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Stromnetze & Smart Grids

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Strom bedarfsgerecht steuern

Text: Martin Kramer, RWE Deutschland Fotos: RWE Deutschland
Eine stark wachsende Zahl dezentraler Erzeugungsanlagen muss in die Stromverteilnetze eingebunden werden. Dabei sollen die volkswirtschaftlichen Kosten für dezentral erzeugte Energie begrenzt werden. Für die Netz- und Marktintegration werden daher Lösungen gesucht - eine davon ist ein virtuelles Kraftwerk.

Eine Reihe von Gesetzen hat den Umbau der Energieversorgung in Deutschland angestoßen. Maßgeblich darunter ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), mit dem Anreize für den Ausbau der dezentralen Energieversorgung geschaffen wurden und zwar im Wesentlichen, indem die erzeugten Energiemengen unabhängig von der örtlichen oder der zeitlichen Bedarfssituation vergütet werden. Berücksichtigt man die konkrete Netzsituation beim Einspeisen und beim Übertragen des Stroms sowie den Bedarf an den Energiemärkten, bietet es sich an, die dezentrale Erzeugung zu strukturieren. Hier können virtuelle Kraftwerke als eine technisch erprobte Lösung zum Einsatz kommen.

Ausgangssituation und Gesetze

Seit dem Jahr 2000 wird in Deutschland der Ausbau der dezentralen Stromerzeugung mit Hilfe von neuen Konzepten und veränderten regulatorischen Rahmenbedingungen durch die Politik vorangetrieben.

Dementsprechend wurden Vorgaben und Gesetze verabschiedet, wie zum Beispiel für den Ausbau der erneuerbaren Energien (EEG seit 2000), für die Kopplung von Strom- und Wärmeerzeugung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz, KWKG seit 2002) sowie für den grundsätzlichen Umbau der Energieversorgung in Deutschland (Bundesregierung: Eckpunktepapier IEKP 2007, Energiekonzept 2010 und Beschlüsse zur Energiewende 2011).

Inzwischen hat der Ausbau der dezentralen Erzeugung ein Ausmaß erreicht, das ein Umdenken erfordert. Die Aufnahme- und Transportfähigkeit der Netze für dezentral erzeugten Strom ist nicht ohne Weiteres gegeben. Die volkswirtschaftlichen Kosten des mehr oder minder ungebremsten Ausbaus von EEG-Kapazität erreichen das Bewusstsein der Allgemeinheit. Deshalb werden vor allem beim Einsatz der erneuerbaren Energien vermehrt Maßnahmen für eine bessere Netzintegration sowie für eine einfachere Marktintegration gefordert.

Leichtere Marktintegration bedeutet, die dezentrale Energieerzeugung stärker am Verbrauch auszurichten, das heißt an der Bedarfssituation der Energiemärkte. Wünschenswert wäre das Bündeln von dezentralen Erzeugungsanlagen in Anlagenpools und eine automatisierte Steuerung dieser Pools mit ihren Einzelanlagen in einer bedarfsabhängigen Fahrweise.

Eine verbesserte Netzintegration ist erforderlich, da die vermehrt dezentralisierte Stromerzeugung den Energiefluss zunehmend umkehrt. Das bedeutet, dass die Hauptstromflussrichtung nicht länger nur vom Großkraftwerk über die hohen, mittleren und niederen Spannungsebenen zu den Verbrauchern führt, sondern dass vermehrt eingespeister Strom von der Niederspannungsebene in die überlagerten Spannungsebenen abgeführt werden muss. Aus dieser Situation resultiert der Wunsch der Verteilnetzbetreiber nach mehr Transparenz über die Stromflüsse in allen Netzebenen sowie nach einer Beteiligung der dezentralen Erzeugungsanlagen an den Netz- und Systemdienstleistungen für die Netzbetreiber.

Die Idee des virtuellen Kraftwerks

Das virtuelle Kraftwerk stellt eine erprobte Möglichkeit dar, dezentrale Erzeugungsanlagen, Verbraucher und Speicher kommunikationstechnisch zu vernetzen, ihr Angebot und ihre Nachfrage zu bündeln und nach außen als größere Einheit auftreten zu lassen (siehe Abbildung oben). Bei RWE Deutschland wurde schon im Jahre 2007 die Projektidee des virtuellen Kraftwerks entwickelt. Im Jahr 2008 wurde gemeinsam mit dem Projektpartner Siemens das Demonstrationsprojekt Provipp (Professional Virtual Power Plant) gestartet. In diesem Projekt wurden in einem ersten Schritt neun Laufwasserkraftanlagen im Sauerland zu einem virtuellen Kraftwerk verbunden (siehe Abbildung Seite 171).

Mit diesem Aufbau wurde die Funktionsfähigkeit des Energiemanagementsystems getestet, das den Anlagenverbund steuert. Des Weiteren wurde das Anbinden der Erzeugungsanlagen an das virtuelle Kraftwerk mit Fernwirkgeräten sowie das Übertragen der Daten zwischen den Anlagen und der Zentrale mit Hilfe der Mobilfunktechnik getestet.

Parallel zu dem Technikprojekt wurden in mehreren Studien verschiedene Einsatzmöglichkeiten für virtuelle Kraftwerke untersucht und daraus geeignete Geschäftsmodelle abgeleitet. Zum Beispiel wurde 2009 gemeinsam mit der Bitburger Brauerei das Bündeln abschaltbarer industrieller Lasten bewertet. Im Jahr 2010 wurde gemeinsam mit Daikin Europe eine Studie zum Bündeln abschaltbarer Lasten in Gewerbeimmobilien durchgeführt. Gleichzeitig wurde das Demonstrationsprojekt mit Siemens um mehrere Netzersatzanlagen und ein Blockheizkraftwerk erweitert.

Auf der Basis dieser Projekt- und Studienergebnisse wurden im Jahr 2011 unterschiedliche Produktkonzepte erarbeitet. Diese konnten Anfang 2012 erstmalig in einem marktfähigen Vertriebsprodukt umgesetzt werden.

Chancen für alle Beteiligten

Das virtuelle Kraftwerk bietet daher mit den praktischen Erfahrungen erstmals die Möglichkeit, eine Vielzahl kleiner Stromerzeugungsanlagen zu einem Verbund zusammenzuschalten und automatisiert zu betreiben. Damit ist es für Anlagen im Leistungsbereich ab 300kW elektrischer Leistung nunmehr technisch möglich und wirtschaftlich, diese in der Leistungsvorhaltung oder in der Energiemengenvermarktung einzusetzen. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Anlagen überwacht, für den Vermarktungszeitraum prognostiziert und im Falle eines Vermarktungszuschlages abgerufen. Dies alles geschieht automatisiert durch das Energiemanagementsystem des Poolbetreibers.

Durch die sogenannte Online-Steuerung der Anlagen bietet sich der Einsatz von virtuellen Kraftwerken in der Direktvermarktung von dezentralen Erzeugungsanlagen an, aber auch beim Bereitstellen von Regelleistung für die Netzstabilität des Übertragungsnetzes oder im Bewirtschaften von Bilanzkreisen. Damit ergeben sich für alle Beteiligten Vorteile:

Der Anlagenbetreiber erhält einen Zugang zu den Energiemärkten, der für kleine Anlagen allein nicht gegeben oder wirtschaftlich ist. Der Betreiber des virtuellen Kraftwerks nutzt dafür technische und wirtschaftliche Synergieeffekte, die aus der Zusammenschaltung kleiner, dezentraler Kraftwerke entstehen. Der Bilanzkreisverantwortliche kann seine Erzeugungs- und Bezugsfahrpläne optimieren. Der Netzbetreiber kann Engpässe im Netz ausgleichen oder den Einsatz seiner Betriebsmittel optimieren.

Dezentralen Strom bedarfsgerecht erzeugen

Virtuelle Kraftwerke können in ihren unterschiedlichen Ausprägungen dazu beitragen, den Strom aus dezentralen Erzeugungsanlagen bedarfsgerecht bereitzustellen und wirtschaftlich zu vermarkten. Auch das Einbinden von Speichern und das Steuern des Verbrauchs werden zukünftig eine wichtige Rolle spielen.

Dazu ist es notwendig, die Technik der virtuellen Kraftwerke weiter zu entwickeln, um beispielsweise das wirtschaftlich sinnvolle Einbinden von Anlagen mit immer kleinerer Leistung zu ermöglichen. Hierzu gibt es mehrere Optimierungsansätze, die zurzeit verfolgt werden.

Dabei geht es zum einen darum, kostengünstige und hoch verfügbare, technische Komponenten zu entwickeln. Zum anderen liegt ein weiteres Optimierungspotenzial im Vereinfachen aller Prozesse, zum Beispiel durch den Abbau oder vereinfachte Schnittstellen zwischen den beteiligten Marktteilnehmern.

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