Hawaii als Energielabor

Im Vergleich zum Rest der Vereinigten Staaten hatte Hawaii schon immer hohe Stromkosten, da der Bundes­staat das für den Betrieb seiner Kraftwerke benötigte Erdöl über den Pazifik importieren muss. Dies führte dazu, dass erneuerbare Energie­quellen wie Windkraft und Photovoltaik in Hawaii früher als an anderen Standorten wirtschaftlich wurden. Auch die Legislative des Bundes­staates Hawaii hat voraus­schauend gehandelt und 2001 den ersten «Renewable Portfolio Standard» der Vereinigten Staaten verabschiedet. Dieser schreibt bis 2045 eine hundert­prozentige Strom­erzeu­gung aus erneuerbaren Energien vor.

Das Stromnetz Hawaiis besteht aus mehreren separaten Stromsystemen, denn jede Insel verfügt über ein eigenes Netz. Die Kosten für die Verbindung der Inseln über Hunderte von Kilometern mit Unterwasserkabeln wären nämlich zu hoch. Jede Insel steht deshalb vor eigenen Herausforderungen, vom bergigen Vulkangebiet der «Big Island» (Hawaii) bis zur höheren Bevölkerungsdichte auf Oahu, wo sich die Hauptstadt Honolulu befindet. Allen gemeinsam ist jedoch die Herausforderung, dass sie ein Labor sind, in dem eine 100% erneuerbare Stromversorgung erforscht wird. Die zentrale Frage: die Erfindung eines neuen Paradigmas für die Stabilität von Energiesystemen.

Traditionell wurden Strom­ver­sorgungs­systeme von grossen Synchron­generatoren gespeist. Auf den Eigenschaften dieser rotierenden Maschinen basierte das Stabilitäts­paradigma des Stromnetzes. Synchron­generatoren, wie sie in Erdgas-, Kohle- und Kern­kraft­werken zum Einsatz kommen, sind für die Erzeugung von Wechselstrom (AC) ausgelegt, der dann über grosse Entfer­nungen transportiert wird. Erneuerbare Energie­quellen wie Windkraft, Solarenergie und Batteriespeicher sind für die Erzeugung von Gleichstrom (DC) ausgelegt und verändern das Stabilitäts­paradigma des Stromnetzes. Diese Stromquellen sind über Wechselrichter mit dem Wechsel­strom­netz verbunden. Diese Umwandlung hat weit­reichende Aus­wir­kungen auf Energieversorger, die die Strom­ver­sorgung aufrechterhalten wollen.

Die dezentrale Einspeisung nimmt zu

Auf den drei grössten Inseln (Oahu, Maui und Hawaii) bezieht Hawaii derzeit 30% bis 60% seines Stroms aus erneuerbaren Energie­quellen. Dies sind nicht nur Wind und Sonne, sondern auch Biomasse und Geothermie. Etwa 20% des gesamten Stroms werden aus dezentralen Energie­quellen (Distributed Energy Resources, DERs) bezogen, hauptsächlich aus Solaranlagen auf Dächern. Diese Anlagen sind seit Jahren bei Hausbesitzern beliebt, aber ihr Wachstum wurde in den letzten Jahren aufgrund neuer Anforderungen an die Netzanbindung gebremst, denn sie haben die Betriebsweise der Verteilsysteme der Hawaiian Electric Company erheblich verändert. Früher war die Strom­erzeu­gung über grosse Kraftwerke (im MW-Bereich) an Hoch­spannungs­netze angeschlossen, statt in kleineren Mengen (im kW-Bereich) an Nieder­spannungs­netze in Kundennähe. Das EVU hat deshalb weniger Transparenz und Kontrolle über diese dezentralen Erzeugungs­ressourcen, was die Aufgabe, Strom­erzeu­gung und -nachfrage stets aufeinander abzustimmen, erschwert. Hawaiian Electric schätzt, dass allein auf Oahu über 78’000 PV-Anlagen installiert sind, wobei 43% der Ein­familien­häuser über eine Solaranlage auf dem Dach verfügen.

Für eine zuverlässige Stromversorgung müssen Energiesysteme so ausgelegt sein, dass sie unerwarteten Ereignissen wie Geräteausfälle und Wetter­bedingungen standhalten. Daher ist der Umgang mit potenziellen Notfällen ein wichtiger Aspekt der Planung und des Betriebs eines Strom­ver­sorgungs­systems. Um dies in grossem Massstab zu erreichen, müssen wichtige System­messwerte, wie Frequenz und Spannung, in relativ engen Bereichen gehalten werden. Wenn sie diese Bereiche verlassen, werden Schutz­vor­rich­tungen aktiviert, um einzelne Geräte zu schützen oder die Ausbreitung von Problemen zu verhindern.

Neue Wege zur Netzstabilität

Die Frequenz in Wechselstrom­systemen fungiert als Signal, das widerspiegelt, wie gut der Netzbetreiber die Erzeugung und Last ausgleicht. Bei zu hoher Strom­erzeu­gung steigt die Frequenz, bei zu hoher Nachfrage sinkt sie. Grossflächige Schutz­systeme nutzen dieses Frequenz­signal, um zu entscheiden, wann Probleme verhindert werden müssen. Wenn die Frequenz zu schnell sinkt, schaltet das System bestimmte Lasten ab, um die Synchro­nisation der Generatoren im System zu schützen und einen Ausfall des gesamten Netzes zu verhindern. Eine physi­kalische Eigen­schaft von Synchron­generatoren, die einen Frequenz­abfall verhindert, ist die Trägheit des Rotors. Dieser kann über 100 t wiegen und liefert daher viel Energie, um zum Stillstand zu kommen.

Da weltweit immer mehr wechsel­richter­basierte Generatoren in Betrieb genommen werden, um fossil betriebene Synchron­generatoren zu ersetzen, haben Bedenken zum Rückgang der Trägheit zur Unterstützung der Netzstabilität zu verstärkten Forschungsanstrengungen und Investitionen geführt. Der Grund: Fast alle bisher in grossen Stromnetzen installierten Wechselrichter haben eine sogenannte netzfolgende Regelung. Diese Art von Regler nutzt Messungen vom Netzanschlusspunkt, um das Verhalten des Netzes zu ermitteln und dieses nachzuahmen. Netzfolgende Generatoren erzeugen im Gegensatz zu Synchron­generatoren nicht selbstständig eine sinusförmige Wechsel­spannung. Die netzfolgende Regelung ist bei relativ geringen momentanen Leistungen der Wechsel­richter­generatoren eine praktikable Strategie, aber ein grosses Stromnetz könnte nicht nur mit netzfolgenden Wechsel­richtern betrieben werden, da es kein Signal gäbe, dem sie folgen könnten. Die Grenzen für die Anzahl der netzfolgenden Geräte, die ein System gleichzeitig aufnehmen kann, variieren je nach System und Erzeugungsmix. Als nützlicher Richtwert gilt jedoch, dass das Stromnetz derzeit zu jedem Zeitpunkt bis zu 75% der Erzeugung aus solchen Wechselrichtern zulässt.

Die Insel Maui ist ein interessantes Fallbeispiel, da dort bereits mehr als 95% der Wechselrichter netzfolgend betrieben werden. Wie funktioniert das? Indem die Teile des Synchron­generators, die zur Unterstützung des Netzes beitragen können (der Generator), vom fossil betriebenen Antrieb abgekoppelt werden. Durch den Einbau einer Kupplung können diese Kraftwerke einerseits bei Bedarf mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Andererseits, wenn erneuerbare Energien im Überfluss vorhanden sind, wird der Synchron­generator im Wesentlichen in einen sehr grossen Motor umgewandelt. Dieser kann Wirkleistung aus dem Netz aufnehmen und in Blindleistung umwandeln, um die Spannung zu stützen und das Netz zusätzlich durch Trägheit zu stabilisieren. Die Umrüstung ausgemus­terter fossiler Kraftwerke auf Synchron­generatoren ist eine der kostengünstigsten Massnahmen der Netzbetreiber weltweit, um die Stabilität des Stromnetzes der Zukunft zu gewährleisten.

Netzbildende Wechselrichter als Lösung

Eine weitere vielver­sprechende Lösung zur Erhöhung der Stabilität wird auf der kleineren Insel Kauai demonstriert, die etwa 70’000 Einwohner und 30’000 Touristen beherbergt. Hier ist ein Hybrid­kraft­werk, bestehend aus einer 13-MW-Solaranlage und 52-MWh-Batterien, mit einer neuen, netzbildenden Steuerungs­software für die Wechsel­richter ausgestattet. Die Anlage wird derzeit einem Stresstest unterzogen, wenn andere Generatoren ausfallen. Netzbildende Wechsel­richter nutzen fort­schritt­liche Regel­algorithmen und schnelle Leistungs­elektronik, um einen Teil der Spannungs- und Frequenz­unter­stützung zu liefern, die traditionell von Synchron­generatoren bereitgestellt wird. Entscheidend ist, dass sie unabhängig voneinander eine sinusförmige Spannungs­form bilden, sodass netzfolgende Wechselrichter ihrer Führung folgen können. Diese viel­ver­sprechende Technologie wird seit Jahrzehnten in Mikronetzen eingesetzt, aber diese kleinen Systeme ermöglichen eine direkte, schnelle Kommu­nikation, die in kontinent­grossen Stromnetzen nicht möglich ist. Für grosse Stromnetze müssen diese Wechselrichter autonom arbeiten können, um die Netzstabilität zu gewährleisten. Kauai ist derzeit eines der grössten Stromnetze, in denen diese Technologie getestet wird. Sie wird bald auch auf den anderen hawaiianischen Inseln eingeführt.

Seit zwei Jahrzehnten ist Hawaii in den USA führend beim Übergang zu nach­haltigeren Strom­systemen. Die Erfahrungen mit diesen relativ kleinen Netzen haben bereits technische und regulatorische Entscheidungen in anderen US-Bundes­staaten und Ländern beeinflusst. Diese paradiesische Inselgruppe ist auf diese Weise ein Labor, um die Welt zu 100% erneuerbaren Stromsystemen zu führen.

Literatur

• Hawaiian Electric’s Integrated Grid Plan, Mai 2023.
  
  
• Rick Wallace Kenyon et al., «Stability and control of power systems with high penetrations of inverter-based ­resources: An accessible review of current knowledge and open questions», Solar Energy, 2020.
  
  
• Benjamin Kroposki, Andy Hoke, «A Path to 100 Percent Renewable Energy: Grid-Forming Inverters will Give Us the Grid We Need Now», IEEE Spectrum, May 2024.