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Wie Regelenergie das Netz stabilisiert

Die Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind oder Solar lässt sich nicht genau prognostizieren. Aus Gründen der Netzstabilität darf aber nicht mehr Strom im Netz sein als konsumiert wird. Die Anforderungen an die Erbringung von Regelenergie steigen.

Sonja KöppelSonja Köppel

Das Schweizer Stromnetz ist synchron mit Kontinentaleuropa verbunden. Wehen in der Nordsee kräftigere Windböen als erwartet, dann ist auf einmal mehr Strom im europäischen Netz als zeitgleich verbraucht wird. Dieses Ungleichgewicht muss ausgeglichen werden, um die Netzfrequenz konstant bei 50 Hertz zu halten und somit die Stabilität des Netzes zu gewährleisten. Dafür ist die Swissgrid als nationale Netzgesellschaft zuständig. Mittels Auktionen beschafft Sie Netzregelungsdiensleistungen von Systemdienstleistungsanbietern.

Schwankungen ausgleichen

Wenn ein menschlicher Körper krank ist, dann zeigt er mit Fieber an, dass etwas nicht stimmt. Ähnlich wie das Fieber ist die Netzfrequenz ein Indikator dafür, dass zum Beispiel ein Kraftwerk ausgefallen ist, es also im Vergleich zum Verbrauch gerade zu wenig Erzeugung gibt. Das gleiche gilt, wenn mehrere Kraftwerke zu viel Strom produzieren. Dann zeigt die Netzfrequenz an, dass es zu viel Erzeugung gibt. Die Netzfrequenz veranschaulicht das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch im ganzen europäischen Verbundsystem.

Um Schwankungen auszugleichen, muss dem Netz je nach Bedarf sehr schnell Energie zugefügt oder entnommen werden.

Je nachdem wie schnell die Regelenergie verfügbar sein muss, wird sie in drei Kategorien eingeteilt:

  • Primärregelleistung: Teilnehmende Anlagen müssen innerhalb von 0.5 Minuten die reservierte Leistung erbringen können. Diese wird anhand von Frequenzmessungen direkt dezentral bei den Systemdienstleistungsanbietern aktiviert.
  • Sekundärregelleistung: Teilnehmende Anlagen müssen innerhalb von 5 Minuten die reservierte Leistung erbringen können. Die Swissgrid ermittelt durch ein Signal, wie hoch der Anteil zu jedem Zeitpunkt ist.
  • Tertiärregelreserve: Teilnehmende Anlagen müssen innerhalb von 15 Minuten die reservierte Leistung erbringen können. Ein Spezialist der Netzleitstelle „Swissgrid Control“ gelangt dafür mittels einer Abrufmeldung an die Anbieter.

Sowohl Primärregelung als auch Sekundärregelung sind praktisch kontinuierlich aktiv. Dafür müssen teilnehmende Kraftwerke im Betrieb stehen, welche nicht bei maximaler oder minimaler Leistung produzieren, sodass sie ihre Erzeugung je nach Bedarf erhöhen oder reduzieren können.

Die zunehmende Durchdringung des Systems mit Photovoltaik und Wind stellt die Netzregelung vor ganz neue Anforderungen. So wurde in Grossbritannien beispielsweise schon 2016 eine neue Art von Frequenzregelung eingeführt, die noch schneller ist als Primärregelung. „Bemerkenswert ist, dass in dieser Ausschreibung nur Batteriespeicher einen Zuschlag bekommen haben“, stellt Marina González Vayá, Fachspezialistin Smart Grid bei den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich EKZ, fest. Sie alleine seien in der Lage gewesen, die technischen Anforderungen am kosteneffizientesten zu erfüllen.

EKZ bauen grösste Batterie der Schweiz

Neben konventionellen Kraftwerken nehmen in Kontinentaleuropa seit einigen Jahren ebenfalls Batteriespeicher bei der Frequenzregelung teil. Diese werden hauptsächlich bei der Primärregelleistung eingesetzt, da sie ihre Leistung sehr schnell anpassen können. Sie sind um noch eine Grössenordnung schneller als bereits schon schnelle Kraftwerke wie Pumpspeicherkraftwerke. Verglichen mit Pumpspeicherkraftwerken haben Batteriespeicher allerdings nur eine kleine Speicherkapazität. Deshalb sind sie vor allem für die kurzfristige Verschiebung von Energie (bis zu einem Tag) nützlich.

Um einen Beitrag zur Netzstabilisierung und zur Energiewende zu leisten, bauen die Elektrizitätswerke des Kantons Zürich EKZ derzeit eine Megabatterie auf ihrem Gelände des Unterwerks in Volketswil. Ab 2018 wird der grösste Batteriespeicher der Schweiz und der zweitgrösste von Europa Regelleistung an Swissgrid liefern. Die durchschnittliche Vergütung in diesem Markt pro Megawatt Primärregelleistung pro Woche liegt bei 2‘400 Euro. In das Projekt investiert haben die EKZ rund 6 Millionen Franken inklusive Netzanbindung. Das Batteriesystem soll bis zu 18 Megawatt leisten und bis zu 7.5 Megawattstunden speichern. Die speicherbare Energie bei voller Ladung entspricht dem Verbrauch von 600 durchschnittlichen Vierpersonenhaushalten während eines Tages.

„Der Batteriespeicher ist modular aufgebaut. Selbst wenn also einzelne Teile vom System ausfallen, steigt nicht das ganze System aus, sondern steht weiter für Swissgrid bereit“, so Marina González Vayá. Dies sei einer der markantesten Unterschiede der Megabatterie im Vergleich zu typischen kleineren Batteriespeichern in Ein- und Mehrfamilienhäusern, welche die EKZ ebenfalls vertrieben.

Speicher für Ein- und Mehrfamilienhäuser

Anstatt den Strom zu einer tiefen Einspeisevergütung anzubieten, macht es gerade für Besitzer von Ein- und Mehrfamilienhäusern mehr Sinn, ihren eigenen Strom dezentral zu speichern und später zu verbrauchen. Mit der Eigenversorgungslösung der EKZ ist genau dies möglich. Ein- und Mehrfamilienhäuser mit Solaranlage haben dank einer Steuerung die Möglichkeit, ihren Boiler individuell anzusteuern oder Strom in der eigenen Batterie zu speichern. In Zukunft soll auch das Elektrofahrzeug angesteuert werden können, um es dann zu laden, wenn die Sonneneinstrahlung stark ist. So dient dieses als zusätzlicher Energiespeicher.

Die Eigenversorgungslösung hat den positiven Nebeneffekt, dass sie ihrerseits das Stromnetz entlastet. Sie reduziert sowohl den Strombezug als auch die Stromeinspeisung des Haushalts.

Regelleistung ausbauen

Im Herbst 2013 hat Swissgrid das Regelpooling für Systemdienstleistungen eingeführt. Damit können sich verschiedene Energieerzeuger oder -verbraucher zu einem «virtuellen Kraftwerk» zusammenschliessen und ihre Leistung gemeinsam wie jene eines grossen Kraftwerks am Markt anbieten. Produzenten, die Kraftwerksleistungen vorhalten und kurzfristig zuschalten können, sind beispielsweise Kleinkraftwerke, Notstromanlagen, Kehrichtverbrennungs- oder Kläranlagen. Als Verbraucher können zum Beispiel Kühlhäuser und Kompressoren am Regelpooling teilnehmen. Produzenten von Strom aus Photovoltaik-, Biomassen-, Wind- und kleineren Wasserkraftanlagen, welche die kostendeckende Einspeisevergütung erhalten, können seit 2015 auch Regelleistung anbieten.

"Technisch wäre es möglich, die Batterien für Privathaushalte, welche wir jetzt vertreiben, in einen Regelpool zu integrieren. Weil die Steuerung bereits existiert und an eine Cloud angebunden ist, fallen die Zusatzkosten für den Anschluss geringer aus. Ob ein solcher Regelpool jedoch wirtschaftlich Sinn macht, hängt unter anderem von der Anzahl Systeme ab, die aufgenommen werden könnten", sagt Marina González Vayá.

Auch die EKZ vernetzen heute schon flexible Verbraucher und Kraftwerke zu einem so genannten „virtuellen Kraftwerk“, welches Tertiärregelreserven anbietet, und schaffen dadurch Zusatzerlöse für Anlagenbetreiber. Für ein virtuelles Kraftwerk eignen sich z.B. Anlagen wie Tiefkühlhäuser, Blockheizkraftwerke, Notstromanlagen, Kläranlagen, Kehrichtverbrennungsanlagen, Wärmepumpen oder Kleinwasserkraftwerke. Die Anlagen müssen allerdings eine Leistung von mindestens 200 Kilowatt haben und diese für mindestens vier Stunden am Stück reduzieren oder erhöhen können. Zudem müssen die Anlagen über eine Schnittstelle verfügen, damit sie extern angesteuert werden können.

Ein Vorteil von virtuellen Kraftwerken - im Vergleich zur Bereitstellung von Regelenergie durch Wasserkraftwerke oder fossile Kraftwerke - ist die Diversifizierung von Technologien und die Vermeidung von Must-run Kapazitäten. Während Wasserkraftwerke in Wintermonaten mit Wassermangel weniger Regelleistung bereitstellen können, steht das virtuelle Kraftwerk ganzjährig zur Verfügung.

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Kommentare

  • Stefan

    28.09.2017 22:00:51

    "Die Netzfrequenz muss konstant bei 50 Herz liegen"- wieso? (Wobei ich von Hertz ausgehe)
    Viele Geräten dürften auch bei 45 oder 55 Hz noch problemlos laufen. Vielleicht könnte schon mit einer Toleranz von z.B. 2 Hz der Bedarf von Regelenergie (und damit Kosten) bedeutend reduziert werden. Das Ziel müsste vielleicht ein Mittelwert von 50 Hz über einen Tag sein.
    Kann jemand dieses Dogma begründen?

  • Energie-Experten

    06.10.2017 13:10:48

    Guten Tag Stefan

    Einige Geräte laufen tatsächlich auch innerhalb eines Frequenzbandes von 45 bis 55 Hz problemlos.

    Aus folgenden Gründen ist eine Frequenz von 50 Hz im europäischen Stromverbundnetz aber wichtig:

    • Viele rotierenden Maschinen und einzelne Uhren laufen synchron zum Netz. Wird die Frequenz höher, so gehen sie schneller. Wird die Frequenz tiefer, so gehen sie langsamer.
    • Grosse elektrische Maschinen können Schaden nehmen, wenn die Frequenz zu tief oder zu hoch ist. Diese Maschinen sind für ein optimales Betriebsverhalten und einen guten Wirkungsgrad auf einen bestimmten Drehzahlbereich ausgelegt. Bei Unter- und Oberfrequenz kann es also zu kritischen Betriebszuständen kommen. Die Anlagen altern schneller, was höhere Kosten verursacht und Ressourcen verschwendet.
    • Stromrechnungen werden von Elektrizitätswerken gemäss Wirkarbeit abgerechnet, die über die Leistung von der Frequenz abhängt. Somit würde eine höhere Frequenz in bestimmten Zeiten zu einer höheren Stromrechnung führen für die Kunden, die zu dieser Zeit Strom beziehen.

    Wir hoffen, damit deine Frage beantwortet zu haben.
    Deine Energie-Experten

  • Heinz Meier

    24.11.2017 17:09:35

    Sehr geehrte Damen und Herren

    Nachdem ich eine PV mit 17.6kWp betreibe wäre ein Speicher (Batterie) die Lösung da ich weit über meinen Jahresverbrauch produziere und natürlich für beinahe nichts diesen einspeise. Nur ist der Speicher dermassen teuer, das sich dieser nicht lohnt. Warum bietet die EKZ interessierten Kunden nicht bezahlbare Speicher (Batterien) an. Die EKZ als Grossabnehmer hat doch sicher andere Einkaufskonditionen wie ein Privatkunde.
    Dann würde ich nämlich meinen produzierten Strom zu 100% selbst verwerten und auch kein Netzt zusätzlich belasten.

    Für Ihre Rückantwort bedanke ich mich im voraus höflichst.
    Heinz Meier

  • Energie-Experten

    30.11.2017 13:47:06

    Guten Tag Herr Meier

    Die Preise für Batteriespeicher hängen stark von deren Grösse ab. Auch steigt der Preis, wenn die Batterie zusätzlich mit einer Steuerung ausgestattet wird. Haben Sie denn bei den EKZ bereits eine Offerte eingeholt?

    Vielleicht lohnt es sich, Ihre Bedürfnisse noch einmal genau abzuklären. Gerne dürfen Sie dafür eine weitere Offertanfrage an prosumer@ekz.ch senden. Um zu prüfen, ob die Batterie mit Ihrer Anlage kompatibel ist, benötigt die Abteilung im gleichen Schritt den Modultyp Ihrer Solaranlage, den Wechselrichter-Typ, das Prinzipschema und den Stringplan.

    Sobald Ihre Anfrage sowie die Daten eingetroffen sind, können die Kollegen Sie ausführlich beraten. Im Normalfall sind die Speicherbatterien der EKZ vergleichsweise eher günstig.

    Freundliche Grüsse
    Ihre Energie-Experten

  • Christian Bärtschi

    23.02.2018 12:58:07

    Sehr geehrte Energie-Experten

    Könnten Grossbatterien auch mit gebrauchten Elektroauto Batterien gemacht werden?
    Gibt es bei ihnen entsprechende Projekte?

    Hintergrund: Ich bin Tesla Model S Fahrer und ich würde mich freuen, wenn meine Batterie die nach dem Ende ihres Dienstes im Auto, mit voraussichtlich 70-80 % ihrer Kapazität, ein zweites Leben bekommt, bsp. in einer Grossbatterie.

    Freundlicher Gruss
    Christian Bärtschi

  • Energie-Experten

    23.02.2018 17:09:01

    Guten Tag Herr Bärtschi

    Danke für Ihre interessante Frage. Leider muss ich Sie enttäuschen, bei den EKZ gibt es aktuell keine Projekte diesbezüglich und es ist auch nichts in diese Richtung geplant.

    Im Ausland, insbesondere in Deutschland und China sind uns aber mehrere grosse Projekte dieser Art bekannt. Auch hat z.B. das Unternehmen e2m an der diesjährigen E-world einen innovativen Vermarktungsansatz für eine Speicherfarm aus hunderten Autobatterien vorgestellt: https://www.ee-news.ch/de/erneuerbare/article/37881/e2m-innovator-des-jahres-im-bereich-umwelt-und-energie

    In der Schweiz gibt es die Idee, die alten Batterien aus den Post-Scootern in Solarbatterien umzubauen. Daran beteiligen wir uns aber nicht.

    Sobald Batterien einmal günstig genug sind, dann lohnt sich diese 2nd-life Anwendung im Vergleich zu neuen Batterien kaum mehr. Wichtig sind unseres Erachtens vor allem ein geschlossener Kreislauf und ein lückenloser Recycling-Prozess.

    Freundliche Grüsse
    Ihre Energie-Experten