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Energietechnik
Eine verlässliche Säule der Energieversorgung – Bedingungen für einen nachhaltigen Beitrag

Im Zusammenhang mit der Energiewende wird häufig – gerne mit Stolz und einer gewissen Befriedigung – auf die inzwischen hohe Kapazität von Photovoltaik-Anlagen im deutschen Verbundnetz verwiesen.

Solarpark, PV-Anlage, Windpark

(Foto: Pixabay)

Der PV-Anteil an der Stromversorgung bewegt sich heute in einer Größenordnung, die eine weitere Steigerung nur nach einem Ausbau des Netzes und der Speicherkapazität im Netz denkbar erscheinen lässt – so wie es Studien bereits vor Jahren vorhergesagt haben.

Diese Anforderungen werden folgerichtig in Angriff genommen, dominieren heute die Diskussion um die Netzintegration und bremsen seit Jahren den Zubau von PV-Anlagen aus. Es ist deshalb höchste Zeit zu überprüfen, ob dies tatsächlich der nächste Schritt auf dem Weg zur Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist. Dabei wird deutlich, dass die erneuerbaren Energien – und damit auch die Photovoltaik – ganz andere Herausforderungen zu bewältigen haben, damit sie sich bald als eine verlässliche Säule der Energieversorgung bewähren können. Einige dieser technischen Qualifikationen sollen hier aufgeführt werden, um den aktuellen Handlungsbedarf für ein schnelles Gelingen der Energiewende zu unterstreichen.

Lokal: Dezentrale Einspeiser im Verbundnetz

Die installierten 40 GWp PV-Kraftwerkskapazität in Deutschland sind auf über 1,5 Millionen PV-Anlagen meist im Privatbesitz verteilt [1], welche zu großen Teilen nicht oder nur eingeschränkt erreichbar sind. Je nach Baujahr und Leistungsklasse weisen diese Kleinkraftwerke bezüglich ihres Einspeiseverhaltens ein buntes Spektrum an Eigenschaften auf. Von der autonomen Einspeisung (1. Generation) bis hin zur stufenweise steuerbaren Leistung sind viele Varianten vorhanden und auch die Beiträge zur Netzstützung (2. Generation; Blindleistung, Stützung bei Netzfehlern, etc.) sind sehr uneinheitlich. Für den Netzbetreiber ist dies ebenso eine Herausforderung wie für einen Energieanbieter, der diese Kraftwerke disponiert. Die vielen kleinen verteilten PV-Anlagen können nur dann effizient genutzt werden, wenn sie auch verlässlich zur Verfügung stehen. Für technisch veraltete PV-Anlagen werden nach Ablauf der garantierten Einspeisevergütung voraussichtlich wirtschaftlich unattraktive Bedingungen vorliegen, sodass sie sukzessive ihren Betrieb einstellen und die PV-Kraftwerkskapazität schrumpfen wird. Die Mehrzahl der vielen dezentral einspeisenden Kraftwerke ist heute von einem Netzmanagement nicht vernünftig disponierbar. Aufgrund von Überkapazitäten hat die Netzstabilität bisher nicht darunter gelitten [2]. Aber nur wenn die PV-Kraftwerke bereits heute darauf vorbereitet werden, zentral konfigurierbar zu sein, können sie auch in Zukunft kurzfristig aufkommende Anforderungen erfüllen (Negativbeispiel: 50,2 Hz-Nachrüstung) und einen verlässlichen Beitrag zur elektrischen Energieversorgung liefern. Die Energie von solchen PV-Anlagen hat für den Netzbetreiber dann auch einen gewissen Wert und wahrt für den Anlagenbetreiber die Chance auf eine bessere Vergütung.

Regional: Regelleistung

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der flexiblen Bereitstellung von Wirk- und Blindleistung, wie in den zurückliegenden beiden Symposien gezeigt wurde [3] [4]. Dabei können viele Erfahrungen aus dem einst zentral strukturierten Energieversorgungssystem direkt übernommen oder einfach adaptiert werden. Dies gelingt dann besonders gut, wenn, wie im Falle der Blindleistungsbereitstellung, eine Versorgung möglich ist, die zum einen tageszeitunabhängig ist (Bereitstellung von Blindleistung in der Nacht) und die zum anderen den vollen Stellbereich abdecken kann (voller Zweiquadrantenbetrieb). Für die Wahrung eines stabilen Netzbetriebes sind hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit von Regelleistung (Wirkleistung) zu stellen, die künftig von den regelleistungsfähigen PV-Wechselrichtern zu erbringen sind. Hier reicht es nicht, den Fahrplan für eine erfolgreiche Energiewende an den historisch gewachsenen Leitregeln auszurichten. Es bedarf eines ganzheitlichen Konzeptes zur Bereitstellung von Regelleistung aus PV-Anlagen. Dies umfasst in Zusammenarbeit mit den vier Übertragungsnetzbetreibern auch die Ausarbeitung sinnvoller und diskriminierungsfreier Kriterien zur Einbindung von fluktuierenden Erzeugungsanlagen in den Regelleistungsmarkt. Bei einem nachhaltigen Umbau der Energieversorgung wird zukünftig immer häufiger eine vollständige Versorgung durch Wind und Photovoltaik gegeben sein, wobei dann auch die Regelleistung vollständig durch diese Erzeuger bereitgestellt wird. Bei der Erbringung von Regelleistung ist eine hohe Genauigkeit und Dynamik für den stabilen Betrieb des Energieversorgungssystems unerlässlich. Die zu erwartenden Leistungen bei einem Abruf müssen stets bekannt sein, sodass es nicht zu unzulässigen Pendelungen kommt. Hierzu existieren mehrere Kriterien, die bei der Präqualifikation sowie in der Vorhaltungs- und in der Abrufphase erfüllt werden müssen. Diese sind zusätzlich abhängig von der jeweiligen Regelleistungsart [5] [6]. Allerdings sind diese Anforderungen historisch gewachsen und somit auf konventionelle thermische Anlagen ausgelegt. Sie basieren auf dem Verfahren „Fahrplan“, das aktuell Anwendung findet. Demnach erfolgt die Einspeisung nach einem festgelegten Fahrplan, der als Referenzwert für die zu erbringende Regelleistung genutzt wird. Für fluktuierende Erzeuger ist diese Betriebsweise jedoch nicht effizient anwendbar. Um das technische Potential fluktuierender Erzeuger kosteneffizient zu nutzen, wird daher das alternative Verfahren „Mögliche Einspeisung“ vorgeschlagen. Untersuchungen zur Anwendung des Verfahrens „Mögliche Einspeisung“ bei Windkraftanlagen zeigten die prinzipielle Machbarkeit [5]. Inzwischen sind erste Anforderungen an das Verfahren „Mögliche Einspeisung“ veröffentlicht und deren Praxistauglichkeit wird im Rahmen einer Pilotphase validiert [7]. Zudem konnte bereits gezeigt werden, dass mittels innovativer Regelungskonzepte für PV-Wechselrichter das Verfahren „Mögliche Einspeisung“ mit hoher Genauigkeit realisierbar ist. [8]. Darüber wurden Konzepte für den gepoolten Betrieb von PV-Anlagen in sogenannten virtuellen Kraftwerken untersucht, die weitere Vorteile für die Regelleistungsbereit-stellung erschließen.

International: Leistungspendelungen verhindern

In Zukunft wird von erneuerbaren Energien auch die statische Blindleistungskompensation und die Spannungsregelung an bestimmten Netzknoten vor allem im Mittelspannungsnetz übernommen werden müssen, um die Inter-Area-Schwingungen im Höchstspannungsnetz (Power Oscillation Damping, POD) zu dämpfen. Solche Schwingungen treten im europäischen Verbundnetz mit Eigenfrequenzen im Bereich von 0,2 bis 0,5 Hz auf [9] und können durch entsprechende Blindleistungseinspeisung an geeigneten Knoten gedämpft werden. Dazu muss die Regeldynamik der Blindleistungsquellen so hoch sein, dass die gewünschte Dämpfung technisch auch erreichbar ist. Nach [9] wird die Qualität der Dämpfung maßgeblich durch die Dynamik der Regelung und durch den Ort bestimmt, an dem die Blindleistungseinspeisung stattfindet. Die Latenzzeit ist allerdings bei bisherigen PV-Kraftwerken in der Regel so hoch (ca. 1 s), dass eine Einbindung in die POD-Regelung nicht sinnvoll ist. Durch gezielte Verbesserungsmaßnahmen kann die Verzögerungszeit zwischen dem Eintreffen des neuen Sollwerts und der Reaktion im Wechselrichter auf ca. 100 ms entscheidend gesenkt werden. Zusammen mit einer Erweiterung des einstellbaren Blindleistungsgradienten können in Zukunft große PV-Kraftwerke der neuesten (3.) Generation nicht nur für die statische Blindleistungskompensation genutzt werden, sondern auch die dynamischen Anforderungen für die Einbindung in die POD-Regelung erfüllen.

Zukunftssichere Anlagen

Zukunftssichere PV-Anlagen müssen sich an der Regelung der Parameter Frequenz und Spannung im Verbundnetz beteiligen. Dabei wird sich die Dynamik der Regelung, also die Geschwindigkeit mit der die Anlage Regelbefehle bzw. Sollwertänderungen umsetzt, an den Betriebsmitteln orientieren, die jetzt schon zur Stabilisierung bzw. Regelung des Verbundnetzes eingesetzt werden. Darüber hinaus ist damit zu rechnen, dass die Spannungs- bzw. Frequenzgradienten zunehmen werden, als Folge von weniger Trägheit im Netz (mehr Leistungselektronik, weniger Maschinen und Generatoren). Die zukünftigen Anforderungen an PV-Anlagen sind also schon heute weitgehend absehbar:

  • zentrale Steuerbarkeit von PV-Kraftwerken (digitale Energiewende, schnelle Kommunikation);
  • hohe lokale Regelgeschwindigkeit (z. B. zur Spannungsstabilisierung durch Blindleistungseinspeisung);
  • kalkulierbare Verfügbarkeit unterstützt durch Eigenanalyse-Funktionen und gezielte Wartung sowie
  • ein hoher, reproduzierbarer Qualitätsstandard aller Anlagenkomponenten.

Bemerkenswert ist, dass viele dieser technischen Eigenschaften bereits umgesetzt wurden oder ihre Umsetzung in Form von Feldversuchen gezeigt werden konnte.

Fazit
Die Energiewende muss sich auf Quellen nachhaltig hoher Verfügbarkeit, aber mit unterschiedlichen und einander ergänzenden Angebotsprofilen (z. B. Photovoltaik und Wind), stützen. Nur wenn die Vielzahl der einspeisenden PV-Anlagen die professionellen Qualitätsstandards von Netzbetriebsmitteln erfüllen, diese aber bezüglich ihrer dynamischen Eigenschaften (Anregelzeit und Ausregelzeit) übertreffen, werden sie einen nachhaltigen Beitrag zur Energieversorgung leisten. Damit dies erreicht werden kann, müssen die Möglichkeiten der Kommunikations- und Regelungstechnik allerdings auch zeitnah umgesetzt werden, indem z. B. vorhandene Normen entsprechend angepasst werden. Einheitliche Messverfahren zur Bewertung der Reaktionszeiten sollten formuliert werden. Eine Diskussion dieser Thematik innerhalb der Branche (Hersteller, Planer, Anlagenbetreiber, etc.) aber auch mit Netzbetreibern ist dringend notwendig, damit die Anlagentechnik – unabhängig von der Speichertechnik – weiter vorangetrieben werden kann und so den nachhaltigen und langfristigen Betrieb von kleinen und mittleren PV-Anlagen sowie großen Kraftwerken ermöglicht. Ein Teil der hier vorgestellten Ergebnisse basieren auf dem Verbundforschungsvorhaben: PV-Regel – „Entwicklung von Konzepten und Lösungen zur Regelleistungserbringung mit Photovoltaikanlagen“, das mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert wird.

Literatur
[1] Wirth, H.: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland, FhG ISE, Freiburg, 25.12.2015.
[2] Versorgungsqualität – SAIDI-Werte 2006–2014. Daten zur Versorgungsqualität im Strombereich; Bundesnetzagentur 20.8.2015.
[3] Bülo, Th., et al.: Systemrelevante PV-Kraftwerke in der zukünftigen Energieversorgung. 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Staffelstein, 2015.
[4] Bettenwort, G.; Brantl, J.; Bülo, Th.; Mende, D.; Pfalzgraf, M.; Premm, D.; Sakschewski, V.; Schmidt, S.; Schwarz, J.: Systemrelevante PV-Kraftwerke in der zukünftigen Energieversorgung. 29. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Staffelstein, 2014.
[5] Regelenergie durch Windkraftanlagen – Abschlussbericht. Fraunhofer IWES, Kassel 2014.
[6] Rahmenverträge über die Vergabe von Aufträgen zur Erbringung der Regelenergieart Primärregelleistung / Sekundärregelleistung / Minutenreserve“. 50Hertz Transmission GmbH, Amprion GmbH, TenneT TSO GmbH, TransnetBW GmbH.
[7] Leitfaden zur Präqualifikation von Windenergieanlagen zur Erbringung von Minutenreserveleistung im Rahmen einer Pilotphase. regelleistung.net, Internetplattform zur Vergabe von Regelleistung.
[8] Premm, D.; Osterkamp, B.; Seidel, J.; Poehling, S.; Unru, A.; Engel, B.: The PV-Regel Project – Development of Concepts and Solutions for the Provision of Control Reserve with PV, EUPVSEC, Hamburg, 2015.
[9] Graber, Th.; Höhn, S.; Luther, M.: A Contribution to Thorough Comprehension of POD Provide by Facts Devices, Int. ETG Congress, Bonn, 2015.
[10] Dena-Netzstudie II – Integration erneuerbarer Energien in die deutsche Stromversorgung im Zeitraum 2015 – 2020 mit Ausblick auf 2025. Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena), Berlin, 2010.
[11] Bettenwort, G.; Bülo, Th.; Engel, B.; Falk, A.; Laschinski, J.; Premm, D.; Osterkamp, B.; Pöhling, S.; Seidel, J.; Unru, A.: Photovoltaik als verlässliche Säule der Energieversorgung. 31. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Staffelstein, 2016.

Autor: Dr. Gerd Bettenwort; Dr. Thorsten Bülo; Dipl.-Ing. Andreas Falk; Dipl.-Ing. Joachim Laschinski; Dipl.-Ing. (FH) Daniel Premm, Dipl.-Ing. Alexander Unru, Prof. Dr. Bernd Engel; Björn Osterkamp, M. Sc., Julia Seidel, Dipl.-Ing. Stefan Poehling

Der Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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