Verbundvorhaben ENSURE2: Neue EnergieNetzStruktURen für die Energiewende; Teilvorhaben: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Abstract

Ziel der zweiten Phase von ENSURE ist es, bis 2050 ein Gesamtkonzept für die Energieversorgung zu entwerfen. Wichtig dabei ist, dass dieses in den bestehenden sozioökonomischen Rahmen eingebettet ist und dass die Ergebnisse auf Deutschland und Europa übertragbar sind. Auf dem Weg dorthin soll der Plan für den „Energiekosmos ENSURE“ finalisiert werden. Dieser soll hybrid getestet werden, d.h. sowohl als digitaler Zwilling in Simulationen ergänzt durch physische Tests in risikominimierter Umgebung und in Pilotanlagen. Der digitale Zwilling ist ein 1:1-Abbild des realen Netzes. So können neue Anlagen, Betriebsführungskonzepte und Szenarien in realem Umfeld getestet und analysiert werden. Der Beitrag der CAU konzentriert sich diesbezüglich insbesondere auf die Flexibilität und Resilienz im Stromnetz, die mit leistungselektronischen Betriebsmitteln und Gleichstromverbindungen im Übertragungs- und Verteilnetz erzielt werden kann. Die dynamische Kapazität von HGÜ-Systemen kann für eine Vielzahl von Netzdienstleistungen genutzt werden und insbesondere für den Anwendungsfall des Engpassmanagements wurde dies in Kooperation auch praktisch demonstriert. Ein weiterer Aspekt der Flexibilität entsteht im Teilvorhaben der CAU durch die Konzentration auf Netzdienstleistungen mittels leistungselektronischer Betriebsmittel und insbesondere die Lastregelung. Spannungs- oder frequenzsensitive Lasten werden im Übertragungs- und Verteilnetz in als Regelreserve in den Netzregelungsprozess einbezogen und ihr Potential für z. B. Primärfrequenzregelung sowie die Erhöhung der Integration erneuerbarer Energieanlagen bei gleichbleibender Systemstabilität wurde nachgewiesen. Häufig wird Flexibilität lediglich über die Adaptierbarkeit einzelner Anlagen definiert. Das Stromnetz selbst kann jedoch ebenfalls rekonfigurierbar gestaltet werden und so in seiner Topologie inhärente Flexibilität aufweisen, wie die CAU anhand der Vermaschungsoptionen mittels Smart Transformator sowie einem Rekonfigurationsprozess zur Resilienzerhöhung nachgewiesen hat. Wird zeitgleich auch die Topologie des Smart Transformators direkt für den Anwendungsfall eines hybriden, vermaschten Stromnetzes ausgelegt, so entsteht eine zusätzliche Fehlertoleranz und ein energieeffizienterer Betrieb. All diese Untersuchungen bedürfen entsprechend der Zielsetzung der Validierung in Echtzeitsimulationen und physischen Tests in risikominimierter Umgebung. Dafür hat die CAU nicht nur einen eigenen Prüfstand für Hardware-in-the-Loop-Tests aufgebaut, sondern insbesondere auch eine neue Generation der Echtzeitsimulation hochfrequent-betriebener leistungselektronischer Betriebsmittel unter Berücksichtigung des schaltenden Verhaltens entwickelt. Im Übergang zur Phase 3 standen – und stehen auch zukünftig – die Themen LVDC Microgrid und Smart Transformator im Vordergrund, um Betriebskonzepte konform mit aktuellen regulatorischen Rahmenbedingungen zu entwickeln und so die Innovationen aus der Forschung in die Anwendung zu transferieren. Datei-Upload durch TIB The aim of the second phase of ENSURE is to develop an overall concept for the energy supply by 2050. It is important that this is embedded in the existing socio-economic framework and that the results are transferable to Germany and Europe. Therefore, the plan for the "ENSURE energy cosmos" has to be finalized. The energy cosmos shall be tested as a hybrid, i.e. as a digital twin in simulations supplemented by physical tests in a risk-minimized environment and in pilot plants. The digital twin is a 1:1 image of the real grid. This allows new systems, operational management concepts and scenarios to be tested and analyzed in a real environment. In this regard, the CAU's contribution focuses in particular on the flexibility and resilience in the electricity grid that can be achieved with power electronic equipment and direct current connections in the transmission and distribution grid. The dynamic capacity of HVDC systems can be used for a variety of grid services and this has also been demonstrated in practice in cooperation with ENSURE partners, particularly for the application of congestion management. A further aspect of flexibility arises in the CAU sub-project through the focus on grid services using power electronic assets and, in particular, load control. Voltage or frequency-sensitive loads are included in the transmission and distribution grid as a control reserve in the grid control process and their potential for e.g. primary frequency control and increasing the integration of renewable energy systems while maintaining system stability was demonstrated. Flexibility is often only defined by the adaptability of individual systems. However, the electricity grid itself can also be reconfigured and thus exhibit inherent flexibility in its topology, as the CAU has demonstrated by means of meshing options using smart transformers and a reconfiguration process to increase resilience. If the topology of the smart transformer is also designed directly for the use case of a hybrid, meshed power grid, this results in additional fault tolerance and more energy-efficient operation. All these investigations require validation in real-time simulations and physical tests in a risk-minimized environment in accordance with the objective. To this end, the CAU has not only set up its own test bench for hardware-in-the-loop tests, but has also developed a new generation of real-time simulation of high-frequency-operated power electronic equipment, taking switching behavior into account. In the transition to phase 3, the focus was - and will be - on LVDC microgrids and smart transformers in order to develop operating concepts that comply with current regulatory frameworks and thus transfer innovations from research to application.