Windräder sind ein zentraler Baustein der Energiewende – doch wie genau wird der erzeugte Strom eigentlich ins Wechselstromnetz eingespeist? Braucht man überhaupt Wechselrichter bei einem Windrad? Es ist doch eine rotierende Masse, perfekt für einen Drehstromgenerator – sollte man denken. Aber so einfach ist es nicht.
Denn das europäische Wechselstromnetz hat eine Nennfrequenz von 50 Hertz. Um sicherzustellen, dass diese Frequenz eingehalten wird, müssen Synchron-Drehstromgeneratoren mit einer festen Drehzahl laufen. In einem klassischen, fossil oder nuklear angetriebenen Kraftwerk wird das über die Dampfzufuhr zur Turbine geregelt. Der Generator läuft immer mit konstanter Drehzahl. Bei höherer Leistungsabgabe wird durch mehr Dampf das Drehmoment erhöht. Ungefähr so, als wenn man mit dem Auto bergauf fährt und dabei mehr Gas geben muss, um die Geschwindigkeit beizubehalten.
Wenn dieses Prinzip bei Windkraftanlagen angewendet wird, entsteht ein Problem: man kann nicht bei Bedarf “mehr Wind” geben. Der Wind weht immer so, wie er will.
Wenn man also einen Synchrongenerator mit fester Drehzahl an ein Windrad anschließt – was früher durchaus üblich war – dann muss man bei zu viel Wind künstlich drosseln und lässt Winderträge ungenutzt. Und bei zu wenig Wind muss die Anlage abschalten, obwohl vielleicht noch Erzeugung möglich wäre – aber eben nicht mit genügend Frequenz.
Schnell erkannte man, dass diese Art, Strom aus Wind zu erzeugen, viele Nachteile hat. Und deshalb werden heute drehzahlvariable Generatoren in Windkraftanlagen eingebaut. Diese erzeugen Wechselstrom – der aber die “falsche” Frequenz hat und deshalb gleichgerichtet wird. Wie bei Photovoltaikanlagen muss dieser Gleichstrom dann in einem Wechselrichter netzkompatibel gemacht werden.
Das hat natürlich einige Nachteile. Der offensichtlichste ist, dass Wechselrichter zusätzliche Kosten mit sich bringen. Darüber hinaus gewährleisten Wechselrichter keine “Trägheit”, so wie es echte rotierende Massen tun. Ein Synchrondrehstromgenerator verändert bei plötzlichen Lastwechseln seine Drehzahl nur allmählich. Das gibt Kraftwerksbetreibern die Möglichkeit, zu reagieren und die Netzfrequenz aufrecht zu erhalten. Ein Wechselrichter hingegen hat diesen physikalischen Schutzmechanismus nicht und schaltet im Fehlerfall oder bei Überschreitung bestimmter Toleranzwerte einfach ab.
Wenn das viele Wechselrichter gleichzeitig tun, ist die Systemstabilität gefährdet und es kann zu Stromausfällen kommen. Es wird vermutet, dass das ein Faktor beim Stromausfall auf der iberischen Halbinsel im Mai gewesen sein könnte.
Wechselrichter ermöglichen es, Wind nahezu jederzeit zu nutzen – unabhängig von festen Drehzahlen oder Windstärken. Die Integration ist komplexer geworden, aber auch intelligenter: Wechselrichter sind ein Schlüssel zur Energiewende.