Forschungsprojekt Kombikraftwerk2

Das Forschungsprojekt »Kombikraftwerk2« untersucht, wie ein rein regeneratives Stromsystem in Zukunft funktionieren könnte und welchen Bedarf es an Systemdienstleistungen geben wird. Zugleich werden Möglichkeiten erforscht, wie Erneuerbare-Energien-Anlagen diese für die Netzstabilität notwenigen Dienstleistungen erbringen können und die Lösungsansätze an den realen Anlagen eines virtuellen Kraftwerks demonstriert. Das Projekt ist auf drei Jahre angelegt und endet dieses Jahr. Das Konsortium des Projektes setzt sich aus einer einmaligen Mischung von namhaften Partnern aus Forschung und Industrie mit hoher Expertise in den Bereichen elektrische Netze, Anlagentechnologien, virtuelle Kraftwerke, Modellbildung und Simulation, Energiesystemanalyse und öffentliche Kommunikation zusammen. Das Projekt wird vom Bundesumweltministerium gefördert und baut auf dem schon 2007 begonnenen Projekt Kombikraftwerk1 auf, in welchem unter anderem die Versorgungszuverlässigkeit einer vollständig auf regenerativen Quellen beruhenden Stromversorgung demonstriert wurde.

Die Herausforderung: Netzstabilität trotz Energiewende

Die volkswirtschaftliche Herkulesaufgabe »Energiewende« sorgt in regelmäßigen Abständen für heftige politische Debatten. Eines der großen Themen ist die möglicherweise gefährdete Netzstabilität, die nur mit als systemrelevant bezeichneten Energieversorgungskomponenten aufrecht erhalten werden kann. Dabei taugen die Herausforderungen beim politisch und gesellschaftlich gewollten Umbau unserer Energieversorgung nicht für einfache Parolen, zu komplex ist die Materie, zu tief die dahinterstehenden energietechnischen Details. Die Frage nach der Netzstabilität kann nicht mit wenigen Worten beantwortet werden, da jede einzelne Leitung und jedes einzelne Kraftwerk Einfluss auf sie nehmen.

Im Grunde geht es bei der Netzstabilität um die Anforderung, dass Spannung und Frequenz an jeder Stelle des Stromnetzes und zu jedem Zeitpunkt im vorgegebenen engen Rahmen liegen. Zu große Abweichungen der Spannung können nur lokal, d.h. durch nahegelegene Anlagen behoben werden, auf Frequenzabweichungen muss vor allem schnell genug reagiert werden. Für unsere zukünftige Energieversorgung stellt sich folglich die Frage, ob die erneuerbaren Energien an den richtigen Orten ans Stromnetz angeschlossen sind um die Spannung zu halten und ob ihre technischen Fähigkeiten ausgereift genug sind, auf schnelle Frequenzabweichungen zu reagieren.

Die Herausforderungen und Lösungsansätze hinsichtlich der Netzstabilität der Zukunft werden anschaulich in einem Film und in einer Animation erklärt.

Das 100%-EE-Stromversorgungssystem

Für die Entwicklung des zukünftigen Stromnetzes werden im Kombikraftwerk2 umfassende Netzstabilitätsberechnungen durchgeführt, die sich im Vergleich zu anderen Studien durch eine hohe Detailtiefe, Transparenz und Innovativität auszeichnen. Die Problematik sowie die Ergebnisse des Projektes werden in einer außergewöhnlich anschaulichen Art und Weise in die Öffentlichkeit getragen und dienen als Entscheidungsgrundlage zur Planung der zukünftigen Stromversorgung, lassen auf zukünftige Geschäftsfelder schließen und weisen Potenziale zur regionalen Wertschöpfung aus.

Zur Bestimmung der zukünftigen Netzstabilität wurde im Kombikraftwerk2 ein detailliertes 100%-EE-Stromversorgungsszenario entwickelt, das nicht nur die genauen Standorte und Technologien der erneuerbaren Energien (EE) abbildet, sondern auch die Stromverbräuche einzelner Siedlungen und Industriegebiete, die örtlichen Möglichkeiten zur Lastverschiebung durch Haushaltsgeräte, Wärmepumpen und Elektroautos, die notwendigen zukünftigen Energiespeicher wie Pumpspeicher, Batterien und Methanisierungsanlagen, den Stromimport und –export ins Ausland und das Höchstspannungsnetz. Dieses Szenario ist in der Forschungswelt einmalig bezüglich seiner räumlichen Auflösung und Detailliertheit. Die so abgebildete Energielandschaft der Zukunft wurde durch numerische Wetterdaten der Vergangenheit und Algorithmen zur Lastverschiebung und Energiespeicherung in die Abhängigkeit von Wetter und Zeit gesetzt und die resultierenden Stromflüsse im Höchstspannungsnetz berechnet. Diese umfassenden Simulationsrechnungen werden in einer detaillierten Leistungsflussanimation veranschaulicht und dienen im Projekt als Grundlage für die Abschätzung der zukünftigen Netzstabilität. Sie setzen entscheidende Impulse für die Erforschung und Planung der zukünftigen Energieversorgung und weisen mit dem ermitteltem Bedarf an den unterschiedlichen Systemkomponenten auf zukünftige Geschäftsfelder hin. Energiekarte und Animation werden im Film von Minute 3:00 bis 4:00 erläutert und gezeigt.

Das Kombikraftwerk2-VK

Für virtuelle Kraftwerke (VK) mit zukünftig erhöhten Anforderungen an die Netzintegration stellt das Kombikraftwerk2-VK ein Leitbild dar, das sich im Vergleich zu heutigen VK durch hohe Datenübertragungsraten und ein innovatives Konzept zur Bereitstellung von Regelleistung und deren Nachweis auszeichnet.

Bei steigendem Anteil von erneuerbaren Energien in der Stromversorgung müssen Windenergie-, Photovoltaik- und Bioenergieanlagen in zunehmenden Maß ihren Anteil zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität beitragen. Eine entscheidende Maßnahme hierfür ist es, die erneuerbaren Energien in virtuellen Kraftwerken zusammenzufassen, in denen die Anlagen gemäß ihrer spezifischen Vor- und Nachteile intelligent kooperieren und sich an die jeweilige Wetter- und Netzsituation anpassen können. In Zukunft wird von VK vermehrt eine Bereitstellung von Systemdienstleistungen zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität gefordert werden, was erhöhte Ansprüche an die Informations- und Kommunikationstechnik zur Steuerung der Anlagen stellt. So muss ein VK innerhalb von Sekunden in der Lage seine Regelleistung zu erbringen, um Frequenzhaltungsaufgaben zu übernehmen. Abhängig vom Stromnetz, der Wettersituation und den Kapazitäten seiner Anlagen kann das VK unterschiedliche Konzepte zum sogenannten Energiemanagement besitzen.

Das VK des Kombikraftwerks2 steuert zwei Biogasanlagen in Rheinland-Pfalz und eine im Saarland, zwei Windparks in Brandenburg und einen großen Verbund von Photovoltaikanlagen in Hessen. Das VK mit einer Gesamtkapazität von ca. 55MW ist in der Lage innerhalb von Sekunden Regelleistung bereitzustellen und erfüllt damit alle Anforderungen zur Frequenzhaltung. Mit dem Kombikraftwerk2-VK wird erstmals die Regelleistungsbereitstellung durch einen Verbund von Wind-, Photovoltaik und Biogasanlagen demonstriert. Zur hierfür notwendigen Bestimmung des möglichen Regelleistungsbandes werden neuartige probabilistische Leistungsprognosen auf Grundlage von Wetterprognosen in das Energiemanagement des VK integriert und somit die Sicherheit der Regelleistungsbereitstellung trotz sich ändernder Wetterbedingungen gewährleistet. Für die Regelleistungsbereitstellung selbst, sowie für ihren Nachweis werden mittels fortschrittlichen Methoden die »möglichen Einspeisungen« der Solar- und Windenergieanlagen berechnet (siehe Projekt Regelenergie durch Windkraftanlagen). Der Nachweis der Regelleistungsbereitstellung erfolgt über ein innovatives Konzept unter Verwendung der möglichen Einspeisungen in einer hohen zeitlichen Auflösung von 3 Sekunden. Das Kombikraftwerk2-VK wird im Film von Minute 6:30 bis 8:00 erläutert und gezeigt.