Virtuelle Kraftwerke

Vonadmin

Virtuelle Kraftwerke

Für die Bildung von sogenannten virtuellen Kraftwerken sind mehrere räumlich verteilte und ortsabhängige Erzeugungsanlagen notwendig. Diese werden anschließend an eine gemeinsame Steuerungseinheit, die von einer zentralen Stelle überwacht wird, angebunden. Diese sogenannten virtuellen Kraftwerke können einen einerseits eine verbrauchernahe Versorgung mit Energie gewährleisten, aber auch weitere energiewirtschaftliche Aufgaben übernehmen.[1]

Die technische Anbindung und Steuerung erfolgt über Informations- und Kommunikationsschnittstellen. In einer zentralen Leitwarte werden das Energiemanagement und die Planungs- sowie Kontrollprozesse durchgeführt. Dadurch soll eine möglichst optimale und kosteneffiziente Führung des virtuellen Kraftwerkes ermöglicht werden. Einerseits unterscheidet sich ein virtuelles Kraftwerk von konventionellen Kraftwerken dadurch, dass dort eine Vielzahl von kleinen Anlagen zusammengeschlossen ist, andererseits kann bei einer ausreichenden Anzahl von integrierten Anlagen auch die Erzeugungsleistung von großen Kraftwerken erreicht werden.[2]

Bei der Nutzung von virtuellen Kraftwerken ist die Form der im Rahmen der Energieerzeugung einschließenden Energie der einzelnen Anlagen unerheblich. Um besser auf sich ergebende Einspeisungsprofile reagieren zu können und beispielsweise Reserveleistungen zu vermeiden, können größere Verbraucher zur Laststeuerung mit integriert werden. Als Beispiel hierfür können größere Kühlanlagen genannt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich in dem virtuellen Kraftwerk stochastisch einspeisende Energiesysteme wie beispielsweise Windkraftanlagen befinden.[3]

Ziel des Einsatzes von virtuellen Kraftwerken ist es, Synergie-Effekte auszunutzen und somit die größtmöglichen Vorteile aus der Nutzung unterschiedlicher Energieanlagen wie Windkraftanlagen, Biomasse-, Wasser- oder Solarkraftwerken und anderen Energieerzeugungsanlagen zu generieren. Somit erfolgt auch in einem gewissen Umfang der Ausgleich von Vor- und Nachteilen der einzelnen Formen der Energieerzeugung. Beispielsweise kann tagsüber bei Windstille auf Solarenergie zurückgegriffen werden, währenddessen beispielsweise in der Nacht die Energie aus Wasserkraft genutzt werden kann.[4]

Die Effektivität und Effizienz eines sogenannten virtuellen Kraftwerkes wird insbesondere von dem Energiemanagementsystem beeinflusst. Nur, wenn ein optimaler Ausgleich zwischen dem Energiebedarf und der Energiebereitstellung erreicht wird, wird einerseits die Ausfallsicherheit gewährleistet und andererseits werden die ökologischen und ökonomischen Ziele erreicht.[5] Zur Optimierung des Energieeinsatzes muss eine Prognose von Last und Erzeugung, aber auch eine Planung des Einsatzes von Energie sowie die Steuerung der Erzeuger und auch eine begleitende Überwachung der Energieerzeugungsanlagen erfolgen. Insbesondere bei dem Einsatz von erneuerbaren Energien wie Windkraft und Solarenergie müssen die notwendigen Daten wie Wettervorhersage, Windstärke sowie Einstrahlungsvorhersagen mit in die Planung einbezogen werden. Somit ist die Prognose für eine spätere Planung von grundlegender Bedeutung.

Die Prognose erfolgt üblicherweise über ein softwaregestütztes System. In dieses System fließen die Wetterdaten sowie die benötigte thermische und elektrische Last ein. Somit soll eine Prognose für die nächsten 24 Stunden, mitunter auch für die nächsten sieben Tage erstellt werden. Hierbei muss auf eine bestmögliche Qualität der genutzten Datensätze geachtet werden, um eine bestmögliche Prognose abzuleiten und das virtuelle Kraftwerk möglichst wirtschaftlich zu betreiben. Durch die zunehmende Weiterentwicklung der Technologien wird inzwischen auch eine mehrtägige Prognose ermöglicht.[6]

Bei der Prognose werden historische Klimadaten, aber auch Daten der Kunden mit einbezogen. Dabei wird der sogenannte Kalman-Filter genutzt. Dieser Filter dient dazu, die nicht messbaren Zustandsgrößen zu schätzen. Der Filter basiert dabei auf einem mathematischen Modell, das zur Beschreibung von dynamischen Eigenschaften dient und zusätzlich zu den vorhandenen Messgrößen eine Korrektur der vorhergesagten Zustandsgrößen ermöglicht.[7]

Neben der Planung für die nächsten 24 Stunden beziehungsweise sieben Tage ist auch eine Planung im Viertelstundentakt möglich. Dadurch wird es ermöglicht, die dezentralen Anlagen so zu steuern, dass eine möglichst hohe Effektivität und Effizienz erreicht werden und somit eine bestmögliche Wirtschaftlichkeit. Die Optimierung erfolgt dabei über eine zentrale Steuerung der einzelnen Anlagen. Hierfür ist es notwendig, dass die Anlagen über die notwendigen technischen Schnittstellen zur Datenübertragung verfügen. Durch eine kontinuierliche Rückmeldung kann ein Vergleich zwischen der geplanten und der tatsächlichen Energieerzeugung der einzelnen Anlagen hergestellt und gegebenenfalls zusätzliche Maßnahmen eingeleitet werden, um die benötigte Energie bereitzustellen.[8]

Wie bereits zuvor erwähnt, ist ein wichtiger Parameter in Bezug auf die Funktionsweise von virtuellen Kraftwerken die Nutzung eines Energiemix, der einerseits aus regenerativen Energien und andererseits aus der Bereitstellung von Energien aus Kraft-Wärme-Kopplung besteht.[9] Die dabei integrierten Photovoltaikanlagen wandeln das Sonnenlicht auf Basis des Fotoeffekts in elektrische Energie um. Üblicherweise produziert eine Solaranlage zunächst Gleichstrom, der vor dem Einspeisen in das Stromnetz mittels Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden muss.[10]

Ein weiterer Bestandteil von virtuellen Kraftwerken können Wasserkraftwerke sein. Einerseits existieren hierbei Speicherkraftwerke, die auch dazu genutzt werden können, überschüssigen Strom für eine spätere Phase mit einem Defizit zu speichern. Andererseits existieren auch sogenannte Laufwasserkraftwerke, die abgesehen von Niedrigwasserperioden, konstante elektrische Leistung erbringen können.[11]

Bei den Windkraftanlagen innerhalb eines virtuellen Kraftwerkes wird die Windenergie zum Antrieb von Rotorblättern, die ihrerseits mit einem Generator verbunden sind, genutzt. Die Menge des durch Windkraftwerke produzierten Stroms muss jedoch als sehr Volatilität angesehen werden, da die Leistung auch durch die jeweilige Windgeschwindigkeit und auch durch lauten beeinflusst werden kann. Auch zu hohe Geschwindigkeiten können dazu führen, dass um etwaige Beschädigungen an der Anlage zu vermeiden, diese zum Stillstand gebracht werden muss.[12]

Bei Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung können unterschiedliche Energieträger genutzt werden. Als Beispiel hierfür kann die Nutzung von Biomasse und Biogas genannt werden. In diesen Anlagen wird neben elektrischem Strom auch Wärmeenergie erzeugt, die beispielsweise zur Beheizung von Wohngebäuden genutzt werden kann. Somit weisen diese Anlagen auch einen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 80 % auf. Bei diesen Anlagen kann zwischen einem stromgeführten und einem wärmegeführten Betrieb unterschieden werden. Bei einem stromgeführten Betrieb ist die benötigte elektrische Energie maßgeblich für den Betrieb der Anlage, während dessen beim wärmegeführten Betrieb primär die Wärmeversorgung im Fokus steht und die Produktion von elektrischer Energie nur ein zusätzlicher Nutzen ist.[13]

 

[1] Vgl. Schellong, W. (2016) Analyse und Optimierung von Energieverbundsystem, S. 134.

[2] Vgl. Parodi, O., Banse, G., Schaffer, A. (Hrsg.) (2010) Wechselspiel: Kultur und Nachhaltigkeit: Annäherungen an ein Spannungsfeld, S. 184.

[3] Vgl. Vuille, F., Favrat, D., Erkman, S. (2015) Herausforderungen der Schweizer Energiewende verstehen, um zu wählen: 100 Fragen und Antworten, S. 162.

[4] Vgl. Fuchs, G. (Hrsg.) (2017) Lokale Impulse für Energieinnovationen: Bürgerwind, Contracting, KWK, Smart Grid, S. 187.

[5] Vgl. Synwoldt, C. (2016) Dezentrale Energieversorgung mit regenerativen Energien: Technik, Märkte, kommunale Perspektiven, S. 386.

[6] Vgl. Fuchs, G. (Hrsg.) (2017) Lokale Impulse für Energieinnovationen: Bürgerwind, Contracting, KWK, Smart Grid, S. 187.

[7] Vgl. Kaltschmitt, M., Hartmann, H., Hofbauer, H. (Hrsg.) (2016) Energie aus Biomasse: Grundlagen, Techniken und Verfahren, 3. Auflage, S. 933.

[8] Vgl. Niederhausen, H., Burkert, A. (2014) Elektrischer Strom: Entstehung, Übertragung, Verteilung, Speicherung und Nutzung elektrischer Energie im Kontext der Energiewende, S. 134.

[9] Vgl. Schaumann, G., Schmitz, K. W. (Hrsg.) (2010) Kraft-Wärme-Kopplung, 4. Auflage, S. 224.

[10] Vgl. Droste-Franke, B. et Al. (2009) Brennstoffzellen und Virtuelle Kraftwerke: Energie-, umwelt- und technologiepolitische Aspekte einer effizienten Hausenergieversorgung, S. 69.

[11] Vgl. Droste-Franke, B. et Al. (2009) Brennstoffzellen und Virtuelle Kraftwerke: Energie-, umwelt- und technologiepolitische Aspekte einer effizienten Hausenergieversorgung, S. XXXV.

[12] Vgl. Zahoransky, R. (Hrsg.) et Al. (2013) Energietechnik: Systeme zur Energieumwandlung. Kompaktwissen für Studium und Beruf, 6. Auflage, S.  337.

[13] Vgl. Droste-Franke, B. et Al. (2009) Brennstoffzellen und Virtuelle Kraftwerke: Energie-, umwelt- und technologiepolitische Aspekte einer effizienten Hausenergieversorgung, S. 62.

Über den Autor

admin administrator