Jede einzelne Sekunde, rund um die Uhr und das ganze Jahr über, muss der Stromverbrauch mit der Stromproduktion übereinstimmen. Doch wie funktioniert das Stromsystem und welche Verteidigungsmechanismen schützen dieses vor einem Zusammenbruch?
In den letzten beiden Jahrzehnten haben wir in Dänemark damit begonnen, die stabil produzierenden Kraftwerke zugunsten einer CO2-freundlicheren - aber auch stärker fluktuierenden und damit schwieriger zu integrierenden - Stromproduktion aus Wind und Sonne zu ersetzen.
Daher besteht auch ein zunehmender Bedarf darin, die Stromproduktion auf eine neue Weise mit dem aktuellen Stromverbrauch auszubalancieren, da die stabilen Kraftwerke dazu nicht mehr zur Verfügung stehen.
Hier kommt unter anderem das neue Anlagenportfolio von DIN Forsyning zum Einsatz da dieses speziell für diesen Zweck ausgelegt ist.
Wärmepumpen und gefüllte Badewannen
Wir haben kürzlich einen Artikel darüber geschrieben, wie die Meerwasserwärmepumpen in Esbjerg für die zukünftige Energieversorgung ausgelegt sind. Wir haben unter anderem die Regelungsfähigkeit und Lastflexibilität der Wärmepumpen beschrieben, die mit der Beschleunigung eines Formel-1-Autos verglichen worden – das bedeutet, wie diese in der Lage sein müssen, stark zu bremsen, um dann sofort wieder stark zu beschleunigen.
Wärmepumpen spielen auch eine wesentliche Rolle bei der Ausbalancierung des Stromsystems. Das Wort "Ausbalancierung" bedeutet kurz erklärt, dass der Stromverbrauch jede Sekunde des Tages und des Jahres exakt mit der Stromproduktion übereinstimmen muss. Das bedeutet konkret, dass der Verbrauch von beispielsweise Glühbirnen, Pumpen, Kaffeemaschinen, Fernsehern und Wärmepumpen immer genau mit der Stromproduktion von beispielsweise Kraftwerken, Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen übereinstimmen muss. Wenn dies nicht genau übereinstimmt, dann wird das Stromsystem entweder überlastet oder unterlastet. Dies führt dazu, dass die Netzfrequenz von 50 Hertz abweicht, die das Stromnetz normalerweise haben sollte."
Es ist so wichtig, diese Balance aufrecht zu erhalten, so dass die Lastverteiler in den Kraftwerken tatsächlich Fernsehprogramme analysieren, um zu wissen, wann die Dänen plötzlich ihren Stromverbrauch ändern: Wenn Dänemark ein Länderspiel spielt und die erste Halbzeit vorbei ist, dann steigt der Stromverbrauch für Kaffeemaschinen in der Regel in den folgenden 15 Minuten markant an, und daher sind die Kraftwerke darauf vorbereitet, diese erhöhte Leistungsnachfrage genau in dem Moment liefern zu können, wenn der Schiedsrichter die erste Halbzeit abpfeift.
Man kann das Ausbalancieren des Strommarktes mit einer gefüllten Badewanne vergleichen, die ständig randvoll gefüllt sein muss, während gleichzeitig eine Gruppe von Kindern (oder Erwachsenen) den Wasserstand durch Öffnen und Schließen des Wasserhahns und des Abflusses stört. Der Verantwortliche für den Wasserstand in der Wanne (also der Übertragungsnetzbetreiber) versucht gleichzeitig frustriert, die Wanne vollständig zu füllen, indem er Wasserhähne und Abflüsse öffnet und schließt.
Ein gemeinsames, verbundenes Stromnetz erfordert Regelungsmechanismen
"Ganz Kontinentaleuropa - von Dänemark im Norden bis Portugal im Süden - ist durch ein gemeinsames Stromnetz miteinander verbunden. Das bedeutet, dass ein Ungleichgewicht zwischen Stromverbrauch und -produktion in z.B. Portugal prinzipiell als Störung in Dänemark wahrgenommen werden kann. Das bedeutet also, dass wenn die Stromproduktion aus Wind oder Sonne in z.B. Dänemark oder Deutschland unerwartet und kurz- oder langfristig reduziert wird, oder steigt - was aufgrund ungenauer Wetterprognosen unvermeidbar ist, dann besteht ein sofortiger Bedarf dieser Reaktion mittels eines Kraftwerkes und/oder eines Stromverbrauchers entgegenzuwirken."
Ein Beispiel kann zum Beispiel sein, dass der Stromverbrauch innerhalb der nächsten Stunde konstant ist und dann Wolken vor die Solarzellen ziehen und der Wind nachlässt, so dass die Solarzellen und Windkraftanlagen weniger Strom produzieren. Es besteht somit ein Defizit an Leistung und das bedeutet ein Mangel an Strom im Netz . Früher hätte es ein Kraftwerk gegeben, das die fehlende Leistung der Solarzellen und Windkraftanlagen sofort kompensiert hätte, und damit wieder ein Gleichgewicht hergestellt hätte. So funktionierte das System viele Jahre lang, ohne größere Probleme, da alle Kraftwerke genau auf diese Situation abgestimmt waren.
In den letzten Jahren wurden sowohl in Dänemark als auch im Ausland die großen zentralen Kraftwerke abgeschafft, wodurch nicht mehr dieselbe Stabilitätsreserve wie früher vorhanden ist. Stattdessen haben wir andere clevere Regelungsmaßnahmen eingeführt, die die fehlenden Kraftwerke kompensieren können: Ein Beispiel ist die große Meerwasserwärmepumpe in Esbjerg und ihre „helfenden Kollegen“, die eine Kombination aus Elektrokesseln, Gasmotoren sowie großen Pumpen und/oder anderen Stromverbrauchern darstellen.
So helfen die alternativen Anlagen, wenn kein Kraftwerk zu Verfügung steht
Wie bereits erwähnt, muss immer ein vollständiges Gleichgewicht zwischen Stromverbrauch und -produktion aufrecht erhalten werden. Wenn die Stromproduktion aufgrund des Wetters reduziert wird, können wir jedoch stattdessen den Stromverbrauch einer Wärmepumpe oder Pumpe reduzieren oder sogar komplett ausschalten. Dadurch wird zwar weniger Fernwärme produziert, aber das Fernwärmenetz kann dennoch eine gewisse Zeit funktionieren, da die Fernwärme in diesem Zeitraum aus einem 40.000 m³ großen Wärmespeichertank geliefert werden kann, in dem konstant 90°C heißes Wasser gespeichert ist. Es gibt also einen Puffertank für solche Situationen. An einem Wintertag reicht der Tank für etwa 8 Stunden Fernwärmebedarf, und an einem Sommertag reicht er etwa für ein ganzes Wochenende.
Das Gegenteilige passiert, wenn Windkraftanlagen plötzlich mehr produzieren, weil der Wind zunimmt. Wenn also zu viel Strom in das Netz eingespeist wird, schalten wir einfach einen großen Elektroheizkessel ein und erhöhen den Stromverbrauch. Die überschüssige Wärme wird in den Wärmespeicher gepumpt und dort gespeichert, bis die umgekehrte Situation wieder eintritt.
Added Values designt die Regelung
Bislang wurdeein Überblick über die „Regelungsmechanismen“ geschaffen, die DIN Forsyning zur Verfügung stehen, um diese zur Stabilisierung des Stromnetzes einzusetzen. Jetzt muss dies nur noch in der Praxis funktionieren. Bei Added Values sind wir derzeit dabei, diesen Regler zu entwerfen, der das Stabilitätsproblem sowohl auf der Strom- als auch auf der Fernwärmeseite regelt. Dieses Regelsystem wird in Modelica entwickelt, einer Modellierungssprache, in der die Prozessdynamik von Kesseln, Wärmepumpen, Wärmespeichertanks, Gasmotoren, Pumpen usw. simuliert werden kann.
Der Regler überwacht kontinuierlich den Zustand des Stromnetzes, d.h. ob zu wenig oder zu viel Stromleistung vorliegt (schwarze Kurve). Wenn ein Ungleichgewicht vorliegt, dann greift der Regler sofort ein und justiert in die gewünschte Richtung: Er erhöht oder reduziert die Last der Meerwasserwärmepumpe (rote Kurve), startet möglicherweise den Elektrokessel oder nutzt die Batterie der Notstromversorgung. Alle Eingriffe des Reglers erfolgen, um das Stromnetz zu stabilisieren und damit letztendlich kein Blackout auftritt.
Damit der Regler die Regelung der Wärmepumpe, des Elektrokessels, des Gasmotors usw. durchführen kann, muss dieser wissen, wie viel Regelleistung jederzeit von den verschiedenen Einheiten zur Verfügung steht. Der Regler muss also die Arbeitsdiagramme der Einheiten kennen, also wie viel diese in der Last hoch- oder heruntergefahren werden können, ohne dass beispielsweise ein Motor überhitzt, ein Tank voll wird oder ein Ventil nicht mehr funktioniert. Mit anderen Worten werden diese Komponenten auf eine bestimmte Weise gesteuert, um beispielsweise Ungenauigkeiten in Wettervorhersagen auszugleichen.
Systemdienstleistungen kommen der Gesellschaft zugute
Die Funktion des Reglers ist somit ein entscheidendes Element für die Stabilität des Stromnetzes. Sobald der Regler von uns in Zusammenarbeit mit Picca A/S und DIN Forsyning fertig entwickelt, implementiert und qualitätsgesichert wurde, muss er auch von dem Unternehmen Energinet getestet und genehmigt werden. Danach wird der Regler für den täglichen Betrieb freigegeben und kann damit zur Stabilität des Stromnetzes beitragen. Das bedeutet, dass dieser Systemdienstleistungen für Energinet zur Verfügung stellen wird.
Die Anwendung dieser Systemdienstleistungen - d.h. dass man in der Lage ist, beispielsweise eine Wärmepumpe, einen Elektroheizkessel und einen Gasmotor sofort ein- und auszuschalten, um das Stromnetz auszugleichen - ist für die Gesellschaft von entscheidender Bedeutung. Systemdienstleistungen sind also eine Verteidigung gegen Blackouts.
Systemdienstleistungen haben einen Wert und DIN Forsyning kann somit Geld verdienen, indem sie diese Systemdienstleistungen bereitstellen. Die Einnahmen tragen dazu bei, den Wärmepreis zu senken.
Obwohl wir beim Warmwasserverbrauch sparen sollten, kannst du das nächste Mal, wenn du in deiner Badewanne liegst, vielleicht darüber nachdenken, wie wichtig die Stabilisierung des Stromnetzes ist und was dazu beiträgt, dass es vorteilhaft ist, die Spülmaschine zu bestimmten Tageszeiten einzuschalten.
Torkild Christensen und Rene Just Nielsen / Added Values
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