Momentanreserve und das Ausregeln von Leistungsveränderungen

Von Franz Hein und Tobias Veith (dieser Beitrag befindet sich noch in Bearbeitung)

Ein kaum beachtetes und sehr kritisches technisches Detail in einem Wechselstromsystem betrifft die Momentan­reserve, also die rotierenden Massen konventioneller Kraftwerke. Denn mit der Stilllegung von Atom- und Kohlekraftwerken, werden auch diese im großen Stil vom Netz genommen. Die Schwungmassen der Synchrongeneratoren sind aber für die Frequenzerzeugung und -haltung von zentraler Bedeutung, da hier permanent ohne Steuerungseingriffe mechanische in elektrische Energie und umgekehrt umgewandelt wird. Das ist ein rein physikalischer Vorgang der ohne jeglichen Zeitverzug, also instantan abläuft. Das kann man sich auch als große Stoßdämpfer für Belastungsstöße vorstellen, die bisher dafür gesorgt haben, dass das europäische Verbundsystem so stabil funktioniert. Diese werden aber nun nach und nach reduziert und bisher nicht gleichzeitig ersetzt, weil PV- und Windkraftanlagen diese Systemfunktion nicht mitbringen. Damit steigt die Störanfälligkeit des Systems, weil die Pufferung damit fortlaufend reduziert wird. Das kann verglichen werden mit einer ständigen Reduzierung der Schmierung der Lager in drehenden Teilen, die ohne Schmierung dann schlicht versagen.

Generator

Was ist die Momentanreserve?

Die Momentanreserve ist die Summe der kinetischen Energie aller im zusammengeschalteten Netz im Einsatz befindlichen Synchrongeneratoren. Unter Synchrongeneratoren versteht man Schwungmassen, die zur Energieerzeugung oder zum Energieverbrauch rotieren. Man kann dies vergleichen mit einem Motor im Auto oder einem Elektromotor einer Maschine. Im Auto rotiert der Motor natürlich auch dann, wenn wir nicht aufs Gaspedal treten und ein Gang eingelegt ist. So funktioniert z. B. die Motorbremse. Genauso wirken Schwungmassen im Stromnetz. Die kinetische Energie „steckt“ in den sich mit einer bestimmten Drehzahl drehenden Rotoren der Synchrongeneratoren. Das gilt genauso für Synchronmaschinen. Die wären dann auch als Schwungmassenspeicher nutzbar, die weder angetrieben werden noch selbst etwas antreiben, sondern „nur“ im Netz als Energiepuffer mitlaufen.

Momenanreserve-Zeitbezug-beim-Stabilitätsbeitrag
Momenanreserve-Stabilitätsbeiträge-Legende

Die Momentanreserve ist ein inhärent vorhandener Energiespeicher, der einen kurzfristig auftretenden Energiebedarf ohne Zeitverzug deckt (also auch bei Kurzschlüssen oder Laststößen). Genauso wird ein Energieüberschuss zwischengepuffert. Beides verändert unverzüglich die Drehzahl der rotierenden Massen und damit die erzeugte Frequenz des Wechselstromes. Deshalb zeigt die an jeder Stelle im Wechselstromnetz messbare Frequenz daher auch immer an, ob ein Leistungsmangel oder ein Leistungsüberschuss im Gesamtsystem vorhanden ist. Über die Messung der Frequenz können so von anderen Einrichtungen unabhängig Regeleingriffe zielgerichtet erfolgen. Auch plötzlich notwendige Lastabwürfe bei extremen Frequenzabfall oder Abschaltungen von Einspeisungen bei extremen Frequenzanstieg sind so frequenzgesteuert möglich. Regeleingriffe und frequenzgesteuerte Abschaltungen können das Gesamtsystem stabil halten, wenn sie rasch genug und entsprechend leistungsstark erfolgen. Die Frequenz ist die für die Gewährleistung der Stabilität des Gesamtsystems wichtigste Kenngröße. Ihre Beibehaltung bestimmt die als Puffer im Gesamtsystem inhärent bevorratete Energiemenge.

Die Energiemenge der Momentanreserve verteilt sich über das Netz automatisch auf alle mitlaufenden rotierenden Massen und soll nur innerhalb sehr enger Grenze schwanken, damit die Stabilität und Transportfähigkeit des Netzes erhalten werden kann. Die aktuell im Netz vorhandene Momentanreserve bestimmt damit auch die maximal zulässigen bzw. bei Netztrennungen oder anderen Störungen beherrschbaren Energietransporte. Da Erzeugungseinheiten unvorhersehbar plötzlich ausfallen können oder auch Belastungen genauso plötzlich entfallen können, bestimmt die Größe der Momentanreserve auch den maximal beherrschbaren Leistungshub und damit die zulässige Größe der Einheiten im Netzverband. Das ist besonders in einer Netzwiederaufbauphase bestimmend für das Gelingen eines solchen Vorganges. Eine Überforderung dieses Pufferungsvermögens muss unter allen Umständen vermieden werden.

Wie wirkt die Momentanreserve im Stromnetz?

Die Momentanreserve und die im Stromnetz vorhandene elektrische Energie bilden die Gesamtenergie im abgeschlossenen System des Netzes. Innerhalb dieses abgeschlossenen Systems bleibt gemäß dem Energieerhaltungssatz die Gesamtenergie konstant.

Wird dem System elektrische Energie entzogen, dann wird diese Energie gleichzeitig (instantan) aus der Momentanreserve (fiktiv) „umgespeichert“, damit die Gesamtenergie konstant bleibt. Fällt also bspw. ein großes Kraftwerk aus, sieht man daher normalerweise kein Wegbrechen der entsprechenden Energie aus diesem Kraftwerk im Netz. Denn die rotierenden Schwungmassen drehen sich im Zeitpunkt des Ausfalls noch mit der Geschwindigkeit wie zuvor. Sie sind damit ein klein wenig schneller als der Durchschnitt aller angeschlossenen Schwungmassen inklusive des ausgefallenen Kraftwerks. Daher fangen sie in diesem ersten Moment den Energieausfall auf. Es kommt zum „Umspeichern“. Das “Umspeichern“ bedeutet real einen Energieentzug aus den drehenden Rotoren. Da allerdings insgesamt weniger Energie eingespeist wird, rotierenden die Schwungmassen immer langsamer – die Drehzahl sinkt. Übertragen auf die Motorbremse wird unser Auto immer langsamer, wenn wir nicht mehr Gas geben, sondern nur den Motor eingekuppelt lassen. Das würde letztlich zum Stillstand führen.

Daher wird positive Regelleistung aktiviert, die Regelenergie einspeist. Sie hat zwei wesentliche Aufgaben: Die Frequency Containment Reserve, auch Primärregelleistung genannt, ist die am schnellsten reagierende Regelleistungsart. Sie ist dazu dar, den Abfall zu stoppen. Wird so viel Energie zusätzlich eingespeist, wie dem System entnommen wird, dann verändert sich der Energiegehalt der Momentanreserve nicht mehr. Die momentane Drehzahl aller angeschlossenen Synchrongeneratoren und -maschinen bleibt dann konstant. Dieser Teil des Ausregelns ist damit abgeschlossen.

Damit die ursprüngliche Drehzahl wieder erreicht wird, muss so viel Energie zusätzlich eingespeist werden, wie aus der Momentanreserve zuvor „umgespeichert“ wurde. Dazu werden automatic Frequency Restoration Reserve, manual Frequency Restoration Reserve und Replacement Reserve aktiviert, im deutschsprachigen Raum Sekundärregelleistung und Minutenreserve. (Im deutschsprachigen Raum gibt es das Produkt Replacement Reserve nicht als separates Regelleistungsprodukt. Aktuell erfolgt gerade eine Vereinheitlichung von Regelleistungsprodukten über alle Regelzonen Zentraleuropas.)

Das oben beschriebene Verhalten bei Energie-Entzug verkehrt sich genau ins Gegenteil, wenn in das System von außen Energie eingespeist wird. Immer ist die Drehzahl der Indikator.

Die Drehgeschwindigkeit und damit die Drehzahl der Synchrongeneratoren und -maschinen bestimmt also die Energie im Gesamtsystem. Die Drehzahl wird auch Frequenz genannt, also Umdrehungen pro Zeiteinheit. Im europäischen Verbundsystem herrscht eine Soll-Frequenz von 50 Hz. Dies entspricht 50 Umdrehungen der angeschlossenen Synchrongeneratoren oder -maschinen pro Sekunde. Damit ist die Frequenz des erzeugten Wechselstromes auch der eindeutige Indikator für ein Leistungsungleichgewicht, durch was dies auch immer verursacht wird. Diese Frequenz wird zusammen mit der elektrischen Energie zu jedem Netzanschluss transportiert und kann im gesamten Netz gemessen werden und auch als Regelgröße herangezogen werden.

Die Änderungsgeschwindigkeit bei der Kenngröße Frequenz ist von der Energiemenge abhängig, welche in der Momentanreserve enthalten ist sowie von der Größe des aufgetretenen Leistungsungleichgewichts. Die Änderungsgeschwindigkeit ist umso größer, je größer das Leistungsungleichgewicht ist, und umso kleiner, je größer der Energievorrat in der Momentanreserve ist. Sind weniger Schwungmassen mit dem System verbunden, wirkt sich dies daher direkt auf die Änderungsgeschwindigkeit aus. Denn gerade Erneuerbare wie PV-Anlagen verfügen über gar keine Schwungmasse. Windkraftanlagen verfügen zwar über Schwungmasse. Diese ist allerdings zumindest individuell viel kleiner. Bei einem Abbau von Momentanreserve oder wenn wenige Synchrongeneratoren z. B. bei geringer Leistungsanforderungen am Netz sind, wird demnach die Änderungsgeschwindigkeit und damit die negative Steigung der Frequenzkurve über die Zeit bei einem Leistungssprung stärker.

Um dies zu verhindern, muss immer genügend Momentan­reserve für die Pufferwirkung im Netz verfügbar sein. Und dann muss eine Frequenzänderung auch noch so rasch erkannt werden, dass die ausregelnden Komponenten die Frequenzauslenkung noch vor einem Eintritt eines Systemkollaps stoppen können. Das gilt im Übrigen für die Energiemangelsituationen und genauso für Energieüberfluss. Letzteres ist nur durch Abschalten von Einspeisungen leichter zu beherrschen als das Abschalten von Stromverbrauchern bei einer Energiemangelsituation.

Noch in Bearbeitung:

  • Was bestimmt das Ausregelvermögen?
  • Warum ist ein Energietransport ein Ausregelthema?
  • Warum ist ein Systemschutz erforderlich?
  • Was soll ein Systemschutz bewirken?

Weitere Hintergründe/Zusammenfassung (noch nicht eingearbeitet)

Stunden mit negativen Strompreisen (DEU) / Steigende Strompreisvarianz

In diesem Beitrag werden die Tage/Stunden mit negativen Strompreisen an der europäischen Strombörse (epexspot) ab 2015 dargestellt. Diese stellen nicht nur für den Markt eine große Herausforderung dar, wird doch in dieser Zeit für die Stromabnahme bezahlt, sondern bedeutet auch eine zusätzliche Belastung für die Infrastruktur, da es zu großräumigen Stromtransporten kommt, für die die Infrastruktur nie ausgelegt wurde. Bei Gefahr für die Netzsicherheit erfolgt durch die Übertragungsnetzbetreiber ein Intradaystop - der Handel wird ausgesetzt - bzw. erfolgen Redispatching-Maßnahmen, die wieder um erhebliche Kosten verursachen. Diese werden über die Netzentgelte an die Kunden weiterverrechnet.

Ein weiterer Aspekt betrifft die Gestehungskosten/Grenzkosten bei der Erzeugung, welche je nach Anlagentyp sehr unterschiedlich sein können. Das führt etwa auch dazu, dass Kraftwerke, die auf längere Sicht nicht wirtschaftlich betrieben werden können, aus dem Markt fallen (Merit-Order-Effekt). Das ist grundsätzlich gut und richtig und auch für den Klimaschutz erfreulich, führt aber gleichzeitig zu wenig beachteten negativen Nebenwirkung: Durch den Wegfall von rotierende Massen wird die immanent notwendige und systemkritische Stabilisierung und Ausregelung zunehmend schwieriger und gefährdet. Mittelfristig verzögert sich zusätzlich der Bau von für die Energiewende unverzichtbaren Pumpspeicherkraftwerken und rasch einsetzbaren, flexiblen Kraftwerken (Energiebevorratung), um die volatile Erzeugung der EE-Anlagen auszugleichen, weil es sich einfach nicht rechnet, diese zu bauen. Ein Teufelskreis.

Next-Kraftwerke hat zwei gute Zusammenfassung zu diesem Thema erstellt (Was sind negative Strompreise und wie entstehen sie? und Negative Strompreise: Fieberkurve oder Normalbetrieb?). Meine Anmerkungen befinden sich in den Kommentaren.

Variabilität - signifikante Preissprünge

Ein neues Phänomen ist seit 13. September 2020 zu beobachten: Innerhalb weniger Stunden bzw. Tage treten enorme Strompreisschwankungen auf. So wurde am Sonntag, 13.09.20, von 13 bis 14 Uhr ein negativer Preis von -59 Euro pro MWh erreicht. Von 20 bis 21 Uhr kostete dann die MWh 51 Euro. Eine Differenz von 110 Euro!

Einen Tag später, am Montag, 14.09.20 kostete die MWh zwischen 19 und 20 Uhr bereits 121 Euro. Erstmals seit 24.01.19 wurde damit wieder ein Preis über 100 Euro erzielt. Am Dienstag, 15.09.20 sogar 189 Euro. Der höchste Wert seit 08.02.12 (18 bis 19 Uhr 210 Euro)! Im Intraday-Handel wurde sogar ein Preis von 555 Euro/MWh erzielt, also mehr das 10-fache vom Üblichen um diese Zeit. Eine Woche später, am Monate dem 21.09.20 gibt es von 19 bis 20 Uhr bereits den nächsten Rekord: 200 Euro! Der Intraday-Preis stieg jedoch „nur“ auf 128 Euro.

Das bedeutet nicht nur eine große preisliche Schwankung (Angebot und Nachfrage), sondern vor allem enorme Herausforderungen für den sicheren Netzbetrieb!

Strompreis Deutschland 2018-2020
Strompreis Deutschland 2020-21

Stromgestehungskosten

Stromgestehungskosten für erneuerbare Energien und konventionelle Kraftwerke in Deutschland (Datenquelle: Fraunhofer ISE; März 2018; Wikipedia)

Zu beachten ist, dass die Preise hier in EuroCent/kWh angeführt sind und der Strom in Euro/MWh gehandelt wird. Also die Werte mal 1.000 genommen werden müssen. Das bedeutet, dass im besten Fall ein Strompreis von im Durchschnitt 40 Euro/MWh erwirtschaftet werden muss, um Kraftwerke kostendeckend betreiben zu können.

Stromgestehungskosten_Deutschland_2018_laut_Fraunhofer_ISE

Strompreise Deutschland

Quelle: www.epexspot.com

Strompreistabelle
Strompreis - negativ
Strompreis - Quartal
Strompreis - Jahre
Strompreis - Jahre - tiefster Preis

Aktuelles Quartal: Negativpreise | Preise über 100 Euro pro MWh

21-3 - Strompreise
Strompreis - höchster Jahrespreis

Volatilität bei der Erzeugung aus PV und Wind (Beispiel Deutschland)

Quelle: amprion.de

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im Jahr 2021

Zum vollständige Anzeigen der Tabellen bitte das jeweilige Bild anklicken.

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 3. Quartal 2021

21-3 - Strompreise

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 2. Quartal 2021

21-2 - Strompreise

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 1. Quartal 2021

21-1 - Strompreise

Hintergründe Stromgestehungskosten / Grenzkosten

Stromgestehungskosten / Grenzkosten

2016 fallen die vielen Stunden mit Preisen zwischen 0-20 Euro auf. Hier ist anzumerken, dass auch um diesen Preis kein konventionelles Kraftwerk kostendeckend produzieren kann, da die Grenzkosten - die Kosten, die für die Produktion erforderlich sind - deutlich höher liegen. Einen Anhalt für die tatsächlichen Produktionskosten bietet der Bericht "Subventionen und Kosten für Energie" des österreichischen Umweltbundesamtes. Wobei hier auch externalisierte Kosten berücksichtigt werden. Die Beurteilung, wie "nachhaltig" die Stromproduktion daher derzeit überhaupt ist, bleibt dem Leser überlassen.

LCOE Oestereich

Stromgestehungskosten für ausgewählte Technologien. Das unterste grüne Segment entspricht den Stromgestehungskosten gemäß LCOE-Methodik, das mittlere grüne Segment stellt die direkte Förderung (z. B. Steuererleichterungen für den Brennstoff) dar und das oberste Segment gibt die externen Kosten an. Die in blau dargestellte „zusätzliche Förderung“ gibt die Höhe der Subventionen an, welche keine Auswirkungen auf die Stromgestehungskosten der Anlagen haben (z. B. Einspeisevergütung). Die Angabe der Unsicherheit der externen Kosten bei der Kernkraft gibt die Spannweite der Literaturangaben wieder, die aufgrund unterschiedlicher Annahmen stark variieren; die orange Markierung gibt den durch ECOFYS ermittelten Wert an (Durchschnitt EU28).

11/18:  In den vergangenen 12 Monaten war der Spotmarktpreis an 150 Stunden unter 0 Euro/MWh und an 902 Stunden (= 9,515 % aller Stunden im Jahr) unter 20 Euro/MWh. Einen Preis über 60 Euro/MWh wiesen in den letzten 12 Monaten 1.393 Stunden (= 14,694 % aller Stunden im Jahr) auf. Quelle: www.power-solution.at

Niedrige Strompreise

Wie die (unvollständige) Auswertung der Strompreise unter 20 Euro zeigt, ist die Anzahl der Stunden 2016 massiv angestiegen. Während die Auswertung dieser Preiszone im Jahr 2015 eine Gesamtzahl von rund 400 Stunden ergab, waren es 2016 und 2017 mehr als 930 Stunden (aus organisatorischen Gründen werden nur Tage mit mehreren Stunden unter 20 Euro ausgewertet).

Strompreis - 0-20

Die niedrigen Strompreise freuen natürlich (Groß)Kunden, führen aber gleichzeitig dazu, dass die betriebswirtschaftlichen Bedingungen für konventionelle Stromproduzenten immer schwieriger werden. Die damit verbundenen Nicht-Investitionen (Wartung und Erneuerung) werden in wenigen Jahren zu einem zunehmenden Problem durch "Aging Infrastructures" führen. Wohin das führen kann, ist bereits in Großbritannien zu beobachten. Zusätzlich steigt der Bedarf an konventioneller Regelleistung, um die Netzstabilität aufrecht erhalten zu können. So verdreifacht etwa die Austrian Power Grid die Reservekapazitäten für den Sommer. Das System muss weiter bzw. verstärkt an der Belastungsgrenze betrieben werden, wie auch die Redispatch-Maßnahmen zeigen.

Hohe Strompreise

Dem gegenüber stehen Strompreise über 100 Euro, die erstmals 2017 wieder mehrfach aufgetreten sind.

Rekordnegativstrompreise

Am 08. Mai 2016 wurde nach dem 25. Dezember 2012 mit dem Rekordnegativstrompreis von -221,99 Euro pro MWh der bisher zweitniedrigste Wert mit -130,09 Euro erreicht (siehe auch unter Alle Jahre wieder …. Muttertag … und Rekordnegativstrompreise). Am 01. Mai 2017 gab es während 16 Stunden Negativstrompreise. Davon während 11 Stunden unter 30 Euro, was einen neuen Rekord in der Dauer und Höhe darstellt.

Strompreis - Jahre - tiefster Preis

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im Jahr 2020

Zum vollständige Anzeigen der Tabellen bitte das jeweilige Bild anklicken.

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 4. Quartal 2020

20-4 - Strompreise

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 3. Quartal 2020

20-2 - 07 - Strompreise

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 2. Quartal 2020 - Juni

20-2 - 06 - Strompreise

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 2. Quartal 2020 - Mai

20-2 - 05 - Strompreise

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 2. Quartal 2020 - April

20-2 - Strompreise

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 1. Quartal 2020

20-1 - Strompreise

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im Jahr 2019

Zum vollständige Anzeigen der Tabellen, bitte das jeweilige Bild anklicken. Es gibt eine kleine Abweichung zwischen der eigenen Auswertung (209 Stunden) mit der offiziellen (211 Stunden).

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 4. Quartal 2019

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 3. Quartal 2019

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 2. Quartal 2019

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 1. Quartal 2019

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im Jahr 2018

Zum vollständige Anzeigen der Tabellen, bitte das jeweilige Bild anklicken.

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im 4. Quartal 2018

 

Strompreise unter 20 Euro im 3. Quartal 2018

18-3 - Strompreise

Strompreise unter 20 Euro im 2. Quartal 2018

 

Strompreise unter 20 Euro im 1. Quartal 2018

Negativstrormpreise Deutschland/Österreich EEX

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im Jahr 2017

Zum vollständige Anzeigen der Tabellen, bitte das jeweilige Bild anklicken.

 

Strompreise unter 20 Euro im 4. Quartal 2017

Strompreise unter 20 Euro im 3. Quartal 2017

Strompreise unter 20 Euro im 2. Quartal 2017

 

Strompreise unter 20 Euro im 1. Quartal 2017

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im Jahr 2016

Zum vollständige Anzeigen der Tabellen, bitte das jeweilige Bild anklicken.

 

Strompreise unter 20 Euro im 4. Quartal 2016

strompreise-4-qu-2016

Strompreise unter 20 Euro im 3. Quartal 2016

Strompreise 3.Qu 2016

 

Strompreise unter 20 Euro im 2. Quartal 2016

Strompreise 2.Qu 2016

Strompreise unter 20 Euro im 1. Quartal 2016

Während es im Jänner 2015 25 Stunden mit Negativstrompreisen gab, waren es 2016 nur 5.

Strompreise unter 20 bzw. über 100 Euro im Jahr 2015

Zum vollständige Anzeigen der Tabellen, bitte das jeweilige Bild anklicken.

 

Strompreise unter 20 Euro im 2. Halbjahr 2015

Strompreise unter 20 Euro im 1. Halbjahr 2015

Strompreise 1.HJ 2015

Anmerkung: In den eigenen Auswertungen wurde offensichtlich eine Stunde übersehen, da andere Quellen von 126 Stunden sprechen.