Virtuelles Kraftwerk

Ein virtuelles Kraftwerk ist eine Zusammenschaltung von kleinen, dezentralen Stromerzeugern, wie zum Beispiel Photovoltaikanlagen, Kleinwasserkraftwerke und Biogasanlagen, aber auch kleiner Windenergieanlagen und leistungsschwacher Blockheizkraftwerke zu einem Verbund, der disponible Kraftwerksleistung aus Großkraftwerken ersetzen kann. Virtuell heißt das Kraftwerk nicht, weil es etwa keinen Strom erzeugte, sondern weil es keinen einzelnen Standort besitzt. Andere dafür gebräuchliche Begriffe sind Schwarmkraftwerk und DEA-Cluster (= Cluster aus Dezentralen Erzeugungsanlagen).

Ein virtuelles Kraftwerk aus vielen Einzelanlagen

Aufgrund ihrer Struktur mit kleinen Erzeugern können virtuelle Kraftwerke die bestehenden Netzstrukturen mit zentralen Großkraftwerken nicht vollständig ersetzen. Vielmehr eröffnet das Konzept des virtuellen Kraftwerks die Möglichkeit zur Ergänzung und Optimierung der bestehenden Strukturen des Energieversorgungssystems.

Virtuelle Kraftwerke setzen sich gegenüber ungekoppelten dezentralen Einspeiseanlagen schwer durch, weil bei ihnen Kosten für Kommunikation und den Aufwand der zentralen Steuerung hinzukommen. Daher werden auch virtuelle Kraftwerke diskutiert, bei denen die einzelnen dezentralen Einspeiser nicht über eine ständige informationstechnische Kopplung verfügen.

Generatorverbund

Werden Generatorverbünde und Lastverbünde zusammengeschaltet, kann eine intelligente Steuerung zunächst versuchen, Leistungsspitzen durch Laststeuerung auf der Abnehmerseite möglichst auszugleichen, um dann den verbleibenden Leistungsbedarf kostengünstig aus dem Angebot der angeschlossenen Generatorverbünde zu decken.

Virtuelle Kraftwerke nutzen Synergien, die durch die Zusammenschaltung von Einzelkraftwerken möglich werden. Zur Lastverteilung können weitere Erzeuger zugeschaltet werden, sobald Spitzenlasten auftreten, die ein einzelnes Kraftwerk überfordern würden. Nachteile, die aus einem speziellen Standort oder dem wechselhaften Wetter erwachsen, können kompensiert werden. Grundlastkraftwerke wie z. B. Kern- und Braunkohlekraftwerke fährt man aus wirtschaftlichen Gründen bei Nacht nicht herunter, deshalb ist die Zwischenspeicherung des Nachtstroms in Speicherkraftwerken heute schon Stand der Technik.

Kombiniert man beispielsweise einen Windpark, ein photovoltaisches Kraftwerk und einen Energiespeicher, etwa ein Pumpspeicherkraftwerk, zu einem virtuellen Kraftwerk kombiniert, so kann das Solarkraftwerk einspringen, wenn der Flaute herrscht. Scheint keine Sonne, kann das Windkraftwerk liefern. Scheint die Sonne und es weht Wind, kann überschüssige Energie im Pumpspeicher eingespeist werden. Weht kein Wind und scheint keine Sonne, liefert das Pumpspeicherwerk die Energie zurück. Je mehr Kraftwerke und Kraftwerkstypen kombiniert werden, desto höher ist der Synergieeffekt und damit die Gesamteffizienz des virtuellen Kraftwerkes.

Funktionsschema einer BHKW-Anlage

In dem Maße, wie sich die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (MKWK) zur Energieversorgung von Gebäuden durchsetzt, liegt auch hier das Ankoppeln an ein virtuelles Kraftwerk immer näher, weil durch koordiniertes Einspeiseverhalten etwa Spitzenlaststrom erzeugt und Regelenergie erzeugt werden kann, was wirtschaftliche Vorteile abwirft. Die heute verfügbaren KWK-Anlagen zur Gebäudeenergieversorgung im Verbund erfüllen bereits die technischen Anforderungen für die Bereitstellung von Regelleistung, die von den Regelzonenverantwortlichen gestellt werden. So kann ein Mini-Blockheizkraftwerk den Strom vorwiegend zur Netzlastspitze produzieren und die zeitweilig überschüssige Wärme in einem Wärmespeicher puffern. Der Besitzer einer dezentralen Anlage muss aber zu diesem Zweck Eingriffe in die Steuerung seine Anlage durch den Betreiber des virtuellen Kraftwerks gestatten, was gerade von privaten Haushalten schwer akzeptiert wird.

Technische Grundlagen

Vor allem, weil es noch nicht ausreichend wirtschaftlich zu betreibenden Energieanlagen im Kleinformat gibt und weil zwischen den Stromeinspeiseknoten und der Leitstelle auch kommuniziert werden muss, stößt das Einrichten von virtuellen Kraftwerke durch deren Verbindung noch an große Hürden. Deshalb wird in den folgenden Teilgebieten derzeit geforscht und entwickelt:

• Kommunikationsschicht (betriebskostenminimierende WAN-Techniken wie Powerline und (Funk-)Rundsteuerung usw.)
• Kommunikationsgrammatik
• Kommunikationssemantik für aktuelle Bedarfsanforderungen
• Nachrichtenstandardisierung
  • Leistungsanforderungen: Energiemenge, vermutliche Dauer, spätestmögliche Lieferung;
  • Leistungsnachforderung: Energiemenge, vermutliche Dauer, höchstmögliche Ausfallzeit;
  • Leistungsangebot: Energiemenge, vermutliche Dauer, geschätzte Kosten usw.
• Kommunikationsprotokoll (vorzugsweise ein asynchrones, asymmetrisches, ereignisgesteuertes Protokoll).

Standardisierung

Von der Europäischen Union geförderte Projekte wie z. B. DISPOWER, FENIX und MICROGRIDS entwickeln derzeit Standards für eine einheitliche Informations- und Kommunikationstechnologie in diesem Bereich. Mit diesen Standards wird sowohl die internetbasierte Steuerung eines virtuellen Kraftwerkes möglich, als auch der automatisierte Handel mit Strom. Es zeichnet sich ab, dass die Erweiterung des Kommunikationsprotokolls IEC 61850-7-420 leittechnischer Standard für dezentrale Energieanlagen werden wird.

Versorgungssicherheit

Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) zusammen mit neun Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft betreibt derzeit das neue Projekt "Kombikraftwerk 2", in dem erforscht wird, wie man Stromversorgung sicher und zuverlässig allein mit erneuerbaren Energien erreichen kann. In Modellen und Feldversuchen verknüpft man dabei Wind- und Biogaskraftwerke sowie Solarstromanlagen und steuert sie zentral. Die Forscher erhoffen sich davon Erkenntnisse, wie sich der steigende Anteil von Wind- und Sonnenenergie in die Stromversorgung integrieren lässt.

Darüber hinaus soll untersucht werden, welchen Beitrag erneuerbaren Energien zur Versorgungsqualität leisten können. Bereits heute verfügen Solar-, Biogas- und Windenergieanlagen über technische Eigenschaften, die zur Netzstabilität beitragen und können bei Engpässen das Stromnetz entlasten. Mit dem „Kombikraftwerk 2” testet man die Wirksamkeit so genannter Systemdienstleistungen bei einer regenerativen Vollversorgung unter realen Wetterbedingungen. Das Projekt knüpft an sein Vorgängerprojekt an, das bereits 2007 nachgewiesen hatte, dass man aus erneuerbaren Energien bedarfsgerecht Strom erzeugen kann.

Studien der TU Berlin und der BTU Cottbus zeigen, dass eine solch intelligente Vernetzung dezentraler regenerativer Kraftwerke einen erheblichen Beitrag dazu leisten kann, große Mengen wechselhaft anfallenden Stroms optimal in das Versorgungsnetz einzuspeisen. Die Studien zeigen außerdem, dass sich mit Hilfe geeigneter Steuerung Strombedarf und -produktion einer Großstadt wie Berlin gut aufeinander abstimmen lassen. Dadurch kann sowohl die höhere Netzebene entlastet als auch der Bedarf an konventionellen Reservekapazitäten deutlich verringert werden.

„Ein vollständiger Umstieg auf regenerative Energien ist aus Gründen des Klimaschutzes und angesichts endlicher fossiler Ressourcen unumgänglich. Die Frage ist, was das für die heutige Struktur der Stromversorgung bedeutet, für Übertragungsnetze und Energiespeicher”, sagt Dr. Kurt Rohrig, Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) am Standort Kassel. „Unser Praxistest wird zeigen, dass eine Vollversorgung mit Erneuerbaren Energien realistisch ist und dass auch bei Flaute nicht die Lichter ausgehen”.

Siehe auch

• Dezentrale Stromerzeugung
• Demand Side Management
• Netzparallelbetrieb

Literatur

• Droste-Franke et al.: Brennstoffzellen und Virtuelle Kraftwerke. Springer-Verlag, Berlin 2009. ISBN 9783540857969

Weblinks

Allgemein

• Das regenerative Kombikraftwerk
• Hintergrundinformationen bei der Agentur für Erneuerbare Energien
• Virtuelle Kraftwerke: Theorie oder Realität? (PDF-Datei; 445 kB)
• Telepolis bei Heise.de: Das virtuelle Kraftwerk
• SESAM: Selbstorganisation und Spontaneität in liberalisierten und harmonisierten Märkten
• Anforderungen an dezentrale Einspeiser bezüglich der Betriebsführung in Virtuellen Kraftwerken (2006) (PDF-Datei)
• Das RegenerativKraftwerk Bremen bei Energie & Management (März 2011)
• Virtuelle Kraftwerke. Windstrom in den Boiler Artikel in der FAZ

Pilotprojekte (F&E)

In Pilotprojekten werden die Wirtschaftlichkeit und die Möglichkeit geprüft, flexibel auf Lastschwankungen zu reagieren:

1. Das regenerative Kombikraftwerk
2. Virtual Fuel Cell Power Plant (Vaillant)
3. Energiepark KonWerl im Projekt KonWerl 2010
4. Das RegenerativKraftwerk Bremen
5. Die Regenerative Modellregion Harz - RegModHarz

Produktivsysteme

Im kommerziellen Betrieb:

1. Virtuelles Regelenergiekraftwerk der Saar Energie