Energiewende Virtuelle Kraftwerke: Mit privaten Batterien das Stromnetz stabilisieren
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16. Oktober 2023, 17:09 Uhr
Deutschlands Kernkraftwerke sind schon abgeschaltet, die Kohlekraftwerke sollen folgen. Wer sorgt dann in Zukunft für genügend Strom und Netzstabilität? Vielleicht sehr viele von uns – mit virtuellen Kraftwerken.
- Virtuelle Kraftwerke sind vernetzte Zusammenschlüsse vieler dezentraler Stromerzeuger und -speicher.
- Durch virtuelle Kraftwerke können private Haushalte erstmals an Einnahmen bei Strom-Auktionen partizipieren.
- Virtuelle Kraftwerke können mit ihrer Flexibilität dabei helfen, die Netzfrequenz stabil zu halten.
- Für eine erfolgreiche Energiewende werden in Zukunft sehr viele virtuelle Kraftwerke nötig sein.
Das Wort "virtuell" klingt immer so nach "nicht echt" oder "nicht in Wirklichkeit vorhanden". Aber von dieser Bedeutung des Wortes muss man sich lösen, wenn es um virtuelle Kraftwerke geht. Denn es gibt sie schon, und in Zukunft werden es immer mehr werden. "Nicht in Wirklichkeit vorhanden" sind sie nur insofern, als sie nicht wie ein herkömmliches Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerk an einer bestimmten Adresse zu finden sind. Sie sind ein Zusammenschluss von vielen Stromspeichern, also Batterien, die zumeist aus erneuerbaren Stromquellen wie Wind, Sonne und Biogas gespeist werden.
Damit viele Stromspeicher wie ein zusammengehöriges Kraftwerk agieren können, werden eine zentrale "Recheneinheit" und eine intelligente Vernetzung benötigt, sprich ein Computer muss steuern können, ob die angeschlossenen Batterien gerade Strom aufnehmen oder abgeben sollen. Die Flexibilität ist einer der größten Vorteile. Bei Windflaute, Dunkelheit oder wenn aus anderen Gründen mehr Strom im Netz gebraucht wird, können die Batterien ihn liefern und damit der Netzstabilität helfen.
Energiewende: Virtuelle Kraftwerke werden den Strommarkt dominieren
Virtuelle Kraftwerke sind nicht nur Theorie, sondern schon Praxis. Anbieter wie "Next Kraftwerke" und "sonnen" sind längst auf dem Strommarkt etabliert. Sie selbst erzeugen keinen Strom, sondern bündeln und steuern den ihrer Kunden. Große Unternehmen wie Statkraft, EnBW und mehrere andere, die selbst erneuerbare Energie erzeugen, sind ebenfalls im Geschäft.
Für Daniel Zahn, verantwortlich für genau diesen Sektor beim Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE), ist klar: Virtuelle Kraftwerke werden in Zukunft die dominierende Kraftwerksart sein, wenn immer mehr fossile Kraftwerke abgeschaltet werden: "Daran führt kein Weg vorbei", sagt er.
Das Fraunhofer IEE entwickelt Softwarelösungen und Algorithmen für virtuelle Kraftwerke, um dezentrale Erzeuger, flexible Verbraucher sowie Stromspeicher zu bündeln und zu steuern. Der Boom verstärke sich immer mehr, so Zahn. "Das merkt man auch an den steigenden Anfragen an uns. Dieses Jahr gab es mindestens so viele wie in den drei Jahren davor zusammen."
Virtuelle Kraftwerke: Wie Privatleute den besten Preis für Strom erhalten können
Auch private, nicht übermäßig große Photovoltaik-Anlagen können Teil virtueller Kraftwerke sein, nicht nur in Zukunft, sondern schon jetzt. Stellen wir uns also das Ehepaar Mustermann vor (Monika und Max, klar). Sie besitzen ein Haus und haben eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach. Die Mustermanns wollen einen Teil ihres Stroms gern der Allgemeinheit und sogar der Netzstabilität zur Verfügung stellen. Das wollen sie nicht unbedingt nur aus ideellen Gründen für eine schnellere Energiewende, sondern auch, weil sie damit Geld verdienen können. Mit einer "intelligenten" Batterie, die also mit der Außenwelt vernetzt ist, ist das möglich.
Anbieter wie "sonnen" können ihren Kunden so etwas besonders schmackhaft machen, indem der abgeschlossene Tarif mehr Geld abwirft als die staatliche Einspeisevergütung, die man bekommen würde, ohne einem virtuellen Kraftwerk anzugehören. Möglich sind solche Tarife, weil sich professionelle Anbieter am "Marktwert Solar" orientieren, einem Richtwert, der angibt, wie viel Geld Solarstrom bei Direkteinspeisung ins öffentliche Netz wirklich wert ist. Der Marktwert Solar kann zwar stark schwanken, war aber zuletzt oft deutlich höher als die staatliche Einspeisevergütung.
Von der Energiewende profitieren: Bereits mehr als 25.000 Haushalte im virtuellen Kraftwerk
Die Firma "sonnen" aus dem Allgäu setzt dieses Konzept schon seit 2019 in Deutschland in die Tat um. Rund 25.000 deutsche Haushalte sind da bislang mit der entsprechenden Technik zu einem virtuellen Kraftwerk zusammengeschlossen, dessen smarte Batterien in Summe etwa 250 Megawattstunden (MWh) Kapazität haben. Damit ist man zwar noch kein "Big Player" auf dem Strommarkt, aber zumindest kann man schon einiges bewirken.
"Das nächste Ziel, das wir uns in Deutschland gesetzt haben, ist eine Kapazität von einer Gigawattstunde, was von der Größenordnung den besten industriellen Großspeichern in Deutschland entspricht", sagt Stephan Lindner, Senior Vice President bei sonnen und zuständig für virtuelle Kraftwerke.
Größter Vorteil von Stromspeichern: Sie sind das flexible Gegenstück zu schwankenden Erneuerbaren
Wind und Sonne können nicht durchgängig Strom liefern. Aber der Strombedarf wird in Zukunft deutlich steigen, wenn E-Autos und elektrisch betriebene Wärmepumpen unsere bisherigen Autos und Heizungen ersetzen. Wenn es keine fossilen und nuklearen Kraftwerke mehr geben soll, dann sind intelligent vernetzte Speicher und Geräte ein wichtiger Teil der Zukunft, weil sie im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftwerken extrem flexibel sind. "E-Autos, Wärmepumpen und Speicher können den Zeitpunkt ihrer Stromaufnahme verschieben", sagt Stephan Lindner. "Die Voraussetzung dafür ist, dass der Verbrauch intelligent gesteuert wird und sich an die schwankende Produktion anpassen kann. Genau das machen virtuelle Kraftwerke."
Bei der Allgäuer Firma ist man überzeugt, "dass früher oder später alle erneuerbaren Erzeuger und auch die Verbraucher in irgendeiner Form in virtuellen Kraftwerken organisiert sein werden." Denn nur so sei sichergestellt, dass Erzeugung, Speicherung und Verbrauch aufeinander abgestimmt sind und eine sichere Energieversorgung rund um die Uhr ermöglichen. "Eine rein analoge Energiewende, die nur auf dem Ausbau erneuerbarer Energien basiert, wird nicht funktionieren", ist sich Stephan Lindner sicher.
Hürden für die Teilnahme am virtuellen Kraftwerk: Technik teilweise noch aufwendig
Warum schließen sich dann nicht jetzt schon alle zu virtuellen Kraftwerken zusammen, könnte man fragen. Einerseits könnte es Vorbehalte für diese Art der Fremdsteuerung geben. Das habe sich aber in den letzten Jahren gelegt, sagt Fraunhofer-Forscher Daniel Zahn. Andererseits lohne sich jedoch bei vielen kleinen Anlagen der erforderliche technische und finanzielle Aufwand nicht. "Da müsste schon sehr viel Idealismus und Bereitschaft zur Geldausgabe vorhanden sein", sagt der Forscher mit Hinblick auf das Vernetzen und das "Intelligent-Machen" der Anlagen.
Die Technik müsste 'plug and play' sein, wie es Zahn formuliert, also mit wenigen Handgriffen einsatzfähig. "Aber so 'plug and play' sind wir heute noch nicht", so der Wissenschaftler. Das Ausrollen der sogenannten "Smart Meter" oder von vergleichbaren netzwerkfähigen Schnittstellen hat großflächig eben noch nicht in genügendem Maße stattgefunden.
Können virtuelle Kraftwerke das Stromnetz stabil halten?
Die Netzfrequenz ist ein für Laien schwierig zu verstehendes Thema, aber extrem wichtig. Damit das Stromnetz nicht kollabiert, muss die Netzfrequenz rund um die Uhr zu jeder Sekunde stabil gehalten werden, weil sonst zum Beispiel große Generatoren in Kraftwerken, die allesamt genau mit dieser Frequenz laufen, abgeschaltet werden müssten.
Die Netzfrequenz hängt direkt von Erzeugung und Verbrauch ab, beide müssen genau in Waage gehalten werden, bei einem Überschuss an eingespeistem Strom steigt die Frequenz, bei einem Überschuss an verbrauchtem Strom sinkt sie. Und das im gesamten Stromverbundnetz, das die meisten Länder Europas, die Türkei und sogar Teile Nordafrikas beinhaltet.
Als absolut unbedenklich gilt nur eine Abweichung von 0,01 Hertz, also 10 Millihertz (mHz). Die folgende Grafik zeigt die Frequenzkurve eines willkürlich herausgesuchten Tages in diesem Jahr: des 31. Juli. Türkisfarben markiert ist der "Unbedenklichkeitskorridor" (auch "Totbereich" genannt) von 10 Millihertz zu viel bzw. zu wenig. Wie man sieht, kann der nicht immer eingehalten werden. Kurze Abweichungen von 0,1 Hetz hält das Stromnetz noch aus, viel größer dürfen sie jedoch nicht sein, damit es nicht irgendwo zum Blackout kommt.
Sobald die Frequenz den Unbedenklichkeitskorridor verlässt, muss gegengesteuert werden. Jetzt und in Zukunft auch verstärkt mithilfe von virtuellen Kraftwerken. Verantwortlich für Überwachung und Einhaltung der Frequenz sind aber die großen Übertragungsnetzbetreiber, in Deutschland gibt es vier davon. Bei Frequenzschwankungen im Verbundnetz wird sofort festgestellt, wo gerade zu viel oder zu wenig Strom in den Leitungen ist. Der jeweils zuständige Betreiber muss dann schnell reagieren. Im gesamten Osten Deutschlands ist das zum Beispiel "50Hertz", ein Übertragungsnetzbetreiber, der seinen Namen von der Frequenz im Verbundnetz abgeleitet hat.
Felix Vorwerk ist Referent für Energiewirtschaft bei 50Hertz. Er sagt, virtuelle Kraftwerke, also koordiniert eingesetzte dezentrale Anlagen, seien bereits in vielen Prozessen und Märkten etabliert. "Die Vor- und Nachteile stimmen mit denen jedes Dezentralisierungsprozesses überein", sagt Vorwerk und meint damit vor allem den Vorteil, dass es bei vielen gebündelten Batterien nicht so schlimm ist, wenn mal eine ausfällt, als wenn in einem Großkraftwerk ein Fehler passiert. Nachteil sei aber der deutlich höhere Aufwand bei Optimierung und Koordination, was wiederum deutlich mehr Digitalisierung erfordere, so Vorwerk.
Primäre (und sekundäre und tertiäre) Regelleistungen
Wichtigstes und schnellstes Instrument der Gegensteuerung, wenn die Frequenz zu hoch oder zu niedrig ist, sind die sogenannten Regelreserven oder Regelleistungen. Das sind kurzfristige Reserven, die von Stromanbietern – mittlerweile auch von virtuellen Kraftwerken – für genau diesen Zweck vorgehalten und auf Auktionen angeboten werden. "Der europäisch festgelegte Gesamtbedarf an Primärregelleistung wird dabei auf die Verbundnetz-Länder aufgeteilt und in diesen durch die günstigsten Anbieter gedeckt", erklärt Felix Vorwerk. Das heißt, wenn ein virtuelles Kraftwerk seinen Strom günstig genug angeboten hat, dann wird er im Rahmen der Regelleistungen auch abgerufen und bezahlt.
Regelleistungen
Regelleistungen werden je nachdem, wie schnell und wie lange sie zur Verfügung stehen müssen, in primäre, sekundäre und tertiäre unterschieden.
Die primären müssen beispielsweise schon innerhalb von 30 Sekunden vollständig aktiviert sein und einen Zeitraum von bis zu 15 Minuten abdecken.
Sekundäre und tertiäre (auch Minutenreserve genannt) haben dann mehr Zeit zum Aktivieren, müssen dafür aber auch länger durchhalten.
Das Überraschende ist vielleicht: Der Bedarf an Primär- und Sekundärregelleistungen besteht fast rund um die Uhr. Denn für jeden einzelnen Tag wird der Stromverbrauch vorab zwar in 15-Minuten-Schritten prognostiziert. Diese Prognose kann aber nur als Grundgerüst dienen, damit man in etwa weiß, wie viel Strom eingespeist werden muss. Beim Rest muss nachjustiert werden. "Kleinere Abweichungen der Netzfrequenz sind aufgrund der schwierigen Prognostizierbarkeit des Verhaltens von Lasten und Erzeugern nicht vermeidbar", erklärt Felix Vorwerk von 50Hertz. "Um solche Abweichungen des Verbrauchs- oder Erzeugungsverhalten zum gemeldeten Fahrplan auszugleichen, wird fast durchgehend Regelreserve in geringem Umfang aktiviert."
Wieder schauen wir auf unseren Beispieltag, den 31. Juli 2023. Wie viele Reserven kamen da zum Einsatz, um gegenzusteuern? Unterschieden wird dabei auf einer weiteren Ebene, nämlich zwischen positiven und negativen Regelleistungen. Positiv sind sie, wenn Strom hinzugefügt werden muss, negativ, wenn Strom aus dem Netz geholt wird.
Zu sehen ist, dass an jenem Beispieltag recht viel zusätzlicher Strom ins Netz gegeben wurde, punktuell aber eben immer nur in Größenordnungen, wo sich auch kleinere virtuelle Kraftwerke gut beteiligen können, zumal sie die Anforderungen "schnell und flexibel" bestens erfüllen.
Früher war der Auktionsmarkt der Regelleistungen allein den Stromanbietern vorbehalten, ohne dass Privatkunden an den Einnahmen partizipierten. Durch virtuelle Kraftwerke wird das anders, sagt Stephan Lindner vom Allgäuer Unternehmen "sonnen", wobei er hinzufügt, dass Haushalte natürlich nicht direkt am Strommarkt agieren, weil dafür komplexe und automatische Algorithmen nötig sind. "All dies regelt unser virtuelles Kraftwerk im Hintergrund", erklärt Lindner. "Aber Haushalte sind aktiv mit ihrer Hardware daran beteiligt und damit auch an den zusätzlichen Erlösen."
Fremdbestimmung durch ein Virtuelles Kraftwerk: Habe ich dann auf einmal keinen Strom mehr zu Hause?
Wenn virtuelle Kraftwerke kurzfristig Strom für so eine Regelleistung brauchen, ziehen sie ihn aus den angeschlossenen Batterien. Angst, dass die eigene Zentralbatterie zu Hause dann leer gesaugt und das E-Auto vielleicht nicht rechtzeitig vollgeladen wird, muss die Kundschaft bei "sonnen" aber nicht haben, verspricht Stephan Lindner. Denn jeder Bedarf werde auf so viele Batterien verteilt, dass der Einzelne kaum etwas davon merkt. Außerdem könne jeder Kunde selbst entscheiden und eigenständig umschalten, ob seine Batterie im "Power Mode" oder im "Smart Mode" läuft.
Bei ersterem klinkt man sich praktisch aus dem virtuellen Kraftwerk aus und nutzt die Energie nur für sich. Bei letzterem dagegen regelt das virtuelle Kraftwerk alles, aber auch in Abhängigkeit voreingestellter Prämissen der Kundinnen und Kunden. "Beim Smart Mode geben sie die gewünschte Abfahrtszeit an, und wir sorgen dafür, dass das Auto um diese Zeit auch tatsächlich geladen ist", sagt Lindner, wobei er mit "wir" die Algorithmen des virtuellen Kraftwerks meint.
Blick in die Zukunft: Überall virtuelle Kraftwerke?
Stephan Lindner hat noch ein Gedankenexperiment, das veranschaulicht, warum virtuelle Kraftwerke in Zukunft enorm wichtig sein werden. Dazu stelle man sich einfach eine Welt ohne sie aber voller E-Autos vor. Kann ja sein, dass Letzteres irgendwann so ist. Derzeit gibt es in Deutschland mehr als 48 Millionen zugelassene Pkws, vielleicht sind es in Zukunft etwas weniger. Aber: "Würden in der Zukunft abends um 19 Uhr etwa 40 Millionen Elektroautos zufällig gleichzeitig ihren Ladevorgang beginnen, kämen selbst bei kleinen 11 kW-Ladestationen in der Spitze weitere 440 GW (!) hinzu", rechnet Lindner vor. "Das schafft kein Stromnetz der Welt."
Als Vergleich zu diesen hypothetischen 440 Gigawatt noch einmal ein Blick auf unseren Beispieltag Ende Juli, wo es in der Spitze etwas mehr als 60 Gigawatt Last waren. An Wintertagen steigt dieser Wert auch gern mal auf etwas mehr als 70. Ausgelegt ist das deutsche Stromnetz derzeit auf etwa 80 Gigawatt Höchstleistung.
Stephan Lindner hält es volkswirtschaftlich und ökologisch nicht für sinnvoll, das Stromnetz allein mit möglichen extremen Spitzenlasten umgehen zu lassen, Stichwort Netzausbau. "Aus unserer Sicht ist es sinnvoller, die Ladevorgänge intelligent so über den ganzen Tag zu verteilen, dass ein Netzausbau von 80 GW auf vielleicht 100 GW ausreicht und damit recht gering ausfällt", sagt er.
Kleine oder große Hürden: Smart-Meter-Rollout noch langsam
Bis virtuelle Kraftwerke eine noch größere oder gar entscheidende Rolle spielen, dürfte es aber ein langer Weg sein. Laut Lindner stehen die entscheidenden Hürden "im zähen Smart-Meter-Rollout, der Bürokratie und der noch unvollständigen Umsetzung von EU-Richtlinien zur Netzstabilisierung." Es seien viele kleine Dinge, die dafür sorgen, dass Stromspeicher ihr Potenzial als virtuelle Kraftwerke noch nicht abrufen können. "Ein Beispiel: Wir müssen jeden einzelnen Speicher und jede Ladestation beim entsprechenden Verteilnetzbetreiber für Netzdienstleistungen anmelden. Das sind in Deutschland 865, so viele gibt es nirgends auf der Welt. Der Prozess ist nicht standardisiert und reine Handarbeit. Es gibt keine Fristen dafür, sodass wir oft monatelang auf Rückmeldung warten."
Ein weiteres, recht aktuelles Beispiel sei das neue 500 Millionen Euro schwere Förderpaket für PV-Anlagen, Speicher und E-Autos, das eine Verwendung des Speichers im virtuellen Kraftwerk explizit ausschließe. "Das ist aus unserer Sicht absurd. In den USA werden virtuelle Kraftwerke aktiv vom Staat gefördert", sagt Lindner. Seine Firma hat sich deshalb gemeinsam mit anderen Energieunternehmen in einem offenen Brief an Verkehrsminister Volker Wissing gewandt. "In der nächsten Energiekrise müssten die geförderten Speicher dann tatenlos im Keller stehen, anstatt das Stromnetz zu entlasten", heißt es in dem Schreiben. "Wir hoffen, dass diese unnötige und womöglich unbeabsichtigte Restriktion noch aufgehoben werden kann."
Dieses Thema im Programm: Deutschlandfunk | 26. September 2023 | 08:04 Uhr
