Energie in die richtige Balance gebracht

Geht der Ausbau der regenerativen Energien im gleichen Tempo weiter wie bisher, braucht das Energiesystem der Zukunft dringend eine neue Generation von Kraftwerken – nämlich virtuelle. Fast täglich kommen neue Klein- und Kleinstanlagen hinzu, die ihren Strom aus Erneuerbaren Energien dezentral ins Netz einspeisen. Doch eine sichere Stromversorgung kann es nur mit einem stabilen Stromnetz geben – und dafür muss konstant so viel Strom eingespeist werden wie verbraucht wird. Jede Kilowattstunde, die an einer Stelle ins Netz geht, muss an anderer Stelle auch wieder abgenommen werden. Und umgekehrt. Der Spielraum ist begrenzt und ein größeres Ungleichgewicht kann zu einem Blackout führen.

Abhilfe könnten „virtuelle Kraftwerke“ schaffen. Sie produzieren selbst keinen Strom, sondern koordinieren lediglich Einspeisung und Verbrauch. Dazu werden einzelne Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen sowie Speicherkapazitäten digital zu einem Verbundsystem vernetzt. So entsteht ein Strompool, der – optimalerweise – Anlagen verschiedener Typen wie Windparks, Wasserkraftwerke, Photovoltaikanlagen, Brennstoffzellen, Blockheizkraftwerke oder Biogasanlagen einbezieht. Entscheidend für das Zusammenspiel ist eine zentrale Plattform, die die Anlagen steuert.

Flexible Verbraucher gefragt

Damit das Ganze auch funktioniert, muss das virtuelle Kraftwerk stets wissen, wie viel Strom die angeschlossenen Teilnehmer im nächsten Moment ins Netz einspeisen können und wie hoch der Verbrauch sein wird. Die Informationen müssen also in verschiedene Richtungen und zu nahezu jeder Zeit über verschiedene Schnittstellen und Systeme ausgetauscht werden. Dafür müssen alle Teilnehmer ihre Daten in Echtzeit an die Steuereinheit übermitteln, damit diese berechnen kann, welche Anlagen in welchem Moment betriebsbereit gehalten, ein- oder abgeschaltet werden müssen.

Ein ständiger Austausch über die aktuelle Situation betrifft also Stromerzeuger genauso wie die Stromverbraucher. Zeitlich flexible Stromkunden können zum Beispiel dann ihren Verbrauch steigern, wenn auch die Produktion – etwa in Starkwindzeiten – steigt oder der Verbrauch an anderer Stelle zurückgeht, zum Beispiel wenn ein an das Netzwerk angeschlossener Industriebetrieb Feierabend macht.

Hierfür sind besonders Großabnehmer interessant, die einen relevanten Teil ihres Verbrauchs an der Verfügbarkeit des Stroms ausrichten können. Potenziale für ein solches Lastmanagement gibt es in vielen Branchen. Infrage kommen zum Beispiel Anlagen zur Erzeugung von Prozesswärme, Kühlhäuser, industrielle Schredder, Pumpen und Mühlen oder auch die Klimatisierung von Räumen.

Virtuelle Kraftwerke im Fokus der Forschung

Aufgrund ihres Potenzials für die Energiewende sind virtuellen Kraftwerke verstärkt auch Gegenstand von Forschungsaktivitäten. Beispielhaft seien hier zwei Projekte der Klimaschutzwettbewerbe der LeitmarktAgentur.NRW vorgestellt – eins aus dem Bereich Wärmespeicherung im privaten Sektor und eins zur Integration dezentraler Erzeugungsanlagen.

Das EU-geförderte Pilotprojekt „Virtueller WärmeStromPool“ untersucht, ob sich Nachtspeicherheizungen (NSH) als steuerbare Last in das virtuelle Kraftwerk des Kölner Energieversorgers RheinEnergie einbinden lassen. Ziel ist eine Verschiebung der Ladezeiten auf Zeiten hoher Einspeisung regenerativ erzeugten Stroms. Dadurch lassen sich CO₂-Emission vermeiden und die Ökobilanz der im Bestand befindlichen NSH verbessern. Nach Angaben des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) sind bundesweit noch etwa eine Million NSH in Betrieb.

Das Forschungsprojekt QUIRINUS mit einer Laufzeit von drei Jahren untersucht, wie ein regionales virtuelles Flächenkraftwerk (vkw++) die Versorgungssicherheit und Stromnetzstabilität in der industriell geprägten Region „Rheinisches Revier“ durch ein echtzeitbasiertes Management der zunehmend dezentralen Erzeugungs-, Speicher- und flexiblen steuerbaren Verbrauchsanlagen auch zukünftig aufrecht erhält und kritische Zustände im Stromnetz vermeidet. QUIRINUS besteht aus einem Konsortium aus Verteilnetzbetreibern und Energieversorgern, Herstellern und Betreibern von Anlagen zur Datenkommunikation, Energiespeichern und Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen sowie zwei Forschungsinstituten.

„Das Control-Center ist das Herzstück des Projektes“, sagt Projektmanager Patrick Kreuel von der Regionetz GmbH, die das Konsortium leitet. Im Control-Center laufen die Werte der verschiedenen Messpunkte in den Stromnetzen, sowie umfangreiche Wetterdaten zusammen. Diese Informationen sollen an die Verteilnetzbetreiber weitergegeben werden, die darauf reagieren können. Zudem untersuchen die Experten in Szenarien, wie Stromspeicher und Blockheizkraftwerke als Hybrid kurzfristige Engpässe ausgleichen können. „Das Ziel ist es, die Versorgungssicherheit bei einem steigen Anteil von erneuerbaren Energien zu gewährleisten“, erklärt Kreuel.

Energiespeicher werden immer wichtiger

Bei aller Koordination fällt auch Energiespeichern mit steigendem Anteil der volatilen Wind- und Sonnenenergie eine zunehmend wichtige Rolle beim Ausbalancieren des Stromnetzes zu. Um Regelleistung – also Leistung zum Ausgleich sehr kurzer Schwankungen – innerhalb des Verbundes bereitzustellen, greifen virtuelle Kraftwerke auf dezentrale Speicherkapazitäten zurück. So können beispielsweise – auch private – Betreiber von Photovoltaikanlagen nicht nur ihre Module, sondern auch ihre Batteriespeicher in einem virtuellen Kraftwerk anmelden. Damit werden dann kurzfristige Schwankungen in der Stromfrequenz ausgeglichen.

Bereits 2015 griffen nach Angaben des Bundeswirtschaftsministeriums (BMWi) virtuelle Kraftwerke auf mehr als 10.000 Megawatt Leistung zu. Das entspricht etwa der Leistung von zehn Kernkraftwerken. Auch international ist die Technik auf dem Vormarsch: Es wird prognostiziert, dass in den USA virtuelle Kraftwerk bis 2023 28.000 Megawatt Leistung koordinieren könnten. Und in Australien werden laut Medienberichten 50.000 Haushalte mit Solaranlagen und Batteriespeichern ausgestattet, um so das größte virtuelle Kraftwerksprojekt weltweit zu bilden.

Damit sich die verschiedenen Stromquellen künftig besser aufeinander abstimmen lassen, fordern diverse Versorgungsbetriebe und der Netzbetreiber EWE Netz von der Bundesregierung, dass sie die Funkfrequenz 450 Megahertz zur Kommunikation zwischen Kraftwerken – auch den virtuellen – und Netzbetreibern reserviert.