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Virtuelles Kraftwerk

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Definition: eine Kombination von dezentralen, aber zentral gesteuerten Kraftwerken

Englisch: virtual power plant

Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 15.12.2012; letzte Änderung: 15.06.2015

Viele Kleinkraftwerke, beispielsweise Windenergieanlagen, Photovoltaikanlagen, Biogaskraftwerke und Blockheizkraftwerke speisen heute unkoordiniert elektrische Energie in das Stromnetz ein. Wenn zunehmend solche Einspeisungen erfolgen, wird es schwieriger, den dann stärker schwankenden Restbedarf an Energie aus Großkraftwerken zu decken und die Versorgungssicherheit aufrecht zu erhalten. Es ist deswegen mit diesem Ansatz nicht möglich, einen Großteil des Bedarfs an elektrischer Energie mit erneuerbaren Quellen zu decken.

Ein Ansatz zur Lösung dieses Problem ist das virtuelle Kraftwerk, das auch als Schwarmkraftwerk, Kombikraftwerk, Hybridkraftwerk oder DEA-Cluster bezeichnet wird (DEA = dezentrale Erzeugungs-Anlagen). Hier werden Kraftwerke verschiedener Art, die ganz unterschiedliche Standorte haben können, durch eine zentrale Steuerung zusammengefasst. Die Zentrale steuert den Einsatz all der einzelnen Anlagen und verhält sich auf der Nachfrageseite wie ein einzelnes, eben virtuelles Kraftwerk. Wenn die teilnehmenden tatsächlichen Kraftwerke geeignet zusammengesetzt sind, lässt sich die gesamte Leistungsabgabe gut den Schwankungen der Nachfrage anpassen. So kann ein virtuelles Kraftwerk problemlos in einen größeren Kraftwerkspark (auch mit Großkraftwerken) integriert werden, und zukünftig könnten solche Gebilde auch einen Großteil der gesamten Stromerzeugung übernehmen.

Gezielter Einsatz von Kraftwerken

Technisch funktioniert das virtuelle Kraftwerk im Prinzip einfach so, dass die enthaltenen gut regelbaren Kraftwerke und ggf. noch zusätzliche Speicher für elektrische Energie (z. B. Pumpspeicherkraftwerke) geeignet eingesetzt werden. Die von nicht regelbaren Kraftwerken – etwa Windenergieanlagen und Photovoltaikanlagen – erhaltene Leistung wird in jedem Moment ergänzt durch gezielt abrufbare Leistung z. B. von Biogaskraftwerken und Blockheizkraftwerken. Letztere können mit Erdgas betrieben werden oder auch, wenn eine reine regenerative (erneuerbare) Erzeugung gewünscht wird, mit Biogas. Erdgas und Biogas lassen sich gut speichern; darüber hinaus ist es möglich, Biomasse für die Biogaserzeugung zu speichern.

Gegebenenfalls auftretende Überschüsse können z. B. mit Pumpspeicherkraftwerken für spätere Zeiten nutzbar gemacht werden. Je mehr solche Energiespeicher zur Verfügung stehen, desto größer kann der integrierbare Anteil fluktuierender Stromerzeuger sein. Außerdem kann notfalls die Leistung eigentlich nicht regelbarer Kraftwerke “abgeregelt” werden, freilich unter Verlust von nutzbarer Energie.

Geeignete Informationstechnik sorgt dafür, dass einerseits jedes teilnehmende Kraftwerk der Zentrale regelmäßig die erzeugte Leistung mitteilt und andererseits die regelbaren Kraftwerke von der Zentrale gesteuert werden. Gegebenenfalls können auch eigentlich nicht regelbare Kraftwerke in Sonderfällen auch abgeregelt werden, wenn sonst zu viel Leistung erzeugt würde.

Ebenfalls ist es möglich, Verbraucher mit einzubeziehen, da dort durch gezieltes Lastmanagement der zeitliche Verlauf des Leistungsbedarfs günstig beeinflusst werden kann.

Verbindung mit der Wärmeerzeugung

Da ein virtuelles Kraftwerk Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung einschließen kann, spielt es auch bei der Wärmeversorgung eine Rolle. Bisher arbeiten Blockheizkraftwerke meistens rein wärmegeführt, d. h. sie produzieren ohne Berücksichtigung des aktuellen Strombedarfs. Wenn sie mit einfachen Wärmespeichern ausgestattet werden, lässt sich ihre Stromerzeugung innerhalb eines Tages (oder sogar etwas mehr) gezielt dem Bedarf anpassen. Ihre Stromerzeugung gewinnt dadurch erheblich an Wert.

Beiträge erneuerbarer Energie zur Wärmeversorgung sind für den Klimaschutz natürlich sehr wichtig, da es sich um einen großen Verbrauchssektor handelt, der bisher von fossilen Energieträgern dominiert wird.

Virtuelles Kraftwerk als einfache Schnittstelle; Erzeugung von Regelenergie

Die Bündelung vieler kleiner Kraftwerke zu einem virtuellen Kraftwerk hat den Vorteil, dass auf der Nachfrageseite eine einfache und zuverlässige Schnittstelle geboten werden kann. So ist es auch möglich, Regelenergie bereit zu stellen. Zwar wären technisch die teilnehmenden regelbaren Kleinkraftwerken (z. B. mit Biogasverstromung) selbst dazu in der Lage, jedoch ist die Teilnahme am Regelenergiemarkt auf der administrativen Ebene für so kleine Einheiten kaum praktikabel.

Leittechnische Standards

Zur Zeit werden Standards für die benötigte Informationstechnik (Leittechnik) entwickelt, z. B. in von der Europäischen Union geförderten Forschungsvorhaben. Von Bedeutung ist nicht nur die Art der genutzten technischen Infrastruktur für die Datenübertragung (z. B. das Internet), sondern auch das verwendete Protokoll, welches im Detail festgelegt werden muss und für zukünftige Erweiterungen offen sein muss.

Grenzen virtueller Kraftwerke

Das Konzept des virtuellen Kraftwerks ändert nichts daran, dass sowohl Windenergie als auch Sonnenenergie zeitlich fluktuierend anfallen und deswegen einer Ergänzung durch Kraftwerke mit gut steuerbarer Leistung und auch durch Energiespeicher bedürfen. Eine gezielte Steuerung der steuerbaren Beiträge z. B. von Biogas kann zwar die Integration von Wind- und Solarstrom erheblich erleichtern. Jedoch ist klar, dass ausreichend hohe steuerbare Beiträge benötigt werden und zusätzlich auch Energiespeicher. Insbesondere verbleiben Herausforderungen bei der Anpassung auf saisonale Schwankungen der Erzeugung, solange saisonale Speicher nur sehr begrenzt zur Verfügung stehen. Vor diesem Hintergrund wird klar, dass auch virtuelle Kraftwerke auf absehbare Zeit nicht die Möglichkeit bieten, den Strombedarf beispielsweise zu 60 % aus Sonnenenergie und 30 % aus Windenergie zu decken. Ein wesentlicher Anteil aus Biomasse (z. B. Biogas) wird für eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energie sicher nötig sein.

Gewisse Energieversorgungsunternehmen (EVU) sind sehr interessiert daran, den Wärmemarkt stärker mit Hilfe elektrischer Energie zu erschließen, und sehen im virtuellen Kraftwerk einen Ansatz hierfür. Interessant wäre für die EVU vor allem, Windstrom besser für Elektrowärmepumpen nutzbar zu machen. Hier kann das virtuelle Kraftwerk freilich nur sehr begrenzt helfen: Wenn vorwiegend Windstrom für Heizzwecke genutzt werden sollen, liegt ein nicht steuerbares Energieangebot vor, welches zudem zwar im Winter tendenziell größer ist, insgesamt aber doch von seiner jahreszeitlichen Struktur her nur sehr eingeschränkt zum Heizstrombedarf passt. Steuerbar ist hier nur die Nachfrageseite (die Elektrowärmepumpe), aber das läuft auf das traditionelle Lastmanagement hinaus, was eigentlich kein virtuelles Kraftwerk braucht. Das virtuelle Kraftwerk kann das Grundproblem der nicht idealen jahreszeitlichen Charakteristik so wenig lösen wie das Lastmanagement, welches den Bedarf nur innerhalb eines Tages verschieben kann, aber nicht in eine andere Jahreszeit.

Wesentlich besser passend für den Heizstrombedarf sind Blockheizkraftwerke, da diese ja selbst dem Wärmebedarf entsprechend produzieren. Begrenzend wirken aber die Mengen erneuerbarer Energie, die hierfür verfügbar sind. Wenn Erdgas eingesetzt wird, entsteht kaum ein Vorteil gegenüber dem Einsatz von großen Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken; es wird dafür weiterhin fossile Energie verwendet, und wegen des niedrigeren elektrischen Wirkungsgrads nicht unbedingt mit höherer Gesamteffizienz. Biogas ließe sich zwar im Prinzip vermehrt im Winter erzeugen, indem die Rohstoffe hierfür im Sommer abgelagert würden. Jedoch dürfte dies nicht in großem Umfang praktikabel sein.

Angesichts dieser Grenzen wird man beobachten müssen, in wieweit das Konzept des virtuellen Kraftwerks von Energieversorgungsunternehmen als Vehikel für das Vordringen in den Wärmebereich genutzt wird, ohne dass zusätzlich erzeugte erneuerbare Energie tatsächlich nachvollziehbar für die Deckung dieses Bedarfs herangezogen wird. Es besteht nämlich die Gefahr, dass in Wirklichkeit Gaskraftwerke und Kohlekraftwerke, die vorwiegend im Winter betrieben werden, die eigentlichen Quellen für den Strom sind, der mit Hilfe der ansprechenden Idee virtueller Kraftwerke vermarktet wird.

Intelligentes Stromnetz als mögliche Alternative zum virtuellen Kraftwerk

Prinzipiell denkbar wäre es auch, dass im Rahmen eines intelligenten Stromnetzes Kleinkraftwerke direkt diese Funktionen übernehmen könnten, ohne Teil eines virtuellen Kraftwerks zu sein (wenn nicht das ganze Stromversorgungssystem als ein einziges virtuelles Kraftwerk betrachtet werden soll). Jedoch scheint dies auf absehbare Zeit nicht möglich zu sein, da noch lange nicht klar ist, wie ein zukünftiges intelligentes Stromnetz realisiert werden könnte. Virtuelle Kraftwerke dagegen sind schon heute realisierbar.

Beispiel: “Kombikraftwerk 2”

In Deutschland betreibt das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft das Projekt “Kombikraftwerk 2” [1]. Es wird untersucht, wie virtuelle Kraftwerke am besten aufgebaut werden können und wie gut sie die Integration erneuerbarer Energien ermöglichen können – mit der langfristigen Perspektive einer weitestgehend erneuerbaren Stromversorgung. Das Projekt arbeitet sowohl mit Modellen als auch mit Feldversuchen für möglichst praxisnahe Resultate.

Literatur

[1]Das Projekt "Kombikraftwerk 2" des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES)

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Kraftwerk, erneuerbare Energie, Regelenergie, dezentrale Energieerzeugung, Versorgungssicherheit
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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