Was ist ein Virtuelles Kraftwerk?

Definition

In einem Virtuellen Kraftwerk schliessen sich dezentrale Einheiten im Stromnetz zusammen. Die Koordination der einzelnen Einheiten übernimmt ein gemeinsames Leitsystem. Vernetzen können sich Biogas- Windkraft-, Photovoltaik-, KWK- oder Wasserkraftanlagen, ferner Stromverbraucher, Stromspeicher und Power-to-X-Einheiten (Power- to-Gas, Power-to-Heat). Gemeinsam vermarkten die Einheiten im Virtuellen Kraftwerk Strom und Flexibilität aus dem Anlagenschwarm. Jedes dezentral stromproduzierende, speichernde oder verbrauchende Mitglied des Strommarkts kann Teil eines Virtuellen Kraftwerks werden.

Das zentrale Leitsystem des Virtuellen Kraftwerks übernimmt die Führung des Kraftwerksschwarms. Es koordiniert mit seinem Algorithmus nicht nur die einzelnen Anlagen, sondern reagiert auch, wie ein Grosskraftwerk, auf Netzzustände und Regelenergieabrufbefehle der Übertragungsnetzbetreiber. Im Stromhandel ist das Virtuelle Kraftwerk befähigt, reaktionsschnell und mit hoher Effizienz auf Preissignale zu reagieren und seinen Fahrplan entsprechend anzupassen.

Von der Einzeleinheit zum Kraftwerksschwarm

Mit einer Anlage allein findet noch keine Revolution statt: Zur Durchsetzung am Strommarkt ist es für Produzenten von Strom aus Erneuerbaren Energien naheliegend, sich in grösseren Funktionseinheiten zu vernetzen. Auf Basis dieser Idee entstanden nach der Liberalisierung des deutschen Strommarkes Ende des 20. Jahrhunderts erste, noch vorwiegend theoretische Überlegungen zur Konzeption Virtueller Kraftwerke. Die damals verfügbare Rechenleistung und die herrschenden regulatorischen Bedingungen liessen eine systemisch und wirtschaftlich sinnvolle, praktische Umsetzung noch nicht zu.

Im Jahr 2010 veränderte sich jedoch die Gesetzeslage: Mit der Einführung des Erneuerbare- Energien-Gesetzes (EEG), einem neuen Strommarktkonzept und dem Ausstieg aus der Nuklearenergie schuf die deutsche Bundesregierung die regulatorischen Voraussetzungen für Virtuelle Kraftwerke. Zusätzlich liess die immer leistungsstärker gewordene Computer- und Netzwerktechnologie den Aufbau einer Echtzeitinfrastruktur mit höchster Verfügbarkeit für das Leitsystem zu – die Zeit für Virtuelle Kraftwerke war gekommen.

Ein Schwarm aus dezentralen, denkenden Einheiten

Selbst die grössten Atomkraftwerke nehmen sich neben Virtuellen Kraftwerken mittlerweile klein aus – problemlos können diese mehrere Gigawatt an installierter Leistung aufnehmen. Diese ist allerdings vor allem in Form von Anlagen zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien vorhanden; die Leistung unterliegt daher kontinuierlichen Schwankungen durch meteorologische Veränderungen. Bei wenig Wind und Sonne ist die die Leistung geringer, bei stürmischem, sonnigen Wetter kann sie stark ansteigen. Neben nahezu allen Arten an Stromerzeugern sind auch Stromverbraucher, Stromspeicher und sogenannte Power-to-X-Anlagen wie Power-to-Gas (P2G) und Power-to-Heat (P2H) in Virtuelle Kraftwerke integrierbar.

Um die Energiebilanz ausgeglichen zu halten, haben unterschiedliche Stromproduktionsanlagen mit einer grossen Vielfalt an Energieträgern einen hohen Stellenwert beim Aufbau Virtueller Kraftwerke. Denn das Stromnetz ist nur sehr begrenzt in der Lage, Strom zu speichern und wechselnde Einspeisemengen oder -verbräuche auszugleichen. Neben den wetterabhängigen Energieträgern Wind und Sonne sind regelbare Energieträger wie Biogas- und Wasserkraftwerke besonders wertvoll im Portfolio: Biogas-BHKW, Laufwasserkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke können die volatilen, wetterabhängigen Energieträger ausgleichen.

Der Kraftwerksschwarm des Virtuellen Kraftwerkes

Flexibilität als Vorteil für den Strommarkt

Diese Anpassungsfähigkeit, auch als Flexibilität bezeichnet, ist eine besondere Fähigkeit, die Virtuelle Kraftwerke in den Strommarkt einbringen und der deutlichste Unterschied zu konventionellen Grosskraftwerken: Mittels der reaktionsschnellen Flexibilität ist es möglich, der Strommenge und damit dem Strompreis an der Strombörse optimal zu folgen. So lässt sich der erzeugte Strom mit grösseren Profiten auf dem Strommarkt handeln. Denn Strom ist nicht immer gleich viel wert: Jede Viertelstunde und damit sechsundneunzigmal am Tag schreibt die Strombörse einen neuen Strompreis fest; Preisdifferenzen pro Megawattstunde im zwei- bis dreistelligen Frankenbereich sind eher die Regel als die Ausnahme.

Strompreis und Strommenge ändern sich kontinuierlich

Sollen grosse fossile Kraftwerke auf diese Preis- und Strommengenunterschiede reagieren, zeigen sich schnell die Grenzen der megawattstarken Grossturbinentechnik: So lässt sich ein grosses Kohlekraftwerk bei einer plötzlich auftretenden Sturmfront ähnlich schlecht abbremsen wie ein grosses Dampfschiff. In der Folge müssen dann die mit höchster produktiver Effizienz laufenden, klimaneutralen Windkraftwerke abgeschaltet werden, um das Stromnetz nicht zu überlasten.

Das Leitsystem eines Virtuellen Kraftwerks wird hingegen in einer solchen Windüberschussphase die Leistung seiner Biogas- und Wasserkraftanlagen teilweise oder ganz herunterfahren, da der eingespeiste Windstrom ausreicht, um die Energiebilanz ausgeglichen zu halten. Folgt dem Sturm die Flaute, erhöht das Virtuelle Kraftwerk die Stromproduktion seiner Biogas- und Wasserkraftwerke wieder. Schwankungen in der Stromproduktion gleicht das Leitsystem daher sekundenschnell und in Echtzeit aus; das öffentliche Stromnetz wird nicht belastet. Um die Steuerbefehle sicher zu den Anlagen zu übertragen, verwendet das Leitsystem dabei IT-Schnittstellen, auch API genannt, oder an den Anlagen verbaute Fernsteuereinheiten.

Vernetzung und Schnittstellen im Virtuellen Kraftwerk

Steuerbefehle und Daten übermittelt das Virtuelle Kraftwerk zwischen dem Leitsystem und den Anlagen über getunnelte Datenverbindungen. Dieses hochgesicherte, redundant ausgelegte Übertragungssystem nutzt die öffentliche Telekommunikationsinfrastruktur, ist aber durch spezielle Protokolle von anderen Datenströmen abgeschirmt. Das „Internet der Dinge“, „M2M“ und „Industrie 4.0“ – genau das findet hier statt, aber auf eine ganz pragmatische Art und Weise.

Virtuelle Kraftwerke Digitalisierung

Mit den bidirektionalen Anbindungen der einzelnen Anlagen ans Virtuelle Kraftwerk lassen sich nicht nur Steuerbefehle, sondern vor allem kontinuierlich Datenströme austauschen. Diese liefern in Echtzeit valide Daten über die Auslastung, den Betriebszustand und die Einsatzbereitschaft der vernetzen Anlagen. So lassen sich exakte Prognosen für den Stromhandel und die Fahrpläne erstellen. Die Validierung, Aufbereitung und Auswertung des Datenstroms wird dabei weitestgehend automatisch durch Rechner des Leitsystems übernommen, die in der Folge auch selbstständig Handelsgeschäfte auf dem Strommarkt anbahnen und durchführen können.

Regelenergie aus Virtuellen Kraftwerken

Biogasanlagen und Wasserkraftwerke sowie Blockheizkraftwerke und Notstromaggregate können ein besonderes Produkt anbieten: Durch Drosselung der Stromproduktion bei einem Stromüberangebot und Hochfahren der Produktion bei Stromknappheit sind sie in der Lage, positive und negative Regelenergie bereitzustellen.

Zum Anbieten von Regelenergie müssen Stromerzeugungsanlagen in der Regel eine definierte Mindestleistungsgrenze erreichen (bis Juli 2018: 5 MW, danach 1 MW). Diese Schwelle kann jedoch auch mit einem Zusammenschluss von Anlagen in einem Virtuellen Kraftwerk überschritten werden. Der Kraftwerksschwarm ist so nicht nur in der Lage, überhaupt dem Regelenergiemarkt beizutreten, sondern auch grössere Abrufe der Übertragungsnetzbetreiber bedienen zu können und gemeinsam von aufgeteilten Erlösen zu profitieren.
Negative Regelenergie können auch Stromverbraucher anbieten: Gewerbetreibende, die an ein Virtuelles Kraftwerk angeschlossen sind, können bei Stromüberschuss im Netz gezielt auf Befehl des Leitsystems ihre Produktionsprozesse hochfahren, so das Stromnetz ausgleichen und Geld verdienen.

Die Verbraucherseite des Virtuellen Kraftwerks

Die aggregierten Datenströme des Virtuellen Kraftwerks lassen auf Wunsch auch industrielle und/oder gewerbliche Stromverbraucher von den Preisunterschieden des Strommarkts profitieren: Denn wenn viel Strom im Netz ist, ist er besonders günstig. Unternehmen, die ihren Hauptstromverbrauch in Tageszeiten mit besonders günstigen Strompreisen legen, können so bis zu einem Drittel ihrer Stromkosten einsparen.

Auf Wunsch kann das Leitsystem des Virtuellen Kraftwerks diese Optimierung auch mit der Anlagesteuerung vor Ort vollautomatisch vornehmen. Steuerungsimpulse des Leitsystems werden dann direkt an den Maschinenleitstand gesendet, der die Verbrauchsprozesse selbstständig anpasst. Hierzu muss allerdings ein Smart Meter oder eine registrierende Leistungsmessung (RLM) vorhanden sein.

Virtuelle Kraftwerke führen die Energiewirtschaft in die Digitalisierung

Der Digitalisierung gehört die Zukunft – auch in der Energiewirtschaft. Der weltweite Strukturwandel erfasst auch die Stromversorgung und führt sie weg von den zentralen, fossilen Grosskraftwerken zu einer dezentralen Infrastruktur. Anders als in den Pioniertagen der Elektrifizierung sind diese nun in der Lage, sich mithilfe der Möglichkeiten der Digitalisierung zu vernetzen.

Heutzutage gibt es Hotelplattformen ohne eigene Hotels und Autovermietungen ohne eigenen Fuhrpark – Virtuelle Kraftwerke, in denen der Betreiber selbst keine Stromerzeugungsanlagen besitzt, sind eine logische Erweiterung dieser Konzepte auf dem Strommarkt. Im Leitsystem werden die vernetzten Kraftwerke optimiert, der Strom wird effizient gehandelt und optimal eingesetzt. So erhält die Gesellschaft die Verantwortung für die Energieversorgung zurück und produziert in den grössten Virtuellen Kraftwerken bereits mehr klimafreundlichen Strom, als dies in grossen Atomkraftwerken möglich wäre.

Denn die kommende Elektrifizierung des Individualverkehrs und die exponentiellen Wachstumsraten des digitalen Sektors mit dem Aufbau von Netzknoten und Rechenzentren werden den Strombedarf stark erhöhen. Diesen nur aus konventionellen Quellen oder mit nur einem Schwerpunktenergieträger zu decken, wird aber nicht möglich sein. Virtuelle Kraftwerke hingegen, technologieneutral und energieträgeroffen, bringen mit ihrem hybriden Ansatz alle Fähigkeiten für die Energiewelt von morgen schon heute mit.