Verbundkraftwerke

Verbundkraftwerke sind direkt (ohne öffentliches Netz) miteinander verbundene Energieanlagen:

  • Erzeugungsanlagen (überwiegend Windkraft und Solarstrom)
  • eigenes (nicht redundantes) kostengünstiges Kraftwerksnetz bestehend aus Stromleitungen (20-kV, 110-kV) und Steuerleitungen (Glasfaser)
  • direkt an das Kraftwerksnetz angeschlossene Großverbraucher als zuschaltbare Lasten (Power-to-Gas, Power-to-Heat)
  • ggf. eigene interne Umspannstationen zwischen den Spannungsebenen
  • Speicher zur Netzstabilisierung (Akkumulatoren)
  • eine Warte zur Steuerung und Überwachung des Verbundkraftwerkes, direkt an die Steuerleitungen angebunden
  • eigene Notstromversorgung für Warte und Steuersysteme
  • im erforderlichen Umfang Energiespeicher und entsprechende Stromerzeuger für gesicherte Leistung zur Überbrückung von Engpässen im Solar- bzw. Windangebot

Verbundkraftwerke haben eine Leistung im Gigawattbereich und erstrecken sich über Dutzende Kilometer. Siehe auch Vortrag Verbundkraftwerk.

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Verbundkraftwerke zeichnen sich im Unterschied zu einfachen erneuerbaren Energieanlagen durch folgende Eigenschaften aus:

  • die Einspeisung in die öffentlichen Netze ist im Vergleich zu Einzelanlagen oder einzelnen Windfeldern aufgrund der räumlichen Ausdehnung viel stabiler, der größte Teil der Fluktuationen wird innerhalb des Verbundkraftwerkes ausgeglichen bzw. in Wasserstoff- und Wärmespeicher eingespeichert.
  • es ist nicht erforderlich für Wind und PV eigene Netzanschlüsse zu bauen, sondern pro Leistungseinheit Wind und PV genügt je nach Auslegungen 1/4 bis 1/3 Leistungseinheit  für den Netzanschluss. Dies liegt daran, dass Sonne und Wind ergänzen sich hervorragend ergänzen und sehr selten gleichzeitig eine hohe Leistung erzeugen und vor allem aber daran, dass die integrierten Verbraucher (Elektrolyseure, Wärmeerzeuger) die gesamte Leistung oberhalb von etwa 1/4 bis 1/3  der installierten Wind- bzw. PV-Leistung absorbieren. So genügt z.B. für 1 GW Windkraft und 1 GW PV eine Netzanschlussleistung von nur 350 MW. 
  • durch diese Einbindung von Speichern steigt die Auslastung des öffentlichen Netzes massiv an: von 1000 bis 3000 Vollaststunden auf 6000 bis 7000, denn die Schwankungen der Erzeugung kommen garnicht erst im Netz an.
  • es kann auf mehrere Tage voraus geplant fahrplangerecht Energie erzeugt werden, indem ausreichend hohe Abschläge von den Wetterprognosen bezüglich der Erzeugung gemacht und daraus folgende Überschüsse an die Großverbraucher innerhalb des Verbundkraftwerkes abgegeben werden.
  • der Netzausbau zwischen den Energieanlagen ist im Vergleich zum redundanten Ausbau des öffentlichen Netzes deutlich kostengünstiger, allzumal alle Betriebsmittel durch Temperaturmonitoring bis zur Grenze ihrer Belastbarkeit ausgelastet werden können, was ebenfalls Kosten spart.
  • sie erbringen sämtliche Netzdienstleistungen (Frequenzhaltung, Spannungshaltung, Blindleistungsbereitstellung)
  • sie können schwarzstartfähig gemacht werden
  • die Steuerung eines Verbundkraftwerkes muss nicht mit dem Internet verbunden sein sondern sollte über ein eigenes Glasfasernetz erfolgen, um keinerlei Angriffsmöglichkeiten aus dem Netz zu bieten

Es sind etwa  800 GW installierte erneuerbare Leistung erforderlich, um Deutschland vollständig mit Energie zuversorgen. Das heutige Lastband schwankt zwischen 30 und 80 GW. Daraus folgt, daß maximal 10% der installierten erneuerbaren Erzeugungsleistung als gesicherte Leistung benötigt werden.

Verbundkraftwerke benötigen 10% ihrer installierten Leistung als gesicherte Leistung aus Brennstoffzellen (ergänzt ggf. durch Biogas oder Wasserkraft). Die erforderlichen Wasserstoffmengen wären dem Gasnetz oder Wasserstoffspeichern zu entnehmen. Damit können Verbundkraftwerke herkömmliche Kraftwerke ersetzen.

Warum kann es sinnvoller sein, die Erzeugung gesicherter Leistung in Verbundkraftwerken bereitzustellen, anstelle in Großkraftwerke (Gaskraftwerke), welche nur in Bereitschaft sind? Dafür spricht einiges:

1. Erdgasbefeuerte Gaskraftwerke brauchen CH4 und stoßen CO2 aus. Verbundkraftwerke nicht.

2. In Verbundkraftwerke lässt sich leicht Wasserstoffmobilität zwecks Rückspeisung integrieren, da sie sich über eine sehr grosse Fläche erstrecken und also viele Fahrzeuge schnell herbeirufen können (Rückspeisen von Strom aus Wasserstofffahrzeugen in das Verbundkraftwerk). Da damit sowieso vorhandene Einspeiser genutzt werden, entstehen keine zusätzlichen Kosten.

3. Verbundkraftwerke verfügen über permanent verfügbare Primärregelenergie (Akku), während ein Gaskraftwerk erst gestartet werden muss.

4. Verbundkraftwerke können ebenso wie Gaskraftwerke als KWK betrieben werden und die Abwärme in die umliegenden Ortschaften abgeben.

5. Auf Gaskraftwerke setzen, bedeutet, auf eine einzige Technologie zu setzen. Verbundkraftwerke im Wettbewerb untereinander könnten verschiedene Technologien (H2, Biogas, Akkus, Pumpspeicher) einsetzen, so dass man im Laufe der Zeit die beste finden kann.

6. Bislang existieren keine Gaskraftwerke, welche nur mit Wasserstoff betrieben werden. 

7. Brennstoffzellen werden wahrscheinlich zu einem billigen Massenprodukt werden. Damit sind sehr kurze Bauzeiten für KWK-Brennstoffzelleneinheiten in beliebigen Leistungsbereichen möglich, was für Gaskraftwerke nicht machbar ist. 

Warum ist das Netz von Verbundkraftwerke 90% günstiger, als der öffentliche Netzausbau?

Das hat mehrere Gründe: Weil diese Netze nicht auf Versorgungssicherheit, sondern auf Wirtschaftlichkeit ausgelegt sind. So benötigen sie keine Doppelsysteme gegen Ausfälle. Statt dessen genügen einfache Ringsysteme oder sogar Stichleitungen vollkommen. Weiterhin verfügen sie über ein Temperaturmonitoring, so dass die Kabel bis an die Grenze ihrer Belastbarkeit gefahren werden können. Durch eine vollständige unterirdische Verlegung gibt es praktisch keine Störungen oder Wartungsaufwendungen. Ein Verbundkraftwerk könnte z.B. vereinfacht wie folgt aufgebaut sein:  

Die verschiedenen Erzeugungsanlagen sind über eine Ringleitung verbunden, dazwischen befinden sich Elektrolyseure oder auch Wärmeerzeuger, welche  bevorzugt den Teil des Stromes verbrauchen, welche als Spitzenerzeugung anfällt. Eine einheitliche Steuerung kann leicht gewährleistet werden, da alle Anlagen über Steuerleitungen direkt mit der Warte verbunden sind. 

Würde man dieselbe Konstellation Anlage für Anlage an ein öffentliches Netz anschliessen, so sähe dies dann so aus: 

Das öffentliche Netz wäre dafür viel stärker auszubauen – nicht nur bräuchte es viel mehr Umspannwerke und Anschlussstationen, sondern die Übertragungsleistung des öffentlichen Netzes müsste etwa drei mal höher sein, da jede einzelne angeschlossene Anlage ihre maximale Leistung einspeisen bzw. beziehen möchte. Alle Schwankungen der Erzeugung kommen im öffentlichen Netz an. Die Auslastung des Netzes wäre entsprechend nur ein Drittel so hoch – zusammengenommen führt dies zu etwa zehnmal höheren Netzkosten als bei Verbundkraftwerken. Dazu kommt, dass eine einheitliche direkte Steuerung der Anlagen nicht mehr möglich ist –  was für die Kollegen auf der Warte des Netzbetreibers bei viel Wind oder Sonne schnell eine schweißtreibende Aufgabe wird, deren mit Abregelungen verbundene Lösung niemanden erfreut. 

Und schliesslich verzinst sich das Eigenkapital der Betreiber von Verbundkraftwerken mit nur 3-4% pro Jahr statt mit den staatlich garantierten Zinsen von 7-9% für öffentliche Netzbetreiber, was immensen Einfluß auf die Kosten hat.  Während Netzbetreiber am Netzausbau verdienen haben Betreiber von Verbundkraftwerken schlicht nur ein Interesse: geringe Kosten.

Warum werden dann aber sowenige Verbundkraftwerke gebaut?

Ganz einfach: während die öffentlichen Netzbetreiber ihre Kosten an die Stromkosten zu 100% weiterreichen, bleiben die Betreiber von Windkraft- und Solaranlagen auf den Kosten ihrer selbst errichteten Netz sitzen. Daher beschliessen fast alle Betreiber, sich lieber an das öffentliche Netz anschliessen zu lassen, womit die Netzausbaukosten explodieren. Politiker, welche immer über steigende Netzkosten jammern, könnten hier schnell tätig werden und den verpflichtenden Bau von Verbundkraftwerken zur Grundlage der Energiewende machen.  

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