Hintergrund

In einem Stromnetz müssen Netzlast und Erzeugung sorgfältig ausbalanciert werden, Augenblick für Augenblick. Während es Technologien zur Energiespeicherung gibt, erfordert das Netz Wechselstrom, der in Echtzeit erzeugt werden muss. Die erzeugte Speicherenergie muss physikalisch eine Turbine betreiben, und in Batterien gespeicherter Strom muss bei Bedarf in Wechselstrom konvertiert werden. Folglich transformieren alle Technologien (einschließlich Speichertechnologien) eine Energieform (Treibstoff, potentielle Energie, Stromspeicherung) in Echtzeit zu Wechselstrom. Ihre kombinierten Beiträge müssen zur Grundlast passen auf augenblicklicher Basis.
Wenn einem Stromsystem eine Last hinzugefügt wird, verlangsamt sich die Netzfrequenz ein wenig. Dies signalisiert einigen Generatoren, ihre Leistung zu verstärken. Nimmt die Last ab, nimmt die Frequenz zu, und den Generatoren wird signalisiert zurückzufahren. Es gibt Ausschläge im System, wenn ein Generator aus dem System entfernt oder diesem hinzugefügt wird. Bei Systemstörungen könnten große Mengen Last oder Erzeugung verloren gehen, und das System muss sofort und effektiv die Balance wiederherstellen, um weitere Probleme zu vermeiden. Die Frequenz wechselt fortwährend, um Erzeugungs-Änderungen zu signalisieren. Sie liegt nahe 60 Schwingungen pro Sekunde in Nordamerika.
Da das Netz verbunden ist und Strom nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fließt, können verfügbare Einheiten dem System in gewisser Weise helfen, wenn es zu Frequenzabfällen kommt, egal wer für den Bedarf verantwortlich ist. Das Netz ist in Kontrollgebiete unterteilt. Kontrollgebiete versuchen sicherzustellen, dass Erzeugung und Last innerhalb des Kontrollgebietes zu Null ausbalanciert sind. Wenn in einem Gebiet eine Frequenzstörung auftritt, werden andere Kontrollgebiete kurzzeitig zu Hilfe kommen, aber wenn die Frequenzstörung längere Zeit anhält, wird das System bei einem Überangebot an Energie sich selbst korrigieren, um den Betrieb sicherzustellen.
Je flacher und glatter die Lastart ist und je flacher die Verluste ausfallen, umso einfacher ist es, das System zu managen. Zusätzlich zu kleineren und größeren Störungen kann sich die Netzlast im Tagesverlauf dramatisch ändern. Im Sommer ist das Lastniveau über Nacht nur sehr gering und steigt tagsüber mit der Temperatur, bleibt dann aber bis zum Abend auf dem hohen Niveau, wenn die Menschen von der Arbeit nach Hause kommen. Im Winter kommt es in vielen Gebieten vor Sonnenaufgang zu Lastspitzen und dann wieder am Abend. Last und Ressourcen müssen im Gleichgewicht sein, so dass Erzeugung hoch- und herunter gefahren werden kann, um das Gleichgewicht zu halten. Die Erzeugung muss zur Last passen, jedoch genügend Reserven verfügbar halten um sicherzustellen, dass das System im Falle potentieller Störungen zuverlässig bleibt.

Hydro

Allgemein sind Wasserkraftwerke mit ihrer Fähigkeit zur Speicherung von Wasser exzellent dazu geeignet, Lastschwankungen zu folgen. Sie können sofort hoch oder herunter geregelt werden, wenn sich die Netzlast ändert. Sie sind leicht zu handhaben, und man kann sie augenblicklich entweder ganz aus dem Netz entfernen und bei Lastrückgängen sofort wieder zuschalten. Es kann sogar dann Last zur Verfügung stellen, wenn das Erzeugungsniveau zu hoch ist. Sie funktionieren gut mit Erneuerbaren, da Wasser zurückgehalten werden kann, wenn die Sonne scheint und Wind weht, und es kann sofort wieder fließen, wenn sich diese Umstände ändern. Erzeugung mit Wasserkraft macht es einfacher, einem System Wind- und Solarenergie zuzuführen.

Gas befeuerte Turbinen und kombinierte Kreislauf-Einheiten

Ressourcen auf der Grundlage von Gas sind gut geeignet, der Last zu folgen. Sie können im Standby-Modus gehalten werden, wenn das nötig ist, und können bei Bedarf schnell hochgefahren werden. Allerdings hat es Folgen, diese Kraftwerke immer wieder zu starten und zu stoppen. Dies verursacht Anforderungen an die Wartung und Modernisierungskosten. Wenn diese Ressourcen angeworfen werden, um Wind und Solar unter die Arme zu greifen, gibt es Systemkosten und Kraftwerks-Emissionen. Die einfachen Verbrennungsturbinen sind schneller, aber die kombinierten Schaltkreise sind effizienter.

Kohlekraftwerke

Kohlekraftwerke können allgemein immer zwischen ihrer Volllast und Halb-Last betrieben werden. Sie können hoch- und heruntergefahren werden in diesem Bereich, abhängig von Systemerfordernissen und der Wirtschaft. Allerdings sind sie begrenzt hinsichtlich der Schnelligkeit, mit der sie hoch- und heruntergefahren werden können, und falls sie geschlossen werden, müssen sie eine Zeitlang unten bleiben, bevor man sie wieder anfahren kann. Dies ist allgemein mehr als bei Gaskraftwerken – das Herunter- und Wiederanfahren ist teurer und schwerfällig. Der Betrieb von Kohlekraftwerken zwischen ihren Spitzen- und Minimumwerten kann dem System Last zur Verfügung stellen.

Kernkraftwerke

Infolge wirtschaftlicher und Sicherheitsbedenken sowie behördlicher Vorschriften sind Kernkraftwerke so ausgelegt, dass sie immer Volllast liefern, außer während Abschaltungen für Wartungsarbeiten. Für ältere Kernkraftwerke war das unabdingbar, da sie nicht ohne signifikante Risiken hoch- und heruntergefahren werden können. Neuere Kraftwerke haben diese Fähigkeit, aber ich glaube nicht, dass derzeit irgendjemand daran denkt, Kernkraftwerke in den USA aufzurüsten. Es kann zeitweise an einigen Stellen notwendig sein, wo Kernkraft einen großen Teil des Strombedarfs deckt. Außerdem klopft man ihre Fähigkeit ab, Erneuerbare zu integrieren.

Betreiben des Systems

Die Wekzeuge für die Balance der Last enthalten zumeist die oben erwähnten Ressourcen. Um das Lastniveau zu erhöhen, unmittelbar bevor das Kraftwerk ans Netz geht, werden andere Ressourcen bis zur Lastspitzen hochgefahren, damit sie nach Hinzufügen der neuen Einheit rasch herunter geregelt werden können. Wenn die Last abnimmt, werden die Kraftwerke näher an ihren Minima betrieben und dann rasch wieder hochgeregelt, wenn Kraftwerke vom Netz gehen. Je steiler die derartigen Änderungen sind, umso größer die Herausforderung bei der Anpassung an diese Lastschwankungen. Zusätzlich zum Aufrechterhalten der Netzlast muss den Operatoren eine gewisse drehende Erzeugungsreserve zur Verfügung stehen (spinning reserve). Auf diese Einheiten (oder freie Erzeugungsmöglichkeiten an einer betriebenen Einheit) kann man sich verlassen, um rasche Erzeugung sicherzustellen. Zusätzlich müssen andere Ressourcen verfügbar sein, auf die man sich innerhalb von zehn Minuten berufen kann. Darüber hinaus gibt es Planungsreserven, die für zusätzliche Erzeugung sorgen, wenn ein Kraftwerk ausfällt.
Die Operatoren müssen für die Erfordernisse der Erzeugung vorausplanen.
Beispiel: Falls am nächsten Tag Kohlekraftwerke benötigt werden, kann man sie nicht nachts abschalten, wenn die Last zurückgeht. Ihr Ziel ist es, mit Ressourcen aufzuwarten, die zuverlässig und wirtschaftlich die Last ausgleichen. Wegen der Unvorhersagbarkeit im Zusammenhang mit Last und Erzeugung ist es eine Herausforderung, in das System Ressourcen einzubringen und wieder herauszunehmen, wenn die Nachfrage steigt oder fällt.
Der Vollständigkeit halber sollte noch angemerkt werden, dass die Operatoren manchmal auch die Kontrolle über die Netzlast haben, um das Gleichgewicht zu halten. Energieunternehmen halten einen Teil ihrer Last verbunden mit Under Frequency Load Shedding (UFLS)-Programmen [Lastabwurf Programmen bei Frequenzabfall], um die Last abzusenken, wenn die Frequenz ausreichend niedrig ist, dass die Fähigkeit der Generatoren zur Regelung ineffektiv sein könnte. Lastabwurf bei Frequenzabfall ist sicher ein seltenes Ereignis, das nur unter ganz bestimmten Bedingungen auftritt, wenn verschiedene Dinge gleichzeitig fehlerhaft werden. Zusätzlich zu einem Notfall haben einige Verbraucher Zeit, spezielle Raten zu nutzen. Operatoren sollten in der Lage sein, Klimaanlagen abzuschalten, Wasserkocher oder Industrielasten, ebenso wie andere Möglichkeiten zur Laständerung wie Spannungs-Reduktion zu haben. Lastabwurf-Programme ohne Notfälle sind nicht implementiert, um die Last auszugleichen, sondern eher um die Spitzennachfrage zu reduzieren.

Wind und Solar

Auf Wind und Solar kann man für den Lastausgleich nicht bauen. Tatsächlich sorgen sie dafür, dass das Lastgleichgewicht noch unvorhersagbarer wird. Es kann beim Output sehr viel Fluktuationen geben, die durch andere Ressourcen ausgeglichen werden müssen, wenn Wolken aufziehen oder sich die Windstärke ändert. Dies gilt kurzfristig, ebenso wie Stunde für Stunde. Man hofft, dass sich mit ausreichend großen Ressourcen die Wechselwirkungen aufheben, aber das funktioniert oftmals nicht so gut wie erhofft.

Oft wird gesagt, dass Solarstrom etwas Gutes ist, weil Energie zu Zeiten maximaler Nachfrage erzeugt wird. Dies stimmt in gewisser Weise, ist aber nicht allgemein richtig. An vielen Winter-Morgen  fehlt die Sonne und beginnt erst, Energie zu erzeugen, wenn die Operatoren das System bereits wieder herunter regeln. Auch abends wird typischerweise nie das volle Ausmaß erzeugt. Aus ökonomischen Gründen (in Bezug auf Maximierung des solaren Outputs, nicht des Netzbetriebes) sind Solarpaneele so ausgerichtet, dass sie das meiste Sonnenlicht über Mittag einfangen. Kommt es zur Spitzennachfrage, tendiert die Sonne dazu, wieder zu sinken, was eine immer größere Herausforderung für die Operatoren ist. Während die zusätzliche Energie tagsüber ihren Wert hat, steht die Sonne häufig im Gegensatz zu den Erfordernissen des Systems.
Auf Wind kann man nicht zählen. Die Windgeschwindigkeit kann in Zeiten maximaler Nachfrage Null sein. Oftmals wird auch maximal Energie erzeugt, wenn die Nachfrage minimal ist. Erhebliche Probleme können nachts bei Sturm auftreten. In einigen Gebieten gibt es nachts ein Überangebot an Strom. Um Über-Erzeugung zu verhindern, werden Strafzahlungen für die zusätzliche Einspeisung von Strom in Zeiten minimaler Nachfrage erhoben. In einigen Fällen (z. B. in den Starkwindgebieten von Texas) werden Energieunternehmen für die nächtliche Stromerzeugung bestraft (obwohl sie ihre Kraftwerke am Laufen halten müssen, um für die Nachfrage am nächsten Tag gerüstet zu sein), während Windenergie (die ohne operationelle Folgen entfernt werden kann) ihren Beitrag zu einer Über-Erzeugung leistet, damit deren Betreiber eine garantierte Rate für dessen Erzeugung bekommen.
Ein ähnliches Problem hinsichtlich der Balance gilt großenteils auch für Solarstrom, wie die „California Duck Curve” zeigt. Die Kurve unten zeigt, dass das projizierte Wachstum von Sonnenenergie vor Ort einen begrenzten Einfluss auf die Spitzenlast im System hat, aber einen gewaltigen Einfluss auf die Lastverteilung über Mittag. Dies birgt das Risiko der Übererzeugung am Nachmittag und erfordert zunehmend die Notwendigkeit von Eingriffen in das Netz, wenn die Sonne sinkt. Falls Solarstrom also ebenfalls Teil der Haupt-Energieversorgung ist, wird der Druck auf die verbleibende Erzeugung zum Abend hin immer größer werden.

Zukunft der "Erneuerbaren"?

Um große Mengen Wind- und Solarstrom in das Netz zu integrieren, braucht man bestimmte Formen der Backup-Erzeugung. Die Mischung aus Solar-, Wind- und Wasserstrom mit einer adäquaten Kapazität und Speichermöglichkeiten könnte funktionieren. Leider gibt es nur wenige Gebiete, die einen Überfluss an Hydroenergie aufweisen oder das Potential für deren Ausbau haben. Vorstellbar ist auch ein extensiver Gebrauch der Pumpspeicher-Technologie, aber die wäre nur zu sehr hohen Kosten zu haben.
Flatterstrom mit Kernkraft als Backup zu stützen erscheint hoch kontraproduktiv. Die Kosten und Belastungen der Erzeugung mittels Kernkraft sind so klein, dass der Ersatz von Kernkraft durch lückenhafte Erzeugung mittels Wind und Sonne nahezu sinnlos erscheint.
Das Backup lückenhafter Ressourcen mit Gasturbinen und kombinierten Kreislaufeinheiten würde funktionieren. Der Kostenvergleich bei einem solchen System sollte aber nicht auf der Grundlage der Differenz zwischen Solar- bzw. Winderzeugung einerseits und Gaserzeugung andererseits erfolgen. Der sinvoll angebrachte Kostenvergleich besteht vielmehr darin zu prüfen, was die Erzeugung durch Wind und Sonne bzw. durch Gas kosten würde, im Vergleich zur Gaserzeugung allein.
Derartige Zahlen gibt es nur sehr selten und wären möglicherweise auch nicht politisch realisierbar, falls man sie verstehen würde. Der Schlüssel zu diesem Verständnis ist, dass ein hoher Anteil an Erneuerbaren lediglich die Fixkosten der Gaserzeugung geringfügig reduzieren würde. Während der Rückgang der Kosten durch Gaserzeugung gering wäre, wären die zusätzlichen Fixkosten der Erneuerbaren sehr hoch.
Und dann gibt es da noch die Speicherunterstützung mit Batterien, andere Speichertechnologien und Methoden, die Fortschritte bei der Kontrolle von Lastanforderungen bringen. Das kann gut das Netz der Zukunft sein, würde aber auf der Grundlage heutiger Projektionen extrem hohe Kosten verursachen. Diese Kosten sollten in ihrer Natur grundlegend verstanden worden sein, bevor man eine solche Zukunft anstrebt. Sicher sollte man Wind- und Solarstrom hinzufügen, wann immer das gerechtfertigt ist, aber wenn man über das Ziel hinausschießt, hätte das gravierende Konsequenzen für die Zuverlässigkeit des Systems, die Kosten und das Verhalten des Netzes.

Abschließende Bemerkungen

Wie mit allen Ingenieursentscheidungen gibt es Abstriche. Ressourcen, die nicht helfen bei der Ausbalancierung der Last, können zeitweise eine gute Wahl sein und auch einen Platz im Energiemix einnehmen, falls sie andere positive Eigenschaften aufweisen. Ein Systemmix, das hauptsächlich auf konventionelle synchrone Erzeugung baut, wird allgemein die Fähigkeit haben, Lastschwankungen auszugleichen. Wenn es ausreichend Wasserkraft, Kohle- und Gasressourcen gibt, können größere Mengen erneuerbarer Energie zu moderaten Kosten mit jenen als Backup dienen. Wenn jedoch der Anteil der Erneuerbaren dramatisch zunimmt oder der Ressourcenmix verändert wird, um große Anteile konventionellen Stromes zu entfernen, können die zusätzliche Kosten für Wind und Solar extreme Höhen erreichen.
Dieser Beitrag konzentrierte sich auf den Lastausgleich oder das Zusammenpassen erzeugter Megawatt und Last-Megawatt. Allein aus dieser Überlegung erkennt man, dass es unangebracht ist, Wind und Solar mit konventionelleren Energieressourcen zu vergleichen, wenn es allein um die Kosten geht. Hinsichtlich der unabdingbaren Aufgabe, das System auszubalancieren, helfen Wind und Solar nicht, sondern verursachen im Gegenteil hohe Belastungen. Diese Belastungen können nicht einfach ignoriert werden, wenn zunehmend Strom aus solchen Quellen in das System eingespeist wird. Sicher sollte man  Wind und Solar hinzufügen (Anmerkung der Redaktion: nach Meinung des Autors, nach Meinung der EIKE Redaktion sind die überflüssig wie ein Kropf, nur sehr, sehr viel teurer), wann immer es gerechtfertigt ist oder auch zu Forschungszwecken, aber wenn man zu ambitioniert vorgeht, hätte das gravierende Konsequenzen für die Zuverlässigkeit des Systems, die Kosten und das Verhalten des Netzes.
Kurzbio: Planning Engineer hat über 30 Jahre Erfahrung in der Stromindustrie und überwachte die Planung von Erzeugung und Transport. Er ist Prof. Dr. Ing. mit einem Master als Elektroingenieur und einem Abschluss im Bereich politischer Analyse. Er war und ist Mitglied in verschiedenen regionalen und nationalen Komitees im Bereich Stromversorgung.
Anmerkung von Blogbetreiberin Judith Curry: Dies ist ein Gastbeitrag eines vieljährigen Lesers bei Climate etc. Ich habe diesen Beitrag angefordert, weil „Planning Engineer“ in einem früheren Beitrag hier einige Perspektiven ausgebreitet hat, die es wert sind, in einem Blog zu erscheinen. Planning Engineer schreibt unter diesem Pseudonym, weil er hier seine privaten Ansichten äußert, die er ungerne mit seinem Arbeitgeber in Verbindung gebracht wissen will.
Wie bei allen Gastbeiträgen bitte ich bei Kommentaren, sachbezogen und konstruktiv zu bleiben.
Link: http://judithcurry.com/2014/11/05/more-renewables-watch-out-for-the-duck-curve/
Übersetzt von Chris Frey EIKE
Anmerkung des Übersetzers: Dieser Artikel wurde von einem Elektrofachmann geschrieben, wie Judith Curry ja schon angemerkt hat. Er enthält viele englische Fachausdrücke und teils mir unverständliche Formulierungen, von denen ich nicht immer sicher bin, sie richtig übersetzt zu haben. Mitunter habe ich mehr eine Inhaltsangabe eines Absatzes gegeben denn eine direkte Übersetzung. Ich hoffe, die Fachleute in diesem Forum haben Verständnis. Sachliche Korrekturen sind willkommen, bitte aber dann unbedingt der Aufforderung von Judith Curry folgen!
C. F.