Netzstabilisierung durch Wasserkraftanlagen

2022 wer­den die let­zten Kernkraftwerke in Deutsch­land vom Netz gehen — somit fällt dem Stromver­sorgungssys­tem auch Momen­tan­re­serve weg. Diese Sys­tem­di­en­stleis­tung sichert – neben der Regelleis­tung — die Sta­bil­ität der Net­ze im Falle von Störun­gen. Wie eine Studie der Rheinisch-West­fälis­chen Tech­nis­chen Hochschule (RWTH) Aachen nun ergeben hat, kön­nen die Wasserkraftwerke in Deutsch­land eine Störung, zum Beispiel durch einen unge­planten Kraftwerk­saus­fall von bis zu 500 Megawatt (MW), hin­sichtlich der Momen­tan­re­serve aus­gle­ichen. Das entspricht der Leis­tung eines mit­tel­großen Kohlekraftwerkes. Damit leis­ten sie einen rel­e­van­ten Beitrag zur kün­fti­gen Net­zsta­bil­ität und Versorgungssicherheit.
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 

Nach dem Aspekt der Erzeu­gungs­men­gen gel­ten Winden­ergie- und Pho­to­voltaikan­la­gen als 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 wurde fed­er­führend von Mar­tin Knecht­ges und Ste­fanie Samaan geleit­et. Sie 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 bayerische Stromnetze 

Darüber hin­aus weisen die Forsch­er ins­beson­dere für Bay­ern 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 Kernkraftwerke 2022 und anschließend der Kohlekraftwerke wichtige Sys­tem­di­en­stleis­tun­gen zur Net­zsta­bil­isierung erfüllen. Neben der Momen­tan­re­serve ist dies­bezüglich beispiel­sweise auch die Schwarzs­tart­fähigkeit zu nennen.“
— Fritz Schweiger, Vor­standsvor­sitzen­der der Vere­ini­gung Wasserkraftwerke in Bay­ern (VWB) e.V.

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. Allerd­ings müssen auch die anderen erneuer­baren Energi­eträger kün­ftig ihren Beitrag leis­ten. Jet­zt sind die Inge­nieure gefragt, wie dies mit mod­ern­er Leis­tungse­lek­tron­ik sichergestellt wer­den kann“, stellt Detlef Fis­ch­er, Geschäfts­führer des Ver­ban­des der Bay­erischen Energie- und Wasser­wirtschaft (VBEW) e.V., 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.