Fit, flexibel, wirtschaftlich

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Von der Grundlastfähigkeit zur Regelbarkeit – im Zuge der Energiewende verändern sich die Anforderungen an konventionelle Kraftwerke. Um ihnen gerecht zu werden, bedarf es einer Steuerung, die nicht nur flexibel, sondern auch wirtschaftlich und anlagenschonend ist. Mit der modularen Softwarelösung OPTIMAX PowerFit von ABB können Betreiber die notwendige Kraftwerksoptimierung realisieren und ihre Erzeugungsanlagen fit für die Zukunft machen.

Die zunehmende Einspeisung erneuerbarer Energien in das Stromnetz fordert konventionellen Kraftwerken ein hohes Maß an Flexibilität ab. Deckten sie früher vor allem die Grundlast, ist heute zunehmend ihre Regelfähigkeit gefragt. Denn Windräder und Photovoltaikanlagen speisen nicht nachfrageorientiert in das Stromnetz ein; vielmehr ist ihre Produktion abhängig von Tageszeit und Wetter. Diese Differenz zwischen dem Strombedarf der Konsumenten und der schwankenden Einspeisung regenerativ erzeugten Stroms müssen die übrigen Erzeugungsanlagen rund um die Uhr und innerhalb kürzester Zeit ausgleichen.

Die Veränderung in der Stromversorgung macht es insbesondere für Großkraftwerksbetreiber erforderlich, die Produktion der konventionellen Kraftwerke flexibler an den Strombedarf anzupassen. Diese Aufgabe bringt einige Herausforderungen mit sich. „Für einen wirtschaftlichen Kraftwerksbetrieb bedarf es einer optimierten Kraftwerkseinsatzplanung sowie einer flexiblen Steuerung und Regelung der Kraftwerksblöcke“, sagt Dr. Sleman Saliba aus der Abteilung Plant Optimization im Geschäftsbereich Energietechnik bei ABB. „Um die konventionellen Kraftwerke an die veränderten Rahmenbedingungen anzupassen, ist eine interne Kraftwerksoptimierung unbedingte Voraussetzung. Nur so können die Betreiber flexibel auf den schwankenden Bedarf an Stromeinspeisung reagieren und gleichzeitig eine möglichst schonende Fahrweise der Kraftwerksblöcke erreichen.“

„Nur eine flexible Steuerung der Kraftwerksblöcke stellt einen wirtschaftlichen Betrieb sicher.“

Mathematische Optimierung

Mit OPTIMAX hat ABB ein umfassendes, leistungsstarkes Paket von Optimierungslösungen entwickelt, dessen einzelne Module je nach Bedarf gewählt werden können. Allen Lösungen liegt ein mathematisches Rechenmodell zugrunde, das sowohl zeitdiskrete Anteile wie Fahrpläne als auch zeitkontinuierliche Anteile wie die Dynamik von Kraftwerksblöcken berücksichtigt. „Eine mathematische Programmierung bietet zwei entscheidende Vorteile“, so Dr. Sleman Saliba. „Zum einen müssen nicht alle möglichen Lösungen explizit ausformuliert werden. Stattdessen wird die Aufgabe mit Beschränkungen und Zielfunktion deklarativ beschrieben. Das Programm ermittelt die für den Einzelfall optimale Lösung, die alle Beschränkungen erfüllt und die Zielfunktion minimiert. Zum anderen sorgt die mathematische Programmierung für die Trennung des deklarativen Programms von der verwendeten algorithmischen Lösungssoftware.“ Das bedeutet eine hohe Investitionssicherheit für den Betreiber, da sich die Abhängigkeit von speziellen Betriebssystem- oder Softwareversionen reduziert. Je nach Anwendungsfall lässt sich die Software sowohl in die Kraftwerksleittechnik als auch in die Netzleittechnik integrieren oder sie läuft eigenständig. Die offene Systemarchitektur ermöglicht die flexible Verteilung auf einem oder mehreren Rechnern, die Einbindung von Echtzeitdaten über OPC oder Fernwirkprotokolle und von Planungsdaten mittels Dateitransfer oder Datenbankabfragen.

Automatisch ins Leitsystem

In einem Kraftwerkspark mit mehreren großen Blöcken und kleineren dezentralen Erzeugungseinheiten lassen sich dank OPTIMAX die Arbeitspunkte in Echtzeit optimieren. Zusätzlich können die Regelbänder angepasst und die Regelleistungsabrufe aufgeteilt werden. Diese interne Optimierung sorgt für eine wirtschaftliche Umverteilung der Vorgaben des Lastverteilers für Fahrplanwerte und die Sekundärregelung zwischen den Kraftwerksblöcken. Die Berechnung berücksichtigt aktuelle Anlagenzustände und technische Anlagenrestriktionen. Die Ergebnisse werden vollautomatisch oder nach manueller Freigabe in das Leitsystem übertragen.

Eine weitere Schlüsseltechnologie für den optimalen Betrieb eines Kraftwerkparks ist die Abstimmung der Produktion von Wärme und Strom oder von Prozessdampf und Strom. Die der Kraft-Wärme-Kopplung zugrundeliegende physikalische Interaktion zwischen der Wärme- oder Prozessdampferzeugung und der Stromerzeugung führt zu komplexen Beziehungen im Kraftwerksbetrieb. Basierend auf einem sinnvoll eingestellten Leitsystem für jede Kraftwerkseinheit koordiniert die Querverbundoptimierung von OPTIMAX die verschiedenen Aggregate. Die Echtzeitoptimierung der Arbeitspunkte lässt sich auf einfache Weise in den regulären Betrieb des Kraftwerks übernehmen. Die Bedienbilder des eingesetzten Leitsystems zeigen die vorgeschlagenen optimierten neben den aktuellen Arbeitspunkten an. Die Übernahme der Optimierungsergebnisse in das Leitsystem erfolgt entweder direkt oder nach Bestätigung durch den Bediener.

Regelenergie lohnt sich

Die benötigte Stromeinspeisemenge wird alle 15 Minuten neu berechnet. Im schlimmsten Fall bedeutet das für Kraftwerksbetreiber, dass sie an ihren Anlagen im Viertelstundenrhythmus erhebliche Veränderungen im Hinblick auf die Einspeisemenge vornehmen müssen. Häufige Sprünge im Fahrplan bringen jedoch eine starke Belastung der Kraftwerksblöcke mit sich. Die vorausschauende Zielsollwertführung mit OPTIMAX betrachtet mehrere Fahrplansprünge im Voraus und ermittelt eine möglichst schonende Fahrweise zur Erfüllung des Fahrplans zu den geforderten Zeitpunkten.

Wenn Kraftwerksbetreiber die Einsatzplanung optimieren und die Fahrweise flexibler gestalten, bedeutet das nicht nur einen kostenoptimierten Betrieb der Anlagen, sondern auch handfeste wirtschaftliche Vorteile – in Form einer Direktvermarktung des Stroms am Regelenergiemarkt sowie beim Day-Ahead- und Intra-Day-Handel. Für Betreiber ist die Teilnahme am Regelenergiemarkt lukrativ: Die Bereitschaft, im Notfall einzuspringen, wird mit dem Leistungspreis vergütet; kommt es tatsächlich zum Abruf von Regelenergie, fällt ein zusätzlicher Arbeitspreis an. Die erzielten Arbeitspreise liegen in der Regel um ein Vielfaches über dem Preis für Normalstrom an der regulären Energiebörse.

„Künftig wird die Bedeutung der Regelenergie weiter zunehmen.“

Bereit für komplexe Anforderungen

Für die Regelleistungserbringung erstellt OPTIMAX ein mathematisches Modell, löst es mit linearer Programmierung und verteilt den Leistungsabruf optimal auf die technischen Einheiten. Maßgeblich sind die Ziele, den Sollwert mit den verfügbaren Anlagen zu erfüllen, die technischen Einheiten innerhalb einer Prioritätsgruppe möglichst fair zu behandeln und die momentane Einspeiseleistung der einzelnen Einheiten minimal zu verändern. „Künftig wird die Bedeutung der Regelenergie weiter zunehmen“, sagt Dr. Sleman Saliba. „Je mehr Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, desto ungenauer wird die Day-Ahead-Prognose und desto häufiger muss die Netzfrequenz stabilisiert werden.“ Gleichzeitig wird die Zahl der Akteure im Regelenergiemarkt steigen. Bereits jetzt haben EEG-Anlagen die Möglichkeit, auf die gesetzliche Einspeisevergütung zu verzichten und ihren Strom direkt zu vermarkten. Mit der im August 2014 in Kraft getretenen Reform des EEG wird die gesetzliche Vergütung massiv gesenkt und stufenweise eine Verpflichtung zur Direktvermarktung eingeführt. Die Konkurrenz wird also größer werden – und mit ihr die Notwendigkeit für die Betreiber, ihre Anlagen flexibel, wirtschaftlich und schonend zu betreiben.

Kraftwerk Jänschwalde

Das Kraftwerk Jänschwalde nahe der deutsch-polnischen Grenze in Brandenburg zählt mit einer installierten Leistung von 3.000 MW zu den größten Braunkohlekraftwerken Deutschlands. Bestehend aus sechs 500-MW-Blöcken mit je zwei Dampfkesseln verfügt die von der Vattenfall Europe Generation AG betriebene Anlage über geeignete Voraussetzungen, um als flexibler Partner der erneuerbaren Energien Elektroenergie bedarfsgerecht und versorgungssicher zu liefern. Um eine optimierte Fahrweise der einzelnen Blöcke sicherzustellen und die Flexibilität des Kraftwerksparks zu steigern, setzt Vattenfall auf OPTIMAX PowerFit von ABB.