GETEC VPP: Vernetzung dezentraler Energieerzeugungsanlagen


Der Strommarkt 2.0

GETEC digitalisiert und vernetzt Ihre dezentrale Energieerzeugungsanlage. Damit erhöhen Sie die Wirtschaftlichkeit Ihrer Anlage und tragen zum Gelingen der Energiewende bei.

Konstante Stromversorgung durch erneuerbare Energien

In der Vergangenheit spielten flexible Verbraucher im Stromversorgungssystem eine untergeordnete Rolle, da es Überkapazitäten auf der Angebotsseite gab, die von den Stromkunden finanziert wurden. Im Zuge der Energiewende ändert sich der Flexibilitätsbedarf des Stromsystems.

Das Kernelement des Strommarktes 2.0 ist das Preissignal. Durch den fortschreitenden Ausbau der erneuerbaren Energien wird der flexible Einsatz von Erzeugern und Verbrauchern immer wichtiger.

In Zukunft wird die Stromversorgung in Deutschland zunehmend auf erneuerbare Energien angewiesen sein. Durch die von der Politik vorgegebenen Ziele werden Kraftwerke mit konventionellen Energiequellen mehr und mehr durch erneuerbare Energien ersetzt. In windstarken und sonnenreichen Zeiten ist die Stromproduktion hoch, in der Nacht und/oder in windstillen Zeiten sehr niedrig. Dennoch muss eine zuverlässige Stromversorgung zu jeder Tageszeit gewährleistet werden. Um eine konstante Stromversorgung durch erneuerbare Energien zu bewerkstelligen, müssen Alternativen zu den konventionellen Kraftwerken geschaffen werden.

Alternativversorgung mithilfe des virtuellen Kraftwerks

Eine Alternative ist das virtuelle Kraftwerk, auch "Virtual Power Plant" genannt (VPP). Ein VPP ist ein Verbund aus

  • Netzbetreiber,
  • dezentralen Stromerzeugungsanlagen,
  • dem Strommarkt,
  • Energiespeichern und
  • dem Stromverbraucher

  

Ein VPP kann durch fossile Brennstoffe oder mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Photovoltaikanlagen, Windkraftwerke oder Biogas-BHKWs werden zu Einheiten gebündelt und gemeinsam gesteuert. Das virtuelle Kraftwerk befindet sich nicht an einem zentralen Ort, dadurch ist die Stromversorgung nicht mehr von einem ortsgebundenen Kraftwerk abhängig. Mittels einer digitalen Plattform erfolgt die Kommunikation unterhalb der einzelnen Anlagen. Die einzelnen Stromproduzenten, Netzbetreiber und Stromverbraucher können dadurch in Echtzeit miteinander kommunizieren. Das virtuelle Kraftwerk bündelt die Stromerzeugung aus den einzelnen Stromerzeugungsanlagen bzw. den Strombedarf der einzelnen Verbraucher und speist oder entnimmt Strom entsprechend in oder aus dem öffentlichen Stromnetz.

Was auf den ersten Blick als einfaches und nachvollziehbares Prinzip erscheint, ist in der Umsetzung jedoch komplex und herausfordernd. Ein virtuelles Kraftwerk ist, wie jedes Großkraftwerk, ein systemkritischer Baustein der europäischen Versorgungslandschaft. Es muss zu jedem Zeitpunkt dafür Sorge getragen werden, dass die Netzstabilität garantiert werden kann.

  

Funktion und Aufbau eines virtuellen Kraftwerkes

Die Verknüpfung der einzelnen Anlagen erfordert ein komplexes und gut geplantes Kommunikationssystem, mit welchem möglichst exakt bestimmt werden kann, wie viel Strom zu einem gewissen Zeitpunkt eingespeist oder bezogen werden muss. Für eine solche Überwachung ist ein Leitstandsystem erforderlich, welches für jede Anlage eine Überwachung und Steuerung in Echtzeit ermöglicht. Wichtig ist die zeitgenaue Erfassung von Verbraucherdaten, deren Auswertung sowie die intelligente Kommunikation der Teilnehmer untereinander.

Grundlage in der Fernwirktechnik sind eine genormte Datenübertragungsplattform sowie Datenformate, mit denen es möglich ist, Prozesse zu schalten, zu regeln und zu überwachen. Eine zuverlässige Datenübertragung ist enorm wichtig, da insbesondere nicht nur der tägliche Stromverbrauch schwankt, sondern auch die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien (Wind und Sonne). Vor diesem Hintergrund sind auch meteorologische Modelle einzubeziehen, um Bedarfs- und Erzeugungsprognosen zu verbessern.

Um Schwankungen in der Erzeugung und dem Bedarf auszugleichen und Engpässe oder Überlastungen im Stromnetz zu vermeiden, sind intelligente Systeme notwendig. Mit Hilfe dieser intelligenten Systeme werden alle Komponenten eines virtuellen Kraftwerks wie

  • die Energiequellen,
  • Stromerzeuger,
  • Energiespeicher,
  • Verbraucher und
  • Netzbetriebsmittel

smart miteinander vernetzt (Smart-Grid).

Für den Anschluss der Anlage an das virtuelle Kraftwerk ist eine Verknüpfungsstelle erforderlich. Über diese Verknüpfung werden im Minutentakt die Daten an das virtuelle Kraftwerk übertragen und gleichzeitig geregelt. Es gibt eine bidirektionale Verbindung zur dezentralen Einheit, bei der die Datenkommunikation kabelgebunden oder mittels Funktechnik erfolgt.

Für die Integration der dezentralen Erzeugungsanlagen in das virtuelle Kraftwerk müssen einige Anforderungen erfüllt werden. Ein Standard für die Steuerung über eine Leitstelle ist das Format "VHPready" (Virtual Heat and Power Ready). Mit Hilfe dieses Kommunikationsstandards ist eine bessere und intelligentere Steuerung zu einem virtuellen Kraftwerk möglich. Des Weiteren müssen die Schnittstellen zum Leitsystem genormt und auf einem einheitlichen Softwarestand sein. Nicht nur die Kommunikation innerhalb des virtuellen Kraftwerks ist von besonderer Bedeutung, sondern auch die erhöhten Sicherheitsanforderungen an das Energie-System als Ganzes, um sich vor dem Zugriff unerlaubter Dritter zu schützen.


Produzenten und Speicher

Blockheizkraftwerke können konventionell mit Erdgas oder Heizöl oder regenerativ mit Pflanzenöl, Biogas bzw. Biomethan oder sonstigen nachwachsenden Rohstoffen betrieben werden. Durch die Vernetzung mit dem virtuellen Kraftwerk kann das BHKW zusätzliche Gewinne durch Regelenergie-Vermarktung erbringen. Bei Abruf von "positiver" und "negativer Regelleistung" wird das Kraftwerk hochgeregelt oder heruntergefahren, um einen Zusammenbruch des Stromnetzes durch ein Ungleichgewicht von Erzeugung und Verbrauch zu verhindern.

Notstromaggregate sind in vielen Bereichen, wie beispielsweise in

  • Rechenzentren,
  • medizinischen Einrichtungen oder
  • Banken

für den Notfall vorgesehen. Sie müssen in entscheidenden Momenten eines unerwarteten Stromausfalls in wenigen Sekunden ihre volle Leistung erbringen. Da sie aber die meiste Zeit ungebraucht sind, wird ihre Kapazität nicht optimal genutzt. Hier bieten virtuelle Kraftwerke eine Lösung: Die Notstromaggregate werden in ein virtuelles Kraftwerk integriert und nehmen somit am Regelenergie-Markt teil. Ist der Stromverbrauch im Vergleich zur Stromproduktion zu groß, so muss zur Netzstabilität zusätzlicher Strom erzeugt werden. Das am Regelenergiemarkt vernetzte Notstromaggregat produziert jenen für diesen Zeitraum und stabilisiert das Netz. Durch die Einspeisung des Stroms über den Regelenergiemarkt werden zusätzliche Erträge erwirtschaftet. Eine Leitwarte stellt durchgehend sicher, dass die Anlage voll einsatzbereit und funktionstüchtig ist.

Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie eines Brennstoffes (z.B. Wasserstoff oder Methanol) über eine Anode und Kathode in Strom und warmes Wasser um. Es ist eine "Verbrennung" (Oxidation) ohne Flamme. Die Brennstoffzelle ist somit ein sehr effizienter und umweltfreundlicher Stromproduzent. Da die chemische Energie zu einem großen Teil in elektrische Energie umgewandelt werden kann, ist der elektrische Wirkungsgrad höher als bei herkömmlichen thermischen Prozessen. Somit ist auch die Brennstoffzelle eine interessante Komponente für die Energiewende und für ein virtuelles Kraftwerk. Trotz des hohen elektrischen Wirkungsgrades ist die absolute elektrische Leistungskapazität einer Brennstoffzelle eher gering. Brennstoffzellen werden deshalb vorwiegend als "stromerzeugende Heizung" in Wohngebäuden eingesetzt.

Wärmepumpen können ideal in virtuellen Kraftwerken eingesetzt werden, da sie überschüssigen Strom in Wärme umwandeln können und diese im Vergleich zu Strom einfach zu speichern ist. In Zeiten in denen Windparks und Photovoltaikanlagen einen Stromüberschuss produzieren, kann dieser von einer Wärmepumpe intelligent verwendet werden.


Demand Response

Demand Response bedeutet eine flexible Betriebsweise von Erzeugern und Verbrauchern, getrieben von Signalen des Strommarktes. Die Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien ist starken Schwankungen ausgesetzt, wodurch sich ein zunehmender Bedarf an Regelleistung und Regelenergie ergibt. Durch den Ausbau von EE wird der flexible Einsatz von Erzeugern und Verbrauchern immer wichtiger. Durch Demand Response wird Netzschwankungen durch das An- bzw. Abschalten von Erzeugern automatisch entgegengewirkt. Das Stromnetz wird stabilisiert und eine hohe Versorgungssicherheit gewährleistet. In Echtzeit wird auf den Strommarkt reagiert und attraktive Zusatzerlöse können erwirtschaftet werden.

Primär- und Sekundärregelleistung

Um das Stromnetz stabil auf 50,00 Hertz zu halten, sind die Primär- und Sekundärregelleistung von entscheidender Bedeutung. Die Primärregeleistung muss vollständig innerhalb der ersten 30 Sekunden nach Anforderung zur Verfügung stehen und stellt somit die erste Stufe des Stabilitätsmechanismus dar. Die zweite Stufe ist die Sekundärregelleistung, welche spätestens nach fünf Minuten zur Verfügung stehen muss. Die Tertiärregelleistung (auch Minutenreserve) muss spätestens nach 15 Minuten zur Verfügung stehen. Je nach Anforderungen müssen die Primär- und Sekundärregelleistung unterschiedlich starke Schwankungen ausgleichen.

Wirtschaftlichkeit: Stromverkauf ohne Risiko

Das virtuelle Kraftwerk bietet eine große Vielfalt an Einsatzmöglichkeiten. Eine intelligente Prozess- und Leittechnik ist dabei stets das unverzichtbare Kernelement. Die Anlagen müssen auf kleinste Änderungen im Markt sofort reagieren können. Um den erzeugten EEG-Strom flexibel an Dritte zu verkaufen, bieten sich zwei Möglichkeiten:

  • Die eigenverantwortliche Direktvermarktung (Marktprämienmodell) oder
  • die gesetzlich verankerte Vergütung durch den zur Abnahme verpflichteten Netzbetreiber.

Die Marktprämie und das Marktprämienmodell dienen der Förderung der Direktvermarktung des Stroms aus erneuerbaren Energien. Bei der Direktvermarktung wird der produzierte Strom direkt an den Abnehmer verkauft. Der Netzbetreiber wird aus dem sonst üblichen Vermarktungskreislauf, der im Normalfall den Strom an den Verbraucher weiterleitet, ausgeschlossen. Dabei erhalten die Betreiber der Anlagen keine Vergütung über das EEG, sondern über das Marktprämienmodell. Mithilfe dieser Prämien soll der Anlagenbetreiber dazu animiert werden, seinen Strom bedarfsorientiert einzuspeisen. Der Strom wird an der Strombörse verkauft und die Betreiber werden mit dem regulären Marktpreis entlohnt. Dieser Preis liegt meistens deutlich unterhalb der Einspeisevergütung nach dem EEG. Die dadurch entstehende Differenz zu Lasten des Anlagenbetreibers wird durch die Marktprämie ausgeglichen. Zusätzlich können sich Anlagenbetreiber am Regelenergiemarkt beteiligen und weitere Einnahmen generieren.

 

Wird der Strom gemäß Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) über die gesetzliche Vergütung an den Netzbetreiber verkauft, so erhält der Anlagenbetreiber eine konstant hohe Vergütung für den verkauften Strom. Der "grüne Strom" wird vom zuständigen Netzbetreiber abgenommen und vergütet. Diese Vergütung liegt deutlich über dem üblichen Marktpreis. Die Differenz zwischen Marktpreis und Vergütungspreis wird über die EEG-Umlage auf die Endverbraucher umgelegt. Die Netzbetreiber stimmen die Höhe dieser EEG-Umlage jährlich ab. Der Anlagenbetreiber kann selbst entscheiden, ob er seinen produzierten Strom über das EEG vergüten lassen möchte oder direkt vermarkten will. Der mittelfristige Wunsch des Gesetzgebers ist eine Direktvermarktungs- oder Selbstverbrauchspflicht für sämtlichen Strom aus EE-Anlagen.

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