Mathematische Optimierung für die Stabilität von Stromnetzen

Mathematische Optimierung für die Stabilität von Stromnetzen

Sind erneuerbare Energien unberechenbar?

Es ist April und das Wetter in Deutschland macht – wie typischerweise in diesem Monat – was es will. An einem Tag stürmt und schneit es und am nächsten scheint die Sonne von morgens bis abends und die Temperaturen sind frühsommerlich warm.

Dies bedeutet an windig-kalten Tagen, dass die Kraftwerke auf Voll-Last laufen, weil wir Energie zum Heizen benötigen. Andererseits drehen sich die Windräder bei diesem Wetter mit hoher Leistung und erzeugen so eine große Menge Energie. Bei milden Temperaturen drehen wir die Heizung wieder aus und bei Sonnenschein können die Photovoltaikanlagen ihre volle Leistung einspeisen.

Schwankende Stromerzeugung – schwankender Verbrauch

Die Energiewende stellt Netzbetreiber und Stromanbieter vor große Herausforderungen. Die Landschaft der Energieerzeugung wird sich in den nächsten Jahren stark verändern: wenige große konventionelle Kraftwerke werden vielen kleinen dezentralen – oftmals weit abgelegenen – Anlagen für erneuerbare Energie weichen. Wie das beschriebene April-Szenario zeigt, unterliegt nachhaltiger Strom aus Wind- und Sonnenenergie einer schwankenden Leistungsabgabe und ist somit weniger planbar. Aufgrund seiner Abhängigkeit vom Wetter sprechen wir von volatilen Energieflüssen. Und wo in der Vergangenheit „nur“ die Logistik für Kohle, Gas und Öl geplant werden musste, kommen heute tagtäglich neue Standorte für Wind-, Wasser- und Solarenergie hinzu – bis zur geplanten vollständigen Substitution.

Auf der einen Seite steht also die schwankende Erzeugung von nachhaltiger Energie. Auf der anderen Seite gibt es eine weitere Herausforderung: Der Bedarf an regenerativem Strom steigt mit der fortschreitenden Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Industrie und Privathaushalte werden in der Zukunft immer mehr Strom verbrauchen. Unter anderem zwingt der steigende Anteil der Elektromobilität  Energieversorger und Netzbetreiber immer häufiger zu strategischen Entscheidungen, um auch in Zukunft die Systemstabilität sicherzustellen und Versorgungsengpässe – und im schlimmsten Fall Blackouts – zu vermeiden.

 

Energiemanagement wird immer komplexer​

Die Standardfrequenz im elektrischen Netz Europas beträgt 50 Hz. Um diese Frequenz und somit die Netzstabilität zu gewährleisten, müssen Energieerzeugung und -verbrauch immer im Gleichgewicht sein. Die volatilen Energieflüsse regenerativer Anlagen und die starke Zunahme des Strombedarfs führt zu einer steigenden Komplexität der Energieerzeugung. Die Stromnetze werden zunehmend an die Grenzen ihrer Belastbarkeit gebracht und so wird es immer schwieriger, ihre Systemstabilität zu gewährleisten. Um die Stromnetze stabil zu halten, müssen Netzbetreiber immer häufiger eingreifen. Je nach Maßnahme können hierbei extrem hohe Kosten entstehen.

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Was bringt mathematische Optimierung?

Stromtrassenumleitung oder Redispatch?

Zurück zu unserem April-Szenario: Die (Offshore-)Windräder im Norden produzieren an windigen Tagen besonders viel Energie. Im dichtbesiedelten Süddeutschland steigt der Strombedarf an kalten Tagen, an denen es früh dunkel wird und die Stromerzeugung durch Solaranlagen eingeschränkt ist.

Um die regenerative Energie, erzeugt durch die steigende Anzahl dezentraler Windparks und Photovoltaikanlagen, optimal nutzen zu können, sind weitere Stromleitungen in Planung. Doch bis es soweit ist, müssen andere Maßnahmen ergriffen werden, um die Einspeiseleistung nachhaltiger Stromerzeugung trotz Schwankungen effektiv nutzen zu können und dabei die Netzstabilität zu erhalten.

Droht ein bestimmter Leitungsabschnitt im Stromnetz zu überlasten, weil die Übertragungskapazität nicht ausreicht, um den erzeugten Strom zu transportieren, haben Netzbetreiber (in Abstimmung mit anderen Netzbetreibern) verschiedene Möglichkeiten:

Stromtrassenumleitung

Die einfachste Maßnahme ist die Umleitung des Stroms. Stromtrassen werden an- bzw. abgeschaltet, um die Überlastung eines Leitungsabschnitts zu vermeiden. Dieses topologische Vorgehen wird auch bei Wartungsarbeiten von Stromtrassen angewendet. Die Stromtrassenumleitung ist die kostengünstigste Variante, um die Netzstabilität zu gewährleisten.

Redispatch

Ein Redispatch ist eine kurzfristige Änderung des Einsatzes von Kraftwerken. Wenn Lastflussberechnungen die Überlastung eines bestimmten Leitungsabschnitts voraussagen, werden Kraftwerke (oder auch Windparks), die sich vor diesem Leistungsabschnitt befinden, angewiesen, ihre Leistung herunterzufahren. Kraftwerke, die  hinter dem Leitungsabschnitt lokalisiert sind, müssen hochgefahren werden, um die fehlende Strommenge einzuspeisen und so die Netzfrequenz stabil zu halten. Jedoch ist dieses Vorgehen mit sehr hohen Kosten verbunden, denn die betroffenen Kraftwerke erhalten in diesem Fall eine Kompensationszahlung bzw. eine zusätzliche Vergütung.

Abschaltung energieintensiver Unternehmen

Zur Erhaltung der Systemstabilität und zur Vermeidung von Blackouts gibt es auch die Möglichkeit, Unternehmen beziehungsweise Fabriken mit einem hohen Energiebedarf vom Netz zu nehmen. Diese Maßnahme jedoch hat oftmals weitreichende Konsequenzen, die unter anderem mit hohen Kosten verbunden sind. Daher stellt sie eine absolute Ausnahme dar und wird äußerst selten realisiert.

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Mathematische Optimierung und OPTANO für effiziente Maßnahmen

Die Volatilität erneuerbarer Energien führt also zu einem starken Anstieg der Eingriffe zur Systemstabilisierung. Netzbetreibern kommt hierbei die Aufgabe zu, die richtige Entscheidung für notwendige Maßnahmen zu treffen, und dabei die Kosten für den Netzbetrieb möglichst gering zu halten.

Mit dem Einsatz intelligenter Methoden der mathematischen Optimierung – wie Prescriptive Analytics – bietet eine Planungssoftware wie OPTANO auch in diesem Fall die beweisbar beste Lösung. OPTANO unterstützt mit konkreten Handlungsempfehlungen – fundiert analysiert auf Basis aller zu berücksichtigenden Daten.

So erhalten Netzbetreiber konkrete Vorschläge für die besten Redispatch-Maßnahmen, die auch in Bezug auf Kosten optimal sind.

Wenn Sie herausfinden möchten, ob mathematische Optimierung Vorteile in in Ihren Projekten bringt, laden Sie einfach unser Factsheet „Was bringt mathematische Optimierung?“ herunter.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie OPTANO Ihre Planung verbessern kann, oder wenn Sie weitere Fragen haben, nehmen Sie noch heute Kontakt mit uns auf. Unsere Ansprechpartner stehen Ihnen gerne für alle Fragen zum Thema Systemstabilität zur Verfügung. Oder Sie schreiben uns eine E-Mail und wir werden uns gerne mit Ihnen in Verbindung setzen.

Noch einmal zurück zu unserem April-Szenario:

Während ich diesen Text geschrieben habe, hat es draußen gestürmt und geregnet. Doch jetzt kommen die ersten Sonnenstrahlen durch die größer werdenden Wolkenlücken und verheißen wunderbares Wetter für den morgigen Tag. Das ist das Schöne am April: Nach Regen kommt auch wieder Sonnenschein.

Kennen Sie schon unser Factsheet zum Thema?

In unserem Factsheet Was bringt mathematische Optimierung? finden Sie Details zu den 5 obengenannten Fragen und können so Ihre persönlichen Anliegen und Probleme noch besser einordnen.

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Dr. Sven Flake
Analytics Senior Consultant