Wie können wir die Stabilität in einem dekarbonisierten Stromnetz sicherstellen?

Die Zukunft unseres Energiesystems basiert auf regenerativen Energiequellen und einem volatilen Angebot. Wie also lässt sich die Frequenz in einem dekarbonisierten Energiesystem regeln? Mit dieser Fragestellung haben wir uns zuletzt ausgiebig beschäftigt.

Die konkreten Herausforderungen wurden bereits beschrieben und erste Lösungsvorschläge erarbeitet. Sollten Sie hierzu weitere Anregungen haben, freuen wir uns über einen gemeinsamen Austausch. Im nächsten Schritt geht es in die Diskussion – und dazu laden wir Sie herzlich ein! Ihre Erfahrungen und Beiträge entscheiden darüber, wie die Anforderungen an die Normung aussehen und welche Handlungsempfehlungen daraus abgeleitet werden.

Wo stehen wir bei diesem Standardisierungsbeitrag?
Lösungsvorschläge in Diskussion 60%
Sollten elektrische Geräte die Frequenz messen und ihren Energiebezug automatisch anpassen? Wo liegen hierbei die Grenzen? Könnte sich dies kontraproduktiv auf die Netzstabilität auswirken?

Herausforderung:

Regelung der Frequenz in einem dekarbonisierten Energiesystem

In einem dekarbonisierten elektrischen Energiesystem wird zukünftig die überwiegende Mehrheit der elektrischen Energieerzeuger nicht nur volatiler Natur sein, sondern auch über Umrichter ins Stromnetz einspeisen. Der Anteil der konventionellen Großkraftwerke mit ihren großen Massen der Turbinen und Rotoren wird dagegen stark abnehmen.

Bisher übernehmen die Großkraftwerke neben der reinen Energiebereitstellung auch die Aufgabe, Frequenzschwankungen im Netz zu begrenzen (sog. Momentanreserve in Verbindung mit der Primärregelung). Dieser Ausgleich erfolgt unmittelbar und allein aufgrund der Massenträgheit (engl. Inertia) und lokaler Frequenzmessung, ohne dass eine elektronische oder informationstechnisch aktivierte Regelung erfolgt – die Frequenzstabilisierung ist sozusagen systemimmanent. Fällt diese Art der Frequenzregelung zukünftig durch die sinkende Anzahl der Großkraftwerke und damit der sinkenden Massenträgheit im Netz aus, gilt es diese wichtige Systemdienstleitung anderweitig zu ersetzen. Viele Überlegungen gehen sinnvollerweise davon aus, dass neue elektrische Energieerzeugungssysteme auch entsprechende Systemdienstleistungen mit übernehmen müssen. Hierbei wird die bisherige Trägheit künstlich simuliert, indem mit spannungseinprägenden Leistungselektroniken mit einem träge rotierenden Spannungsvektor.

Lösungsvorschlag:

Elektrische Geräte ermöglichen eine autonome Frequenzregelung

Allerdings stellt sich die Frage, ob diese neuen elektrischen Energieerzeugungsanlagen die Frequenzregelung allein übernehmen können. Auch wäre zu überlegen, ob die erforderlichen Maßnahmen (z. B. eine größere Auslegung der Umrichter und eine Ausstattung mit einem Energiespeicher) bezogen auf das Gesamtsystem wirtschaftlich sind. Weitere, ggf. begleitende Maßnahmen könnten den Aufwand auf Erzeugungsseite minimieren und die Frequenzregelung im Gesamtsystem unterstützen.

Schon vor vielen Jahren wurde die These aufgestellt [1][2][6][7], dass auch disponible, elektrische Geräte sich an der Frequenzregelung beteiligen könnten. Allgemein wird die Einbeziehung von entsprechenden Anlagen für den Ausgleich von volatiler Stromerzeugung und Nachfrage, wie auch zur Verhinderung von Netzüberlastungen unter den Begriffen „Flexibilität“ und „Netzdienlichkeit“ diskutiert. Dies wird bereits in vielen Pilotprojekten erprobt und soll auch in gesetzliche Rahmenbedingungen übernommen werden [8]. Hierbei ist aber immer eine aktive Steuerung über IT-Netze erforderlich. Die Frequenzregelung muss aber viel schneller eingreifen und daher scheint eine zentrale Ansteuerung und Regelung kaum geeignet. Auch ohne IT-Netz steht die entscheidende Information, die Frequenz, dem elektrischen Gerät am Anschlusspunkt zur Verfügung.

Das Konzept sieht nun vor, dass das Gerät seinen Energiebezug an eine schwankende Frequenz in einem noch zu definierenden Umfang autonom anpasst. Diese unmittelbar wirkende Regelung kann in vorhandene elektronische Regelungs- und Steuerungssysteme des Produktes oder mittels eines zusätzlichen, kostengünstigen Messchips integriert werden.

Charakteristisch für diese Art der Regelung ist es, dass voraussichtlich nur geringe Energiemengen benötigt werden, da bereits eine kurzfristige Leistungsänderung den gewünschten Effekt der Frequenzregelung erreichen kann. Das würde beispielsweise bezogen auf das Laden eines Elektroautos bedeuten, dass Änderungen im Ladezeitraum oder eine Batterieentnahme für den Nutzer kaum wahrnehmbar sind.

Es kommen insbesondere Produkte in Frage, die

  • lange mit dem Netz verbunden sind und nicht nur vom Nutzer in nur geringen Zeiten bewusst aktiviert werden (z. B. Staubsauger nicht geeignet),
  • einen immanenten Speicher haben, so dass der Nutzer die geringfügig möglichen Schwankungen nicht bemerkt und sie für ihn keine Einschränkung der Funktionstüchtigkeit bedeuten (z. B. TV-Geräte nicht geeignet). Speicher können wiederaufladbare Batterien oder thermische Speicher (Kühlgeräte) sein.


Beispiel für denkbare Produkte: Kühlschrank

Früh wurde in Großbritannien über den Einsatz von Kühlschränken für den Einsatz in der Frequenzregelung diskutiert und geforscht [1][2][6][7][9][10]. Aufgrund des thermischen Speichers können die Geräte eine funktionstechnisch erlaubte Hysterese der Temperaturregelung aktiv ausnutzen, so dass sich der Kühlschrank bei < 50 Hz sich ausschaltet oder die Leistung drosselt, bzw. bei > 50 Hz einschaltet und etwas stärker als vorgesehen kühlt. Verlässt die Temperatur den funktionstechnisch erlaubten Temperaturbereich ist die Frequenzregelung nicht mehr wirksam.

Weitere denkbare Produkte mit thermischen Speichern: Klimaanlage, Gefrierschrank, Wärmepumpe, Durchlauferhitzer, …

Weitere denkbare Produkte mit Batteriespeichern: Wallbox & E-Auto, stationäre Speicher im Gebäude, sowie Elektrolyseanlagen, Industrieanlagen mit entsprechenden Eigenschaften …

Das Konzept verbindet endkundennahe Produkte mit dem Sektor Energie. Bisherige Aufgaben des Sektors Energie müssen nun im Verbund von mehreren Sektoren (Wärme, Verkehr) gemeinsam realisiert werden. Somit stellt das Konzept ein weiteres Beispiel für die Sektorenkopplung dar.

Normungsaspekte:

Produktnormen sollten Regelungsalgorithmen berücksichtigen

Sollte das beschriebene Konzept überzeugen, wären die entsprechenden Regelungsalgorithmen in die jeweilige Produktnorm der sinnvoll zu beteiligenden Produkte einzubeziehen. Diese Produkte sind i.d.R. international genormt, so dass Vorgaben auf nationaler Ebene dem europäischen Binnenmarkt und international einem möglichst freien Handel widersprechen könnten. Anzustreben wäre daher die Einbeziehung der Anforderungen idealerweise in der internationalen Normung, mindestens aber auf europäischer Ebene.

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[1]          Borsche, T., Markovic, U. & Andersson, G.
A new algorithm for primary frequency control with cooling appliances. Comput Sci Res Dev 31, 89–95 (2016). https://doi.org/10.1007/s00450-014-0289-1
Published: 22 November 2014; Issue Date: May 2016
DOI: https://doi.org/10.1007/s00450-014-0289-1           

[2]          OBAID, Z.A., CIPCIGAN, L.M., ABRAHIM, L. et al.
Frequency control of future power systems: reviewing and evaluating challenges and new control methods. J. Mod. Power Syst. Clean Energy 7, 9–25 (2019). https://doi.org/10.1007/s40565-018-0441-1
Received: 10 January 2018, Accepted: 08 May 2018; Published: 28 August 2018; Issue Date: January 2019
DOI: https://doi.org/10.1007/s40565-018-0441-1

[3]          Gunnar KAESTLE, TU Clausthal, Clausthal Zellerfeld, DE, gunnar.kaestle@tu-clausthal.de, Haoyuan WANG, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, CN, why662@stu.xjtu.edu.cn
Self-Regulation of Dispatchable Loads: Stabilizing Interconnected Networks with Resilient Microgrid Technology
Tagungsband VDE ETG Kongress 2023

[4]          IEC TS 62898-3-3 “ Microgrids – Part 3-3: Technical requirements – Self-regulation of dispatchable loads”, Committee Draft

[5]          State Grid Jinangsu Electric Power Research Institute (JEPRI)
“TS: Guidelines on Intertia Management of Renewable Penetrated Power System”
Vorschlag eine Technical Specification an IEC SC 8d und Cigre, vorgestellt am 6.6.2023 in Nanjing

[6]          Fred Schweppe (MIT): Frequency adaptive, power-energy re-scheduler, 1979. https://patents.google.com/patent/US4317049

[7]          Fred C. Schweppe, Richard D. Tabors, James L. Kirtley: HOMEOSTATIC CONTROL: THE UTILITY/CUSTOMER MARKETPLACE FOR ELECTRIC POWER, MIT Energy Lab, MIT-EL 81-033, September 1981.
https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/60510/EL_TR_1981_033.pdf

[8]          https://www.acer.europa.eu/public-events/acer-workshop-electromobility-power-gas-demand-units-and-heat-pumps

[9]          Joe Short: Dynamic Demand Control – what is its financial value?
Feb 2004, https://www.dynamicdemand.co.uk/pdf_economic_case.pdf

[10]       Vincenzo Trovato: Demand Response from Thermostatically Controlled Loads: Modelling, Control and System-Level Value, PhD-Thesis, Imperial College: London, 2015. https://spiral.imperial.ac.uk/bitstream/10044/1/45403/1/Trovato-V-2015-PhD-Thesis.pdf

[11] Bernd Engel, https://www.linkedin.com/posts/bernd-engel-783978a1_grid-gridforming-inverter-activity-7075498340695617536-cccI?utm_source=share&utm_medium=member_ios

[polylang lang="en"]15 persons applauded[/polylang][polylang lang="de"]15 Personen haben Beifall gegeben[/polylang]

[polylang lang="en"]applaud[/polylang][polylang lang="de"]Applaudieren[/polylang]

4 Antworten

  1. In dem Beitrag sind verschiedene Quellen referenziert, allerdings fehlen die zugehörigen Quellenangaben. Können Sie diese ergänzen? Außerdem wurde in der Vorstellung dieses Themas beim Kick-Off zur SCM All Electric Society von einer Norm dazu gesprochen. Welche Norm ist das?

    1. Vielen Dank für Ihren Kommentar. Sie finden die Quellen am Ende des Beitrages im Akkordeon-Modul unter “Textquellen”. Sie können den entsprechenden Reiter einfach aufklappen. Aber lassen Sie mich bitte wissen, falls noch Quellen Ihrer Ansicht nach fehlen sollten. Zu der Norm selbst halte ich nochmal mit dem Referenten Rücksprache und würde dann hier weiter kommentieren.

  2. Es ist aus der Sicht des Energienetzes durchaus sinnvoll, dass ein Gerät die Frequenz misst und seinen Energiebezug an eine schwankende Frequenz autonom anpasst. Grundvorraussetzung ist, dass der Nutzer des Gerätes beim Nutzen des Gerätes nicht eingeschränkt wird und sich der Energieverbrauch des Gerätes dabei auf lange SIcht nicht ändert.
    Es bleibt aber die Frage, warum soll sich ein Konsument ein Gerät mit dieser Eigenschaft anschaffen? Zu den höheren Produktionskosten kommt auch noch das Risiko, dass zusätzliche Komponenten auch das Risko eines Ausfall des Gerätes erhöhen. Hier sehe ich weniger ein technisches oder normatives Problem.

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