Grüne Regelenergie stabilisiert das System Vollversorgung mit erneuerbaren Energien

Der Norden bringt für das Jahrhundertprojekt Energiewende beste Voraussetzungen mit: An den Küsten produziert Schleswig-Holstein durch seine Off- und Onshore-Windparks so viel Strom aus Windenergie, dass sich das Bundesland rein rechnerisch schon heute zu 150 Prozent aus erneuerbaren Energien versorgen könnte – genug, um auch das benachbarte Hamburg anteilig mitzuversorgen. Denn als dicht besiedelter Stadtstaat kann die Elbmetropole selbst nur vier Prozent ihres Strombedarfs aus erneuerbaren Energien decken, zugleich aber als Lastsenke für die Überproduktion ihres windreichen Nachbarlandes dienen.

Energiewende in der Praxis

Soweit die Theorie – doch in der Praxis braucht es für den Schritt in Richtung Vollversorgung nicht nur einen Ausbau der Erzeugungskapazitäten, sondern vor allem ein flexibles Energiesystem, das auf die veränderten Bedingungen in der Stromerzeugung angemessen reagieren kann. Ein zentraler Punkt ist die Aufrechterhaltung der Netzfrequenz: Um eine sichere Energieversorgung zu garantieren, muss sie beständig bei 50 Hertz gehalten werden.

Frequenzschwankungen entgegenwirken

Wenn Erzeugung und Verbrauch nicht optimal aufeinander abgestimmt sind, kommt es jedoch zu Schwankungen im Netz. Schwankt die Frequenz um mehr als 0,2 Hertz, muss der Netzbetreiber eingreifen, damit die Versorgungssicherheit nicht gefährdet wird. Dem lässt sich mit sogenannter Regelenergie entgegenwirken: Ist zu wenig Strom im Netz, kann die Netzfrequenz durch zusätzlich zugeführte Energie ausgeglichen werden, ist zu viel Strom im Netz, kann die Erhöhung des Verbrauches Abhilfe schaffen, meist durch das Zuschalten großer industrieller Lasten.

In der Bereitstellung von Regelenergie liegt eine der großen Herausforderungen für die Energiewende. Denn bei einer Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenkraft speisen statt weniger großer Kraftwerke viele Tausend dezentrale Energieerzeuger ihren Strom wetterabhängig ins Netz ein – Schwankungen sind also vorprogrammiert.

Um darauf angemessen reagieren zu können, ohne weiterhin auf die Beständigkeit konventioneller Kraftwerke zu setzen, braucht es ein stabiles Energiesystem, in dem alle Komponenten intelligent miteinander vernetzt sind – von der erneuerbaren Erzeugung über den Transport bis zu Verbrauch und Speicherung. So kann sichergestellt werden, dass es gar nicht erst zu starken Schwankungen im Netz kommt, die die Versorgungssicherheit gefährden könnten.

Auf dem Weg zum Energiesystem der Zukunft

Die Systemstabilität einer Stromversorgung aus 100 Prozent erneuerbaren Energien unter Beweis zu stellen, indem sowohl Stromerzeuger als auch Stromverbraucher dazu befähigt werden, im Bedarfsfall Regelenergie zu leisten, ist eines der zentralen Anliegen des Projekts „NEW 4.0 – Norddeutsche Energiewende“. Für das Projekt, das im Rahmen des Förderprogramms „Schaufenster intelligente Energie“ (SINTEG) vom Bundeswirtschaftsministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) noch bis Ende November 2020 gefördert wird, arbeiten 60 Partner aus Norddeutschland eng zusammen, um die Machbarkeit der Energiewende zu demonstrieren und den Weg zum Energiesystem der Zukunft zu ebnen. „Fast 100 Teilprojekte werden dort realisiert – von Europas größtem Batteriespeicher bis zur Akzeptanzstudie, von der innerstädtischen Power-to-Heat-Anlage bis zur virtuellen Energieplattform“, erläutert NEW-4.0-Projektkoordinator Prof. Dr. Werner Beba. Regelenergie spielt dabei in vielen Projekten eine maßgebliche Rolle.

Zwei Beispiele: Auf Erzeugerseite ist die Bereitstellung von so genannter Momentanreserve eine besondere Herausforderung. Sie wird in konventionellen Kraftwerken durch die Trägheit der rotierenden Massen sichergestellt, die einen Frequenzabfall im Netz unmittelbar abdämpfen. So wird wichtige Zeit gewonnen, bis die benötigte Regelenergie zur längerfristigen Stabilisierung des Netzes zugeführt werden kann. Bei einer erneuerbaren Stromversorgung werden allerdings kaum noch träge Massen am Netz sein – die Momentanreserve muss folglich auf anderem Wege erbracht werden.

Speicherregelkraftwerk liefert Momentanreserve

Wie das gehen kann, erprobt NEW 4.0 mit dem Projekt Speicherregelkraftwerk, das im letzten Herbst in Hamburg-Curslack realisiert wurde. Für das Vorhaben arbeiten Nordex, Vattenfall und das Competence Center für Erneuerbare Energien und Energieeffizienz (CC4E) der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg zusammen. Sie koppeln einen Windpark direkt mit einem kleinen Batteriespeicher mit 720 kW Leistung, der Frequenzschwankungen durch blitzschnelles Ein- und Ausspeichern kurzfristig ausgleichen kann, bevor sie zu Problemen im Stromnetz führen. „Unser Versuchsansatz ist ein wichtiger Schritt hin zu einem Energiesystem, in dem erneuerbare Energien nicht nur Strom liefern, sondern auch die Systemaufgaben konventioneller Kraftwerke übernehmen können“, betont Mike Blicker, Projektleiter Speicherregelkraftwerk am CC4E.

Andere Systemaufgaben müssen im Energiesystem der Zukunft nicht von den Erzeugern, sondern von den Verbrauchern übernommen werden. Herrscht beispielsweise ein Überangebot an grünem Strom, sind zunehmend die Verbraucher gefragt, die ihre Stromabnahme flexibel an das vorhandene Angebot anpassen können. Bei NEW 4.0 sind daher gleich drei verbrauchsstarke Hamburger Industrieunternehmen an Bord, die im Rahmen des Projekts erproben, wie sie ihr Flexibilitätspotenzial erweitern können: der Kupferproduzent Aurubis, das Stahlwerk Arcelor-Mittal und der Aluminiumhersteller Trimet.

Teilprojekt: Power-to-Aluminium

Trimet Aluminium beispielsweise ist schon jetzt ein großer Player am Regelenergiemarkt, denn die Aluminiumherstellung basiert auf einem energieintensiven Elektrolyseprozess und bietet damit ein hohes Potenzial für Lastverschiebungen. Allerdings sind Elektrolyseöfen – bisher – für eine fixe Energiezufuhr konstruiert und dürfen nicht zu lange vom Netz, sonst könnten sie einfrieren. Im NEW 4.0-Teilprojekt „Power-to-Aluminium“ wird derzeit erprobt, wie durch eine gezielte Wärmeabfuhr und Isolation der Zellhülle mittels spezieller Wärmetauscher eine Leistungsänderung der Zelle um +/- 25 Prozent ohne nachteiligen Effekt für die Produktion erreicht werden kann.

Diese Lastflexibilisierung kann innerhalb von wenigen Sekunden aktiviert und bis zu einigen Tagen gehalten werden – es kann also gezielt positive und negative Regelenergie erbracht werden. „Das Projekt ermöglicht es, die Stromnachfrage der energieintensiven Aluminiumelektrolyse signifikant zu flexibilisieren und trägt damit zu einem stabilen Netzbetrieb auch bei einem hohen Anteil volatiler, erneuerbarer Energieerzeugung bei“, so Klaus Schweininger, Leiter des Projekts bei Trimet.

Dynamische Tarife als Anreiz

Aber nicht nur die Industrie, auch Privathaushalte können einen Beitrag zu Stabilisierung des zukünftigen Energiesystems leisten. So erprobt das NEW 4.0-Teilprojekt der Stadtwerke Norderstedt, wie Endverbraucher ihren Strombedarf mittels intelligent gesteuerter Steckdosen an die Verfügbarkeit von Strom aus Windstrom anpassen können. Dynamische Tarife sollen Anreize dafür liefern, Stromverbräuche bei Bedarf zeitlich zu verschieben und die eigenen Verhaltensmuster zu ändern.

Für den Norden sind Projekte wie diese eine große Chance, um seine Vorreiterrolle auch in der nächsten Phase der Energiewende zu behaupten. In diesem Herbst geht die „Norddeutsche Energiewende“ in eine entscheidende Phase: Dann werden die Projektpartner in einem großen gemeinsamen Feldtest erproben, wie ein Energiesystem, das zeitweilig 100 Prozent erneuerbaren Strom im Netz hat, ohne die Systemdienstleistungen konventioneller Kraftwerke auskommt. „Mit NEW 4.0 werden wir am Beispiel von Norddeutschland demonstrieren, dass die Energiewende nicht nur notwendig, sondern auch machbar ist“, resümiert NEW-4.0-Projektkoordinator Beba.