Im Zuge der Energiewende verändert sich die Struktur der Stromerzeugung grundlegend. Mit dem Rückgang konventioneller Kraftwerke nimmt die im Netz vorhandene rotierende Masse ab. Dadurch fehlen zunehmend stabilisierende Eigenschaften, die bislang vor allem von Synchronmaschinen bereitgestellt wurden, wie sie etwa in konventionellen Kohle- oder Gaskraftwerken zum Einsatz kommen. Deshalb gewinnen netzbildende Regelungen für leistungselektronisch gekoppelte Erzeugungsanlagen wie Windenergieanlagen oder Batteriespeichersysteme an Bedeutung. Im Januar 2026 haben die Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland mit der marktgestützten Beschaffung von Momentanreserve begonnen. In diesem Markt wird die Bereithaltung von Momentanreserve abhängig von der Höhe der Verfügbarkeit vergütet. Vorrausetzung für die Teilnahme an diesem Markt ist die Erfüllung der Anforderungen, die im VDE FNN-Hinweispapier »Technische Anforderungen an Netzbildende Eigenschaften inklusive der Bereitstellung von Momentanreserve« beschrieben sind. Im Rahmen einer Messkampagne am Fraunhofer IWES wurden diese Anforderungen erstmals an einem Multi-MW-Batteriespeichersystem (BESS) geprüft.
Wie unterscheiden sich netzbildende Erzeugungseinheiten von herkömmlichen Anlagen?
Netzbildende Erzeugungseinheiten und Speicher unterscheiden sich von herkömmlichen Anlagen vor allem dadurch, dass sie Spannung, Frequenz und Phasenlage aktiv vorgeben und damit ein Netz selbst stabil erzeugen bzw. stützen können. Herkömmliche, netzfolgende Anlagen orientieren sich dagegen an einem bereits bestehenden Netz und speisen ihre Leistung in diese vorgegebene elektrische Umgebung ein. Ein elektrisches Netz, das überwiegend aus netzfolgenden Anlagen besteht, kann zu kritischen Stabilitätsproblemen führen.
Regelungstechnisch verhalten sich netzbildende Einheiten eher wie Spannungsquellen, während konventionelle netzfolgende Umrichter eher als Stromquellen arbeiten. Dadurch können netzbildende Anlagen auch in schwachen Netzen, im Inselbetrieb oder beim Schwarzstart wichtige Systemdienstleistungen übernehmen. Zudem können sie Momentanreserve bereitstellen, indem sie bei Abweichungen der Netzfrequenz sehr schnell Leistung aus Zwischenkreisen, Speichern oder gekoppelten Primärenergiequellen abrufen und so die Netzfrequenz stabilisieren. Ob diese Eigenschaften erfüllt werden, muss in der Praxis nachgewiesen werden.
Welche Art von Tests wurden durchgeführt und was macht die abgeschlossene Messkampagne besonders?
Die abgeschlossene Messkampagne am BESS setzt technologisch und methodisch neue Maßstäbe. Erstmals weltweit wurden die gesamten, zur Zertifizierung erforderlichen Tests gemäß des VDE FNN-Hinweispapiers »Technische Anforderungen an Netzbildende Eigenschaften inklusive der Bereitstellung von Momentanreserve, Version 2.1« in diesem Leistungsbereich mit einem Netzemulator ohne passive Lasten durchgeführt. Als Prüfling kam dabei ein BESS mit über 2 MW Leistung zum Einsatz. Die Kampagne zeigt, dass sich die Anforderungen des VDE FNN-Hinweises in einem Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL) Prüfaufbau dieser Leistungsklasse ohne Skalierung technisch verlässlich abbilden lassen. Damit ist auch die Machbarkeit dieses Ansatzes für zukünftige Qualifizierungs- und Nachweisverfahren bewiesen, bei dem echte Leistungshardware mit einer virtuellen Simulationsumgebung gekoppelt wird. So entsteht eine belastbare Grundlage für die Weiterentwicklung netzbildender Systeme und ihrer Integration in zukünftige Energiesysteme.
Welche Testinfrastruktur wurde zur Durchführung verwendet?
Im Rahmen der Messkampagne wurde zur Nachbildung des elektrischen Netzes der in Abbildung 2 dargestellte Netzemulator Mobile Grid verwendet. Dieser ist zur Entkopplung und zum Schutz des öffentlichen Verbundnetzes zwischen Prüfling und dem Netzanschlusspunkt angeschlossen.
Sämtliche Systemkomponenten sind in standardisierten Schiffscontainern untergebracht, wodurch der Netzemulator mobil ist und flexibel auch an anderen Standorten eingesetzt werden kann. Mobile Grid ist modular aufgebaut und besteht aus zwei spiegelbildlich aufgebauten Einheiten mit jeweils 14 MVA. Diese können entweder separat betrieben oder zu einem 28-MVA-System mit einer Kurzschlussleistung von 80 MVA gekoppelt werden. Für die abgeschlossene Messkampagne wurde eine der beiden Einheiten eingesetzt.
Im Kontext des PHIL-Prüfaufbaus stellt Mobile Grid die Schnittstelle zwischen Hardware und Software dar. Der Netzemulator ist in der Lage, verschiedene Netzkonfigurationen sowie typische Netzfehler zu emulieren, darunter symmetrische und asymmetrische Unter- und Überspannungsereignisse, Frequenzänderungen und Phasensprünge. Auf diese Weise kann die Einhaltung der Anforderungen an die Anlage systematisch überprüft werden. Die Umsetzung der Prüfungen basiert auf einem Fraunhofer IWES-internen Automatisierungssystem, das eine skalierbare Generierung und Durchführung von Testszenarien ermöglicht. Im Rahmen der abgeschlossenen Kampagne wurden auf dieser Grundlage binnen weniger Wochen mehr als 1.000 Tests erstellt und durchgeführt, wobei ca. 150 Tests Zertifizierungszwecken dienten. Neben den zuvor genannten konventionellen Fehlerfällen wurde dabei am Fraunhofer IWES erstmals auch ein sogenannter Inselnetz-Test realisiert.
Was versteht man unter einem Inselnetz-Test?
Ein Inselnetz-Test untersucht, ob eine Erzeugungsanlage oder ein Speichersystem nach der Trennung vom öffentlichen Netz in einen stabilen Inselbetrieb übergehen und diesen sicher aufrechterhalten kann. Dabei wird insbesondere geprüft, ob die Anlage einen stabilen Arbeitspunkt bei konstanter Spannung und Frequenz halten und zudem ein stabiles Verhalten bei Störungen sicherstellen kann.
Ein zentraler Aspekt des Tests ist der Übergang vom regulären Netzparallelbetrieb in den Inselbetrieb. Nach dem im VDE FNN-Hinweis beschriebenen Vorgehen wird dazu aus dem Netzparallelbetrieb heraus ein Kuppelschalter zum externen Netz geöffnet und auf eine ohmsche oder konstante Last umgeschaltet, die das fiktive Inselnetz repräsentiert. Abbildung 3 veranschaulicht einen im Rahmen der Messkampagne durchgeführten Test. Bei t = 49,85 s wird der Kuppelschalter zum emulierten öffentlichen Netz geöffnet und der Prüfling geht in den Inselbetrieb mit einer konstanten Last über. Wie zu sehen, reagiert das BESS quasi instantan mit einer Reduktion der Leistung, um den Leistungsbedarf der fiktiven Insel zu decken und erreicht nach einigen Sekunden eine stabile Spannung und Frequenz. So wird geprüft, ob der Prüfling auf eine sprungförmige Sollwertänderung unmittelbar reagieren kann.
Batteriespeichersysteme müssen in der Lage sein, spontan von Lade- in Entladebetrieb zu wechseln und dabei eine Leistungsänderung von 100 % zu bewältigen. Der Inselnetz-Test liefert damit wichtige Erkenntnisse darüber, ob eine Anlage auch bei Netztrennung oder in netzfernen Betriebszuständen sicher und stabil betrieben werden kann.
Was kommt als Nächstes?
Die Messkampagne am Fraunhofer IWES zeigt erstmals im Multi-MW-Maßstab, dass sich die Anforderungen an netzbildende Batteriespeichersysteme gemäß VDE FNN-Hinweis mithilfe eines realitätsnahen PHIL-Prüfaufbaus technisch verlässlich nachweisen lassen. Nach der erfolgreichen Durchführung aller am Prüfstand vorgesehenen Tests mit dem BESS erfolgen aktuell die Auswertungen der Messergebnisse seitens einer akkreditierten Zertifizierungsstelle, die simulativen Nachweise sowie der Zertifizierungsprozess durch das VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut. Damit könnte eines der ersten Angebote zur Teilnahme am Momentanreservemarkt an die Übertragungsnetzbetreiber übermittelt werden.
Als nächstes werden die gewonnenen Erkenntnisse in Spiegelgremien und in die Arbeit des FNN eingebracht, insbesondere zur Durchführung von Prüfungen im Multi-MW-Bereich sowie zur Auswertung ausgewählter Tests. Zugleich sollen die Testkonzepte netzbildender Regelungen in den Forschungsprojekten PRAKTISCH und ENGEL auf Windenergieanlagen angewendet und erprobt werden, wobei insbesondere mögliche Wechselwirkungen zwischen Umrichterregelung und mechanischen Komponenten sowie der Regelungen von Umrichtern von Hochspannungsgleichstromübertragungssystemen in Offshore-Windparks im Fokus stehen. Damit entsteht eine wichtige Grundlage, um netzbildende Systeme und die Bereitstellung von Momentanreserve als zentrale Bausteine für ein stabiles, erneuerbares Energiesystem in die Praxis zu überführen.
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