Mit „NextWind“ wollen Forscher der Technischen Universität Dresden und der Industrieunternehmen Semikron, Hersteller von Bauelementen der Leistungselektronik in Nürnberg, sowie Freqcon, Produzent elektronischer Geräte in Rethem an der Aller, einen kleinen Beitrag zur Lösung eines großen Problems leisten: Windgeneratoren der Zukunft sollen auch dann Strom liefern, wenn kein Lüftchen geht.

Gelingen soll das mit einem neuartigen Windrichter, der zwei Aufgaben zu erfüllen hat. Er wandelt den Strom, den der Generator in der Gondel an der Turmspitze erzeugt, so um, dass er perfekt zum Stromnetz passt und problemlos eingespeist werden kann. Ein Teil des Stroms wird gepuffert, also in einer Batterie gespeichert. Das Schöne daran: Bestehende Windgeneratoren, ob an Land oder auf dem Meer, können mit dem System nachgerüstet werden.

Stromüberschüsse wollen gesteuert werden

Da immer genauso viel Strom ins Netz eingespeist wie entnommen wird, müssen Überschüsse verwertet oder durch zeitweises Abschalten von Solar- und Windkraftwerken verhindert werden. Strommangel wird in den ersten Sekunden durch die Trägheit der gewaltigen Schwungmassen von Dampfturbinen und den angeschlossenen Generatoren ausgeglichen – sie laufen ein kleines bisschen langsamer, sodass die Frequenz des erzeugten Stroms leicht absinkt. Das reduziert die Stromaufnahme der Verbraucher, der Mangel wird behoben. Diese Kompensation beginnt praktisch in der gleichen Sekunde, in der es an Strom fehlt. Danach müssen Pumpspeicherkraftwerke und Batterien, die zuvor mit Überschussstrom aufgeladen worden sind, sowie Gasturbinen mit angeschlossenen Generatoren übernehmen.

Die so genannte Sekundenreserve, also die Trägheit der rotierenden Massen von fossilen Kohle- und Gaskraftwerken sowie Kernkraftwerken, fällt wegen der geplanten Stilllegungen der Anlagen in den kommenden Jahren nach und nach weg. Möglicherweise ist das Ende der Kohleverstromung auch bereits 2030 erreicht statt 2038, wie es bisher hieß. Dann müssen andere Speicher mit gigantischen Kapazitäten einspringen, die ebenfalls sekundenschnell bereit sein müssen. Windgeneratoren mit integrierter Batterie und speziellen Wandlern, wie sie jetzt von Hochschulforschern und Industrie entwickelt werden, können zur Lösung beitragen und Blackouts verhindern, also den Komplettausfall des Stromnetzes in ganzen Regionen oder gar Ländern.

Umrichter wandeln den flatterhaften Windstrom um

Würden Windmühlen mit Synchrongeneratoren ausgestattet, brauchte man keine Wandler. Diese laufen stets mit der gleichen Drehzahl, erzeugen also Strom, der phasenrichtig ist, die Frequenz von 50 Hertz exakt einhält und auch die benötigte Spannung hat. Während dieser Generatortyp in Wärmekraftwerken perfekt arbeitet, ist er bei der Nutzung von Windenergie fehl am Platze, denn er hat wegen der wechselhaften Windstärken nur einen sehr geringen Wirkungsgrad.

Deshalb setzen die Hersteller der Windenergieanlagen auf Asynchrongeneratoren, deren Drehzahl sich an die Windstärke anpasst, jedoch Strom mit unterschiedlichen Frequenzen und Spannungen liefern. Das muss der Umrichter korrigieren. Er wandelt den flatterhaften Strom zunächst in Gleichstrom um. Ein Teil davon fließt in die Batterie, bis diese voll ist. Der Rest wird in Drehstrom umgewandelt, der exakt die gleichen Eigenschaften hat wie der im Netz. Bei Strommangel wird die gespeicherte Energie ins Netz eingespeist.

Stromspeicher brauchen intelligente Umrichter

Auch in heutigen Windenergieanlagen sind Umrichter installiert, die sich einfach vom Netz steuern lassen. Um in Anlagen mit Stromspeicher eingesetzt werden zu können, muss der Umrichter „von einem netzfolgenden zu einem netzbildenden Betrieb weiterentwickelt werden“, sagt Steffen Bernet, Professor für Leistungselektronik an der TU Dresden. Er muss sich gewissermaßen vom reinen Stromwandler zu einem Gerät mausern, das von sich aus aktiv wird und das Netz im Bedarfsfall blitzschnell stabilisiert.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt die Entwicklung im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms „Innovationen für die Energiewende“ mit insgesamt 1,8 Millionen Euro.