Das Netz in der Waage halten

Technik Smart Energy

Virtuelle - Kraftwerke Dezentrale Strukturen und intelligentere Netze, die sich zu einem Großteil aus Erneuerbaren speisen, werden immer mehr Realität. Wenn die grüne Energie künftig gemeinsam gesteuert und vermarktet wird, lassen sich die Herausforderungen für das Netz lösen, so die Wissenschaftler am Fraunhofer IWES. Sie erforschen in verschiedenen Projekten den Einsatz der Kombikraftwerke. Das Thema an sich ist auch in der Praxis angekommen. Schon heute liefern die Anlagen ihren Beitrag zur Systemstabilität. Verschiedene Anbieter machen erste Erfahrungen.

28. Mai 2013

Anders als herkömmliche, auf eine Energiequelle zugeschnittene Kraftwerke sind virtuelle Kraftwerke eine Softwareplattform, auf der unterschiedliche regenerative Energieerzeuger, Energiespeicher und Verbraucher miteinander vernetzt, überwacht und koordiniert werden.

»Es ist der Dreh- und Angelpunkt für die dezentrale Energieversorgung von morgen«, so Florian Schlögl vom Fraunhofer IWES. Er war Projektleiter der Regenerativen Modellregion Harz. Dort wurden im Rahmen der E-Energy-Initiative in einem virtuellen Kraftwerk unter anderem Windparks, PV-Anlagen sowie Biogasanlagen in ein System integriert.

Als simulierte Speicher haben die Partner ein Pumpspeicherkraftwerk und Elektrofahrzeuge dazu geschaltet. Das Kraftwerk kann Mess- und Zählerdaten in Echtzeit erfassen, anhand von Erzeugungs- und Lastprognosen Fahrpläne für die Energieversorgung erstellen und mit dem Strom an Energiemärkten handeln.

Die Schaltstelle des virtuellen Kraftwerks ist die Leitwarte, ein Steuerungssystem mit grafischer Benutzeroberfläche, die den Backend-Server des Kraftwerks mit dem Bediener verbindet. Alle wichtigen Informationen wie Leistung der Erzeuger, Speicherstand, Wind- und Solarleistungsprognosen oder der aktuelle Stand an der Strombörse laufen hier zur Analyse und Weiterverarbeitung zusammen.

Die Leitwarte übernimmt zwei Rollen: Sie verwaltet und überwacht die zusammen geführten Anlagen. Und sie vermarktet die erzeugten Energiemengen. Tauchen Fehler im Betrieb des im Regelbetrieb autonomen Kraftwerks auf oder werden besondere Interaktionen nötig, zum Beispiel Optimierungen im Fahrplan oder die Bestätigung von Stromgeschäften, gibt sie dem Bediener Entscheidungshilfen.

Wichtiger Beitrag Systemdienstleistungen

»Dass der Strom auch künftig zuverlässig mit einer Spannung von 230 Volt und einer Frequenz von 50 Hertz beim Nutzer ankommt, dieser Herausforderung müssen sich die Erneuerbaren künftig stellen«, sagt Kaspar Knorr, Leiter des Forschungsprojekts Kombikraftwerk2 am IWES.

In den nächsten drei Jahren wollen die Forscher in dem Projekt untersuchen, wie ein rein regeneratives Stromversorgungssystem funktionieren könnte und wie die einzelnen Anlagen über Deutschland verteilt sein könnten. Sie ermitteln auch den Bedarf an Systemdienstleistungen wie Frequenz- und Spannungshaltung. Denn die erneuerbaren Energiequellen werden vermehrt zu Systemdienstleistungen beitragen müssen.

An manchen Tagen des Jahres übernimmt die Stromerzeugung aus Sonne, Wind, Biomasse, Wasser und Geothermie heute in Deutschland schon mehr als die Hälfte der anfallenden Last. Im bisherigen, auf wenige zentrale Produzenten ausgelegten System sorgten vor allem konventionelle Kraftwerke für die Voraussetzungen für die Netzstabilität.

Das Projekt besteht aus zwei Bereichen: Zum einen aus dem entwickelten virtuellen Kraftwerk, zum anderen aus den Simulationen einer Stromerzeugung mit 100% erneuerbarer Energie-Anlagen. Für das Kraftwerk haben die Wissenschaftler schon Regelungs- und Nachweiskonzepte zur Frequenzhaltung entwickelt, geeignete Anlagen identifiziert und an die zentrale Leitwarte angeschlossen.

Was jetzt noch aussteht ist die Demonstration der Regelleistungserbringung. »Das virtuelle Kraftwerk des Kombikraftwerks2 ist das erste seiner Art, das Regelleistung aus einem Verbund von Wind-, Solar- und Bioenergieanlagen erbringt. Mit Wind- und Solaranlagen wurde diese noch nie bereitgestellt. Hier haben wir ein neues Nachweisverfahren entwickelt, das wir im Projekt umsetzen«, erläutert Knorr. Insgesamt sind zwei Windparks mit insgesamt 52MW eingebunden. Dazu kommen drei Biogasanlagen mit insgesamt sieben BHKW und 2,2MW sowie ein Verbund von PV-Anlagen mit 66 Wechserichtern und 1MW. Alle Anlagen werden aktiv gesteuert.

»Die Übertragungstechniken, Sicherheitskonzepte und Kommunikationsprotokolle der Anlagen unterscheiden sich stark.« So liegen UMTS-, DSL- und Satellitenübertragung vor, welche alle ausreichend schnell sein müssen. Zu den Sicherheitskonzepten zählen Websecure und SSL, »das virtuelle Kraftwerk ist diesbezüglich teils VPN-Client, teils aber auch VPN-Server«. Kommunikationsprotokolle sind OPC-XMLDA, IEC61850 und Proprietäre-Protokolle.

Lokales Phänomen abbilden

Die Software des Kraftwerks aus dem Harz wird für das Kombikraftwerk2 teils übernommen und um Netzstabilisierungsfunktionen erweitert. Die Projektpartner – darunter Siemens, Cube Engineering, Enertrag, SMA und Ökobit – wollen so Möglichkeiten ermitteln, wie die Anlagen die zur Netzstabilität nötigen Dienstleistungen erbringen können. »Das im Projekt entwickelte Kraftwerk muss außerordentlich schnell auf Frequenzänderungen reagieren. Die nötigen hohen Datenübertragungsraten im Sekundenbereich stellen die größte Herausforderung an die Steuerung und Übertragungstechniken der Anlagenanbindung dar.«

Heutige virtuelle Kraftwerke agieren üblicherweise viel langsamer, etwa im Minutentakt. »Wir brauchen jedoch die hohen Geschwindigkeiten um zu zeigen, dass erneuerbare Energien die Frequenzhaltung bewerkstelligen können, die wichtig für die Stabilität des Netzes ist«, so Knorr weiter.

Neben dieser Herausforderung an das Kraftwerk verfolgen die Forscher auch mit den Simulationen des 100%-Szenarios ehrgeizige Ziele. »Zum Beweis der Machbarkeit einer rein regenerativen Stromversorgung Deutschlands muss diese sehr detailliert modelliert werden. Wir bilden daher in unserer digitalen Energielandschaft der Zukunft fast alle erneuerbaren Technologien, Energiespeicher, Stromverbraucher und das Höchstspannungsnetz standortgenau ab«, erläutert Knorr. »Wir brauchen diese hohe räumliche Auflösung, um unter anderem die künftige Spannungsstabilität abzuschätzen, die ein lokales Phänomen ist.«

Die Wissenschaftler haben mit historischen Wetterdaten und Algorithmen zum Einsatz von Energiespeichern und steuerbaren Erzeugern die Stromflüsse im Höchstspannungsnetz des 100%-EE-Stromversorgungssystems berechnet. Die Stromflüsse geben Aufschluss, wo und zu welchen Zeiten es künftig zu Problemen bezüglich der Netzstabilität kommen kann. »Wir kennen aber auch die Potenziale der Erneuerbaren, diesen Problemen entgegenzuwirken, also den Bedarf an Systemdienstleistungen zu decken.« So haben die Forscher etwa für die Regelleistung eine neue Bedarfsdimensionierung entwickelt. »Unsere Ergebnisse zeigen, dass durch die Anwendung der dynamischen Bedarfsdimensionierung der durchschnittliche Bedarf an Regelleistung gegenüber heute nicht ansteigen wird.«

Das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) bietet gerade Betreibern von steuerbaren regenerativen Energieerzeugungsanlagen eine Vielzahl von Möglichkeiten, mehr aus ihrer bestehenden Anlage herauszuholen. Verschiedene Anbieter auf dem Markt geben hier Betreibern die Möglichkeit, an der Direktvermarktung teilzunehmen und im Anlagenverbund Mehrerlöse zu generieren oder am Regelenergiemarkt teilzunehmen.

»Virtuelle Kraftwerke liefern schon heute einen wichtigen Beitrag zur System- und Marktintegration erneuerbarer Energien«, so Alexander Küppers, Projektleiter virtuelles Kraftwerk Statkraft. Das Unternehmen hat 8.300 MW erneuerbaren Stroms in der Direktvermarktung. Davon sind rund 2.870 MW Wind fernsteuerbar in einem virtuellen Kraftwerk integriert. »Aufgrund der Dominanz dezentraler Energieversorgung müssen zukünftig Angebot und Nachfrage größtenteils über solche Kraftwerke intelligent geregelt werden.« Derzeit arbeite man an technischen Lösungen, um mit fluktuierenden erneuerbaren an den Regelenergiemärkten teilzunehmen. »Allerdings müssen hierfür die regulatorischen Voraussetzungen erst noch geschaffen werden. Damit rechnen wir leider nicht vor 2014/2015.«

Auch die RWE Energiedienstleistungen integriert Anlagen wie etwa Biogas-BHKW von Kunden in ihr virtuelles Kraftwerk und ermöglicht diesen die Direktvermarktung. Seit dem 1. April 2013 ist der Dienstleister zudem mit seinem Kraftwerkspool auf dem Regelenergiemarkt aktiv und bietet Minutenreserve an. Beteiligte Kunden-Anlagen werden bei schwacher Energienachfrage aus dem Netz genommen. So wird die Stabilität der Netze sichergestellt. Dabei erhält der Kunde bereits dann Erträge, wenn er seine Anlage nur zur Abschaltung zur Verfügung stellt. Weitere Erträge können zum Beispielgeneriert werden, wenn die Anlage des Kunden tatsächlich abgeschaltet wird.

Einspeiseprognose verbessert

»Wir gehen davon aus, dass in virtuellen Kraftwerken vernetzte Erneuerbare schon heute einen Anteil von circa zehn Prozent des Regelbedarfs im Bereich der Minutenreserve liefern«, so Hendrik Sämisch, Geschäftsführer Next Kraftwerke. Das Unternehmen bietet über seinen Pool positive und negative Regeleistung an. »Ein anderer Faktor, der meist übersehen wird, ist die Systemstabilisierung durch eine Verbesserung der Einspeiseprognosen, die durch solche Kraftwerke geleistet wird.

Im Verbund mit unserem kurzfristigen Intraday-Handel an der Epex Spot vermeiden wir durch die Glattstellung unseres Bilanzkreises Schwankungen im Stromnetz bereits im Vorfeld.« Das große Potenzial von steuerbaren Regenerativkraftwerken sowie von erdgasbefeuerten BHKW betont Daniel Hölder, Leiter Energiepolitik der Clean Energy Sourcing. »Die in Deutschland installierten Anlagen wären als Teilnehmer in virtuellen Kraftwerken in der Lage, den gesamten Bedarf an Regelleistung zu liefern.

Dieser Bedarf beläuft sich derzeit in der Minutenreserve und der Sekundärregelleistung auf zusammen je 4.600MW positiver/negativer Regelleistung und in der Primärregelleistung auf circa 600MW.« Das Unternehmen hat 2.300MW an Anlagen in der Direktvermarktung, 150MW an Biogas- und Biomasseanlagen nehmen am Regelenergiemarkt teil. Als weitere mögliche Einsatzfelder im Bereich der Systemstabilität nennt Hölder die Bereitstellung von Blindleistung und von Redispatch-Kapazitäten, aber auch der Einsatz in der sogenannten Winter- oder Kaltreserve sei ein denkbarer Ansatz.

Virtuelle Kraftwerke müssen genau wie konventionelle ständig weiterentwickelt werden, so Sämisch. So habe man 2012 daran gearbeitet, die technisch anspruchsvolle Sekundärreserve bedienen zu können, »was uns inzwischen gelungen ist«. Auch die Integration der Stromnachfrageseite – Demand Side Management und Abschaltverordnung – wird wichtiger. »Hier gilt es auch, die Strombeschaffung der Industrie mit ins Auge zu fassen, denn im kurzfristigen Stromhandel liegt viel Potenzial für Kosteneinsparungen und für die Netzentlastung.«

»Dezentralität und Kleinteiligkeit sind die großen Stärken virtueller Kraftwerke. Der Ausfall einer einzelnen Anlage fällt kaum ins Gewicht, der Defekt eines Großkraftwerkes kann dagegen die gesamte Systemstabilität ins Wanken bringen«, sieht Hölder die Vorteile. »Allerdings laufen auch bei so einem Kraftwerk die Fäden an einer Stelle zusammen. Eine robuste und ausfallsichere IT- und Kommunikationslösung sind für den stabilen Betrieb unverzichtbar.«

Erschienen in Ausgabe: 05/2013