Momentanreserve für künftige Versorgungssicherheit
Wenn im kommenden Jahr die letzten Kernkraftwerke in Deutschland vom Netz gehen, fällt damit dem Stromversorgungssystem auch Momentanreserve weg. Diese Systemdienstleistung sichert – neben der Regelleistung – die Stabilität der Netze im Falle von Störungen. Wie eine am 13.08.2021 veröffentliche Untersuchung der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen nun ergeben hat, können die Wasserkraftwerke in Deutschland eine Störung, zum Beispiel durch einen ungeplanten Kraftwerksausfall bis 500 MW, hinsichtlich der Momentanreserve ausgleichen. Das entspricht der Leistung eines mittelgroßen Kohlekraftwerkes. Damit leisten sie einen relevanten Beitrag zur künftigen Netzstabilität und Versorgungssicherheit.
Staustufe am Rhein bei Mühlhausen – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Als Momentanreserve wird die unverzögert verfügbare Leistungsreserve in einem Energieübertragungssystem bezeichnet. Sie entsteht aus der Trägheit der rotierenden Schwungmassen der Synchrongeneratoren konventioneller Kraftwerke. Kommt es in einem Stromnetz zu einem abrupten Lastwechsel, kann das Leistungsdefizit nicht unmittelbar durch Regelkraftwerksleistung ausgeglichen werden. Denn diese ist immer mit einer gewissen Verzögerungszeit verbunden. Daher muss, um Instabilitäten und Unterbrechungen zu verhindern, unmittelbar nach dem Störungsfall genügend kinetische Energie aus rotierenden Schwungmassen von Kraftwerken im Versorgungssystem vorhanden sein.
Wasserkraftanlagen als Ausgleich zu volatilen Energieerzeugern
Windenergie- und Photovoltaikanlagen sind hinsichtlich der Erzeugungsmengen die Hauptsäulen der künftigen regenerativen Energieproduktion. Diese üblicherweise leistungselektronisch angebundenen Anlagen liefern jedoch nach derzeitigem Stand der Technik noch keine Momentanreserve. Wasserkraftwerke hingegen sind dazu in der Lage.
Ein Team von Professor Albert Moser, Lehrstuhlinhaber Übertragungsnetze und Energiewirtschaft am Institut für elektrische Anlagen und Netze, Digitalisierung und Energiewirtschaft (IAEW) an der RWTH Aachen, hat nun die Momentanreserve der Wasserkraftanlagen in Deutschland ermittelt und quantifiziert. Die Berechnungen basieren auf 7.988 Wasserkraftanlagen mit insgesamt 6,28 Gigawatt Nettonennleistung, die im Marktstammdatenregister der Bundesnetzagentur erfasst sind. Die Wissenschaftler ermittelten unter anderem die gespeicherte kinetische Energie der Wasserkraftanlagen, die sich aus der Trägheitskonstante und der Nennleistung der Generatoren bestimmen lässt.
Den Berechnungen zufolge ist eine kinetische Energie von rund 10,32 Gigawattsekunden (GWs) in den rotierenden Massen der Wasserkraftanlagen in Deutschland gespeichert. Zum Vergleich: Das Braunkohlekraftwerk Weisweiler Block H weist eine kinetische Energie von 2,4 GWs auf, das Kernkraftwerk Isar/Ohu 2 kommt auf 8,88 GWs. Die bereitgestellte kinetische Energie der Wasserkraftanlagen entspricht damit der Momentanreserve eines Kernkraftwerkes.
Die Studie zeigt weiterhin, dass ein Störereignis von 462,5 MW unter Berücksichtigung der Frequenzabhängigkeit der Netzlasten allein durch die Wasserkraftanlagen hinsichtlich der Momentanreserve aufgefangen werden könnte. Ihre vorgehaltene Momentanreserve reicht aus, um die daraus resultierende Frequenzänderungsrate und -abweichung ausreichend zu begrenzen. „Die deutschen Wasserkraftwerke tragen in dieser Höhe auch zur Beherrschung von größeren Leistungsdefiziten, zum Beispiel Netzauftrennungen, bei. Weitere Beiträge zur Beherrschung müssen dann aus anderen Anlagen noch bereitgestellt werden.“, fasst Martin Knechtges, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IAEW, zusammen.
Kleine dezentrale Wasserkraftanlagen stabilisieren Stromnetze
Darüber hinaus weisen die Forscher darauf hin, dass in Bezug auf zukünftige Netzstrukturen und die autarke Versorgung kleiner zellularer Netze die dezentral vorhandenen Wasserkraftwerke zu einem stabilen Netzbetrieb beitragen können. „Die Studie zeigt einmal mehr, dass Wasserkraftanlagen gerade vor dem Hintergrund der Abschaltung der Kern- und Kohlekraftwerke wichtige Systemdienstleistungen zur Netzstabilisierung erfüllen. Neben der Momentanreserve ist diesbezüglich beispielsweise auch die Schwarzstartfähigkeit zu nennen“, kommentiert Dr. Michael Detering, Vorsitzender der Interessengemeinschaft Wassernutzung NRW die Studienergebnisse. Das heißt, nach einem großflächigen Stromausfall ist die Wasserkraft technisch in der Lage, den Wiederaufbau der Stromversorgung zu unterstützen.
„Die Studie zeigt aber auch auf, dass die bestehende Wasserkraft alleine nicht die notwendige Momentanreserve im Stromversorgungssystem bereitstellen kann. Mit dem Ausbau der Stromerzeugung aus Wasserkraft hätte man schon heute einen effizienten Lösungsbaustein dafür“, stellt Dr. Detering fest.
Die Studie „Ermittlung der Momentanreserve von Wasserkraftanlagen in Deutschland“ am Institut für Elektrische Anlagen und Netze, Digitalisierung und Energiewirtschaft an der RWTH Aachen wurde im Auftrag des Bundesverbandes Deutscher Wasserkraftwerke (BDW) e.V., der Initiative „Wasserkraft Ja bitte!“ im Verband der Bayerischen Energie- und Wasserwirtschaft (VBEW) e.V. sowie der Interessengemeinschaft Wassernutzung NRW durchgeführt.
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