Constantinos Sourkounis (links) und Tim Tölle können die Einbindung eines Windparks in das umgebende Stromnetz unter verschiedenen Bedingungen testen.
Das Smart Windpark Laboratory mit 15 Prüfständen ist in Europa einzigartig.
Im Versuch können die Forschenden auch kritische Szenarien einspielen und ausprobieren, wie das eigene Netz darauf reagiert. So lassen sich Fehler reproduzieren, die Gründe für Ausfälle herausfinden und neue Strategien entwickeln, die Instabilitäten vermeiden.
Im Gespräch
Lückenlose Stromversorgung
Der Strom aus Wind und Sonne weist starke Schwankungen auf. Sie auszugleichen und elektrische Energie je nach Bedarf bereitzustellen, ist die Herausforderung der Zukunft.
Strom soll am liebsten immer nach Bedarf verfügbar sein. Erneuerbare Quellen wie Sonne oder Wind geben das aber nicht her. Wie kann man Lücken überbrücken? Damit befasst sich das Team des Lehrstuhls Energiesystemtechnik und Leistungsmechatronik der Ruhr-Universität Bochum. Im Interview erläutern Prof. Dr. Constantinos Sourkounis und Tim Tölle, wissenschaftlicher Mitarbeiter, wie man es schafft, den Strom aus erneuerbaren Quellen durch den Einsatz von Batteriespeichern bedarfsgerecht zu liefern und diese Speicher gleichzeitig so miteinander kommunizieren zu lassen, dass die Stabilität des Stromnetzes gewährleistet wird.
Herr Sourkounis, wir wollen irgendwann nur noch erneuerbare Energien für unsere Stromversorgung nutzen. Was ist daran ein Problem?
Constantinos Sourkounis: Unsere Stromversorgung basiert auf abrufbarer Energie: Sie stecken den Stecker in die Dose und der Strom ist da, zu 100 Prozent rund um die Uhr. Schwankungen in Spannung und Frequenz werden sehr gering gehalten, denn nur so bleibt das Stromnetz stabil.
Mit dem wachsenden Anteil an erneuerbaren Energiequellen wachsen aber auch die Schwankungen: Der Wind weht nicht immer gleichmäßig, beziehungswese nicht nach Bedarf. Die Sonne scheint auch nicht immer, wenn wir Energie brauchen. Momentan fangen wir solche Schwankungen mit Gaskraftwerken auf, die ständig im Stand-by-Betrieb sind und bei Bedarf hochfahren. Aber das ist nicht mehr up to date, das kann nicht so bleiben.
Warum nicht?
Sourkounis: Dafür gibt es zwei Gründe: Zum einen müssen wir seit Beginn des Ukraine-Kriegs Flüssiggas aus den USA importieren, um die Gaskraftwerke zu betreiben. Das ist keine umweltfreundliche Lösung. Wir wollen ja den CO2-Ausstoß reduzieren. Zum anderen erzeugen wir unterm Strich genug regenerativen Strom. Wir haben ihn nur nicht dann, wenn wir ihn brauchen. Zu bestimmten Zeiten erzeugen wir so viel Solar- und Windstrom, dass wir ihn zu negativen Preisen an Nachbarländer verkaufen müssen. Das heißt, wir geben den Abnehmern Geld dafür, dass sie unseren Strom nutzen. Dafür zahlen wir letztlich alle.
Tim Tölle und Constantios Sourkounis in der Versuchshalle des Smart Windpark Laboratory
Wie lässt sich das Problem lösen?
Sourkounis: Wir brauchen zweierlei: Stromspeicher und die Flexibilität der Verbraucher. Mit Flexibilität ist gemeint, dass zum Beispiel Großverbraucher in der Industrie ihre Lastspitzen verschieben. Da kann es manchmal schon genügen, einen Produktionsprozess eine Stunde später zu starten, um eine Überlastung des Stromnetzes zu vermeiden. Flexibilität werden aber künftig auch Haushalte leisten müssen. Weil es eine Überlastung bedeuten kann, wenn in einer Nachbarschaft alle um 17 Uhr nach Hause kommen und dann sofort ihr E-Auto voll aufladen wollen.
Müssen wir künftig also mitdenken und Ladeprozesse oder Haushaltsgeräte so programmieren, dass sie nachts ablaufen?
Sourkounis: Dafür muss man gar nicht selbst mitdenken, da gibt es technische Lösungen, Smartmeter, die die Geräte im ganzen Haus steuern können. Wir brauchen aber Anreize für die Verbraucher, sie auch zu nutzen. Das geht über dynamische Stromtarife. Im Prinzip bedeutet das, dass der Strompreis von Angebot und Nachfrage abhängig schwankt, und es günstiger ist, dann Strom abzunehmen, wenn wenig Nachfrage und viel Angebot auf dem Markt sind.
Tim Tölle: Diese Tarife gibt es auch heute schon. Nur lohnen sie sich finanziell oft noch nicht für alle Endverbraucher, je nach individuellem Verbrauch. Das wird sich in Zukunft sicherlich ändern.
Die zweite Voraussetzung für stabile Stromnetze sind Speicher. Welche Möglichkeiten der Speicherung gibt es?
Sourkounis: Bewährte Speichermethoden sind zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerke, die etwa in Norwegen oder in der Schweiz sehr häufig sind. Norwegen kann unsere Stromüberproduktion in solchen Pumpspeicherkraftwerken aufnehmen. Dabei wird Wasser mit überschüssiger Energie aus einem Tal in ein Becken in großer Höhe gepumpt. Bei Energiebedarf lässt man es wieder nach unten fließen, wobei es Turbinen antreibt und dabei Strom erzeugt. Leider verfügen wir hier in Deutschland nicht im selben Maße über die geografischen Voraussetzungen dafür, und die wenigen Orte, die sich anbieten würden, können oft nicht genutzt werden, weil bürokratische Hürden im Wege stehen. Es wird daher auf Batteriespeicher gesetzt. Das ist auch eine bewährte und wirtschaftliche Möglichkeit. Die vier großen Netzbetreiber in Deutschland bauen die Batteriespeicherkapazitäten gerade massiv auf. Aber viele Probleme, die damit einhergehen, sind noch ungelöst.
Welche Schwierigkeiten gibt es denn da?
Tölle: Über das Stromnetz stehen Tausende Speicher in ganz Europa miteinander in Verbindung, und die müssen untereinander koordiniert werden. Sonst kommt es zu Interaktionen, Schwingungen, unerwünschten Erscheinungen im Stromnetz, die zu Instabilitäten führen können. Diese Regelung ist sehr kompliziert – das ist etwas ganz anderes als früher. Da waren zum Beispiel Dampfturbinen im Einsatz, die synchron mit dem Netz verbunden waren, wodurch ein direkter physikalischer Zusammenhang zwischen Leistung und Frequenz im Netz entstand. Dadurch haben diese Kraftwerke automatisch aufgrund physikalischer Zusammenhänge einen stabilisierenden Effekt auf das Netz gehabt. Speicher und erneuerbare Energiesysteme können das auch, wir müssen es ihnen nur über eine intelligente Regelung beibringen.
Simulationen sind ohne eine Überprüfung durch experimentelle Prüfstandsuntersuchungen nicht verlässlich.
An Ihrem Lehrstuhl laufen einige Projekte, die diese Regelung zum Gegenstand haben. Herr Tölle, woran arbeiten Sie konkret?
Tölle: Wir entwickeln Betriebsführungskonzepte, die es den einzelnen Komponenten im Stromnetz erlauben, intelligent zusammenzuarbeiten, so dass das Netz stabilisiert wird. Zum einen simulieren wir das Stromnetz und verschiedene Gegebenheiten darin. Solche Simulationen allein sind ohne eine Überprüfung durch experimentelle Prüfstandsuntersuchungen aber nicht verlässlich. Deswegen lassen wir zum anderen Szenarien testweise ablaufen wie in der Realität. Das erlaubt uns das Smart Windpark Laboratory mit 15 Prüfständen, das in Europa einzigartig ist.
Wie läuft so ein Versuch ab? Welche Informationen haben Sie oder stellen Sie dem System zur Verfügung?
Tölle: Wir beziehen die technischen Kenngrößen der Kraftwerke und Speicher, Spannungen, Ströme, Verbrauchsdaten und zum Beispiel Wetterdaten in Versuche ein. Wir können auch kritische Szenarien einspielen, die wir von den Netzbetreibern bekommen, und ausprobieren, wie unser eigenes Netz darauf reagiert. So lassen sich Fehler reproduzieren, die Gründe für Ausfälle herausfinden und neue Strategien entwickeln, die Instabilitäten vermeiden. Dadurch können wir belegen, ob eine kritische Situation mit unserer neuen Steuerung besser ablaufen würde.
Gibt es dafür ein Beispiel?
Tölle: Im April 2025 hat es in Spanien und Portugal einen flächendeckenden Blackout gegeben. Dahinter steckte eine Kettenreaktion im Stromnetz, die zu einer kaskadenartigen Abschaltung geführt hat. Wir versuchen, genau solche Szenarien zu vermeiden, indem wir die Steuerung so auslegen, dass es dazu nicht mehr kommt.
Wie gelangen die Ergebnisse Ihrer Arbeit ins echte Netz?
Tölle: Wir arbeiten oft mit den großen Netzbetreibern zusammen; aktuell arbeiten wir im Rahmen eines Industrieprojektes von Amprion genau an diesen Themen. Wir formulieren auf Basis unserer Erkenntnisse die Anforderungen, die eine Software zur Steuerung von zum Beispiel erneuerbaren Energien und Speichern haben muss, um das Netz zu stabilisieren. Die Netzbetreiber können dann mit diesem Anforderungskatalog an die Hersteller der entsprechenden Systeme herangehen.
