Systemdienstleistungen

Netzstabilität: PSW als entscheidender Anbieter von Regelleistung und Momentanreserve

Die Frequenzhaltung und damit die kurzfristige Stabilität der Stromversorgung werden durch die Übertragungsnetzbetreiber sichergestellt, indem sie die aus Prognoseabweichungen entstehenden Ungleichgewichte zwischen Stromerzeugung und -verbrauch ausgleichen. Die Netzfrequenz dient dabei als technische Führungsgröße, die in einem sehr engen Toleranzbereich (+/- 0,2 Hertz) um den Sollwert von 50 Hertz gehalten werden muss. Eine darüber hinaus gehende Verletzung dieser Grenzen würde zur spontanen Schutzabschaltung verschiedenster Erzeugungseinheiten führen, womit die Gefahr eines Zusammenbruchs des Stromnetzes einherginge. Abweichungen vom Gleichgewicht müssen innerhalb weniger Sekunden ausgeglichen werden, indem entweder die Fahrweisen der Erzeuger oder die der Verbraucher angepasst werden. Die Frequenzhaltung erfolgt durch die Übertragungsnetzbetreiber unter Nutzung der Momentanreserve sowie durch den Einsatz von Regelleistung (Primär-, Sekundär- und Minutenreserveleistung).

Die Fähigkeit, steile Leistungsgradienten abzufahren, ermöglicht es Pumpspeichern, sich für die Teilnahme an allen drei Regelleistungsmärkten zu präqualifizieren und damit wesentliche Beiträge für die Netzstabilität zu erbringen. Da die Speicherkapazitäten der Pumpspeicher die für die Primärregelleistung erforderlichen Bereitstellungszeiten von 15 Minuten übertreffen, kann die Leistung der Pumpspeicher prinzipiell für die Primärregelung zur Verfügung gestellt werden. Die Bereitstellung von Primär-, Sekundär- und Minutenreserveleistung geht mit der Verpflichtung einher, die angebotene Leistung über einen längeren Zeitraum bereitstellen zu können. Hier können insbesondere sehr kleine Pumpspeicher von der Möglichkeit des Pooling Gebrauch machen und sind so voll in den Sekundär-Regelleistungsmarkt integrierbar. Kennzeichnend für Pumpspeicher ist, dass sie sowohl positive als auch negative Regelleistung aus dem Stillstand erbringen können. Anlagen, die im sogenannten hydraulischen Kurzschluss (gleichzeitiges Pumpen und Turbinieren) betrieben werden können, sind dazu in der Lage, unabhängig vom Speicherfüllstand immer negative Regelenergie bereitzustellen. Sobald Pumpspeicher in Betrieb sind, tragen die rotierenden Massen der Generatoren bzw. Motoren auch zur Momentanreserve bei.

 

Vermeidung von Netzengpässen: Redispatch

Über die Möglichkeiten konventioneller Kraftwerke hinaus bieten PSW die Möglichkeit, Leistung aus dem Netz zu entnehmen (Pumpbetrieb). Diese zusätzliche Entnahme ermöglicht die zusätzliche Integration von EE. Um die Handelsgeschäfte physisch am Strommarkt trotz bestehender Stromnetzrestriktionen ausführen zu können, erfolgen durch Redispatch Eingriffe der Übertragungsnetzbetreiber in die Erzeugungsleistung von Kraftwerken. Dabei werden Kraftwerke in der Überschussregion heruntergefahren und Kraftwerke in der Defizitregion hochgefahren. In der Summe wird somit die gleiche Menge an Strom erzeugt, ohne dass es zu Überlastungen der Übertragungsnetze kommt. Die Verzögerungen beim Um- und Ausbau der Stromnetze sowie der steigende Anteil an Stromgeschäften im EU-Binnenmarkt haben den Bedarf an Redispatchmaßnahmen
in der Vergangenheit erhöht. Eine weitere Zunahme ist zumindest nicht auszuschließen.

Während bspw. konventionelle Kraftwerke über lediglich zwei Möglichkeiten verfügen, Redispatch zur Verfügung zu stellen (Erhöhung bzw. Reduktion der Stromproduktion), handelt es sich bei Pumpspeicherwerken um die einzige großtechnisch eingesetzte Technologieoption, die über vier Möglichkeiten zur Bereitstellung von Redispatch verfügt: Negativer und positiver Redispatch jeweils durch Erhöhung oder Verringerung der Pump- bzw. Turbinenleistung. Diese Vielzahl an Optionen ermöglicht grundsätzlich eine stufenweise Bereitstellung von gut skalierbaren Produkten für das Engpassmanagement der Übertragungsnetzbetreiber, die über die Nennleistung eines Pumpspeicherwerks hinausgeht. Ist ein Pumpspeicherwerk im Pumpbetrieb, so kann es, um positiven Redispatch bereitzustellen, in einem ersten Schritt die Pumpleistung reduzieren. Sollte daraufhin weiterer positiver Redispatchbedarf bestehen, kann das Pumpspeicherwerk maximal in Höhe seiner
Nennleistung in einem zweiten Schritt turbinieren. Aufgrund der sehr guten Eignung von Pumpspeicherwerken zur Bereitstellung von Blind- und Kurzschlussleistung sind diese insbesondere auch für die Erbringung von spannungsbedingtem Redispatch prädestiniert.

 

Lokales Produkt Spannungshaltung: Strategisch sinnvolle geografische Verteilung der PSW

Analog zur Netzfrequenz muss für die Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit auch die Netzspannung an allen Knoten (d. h. Einspeise- und Entnahmepunkten) kontinuierlich innerhalb eines Toleranzbandes gehalten werden. Im Gegensatz zur Netzfrequenz, die im gesamt-europäischen Verbund überall den gleichen Wert einhalten muss, handelt es sich bei der Spannung um eine lokale bzw. regionale Größe. Die Höhe der Netzspannung wird nicht nur durch die Wirkleistung der Erzeuger bzw. Verbraucher beeinflusst, sondern im Wesentlichen auch durch die an den unterschiedlichen regionalen Netzknoten bereitgestellte bzw. verbrauchte Blindleistung. Da bei fast allen Pumpspeichern Synchrongeneratoren zum Einsatz kommen, eignen sie sich sehr gut zur
Blindleistungsregelung und erhöhen die regional im Netz verfügbare Kurzschlussleistung merklich. Pumpspeicher können als induktive oder kapazitive Verbraucher wirken, d.h. sowohl Blindleistung aus dem Netz beziehen als auch einspeisen. Die Möglichkeit gleitende Wechsel zwischen Generator- und Pumpbetrieb zu durchfahren versetzt Pumpspeicher dazu in die Lage, die Blindleistung in beliebigen Arbeitspunkten flexibel regeln zu können. Dies schließt auch die Fähigkeit zur vollen Blindleistungsabgabe im minimalen (Wirk-)Teillastbetrieb ein. Thermische Kraftwerke können dagegen in diesem Betriebszustand nicht mehr zur Blindleistungsregelung herangezogen werden. Ebenso können die Synchrongeneratoren der Pumpspeicher im Phasenschieberbetrieb operieren. Sie werden dabei im Leerlauf ohne Wirkleistungsabgabe betrieben, wodurch reine Blindleistung aufgenommen oder abgeben werden kann. In diesem Betriebszustand tragen sie außerdem zusätzlich zur Deckung der Momentanreserve bei.

 

Zentrale Rolle beim Netzwiederaufbau: Schwarzstartfähigkeit

Trotz der zuvor beschriebenen Maßnahmen zur Frequenz- und Spannungshaltung und weiterer Systemdienstleistungen, die die Übertragungsnetzbetreiber fortlaufend erbringen, ist es nicht völlig auszuschließen, dass es in Folge von Störungen zu einem großflächigen Zusammenbruch des Stromnetzes kommen kann. In diesem Fall trennen sich alle Erzeuger automatisch vom Netz. Für den koordinierten Netzwiederaufbau müssen schnell startbare und sicher regulierbare Erzeugungseinheiten zur Verfügung stehen, die ohne externe Stromversorgung in Betrieb genommen werden können (Schwarzstartfähigkeit).

Die Mehrzahl der Pumpspeicher zeichnet sich dadurch aus, dass sie im Falle eines Netzzusammenbruchs ohne jegliche externe Stromversorgung aus dem abgeschalteten Zustand heraus sehr schnell in Betrieb genommen werden können. Einzige Voraussetzung dafür ist die Vorhaltung eines Mindestfüllstandes im Oberbecken, um über einen kurzen Zeitraum den Turbinenbetrieb zu ermöglichen. Neben der reinen Schwarzstartfähigkeit können Pumpspeicher auch im weiteren Prozess des Netzwiederaufbaus Systemdienstleistungen bereitstellen. Während des Netzwiederaufbaus werden durch das kontrollierte Zuschalten weiterer Erzeuger und steuerbarer
Verbraucher zunächst einzelne stabile Teilnetze (Inselnetze) gebildet. Sobald Netzfrequenz und –spannung wieder im Toleranzbereich sind, geht ein Großteil der Verbraucher jedoch
unkontrolliert wieder in Betrieb, daher kommt es beim Netzwiederaufbau zu starken und schlecht vorhersehbaren Lastschwankungen. Werden die Teilnetze wieder miteinander verbunden, treten ebenfalls hohe Lastsprünge auf. Pumpspeicher können diese Schwankungen sehr gut ausgleichen, da sie steile Leistungsgradienten durchfahren können, schnelle Ansprechzeiten aufweisen und ihre Generatoren über eine hohe Massenträgheit verfügen. Damit ist ein stabiles Verhalten über den gesamten Leistungsbereich gegeben, ausgehend von Leerlauf bis Volllast.