Da die weltweite Kapazität an erneuerbaren Energien stark ansteigt, hat sich die netzbildende Technologie als entscheidende Voraussetzung dafür erwiesen, dass Solar- und Windenergie zu zuverlässigen Primärenergiequellen werden und nicht mehr nur eine intermittierende Ergänzung darstellen.
Die globale Energielandschaft befindet sich im größten Wandel seit einem Jahrhundert. Da die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in vielen Märkten inzwischen 30% übersteigt, stehen die Netzbetreiber weltweit vor beispiellosen Herausforderungen bei der Aufrechterhaltung der Stabilität inmitten dieses grundlegenden Wandels. Herkömmliche Stromversorgungssysteme sind auf Synchrongeneratoren angewiesen, die durch ihre Rotationsträgheit eine inhärente Stabilität bieten - eine Eigenschaft, die bei Solar- und Windparks fehlt.
Hier kommt die netzbildende (GFM) Energiespeichertechnologie ins Spiel, ein revolutionärer Ansatz, der es umrichterbasierten Ressourcen ermöglicht, die Stabilitätsfunktionen konventioneller Kraftwerke zu emulieren und sogar zu verbessern. Diese Innovation stellt nicht nur eine inkrementelle Verbesserung dar, sondern eine grundlegende Umstrukturierung der Art und Weise, wie wir elektrische Netze im Zeitalter der erneuerbaren Energien verwalten.
Die Herausforderung der Netzstabilität im Zeitalter der erneuerbaren Energien
Während sich die Welt auf die Dekarbonisierung zubewegt, sind die Stromnetze mit bisher unvorstellbaren Stressfaktoren konfrontiert. Das herkömmliche Netz, das für einen einseitigen Stromfluss aus großen zentralen Anlagen ausgelegt ist, muss nun multidirektionale Ströme aus Millionen von dezentralen Energiequellen aufnehmen. Dieser Übergang bringt drei grundlegende Herausforderungen für die Stabilität mit sich:
Spannungs- und Frequenzinstabilitäten treten auf, weil Solar- und Windkraftanlagen nicht die rotierende Masse herkömmlicher Generatoren haben, die Netzstörungen auf natürliche Weise dämpfen. Mit zunehmender Marktdurchdringung der erneuerbaren Energien melden die Netzbetreiber immer häufiger Spannungsschwankungen und Frequenzabweichungen, die zu kaskadenartigen Ausfällen führen können.
Das Phänomen des "schwachen Netzes" ist alltäglich geworden - vor allem in abgelegenen Gebieten mit hohem Potenzial an erneuerbaren Energien, aber begrenzter Netzinfrastruktur. Wenn das Kurzschlussverhältnis (SCR) des Netzes unter einen kritischen Schwellenwert (in der Regel <3) fällt, können herkömmliche Wechselrichter keinen stabilen Betrieb aufrechterhalten und zwingen erneuerbare Kraftwerke dazu, ihre Leistung zu drosseln oder ganz vom Netz zu nehmen.
Am besorgniserregendsten ist vielleicht der Rückgang der Systemträgheit. Herkömmliche Wärme- und Wasserkraftgeneratoren bieten durch ihre rotierende Masse einen inhärenten Widerstand gegen Frequenzänderungen. Mit der Stilllegung dieser Ressourcen nimmt die Trägheit des Systems ab, was bedeutet, dass Frequenzänderungen schneller auftreten, wenn sich das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Last verschiebt. Ohne Eingreifen führt dies zu inakzeptablen Zuverlässigkeitsrisiken.
Wie die netzbildende Technologie die Netzstabilität neu definiert
Netzbildende Wechselrichter unterscheiden sich in ihrer Betriebsphilosophie grundlegend von herkömmlichen netzgeführten Wechselrichtern. Während netzgeführte Wechselrichter zur Synchronisierung und Einspeisung von Strom eine stabile Spannungsform benötigen, erzeugen netzbildende Wechselrichter selbstständig stabile Spannungs- und Frequenzreferenzen, denen andere Betriebsmittel folgen können.
Dieser Paradigmenwechsel ermöglicht vier entscheidende Stabilitätsfunktionen:
1. Spannungs- und Frequenzstabilisierung: GFM-Wechselrichter passen ihre Leistungsabgabe kontinuierlich an, um die nominalen Netzbedingungen aufrechtzuerhalten, und sorgen so für eine virtuelle Trägheit, die das Verhalten von rotierenden Massen nachahmt.
2. Schwarzstart-Fähigkeit: Im Gegensatz zu konventionellen erneuerbaren Energien, die einen bestehenden Netzanschluss benötigen, können GFM-Speichersysteme ein zusammengebrochenes Netz nach einem vollständigen Blackout selbstständig wieder in Betrieb nehmen.
3. Betrieb in schwachen Netzen: Moderne GFM-Wechselrichter sorgen für Stabilität in extrem schwachen Netzszenarien (SCR bis zu 1,0) und ermöglichen die Entwicklung erneuerbarer Energien in Gebieten, die bisher als ungeeignet galten.
4. Oszillationsdämpfung: Ausgefeilte Steuerungsalgorithmen in GFM-Systemen können entstehende Netzschwingungen erkennen und unterdrücken, bevor sie sich zu systemweiten Problemen ausweiten.
*Tabelle 1: Vergleich von Grid-Following- und Grid-Forming-Technologien*
| Fähigkeit | Netzgeführte Wechselrichter | Netzbildende Wechselrichter |
| Synchronisierung | Erfordert vorhandene Spannungswellenform | Erzeugt selbstständig eine Spannungswellenform |
| Schwacher Netzbetrieb | Begrenzt (typischerweise SCR>3) | Ausgezeichnet (SCR bis zu 1,0) |
| Frequenzunterstützung | Begrenzte Reaktion | Aktive Trägheitsemulation |
| Schwarzstartfähigkeit | Nein | Ja |
| Störungsbeseitigung | Grundlegende Übereinstimmung | Verbessert mit Stromverstärkung |
| Stabilisierung des Netzes | Begrenzt | Aktive Spannungs-/Frequenzregelung |
Branchenführerschaft: Huawei's Full-Scenario-Grid-Forming-Lösungen
Branchenpioniere haben erkannt, dass zur Bewältigung der Herausforderung der Netzstabilität Lösungen erforderlich sind, die alle Ebenen des Elektrizitätsökosystems umfassen. Huawei Digital Power hat sich mit seiner intelligenten, netzbildenden Energiespeicherlösung FusionSolar 9.0 als Vordenker erwiesen und stellt eine der umfassendsten Implementierungen der GFM-Technologie dar, die in großem Maßstab eingesetzt wird.
Diese Lösung bietet drei bahnbrechende Fortschritte im Vergleich zu Systemen früherer Generationen:
Echte Grid-Forming-Fähigkeiten über alle Szenarien hinweg
Das System bietet sechs Kernfunktionen für die Netzbildung: Unterstützung des Kurzschlussstroms, Unterstützung der virtuellen Trägheit, Unterdrückung von Breitbandschwingungen, schnelles Ansprechen auf die Primärfrequenz, Schwarzstart auf Minutenebene und nahtloses Ein- und Ausschalten des Netzes. Diese umfassenden Fähigkeiten gewährleisten Stabilität über alle Erzeugungs-, Übertragungs-, Verteilungs- und Verbrauchsszenarien hinweg - ein bedeutender Fortschritt gegenüber früheren Ansätzen, die nur auf ein Szenario ausgerichtet waren.
Durchgängige digitale Intelligenz
Die Implementierung von Huawei umfasst die branchenweit erste "End-Edge-Cloud"-Kollaborationsarchitektur für Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien (FusionSolar Agent). Dieses System ermöglicht ein intelligentes Management über den gesamten Lebenszyklus, von der Planung bis zum Betrieb, und sorgt für messbare Verbesserungen bei der Konstruktionsgenauigkeit (40% weniger Fehler), der Betriebseffizienz (50% Verbesserung der Wartungseffizienz) und der finanziellen Rendite (10%+ Umsatzsteigerung)..
Mehrschichtige Sicherheitsarchitektur
Da die Sicherheit die Grundlage für den gesamten Netzbetrieb darstellt, implementiert die Lösung fünf Schutzschichten, die Zellen, Batteriepacks, Cluster, Containersysteme und Netzschnittstellen umfassen. Dieser umfassende Ansatz umfasst das wohl strengste Testprotokoll der Branche - einschließlich extremer Verbrennungstests, die von unabhängigen Dritten validiert wurden und bei denen die Systeme trotz absichtlicher thermischer Durchbrüche in einzelnen Komponenten sicher weiterliefen..
Validierung in der realen Welt: Grid-Forming-Projekte in großem Maßstab
Die theoretischen Vorteile der Grid-Forming-Technologie haben sich in Pionierprojekten auf der ganzen Welt bestätigt, die greifbare Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit bieten:
Tibet Ali 30MW PV + 6MW/24MWh netzbildendes Speicherprojekt
In der hochgelegenen, extrem kalten Umgebung Tibets hat ein netzbildendes Speichersystem eine stabile PV-Leistung von 12 MW ermöglicht, wo zuvor nur 1,5 MW zuverlässig integriert werden konnten.. Das Projekt zeigt, dass 1 MWh netzbildender Speicher unter schwachen Netzbedingungen etwa 1,75 MW an zusätzlicher PV-Kapazität freisetzen kann - eine entscheidende Kennzahl für Planer, die Investitionen in Speicheranlagen bewerten.
Philippinen MTerra Solar-Megaprojekt
Diese massive Infrastrukturinitiative kombiniert 3,5 GW PV mit 4,5 GWh netzbildender Speicherung - eine der größten Integrationen dieser Art weltweit. Nach seiner Fertigstellung wird es etwa 2,4 Millionen Haushalte mit Strom versorgen und gleichzeitig die Kohlendioxidemissionen um über 4,3 Millionen Tonnen jährlich reduzieren. Die erste Phase des Projekts ist bereits zu mehr als der Hälfte abgeschlossen, was die Skalierbarkeit der derzeitigen netzbildenden Technologie beweist.
Globale Prüfung und Validierung
Über einzelne Projekte hinaus haben umfassende Testverfahren die Netzbildungsfähigkeiten unter verschiedenen Netzbedingungen validiert. In einer 20.000 Quadratmeter großen Testeinrichtung hat Huawei mehr als 2.300 Tests auf Systemebene durchgeführt, darunter Ride-Through bei Nieder- und Hochspannung, Anpassungsfähigkeit bei schwachen Netzen, Trägheitsverhalten und Schwarzstartfähigkeit. Diese Tests bestätigten einen stabilen Betrieb über einen noch nie dagewesenen Bereich von Netzstärken (SCR von 40 bis hinunter zu 1,0).
*Tabelle 2: Leistungskennzahlen von Grid-Forming Storage in verschiedenen Anwendungen*
| Anwendungsszenario | Wesentliche Vorteile der Gitterstrukturierung | Nachgewiesene Leistung |
| Schwache Netzintegration | Verbesserte Stabilität bei niedrigem SCR | Erhöhung der PV-Integration um 800% (von 1,5MW auf 12MW) im Projekt Tibet |
| Frequenzregelung | Virtuelle Trägheitsunterstützung | <100ms Reaktionszeit für Spannungs-/Frequenzereignisse |
| Schwarzstartfähigkeit | Selbstanlauf ohne Netzbezug | Wiederherstellung auf Minutenebene im Vergleich zu Stunden/Tagen bei herkömmlichen Systemen |
| Oszillationsunterdrückung | Aktive Dämpfungsregelung | Wirksam im Frequenzbereich von 1-1500 Hz |
| Festigung der Kapazität der erneuerbaren Energien | Steuerung der Rampengeschwindigkeit | Ermöglicht 100% erneuerbare Microgrids mit nahtloser Insellösung |
Die architektonische Verschiebung: Von der Optimierung auf Komponentenebene zur systemweiten Optimierung
Was die netzbildenden Lösungen der nächsten Generation auszeichnet, ist ihr ganzheitlicher Ansatz für die Systemarchitektur. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen, die einzelne Komponenten isoliert optimieren, verwenden Systeme wie FusionSolar 9.0 von Huawei eine komponentenübergreifende Intelligenz, die die Reaktionen der gesamten Anlage synchronisiert.
Einen besonderen Durchbruch stellt die String-Level-Architektur dar. Durch die Optimierung auf der Ebene der einzelnen Batteriestränge anstelle ganzer Container erzielen diese Systeme erhebliche Verbesserungen bei Effizienz und Zuverlässigkeit. Huawei berichtet von Verbesserungen der Entladetiefe auf 100% und einer Zykluseffizienz von 91,3% - kritische Kennzahlen für die wirtschaftliche Lebensfähigkeit.
Dieser Architekturansatz erweist sich als besonders wertvoll bei der Skalierung von Speicherbereitstellungen. Herkömmliche zentralisierte Speichersysteme stehen vor dem Problem, dass die Module nicht aufeinander abgestimmt sind und die Leistung mit der Zeit abnimmt. Der String-Level-Ansatz sorgt für eine konsistente Leistung bei Systemen, die von kleinen kommerziellen Installationen bis zu Multi-Gigawatt-Projekten reichen.
Für die Umsetzung von Energiespeicherprojekten sind Containerlösungen wie 40Ft Luftgekühlter Container ESS
bieten eine vorgefertigte Flexibilität, die die Bereitstellungszeit erheblich verkürzt und gleichzeitig die Leistung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen aufrechterhält.
FAQs: Entmystifizierung der gitterförmigen Technologie
Was unterscheidet netzbildende von netzgeführten Wechselrichtern?
Netzbildende Wechselrichter stellen selbständig Spannungs- und Frequenzreferenzen für das Netz her, während netzfolgende Wechselrichter vor ihrem Betrieb eine bestehende stabile Netzwellenform zur Synchronisation benötigen. Dieser grundlegende Unterschied ermöglicht es netzbildenden Systemen, Netze zu stabilisieren, anstatt von der vorhandenen Stabilität abhängig zu sein.
Kann die netzbildende Speicherung die traditionellen Netzstabilitätsdienste vollständig ersetzen?
In vielen Anwendungen, ja. Moderne netzbildende Systeme bieten Spannungsstabilität, Frequenzgang und Trägheit, die denen konventioneller Generatoren gleichwertig oder überlegen sind. Für die höchsten Stabilitätsanforderungen können sich hybride Systeme, die netzbildende Speicher mit herkömmlichen Ressourcen kombinieren, als optimale Lösungen erweisen.
Wie wirkt sich die netzbildende Technologie auf die Wirtschaftlichkeit von Projekten aus?
Durch die Möglichkeit einer höheren Durchdringung mit erneuerbaren Energien in schwachen Netzgebieten, die Verringerung von Stromabschaltungen und den Zugang zu Märkten für Hilfsdienste verbessert die Gridforming-Technologie die Wirtschaftlichkeit von Projekten erheblich. Branchendaten zeigen, dass die Kosten für Energieprojekte bei ordnungsgemäßer Umsetzung der Netzformung um 21,7% gesenkt werden können..
Wie sehen die Umsetzungsfristen für die netzbildende Technologie aus?
Die Fähigkeit, ein Grid zu bilden, ist in erster Linie eine softwaredefinierte Funktion, die häufig auf bereits in Produktion befindlicher Hardware eingesetzt werden kann. Im Vergleich zu Hardware-zentrierten Innovationen bedeutet dies schnelle Einführungszyklen. Größere Projekte zur Implementierung der Grid-Forming-Technologie sind bereits auf allen globalen Märkten in Betrieb.
Wie unterstützt das Grid-Forming Microgrid-Anwendungen?
Grid-Forming ermöglicht 100% erneuerbare Microgrids, indem es Stabilitätsdienste bereitstellt, die traditionell von Dieselgeneratoren oder dem Hauptnetz geliefert werden. Dadurch können kritische Einrichtungen ihren Betrieb bei Netzausfällen aufrechterhalten und gleichzeitig 100% erneuerbare Energie nutzen.
Der Weg nach vorn: Grid-Forming als neuer Standard
Die Branche ist sich einig, dass die Fähigkeit zur Netzformung von einem Premiummerkmal zu einer Standardanforderung für neue Energiespeicher übergehen wird. Internationale Normungsgremien sind bereits dabei, Anforderungen an die Netzformung in die Netzkodizes aufzunehmen, und führende Märkte werden wahrscheinlich innerhalb von 2-3 Jahren grundlegende Netzformungsfunktionen vorschreiben.
Die technologische Entwicklung schreitet rasch voran. Forschungseinrichtungen und Branchenführer arbeiten an Algorithmen der nächsten Generation, die die Stabilitätsmargen weiter erhöhen und gleichzeitig die Kosten senken werden. Zu den aktiven Entwicklungsbereichen gehören die prädiktive Stabilitätskontrolle mit Hilfe künstlicher Intelligenz und die koordinierte Netzbildung mit mehreren Anlagen, die über verschiedene, über weite geografische Gebiete verteilte Ressourcen optimiert wird.
Für Projektentwickler und Netzbetreiber liegt die Konsequenz auf der Hand: Wer zukunftssicher investieren will, muss schon heute auf eine netzdienliche Infrastruktur setzen. VDE-Geschäftsführer Ansgar Hinz brachte die Richtung der Branche auf den Punkt: "In den von der Leistungselektronik dominierten Stromnetzen wird die Netzbildungsfähigkeit zu einer Voraussetzung für den Systembetrieb"..
Schlussfolgerung: Schaffung der Grundlagen für ein Netz, das von erneuerbaren Energien gespeist wird
Im Zuge der sich beschleunigenden globalen Energiewende ist die netzbildende Energiespeicherung die vielleicht wichtigste Innovation, die in Zeiten grundlegender Veränderungen für Zuverlässigkeit sorgt. Die Technologie hat sich in Rekordzeit von einem theoretischen Konzept zu einer erprobten Lösung entwickelt, und die Einsätze haben inzwischen einen ausreichenden Umfang erreicht, um greifbare Systemvorteile zu demonstrieren.
Die Frage für die Akteure im Energiesektor lautet nicht mehr, ob sie netzbildende Technologien übernehmen sollen, sondern wie schnell sie diese in ihre Planung und ihren Betrieb integrieren können. Branchenführer wie Huawei bieten Lösungen für vollständige Szenarien an, die von Anwendungen für Privathaushalte bis hin zu Energieversorgungsunternehmen reichen. Die Werkzeuge für die Verwaltung des von erneuerbaren Energien dominierten Netzes sind nun kommerziell verfügbar und in der Praxis erprobt.
Wir bei MateSolar sind uns bewusst, dass die Bewältigung dieses technologischen Wandels Partner erfordert, die sowohl die technischen Grundlagen als auch die Herausforderungen der praktischen Umsetzung verstehen. Als Anbieter von Photovoltaik- und Energiespeicherlösungen aus einer Hand engagieren wir uns weiterhin dafür, unseren Kunden weltweit diese netzbildenden Fortschritte zu liefern - und so sicherzustellen, dass der Übergang zu erneuerbaren Energien zuverlässig und effizient vonstattengeht.
Das künftige Stromnetz wird von erneuerbaren Energien dominiert werden, aber seine Stabilität wird durch intelligente, netzbildende Speichersysteme gewährleistet, die die grundlegende Stabilität bieten, von der unsere elektrifizierte Wirtschaft abhängt.
MateSolar ist ein führender Anbieter von Photovoltaik- und Energiespeicherlösungen aus einer Hand. Unser Ziel ist es, Spitzentechnologien zu liefern, die unsere Kunden in die Lage versetzen, sauberere und widerstandsfähigere Energiesysteme aufzubauen. Unser Fachwissen erstreckt sich über den gesamten Projektlebenszyklus, von der ersten technischen Beratung bis zum langfristigen Betrieb und der Optimierung.