Die nächste Generation von Photovoltaikanlagen und Batteriespeichern werden zu einem der wichtigsten Bausteine der Energiewende, wegen einer heute noch wenig bekannten Technologie: netzbildende Wechselrichter. Mit diesem Technologiefortschritt können Erneuerbare Energien-Anlagen künftig Aufgaben übernehmen, die bisher vor allem fossile Kraftwerke erfüllen. Das hat die Fachwelt erkannt und auch die Politik. Denn netzbildende Wechselrichter sind einer der zentralen Bausteine der Roadmap Systemstabilität. Eine Schritt-für-Schritt-Einführung ist fest in die Systemstabilitätsstrategie Deutschlands eingeplant. Warum netzbildende Wechselrichter für das Stromsystem der Zukunft so entscheidend sind und was genau hinter der Technologie steckt, erklären wir in diesem Beitrag.

Was ist ein netzbildender Wechselrichter?

Anders als klassische netzfolgende Wechselrichter können sie selbst aktiv die Netzfrequenz stützen, wenn Fehler oder Störungen im Netz auftreten. Sie sichern ein stabiles Stromnetz ab, auch wenn das Stromsystem vollständig ohne Altkraftwerke läuft. Die modernen Wechselrichter bilden im wahrsten Sinne des Wortes die Netzfrequenz, worauf sich die klassischen netzfolgenden Wechselrichtern synchronisieren. Sie werden der Taktgeber. Kurzum: Sie ersetzen die elektrischen Eigenschaften großer Kraftwerke mit ihren rotierenden Turbinen.

Es ist essenziell wichtig, im Netz Spannung und Frequenz stabil zu halten. Netzbildende Wechselrichter reagieren in Sekundenbruchteilen auf Schwankungen und verhindern Stromausfälle. Sie können gemeinsam insbesondere mit Batteriespeichern wichtige weitere Netzfunktionen wie Momentanreserve oder sogar den Schwarzstart und den Netzwiederaufbau nach einem Stromausfall übernehmen. Damit lösen sie die netzstabilisierenden Aufgaben fossiler Kraftwerke ab und ermöglichen ein sicheres Stromsystem auf Basis erneuerbarer Energien.

Das Multi-Megawatt Lab am Fraunhofer ISE in Freiburg (Quelle: Frauenhofer ISE).

Wie funktioniert ein netzbildender Wechselrichter?

Ein netzbildender Wechselrichter arbeitet nicht nur mit dem Stromnetz, sondern stabilisiert es aktiv. Anders als klassische netzfolgende Wechselrichter passt er sich nicht an bestehende Spannung und Frequenz an, sondern erzeugt und steuert diese selbst. Der Wechselrichter prägt aktiv eine eigene Spannungsamplitude und Frequenz in das Netz ein, wie eine Synchronmaschine. Auch bei kurzfristigen Netzfehlern oder Spannungseinbrüchen bleibt der Wechselrichter stabil am Netz. Bei Frequenz- oder Spannungseinbrüchen im Millisekundenbereich reagiert der Wechselrichter physikalisch bedingt mit der sofortigen Bereitstellung von Momentanreserve und Blindleistung, stabilisiert das System autark und ist in der Lage, völlig eigenständig ein Inselnetz aufzubauen oder einen Schwarzstart durchzuführen. Dadurch wird er zu einem zentralen Baustein für ein widerstandsfähiges Stromsystem auf Basis erneuerbarer Energien.

Schaubild über die Funktionsweise eines netzbildenden Wechselrichters (Quelle: Eigene Darstellung).

Warum ein stabiles und leistungsfähiges Stromnetz für die Energiewende insgesamt unverzichtbar ist und vor welchen Herausforderungen der Netzausbau steht, erläutern wir ausführlich in unserem Faktenpapier Stromnetze.

Warum brauchen wir in Deutschland netzbildende Wechselrichter?

Deutschland braucht netzbildende Wechselrichter, weil sie zur Grundlage eines stabilen Stromsystems mit erneuerbaren Energien werden. Traditionell übernahmen große Kraftwerke eine Aufgabe: Ihre rotierenden Turbinen generierten „Drehstrom“ (dreiphasigen Wechselstrom) und damit die Frequenz im Netz, in Europa 50 Hertz. Durch die physische Trägheit der Großkraftwerke halten sie diese Frequenz stabil und mit ihren elektrotechnischen Eigenschaften können sie die Spannung beeinflussen. Diese Turbinen liefern auch Blindleistung, die zur Steuerung des Stromtransports im Netz nötig ist und sogenannte Kurzschlussleistung, die zu sicheren Auslösen von Sicherungen im Fehlerfall nötig ist. Weil das Stromsystem ohne Großkraftwerksturbinen laufen muss, müssen Wechselrichter mit netzbildenden Eigenschaften all diese Funktionen übernehmen. Bisherige Wechselrichter von PV-Anlagen sind meist im netzfolgenden Betrieb. Sie haben sich auf den Takt der Großkraftwerke synchronisiert. Nun braucht es einen neuen Taktgeber für die Netzfrequenz.  

Netzbildende Wechselrichter machen genau dies. Sie stellen Spannung und Frequenz selbstständig bereit und wirken damit elektrotechnisch wie Spannungsquelle. So stabilisieren sie das Stromnetz auch dann, wenn Sonne und Wind schwanken, oder wenn im Netz Fehler wie zum Beispiel Kurzschlüsse auftreten. Auch die bisherigen netzfolgenden Wechselrichter können sich auf den neuen Systemtaktgeber synchronisieren. Solange noch Altkraftwerke laufen, gibt es bei der Systemstabilität einen Parallelbetrieb. In einem vollständig erneuerbaren Stromsystem werden netzbildende Wechselrichter zum Anker der Systemstabilität. Sie werden zu einer zentralen Voraussetzung für Versorgungssicherheit.

Bernhard Strohmayer (Leiter erneuerbare Energien, bne) über netzbildende Wechselrichter.

Ausblick

Netzbildende Wechselrichter sind damit weit mehr als eine technische Weiterentwicklung bestehender Wechselrichter. Sie bilden die Grundlage dafür, dass erneuerbare Energien künftig selbst Verantwortung für die Stabilität des Stromsystems übernehmen können. Die Technologie gilt als einer der wichtigsten Bausteine auf dem Weg zu einem klimaneutralen Stromsystem und ist bereits fest in den Planungen der Bundesregierung zur zukünftigen Systemstabilität verankert.

Doch wie weit ist die Technologie tatsächlich? Wo kommen netzbildende Wechselrichter heute bereits zum Einsatz und wann werden sie flächendeckend Teil des Stromsystems? Welche Anforderungen kommen auf Netzbetreiber zu und welche Rolle spielen Förderinstrumente wie die Innovationsausschreibung bei der Markteinführung?

Diesen Fragen widmen wir uns im zweiten Teil unserer Serie zu netzbildenden Wechselrichtern. Bald auf SonneSammeln verfügbar.