Das unsichtbare Kraftwerk

Das ist ja toll, werden viele denken, wenn sie diese Zahl vom Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE lesen: 2013 erzeugten Wind-, Solar- und Wasser-Kraftwerke in Deutschland mit über 92 Terawattstunden etwa genauso viel elektrische Energie wie alle noch laufenden Atomkraftwerke zusammen. Also nur weiter fleißig Windräder und Photovoltaik-Anlagen aufstellen und in Biogas und Geothermie investieren – dann können Kohle- und Gaskraftwerke bald dicht machen, und die Energiewende ist geritzt?

Ganz so einfach ist es nicht. Solarmodule und Windräder liefern Strom nur bei guter Wetterlage. Daher bedarf es für eine jederzeit sichere Versorgung zusätzlich kurzfristig abrufbarer Reserven. Deren Quellen sind bisher die konventionellen Energielieferanten. Technische Lösungen sind also gefragt, damit sich niemand zu sorgen braucht, dass ab und zu der Fernseher nicht mehr laufen könnte oder Industrieanlagen stehen bleiben, wenn alternative Erzeugungsanlagen das Regiment bei der Stromversorgung übernehmen. Eine ist bereits gefunden: das virtuelle Kraftwerk.

Dabei sind mehrere dezentral verteilte regenerative oder konventionelle Stromerzeugungsanlagen über das Internet mit einem koordinierenden Leitstand verknüpft. Dadurch entsteht eine funktionelle Einheit. Neben Photovoltaik-, Windkraft- und Biogasanlagen oder Blockheizkraftwerken (BHKW) lassen sich auch Energiespeicher und regelbare Stromverbraucher in Industriebetrieben in den Verbund integrieren. In der Kontrolleinrichtung berechnet eine Software kontinuierlich das Angebot an Strom, stellt es dem Bedarf gegenüber und steuert den Betrieb der gekoppelten Kraftwerkskomponenten.

Einige solcher Stromversorger aus dem Cyberspace sind in Deutschland bereits in Betrieb. „Volkswirtschaftlich haben virtuelle Kraftwerke eine große Bedeutung”, sagt Josef Werum, Geschäftsführer der in.power GmbH in Mainz-Gonsenheim. Das Unternehmen betreibt eine virtuelle Anlage mit 600 Megawatt Leistung, deren Leitstand sich im Rathaus von Dardesheim am Harz befindet. „Die Kraftwerkskombinationen ermöglichen jederzeit einen Überblick über das Angebot an alternativer Energie und machen den Einsatz konventioneller Großkraftwerke besser planbar” , ergänzt Josef Werum. Dadurch lassen sich Lücken in der Stromversorgung vermeiden, aber auch Überschüssen wird vorgebeugt, die unnötige Brennstoffkosten verursachen würden.

100 Prozent Strom aus Erneuerbaren sind möglich

Sind erst einmal alle Potenziale genutzt, ließe sich der Strombedarf in Deutschland zu 100 Prozent durch regenerative Energie aus Internet-Kraftwerken decken. Das ist das Ergebnis des Feldversuchs „Kombikraftwerk 1″, an dem sich 2008 das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel, die Universität Kassel, die Stadtwerke Schwäbisch Hall sowie mehrere Unternehmen aus der Strombranche beteiligt haben.

Bei dem Versuch ging es darum, maximale Mengen an Sonnen- und Windstrom zu erzeugen. Gab es eine Lücke bei der Versorgung, aktivierte der Leitstand Pumpspeicherwerke oder BHKWs, die Biogas verfeuern. „In einem Modellprojekt im Harz haben wir 2012 darüber hinaus demonstriert, dass ein virtuelles Kraftwerk nicht nur eine Region mit regenerativem Strom versorgen, sondern auch überschüssigen Strom automatisiert an der Börse handeln kann”, berichtet Reinhard Mackensen, Abteilungsleiter Energieinformatik und Informationssysteme vom IWES.

Für die Betreiber von Windrädern oder Solarmodulen lohnt es sich, ihre Anlagen an eine zentrale Leitwarte anzuschließen. Denn dadurch können sie an der staatlich geförderten Direktvermarktung teilhaben: am Verkauf von Strom an Kunden oder am Börsenhandel. Hierfür sind spezielle Lizenzen erforderlich, deren Erwerb für Besitzer von wenigen kleineren Erzeugeranlagen viel zu aufwendig ist.

Einige virtuelle Kraftwerke verfügen bereits über mehrere Hundert Megawatt Leistung und haben damit die Dimension von Großkraftwerken erreicht. Das Düsseldorfer Unternehmen Statkraft, nach eigenen Angaben der größte europäische Erzeuger von regenerativer Energie und bedeutendster Direktvermarkter in Deutschland, betreibt sogar einen Verbund mit insgesamt rund 4500 Megawatt. Das ist dreimal soviel, wie ein mittleres Atom- oder Kohlekraftwerk leisten kann.

Sollen die Erneuerbaren eine tragende Säule in der Energielandschaft sein, müssen sie durch Bereitstellen von Regelleistung zum Stabilisieren der erforderlichen Frequenz von 50 Hertz im Stromnetz beitragen. Auf diese Frequenz ist der Betrieb von elektrischen Geräten abgestimmt. Sie wird normalerweise aufrechterhalten, indem die Produktion von Strom und dessen Verbrauch sich die Waage halten. „Fällt ein Kraftwerk im Stromnetzverbund plötzlich aus, kommt es zu einem Ungleichgewicht, und die Frequenz sinkt”, nennt Dominik Jost, Forscher in der Abteilung Regenerativkraftwerke am IWES das Problem. „Dann besteht die Gefahr, dass das Netz automatisch in mehrere Teile getrennt wird, um die Störung einzugrenzen.” Dadurch wären etliche Stromkunden vorübergehend von der Versorgung abgeschnitten.

600 Megawatt in einer halben Minute

Drei Arten von Regelleistung gibt es, mit der sich das verhindern lässt. Sie unterscheiden sich im Umfang, in der Zeit bis zur vollständigen Aktivierung sowie im Zeitraum der Verfügbarkeit. Bei Bedarf werden sie nacheinander mobilisiert. In Deutschland müssen die Stromerzeuger jederzeit insgesamt über 5000 Megawatt Spielraum für die Regelung bereithalten – nach oben wie nach unten. Sind die Stromleitungen überlastet, weil ein großer Stromverbraucher ausfällt und dadurch die Netzfrequenz steigt, erfolgt der Ausgleich, indem Kraftwerke gedrosselt werden. Rund 600 Megawatt entfallen auf die sogenannte Primärregelleistung, die innerhalb von 30 Sekunden zur Verfügung stehen muss – und zwar 15 Minuten lang. Der Rest verteilt sich auf Sekundärregelleistung und Minutenreserve. Nur wer eine bestimmte Menge an Regelleistung in Reserve halten kann, darf sich für eine Zulassung zum Markt bewerben.

Im Projekt „Kombikraftwerk 2″ haben Wissenschaftler und Ingenieure von zehn Forschungsinstituten und Unternehmen wie Siemens, Solarworld und Enercon nun untersucht, ob Virtuelle Kraftwerke für regenerative Energien den technischen Anforderungen gerecht werden können. Für einen Test im Stromnetz kombinierten sie Windkraft-, Photovoltaik- und Biogasanlagen zu einem Verbund. „Im ersten Teil des Experiments stellte dieser Verbund dem Netz auf Abruf die volle positive und negative Regelleistung zur Verfügung, die er erbringen kann. Im zweiten Teil regelte der Verbund die Netzfrequenz automatisch auf den Sollwert ein”, erklärt Dominik Jost. Simulationen mit realen Wetterdaten für ganz Deutschland belegten zudem, dass bei vollem Ausbau der regenerativen Energien genügend Strom nicht nur für die gesamte, sondern auch für die sichere Versorgung erzeugt werden kann.

Schwimmbäder und Kläranlagen als eiserne Reserve

Der entscheidende Motor für die Energiewende sind neben der Sorge um den Klimawandel auch wirtschaftliche Überlegungen. Blockheizkraftwerke sind typische Reservekraftwerke, die Schwimmbäder, Kläranlagen oder Mehrfamilienhäuser versorgen. Wie Notstromaggregate eignen sie sich aber nur für die Bereitstellung der „Minutenreserve” und Sekundärregelleistung, da sie nicht ständig in Betrieb sind. Doch auch BHKW könnten zur primären Regelleistung beitragen, die in Sekundenschnelle bereitstehen muss, – wenn die Anlagen mit Batterien verbunden sind, die den erzeugten Strom vorübergehend speichern. „Werden die Akkus auf einem mittleren Ladeniveau gehalten, können sie sehr schnell sowohl auf ein Überangebot als auch auf einen Mangel an Leistung reagieren”, sagt Raphael Hollinger, Leiter des Teams für wirtschaftliches Handeln und Geschäftsmodelle am ISE in Freiburg. Speichersysteme im Megawattbereich lassen sich mithilfe von Lithion-Ionen-Batterien errichten. Auch die Fraunhofer-Forscher sind an solchen Akkus interessiert, die sie in ihr Kombikraftwerk-Projekt integrieren wollen.

Für Forschungszwecke ist zunächst vorgesehen, ein BHKW und zehn Batterien virtuell an einen Leitstand zu koppeln. Die Batterien sind ihrerseits Bestandteile von Photovoltaik-Anlagen, deren Module auf Hausdächern installiert sind. Sie sollen dazu dienen, den Eigenverbrauch an regenerativer Energie zu erhöhen.

Hollinger und seine Kollegen wollen nun die Kommunikation zwischen dem Leitstand auf der einen Seite sowie Blockheizkraftwerken, Solaranlagen und Batterien auf der anderen Seite testen. Auch die Software für deren Steuerung und für die Vermarktung des Stroms kommt auf den Prüfstand. „Wir sind gespannt, ob sich mit diesem virtuellen Kraftwerk so große Erlöse erzielen lassen, dass sich die Investition in die Batterien lohnt, und ob sich der Eigenverbrauch an Solarstrom erhöhen lässt” , sagt der Freiburger Fraunhofer-Forscher Hollinger. Die Wissenschaftler wollen außerdem testen, ob sich mit der gespeicherten Energie über das lokale Verteilnetz Haushalte in der Nachbarschaft versorgen lassen. Dadurch wären Einsparungen beim Ausbau von Verteilnetzen möglich – etwa wenn es darum geht, eine wachsende Siedlung mit ausreichend Strom zu versorgen.

Wachsames Auge auf die Stromwege

Immer mehr kleine Erzeugungsanlagen, die über die ganze Republik verstreut sind, speisen ihre Energie in die Verteilnetze ein. „Das kann zu einer Überlastung der Stromwege führen”, sagt Karlheinz Kronen, Geschäftsführer der Sparte Energieautomation und Smart Grid bei Siemens in Nürnberg. Das soll die automatische Überwachung und Regelung verhindern. Überlegt wird auch, ob sich der Energieverbrauch je nach Verfügbarkeit steuern lässt. Hard- und Software sollen das Netz intelligent machen. Für die Strombranche öffnet sich ein milliardenschwerer Markt.

Um Erfahrungen im Umbau von Stromnetzen zu sammeln und technische Lösungen in der Praxis zu testen, starteten Siemens und die Stadtwerke Krefeld Ende 2012 im niederrheinischen Wachtendonk einen Feldversuch. Der Ort eignet sich dafür besonders gut, denn er bezieht bereits etwa 80 Prozent seines Stroms aus regenerativen Quellen. In rund 100 Haushalten und zahlreichen Verteilerkästen montierten Techniker der beiden Unternehmen Zähler, die Messwerte zum Stromverbrauch und zum Zustand des Netzes an „intelligente” Ortsnetzstationen übermitteln. Auf die Ergebnisse des Praxistests wartet man gespannt. •

KLAUS WAGNER, Wissenschaftsjournalist in München, ist beeindruckt, dass das hochkomplexe System der Stromversorgung auch mit vielen kleinen Erzeugeranlagen gut funktionieren kann.

von Klaus Wagner