Damit Wolken das Netz nicht aus dem Gleichgewicht bringen

Die Sonne scheint, der Himmel strahlt in seinem schönsten Blau, nur ein paar Quellwolken ziehen vorüber. Kurz gesagt: Es ist schönstes Sommerwetter. Für Solarstromerzeuger ist das eine gute Zeit, denn ihre Photovoltaik-Anlagen speisen kräftig ins Netz ein – bis auf die wenigen Momente, in denen sich eine der Wolken zwischen Sonne und Solarmodule schiebt.

Hinsichtlich der eingespeisten Menge ist das zu verschmerzen, denn solche sonnigen Tage gehören immer noch zu den ertragreichsten des Jahres. Doch mit der Zahl an PV-Anlagen wachsen auch Einspeisungsschwankungen, die dieses Wetter hervorruft. Und damit die Herausforderung für Netzbetreiber, mit solchen Situationen umzugehen. Deshalb finanziert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit 2,6 Millionen Euro das interdisziplinäre Forschungsprojekt NetPVStore. Darin soll unter der Leitung des Bayerischen Zentrums für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) in Würzburg ein System entwickelt werden, das diese Schwankungen abfedert.

Leistungsschwankungen belasten Infrastruktur

Der Physiker Stephan Braxmeier, stellvertretender Projektleiter am ZAE Bayern, verdeutlicht das Ausmaß des Problems: „In extremen Fällen kann die Leistung eines PV-Moduls durch eine Wolke abrupt um 80 Prozent abfallen.“

Derart rapide Leistungsschwankungen belasten wichtige Teile der Infrastruktur: Sie erhöhen den Verschleiß von Batteriespeichern und der Leistungselektronik. Im Falle von Photovoltaik sind das vor allem die Wechselrichter, die den Gleichstrom der Solarmodule in netzkompatiblen Wechselstrom umwandeln.

Wenn sie nun noch geballt auftreten, weil plötzlich Wolken Tausende Module in einer Region gleichzeitig verschatten, wird befürchtet, dass dies die Netzstabilität beeinträchtigen könnte. Bisher fallen solche Ereignisse auf Netzebene kaum ins Gewicht, weil der Anteil des Solarstroms an der Gesamterzeugung noch nicht so hoch ist. Doch angesichts der Ausbauziele könnten solche Probleme auftreten und im Extremfall zu Ausfällen führen.

Ultrakondensatoren sollen helfen

„Es gibt tatsächlich Studien, die solche Ereignisse vorhersagen“, erklärt Braxmeier – und ordnet direkt ein: „Das ist aber wirklich ein theoretisches Worst-Case-Szenario.“ In dem Forschungsprojekt, sagt der Physiker, gehe es vor allem darum, das Zusammenspiel verschiedener Energiespeicher zu optimieren.

Denn Batteriespeicher sind nicht besonders gut geeignet, solch abrupte Spannungsschwankungen zu kompensieren – nicht nur, weil sie verschleißen, sondern auch, weil sie zu langsam arbeiten. Die Energie des Stroms speichern sie nämlich letztlich als chemische Energie – und diese Umwandlung braucht Zeit.

Die einzigen Energiespeicher, die tatsächlich Strom speichern können, also ohne ihn in irgendeiner Form umzuwandeln, sind Kondensatoren. „Die Ultrakondensatoren, die wir verwenden, haben eine sehr hohe Leistungsdichte“, erklärt Braxmeier, „Sie können die elektrische Energie mindestens zehn Mal schneller speichern und wieder abgeben als aktuell verfügbare Akkus.“ Und genau darauf komme es an, wenn die drastischen Leistungsschwankungen, die durch Wolken in der PV-Stromerzeugung auftreten, kompensiert werden sollen.

Kondensatoren sind – zumindest derzeit – zwar teurer als Akkus. Doch die Investition könnte sich über den Lebenszyklus dennoch lohnen, meint Braxmeier. „Kondensatoren halten etwa zehn bis 15 Jahre und überstehen eine schier unendliche Zahl von Lade- und Entladezyklen.“ Außerdem könnten sie PV-Anlagen sogar dadurch effizienter machen, dass sie fluktuationsbedingte Einspeisungsverluste reduzieren.

Erste Ergebnisse bis Ende 2023

Die Grundidee ist also klar. Bis ein marktreifes System vorliegt, sagt Braxmeier, sei aber noch einiges zu klären: „In erster Linie müssen wir herausfinden, welche Kapazität ein Kondensator für eine bestimme PV-Leistung haben muss, damit das System die Netzverträglichkeit sinnvoll erhöht, aber auch wirtschaftlich ist.“

Um am Ende ein optimales Produkt zu liefern, müssten die Forscher aber auch scheinbar banale Dinge beachten, erklärt Braxmeier: „Welche Form und welches Material sollen die Gehäuse haben? Soll das System vor oder hinter dem Wechselrichter sitzen? Sollen sie ab Werk in die PV-Module eingebaut werden oder soll es auch nachrüstbare Kondensatorsysteme geben?“

Neben dem ZAE Bayern sind an NetPVStore das Institut für leistungselektronische Systeme ELSYS der TH Nürnberg und verschiedene Unternehmen der Branche, darunter Sunset Energietechnik, DHG Engineering, Skeleton Technologies und ÜZ Mainfranken beteiligt.

Ende 2023 soll die Laborphase abgeschlossen sein. Danach soll das System in einer Demonstrationsanlage ans Netz gehen und ein Jahr lang unter Realbedingungen getestet und bewertet werden.