In Anbetracht der Energiewende und der wachsenden Anteile volatiler Energie aus erneuerbaren Quellen stellt die Stabilität des Stromnetzes einen zentralen Faktor für die zukünftige Stromversorgung dar. Im Newsletter “Transparent #21” erläutern die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) verschiedene Maßnahmen, um diese Stabilität auch unter veränderten Bedingungen zu gewährleisten. Hier eine genauere Betrachtung der geforderten Anpassungen:
Anpassung der Anforderungen an Erzeugungsanlagen und Großverbraucher
Um netzdienliches Verhalten zu fördern, ist die Anpassung technischer Anforderungen an Erzeugungsanlagen und Großverbraucher nötig. Dies bezieht sich beispielsweise auf deren Fähigkeit, bei der Frequenzhaltung mitzuwirken oder auf Netzsignale zu reagieren, um so das Netz stabil zu halten.
Erzeugungsanlagen und Großverbraucher besitzen die Fähigkeit, bei der Frequenzhaltung zu assistieren, indem sie permanent die Netzfrequenz überwachen und darauf basierend ihre Einspeisung oder Entnahme von Strom anpassen. Technisch gesehen ist es nicht übermäßig kompliziert, die Frequenz zu überwachen. Moderne Erzeugungsanlagen haben Systeme, die kontinuierlich die Netzfrequenz messen und in der Lage sind, ihre Leistung entsprechend anzupassen, um entweder die Frequenz zu stützen oder bei Bedarf zu drosseln.
Die Anlagen arbeiten dafür nicht ständig an ihrer maximalen Kapazität, sondern planen bewusst einen Puffer in ihrer Einspeisung bzw. Entnahme ein, der flexibel steuerbar ist. Diese Flexibilität ermöglicht es den Erzeugern, ihre Produktion gezielt zu verringern, wenn die Netzfrequenz ansteigt, und den Verbrauchern, ihre Entnahme zu erhöhen, wenn mehr Energie im Netz vorhanden ist als benötigt.
Netzdienliches Verhalten erreicht man also dadurch, dass sowohl Energieerzeuger als auch Großverbraucher proaktiv und in Echtzeit auf die Erfordernisse des Stromnetzes reagieren. Erzeuger vermindern bei einem Frequenzanstieg die Einspeisung im Rahmen des eingeplanten Puffers und helfen so, Überschuss zu vermeiden. Auf der anderen Seite können Verbraucher, wenn die Frequenz fällt und demnach ein Defizit an Strom herrscht, ihren Verbrauch innerhalb ihres Puffers reduzieren und damit zur Stabilisierung der Netzfrequenz beitragen.
Diese Wechselwirkung ist eine wesentliche Voraussetzung für den Erfolg der Energiewende. Ohne ein solches netzdienliches Verhalten könnten die Fluktuationen, die durch die zunehmende Eingliederung erneuerbarer Energien entstehen, die Stabilität des Stromnetzes gefährden. Indem wir Erzeugungsanlagen und Großverbraucher verpflichten, Teil des Lösungsprozesses zu sein, beschreiten wir einen Weg, der eine nachhaltige und zuverlässige Stromzukunft sichern kann.
Schaffung von Anreizen für die Bereitstellung von Momentanreserve und Blindleistung
Momentanreserve und Blindleistung sind entscheidend für die Frequenz- und Spannungsstabilität im Netz. Durch Anreize für die Bereitstellung dieser Dienste können ÜNB sicherstellen, dass ausreichend Reserven verfügbar sind, um Fluktuationen auszugleichen, die durch volatile Energieeinspeisungen entstehen.
Momentanreserve und Blindleistung sind zentrale Elemente, die die Frequenz- und Spannungsstabilität im Stromnetz aufrechterhalten. Momentanreserve bezieht sich auf die sofort verfügbare Leistung, die Aktivierung in Sekunden erlaubt, um plötzliche Ungleichgewichte zwischen Erzeugung und Verbrauch auszugleichen. Die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) können durch die Schaffung von Anreizsystemen sicherstellen, dass genügend Kapazitäten für Momentanreserve vorhanden sind, um die natürlichen Fluktuationen des Stromnetzes, die insbesondere durch die Integration volatiler erneuerbarer Energien wie Wind und Sonne entstehen, zu kompensieren. So wird eine kontinuierliche und sichere Stromversorgung gewährleistet.
Blindleistung ist eine Form der Energie, die benötigt wird, um elektrische Felder in Stromleitungen und Verbrauchsanlagen, wie Motoren und Transformatoren, aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Sie fließt zyklisch zwischen Quelle und Abnehmer hin und her und leistet keinen direkten Beitrag zu der Energie, die für Endverbraucher nutzbar ist, also der Wirkleistung. Dennoch ist sie essentiell für die Stabilität des Stromnetzes, da sie zur Aufrechterhaltung der Spannungsebenen und damit zur funkionierenden Übertragung und Verteilung der Energie benötigt wird.
Die Bereitstellung von Blindleistung kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Konventionelle Kraftwerke, wie Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerke, haben in der Regel die Möglichkeit, Blindleistung über ihre Generatoren zu liefern. Auch moderne Erneuerbare-Energie-Anlagen und bestimmte industrielle Lasten können mit der notwendigen Regeltechnik dazu beitragen, Blindleistung bereitzustellen. Zusätzlich gibt es spezielle Betriebsmittel wie Blindleistungskompensatoren, Phasenschiebertransformatoren und flexible Wechselstromübertragungssysteme (FACTS), die in der Lage sind, die benötigte Blindleistung zu erzeugen oder zu absorbieren.
ÜNBs erhalten Zugriff auf Blindleistung durch Verträge oder regulierungsbedingte Mechanismen, in denen festgelegt wird, wie und in welcher Menge die Blindleistung von den verschiedenen Anbietern bereitgestellt wird. Hier spielen Marktplätze für Systemdienstleistungen eine Rolle, auf denen Anbieter von Blindleistung diese Dienste anbieten und die Netzbetreiber diese entsprechend ihren Bedürfnissen kaufen können. Durch finanzielle Anreize oder regulatorische Vorgaben können ÜNB die Bereitstellung von Blindleistung nach Bedarf steuern und somit zu einer stabilen Stromversorgung beitragen.
Insgesamt ist die gezielte Bereitstellung von Blindleistung nicht nur notwendig, sondern wird zunehmend wichtiger in einem Stromnetz, das sich verstärkt auf erneuerbare Energien stützt. Die ÜNB tragen somit eine entscheidende Verantwortung, durch die Gestaltung von Anreizen und Rahmenbedingungen dafür zu sorgen, dass diese essenziellen Dienste in ausreichendem Maß zur Verfügung stehen.
Erweiterung von geplanten Gas- und Pumpspeicherkraftwerken für den Phasenschieberbetrieb
Pumpspeicher- und Gaskraftwerke haben die Fähigkeit, im sogenannten Phasenschieberbetrieb zur Stabilisierung der Spannung im Stromnetz beizutragen. Dieser Betrieb zeichnet sich dadurch aus, dass die Kraftwerke reaktive Leistung – die Blindleistung – liefern oder absorbieren können, was essenziell ist, um den Spannungswert im Netz unter verschiedenen Lastbedingungen konstant zu halten.
Historisch gesehen wurden vor allem spezialisierte Phasenschiebertransformatoren oder auch eigens dafür errichtete Phasenschieberkraftwerke eingesetzt, um Blindleistung zur Verfügung zu stellen oder zu kompensieren. Diese Phasenschieberkraftwerke, oft basierend auf Synchronmaschinen, sind dafür konzipiert, das Verhältnis zwischen Spannung und Strom, also die Phase, ohne eine signifikante Erzeugung oder Verbrauch von Wirkleistung anzupassen.
Ein Phasenschieber funktioniert auf der Grundlage eines Synchronmaschinengenerators, der so geregelt werden kann, dass er entweder induktive oder kapazitive Blindleistung ins Netz einspeist oder daraus aufnimmt. Induktive Blindleistung wird benötigt, wenn das Netz eher unterbelastet ist und zu viel kapazitive Blindleistung vorhanden ist, was bei einem Überangebot von Kabelnetzen der Fall sein kann. Im Gegensatz dazu wird kapazitive Blindleistung dann nötig, wenn ein Überschuss an induktiver Blindleistung vorherrscht, was typischerweise in Hochspannungsleitungen mit langen unbelasteten Strecken auftritt.
In einem Phasenschieberbetrieb stehende Gaskraftwerke oder Pumpspeicherwerke sind in der Lage, ähnlich wie dedizierte Phasenschieberkraftwerke, Blindleistung zu regulieren. Durch Anpassen des Erregungszustandes ihres Generators können sie aktiv in das Management der Netzspannung eingreifen. Dies ist insbesondere für die Stabilität des Netzes von Bedeutung, da Blindleistung nicht über weite Strecken transportiert werden kann und daher möglichst nah am Verbrauchsort bereitgestellt oder absorbiert werden muss.
Die flexible Steuerung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung ermöglicht es somit, die Netzspannung innerhalb der erforderlichen Grenzen zu halten und trägt wesentlich dazu bei, die Qualität der Stromversorgung trotz der fluktuierenden Einspeisung von erneuerbaren Energien zu sichern. Kraftwerke im Phasenschieberbetrieb sind daher bedeutende Komponenten in einem modernen und stabilen Energieversorgungssystem.
Errichtung zusätzlicher Kompensationsanlagen für stationäre und regelbare Blindleistung
Die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) erkennen die Notwendigkeit, neben den bereits vorhandenen Anlagen zusätzliche Kompensationsanlagen zur Unterstützung der Netzstabilisierung zu errichten. Solche Kompensationsanlagen spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Spannungsqualität im Stromnetz, indem sie überschüssige Blindleistung aufnehmen oder erforderliche Blindleistung bereitstellen, um Spannungsschwankungen, die durch veränderliche Lasten oder volatil einspeisende Energieerzeuger verursacht werden, auszugleichen .
Als weiterführende Kompensationsanlagen könnten unter anderem moderne Hochleistungs-Synchrongeneratoren, sogenannte STATCOMs (Static Synchronous Compensators), in Frage kommen. Diese gelten als fortschrittliche Blindleistungskompensatoren, die durch den Einsatz von Leistungselektronik im Bereich der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) verwendet werden, um im Netz erforderliche Blindleistungen dynamisch zu regeln .
Für Windkraftanlagen oder Photovoltaikanlagen sind besonders die „Grid-forming“-Stromrichterstechnologien von Bedeutung, um die Spannungsqualität im Netz zu stabilisieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen „Grid-following“-Stromrichtern, die auf ein stabilisierendes Signal aus dem Netz angewiesen sind, können „Grid-forming“-Stromrichter selbstständig das Netz stabilisieren, indem sie bei Bedarf Blindleistung liefern oder aufnehmen. In Kombination mit leistungsfähigen Regelungssystemen können diese Anlagen damit in Echtzeit auf veränderte Bedingungen reagieren und so zur Netzstabilität beitragen.
Folglich müssen Wind- und Solaranlagen mit solchen Stromrichtern ausgestattet sein sowie entsprechende Regel- und Steuerungstechnologien besitzen, um als Kompensationsanlagen dienlich zu sein. Diese Techniken ermöglichen es ihnen, nicht nur Energie zu erzeugen, sondern auch netzdienlich zu agieren und die Netzspannung zu stabilisieren, was insbesondere in einem Energiesystem mit hohem Anteil erneuerbarer Energieressourcen von großer Bedeutung ist. Die ÜNB können über entsprechende Marktmechanismen und Vergütungsstrukturen Zugriff auf diese Kompensationsdienste erhalten und so die Systemstabilität verbessern.
Erweiterung von Blindleistungsbetriebsmitteln um Kurzzeitspeicher bzw. zusätzliche Schwungmasse
Die Erweiterung von Blindleistungsbetriebsmitteln um Kurzzeitspeicher bzw. zusätzliche Schwungmassen ist eine innovative Maßnahme, die in Anbetracht eines stetig fluktuierenderen Stromnetzes durch den zunehmenden Anteil erneuerbarer Energien eine größere Rolle spielt. Durch die Integration von Kurzzeitspeichern, wie Batteriespeichern, oder die Erhöhung der Schwungmasse in Systemen kann die Reaktionsfähigkeit auf schnelle Änderungen in der Stromproduktion oder beim Stromverbrauch verbessert werden.
Stationäre Energiespeichersysteme (SESS), wie z.B. groß angelegte Batteriespeicher, sind in der Lage, Energie zeitweise zu speichern und bei Bedarf schnell wieder abzugeben. Dies ist besonders relevant, wenn es um die Kompensation von Blindleistung geht. SESS bieten die Möglichkeit, ins Netz eingespeiste Energie zu puffern und bei einer Unter- oder Überproduktion die Differenz auszugleichen. Dadurch wird eine stabilere Netzfrequenz und eine gleichbleibendere Spannungsqualität gewährleistet.
Kleine Heimspeicher können ebenfalls Teil dieser Lösung sein, indem sie bei Haushalten mit Solaranlagen, die der Eigenbedarfsdeckung dienen, als eine Art Mikro-SESS fungieren. Diese Heimspeicher können überschüssige Solar-Energie speichern, die während Zeiten geringen Bedarfs erzeugt wird, und sie zu Spitzenlastzeiten oder nachts zurück ins Hausnetz speisen, was die Netzbelastung reduziert und zur Stabilisierung des Gesamtnetzes beiträgt.
Allerdings bringt die Einbindung solcher Speichersysteme auch Nachteile für den Besitzer mit sich. Zum einen verringert sich durch den Zyklus von Laden und Entladen insbesondere bei Batteriespeichern die Lebensdauer des Speichermediums. Außerdem können Kosten für Wartung und eventueller Ersatz entstehen. Darüber hinaus erfordern manche Ausgleichsmechanismen für Regelenergie eine ständige Verfügbarkeit des Speichers, was die Nutzung für persönliche Anforderungen einschränken kann. Es gilt also, ein Gleichgewicht zwischen den Anforderungen des Netzes und den individuellen Bedürfnissen der Speicherbesitzer zu finden.
Suche nach alternativen Lösungen zur temporären Blindleistungsbereitstellung
Da der Bedarf an Blindleistung schwanken kann, sind alternative Lösungsansätze für die temporäre Bereitstellung von Blindleistung von Interesse.
Nutzung von Potentialen aus dem Verteilnetz zur Unterstützung der Netzstabilität
Nicht nur das Übertragungs-, sondern auch das Verteilnetz beinhaltet Potentiale, die für die Netzstabilität genutzt werden können, etwa durch dezentrale Erzeugungsanlagen, die netzdienliche Funktionen übernehmen. Das Verteilnetz und das Übertragungsnetz sind zwei wesentliche Bestandteile des Gesamtstromsystems, die jeweils unterschiedliche Funktionen und Verantwortlichkeiten haben.
Das Übertragungsnetz, manchmal auch als Hochspannungsnetz bezeichnet, ist für den überregionalen Transport von hohen Elektrizitätsmengen über weite Strecken zuständig. Es dient als Bindeglied zwischen den Erzeugern von Elektrizität, wie großen Kraftwerken, und den regionalen Verteilnetzbetreibern. Die Hochspannung, unter der der Strom hier transportiert wird, ermöglicht eine effiziente Übertragung mit minimierten Verlusten.
Im Gegensatz dazu besteht das Verteilnetz aus regionalen und lokalen Stromnetzen, die oft als Niederspannungs- und Mittelspannungsnetze kategorisiert werden. Diese Netze sind verantwortlich für die Verteilung des Stroms von den Übertragungsnetzen weiter an Endverbraucher wie Haushalte, kleinere Betriebe und kommunale Einrichtungen. Die Spannung wird schrittweise über Umspannwerke reduziert, um sichere und nutzbare Ebenen für den Endverbrauch zu erreichen.
In der heutigen Zeit haben Verteilnetze eine immer wichtigere Rolle bei der Stabilität der Übertragungsnetze inne. Dies liegt daran, dass eine wachsende Menge an dezentral erzeugtem Strom, hauptsächlich aus erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie, direkt ins Verteilnetz eingespeist wird. Die Verteilnetze tragen somit zur Gesamtstabilität bei, indem sie als Abnehmer für den lokal erzeugten Strom dienen, was die Übertragungsnetze entlastet. Zudem können fortschrittliche Verteilnetze, die mit Smart Grid-Technologien ausgestattet sind, durch ihre Reaktionsfähigkeit und Flexibilität das Übertragungsnetz bei der Frequenz- und Spannungsregelung unterstützen.
Zur Optimierung des Zusammenspiels zwischen Übertragungs- und Verteilnetzen könnte es sinnvoll sein, wenn die Übertragungsnetzbetreiber eine gewisse Eingriffsmöglichkeit in den Betrieb der Verteilnetze hätten. Dies würde es erlauben, die Netzstabilität über mehrere Netzebenen hinweg koordiniert zu managen, insbesondere wenn es darum geht, auf unvorhersehbare Ereignisse oder Schwankungen in der Einspeisung schnell reagieren zu müssen. Es handelt sich hierbei um eine komplizierte und technisch anspruchsvolle Aufgabe, die intensive Kooperation zwischen den verschiedenen Netzbetreibern erfordert, um die Stabilität und Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems insgesamt zu gewährleisten.
Überwachung der Systemstabilität durch ein kontinuierliches Monitoring
Regelmäßige Überwachung der Systemstabilität ist zur frühzeitigen Erkennung von Problemen unerlässlich und ermöglicht ein schnelles Eingreifen.
Begrenzung der Wirkleistungsübertragung und gezielte Entlastung von Transitkorridoren nach Fehlerereignissen
Schließlich müssen Maßnahmen zur gezielten Wirkleistungsübertragung und Entlastung von überlasteten Netzbereichen, insbesondere nach Störungen, evaluiert und umgesetzt werden.
Die Umsetzung dieser Forderungen ist eine komplexe Aufgabe, die eine enge Zusammenarbeit zwischen ÜNB, Politik, Industrie sowie Verbrauchern erfordert. Es geht um einen ganzheitlichen Ansatz, der neben dem Technischen auch regulatorische und marktwirtschaftliche Aspekte berücksichtigt, um eine sichere und zuverlässige Stromversorgung im Zuge der Energiewende zu sichern. “Transparent #21” macht klar, dass der Weg zu einer klimaneutralen und stabilen Zukunft des Stromnetzes konkrete, koordinierte und anspruchsvolle Maßnahmen erfordert .