Netzregelung im ENTSO-E-Netz

Aufgaben der Netzregelung im ENTSO-E-Netz

• Die Netzregelung hat die Aufgabe, die Netzfrequenz und die Netzspannung konstant zu halten.
• Die Netzfrequenz wird durch Anpassung der Kraftwerksleistung konstant gehalten, dies wird als Erzeugungs- oder Turbinenregelung bezeichnet.
• Eine Steuerung des Stromverbrauchs der Kunden (Demand Side Management, DSM) ist derzeitig nur begrenzt möglich.
• Die Netzspannung wird durch Anpassung von Generatoren und Transformatoren geregelt.
• Die Spannung kann durch das Einbinden von Induktivitäten oder Kapazitäten beeinflusst werden.

Regelung von Leistung und Frequenz

• In Stromnetzen muss ein Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch bestehen.
• Generatoren passen ihre Leistung an den aktuellen Bedarf an, einschließlich aller Verluste.
• Alle Generatoren im Netz arbeiten mit der gleichen Frequenz, die als zentrale Regelgröße dient.
• Bei Änderung des Verbrauchs wird das Gleichgewicht kurzzeitig gestört.
• Steigt der Verbrauch, bremsen die Schwungmassen der Generatoren und Turbinen ab, wodurch die Frequenz sinkt.
• Turbinenregler reagieren, öffnen die Ventile und erhöhen die Leistung, um die Frequenz wieder auf den Normalwert zu bringen.
• Frequenzschwankungen liegen normalerweise im Bereich von 20 bis 100 mHz.
• Größere Abweichungen sind selten und treten meist nur bei gleichzeitigen Ausfällen mehrerer Kraftwerke auf.

Bewegungsgleichung und Trägheitskonstante

• Bei linearen Bewegungen ist Kraft (F) gleich Masse (m) mal Beschleunigung (a).
• Bei rotierenden Systemen hängt das Drehmoment (M) von der Masse, dem Abstand zur Drehachse (r) und der Winkelbeschleunigung (w') ab.
• Die Trägheitskonstante (J) beschreibt, wie schwer es ist, das System zu beschleunigen oder abzubremsen und wird durch die Schwungmasse des Generators und der Turbinen bestimmt.
• Die Anlaufzeitkonstante (TA) gibt an, wie lange ein Generator braucht, um aus dem Stillstand auf Nenndrehzahl zu kommen.
• Diese Zeit ist auf die Nennleistung des Kraftwerks normiert und liegt meist zwischen 0,5 und 15 Sekunden.
• Wenn im Stromnetz die erzeugte Leistung nicht dem Verbrauch entspricht, ändert sich die Drehzahl der Generatoren, was zu Frequenzänderungen im Netz führt.
• Ein Leistungsdefizit bremst die Generatoren ab, wodurch die Frequenz sinkt.
• Umgekehrt steigt die Frequenz, wenn zu viel Leistung erzeugt wird.
• Die Anlaufzeitkonstante hilft dabei, diese Frequenzänderungen zu berechnen und das Netz stabil zu halten.

Selbstregeleffekt der Netzlast

• Der Selbstregeleffekt beschreibt, wie sich die Netzlast (der Stromverbrauch) bei Änderungen der Netzfrequenz anpasst.
• Wenn die Frequenz sinkt, geht auch die Last zurück, weil einige Verbraucher weniger Leistung aufnehmen.
• Dieser Effekt wird durch den Selbstregelfaktor (KL) beschrieben, der angibt, wie stark die Last bei einer Frequenzänderung reagiert.
• Bei einem Frequenzrückgang im Netz führt der Selbstregeleffekt dazu, dass die Last abnimmt, was hilft, das Netz zu stabilisieren.
• Die Frequenzänderung hängt von der Leistungsdifferenz (ΔΡ) und der Anlaufzeitkonstante (TA) der Generatoren ab.
• Die Frequenz pendelt sich schließlich auf einen neuen, stabilen Wert ein, der durch den Selbstregeleffekt begrenzt wird.
• Die untere Frequenzgrenze (fu) ist der Punkt, bei dem der Selbstregeleffekt die Frequenz stabilisiert, bevor sie weiter sinkt.
• Der Selbstregeleffekt trägt also dazu bei, das Netz bei Störungen zu stabilisieren, indem er die Last anpasst und extreme Frequenzänderungen verhindert.

Zeitbereiche der Leistungs-Frequenz-Regelung

• Im Verbundbetrieb von Kraftwerken wirken mehrere Regelverfahren zusammen, die zeitlich voneinander entkoppelt sind.
• Reine Leistungsregelung: Die Leistung der Kraftwerke wird nach einem festgelegten Plan geregelt, ohne dass die Netzfrequenz abweicht. Jedes Kraftwerk hält seine Leistung konstant, um Schwankungen auszugleichen.
• Primärregelung: Bei Abweichung der Netzfrequenz passen Kraftwerke ihre Leistung automatisch an (bei Unterfrequenz wird Leistung erhöht, bei Überfrequenz verringert).
• Sekundärregelung: Spezielle Kraftwerke gleichen nach der Primärregelung die verbleibende Frequenzabweichung vollständig aus.
• Tertiärregelung: Bei Ausfall eines Kraftwerks übernimmt die Tertiärregelung, die Sekundärregelung zu ersetzen und stellt langfristig zusätzliche Leistung bereit.

Wirtschaftlichkeitsrechnung

• Das elektrische Energiesystem ist gekennzeichnet durch Langlebigkeit, Kapitalintensivität und Leitungsgebundenheit, daher ist eine eingehende Wirtschaftlichkeitsanalyse bei der Planung entscheidend.
• Die Gesamtkosten bei einem Produktionsprozess setzen sich aus festen (KF) und variablen Kosten (KV) zusammen.
• KF (fixe Kosten): Ausgaben für Instandhaltung, Gehälter von Festangestellten, Steuern und Versicherungen.
• KV (variable Kosten): Brennstoffkosten, Löhne für Schichtpersonal und Hilfsstoffe.
• Der Erlös E(x) steigt linear mit der produzierten Menge an.
• Der Gewinn ergibt sich aus G(x)=E(x)-K(x).
• Der Break-even-Point (XB) ist die Menge, ab der der Erlös positiv wird.
• Energiepreise werden im freien Markt durch Angebot und Nachfrage bestimmt.
• Im regulatorischen Bereich legt der Regulator die Netztarife fest, um Kosten für Investition, Betrieb und Wartung zu decken.
• Für neue erneuerbare Energien gibt es feste Tarifmodelle, um Investitionssicherheit zu schaffen. Die ÖMAG ist für die Abrechnung zuständig.
• Die Förderdauer ist im EIWOG geregelt, die Tarifhöhe wird vom Regulator festgelegt.

Investitionsrechnung

• Investitionsrechnung erlaubt die Berechnung der jährlichen Investitionskosten und den Vergleich verschiedener Investitionsmöglichkeiten.
• Betriebsmittel im elektrischen Energiesystem umfassen Kraftwerke, Kabel, Leitungen und Schaltanlagen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten in Betrieb genommen werden.
• Betriebsmittel haben unterschiedliche Lebensdauern, z.B. Freileitungen 40-60 Jahre, Kabel 30-50 Jahre, Transformatoren 20-30 Jahre.
• Analyse der Kosten erfolgt durch Barwertmethode (Kapitalwertmethode) und Annuitätenmethode (Rentenwertmethode).
• Barwertmethode: Betrachtet die gesamte Nutzungsdauer einer Investition und bezieht den Barwert auf einen frei wählbaren Zeitpunkt.
• Regelmäßige Zahlungen werden auf den Bezugszeitpunkt abgezinst und sind vergleichbar.
• Barwert ist vergleichbar mit einem Bankguthaben, das mit einem Zinssatz verzinst wird und das gesparte Kapital darstellt.
• Annuitätenmethode: Verteilt den Kapitalwert in gleichbleibende Jahresraten über die Nutzungsdauer, um die Kosten gleichmäßig darzustellen.
• Der Annuitätenfaktor hängt von der Abschreibungsdauer und dem Zinssatz ab.

Stromgestehungskosten

• Stromgestehungskosten bezeichnen die Kosten pro erzeugter Kilowattstunde und hängen von verschiedenen Parametern ab; sie werden normiert, um einen einfachen Vergleich zu ermöglichen.
• Die Volllaststundenzahl zeigt, wie effizient ein Kraftwerk im Jahr genutzt wird, und beeinflusst die Stromgestehungskosten.
• Grundlastkraftwerke laufen fast das ganze Jahr, Spitzenlastkraftwerke haben etwa 1.000 bis 3.000 Volllaststunden pro Jahr.
• Ökostromanlagen haben niedrige Volllaststunden, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen richten sich nach dem Wärmebedarf.
• Der mittlere Anlagenwirkungsgrad gibt an, wie effizient ein Kraftwerk die Energie in elektrische Energie umwandelt : gelieferte elektrische Energie (Eel) /Energie des eingesetzten Brennstoffs (EB).
• Eel ist die Nettoenergie, die ins Stromnetz eingespeist wird.
• EB ist die Energie des Brennstoffs, berechnet aus seinem Heizwert (Hu) und der Menge des verbrannten Brennstoffs.

Abhängige Kosten

• In der Energiewirtschaft wird zwischen leistungsabhängigen und arbeitsabhängigen Kosten unterschieden.
• Leistungsabhängige Kosten fallen auch an, wenn das Kraftwerk nicht läuft, und hängen von der Leistungsfähigkeit der Anlage ab.
• Um die Kapitalabhängige Leistungskosten zu berechnen wird die folgende Formel verwendet: KLK=α * a * PN.
• Diese Kosten entstehen durch Finanzierung und Unterhalt der Anlage und umfassen Verzinzung und Tilgung des investierten Kapitals sowie Steuern und Versicherungen.
• Die Betriebsabhängige Kosten im Stillstand werden wie folgt berechnet: KLB=c * PN.
• Der Leistungsabhängige Gesamtfaktor kann mit der Formel berechnet werden: KL=KLK+ KLB.
• Arbeitsabhängige Kosten entstehen, wenn das Kraftwerk arbeitet (Brennstoff und Betrieb).
• Arbeitsabhängige Kosten sind variable Kosten, z.B. Kosten der Primärenergie.
• Der Wirkungsgrad der Anlage ist bereits in den Brennstoffkosten berücksichtigt.
• Betriebskosten entstehen nur, wenn Anlage Strom produziert (Personalkosten, Kosten für Umweltschutzmaßnahmen).
• Die Jahreskosten einer Erzeugungsanlage setzen sich aus leistungsabhängigen (fixen) und arbeitsabhängigen (variablen) Kosten zusammen.
• Stromgestehungskosten ergeben sich hieraus als spezifische Energiekosten.
• Grundlastkraftwerke lohnen sich bei langen Laufzeiten, Spitzenlastkraftwerke bei kurzen Laufzeiten.