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.

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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.

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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)