Kann ein BESS die Stabilität von Inselstromnetzen verbessern?

Grundlagen von BESS für die Stabilität von Inselnetzen

Warum Inselnetze anfällig sind: Fehlende Netzträgheit und eingeschränkte Fehlerdurchfahrtsfähigkeit

Netzunabhängige Systeme verfügen nicht über die gleiche Art von Rotations-Trägheit wie die großen rotierenden Generatoren, die in herkömmlichen Stromnetzen eingesetzt werden. Diese Trägheit wirkt wie ein Stoßdämpfer für das System und trägt dazu bei, die Stabilität zu bewahren, wenn es plötzlich zu Laständerungen kommt oder die Erzeugung unerwartet ausfällt. Fehlt dieser natürliche Puffer, können kleine Störungen rasch außer Kontrolle geraten und zu gefährlich schnellen Schwankungen der Netzfrequenz führen. Hinzu kommt, dass viele Inselnetz-Anlagen mit der sogenannten Fehlerdurchfahrt-Fähigkeit („fault ride through“) Probleme haben. Die gängigen Sicherheitsprotokolle schalten bei Spannungseinbrüchen oder kurzfristigen Frequenzschwankungen oft Wechselrichter ab oder trennen bestimmte Verbraucher vom Netz, anstatt den Betrieb so gut wie möglich aufrechtzuerhalten. Dies stellt insbesondere in abgelegenen Gebieten ein erhebliches Problem dar, wo keine alternativen Energiequellen in der Nähe verfügbar sind. Folglich verwandeln sich diese kleinen Störungen häufig in vollständige Stromausfälle. Aufgrund all dieser inhärenten Schwächen müssen bereits von Beginn an spezielle Stabilisierungsmaßnahmen eingebaut werden, um sicherzustellen, dass netzunabhängige Anlagen langfristig sowohl zuverlässig als auch robust bleiben.

Kernfähigkeiten des BESS: Schnelle Reaktionszeit, bidirektionaler Energiefluss und zeitliche Verschiebung der Energie

BESS-Systeme lösen diese Probleme auf drei wesentliche Weisen, die tatsächlich einen entscheidenden Unterschied machen. Das Erste, was besonders hervorsticht, ist ihre Reaktionsgeschwindigkeit: In den meisten Fällen erfolgen Reaktionen innerhalb von weniger als 100 Millisekunden. Diese Geschwindigkeit ermöglicht es ihnen, sofort Leistung einzuspeisen oder abzuziehen, sobald die Netzfrequenz von ihrem Sollwert abweicht, und so eine potenzielle Systeminstabilität zu verhindern, bevor sie außer Kontrolle gerät. Ein weiteres zentrales Merkmal ist ihre bidirektionale Leistungsübertragungsfähigkeit. Das bedeutet, dass der Wechsel zwischen Laden und Entladen nahtlos in Echtzeit erfolgt – eine Funktion, die dabei hilft, Schwankungen bei erneuerbaren Energiequellen mit sich ändernden Verbraucheranforderungen auszugleichen. Schließlich besteht die Möglichkeit, überschüssige Energie von Solaranlagen oder Windkraftanlagen in Zeiten geringer Stromnachfrage zu speichern. Diese gespeicherte Energie steht dann beispielsweise während Spitzenlastzeiten oder bei fehlendem Wind und Sonnenschein zur Verfügung. Laut einer jüngsten Studie aus dem Jahr 2023 des Microgrid Institute gemeinsam mit dem NREL reduziert dieser Ansatz den Einsatz von Dieselgeneratoren in isolierten Gemeinden mit eigenen Mikronetzen um rund 30 bis 50 Prozent.

Durch BESS gestützte Frequenz- und Spannungsstabilisierung

Synthetische Trägheit und Droop-Regelung: Kompensation für Wechselrichter-dominierte Mikronetze

Mikronetze auf Basis von Wechselrichtern gewinnen insbesondere in Regionen zunehmend an Bedeutung, in denen erneuerbare Energien die netzferne Stromversorgung dominieren. Diese Systeme weisen nicht die natürliche rotatorische Trägheit auf, die herkömmliche Netze besitzen; sie sind daher besonders anfällig für plötzliche Frequenzänderungen bei einer Diskrepanz zwischen erzeugter und verbrauchter Leistung. Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) unterstützen diese Systeme, indem sie sogenannte synthetische Trägheit nachbilden. Grundlegend erkennen die Leistungselektroniken diese Frequenzänderungen – auch als RoCoF (Rate of Change of Frequency) bezeichnet – und speisen entweder sehr schnell Leistung ins System ein oder entnehmen sie diesem, wodurch die RoCoF-Rate im Vergleich zu ungesteuerten Systemen um mehr als die Hälfte reduziert wird. Ein weiteres Verfahren ist die sog. Droop-Regelung, die es verschiedenen Energiequellen ermöglicht, die Last automatisch zu teilen: Bei sinkender Frequenz geben die Batterien gespeicherte Energie ab, um das System zu stabilisieren; bei einem Überschuss an Leistung nehmen sie diese stattdessen auf. All diese Funktionen arbeiten zusammen, um das Verhalten herkömmlicher synchroner Maschinen nachzuahmen und so einen störungsfreien Betrieb auch bei plötzlichem Ausfall von Erzeugern oder Laständerungen sicherzustellen – meist ohne dass manuelle Eingriffe erforderlich wären.

Dynamische Blindleistungsunterstützung und aktive Spannungsregelung über das Batteriespeichermanagementsystem (BESS EMS)

Spannungsschwankungen stellen nach wie vor ein großes Problem für viele netzferne Systeme dar, die stark auf erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie angewiesen sind. Herkömmliche Spannungsregler sind einfach nicht dafür ausgelegt, die schnellen Schwankungen zu bewältigen, mit denen diese Systeme konfrontiert werden. Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) in Kombination mit fortschrittlichen Energiemanagementsystemen (EMS) lösen dieses Problem effektiv. Diese Systeme liefern eine dynamische Blindleistungsunterstützung, die unabhängig vom normalen Leistungsfluss funktioniert. Das EMS überwacht kontinuierlich den Zustand des Netzes und kann bei Problemen wie Spannungseinbrüchen, -spitzen oder ungewöhnlichen Wellenformen nahezu augenblicklich kapazitive oder induktive Blindleistungsanteile (VARs) bereitstellen. Bei plötzlichen Einbrüchen der Solarenergieerzeugung oder starken Windböen puffert das System Blindleistung. Zudem filtert es unerwünschte Oberschwingungen heraus und passt sich automatisch an, um die Spannung innerhalb von etwa 2 % des Sollwerts stabil zu halten – ohne dass Notdieselgeneratoren hochgefahren werden müssen. Laut Berichten des IEEE PES Microgrid Committee reduzieren diese Funktionen spannungsbedingte Stromausfälle um rund 70 %. Außerdem verlängert die Stabilisierung der Versorgungsparameter die Lebensdauer empfindlicher Geräte, da sie nicht durch ständige Schwankungen überlastet werden.

Betriebliche Resilienz: Von Peak Shaving bis zum Black Start

Lastausgleich und Vermeidung von Dieselgeneratoren durch intelligente BESS-Steuerung

Wenn die Erzeugung erneuerbarer Energien schwankt und der Strombedarf unvorhersehbar fluktuiert, entstehen für netzunabhängige Systeme echte Probleme – insbesondere für solche, die nach wie vor stark auf Dieselgeneratoren als Notstromversorgung angewiesen sind. Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) lösen diese Probleme mithilfe intelligenter Algorithmen, die vorhersagen können, wann Strom gespeichert oder abgegeben werden soll. Dadurch lassen sich diese starken Lastschwankungen um rund 60 bis sogar 80 Prozent gegenüber dem Betrieb ohne BESS glätten. Diese Systeme speichern überschüssigen Strom von Solaranlagen oder Windkraftanlagen, wenn ein Überangebot besteht, und geben ihn wieder ins Netz ab, sobald die Nachfrage stark ansteigt. Dadurch müssen Unternehmen ihre teuren Dieselgeneratoren nicht mehr ständig laufen lassen, um stabile Spannungs- und Leistungsverhältnisse aufrechtzuerhalten. Ein Bergbauunternehmen verzeichnete nach der Installation eines BESS einen jährlichen Rückgang der Kraftstoffkosten um etwa 700.000 US-Dollar und reduzierte die Laufzeit seiner Dieselmotoren auf lediglich 8 % der ursprünglichen Betriebszeit – und das bei gleichbleibend reibungslosem Ablauf aller wesentlichen Betriebsprozesse. Die Möglichkeit, den Energieverbrauch in Echtzeit zu überwachen und die Betriebspläne entsprechend anzupassen, führt zudem dazu, dass Generatoren nicht mehr so häufig ein- und ausgeschaltet werden müssen; dies verlängert tatsächlich ihre Lebensdauer und stellt sicher, dass im Falle einer Störung ausreichend Notstromreserve für längere Zeit zur Verfügung steht.

Schwarzstartfähigkeit: Wiederherstellung kritischer netzunabhängiger Infrastruktur ohne externe Hilfe

Netzunabhängige Systeme können manchmal vollständig ausfallen; Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) bieten jedoch eine besondere Funktion namens autonome Schwarzstartfähigkeit. Diese Systeme können die Stromversorgung wichtiger Infrastruktur vollständig eigenständig wiederherstellen – ohne Hilfe vom externen Netz oder manuelles Starten von Generatoren. Traditionelle Dieselaggregate erfordern zahlreiche Schritte wie Kraftstoffvorfüllung, Motorenanlassen und eine exakte Synchronisierung aller Komponenten. BESS umgehen diesen gesamten Aufwand und stellen nahezu sofort eine stabile Spannung und Frequenz bereit, wodurch Mikronetz-Steuerungen neu gestartet und prioritäre Lasten schrittweise wieder in Betrieb genommen werden können. Ein konkretes Beispiel aus der Praxis: Ein Krankenhaus abseits größerer Städte erlebte nach einem Totalausfall innerhalb von nur 28 Sekunden die Wiederinbetriebnahme der Operationsbeleuchtung und lebenserhaltender Systeme durch das BESS. Wie funktioniert das? Der Prozess beginnt mit der Wiederherstellung der Steuerkommunikation, gefolgt vom Hochfahren sogenannter wesentlicher Lasten (üblicherweise weniger als 10 % der Gesamtkapazität). Abschließend werden lokale Erzeugungsanlagen wieder aktiviert. Neuere BESS-Modelle verfügen über Funktionen wie vorgeladene Schaltkreise, integrierte Inselbetriebs-Erkennung sowie robuste Firmware, die auch bei tiefentladenen Zuständen hohe Zuverlässigkeit gewährleisten. All diese Verbesserungen reduzieren die Abhängigkeit von Kraftstofflieferungen und verkürzen die Neustartzeiten drastisch – von mehreren Stunden auf maximal etwa zwei Minuten.

FAQ-Bereich

Was ist BESS?

Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) sind Technologien, die Energie für eine spätere Nutzung speichern und dabei helfen, Stromversorgungssysteme zu stabilisieren sowie Nachfrage und Erzeugung auszugleichen.

Warum sind Inselnetzsysteme anfällig?

Inselnetzsysteme weisen keine Netzinertie auf und haben häufig Schwierigkeiten mit der Fähigkeit zum Durchlauf bei Störungen (fault ride-through), was zu häufigen Spannungs- und Frequenzschwankungen sowie zu Stromausfällen führt.

Wie trägt BESS zur Stabilisierung von Inselnetzsystemen bei?

BESS bietet eine schnelle Reaktionsfähigkeit, bidirektionalen Leistungsfluss und zeitliche Verschiebung der Energienutzung (energy time-shifting), wodurch Frequenz und Spannung stabilisiert sowie die Abhängigkeit von Dieselgeneratoren verringert werden.

Was ist die Black-Start-Fähigkeit?

Die Black-Start-Fähigkeit bezeichnet die Fähigkeit von BESS, autonom – ohne externe Unterstützung – die Stromversorgung kritischer Infrastruktur in Inselnetzen wiederherzustellen.