Allgemein erneuerbare Energien

Netzstabilität durch Regelleistung sicherstellen

Netzstabilität durch Energiespeicher

Stromerzeugung und Stromverbrauch im Gleichgewicht halten

Damit elektrische Verbraucher wie Computer, Haushaltsgeräte oder elektrische Maschinen problemlos funktionieren, sind sie auf eine zuverlässige Stromversorgung angewiesen. Wichtig ist, dass Spannung und Netzfrequenz stabil sind, damit zum Beispiel 230 V (Volt) an der Steckdose im Haushalt anliegen und der Wechselstrom genau 50 Mal pro Sekunde die Polarität wechselt. Hierfür müssen Stromerzeugung und Stromverbrauch im Gleichgewicht sein. Es geht dabei um die sogenannte Netzstabilität.

Ob dieses Gleichgewicht gewahrt ist, lässt sich an der Netzfrequenz ablesen: Unterschreitet sie 50 Hz (Hertz), wird weniger Strom erzeugt als verbraucht, überschreitet sie die 50-Hz-Marke, wird mehr Strom produziert als benötigt. Die Netzfrequenz ist also ein Indikator dafür, ob Erzeugung und Verbrauch gut ausbalanciert sind.

Regelleistung ist elektrische Leistung, die dazu dient, die Netzstabilität bei Abweichungen der Netzfrequenz wieder herzustellen. Das Bereitstellen der Regelleistung soll also die Netzfrequenz wieder auf 50 Hz regeln. Für Regelleistung gibt es einen speziellen Markt, an dem nur zugelassene Lieferanten teilnehmen dürfen: Die Ausschreibung erfolgt über eine Internetplattform (www.regelleistung.net – dort finden Sie auch eine Liste der für Regelleistung zugelassenen Anbieter sowie weitere Informationen zum Thema).

Das Stromsee-Modell: Es kommt auch auf den Pegel an

Wie das Gleichgewicht von Stromerzeugung und -verbrauch hergestellt werden kann und warum dies so wichtig ist, lässt sich leicht erläutern, wenn man sich das Stromnetz als See vorstellt, sämtliche Kraftwerke als zufließende Bäche und Flüsse und alle Stromverbraucher als abfließende Gewässer.

Der Stromsee wird aus verschiedenen Zuflüssen gespeist

Windkraft und Photovoltaik sind – zusammen mit Biomasse – die wichtigsten Lieferanten grünen Stroms.

Windkraft und Photovoltaik sind – zusammen mit Biomasse – die wichtigsten Lieferanten grünen Stroms.

Vielleicht haben Sie im Zusammenhang mit erneuerbarer Energie und Ökostrom schon einmal vom Stromsee-Modell gehört. An diesem Modell wird gern demonstriert, wie verschiedene Energieträger dazu beitragen, den „Stromsee“ mit elektrischer Energie zu füllen und warum Verbraucher (Stromkunden) immer einen Strom-Mix erhalten – im See vermischt sich ja das Wasser aus den verschiedenen Quellen. In den „deutschen Stromsee“ fließen zum Beispiel Atomstrom, Strom aus Kohle-, Öl- und Gaskraftwerken sowie Strom aus Windkraft-, Wasserkraft-, Biogas- und Biomasseanlagen sowie aus Photovoltaik. Durch die Erzeugung oder den Kauf von „grünem“ Strom erhöhen Sie den Anteil regenerativer Energie im Stromsee – sozusagen das klare, saubere Wasser. Somit ermöglichen Sie, dass der Anteil an „grauem“ Strom aus Kernkraft und fossilen Energieträgern kleiner werden kann. Ziel der Energiewende ist unter anderem, den Stromsee möglichst mit sauberem Strom aus regenerativer Energie zu füllen und so die kraftwerksbedingten CO2-Emissionen zu senken.

Stromzuflüsse und -abflüsse müssen gleich groß sein

Beim Stromsee kommt es auch auf die Höhe des Wasserspiegels an. Ein ständiges Überangebot an Wasser ist zu vermeiden – der See würde über die Ufer treten. Umgekehrt würde eine zu starke Wasserentnahme zum Austrocknen des Sees führen. Mit der Regelleistung wird sichergestellt, dass die Summe der Stromzuflüsse ebenso groß ist wie die Summe der Entnahmen und – um beim Beispiel See zu bleiben – der Wasserspiegel stets gleich hoch bleibt. Die Frequenz des Stromnetzes von 50 Hz zu halten wäre also vergleichbar mit einem Wasserpegel, den es durch Regulieren der Zu- oder Abflüsse konstant zu halten gilt.

Übertragungsnetzbetreiber sorgen für Frequenzhaltung

Abweichungen von der Sollfrequenz 50 Hz sind alltäglich, denn niemand kann 100-prozentig genau vorhersagen, wie viel Energie benötigt wird, oder wie viel Strom Windkraftanlagen und PV-Module liefern können. Ähnlich wie die Regenvorhersage des Wetterberichts sind auch Prognosen für die Stromerzeugung aus Wind- und Wasserkraft oder Sonnenenergie nur begrenzt genau. Dasselbe gilt für Verbrauchsprognosen, denn bereits ein schnell aufziehendes Unwetter kann binnen Minuten den Strombedarf (für Licht) in die Höhe treiben. Stromerzeugung und -verbrauch geraten daher oft aus dem Gleichgewicht. Die Balance wieder herzustellen ist Aufgabe der Übertragungsnetzbetreiber, von denen es in Deutschland vier gibt (50 Hertz Transmission, Amprion, TransnetBW und TenneT TSO). Diese Netzbetreiber sind für den Transport großer Mengen Strom über weite Strecken (bei Hoch- und Höchstspannung über 100.000 V) zuständig. Bei nicht tolerierbaren Abweichungen von der Soll-Netzfrequenz (50 Hz) kommt die Regelleistung zum Einsatz.

Positive und negative Regelleistung

RegelleistungRegelleistung kann positiv oder negativ sein. Wird weniger Strom ins Netz gespeist als benötigt wird, muss positive Regelleistung erbracht werden, zum Beispiel indem ein Kraftwerk seine Leistung steigert. Es ist aber ebenso möglich, große elektrische Verbraucher abzuschalten, um das Gleichgewicht wieder herzustellen – so wie man bei einer Balkenwaage sowohl durch Hinzufügen von Gewichten auf der leichteren Seite als auch durch das Wegnehmen von Gewicht auf der schwereren Seite die Balance wieder herstellen kann.

Negative Regelleistung gleicht einen Stromüberschuss im Netz aus. Hierzu wird die Stromerzeugung reduziert – etwa die Leistung eines Kraftwerks gedrosselt – oder der Stromverbrauch angehoben.

Mehr Netzstabilität durch mehr Stromverbrauch – klingt paradox, ist aber sinnvoll

Strom verbrauchen, um die Netzstabilität zu wahren? Auf den ersten Blick klingt das paradox, wo wir doch stets zum Energiesparen motiviert werden. Doch es gibt in der Tat Möglichkeiten, überschüssigen Strom sinnvoll einzusetzen und das Stromnetz zu stützen: Überschuss-Strom kann zum Beispiel dazu dienen, den Wärmespeicher eines Heizwerks zu beheizen und so den Verbrauch an Öl oder Erdgas für Fernwärme zu reduzieren.

Oder man lädt Speicher, um den Strom später zu nutzen. (Beim See-Modell entspräche das dem Auffüllen von Wassertanks, die später wieder in den See entleert werden.) Diese Speicher können große Pumpspeicherkraftwerke sein, die elektrische Energie zum Hochpumpen von Wasser nutzen, um damit später Kraftwerksturbinen anzutreiben und wieder Elektrizität zu liefern. Oder man lädt zum Beispiel elektro-chemische Speicher (Batterien bzw. genauer Akkumulatoren), um den Stromüberschuss aus dem Netz zu saugen. Beides ist sinnvoller, als Windkraftanlagen oder Photovoltaikanlagen abzuschalten: Durch Speicher wie die Caterva-Sonne lässt sich der ohnehin erzeugte grüne Strom für die spätere Nutzung bevorraten. Die Speicherung wird daher umso wichtiger, je mehr Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird.

Primärregelleistung, Sekundärregelleistung und Minutenreserve

Eine Beeinflussung der Netzstabilität kann schnell eintreten. Zum Beispiel führt der Ausfall eines großen Kraftwerks bereits zu einer merklichen Frequenzabweichung im Stromnetz. Um darauf geeignet und vor allem schnell reagieren zu können, werden verschiedene Arten von Regelleistung eingesetzt: Primärregelleistung, Sekundärregelleistung und Minutenreserve (Tertiärregelung).

Primärregelleistung – erste Hilfe bei Frequenzschwankungen

Schwarm-Batterien für RegelleistungPrimärregelleistung (PRL) dient dazu, Frequenzabweichungen in Sekundenschnelle auszugleichen. Dies geschieht in gesamten europäischen Netz gleichzeitig – man hilft sich hier gegenseitig bei der Netzstabilisierung. Für Primärregelleistung müssen die jeweiligen Anlagen die elektrische Energie binnen maximal 30 Sekunden automatisch bereitstellen und über 15 Minuten halten können. Um Primärregelleistung bereitstellen zu dürfen, muss der Anbieter mindestens 1 Megawatt (MW) Leistung liefern bzw. entnehmen können. Dies kann mit einer einzigen Anlage oder mit einem Verbund kleinerer Anlagen (etwa durch ein virtuelles Kraftwerk oder einen virtuellen Großspeicher aus vielen Caterva-Sonnen) geschehen. Voraussetzung ist neben der technischen Eignung, dass die Anlagen für den Regelleistungsbetrieb durch den bzw. die Übertragungsnetzbetreiber präqualifiziert sind.

Sekundärregelleistung – in 5 Minuten am Start

Binnen 5 Minuten müssen Anlagen automatisch reagieren können, die Sekundärregelleistung (SRL) erbringen. Zur Sekundärregelleistung tragen nur präqualifizierte Anlagen bei, die mehr als 5 MW leisten und die im Netzgebiet des jeweils betroffenen Übertragungsnetzbetreibers arbeiten. Anlagen für Sekundärregelleistung haben somit länger Zeit, die entsprechende Leistung zu erbringen und die Primärregelleistung „abzulösen“.

Minutenreserve (Tertiärregelung) macht die Stunde voll

Als Minutenreserve oder Tertiärregelung bezeichnet man die Regelleistung, die binnen einer Viertelstunde bereitgestellt wird und für maximal eine Stunde (ggf. bei mehreren Störungen länger) das Netz stabilisiert. Im Gegensatz zu der Primär- und Sekundärregelleistung wird Minutenreserve nicht automatisch aktiviert, sondern sie wird gezielt abgerufen.

Der Begriff Minutenreserve rührt daher, dass diese Regelleistung für die Dauer von etlichen Minuten bereitstehen soll. Sie muss also nicht in einer Minute bereitstehen, wie man annehmen könnte. Auch für die Minutenreserve ist die Mindestleistung von 5 MW zu erbringen.

Netzstabilität auf Dauer sicherstellen

Nach Ablauf einer Stunde soll der Ausgleich zwischen Stromerzeugung und -verbrauch durch andere Maßnahmen, zum Beispiel auf regionaler Ebene (genauer: im betroffenen Bilanzkreis) hergestellt werden. Regelleistung dient also dazu, schnell auf eine Schwankung der Netzfrequenz zu reagieren und die Netzstabilität für eine angemessene Zeit herzustellen – so lange, bis sich das Gleichgewicht von Erzeugung und Verbrauch wieder eingestellt hat.

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