Schwarzstart

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Der Schwarzstart bezeichnet in der Energietechnik die Fähigkeit eines Kraftwerks oder einer Erzeugungsanlage, ohne externe Stromversorgung aus dem Netz hochzufahren und eigenständig eine stabile Stromerzeugung aufzubauen. Im Kontext der Windkraft gewinnt dieses Konzept zunehmend an Bedeutung, da erneuerbare Energien wie Windenergieanlagen (WEA) traditionell auf eine bestehende Netzspannung angewiesen sind. Ein Schwarzstart ermöglicht es, nach einem großflächigen Stromausfall (Blackout) die Versorgung schrittweise wiederherzustellen, ohne auf konventionelle Kraftwerke angewiesen zu sein.

Allgemeine Beschreibung

Ein Schwarzstart ist ein kritischer Prozess in der Stromversorgung, der insbesondere nach einem vollständigen Zusammenbruch des Stromnetzes (Blackout) erforderlich wird. Während konventionelle Kraftwerke wie Gaskraftwerke oder Wasserkraftwerke häufig über Schwarzstartfähigkeiten verfügen, stellen Windkraftanlagen aufgrund ihrer Abhängigkeit von externer Spannung für Steuerung, Pitchregelung und Hilfsaggregate eine besondere Herausforderung dar. Die technische Umsetzung erfordert daher spezielle Lösungen, um Windenergieanlagen in ein Schwarzstartszenario einzubinden.

Die Grundvoraussetzung für einen Schwarzstart ist die Verfügbarkeit einer autarken Energiequelle, die unabhängig vom öffentlichen Netz betrieben werden kann. Bei Windkraftanlagen kommen hierfür häufig Batteriespeichersysteme, Dieselgeneratoren oder hybride Lösungen zum Einsatz, die die notwendige Anfangsenergie für die Inbetriebnahme bereitstellen. Sobald die Anlage Strom erzeugt, kann dieser genutzt werden, um weitere Komponenten des Netzes zu reaktivieren, beispielsweise Umspannwerke oder andere Erzeugungsanlagen. Dieser schrittweise Aufbau der Netzspannung wird als "Inselnetzbildung" bezeichnet und ist ein zentraler Bestandteil des Schwarzstartprozesses.

Ein weiterer entscheidender Aspekt ist die Synchronisation der erzeugten Spannung mit den Anforderungen des Netzes. Windkraftanlagen müssen in der Lage sein, eine stabile Frequenz (in Europa 50 Hz) und Spannung zu liefern, um eine sichere Wiederherstellung der Versorgung zu gewährleisten. Moderne Anlagen mit Vollumrichtertechnik bieten hier Vorteile, da sie die erzeugte Energie elektronisch regeln und an die Netzbedingungen anpassen können. Dennoch erfordert die Integration von Windkraft in Schwarzstartszenarien eine enge Abstimmung mit Netzbetreibern und die Einhaltung strenger technischer Richtlinien, wie sie beispielsweise in der VDE-AR-N 4105 (Technische Regeln für den Anschluss von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz) festgelegt sind.

Technische Umsetzung in der Windkraft

Die Realisierung eines Schwarzstarts mit Windkraftanlagen setzt voraus, dass die Anlagen über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) oder andere autarke Systeme verfügen, die die kritischen Komponenten wie Steuerungselektronik, Pitchantriebe und Kühlsysteme während des Anfahrprozesses mit Energie versorgen. Batteriespeicher spielen dabei eine zentrale Rolle, da sie kurzfristig die benötigte Leistung bereitstellen können, bis die Anlage selbst Strom erzeugt. Die Kapazität dieser Speicher muss so dimensioniert sein, dass sie den Energiebedarf für mindestens 10 bis 30 Minuten decken, um einen stabilen Hochlauf zu ermöglichen.

Ein weiteres technisches Detail ist die Netzformung (Grid Forming). Während konventionelle Kraftwerke durch ihre rotierenden Massen (Schwungmassen) die Netzfrequenz stabilisieren, fehlt Windkraftanlagen diese Eigenschaft. Um dennoch als netzbildende Einheit zu fungieren, müssen Windkraftanlagen mit leistungselektronischen Umrichtern ausgestattet sein, die eine künstliche Trägheit (Synthetic Inertia) erzeugen. Diese Technologie simuliert das Verhalten rotierender Massen und ermöglicht es der Anlage, auf Frequenzschwankungen zu reagieren. Die VDE-AR-N 4110 (Technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Mittelspannungsnetz) definiert hierzu konkrete Anforderungen an die dynamische Netzstützung.

Darüber hinaus ist die Kommunikation zwischen den Anlagen und dem Netzbetreiber von entscheidender Bedeutung. In einem Schwarzstartszenario müssen Windkraftanlagen in der Lage sein, Signale des Netzbetreibers zu empfangen und ihre Leistung entsprechend anzupassen. Dies erfordert eine zuverlässige Datenübertragung, die auch bei einem Ausfall der öffentlichen Kommunikationsnetze funktioniert. Hier kommen oft redundante Funk- oder Satellitenverbindungen zum Einsatz, um die Steuerung der Anlagen sicherzustellen.

Normen und Standards

Die technischen Anforderungen an Schwarzstartfähigkeiten von Erzeugungsanlagen sind in verschiedenen Normen und Richtlinien festgelegt. Für Windkraftanlagen sind insbesondere die folgenden Dokumente relevant:

• VDE-AR-N 4105: Regelt den Anschluss von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz und definiert Anforderungen an die Netzstützung, einschließlich der Fähigkeit zur Frequenz- und Spannungshaltung.
• VDE-AR-N 4110: Enthält technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Mittelspannungsnetz und spezifiziert Anforderungen an die dynamische Netzstützung, die für Schwarzstartszenarien relevant sind.
• DIN EN 50549-1: Legt Anforderungen an die Netzintegration von Erzeugungsanlagen fest, einschließlich der Fähigkeit zur Inselnetzbildung und Schwarzstartfähigkeit.
• IEC 61400-25: Definiert Kommunikationsstandards für Windkraftanlagen, die für die Steuerung und Überwachung in Schwarzstartszenarien erforderlich sind.

Abgrenzung zu ähnlichen Begriffen

Der Begriff Schwarzstart wird häufig mit anderen Konzepten der Netzstabilität verwechselt. Eine klare Abgrenzung ist daher notwendig:

• Inselbetrieb: Bezeichnet den Betrieb eines Teilnetzes, das vom öffentlichen Netz getrennt ist. Im Gegensatz zum Schwarzstart setzt der Inselbetrieb jedoch voraus, dass das Teilnetz bereits mit Spannung versorgt ist. Ein Schwarzstart ist dagegen der Prozess, der den Inselbetrieb überhaupt erst ermöglicht.
• Netzwiederaufbau: Umfasst den gesamten Prozess der Wiederherstellung der Stromversorgung nach einem Blackout, einschließlich des Schwarzstarts. Der Schwarzstart ist somit ein Teilschritt des Netzwiederaufbaus, bei dem die ersten Erzeugungsanlagen hochgefahren werden.
• Notstromversorgung: Bezieht sich auf die Bereitstellung von Strom für kritische Verbraucher (z. B. Krankenhäuser) während eines Stromausfalls. Eine Notstromversorgung muss nicht zwingend schwarzstartfähig sein, da sie oft nur eine begrenzte Zeit überbrückt, bis das Netz wiederhergestellt ist.

Anwendungsbereiche

• Wiederherstellung der Stromversorgung nach Blackouts: Der primäre Anwendungsbereich des Schwarzstarts in der Windkraft ist die schrittweise Wiederherstellung der Stromversorgung nach einem großflächigen Stromausfall. Windkraftanlagen können dabei als erste Erzeugungsquellen dienen, um das Netz zu reaktivieren und weitere Kraftwerke oder Verbraucher anzuschließen.
• Inselnetze in abgelegenen Regionen: In Gebieten ohne Anbindung an das öffentliche Stromnetz, beispielsweise auf Inseln oder in ländlichen Regionen, können schwarzstartfähige Windkraftanlagen in Kombination mit Speichersystemen eine autarke Stromversorgung ermöglichen. Dies ist besonders relevant für Regionen mit hohem Windaufkommen, aber schwacher Netzinfrastruktur.
• Notfallplanung für kritische Infrastrukturen: Windkraftanlagen mit Schwarzstartfähigkeit können in Notfallpläne für kritische Infrastrukturen wie Krankenhäuser, Wasserwerke oder Kommunikationszentren integriert werden. Sie dienen dabei als Backup-Lösung, um die Versorgung dieser Einrichtungen auch bei einem Netzausfall sicherzustellen.
• Forschung und Entwicklung: Der Schwarzstart mit Windkraftanlagen ist ein aktives Forschungsfeld, das sich mit der Weiterentwicklung von Speichertechnologien, Steuerungssystemen und Netzintegration beschäftigt. Pilotprojekte, wie das "Schwarzstart-Projekt" des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme (IWES), untersuchen die Machbarkeit und Optimierung solcher Systeme.

Bekannte Beispiele

• Projekt "Schwarzstart mit Windenergie" (Fraunhofer IWES): In diesem Forschungsprojekt wurde untersucht, wie Windkraftanlagen in Kombination mit Batteriespeichern und Dieselgeneratoren einen Schwarzstart durchführen können. Die Ergebnisse zeigten, dass moderne Windkraftanlagen mit Vollumrichtertechnik prinzipiell in der Lage sind, als netzbildende Einheiten zu fungieren und so einen Beitrag zum Netzwiederaufbau zu leisten.
• Hybridkraftwerk Pellworm (Deutschland): Das Hybridkraftwerk auf der Nordseeinsel Pellworm kombiniert Windkraftanlagen, Photovoltaik und Batteriespeicher, um eine autarke Stromversorgung zu ermöglichen. Im Falle eines Netzausfalls kann das System einen Schwarzstart durchführen und die Insel mit Strom versorgen, bis das öffentliche Netz wiederhergestellt ist.
• Windpark Horns Rev 3 (Dänemark): Dieser Offshore-Windpark ist Teil eines Pilotprojekts, das die Schwarzstartfähigkeit von Offshore-Windkraftanlagen untersucht. Durch den Einsatz von Batteriespeichern und leistungselektronischen Umrichtern soll der Windpark in der Lage sein, nach einem Blackout eigenständig hochzufahren und das dänische Stromnetz zu reaktivieren.

Risiken und Herausforderungen

• Abhängigkeit von externen Energiequellen: Windkraftanlagen benötigen für den Schwarzstart eine autarke Energiequelle, beispielsweise Batteriespeicher oder Dieselgeneratoren. Die Kapazität dieser Quellen ist begrenzt, und ein Ausfall kann den gesamten Prozess gefährden. Zudem sind Dieselgeneratoren nicht nachhaltig und widersprechen den Zielen der Energiewende.
• Fehlende Schwungmasse: Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken verfügen Windkraftanlagen nicht über rotierende Massen, die die Netzfrequenz stabilisieren. Dies erfordert den Einsatz von leistungselektronischen Umrichtern, die eine künstliche Trägheit erzeugen. Die Technologie ist jedoch noch nicht vollständig ausgereift und kann zu Instabilitäten führen.
• Kommunikationsanforderungen: Ein Schwarzstart erfordert eine zuverlässige Kommunikation zwischen den Anlagen und dem Netzbetreiber. Bei einem großflächigen Stromausfall können jedoch auch die Kommunikationsnetze betroffen sein, was die Steuerung der Anlagen erschwert. Redundante Kommunikationswege sind daher unerlässlich, erhöhen jedoch die Komplexität und Kosten des Systems.
• Wetterabhängigkeit: Windkraftanlagen sind naturgemäß von den Windverhältnissen abhängig. Ein Schwarzstart ist nur möglich, wenn ausreichend Wind vorhanden ist, um die Anlage anzutreiben. Bei Windstille oder extrem schwachen Windverhältnissen kann der Prozess scheitern, was die Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigt.
• Regulatorische Hürden: Die Integration von Windkraftanlagen in Schwarzstartszenarien erfordert die Einhaltung strenger technischer Richtlinien und die Genehmigung durch die Netzbetreiber. Die regulatorischen Anforderungen sind komplex und können je nach Land oder Region variieren, was die Umsetzung erschwert.
• Kosten: Die Nachrüstung von Windkraftanlagen mit Schwarzstartfähigkeit ist mit erheblichen Kosten verbunden. Neben den Investitionen in Batteriespeicher und Steuerungstechnik fallen auch laufende Wartungskosten an. Die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme ist daher oft fraglich, insbesondere in Regionen mit stabiler Stromversorgung.

Ähnliche Begriffe

• Netzwiederaufbau: Bezeichnet den gesamten Prozess der Wiederherstellung der Stromversorgung nach einem Blackout, einschließlich des Schwarzstarts. Während der Schwarzstart den ersten Schritt darstellt, umfasst der Netzwiederaufbau auch die schrittweise Reaktivierung weiterer Erzeugungsanlagen und Verbraucher.
• Inselnetz: Ein Inselnetz ist ein vom öffentlichen Stromnetz getrenntes Teilnetz, das eigenständig betrieben wird. Im Gegensatz zum Schwarzstart setzt ein Inselnetz voraus, dass bereits eine stabile Spannung vorhanden ist. Ein Schwarzstart kann jedoch die Voraussetzung für die Bildung eines Inselnetzes schaffen.
• Microgrid: Ein Microgrid ist ein kleines, lokales Stromnetz, das Erzeugungsanlagen, Speicher und Verbraucher umfasst und sowohl im Verbund mit dem öffentlichen Netz als auch autark betrieben werden kann. Schwarzstartfähige Windkraftanlagen können in Microgrids integriert werden, um die Versorgungssicherheit zu erhöhen.
• Synthetic Inertia: Bezeichnet die Fähigkeit von leistungselektronischen Umrichtern, das Verhalten rotierender Massen zu simulieren und so die Netzfrequenz zu stabilisieren. Diese Technologie ist ein zentraler Bestandteil der Schwarzstartfähigkeit von Windkraftanlagen, da sie die fehlende Schwungmasse kompensiert.

Zusammenfassung

Der Schwarzstart ist ein essenzieller Prozess in der modernen Stromversorgung, der die Wiederherstellung der Versorgung nach einem Blackout ermöglicht. Im Kontext der Windkraft stellt die Umsetzung dieses Konzepts eine besondere Herausforderung dar, da Windenergieanlagen traditionell auf eine externe Netzspannung angewiesen sind. Durch den Einsatz von Batteriespeichern, leistungselektronischen Umrichtern und autarken Steuerungssystemen können Windkraftanlagen jedoch schwarzstartfähig gemacht werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Integration erneuerbarer Energien in die Notfallplanung und die autarke Versorgung abgelegener Regionen. Dennoch sind mit der Technologie erhebliche technische, wirtschaftliche und regulatorische Herausforderungen verbunden, die eine weitere Forschung und Entwicklung erfordern. Die Einhaltung strenger Normen wie der VDE-AR-N 4105 und VDE-AR-N 4110 ist dabei unerlässlich, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten.

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