Erzeugungseinheiten erneuerbarer Energien unter realen Bedingungen bis in den Megawattbereich testen

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Viele kleine und dezentrale Erzeugungsanlagen für erneuerbare Energien werden künftig die Großkraftwerke, die früher das Netz alleine bedient haben, ablösen. Entscheidend für die Energieversorgung der Zukunft ist, dass sie ihren Strom netzkompatibel einspeisen und auch die für die Netzstabilität notwendigen Systemdienstleistungen wie Regelleistungs- und Blindleistungsbereitstellung übernehmen. In Kassel testet das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in seinen akkreditierten Prüflaboren nicht nur einzelne Komponenten für den Praxiseinsatz, sondern auch ganze Systeme bis in den Megawattbereich.

„Wir sind die erste Anlaufstelle für die Hersteller, wenn es um die messtechnischen Nachweise der Netzkompatibilität im Rahmen von Zertifizierungen für den Betrieb von Erzeugungsanlagen erneuerbarer Energien geht“, erklärt Jörg Kirchhof, Leiter des EMV-Labors am Fraunhofer IWES. In dem zweistufigen Zertifizierungsverfahren, das in der vom Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) im Jahr 2008 herausgegebenen „Technischen Richtlinie für Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz“ vorgeschrieben ist, können die vor kurzem von der DAkkS akkreditierten IWES-Testlabore die messtechnischen Prüfungen für das so genannte typenspezifische Einheitenzertifikat übernehmen. Dieses Einheitenzertifikat wird für jeden Typ einer Erzeugungseinheit, zum Beispiel einer Windenergieanlage, eines Photovoltaik-Wechselrichters oder eines Blockheizkraftwerks-Aggregats, erstellt und geht der Zertifizierung von Erzeugungsanlagen (Wind- oder Solarparks) voran.

„Diese Tests und Zertifizierungen sind ein wachsender Markt, auf dem wir uns mit unseren Dienstleistungen gerade erfolgreich etablieren“, betont Kirchhof. Das Spektrum der beiden Testzentren SysTec und DeMoTec umfasst unter anderem die Vermessung von Erzeugungseinheiten und -anlagen gemäß nationalen und internationalen Netzanschlussrichtlinien sowie den gängigen Normen für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), die Messung des Wirkungsgrads von Wechselrichtern, die Prüfung von Elektrizitätszählern, Stabilitätstests für PV-Module unter Outdoor-Bedingungen, Kalibrierungsdienstleistungen und die numerische Simulation elektromagnetischer Felder, die vor dem Bau von Mustergeräten Aussagen zu abgestrahlten Feldern und zur elektromagnetischen Verträglichkeit zulassen. Möglich sind zudem automatisierte Langzeitmessungen der wichtigsten Modul-Parameter und die Simulation der Strom-Spannungskennlinie. Sie bildet den Stromverlauf in Abhängigkeit von der Spannung ab.

Beide Labore können auf ein autarkes Stromnetz zurückgreifen, das Tests mit unterschiedlichen Frequenzen und Spannungen ermöglicht, und so ihre Dienstleistungen auch auf dem internationalen Markt anbieten. Dezentrale Energieerzeugungseinheiten können bis zu einer Leistung von sechs Megawatt für den Anschluss an das Mittel- und Niederspannungsnetz geprüft werden. Ein mobiler Prüfcontainer, der das Netzfehlerverhalten von Wind- und PV-Anlagen, Blockheizkraftwerken oder Biogasanlagen direkt vor Ort vermessen kann, steht für den Einsatz bereit.

„Wir verfügen hier über eine in dieser Zusammenstellung und Leistungsklasse deutschlandweit einmalige Ausstattung“, sagt Dr. Gunter Arnold, IWES-Gruppenleiter für die Themen Netzqualität und Netzanschluss. „Und wir können in geschützter Umgebung alle Alltagssituationen simulieren und bei unseren Stabilitätstests an Grenzen gehen – bevor neu entwickelte Komponenten und Anlagen am öffentlichen Netz zum Einsatz kommen.“

Dabei leistet das IWES mit seinen neuen Prüfmethoden auch Pionierarbeit. So hat das Institut ein spezielles Prüfverfahren für Elektrizitätszähler entwickelt, nachdem Versuche ergeben hatten, dass Störaussendungen von Wechselrichtern an PV-Anlagen zu fehlerbehafteten Messergebnissen führen können: „Wir haben Fehlerquoten von bis zu 18 Prozent festgestellt“, berichtet Kirchhof. „Das ist eine Größenordnung, die durchaus ökonomische Auswirkungen haben kann.“ Zudem beteiligen sich die Wissenschaftler in nationalen und internationalen Gremien an der Erarbeitung von Richtlinien für die Prüfung von Elektrizitätszählern und Wechselrichtern, um Normungslücken zu schließen.

Neu im Portfolio ist auch ein Verfahren, mit dessen Hilfe PV-Module unter realistischen Installationsbedingungen im Feld  -  auf Hausdächern oder Gestellen – noch besser getestet werden können. Hohe Systemspannungen, Temperaturen oder auch Luftfeuchtigkeit führen bei den in Reihe geschalteten Modulen häufig zu gravierenden Leistungsverlusten. Diesen Effekt, den man potentialinduzierte Degradation nennt, können die IWES-Experten nun untersuchen. Auch für die Stabilität von Dünnschichtmodulen bedeutet dies einen enormen Fortschritt. Denn genauso wie manche kristallinen Module reagieren sie empfindlich auf Umwelteinflüsse, können sich jedoch nach einer Schädigung nicht mehr regenerieren.

Zudem entwickeln die Experten derzeit eine neue Methode, die zur Untersuchung der elektromagnetischen Schirmdämpfung von PV-Modulen dienen soll. Diese gibt Auskunft darüber, inwieweit ein bestimmter Raum vor elektromagnetischen Strahlen geschützt ist. Darüber hinaus sehen die Wissenschaftler ein Potential, um die elektrisch leitfähigen PV-Module multifunktional einsetzen zu können. „Vor allem bei Dünnschichtmodulen halten wir es für möglich“, erklärt Kirchhof, „dass sie nicht nur Solarenergie erzeugen, sondern auch eine Schutzfunktion gegen „Elektrosmog“ einnehmen könnten“.

„Mit dem oben beschrieben Portfolio an Prüf- und Messmöglichkeiten stellt das Fraunhofer IWES einen herausragenden Partner für die einschlägige Industrie und öffentliche Einrichtungen im Zuge der flächendeckenden Einführung einer dezentralen erneuerbaren Energiesystemtechnik dar, die mit den Anforderungen und Vorschriften der elektromagnetischen Verträglichkeit konform ist“, PD Dr. habil. Marklein, Leiter der Gruppe „Elektromagnetische Verträglichkeit“ am Fraunhofer IWES.

 

Zum Hintergrund:

Das Testzentrum für intelligente Netze und Elektromobilität (SysTec) in der Nähe von Kassel umfasst ein Freigelände von rund 80.000 Quadratmetern mit konfigurierbaren Verteilnetzabschnitten und einer Teststrecke für Elektrofahrzeuge sowie zwei Laborbereiche zur Prüfung für Nieder- und Mittelspannungsstromrichtern, elektrischen Maschinen und Netzbetriebsmitteln, Anlagen zur Netzintegration von Elektrofahrzeugen und Stromspeichern sowie einen mobilen Prüfcontainer. Zum SysTec gehören im Einzelnen das Prüflabor Netzintegration (PNI), das Test- und Prüfzentrum für Elektromobilität (TPE) und ein Testfeld für Photovoltaik- und Hybridsysteme. Das Design-Zentrum Modulare Versorgungstechnik (DeMoTec) mit Sitz in der Kasseler Innenstadt ist ein Gemeinschaftsprojekt mit der Universität Kassel und unter anderem spezialisiert auf die Entwicklung, Netzintegration und EMV-Prüfung von Stromrichtern.

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