Allerede i 2007 viste forløperprosjektet Kombikraftwerk 1 at fornybar kraft kunne dekke hele Tysklands strømbehov.
I tre år har forskningsprosjektet Kombikraftwerk 2 forsket på nettstabilitet og sikkerhet i en situasjon der all strømmen kommer fra fornybare kilder.
Prosjektet, ledet av forskningsinstituttet Fraunhofer IWES, tok utgangspunkt i et framtidsscenario hvor 53 prosent av kraften kommer fra vind og 20 prosent fra solen. 10 prosent skulle komme fra bioenergi og resten fra vannkraft og geotermiske kraftverk.
Dette scenarioet ble koblet sammen med værdata og forbrukstall, slik at det ble dannet et bilde av kraftproduksjon og kraftoverføring for hver av årets 8760 timer.
Stabil frekvens
Konklusjonen av forskningen er nå klar, og viser at både spennings- og frekvenskvaliteten Tyskland har i dag kan opprettholdes selv uten bruk av kullkraft, fossil gasskraft og kjernekraft.
– Våre forsøk har vist at de fornybare kildene ikke bare alltid vil levere nok energi, men at de også kan sørge for en stabil spenning og frekvens, sier fungerende instituttleder ved IWES Kassel, Kurt Rohrig.
Selv om det er teknisk mulig, forutsetter det imidlertid at en del markedsmekanismer og reguleringer som i dag er tilpasset et fossilt kraftsystem, endres for å bli bedre tilpasset fremtiden.
Les også: Opptil halvparten av Tysklands effektbehov dekkes av solkraft. I mars blir det solformørkelse
Roterende masse
De største raske frekvensendringene kommer ved plutselige utfall av et stort kraftverk. Derfor tok prosjektet utgangspunkt i situasjonen der det største kraftverket i Europa faller ut.
Umiddelbart etter utfallet vil den manglende energien i systemet bli kompensert ved den roterende massen i de store termiske kraftverkene (kull, gass, kjernekraft) og vannkraftverkene, slik at frekvensfallet blir forsinket.
Etter denne passive stabiliseringsmekanismen må man innen få sekunder få primærregulering fra andre kraftverk. Disse må mate inn mer effekt, slik at frekvensen stabiliserer seg.
Les også: Gjennomsiktig solcelle lager strøm av usynlig lys
Raskere reaksjonstider
Om dagens krav i om regulerkraft innen 30 sekunder videreføres, vil frekvensen ved et simulert kraftverksutfall ofte synke altfor lavt om hele systemet skal baseres seg på fornybar kraft.
Årsaken er at produksjonskapasitet som er knyttet til nettet med vekselrettere, som vind- og solkraft, slik nettet drives i dag ikke gir nettet noen roterende masse.
I prosjektet ble det imidlertid simulert svært mye raskere reaksjonstider for solkraft, vindkraft, hydrogenproduksjon og batterier knyttet til nettet. Det løste problemet. Men for å kunne oppnå disse raske reaksjonstidene, må det regulatoriske rammeverket for regulerkraft endres.
«Teknisk sett er den raske reaksjonstiden ved de nevnte anleggstypene allerede i dag til stede, og gjør det mulig for fornybar energi å kompensere for den manglende roterende massen. Med dette tiltaket kunne en stabil og pålitelig frekvens oppnås i simuleringene for alle tidspupnktene også når den største feilen i systemet skulle oppstå», heter det i rapporten.
Les også: Denne flytende havvindmøllen kan bli sjøsatt i Norge
Dynamisk regulering
I tillegg til primærregulering, trenger systemet også sekundærregulering. Den kobles inn når ubalansene varer i flere minutter, og frigjør primærreguleringsressursene for regulering av nye ubalanser.
I et helt fornybart kraftsystem som til tider får kraften utelukkende fra sol- og vindkraft, kommer svingningene til å bli større.
Det vil gjøre at behovet for sekundærregulering dobles sammenlignet med hva vi ser i dag, ifølge rapporten. Det vil bli dyrt å skaffe til veie.
I dag blir sekundærreguleringen skaffet til veie tre måneder i forveien.
Med et fornybart kraftsystem basert på vind- og solkraft vil det ifølge rapporten være bedre å innføre et såkalt dynamisk regulerkraftsystem som dimensjoneres hver dag ut fra produksjonsprognosene for hver time den påfølgende dagen.
Les også: Ny verdensrekord for vindmølle: 192.000 kWh på et døgn
Håndterbar spenning
I tillegg til frekvensen er spenningen i nettet avgjørende for kraftoverføringen. Spenningen skal ikke være mer enn ti prosent høyere eller lavere enn hva nettet er designet for.
For å motvirke spenningssvingningene i vekselstrømnettet, må det være reaktiv effekt tilgjengelig. I dagens kraftsystem har de store kraftverkene denne oppgaven. Men det går ifølge analysen fint å skaffe nok reaktiv effekt til veie ved at ulike mindre kraftverk interagerer.
Det er imidlertid viktig at fornybaranleggene kobles til nettet på høyest mulig spenningsnivå. I tillegg vil det være en fordel å ha en viss andel større fornybaranlegg eller lagerkapasitet som batterier eler reservekraftverk.
Noen steder kan man også brukes egne anlegg som skaffer til veie reaktiv effekt, for eksempel fra nedlagte kraftverk, ifølge rapporten.
Les også:
Smart lading av elbiler skal kutte kapasitetsbehovet med 25 prosent
Rapport: Alle nybygg bør bygges 100 prosent «energifleksible»
