Warum die „Auslösung“ der Solarenergie eine Netzbedrohung für erneuerbare Energien darstellt

Der 9. Mai letzten Jahres sollte ein typischer Tag für Solarenergie in West-Texas sein. Doch gegen 11:21 Uhr ging etwas schief.

Nach Angaben des Electric Reliability Council of Texas (ERCOT) gingen große Teile der Solarkapazität unerwartet vom Netz, was offenbar auf einen Fehler im Netz einer Erdgasanlage in Odessa zurückzuführen war. Der Verlust der Solarleistung machte zu diesem Zeitpunkt mehr als 13 Prozent der gesamten Solarkapazität in der ERCOT-Netzregion aus, die sich über den größten Teil des Staates erstreckt.

Obwohl alle Solaranlagen innerhalb von sechs Minuten wieder online waren, verdeutlichte der Vorfall eine anhaltende Herausforderung für den Energiesektor, die laut Experten angegangen werden muss, da saubere Energieressourcen weiterhin fossile Brennstoffe verdrängen.

„Wie in Texas erleben wir diesen enormen Boom in der Solartechnologie ziemlich schnell“, sagte Ryan Quint, Direktor für Technik und Sicherheitsintegration bei der North American Electric Reliability Corporation (NERC). „Und jetzt erleben wir aus dem Nichts sehr große Unruhen.“

In den USA machen kohlenstofffreie Ressourcen einen wachsenden Anteil des Strommixes und den Großteil der geplanten neuen Stromerzeugung aus. Laut Netzexperten haben Solar- und Batteriespeichersysteme im vergangenen Sommer in Texas und Kalifornien dazu beigetragen, dass die Netzbetreiber mit einem hohen Strombedarf aufgrund extremer Hitze zu kämpfen hatten.

Auch wenn die Unruhen letztes Jahr in der Nähe von Odessa ungewöhnlich waren, handelte es sich dennoch nicht um einen Einzelfall. Wenn Industrie und Regulierungsbehörden nicht handeln, um künftige „Auslöseereignisse“ bei erneuerbaren Energien zu verhindern, könnten solche Vorfälle bei ausreichender Verbreitung einen Stromausfall auslösen und die öffentliche Wahrnehmung erneuerbarer Energien schädigen, sagen Experten.

Das Auslöseereignis in Texas – das sich über 500 Meilen erstreckte – und andere ähnliche Vorfälle wurden mit den Wechselrichtern in Verbindung gebracht, die von Solar-, Wind- und Batteriespeichersystemen erzeugten Strom in den im Netz genutzten Strom umwandeln. Herkömmliche Generatoren – Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen, Kernkraftwerke und Staudämme – benötigen keine Wechselrichter, da sie Strom anders erzeugen.

„Wir müssen uns immer mehr auf die Wechselrichtertechnologie verlassen, daher wird es immer wichtiger, dass wir diese systemischen Zuverlässigkeitsrisikoprobleme wie unerwartete Auslösungen und unerwartete Leistung nicht haben“, sagte Quint.

Erneuerbare – oder „wechselrichterbasierte“ – Ressourcen verfügen über wertvolle Eigenschaften, die herkömmlichen Generatoren fehlen, sagen Experten. Sie können viel schneller hoch- und runterfahren als ein herkömmliches Kraftwerk, sodass Auslöseereignisse in der Regel nicht länger als einige Minuten dauern.

Aber Wechselrichter müssen auch so programmiert werden, dass sie sich auf bestimmte Weise verhalten, und einige wurden so konzipiert, dass sie im Falle eines elektrischen Fehlers offline gehen, anstatt ihn zu überstehen, sagte Debra Lew, stellvertretende Direktorin der gemeinnützigen Energy Systems Integration Group.

„[Programmierung] gibt einem viel Spielraum“, sagte Lew. „Man kann alle möglichen verrückten Dinge tun. Man kann großartige Dinge tun, und man kann beschissene Dinge tun.“

Als sich Solar- und Windparks in den 2000er und 2010er Jahren zu einem wichtigen Akteur in der Energiebranche entwickelten, war es möglicherweise sinnvoll, ihre Wechselrichter so zu programmieren, dass sie im Fehlerfall vorübergehend offline schalten, sagte Barry Mather, Chefingenieur bei National Renewable Energielabor (NREL).

Störungen können durch ausgefallene Stromleitungen, Blitzschlag oder andere, häufiger auftretende Störungen verursacht werden. Die Reaktion der wechselrichterbasierten Ressourcen sollte verhindern, dass Geräte beschädigt werden, und hatte zunächst nur geringe Auswirkungen auf das Netz als Ganzes, da erneuerbare Energien damals nur einen so kleinen Teil des Netzes ausmachten, bemerkte Mather.

Während Quint sagte, dass Fortschritte bei der Verbesserung von Wechselrichtern in Texas und anderswo gemacht werden, sind andere weniger optimistisch, dass die Industrie und die Regulierungsbehörden das Problem derzeit mit der gebotenen Dringlichkeit behandeln.

„Die Wahrheit ist, dass wir im Hinblick auf eine Lösung nicht wirklich vorankommen“, sagte Mather. „Wir regeln die Dinge für ein Ereignis, und dann läuft das nächste Ereignis ganz anders ab.“

NERC schlägt seit über sechs Jahren Alarm wegen der Gefahr einer wechselrichterbasierten Ressourcenauslösung. Doch die Empfehlungen der Organisation an Getriebebesitzer, Wechselrichterhersteller und andere zur Behebung des Problems wurden nicht allgemein angenommen.

Im August 2016 verursachten Rauch und Hitze in der Nähe eines aktiven Waldbrandes im kalifornischen San Bernardino County eine Reihe elektrischer Störungen an nahegelegenen Stromleitungen. Dies führte dazu, dass mehrere Wechselrichter die Stromeinspeisung in das Netz abschalteten oder kurzzeitig unterbrachen, was zum Verlust von fast 1.200 Megawatt Solarstrom führte, dem ersten dokumentierten weit verbreiteten Auslösevorfall in den USA

Mehr als die Hälfte der von dem Vorfall in Kalifornien betroffenen Ressourcen kehrten innerhalb von etwa fünf Minuten zur normalen Leistung zurück. Dennoch wurde das Auslösephänomen damals als „erhebliche Sorge“ für den kalifornischen Netzbetreiber angesehen, sagte NERC in einem Bericht über den Vorfall aus dem Jahr 2017.

Bei einigen der frühen Vorfälle herrschte der Eindruck, dass die betroffenen Solaranlagen relativ alt waren und die Wechselrichter weniger hochentwickelt waren als die, die heute installiert werden, sagte Ric O'Connell, Geschäftsführer des GridLab, einer gemeinnützigen Forschungsgruppe, die sich auf die Energieversorgung konzentriert Netz. Deshalb habe die Unruhe in der Nähe von Odessa letztes Jahr für Aufsehen gesorgt, sagte er.

„Es ist zu erwarten, dass es in Kalifornien einige alte Altanlagen gibt, die 10, 15 Jahre alt sind und möglicherweise nicht in der Lage sind, mit den modernen Standards mitzuhalten“, sagte O'Connell. „Aber [diese] Pflanzen in Texas sind alle ziemlich brandneu.“

Nach der Störung in Odessa im Mai 2021 kontaktierte ERCOT die Eigentümer der betroffenen Solaranlagen – die in den Berichten des Netzbetreibers nicht öffentlich genannt wurden –, um herauszufinden, welche Programmierfunktionen oder Faktoren zu ihrer Auslösung geführt hatten, sagte Quint von NERC. Anfang dieses Jahres hat ERCOT außerdem eine Task Force für Wechselrichter-Ressourcen eingerichtet, um „Verbesserungen und Abhilfemaßnahmen zu bewerten, zu überprüfen und zu empfehlen“, um diese Ressourcen zu unterstützen und zu verbessern, sagte Trudi Webster, eine Sprecherin des Netzbetreibers.

Dennoch tauchte das Problem diesen Sommer in Texas erneut auf, erneut mit Schwerpunkt in der Nähe von Odessa.

Am 4. Juni stellten neun derselben Solaranlagen, die während des Ereignisses im Mai 2021 vom Netz gegangen waren, erneut die Stromerzeugung ein oder reduzierten die Stromabgabe. Der von ERCOT als „Odessa Disturbance 2“ bezeichnete Vorfall im Juni war das bislang größte dokumentierte Wechselrichter-Auslöseereignis in den USA, an dem insgesamt 14 Solaranlagen beteiligt waren und der zu einem Verlust von 1.666 Megawatt Solarenergie führte.

NERC hat sich für mehrere Lösungen des Problems eingesetzt. Einerseits müssen Übertragungseigentümer und Dienstanbieter die Verbindungsanforderungen für wechselrichterbasierte Ressourcen verbessern, sagte Quint. Darüber hinaus sollte die Federal Energy Regulatory Commission landesweit die Verbindungsvereinbarungen verbessern, um sicherzustellen, dass sie „geeignet und anwendbar für die auf Wechselrichtern basierende Technologie“ sind, sagte Quint. Schließlich müssten die von NERC festgelegten verbindlichen Zuverlässigkeitsstandards verbessert werden, ein Prozess, der noch nicht abgeschlossen sei, sagte er.

Eine Herausforderung bei der Lösung des Problems scheinen konkurrierende Interessen verschiedener Parteien in der gesamten Branche zu sein, sagte Mather von NREL. Da Auslösungen im Wesentlichen ein Schutzmechanismus für Solar-, Wind- oder Batterieeinheiten sein können, die durch einen Fehler beschädigt werden könnten, könnten einige Kraftwerksbesitzer bei Richtlinien, die von ihnen verlangen, alle Fehler zu überstehen, vorsichtig sein, sagte er.

„Wenn Sie ein [unabhängiger Systembetreiber] sind, möchten Sie lieber, dass diese Kraftwerke niemals offline gehen, sie sollten alles überstehen“, sagte Mather. „Wenn Sie Anlageneigentümer und -betreiber sind, sind Sie diesbezüglich etwas misstrauisch, denn dadurch wird Ihre Ausrüstung einem Risiko ausgesetzt oder zumindest potenziell gefährdet, was zu Schäden an Ihren PV-Wechselrichtersystemen führen könnte.“

Laut O'Connell könnten einige Eigentümer von Anlagen für erneuerbare Energien auch fälschlicherweise davon ausgehen, dass die Anlagen, die sie besitzen, nicht viel Wartung erfordern. Doch da Solarenergie mittlerweile einen immer größeren Anteil am gesamten Energiemix ausmacht, müsse sich diese Denkweise ändern, sagte er.

„Jetzt, da die Branche erwachsen geworden ist und wir 100-Megawatt-(Solar-)Anlagen haben, nicht 5-Kilowatt-Anlagen, müssen wir ein anderes Paradigma wechseln“, sagte er.

Sean Gallagher, Vizepräsident für staatliche und regulatorische Angelegenheiten bei der Solar Energy Industries Association, betonte, dass Stolperstörungen nicht von Entwicklern allein gelöst werden können. Für Übertragungseigentümer ist es außerdem von entscheidender Bedeutung, „sicherzustellen, dass die Wechselrichter richtig konfiguriert sind, wenn immer mehr wechselrichterbasierte Ressourcen online gehen“, sagte Gallagher.

„Da immer mehr saubere Energieprojekte ans Netz gehen, verändert sich die Physik des Netzes schnell, und Energieprojektentwickler, Versorgungsunternehmen und Übertragungseigentümer müssen alle eine Rolle spielen, wenn es um die systemweite Zuverlässigkeit geht“, sagte Gallagher in einer Erklärung.

Insgesamt würde die Branche „praktikable Modellierungsanforderungen“ für Solar- und Speicherprojekte als Teil des Verbindungsprozesses – oder des Prozesses, durch den Ressourcen an das Netz angeschlossen werden – unterstützen, fügte er hinzu.

Die Stolpergefahr ist den Bundesbehörden nicht unbemerkt geblieben, während sie daran arbeiten, das Stromnetz auf eine schnelle Zufuhr sauberer Energieressourcen vorzubereiten – ein Trend, der durch Wirtschafts- und Klimapolitik vorangetrieben wird, aber durch die jüngste Verabschiedung des Inflation Reduction Act noch beschleunigt wird.

Letzten Monat kündigte das Energieministerium eine neue Finanzierungsmöglichkeit in Höhe von 26 Millionen US-Dollar für Forschungsprojekte an, die ein zuverlässiges Stromsystem demonstrieren könnten, das vollständig auf Solar-, Wind- und Batteriespeicherressourcen basiert. Ein Ziel des Förderprogramms besteht darin, zu zeigen, dass wechselrichterbasierte Ressourcen alles tun können, was nötig ist, um das Licht am Laufen zu halten, was die Agentur als „ein wesentliches Hindernis für den Übergang zu sauberer Energie“ bezeichnete.

„Da die neue Wind- und Solarenergie über leistungselektronische Wechselrichter mit dem Netz verbunden ist, weisen sie andere Eigenschaften und Dynamiken auf als herkömmliche Erzeugungsquellen, die derzeit diese Dienste bereitstellen“, heißt es in der Fördermitteilung des DOE.

FERC hat außerdem eine neue Regel vorgeschlagen, die auf den bestehenden NERC-Empfehlungen basiert. Als Teil eines umfassenden Vorschlags zur Aktualisierung des Prozesses für den Anschluss neuer Ressourcen an das Netz hat FERC zwei neue Anforderungen aufgenommen, um Auslösungen durch wechselrichterbasierte Ressourcen zu reduzieren.

Bei ihrer Verabschiedung würde die FERC-Regel vorschreiben, dass wechselrichterbasierte Ressourcen „genaue und validierte Modelle“ hinsichtlich ihres Verhaltens und ihrer Programmierung als Teil des Verbindungsprozesses bereitstellen. Die Ressourcen müssten im Allgemeinen auch in der Lage sein, Störungen zu überstehen, ohne offline zu stolpern, so die Kommission in dem im Juni veröffentlichten Vorschlag.

Der aktuelle Vorschlag von FERC soll zwar dazu beitragen, weit verbreitete Auslösungen zu verhindern, könnte jedoch verbessert werden, sagte Julia Matevosyan, Chefingenieurin der Energy Systems Integration Group. Neben anderen Änderungen sollte die Behörde wechselrichterbasierte Ressourcen zur Einspeisung sogenannter „Blindleistung“ während eines Fehlers verlangen und gleichzeitig die tatsächliche Leistungsabgabe proportional zur Größe der Störung reduzieren, sagte Matevosyan. Blindleistung bezieht sich auf Leistung, die dazu beiträgt, Energie im Netz zu bewegen und Spannungen im System aufrechtzuerhalten.

„Es ist eine gute Absicht. Nur die Sprache, so wie sie derzeit vorgeschlagen wird, ist technisch nicht möglich oder wünschenswertes Verhalten“, sagte Matevosyan über den FERC-Vorschlag.

Um seinen Vorschlag zu verbessern, könnte FERC auf die Sprache zurückgreifen, die das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) in einem neuen Standard verwendet, den es Anfang des Jahres für umrichterbasierte Ressourcen entwickelt hat, fügte sie hinzu. Von IEEE, einer auf Fragen der Elektrotechnik spezialisierten Berufsorganisation, herausgegebene Standards sind nicht durchsetzbar oder verbindlich, stellen jedoch Best Practices für die Branche dar.

Der Prozess von IEEE ist Stakeholder-gesteuert. 94 Prozent der 170 Branchenexperten, die an der Entwicklung des neuesten wechselrichterbasierten Ressourcenstandards beteiligt waren – darunter Wechselrichterhersteller, Energieentwickler, Netzbetreiber und andere – haben der endgültigen Version zugestimmt, sagte Matevosyan.

Die Genehmigung des IEEE-Standards sei ein Zeichen dafür, dass trotz der verbleibenden technischen und politischen Hürden ein Konsens über die wechselrichterbasierte Ressourcenausschaltung entstehen könnte, sagten Beobachter. Da die Industrie bestrebt ist, die Leistung von Wechselrichter-basierten Ressourcen zu verbessern, wächst auch das Verständnis für die Vorteile, die diese Ressourcen gegenüber herkömmlichen Ressourcen haben, wie etwa ihre Fähigkeit, schnell auf Netzbedingungen zu reagieren, sagte Tom Key, ein leitender technischer Manager bei Electric Energieforschungsinstitut.

„Es ist nicht so, dass der Himmel einstürzt oder so etwas“, sagte Key. „Wir bewegen uns in die richtige Richtung.“