In diesem Beitrag möchte ich die EIT-Lecturer-Reihe mit Hanane Oudli, Gründerin und CEO von Hanane Global, sammeln/verlinken. Sie beleuchtet sehr wichtige und häufig noch zu wenig beachtete Aspekte der Energiewende und zeigt auf, wie damit umgegangen werden kann.
Wichtige Kernaussagen
- Die Energiewende verändert nicht nur den Kraftwerkspark, sondern auch die physikalischen Grundlagen des Stromnetzes.
- Die Modernisierung des Netzes betrifft daher nicht nur einzelne Komponenten, sondern das Zusammenspiel von Erzeugern, Speichern, Lasten, Schutzsystemen und Regelungen.
- Das Netz verändert sich – und die Ingenieurwissenschaft muss sich mit ihm verändern.
Teil 1: Grid Integration Challenges:
Renewable Penetration, Inertia, and the Rise of AI Data Center Load
Wenn das Stromnetz schneller, variabler und anspruchsvoller wird
Die Energiewende verändert nicht nur den Kraftwerkspark, sondern auch die physikalischen Grundlagen des Stromnetzes. Solar- und Windenergie wachsen weltweit zu zentralen Bestandteilen der Stromerzeugung heran. Gleichzeitig steigt der Strombedarf durch KI-Anwendungen und große Rechenzentren stark an.
Kernbotschaft: Damit treffen zwei Entwicklungen aufeinander: Die Erzeugung wird variabler, während die Nachfrage größer, dynamischer und weniger tolerant gegenüber Versorgungsunterbrechungen wird. Genau diese Kombination stellt Netzplanung, Netzbetrieb und Systemstabilität vor neue Aufgaben.
Erneuerbare Energien verändern die Netzlogik
Solar- und Windkraft sind für eine emissionsarme Energieversorgung unverzichtbar. Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken liefern sie jedoch keine jederzeit kontrollierbare Leistung.
Die Stromproduktion von Photovoltaikanlagen kann sich innerhalb weniger Minuten verändern, wenn Wolkenfelder durchziehen. Bei Windkraftanlagen hängt die Leistung von den Wetterbedingungen ab und kann sich über Stunden deutlich verändern. Kohle-, Gas- oder Wasserkraftwerke verfügen demgegenüber über eine planbare und steuerbare Erzeugung.
Mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien entstehen insbesondere vier Herausforderungen:
- Geringe Sichtbarkeit: Viele Dach- und Kleinanlagen sind dem Netzbetreiber nicht vollständig bekannt.
- Begrenzte zentrale Steuerbarkeit: Die Einspeisung zahlreicher dezentraler Anlagen lässt sich nicht wie die Leistung eines Großkraftwerks dispatchen.
- Prognoseunsicherheit: Wetterabhängige Erzeugung ist sowohl am Vortag als auch innerhalb des aktuellen Tages schwieriger vorherzusagen.
- Spannungs- und Power-Quality-Probleme: Besonders in den Randbereichen des Verteilnetzes kann eine hohe Photovoltaik-Einspeisung zu Herausforderungen führen.
Die Netzintegration erneuerbarer Energien ist deshalb nicht lediglich eine Frage zusätzlicher Erzeugungskapazität. Erforderlich sind ebenso bessere Messbarkeit, Kommunikation, Prognosen und Steuerungsmöglichkeiten.
Weniger rotierende Masse, schnellere Frequenzprobleme
Ein zweiter Schwerpunkt des Vortrags ist die sinkende Netzträgheit.
Konventionelle Generatoren besitzen große rotierende Massen. Diese speichern kinetische Energie und wirken bei einem plötzlichen Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch wie ein Stoßdämpfer: Wenn ein Kraftwerk ausfällt oder die Nachfrage unerwartet steigt, wird unmittelbar Rotationsenergie abgegeben. Dadurch verändert sich die Netzfrequenz zunächst vergleichsweise langsam.
Photovoltaikanlagen und viele moderne Windkraftanlagen werden dagegen über Leistungselektronik an das Netz gekoppelt. Sie verfügen daher nicht automatisch über dieselbe physikalische Rotationsmasse wie ein Synchrongenerator.
Sinkt die Systemträgheit, hat ein identisches Störereignis größere Folgen:
- Die Frequenz fällt schneller.
- Der Frequenzgradient, die sogenannte Rate of Change of Frequency (RoCoF), steigt.
- Schutzrelais und Erzeugungsanlagen können bei zu hohen Werten abschalten.
- Dadurch kann sich eine Störung unter Umständen kaskadenartig ausweiten. [Das ist beim Blackout 2025 auf der Iberischen Halbinsel passiert!]
Die Netzbetreiber reagieren darauf unter anderem mit RoCoF-Grenzwerten und neuen Anforderungen an die bereitzustellende Systemträgheit. Batteriespeicher und netzbildende Wechselrichter können künftig eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung sogenannter synthetischer Trägheit spielen. Siehe nächsten Vortrag.
KI-Rechenzentren werden zu netzrelevanten Großverbrauchern
Auf der Verbrauchsseite entsteht durch künstliche Intelligenz eine neue Klasse von Großlasten. Das Training und der Betrieb großer KI-Modelle benötigen erhebliche und kontinuierliche Rechenleistung. In vielen Regionen zählen KI-Rechenzentren bereits zu den größten neuen Lasten, die an das Stromnetz angeschlossen werden sollen.
Diese Lasten unterscheiden sich in mehreren Punkten von herkömmlichen Industrie- oder Gewerbeverbrauchern:
| Eigenschaft | Bedeutung für das Stromnetz |
|---|---|
| Große Leistung | Eine einzelne Anlage kann den Strombedarf einer kleineren Stadt erreichen. |
| Dauerbetrieb | Rechenzentren benötigen eine nahezu unterbrechungsfreie Versorgung. |
| Hohe Empfindlichkeit | Spannungseinbrüche oder Frequenzabweichungen können empfindliche IT-Systeme beeinträchtigen. |
| Schnelle Laständerungen | KI-Trainingslasten können ihre Leistungsaufnahme schnell und stark verändern. |
Damit entstehen für Netzbetreiber nicht nur Fragen der Anschlussleistung. Ebenso wichtig sind die Auswirkungen auf Spannungsqualität, Frequenzverhalten und die Planung von Reservekapazitäten.
Versorgung und Nachfrage entwickeln sich gegensätzlich
Die zentrale Systemspannung des Vortrags liegt in der Verbindung beider Entwicklungen:
- Auf der Erzeugungsseite nimmt die Variabilität zu.
- Auf der Verbrauchsseite wachsen große, sensible und schnell reagierende Lasten.
- Gleichzeitig nimmt die klassische rotierende Systemträgheit ab.
Das Stromnetz muss somit Schwankungen auf der Erzeugungsseite bewältigen und zugleich Verbraucher versorgen, die sehr hohe Anforderungen an Verfügbarkeit und Power-Quality stellen. Die Modernisierung des Netzes betrifft daher nicht nur einzelne Komponenten, sondern das Zusammenspiel von Erzeugern, Speichern, Lasten, Schutzsystemen und Regelungen.
Simulation wird zum unverzichtbaren Planungsinstrument
Ein wichtiger praktischer Punkt des Vortrags ist die Rolle von Netzsimulationen. Kritische Störfälle können nicht einfach im realen Stromnetz ausprobiert werden. Ingenieure modellieren daher Generatoren, erneuerbare Anlagen, Verbraucher und Regelungssysteme in digitalen Netzmodellen.
Dabei werden zwei Modellierungsansätze unterschieden:
RMS-Simulation
RMS- beziehungsweise Phasor-Domain-Simulationen eignen sich für langsamere und großräumige Stabilitätsuntersuchungen. Sie betrachten Vorgänge im Bereich von Sekunden bis Minuten, beispielsweise:
- Frequenz- und Winkelstabilität.
- Reaktionen großer Netzbereiche.
- Verhalten nach dem Ausfall eines Kraftwerks.
- Auswirkungen unterschiedlicher Erzeugungs- und Lastszenarien.
EMT-Simulation
EMT-Simulationen, also elektromagnetische Transientensimulationen, bilden schnelle Vorgänge wesentlich detaillierter ab. Sie arbeiten im Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden und sind besonders relevant für:
- Wechselrichterdynamik.
- Fehler- und Kurzschlussverhalten.
- Schnelle Frequenz- und Spannungsvorgänge.
- Die Untersuchung von Trägheit und Schutzreaktionen.
In den Modellen können reale Störereignisse nachgebildet werden, etwa der plötzliche Ausfall eines Generators. Anschließend lässt sich untersuchen, wie sich das Netz bei unterschiedlicher Durchdringung mit Erneuerbaren oder bei verschiedenen Lastprofilen von KI-Rechenzentren verhält.
Die Ergebnisse können Entscheidungen über Netzanschlussregeln, Speichergrößen und den Einsatz netzbildender Technologien unterstützen. Simulation dient damit nicht nur der nachträglichen Fehleranalyse, sondern der proaktiven Risikoreduzierung.
Fazit
Der Vortrag zeichnet das Bild eines Stromnetzes im strukturellen Wandel. Erneuerbare Energien machen die Einspeisung variabler und teilweise schwerer sichtbar, während der Rückgang konventioneller Generatoren die natürliche Netzträgheit reduziert. Gleichzeitig entstehen mit KI-Rechenzentren große, dauerhafte und hochsensible Stromlasten.
Die zentrale Botschaft lautet daher: Die Energiewende kann nicht allein durch den Zubau von Erzeugungsanlagen bewältigt werden. Netzbetreiber und Planer benötigen bessere Sichtbarkeit, neue Stabilitätsmechanismen, angepasste Netzregeln und leistungsfähige Simulationsmodelle.
Oder, in der prägnanten Formulierung der Folien: Das Netz verändert sich – und die Ingenieurwissenschaft muss sich mit ihm verändern.
Zuletzt aktualisiert am 21. August 2026 um 17:49
