Fit, flexibel, wirtschaftlich

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.“

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.

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.

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.