Die Zeit in der elektrischen Energieversorgung

 

von Franz Hein – 05.01.2015

Einleitung

Es ist dringend notwendig, dass das Energieversorgungssystem als Ganzes betrachtet wird. Das ist derzeit aufgrund einer Verengung der Sicht auf einen schmalen Zeitbereich und da auch nur auf die „Bezahlbarkeit“ der Energie(wende) verloren gegangen. Mit dieser Ausarbeitung sollen wesentliche Aspekte der Zeit in der elektrischen Energieversorgung (wieder) in Erinnerung gerufen werden.

Das Energieversorgungssystem ist eine (riesige) Maschine, welche aus der zufließenden Sonnenenergie für den Menschen nutzbare Energieformen schafft. Dazu sind die Zeitabläufe in verschiedenen Zeitebenen zu gliedern, denn der gesamte Zeitbereich umfasst ca. 12 Zehnerdekaden und reicht von Millisekunden (ggf. sogar noch darunter) bis zu mehreren Jahrzehnten. Anforderungen und Handlungsweisen sind in den Zeitebenen extrem unterschiedlich.

In diesem Teil 1 wird das Drängendste, d. h. die Zeitebene mit den höchsten Anforderungen an Technik und Echtzeitverarbeitung behandelt. Die Behandlung der weiteren Zeitebenen soll folgen.

1  Bedeutung der Zeitebenen

Stichworte: Bedeutung der Zeitebenen, Analogien mit der Oxidation und mit der Auflösungstiefe beim Betrachten, Online-Zeitebene, Nutzungszeitebene, Vorsorgezeitebene, dazu jeweils weitere Detailsichten; Künftige Strukturen und deren Zusammenwirken; Systemische Betrachtungen

1.1  Analogien bei den Zeitebenen

Bei der Oxidation gibt es einen ähnlich großen Zeitbereich wie bei der Energieversorgung, denn die Reaktion von Materialien mit dem Sauerstoff kann explosionsartig (im Millisekundenbereich), als Verbrennen (im Minuten- bis Stundenbereich) oder auch als Rosten sehr langsam erfolgen (und damit sich über Jahre, Jahrzehnte hinziehen). Die am Anfang beteiligten Stoffe einer solchen Reaktion bestimmen den Verlauf der Vorgänge über die Zeit hinweg.

Zeitebenen bei der Energieversorgung Die Rolle der Zeit im Energiesystem

Bilder aus dem Vortrag an der Hochschule in Albstadt-Ebingen am 21.11.2013

Beim Betrachten des Menschen sind Zellen, Organe und schließlich der ganze Mensch zu unterscheiden. Ohne Zweifel sind die Vorgänge in den Zellen für das Leben eines Menschen von ausschlaggebender Bedeutung. Selbst in noch kleineren Dimensionen spielt sich Wesentliches ab. Bei der Gesundheitsvorsorge wie auch bei der Wiederherstellung der Gesundheit nach einer Krankheit sind diese Zusammenhänge selbstverständlich zu berücksichtigen. Ein Zerteilen des Menschen und das Wiederzusammenfügen nach einer Teilung werden als Lösungsmöglichkeit nicht ernsthaft erwogen.

Bei der heutigen Diskussion über die Energiewende und beim Umgang mit der Energie wird jedoch das Gesamtsystem zerteilt und nur der Energieumsatz im Stundenbereich als das A und O betrachtet. Die Betrachtung beschänkt sich in aller Regel auf die Energienutzung (oder auch nur den Energiehandel). Die auch in diese Zeitebene gehörende Pufferung von Energie spielt bisher so gut wie keine Rolle. Das Gleiche gilt für die effiziente Nutzung der Energie.

Dass Energie künftig in allen drei Zeitebenen bevorratet werden muss, bleibt bisher deshalb noch außen vor, weil weiterhin die Lagerung der fossilen Rohenergien beim Betrieb konventioneller Kraftwerke das Bevorraten dominiert. Die anderen im Bild oben auf Seite 1 aufgeführten Zeitebenen werden bisher schlicht ignoriert, obwohl für die Gewährleistung der Sicherheit Abläufe im Milli­sekundenbereich maßgebend sind und für die künftige Sicherstellung einer ausreichenden Versorgung Investitionen erfolgen müssen, die Jahre an Vorlauf und über Jahrzehnte Bestand haben müssen. Diese so beklagenswerte Verengung der Sichtweise hat zur Folge, dass ein ganzheitliches Denken und Handeln gegenwärtig nicht stattfindet.

1.2  Online-Zeitebene

So wie beim Menschen die Abläufe in den Zellen entscheiden, ob jemand gesund und tatkräftig ist oder krank und unfähig, so ist im Energieversorgungssystem entscheidend wichtig, ob die Abläufe in den technischen Einrichtungen in sehr kurzen Zeiträumen ordnungsgemäß funktionieren. Nur dann sind in den anderen Zeitebenen überhaupt für die Energieversorgung relevante Vorgänge möglich.

1.2.2  Netzschutz

Stichworte: Schutz für Menschen und für die Geräte, Energiebereitstellung für den Schutz, selektive Auslösungen, Robustheit durch Kurzunterbrechung, Mustererkennung zur Störungsdiagnose

Die Sicherheit der Energieversorgung als Schutz vor für den Menschen gefährliche Einwirkungen wie auch als Schutz der Einrichtungen gegen Zerstörungen hat allerhöchste Priorität. Deshalb kommt dem Netzschutz eine ganz besondere Bedeutung zu. Die automatisch arbeitenden schutztechnischen Komponenten müssen anhand von Messgrößen gefährliche Systemzustände einwandfrei sowie extrem rasch erkennen und für die Beseitigung sorgen. Dafür muss im System immer ausreichend viel Energie zur Verfügung stehen, ganz unabhängig davon, welche Betriebssituation vorliegt.

Also muss eine ausreichende Kurzschlussleistung dafür sorgen, dass an einer Fehlerstelle so viel Kurzschlussstrom fließt, dass die Schutzeinrichtungen die Störung erkennen können. Dann muss ausreichend Energie in den Schaltgeräten bevorratet sein, damit die Informationen der Schutzeinrichtungen in bestimmungsgemäßes Reagieren der Schaltgeräte umgesetzt werden können. Informationsentstehung, Informationsübertragung und ordnungsgemäße Reaktion auf solche Informationen sind von ausschlaggebender Bedeutung für die Sicherheit des Energieversorgungssystems.

Diese Abläufe gehorchen nur physikalischen Gesetzen. Sie müssen jederzeit von Automatismen erkannt und vollzogen werden. Das Erkennen erfolgt im Millisekundenbereich, die Schalthandlungen sind ebenfalls in diesem Zeitbereich erforderlich. Nur bei automatischen Wiederzuschaltungen nach dem Wegfall des Grundes eines unzulässigen Systemzustandes (z. B. Auslösen aufgrund eines Blitzschlages in eine Leitung) dauert es bis in den Sekundenbereich. Dann ist der vorherige Schaltzustand wieder hergestellt oder das betroffene Netzelement wird definitiv aus dem Netzverband entfernt.

Dieser Schutz muss in jedem Betriebsszustand, also auch beim Netzwiederaufbau, sichergestellt sein.

Auch dazu muss die Energiewende zu Ende gedacht werden, um jetzt bereits die Weichen richtig stellen zu können. Das hat zur Folge, dass nach einem Blackout sich wieder vernetzende Energiezellen, die sich zuvor im Eigenbedarf fangen konnten, gleich zu Beginn der Vernetzung auch den Netzschutz sicherstellen müssen. Zu prüfen ist deshalb noch, ob die Parametrierung der Schutzeinrichtungen in geeigneter Weise den Umfang der Vernetzung berücksichtigen muss oder ob es eine Einstellung so geben kann, dass der Netzschutz bis zum vollen Netzwiederaufbau die Sicherheit gewährleisten kann.  Nach der gelungenen Energiewende muss davon ausgegangen werden, dass ein Netzwiederaufbau selbstorganisiert durch solche Energiezellen beginnen muss, die sich im Eigenbedarf fangen konnten und so eine rudimentäre lokale Versorgung noch gewährleisten können. Auch da muss ein ausreichender Netzschutz gegeben sein.

Die Zunahme an elektronischen Geräten hat Veränderungen bei der Nutzung zur Folge, dass eine ganze Reihe von Subharmonische und auch Vielfache der Netzfrequenz im Energieversorgungssystem auftreten können. Es muss noch geprüft werden, ob dadurch die Wirkungsweise des Netzschutzes so beeinträchtigt werden könnte, dass Restriktionen erfolgen müssen oder „Entsorgungen“ solcher, die sinusförmige Wechselspannung verzerrenden Einflüsse gezielt vorzunehmen sind.

Nicht gänzlich zu vermeidende Nichtlinearitäten haben grundsätzlich zur Folge, dass sich Verzerrungen der Wechselspannung einstellen, die sich auch noch aufschaukeln können. Neben den die rein statische Stabilität berücksichtigenden Betrachtungen müssen in Zukunft vermehrt die dynamische Stabilität beeinträchtigende Vorgänge sicher beherrscht werden. Das dürfte zusätzliche Herausforderungen für den Netzschutz zur Folge haben.

Zum Fangen im Eigenbedarf und zum selbstorganisierten Netzwiederaufbau siehe den Beitrag „Orchestrieren statt Steuern von außen“ in dem Buch Anlagentechnik 2015, Seite 57 – 70. Wenn der Netzwiederaufbau konsequent für den Zustand der gelungenen Energiewende und den dann gegebenen Randbedingungen mit allen Notwendigkeiten durchdacht wird, sind die restlichen Anforderungen im Normalbetrieb sicher einfacher realisierbar. Das trifft besonders für den Netzschutz zu.

1.2.2  Netzstabilität

Stichworte: Dynamisches Gleichgewicht, Momentanreserve, Energieerhaltungssatz, Frequenz als Indikator für das Leistungsgleichgewicht, Primärregelung, Sekundärregelung, Robustheit durch Dämpfung und Nachführung

Das Netz ist dann stabil in Betrieb, wenn jederzeit im Gesamtsystem die zufließende Energie mit der für Nutzungen entnommenen Energie in Einklang gebracht werden kann. Das erfordert ständig die Beibehaltung der dynamischen Stabilität. Das Netz ist demnach ständig in „Bewegung“, es „lebt“. Die statische Stabilität ist nur eine Annäherung welche die dauernden Fluktuationen vernachlässigt.

Das Elektrische Energieversorgungssystem ist ein beachtlich fragiles System, dessen (vermeintliche) Stabilität das Ergebnis der ständigen Nachführung im Rahmen eines Fließgleichgewichts ist (=dynamische Stabilität). Solche Fließgleichgewichte gibt es in der Natur an vielen Stellen und immer ist zur Aufrechterhaltung der (vermeintlichen) Stabilität Energie erforderlich. Es braucht dazu eine Vernetzung, ein Beziehungsgeflecht, zwischen Stellen mit Energiebedarf und den Quellen, die diesen Energiebedarf decken können.

Im elektrischen Energiesystem ist das Fließgleichgewicht ein auf physikalischen Gesetzen beruhendes Vorgehen. Der Satz von der Erhaltung der Energie ist maßgebend und es ist ein Energieaustausch zwischen dem elektromagnetischen Energiefeld und der „mechanischen“ Energie, gespeichert in den Drehmassen der Synchrongeneratoren, erforderlich. Dieser Energieaustausch erfolgt (mit extrem hoher Geschwindigkeit – nahe der Lichtgeschwindigkeit) über die Leitungssysteme und Transformatoren. Diese Infrastruktur leitet das elektromagnetische Feld und konzentriert der Fluss infolge der hohen Leitfähigkeit der verwendeten Materialien auf die Elemente der Infrastruktur. Der Strom ist die Folge und besteht aus bewegten Elektronen. Als „Produkt“ gibt es ihn nicht. Das ist eine Negation der physikalischen Realität. Alle Produktbezeichnungen sind marketingtechnische „Konstruktionen“.

Für das Aufrechterhalten des Fließgleichgewichts im elektrischen Energiesystem nützen Preissignale überhaupt nichts. Preise entstammen einer ganz anderen Zeitebene. Geld ist zudem nicht Energie. Um trotzdem das Fließgleichwicht aufrecht erhalten zu können, braucht es eine Vernetzung zwischen dem Energie benötigenden Energiesystem und einer Quelle (hier direkt die Sonne oder indirekt alle anderen Quellen – die letztlich aber auch von der Sonne gespeist werden, eben Wind, Wasser, Biomasse). Ein Netz ist also nötig. Autarkie ist eine Fiktion, denn auch da muss die benötigte Energie von irgendwoher zufließen, zumindest von der Sonne. Eine Vernetzung bringt höhere Versorgungssicherheit und ermöglicht eine weiträumige Optimierung.

Ohne Vernetzung kein Leben! In einem elektrischen Energiesystem entspricht (als Analogie) dem Blutdruck in einem Körper die Frequenz des in Synchrongeneratoren erzeugten Wechselstromes. Wird Energie benötigt, so wird diese zunächst aus den drehenden Rotoren der Synchrongeneratoren „entwendet“, die drehen damit langsamer, weil der mechanisch in den Drehmassen gespeicherten Energie die fehlende Energie entzogen wird.  Wird Energie von außen zugeführt, drehen die Synchrongeneratoren schneller. Die als Momentanreserve wirkende Energiespeicherung ist eine inhärente Pufferung, die allein dem Energieerhaltungssatz folgt, also keine weitere Technik benötigt.

Die Drehgeschwindigkeit hängt bei den Synchrongeneratoren direkt mit der Frequenz des erzeugten Wechselstromes zusammen. Damit ist die Frequenz der ideale Indikator für das Leistungsgleichgewicht, also für zugeführte und gleichzeitig für die benötigte Energie. Die Summe der Energie ist konstant. Der Energieerhaltungssatz gilt konsequent. Ist die Frequenz kleiner als die Sollfrequenz (bei uns 50 Hz), dann herrscht Mangel, ist sie höher, dann herrscht Überfluss. Die Netzregelung hat die Aufgabe, durch ein Mehr (oder ein Weniger) an von außen (oder nach außen) fließender Energie (dieser Fluss wird als Leistung gemessen, deren Maßeinheit ist Energie pro Zeiteinheit) den Gleichgewichtszustand wieder herzustellen und das Gesamtsystem zur Sollfrequenz zurückzuführen.

Den unmittelbaren Einfluss nimmt bei der Netzregelung die Primärregelung anhand der gemessenen Frequenz wahr. Sie muss das Leistungsgleichgewicht wieder herstellen, damit die Frequenz nicht weiter absinkt oder bei Überfluss nicht weiter ansteigt. Dann erst greift die sogenannte Sekundärregelung ein. Deren Aufgabe ist es, die Frequenz wieder auf den Sollwert zurückzuführen. Die hier beschriebene Regelung geschieht im Sekunden- bzw. wenige Minuten umfassenden Zeitbereich, muss permanent erfolgen und ist damit von den Menschen nicht leistbar (über Preissignale schon überhaupt nicht und nie und nimmer 24 Stunden am Tag und alle Tage in der Woche – also ständig). Der Mensch ist kein Automat.

Eigentlich müsste, bevor Energie aus dem Netz bezogen wird oder Energie über das Netz wo anders hingeleitet wird, geprüft werden, ob die damit erfolgende Auslenkung aus dem dynamischen Gleichgewicht von der Netzregelung verkraftet werden kann. Das hängt von der Masse der mitlaufenden Synchrongeneratoren, der Messung der Frequenz, der Geschwindigkeit einer Erkennung von Frequenzabweichungen und der Geschwindigkeit (und Mächtigkeit) der regelnden Eingriffe ab. Ein „lebendes“ Netz hat deshalb eine gewisse, aber immer eng begrenzte Robustheit. Wenn außer den Synchrongeneratoren mit ihrem inhärenten „Regel“-Verhalten weitere Komponenten entsprechend auf Frequenzänderungen reagieren, kann das (bei gleichgerichteter Wirkung) die Primär- und die Sekundärregelung unterstützen und so die Robustheit erhöhen. Grundlage dafür ist immer die Netzfrequenz, die überall im Wechselstromnetz gemessen werden kann. Sie ist eine netzweite (globale) Größe. Ohne die Frequenz als Indikator für das Leistungsgleichgewicht können andere Techniken die Netzregelung nicht unterstützen. Das autonome Verhalten der Energiezellen muss grundsätzlich netzdienlich sein und darf das Netz nicht überbeanspruchen. Das Netz bildet das „Rückgrat“ für alle.

Das oben angesprochene Problem der (ggf. automatischen) Zu- und Abschaltung von Einrichtungen, die Energie bereitstellen oder Energie benötigen, konzentriert sich demnach auf die Fähigkeit des elektrischen Energieversorgungssystem, solche Veränderungen immer rasch genug ausgleichen zu können. Der Gleichzeitigkeitsfaktor und die Höhe der Veränderung dürfen nicht zu groß sein. Das wird in künftigen Netzen der wesentliche Punkt werden. Das heutige Energieschlaraffenland gibt es dann nicht mehr. Wir werden mit der Infrastruktur der elektrischen Energieversorgung wesentlich sorgsamer umgehen müssen. Eine monetäre, nur auf Geld beruhende Sicht- und Handlungsweise reicht nicht.

1.2.3  Netzsicherheit

Stichworte: Statische Stabilität, Messgrößen, State Estimation, Netzsicherheitsrechnungen, (n-1)-Sicherheit, Abbildung externer Netzbereiche, korrektives Schalten, Spannungsbandgrenzen, Auslastungsgrenzen, ggf. notwendige Änderungen der Fahrpläne (Redispatch).

Das statische Verhalten des Netzes wird mit Gleichungen beschrieben, welche die physikalischen Kenngrößen des eingeschwungenen Netzzustandes enthalten. Das sind im Wechselstromnetz die gemessenen Werte der mit 50 Hz sinusförmig verlaufenden Ströme und Spannungen. Alle diese Gleichungen gehen von einer zeitgleichen Messung aus und berücksichtigen keine „unsauberen“ – also nicht sinusförmigen Verläufe. Zeitgleiche Messungen sind nur angenähert erreichbar, abhängig von der Abtastrate der Messung, eventuell eingebauten Messwertvorverarbeitungen sowie der erzielbaren Datenraten der Übertragungskanäle. Hinzu kommen Mess-, Zeit- und Digitalisierungsfehler.

Mit der Methode der State Estimation wird aus einem Satz von immer fehlerbehafteten, nie ganz gleichzeitig festgestellten Messwerten eine beste Schätzung des tatsächlichen Systemzustandes erstellt. Dieses Ergebnis erfüllt die physikalischen Zusammenhänge exakt, kann aber bei groben Messfehlern vom tatsächlichen Systemzustand deutlich abweichen. Die Güte des Ergebnisses der State Estimation muss also überwacht werden. In wenig vermaschten Netzen (z. B. in unteren Spannungsebenen) kann statt dem Verfahren der State Estimation mit vereinfachenden Verfahren vorgegangen werden, um einen Ausgangszustand für Netzsicherheitsrechnungen herzustellen.

Für die Netzsicherheitsrechnungen müssen die umgebenden Fremdnetze (eines überlagerten Netzes und/oder von unterlagerten Netzebenen) auf die Randknoten des eigenen Netzes reduziert werden, um das Übertragungsverhalten der Fremdnetze nachbilden zu können. Die gemessenen Randeinspeisungen bilden die Einbettung in das Gesamtnetz wieder.

Mittels fiktiven Änderungen der Topologie des Netzes und Veränderungen der Ein- und Ausspeisungen werden bei den Netzsicherheitsrechnungen, ausgehend vom Ergebnis der State Estimation (oder einfacheren Verfahren) sich daraufhin einstellende Netzzustände rechnerisch ermittelt. Mit diesen Rechenergebnissen wird geprüft, ob Spannungen innerhalb der zulässigen Toleranzen sich einstellen würden und ob die Ströme unterhalb der Grenzbelastungen der Betriebsmittel bleiben. Ist das bei irgendwelchen Betriebsmitteln nicht der Fall, wäre ein kritischer Netzzustand gegeben, der im online-Betrieb nicht zugelassen ist. Die (n-1)-Sicherheit wäre dann nicht erfüllt. Das kann aufgrund des Dominoeffekts zu kaskadenartigen Ausfällen bis hin zum vollständigen Blackout so schnell führen, dass menschliches Eingreifen nichts mehr nützt.

Falls die (n-1)-Sicherheit nicht eingehalten wäre, muss geprüft werden, ob Schalthandlungen und die damit machbaren Änderungen der Topologie zu einem Netzzustand führen würden, in dem dann die (n-1)-Sicherheit erfüllt wäre. Diese Schalthandlungen bezeichnet man als korrektives Schalten, die dann durchzuführen wären. Wenn nur Änderungen der Ein- und Ausspeisungen zu einem (n-1)-sicheren Netz führen würden, dann müssen die Fahrpläne so lange angepasst werden, bis die (n-1)-Sicherheit erfüllt wäre. Die entsprechenden Änderungen – derzeit vorwiegend meist bei der Einspeisung und leider noch im verschwindenden Maß beim Bezug – müssen dann vorgenommen werden.

Eine wegen einer drohenden oder gar bereits bestehenden Beeinträchtigung der Netzsicherheit notwendige Änderung vereinbarter Fahrpläne wird als Redispatch bezeichnet. Da die Fahrpläne aufgrund der gegebenen Preissituationen in aller Regel das wirtschaftliche Optimum der Lieferanten und Händler widerspiegeln, führen Redispatch-Maßnahmen zu wirtschaftlichen Nachteilen gegenüber einem vorherigen Zustand. Allerdings geht die Netzsicherheit vor, denn ein Ausfall des Netzes würde erhebliche Nachteile für alle bringen. Ein längerer Ausfall wäre eine Katastrophe. Das Netz ist  eben keine unendlich leitfähige und unendlich leistungsfähige, immer verfügbare „Kupferplatte“. Die Wirklichkeit verlangt nach einer eingehenderen Betrachtung der Rahmenbedingungen.

 

Vorschau auf Betrachtungen weiterer Zeitebenen

1.3  Nutzungszeitebene

Stichworte: Tagtäglicher Gebrauch des Energiesystems, Energie“ernte“, Erntefaktor, Energiebevorratung/ Speicherbewirtschaftung, Beteiligungen an anderen Energiezellen, Istwertaufschaltung, Energietransport (Netznutzungsentgelt), Energienutzung, Effizienz

1.4  Vorsorgezeitebene

Stichworte: Infrastrukturausbau (Energienetze, Energievorratshaltung, Energiewandlungen, Energieinformationsnetze), Recycling zur  Minimierung des Ressourcenbedarfs, das Energiesystem muss letztlich wie ein Katalysator für die Energieumwandlung einströmender Sonnenenergie wirken

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Beziehungsgeflecht der Energiezellen

In allen Zeitebenen ist es notwendig, dass eine Leit“zentrale“ eine ganze Reihe von Informationen aus den Unter“zentralen“ erhält, damit daraus eine Gesamtsicht ermittelt werden kann. Das ist die eigentliche Aufgabe der „Zentrale“ (nicht das Geben von Komandos!). Das Erzeugen einer Gesamtsicht ist die wichtigste Dienstleistungsfunktion einer „Zentrale“ in jeder Netzebene. Diese Gesamtsicht muss zeitnah den Unterzentralen geeignet zugehen, damit sich diese wiederum als deren Dienstleistungsbeitrag gemeinschaftsdienlich verhalten können. Gemeinsamkeit macht stark!

 

Umsetzung Versorgungssicherheit

Bilder aus dem Vortrag „Stoppt den gesetzlich vorbereiteten Blackout!“ in Wien am 11.12.2014. Hier ist bei der Umsetzung der Versorgungssicherheit der Informationsfluss der online-Zeitebene aufgeführt. Dieser soll das netzdienliche Handeln ermöglichen. Immer ist es eine gemeinsame Umsetzung! Entsprechend dem beigefügten Beziehungsgeflecht sind in allen drei Zeitebenen die dafür relevanten Gesamtsichten, die dafür beizustellenden Detailsichten der Unterzentralen und die aus der Gesamtsicht stammenden Leitinformationen für das jeweilige gemeinschaftsdienliche Verhalten festzulegen.

 

 

=== wird fortgesetzt ===