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DIE STROMKUTSCHE

Stromkutsche? Nein, hier geht es nicht um Elektromobilität, sondern um die Herausforderung immer so viel Strom bereitstellen zu müssen wie gerade von allen Stromkunden zusammen nachgefragt wird. Warum ist diese Aufgabe in den letzten Jahren noch anspruchsvoller geworden? Beginnen wir mit einem Pferd.

PFERD UND KRAFTWERK

Pferde werden schon seit langer Zeit vom Menschen als Arbeitstiere genutzt. Ein Pferd erbringt eine Leistung von einer Pferdestärke, kurz: PS. Wenn ein Pferd eine Stunde einen Pflug oder eine Kutsche zieht, leistet es eine Arbeit von einer Pferdestärkenstunde (PSh). 

Kraftwerke sind quasi moderne Arbeitstiere zur Bereitstellung von Strom. Ihre Leistung wird in Kilowatt (kW) gemessen. Eine Leistung von einem kW entspricht 1,36 PS. Ein Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 1.000 kW leistet in einer Stunde eine Arbeit von 1.000 Kilowattstunden (kWh). 

GEMEINSAM STÄRKER

Spannt man mehrere Pferde gemeinsam vor eine Kutsche, addieren sich ihre Leistungen zu einer Gesamtleistung. Im Gespann übertragen sie ihre Kraft gemeinsam, um die Kutsche zu ziehen. Kraftwerke sind ähnlich wie ein Pferdegespann miteinander verbunden. Auch ihre Einzelleistungen addieren sich zu einer Gesamtleistung. Die von ihnen gemeinsam erzeugte elektrische Energie wird in das angeschlossene Stromnetz eingespeist. Wie die Passagiere eines Pferdegespanns profitieren nun alle, die den Strom benötigen, ohne selbst aktiv werden zu müssen. Den Strom, den sie benötigen, erhalten sie aus der Steckdose.

ANGEBOT UND NACHFRAGE

Die Aufgabe der Kraftwerke ist es, zu jeder Zeit des Tages genau die Menge an Strom bereitzustellen, die zu diesem Zeitpunkt von allen Kunden zusammen nachgefragt wird. Das Angebot muss also an den konkreten Bedarf angepasst werden. Dazu wird die Nachfrage aller Menschen, Fabriken und sonstigen Verbraucher, die im Laufe eines Tages Strom benötigen, in einem sogenannten Lastprofil zusammengefasst. Es bildet eine Kurve ab, deren Werte sich aus der Tageszeit und aus der Höhe der zu dieser Zeit nachgefragten Leistung ergeben (s.u.). Weicht diese Linie von den real abgefragten Werten ab, besteht das Risiko schwerwiegender technischer Probleme (Spannung und Frequenz im Stromnetz würden sich ändern).

Betrachten wir wieder die Stromkutsche: Die Kutsche muss, wie im Lastprofil beschrieben, im Laufe des Tages über mehrere Bergkuppen fahren (wie im Bild zu sehen). Ebenso wie der Strom jederzeit entsprechend der aktuellen Nachfrage ins Netz eingespeist werden muss, gilt für die Kutsche die Vorgabe einer konstant gleich hohen Geschwindigkeit – egal, ob es bergauf oder bergab geht.

KONSTANTE LEISTUNG ALS MASSSTAB

Welche Aufgabe hat nun der Kutscher? Zunächst muss er ein Streckenprofil ermitteln, das die kraftraubenden Teilstücke markiert. Bei einem besonders langen Anstieg oder sehr steilen Passagen ist die Mühe am größten. Das weiß jeder, der einmal mit dem Fahrrad in den Bergen unterwegs war. Hat man den Gipfel erreicht, wartet die erholsame Abfahrt im Leerlauf.

Die Anforderung lautet also, das Gespann so zusammenstellen, dass es an jedem Tag in der Lage ist, auch am schwierigsten Punkt der Strecke, also am höchsten Gipfel, das Tempo noch halten zu können. Das heißt aber auch, dass an allen anderen Punkten der Strecke die Pferde nicht maximal belastet werden, sie also nicht an die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit gehen müssen.

Für den Kraftwerkspark (alle Kraftwerke zusammen) gilt genau das gleiche. Ihre Gesamtleistung muss ausreichen, um den Peak (den Gipfel) der Lastkurve bedienen zu können. Zu allen anderen Zeiten des Tages sind die Kraftwerke dementsprechend nicht komplett ausgelastet.

MARKTVERÄNDERUNG

An dieser Stelle lohnt ein kleiner Blick in die Geschichte des Strommarktes. Was hat sich in den letzten Jahren geändert? Und was bedeutet das für die Konzeption unserer Kutsche?

Ein Stromversorger hatte früher ein sogenanntes Gebietsmonopol. Er war in seinem Netzgebiet der einzige Anbieter. Die Menschen hatten also keine Wahl, von welchem Unternehmen sie ihren Strom beziehen.

Unsere Kutsche sah zu dieser Zeit ungefähr so aus:

Damals waren wenige, dafür sehr starke Pferde vor die Kutsche gespannt. Der Kutscher konnte mit diesem Gespann die Herausforderungen des Tages ohne große Mühe meistern, da er einerseits über große Erfahrungen verfügte und andererseits die Pferde ihre Arbeit zuverlässig erledigten.

Auf den Kraftwerkspark übertragen gab es zu dieser Zeit relativ wenige Unternehmen, die sehr große und leistungsstarke Kraftwerke betrieben. Dort wurde mit Hilfe von fossilen Energieträgern der nachgefragte Strom erzeugt. Der Regelaufwand, immer genügend Strom zu jeder Zeit bereitzustellen, war somit überschaubar, und viele Kraftwerke liefen rund um die Uhr (sogenannter Grundlastbetrieb).

Im Jahr 1999 aber wurde mit der Liberalisierung der Strommarkt für neue Anbieter geöffnet. Außerdem traten am Ende des letzten Jahrtausends neue Gesetze in Kraft (das Stromeinspeisegesetz im Jahr 1990 und das Erneuerbare-Energien-Gesetz im Jahr 2000), die das Marktgefüge erheblich veränderten. Erzeugungsanlagen erneuerbarer Energie konnten nun ihren aus Sonne, Wind, Wasser oder Biomasse erzeugten Strom vorrangig in das Netz einspeisen. Der Vergütungssatz war festgeschrieben. Da eine Windkraft- oder Photovoltaikanlage nichts anderes ist als ein kleines Kraftwerk, hat das zwangsläufig Auswirkungen auf unser Gespann, das nun in etwa so aussieht:

VIELFALT VERLANGT NEUE REGELN

Die Kutsche wird nun von mehr Pferden als zuvor gezogen, obwohl sich die Last kaum verändert hat. Die Aufgabe des Kutschers ist wesentlich anspruchsvoller geworden, denn er muss trotz der neuen Vielfalt die Kontrolle behalten.

Das Tempo soll schließlich konstant bleiben. Es stellt sich die Frage, ob es nicht sinnvoller ist, die Zahl der Pferde zu reduzieren? Nein, denn manche Pferde legen sich nur bei Sonnenschein ins Zeug oder wenn sie Rückenwind haben. Der Kutscher kann sich nicht wirklich darauf verlassen, dass sie die erforderliche Leistung exakt dann bringen, wenn sie benötigt wird. Um sicher zu gehen, muss er die alten Pferde auch weiterhin mitlaufen lassen.

Übertragen auf den Kraftwerkspark heißt das, weitaus mehr Kraftwerke zu berücksichtigen als zuvor. Viele von ihnen bringen nur eine geringe Leistung, andere deutlich mehr. Die Nachfrage nimmt keine Rücksicht darauf, ob gerade Flaute herrscht oder der Himmel bewölkt ist.

Genügend Erzeugungskapazität in Reserve vorzuhalten, um jederzeit genügend Strom bereitstellen zu können, ist unausweichlich. Obwohl die Stromerzeugungskapazität (also die Leistung aller Kraftwerke gemeinsam) enorm zugenommen hat, kann die fossile Kraftwerksleistung nicht in gleichem Maße stillgelegt werden, wie erneuerbare zugebaut wird. Ineffizienz ist nicht auszuschließen. Sowohl zu viele Pferde als auch zu viele Kraftwerke kosten Geld. Hinzu kommt, dass der nur schleppend vorangehende Netzausbau zur Folge hat, nicht einmal den gesamten erzeugten Strom in das Netz einspeisen zu können. Um Zeiten des Überangebotes und des Mangels zu beherrschen, ist darüber hinaus der Regelaufwand gewaltig angewachsen.

ANSPRUCHSVOLLE ZIELE

Die primären Ziele sind Netzstabilität und Versorgungssicherheit. Damit der Strom für jedermann bezahlbar bleibt, dürfen auch die Kosten nicht zu stark ansteigen. Und nicht zuletzt sollen die fossilen Kraftwerke (die zuverlässigen Pferde) früher oder später vom Netz gehen. Die Antworten werden über die Qualität der Energiezukunft entscheiden.

Ein Ansatz wäre eine verbesserte Prognose der zu erwartenden Wind- und Sonnenstrommenge. Doch dieser Schritt reduziert nur den Regelaufwand und löst nicht das eigentliche Problem. Auch in Zukunft wird nachts keine Sonne scheinen, und der Wind wird auch nicht durchgehend wehen.

Gibt es aber überhaupt Alternativen, die verhindern, dass die Gesamtleistung der Pferde bzw. der Kraftwerke unnötig hoch ist?

ZENTRALE ANSÄTZE

Zwei zentrale Ansätze deuten in eine viel versprechende Richtung. Zunächst geht es um die Identifikation sogenannter verschiebbarer Lasten, die zeitliche Verschiebung des Stromkonsums. Verzichten beispielsweise Betriebe in Zeiten knappen Angebots auf stromintensive Produktionsprozesse und verschieben diese in Zeiten eines höheren Angebotes, lässt sich so die „Spitze abrasieren“ (s.u.). Was im Großen (Fabriken) funktioniert, verspricht auch im Kleinen (Haushalt) Erfolge. Auch hier könnten Verbraucher, die nicht kontinuierlich betrieben werden, den Strom dann ziehen, wenn die Angebotslage günstig ist. Als Beispiele lassen sich Wärmepumpen oder Kühltruhen nennen. Dafür muss allerdings erst das Smart Grid („das intelligente Stromnetz“), Ansatz Nummer zwei, ausgebaut werden. Denn das Smart Grid macht einen solchen Grad der Vernetzung erst möglich.

Das Höhenprofil könnte entschärft, die Spitzenlast, also die Höchstleistung, gesenkt werden. Dann ist es nicht mehr notwendig, insgesamt so viel Leistung vorzuhalten. Das gilt für den Kraftwerkpark wie für die Kutsche. Konkret heißt das: Effizienzsteigerung (durch eine bessere Auslastung der Pferde/Kraftwerke) und Kostenersparnis.

Allerdings hätte auch dieser Ansatz noch nicht die Stilllegung der fossilen Kraftwerke zur Folge. Es bleibt die Anforderung, eine geringere Nachfrage bzw. Spitzenlast jederzeit bereitstellen zu können.

Was können wir also tun? Wie kann die Kutsche auch ohne die zuverlässigen Pferde ihr Tempo garantiert konstant halten? Die Lösung: Sie muss mit einem Akku und einem Elektromotor ausgestattet werden! Er kommt nur zum Einsatz, wenn die Leistung der Pferde nicht ausreicht. So bleibt die Geschwindigkeit jederzeit konstant. Übertragen auf den Kraftwerkspark bietet dieser Elektromotor oder der Akku die Möglichkeit, großtechnisch Strom zu speichern. Die Speicher werden in Überschusszeiten aufgefüllt und stellen bei Bedarf die benötigte Leistung bereit. Mit dieser Rückversicherung lassen sich ruhigen Gewissens die Anzahl der Pferde bzw. die Kraftwerksleistung verringern und die vorhandenen Kapazitäten besser auslasten.