Was ist Trägheit?

Im Alltag bedeutet Trägheit einfach eine Tendenz, unverändert zu bleiben. Wenn Menschen sagen, sie werden von einem Gefühl der Trägheit überwältigt, meinen sie meist, dass sie feststecken oder nur noch routinemäßig handeln. In der Physik ist Trägheit der Widerstand gegen eine Veränderung der Geschwindigkeit. Kennen Sie das, wenn sich ein Hamsterrad weiterdreht, obwohl der Hamster aufgehört hat zu laufen? Das ist Trägheit.

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Wie passt das nun zur Energie? Viele konventionelle Kraftwerke (Kohle-, Gaskraftwerke sowie Kernkraftwerke) nutzen rotierende Teile – z. B. Turbinen und Generatoren – zur Stromerzeugung. Diese Teile drehen sich mit einer Frequenz, die der Netzfrequenz (50 Hz) entspricht und sie unterstützt. Wenn ein Generator Leistung verliert, wollen sich diese beweglichen Teile weiter mit derselben Frequenz drehen. (Ein Generator dreht sich, um Strom zu erzeugen. Wenn er weniger Leistung bringt, dreht er sich meist auch langsamer.) Die in diesen Teilen gespeicherte kinetische Energie wird als „Trägheit“ bezeichnet.

Trägheit hilft dem National Grid ESO, die Netzfrequenz bei etwa 50 Hz zu halten. Bei einer Frequenzabweichung steigt die Frequenzänderungsrate (RoCoF). (Die Frequenzänderungsrate gibt an, wie schnell die Frequenz abweicht – gemessen in Hz/Sekunde. Sie zeigt, wie robust das Netz zu jedem Zeitpunkt ist.) Trägheit hilft, die RoCoF zu verlangsamen.

Wenn ein Generator ausfällt, gibt es meist ein Zeitfenster von vier bis fünf Sekunden, in dem die rotierenden Teile noch Trägheit liefern. Diese wenigen Sekunden ermöglichen es den mechanischen Systemen des Netzes, das Ungleichgewicht zu erkennen (über die erhöhte RoCoF) und den Generatoren zu signalisieren, schneller oder langsamer zu laufen. In den Worten des ESO: „Trägheit verhält sich ein wenig wie die Stoßdämpfer im Fahrwerk Ihres Autos.“

Abnehmende Trägheit

Da wir uns von traditionellen Energiequellen (wie oben genannt) entfernen und hin zu erneuerbaren Energien bewegen, sinkt die Systemträgheit. Der Grund: Erneuerbare – insbesondere Wind- und Solarenergie – erzeugen keine Trägheit*. Abbildung 1 (unten) zeigt, wie die durchschnittliche Systemträgheit von 2008 bis 2019 abgenommen hat.

* Sie fragen sich vielleicht, warum Windkraftanlagen keine Trägheit erzeugen. Das liegt daran, dass der von Windkraftanlagen erzeugte Strom zunächst einen Wechselrichter durchlaufen muss, bevor er ins Netz eingespeist werden kann. Um zur Trägheit beizutragen, muss eine direkte elektromagnetische Kopplung zwischen Anlage und Stromnetz bestehen. Nur so können Abweichungen in mechanisches Drehmoment umgesetzt werden.

Wie die Grafik oben zeigt, gibt es Zeiten, in denen die Trägheit höher oder niedriger ist. Bei geringer Gesamtnachfrage, etwa im Sommer, können erneuerbare (trägheitsfreie) Energien einen großen Anteil dieser Nachfrage decken. Daher tritt geringe Trägheit bei niedriger Nachfrage und hohem Anteil erneuerbarer Energien auf.

Bei hoher Gesamtnachfrage, zum Beispiel im Winter, wird mehr Strom benötigt. Erneuerbare (trägheitsfreie) Energie kann dann nicht mehr so viel Anteil leisten, sodass andere Energiequellen – etwa konventionelle, trägheitserzeugende Kraftwerke – eingesetzt werden müssen. Daher gibt es hohe Trägheit bei hoher Nachfrage und geringem Anteil erneuerbarer Energien.

Abbildung 2 (unten) zeigt den Zusammenhang zwischen Nachfrage und Trägheit und unterstreicht den generellen Rückgang der Trägheit seit 2009.

Wie wirkt sich das auf die Netzfrequenz aus?

Mit dem zunehmenden Anteil volatiler erneuerbarer Energien und der abnehmenden Trägheit ist die Frequenzvolatilität gestiegen. Dank einer hervorragenden Analyse von Grecia Monsalve sehen wir, dass die Zahl der Niedrigfrequenzereignisse (definiert als Zeiten, in denen die Systemfrequenz um mehr als 0,3 Hz abfällt) und deren Dauer von 2014 bis 2020 deutlich zugenommen haben. Abbildung 3 (unten) zeigt die entsprechenden Diagramme aus dem Artikel.

Was ist die Alternative?

Weniger Trägheit bedeutet, dass der National Grid ESO andere Wege finden muss, um die RoCoF bei Frequenzabweichungen zu verlangsamen. Eine Möglichkeit ist der Einsatz verschiedener Frequenzregelungsdienste. Dynamic Containment (DC) ist ein schnell reagierender Dienst nach einem Fehlerfall. Wenn die Frequenz außerhalb der Betriebsgrenzen (±0,2 Hz) liegt, werden die DC-Teilnehmer – Batteriespeichersysteme (BESS) – aktiviert, um die Frequenz wieder in Richtung 50 Hz zu bringen.

Der Bedarf an Dynamic Containment Low Frequency (DCL) hängt stark von der aktuellen Systemträgheit ab. Bei niedriger Trägheit, also einem höheren Risiko eines RoCoF-Ereignisses, ist der DCL-Bedarf in der Regel höher. Das zeigt Abbildung 4 (unten), aus unserer aktuellen Analyse zu DC-Preisen.

Die Beschaffung von Frequenzregelungsdiensten ist jedoch mit erheblichen Kosten für den ESO verbunden. (Viele würden jedoch argumentieren, dass diese Kosten gerechtfertigt sind, da sie die Versorgungssicherheit gewährleisten und dazu beitragen, konventionelle Kraftwerke zu verdrängen.) Abbildung 5 (unten) zeigt die steigenden Kosten für das RoCoF-Management. Auch wenn diese Zahlen verschiedene Projekte umfassen, kann man – basierend auf den gezeigten Daten – annehmen, dass der Großteil dieser Kosten für die Beschaffung von Frequenzregelungsdiensten (einschließlich verpflichtende Frequenzregelung) aufgewendet wird. Die Kosten für das RoCoF-Management haben sich in den fünf Jahren von 2017 bis 2021 etwa verzehnfacht.

Wie ersetzt der ESO sonst noch Trägheit?

Neben den Frequenzregelungsdiensten prüft der ESO auch andere, saubere Methoden zur Bereitstellung von Systemträgheit. Über seine „Stability Pathfinder“-Programme fördert er die Umnutzung stillgelegter Dampfgeneratoren und Gaskraftwerke. Außerdem unterstützt er neue Synchronkompensationsanlagen und eigens entwickelte grüne Turbinen. Weitere Informationen zu diesen Projekten finden Sie hier und hier.

Im folgenden Video sehen Sie ein Zeitraffer-Video des grünen Turbinenprojekts von Statkraft im Keith Greener Grid Park in Moray, Schottland.

Weitere Informationen dazu, wie der ESO die Systemträgheit misst, finden Sie hier.

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