vor, um die Oszillationen zu dämpfen.

Erstmals werden so Erfahrungen für den Wandel hin zu erneuerbaren Energien im großen Maßstab gesammelt. Damit kann die Energiewende auf dem Inselatoll Wirklichkeit werden, ohne dass auf Hawaii die Lichter ausgehen.

(Autorin: Katrin Nikolaus)