Technik im Detail

Kurzdokumentation

Dokumentation über das Kombikraftwerk inklusive animierter Darstellung der Regelung (ca. 6 Minuten).

Zum betrachten des Videos ist der kostenlose Flash Player von Adobe erforderlich.

Animation

Animation der Funktionsweise des Kombikraftwerks (ca. 2 Minuten).

Zum betrachten des Videos ist der kostenlose Flash Player von Adobe erforderlich.

Wozu ein regeneratives Kombikraftwerk?

In einem Kombikraftwerk werden verschiedene Energieerzeugungsaanlagen miteinander verknüpft und bilden so eine gemeinsam steuerbare größere Einheit. Die Besonderheit an einem regenerativen Kombikraftwerk ist, dass dazu nur Erneuerbare-Energien-Anlagen untereinander sowie mit Speichern verknüpft werden. Der Vorteil ist, dass sich Charakteristiken unterschiedlicher Anlagentechnologien, bspw. Solar- und Windenergieanlagen, untereinander ausgleichen - oft ist es so, dass die Sonne scheint, wenn der Wind nicht weht und andersherum. Auch können Anlagen des gleichen Typs, die aber in verschiedenen Regionen stehen, so stabilisierend auf die Gesamterzeugung dieses kombinierten Kraftwerks wirken. Idealerweise sind in einer solchen vernetzen Anlage noch Speicher eingebunden, die Fluktuationen in der Energieerzeugung aufnehmen und wieder abgeben können. Für den weiteren Ausbau Erneuerbarer Energien sind Regenerative Kombikraftwerke sehr wichtig, da die klimaschonende, aber teilweise fluktuierende Stromerzeugung steuerbar wird.

Die genaue Funktionsweise des Regenerativen Kombikraftwerks lässt sich in zwei Stufen unterteilen: die vorausschauende Steuerung und die Feinabstimmung.

Vorausschauende Steuerung

Eine Regeneratives Kombikraftwerk vernetzt mehrere Erneuerbare-Energien, die im besten Fall über verschiedene Regionen in Deutschland verteilt sind. Die Größe kann von wenigen Windenergieanlagen bis hin zu tausenden großen und kleinen Erzeugern reichen. Diese sind untereinander sowie idealerweise mit einem Speicher, etwa einem Pumpspeicherkraftwerk oder einer Großbatterie, durch eine zentrale Steuerungseinheit miteinander verbunden. Die zentrale Steuereinheit gleicht die aktuelle Erzeugung bzw. die Erzeugungspotenziale der angeschlossenen Kraftwerke an den Bedarf der Stromverbraucher sowie die jeweilige Netzsituation an, erstellt einen Fahrplan und sendet entsprechende Regelsignale an alle angeschlossenen Anlagen. Das Regenerative Kombikraftwerk passt sich dabei minutengenau an den tatsächlichen Bedarf an. Es deckt Bedarfsspitzen – etwa zur Mittagszeit – ab und speichert in "ruhigen Zeiten" nicht benötigte Strommengen.

Der tatsächliche Verlauf des Strombedarfs ist der zentrale Ausgangspunkt für alle Kraftwerksfunktionen. Die Prognose des Strombedarfs, das so genannte Lastprofil, wird an die zentrale Steuerungseinheit übermittelt. Dort treffen auch die Prognosen über die Leistung von Wind- und Solaranlagen ein. Vorhersagen zu Windstärken und Sonnenstunden werden durch Dienstleister geliefert, auch die Messdaten der Anlagen selbst stellen eine wichtige Informationsquelle zur Erstellung der Prognosen dar. In der zentralen Steuerungseinheit werden diese Daten gegeneinander aufgerechnet. Wind- und Solarenergie können dem Strombedarf nicht exakt entsprechen, da das Angebot an Wind und Sonneneinstrahlung schwankt. So entstehen Über- und Unterversorgungen, die innerhalb eines Kombikraftwerks ausgeglichen werden müssen, um Versorgungssicherheit und Netzstabilität zu gewährleisten.

Abb. 1: Funktionsprinzip eines Regenerativen Kombikraftwerks, 1. Stufe: vorausschauende Steuerung.

Wie erfolgt diese Anpassung an den tatsächlichen Strombedarf?

Die zentrale Steuerungseinheit steuert die Anlagen des Kombikraftwerks so, dass sie gemeinsam bedarfsgerecht Strom produzieren. Produzieren Wind- und Solaranlagen alleine nicht genügend Strom , muss zusätzliche Anlagenleistung beigesteuert werden.

Diese kann aus verschiedenen Quellen stammen: So können etwa Blockheizkraftwerke (BHKW) eingesetzt werden, die aus Biomasse oder auch synthetisch erzeugtem EE-Methan bedarfsgerecht Strom und Wärme produzieren können. Da Biogas speicherbar ist, steht diese Stromquelle ganz nach Bedarf zur Verfügung. Auch die Einbindung von fossil betriebenen BHKW oder etwa Gasturbinenkraftwerken ist denkbar, widerspricht aber dem Prinzip des regenerativen Kraftwerks. Für eine Übergangszeit kann aber auch ein solche Kombination sinnvoll sein, wenn die erneuerbare Einspeisung dabei klar Vorrang hat und die fossilen Energieträger auf Dauer verdrängt werden.

Neben der Einbindung regelbarer Kraftwerke kann auch die Kopplung mit einem Speicher die bedarfsgerechte Stromproduktion sichern. Bislang wurden dazu vor allem Pumpspeicherkraftwerk genutzt, die überschüssigen Strom zwischenspeichern und schnell wieder zur Verfügung stellen können. Wird Strom benötigt, fließt Wasser aus einem höher gelegenen Speicherbecken nach unten und treibt einen Generator an. Bei Stromüberschuss wird Wasser durch Rohrleitungen zurück in das Speicherbecken gepumpt. Neben dieser klassischen Technologie kommen aktuell zunehmend Batterien als Stromspeicher auf. Diese können ebenfalls den Ausgleich von Stromerzeugung und -verbrauch übernehmen und gut ein regeneratives Kombikraftwerk eingebunden werden können. Die Regelbarkeit ist sogar noch schneller als bei Pumpspeicherkraftwerken. Auf Dauer sind zudem auch weitere Speicherformen denkbar, an denen gerade geforscht wird, wie etwa die Speicherung von Strom als Gas (Wasserstoff oder Methan), Druckluftspeicher oder auch Unterwasserspeicher.

Unabhängig von der Art der Ausgleichs/Speichertechnologie ermöglicht es die Vorhersage des Leistungsbedarfs, rechtzeitig Fahrpläne für die Steuerung der zusätzlichen Erzeuger und der Speichersysteme aufzustellen. Übersteigt die Stromproduktion von Wind- und Solaranlagen den Bedarf, wird die überschüssige Energie für das Auffüllen der Speicher genutzt. Der Strom kann auch exportiert oder zum Antrieb von Elektroautos genutzt werden. In Ausnahmefällen können die Wind- und Solaranlagen gedrosselt werden - dann blieben vorhandene Energiepotenziale aber ungenutzt.

Feinabstimmung

Die genaue Vorhersage der Leistung der beteiligten Kraftwerke erlaubt es, für das Kombikraftwerk vorausschauend grundlegende Steuerungsmuster festzulegen. Dennoch besteht bei der realen Einspeisung noch Ausgleichsbedarf. Trotz genauer Wettervorhersagen weichen die tatsächliche Einspeiseleistung und der Strombedarf in der Regel geringfügig ab. Hier ist die Feinabstimmung der zentralen Steuerungseinheit gefragt. Sie passt mit den tatsächlichen Messwerten den ursprünglichen Fahrplan an.

Abb. 2: Funktionsprinzip eines Regenerativen Kombikraftwerks, 2. Stufe: Regelung (Feinabstimmung).

Wenn das vorhandene Stromangebot nicht ausreicht, setzen die zusätzlichen Erzeuger und die integrierten Speichersysteme ihre freigehaltenen Kapazitäten ein. Die Steuerungszentrale erhält kontinuierlich Daten zur momentanen Leistung aller beteiligten Kraftwerke und fordert bei Bedarf zusätzliche Leistung an. Damit deckt das Regenerative Kombikraftwerk den Strombedarf zeitnah und vollständig aus Erneuerbaren Energien. Gerade der Biogasnutzung kann eine zentrale Rolle bei der Steuerung des Kombikraftwerks zukommen. Biogas würde dabei die Spitzenlast decken und so die natürlichen Schwankungen von Wind- und Solarenergie ausgleichen.

Die realen Leistungsdaten der Wind- und Solaranlagen veranlassen eine mehr oder weniger ausgeprägte Abwandlung der ursprünglichen Fahrpläne. Insbesondere bei einem nicht ausreichenden Angebot müssen die weiteren Erzeuger sowie die Speicher-Komponenten noch über freie Kapazitäten verfügen, um den erforderlichen Restbedarf adäquat decken zu können. Diese neuen Komponentendaten addieren sich dann gegenseitig zu der für die Deckung des Strombedarfs erforderlichen momentanen Leistung, so dass das Ziel erreicht wird, Strom vollständig aus Erneuerbaren Energien stets zu der Zeit und in dem Umfang bereitzustellen, wie es die Nachfrage erfordert. Dabei sei noch einmal explizit darauf hingewiesen, dass die Verwendung von Biogas zu Steuerungs- und Regelungszwecken als zentrale Maßnahme innerhalb des Kombikraftwerks-Konzeptes angesehen werden kann. Biogas dient damit der Spitzenlastdeckung und nicht, wie es bisher häufig der Fall ist, dem Einsatz im Grundlastbereich. Auf diese Weise lassen sich die natürlichen Schwankungen von Wind- und Solarenergie sinnvoll in ein bedarfsgerechtes Lastprofil überführen.