Was ist Trägheit?

Im alltäglichen Sprachgebrauch bedeutet Trägheit einfach die Tendenz, unverändert zu bleiben. Wenn Menschen davon sprechen, von einem Gefühl der Trägheit überwältigt zu sein, meinen sie meist, dass sie in einem Trott feststecken oder Dinge nur noch mechanisch ablaufen. 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.

Wie hängt das nun mit Energie zusammen? Viele konventionelle Kraftwerke (Kohle- und 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 diese stützt. Wenn ein Generator an Leistung verliert, möchten diese beweglichen Teile weiterhin mit der gleichen Frequenz rotieren. (Ein Generator dreht sich, um Strom zu erzeugen. Wenn er an Leistung verliert, dreht er sich meist auch langsamer.) Die in diesen rotierenden Teilen gespeicherte kinetische Energie nennt man „Trägheit“.

Trägheit hilft dem National Grid ESO, die Netzfrequenz bei etwa 50 Hz zu halten. Bei einer Frequenzabweichung steigt die Änderungsrate der Frequenz (RoCoF). (Die Änderungsrate der Frequenz beschreibt, wie schnell sich die Frequenz ändert – gemessen in Hz/Sekunde. Sie gibt im Wesentlichen an, wie robust das Netz zu einem bestimmten Zeitpunkt ist.) Trägheit hilft dabei, RoCoF zu verlangsamen.

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

Abnehmende Trägheit

Da wir uns von traditionellen Stromquellen (wie oben genannt) entfernen und uns erneuerbaren Energien zuwenden, sinkt die Systemträgheit. Das liegt daran, dass erneuerbare Energien – insbesondere Wind- und Solarenergie – keine Trägheit erzeugen*. Abbildung 1 (unten) zeigt, wie die durchschnittliche Systemträgheit von 2008 bis 2019 abgenommen hat.

* Sie fragen sich vielleicht, warum Windkraftanlagen keine Trägheit erzeugen. Der Grund ist, dass der von Windkraftanlagen erzeugte Strom erst durch einen Wechselrichter geleitet werden muss, bevor er ins Netz eingespeist werden kann. Um zur Trägheit beizutragen, muss eine direkte elektromagnetische Kopplung zwischen Anlage und Netz bestehen. Dadurch können Abweichungen in mechanisches Drehmoment übersetzt werden.

Wie die obige Grafik zeigt, gibt es Zeiten, in denen die Trägheit höher oder niedriger ist. Bei geringer Gesamtnachfrage, zum Beispiel während des Sommerminimums, können erneuerbare Energien (ohne Trägheit) einen großen Teil dieser Nachfrage decken. Daher tritt geringe Trägheit zu Zeiten niedriger Nachfrage und hoher erneuerbarer Einspeisung auf.

Ist die Gesamtnachfrage hoch, etwa während der Winterspitze, wird mehr Strom benötigt. Erneuerbare Energien (ohne Trägheit) können dann nicht den Großteil der Nachfrage decken, sodass andere Kraftwerkstypen – also konventionelle, trägheitserzeugende Anlagen – zum Einsatz kommen müssen. Hohe Trägheit gibt es also bei hoher Nachfrage und geringer erneuerbarer Einspeisung.

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

Wie wirkt sich das auf die Netzfrequenz aus?

Mit dem zunehmenden Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien und dem Rückgang der Trägheit ist die Frequenzvolatilität gestiegen. Dank einer ausgezeichneten Analyse von Grecia Monsalve sehen wir, dass die Anzahl der Niedrigfrequenz-Ereignisse (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 Grafiken aus diesem Artikel.

Was ist die Alternative?

Weniger Trägheit bedeutet, dass National Grid ESO andere Wege finden muss, um RoCoF bei Frequenzabweichungen zu verlangsamen. Eine Möglichkeit ist die Nutzung verschiedener Frequenzregelungsdienste. Dynamic Containment (DC) ist ein schnell reagierender Dienst nach Störungen. Bewegt sich die Frequenz außerhalb der Betriebsgrenzen (±0,2 Hz), setzt der ESO auf seine DC-Teilnehmer – Batteriespeichersysteme (BESS) –, um die Frequenz wieder in Richtung 50 Hz zu bringen.

Der Bedarf an Dynamic Containment Low-Frequency (DCL) hängt maßgeblich von der im System vorhandenen Trägheit ab. Bei geringer Trägheit – also höherem Risiko für RoCoF-Ereignisse – ist der DCL-Bedarf in der Regel höher. Das zeigt Abbildung 4 (unten), entnommen aus unserer aktuellen Untersuchung zu DC-Preisen.

Die Beschaffung von Frequenzregelung ist jedoch mit erheblichen Kosten für den ESO verbunden. (Viele würden argumentieren, dass sich diese Kosten lohnen, da dadurch die Versorgungssicherheit gewährleistet wird und gleichzeitig traditionelle thermische Kraftwerke verdrängt werden.) Abbildung 5 (unten) zeigt die steigenden Kosten für das RoCoF-Management. Auch wenn diese Zahlen verschiedene Projekte umfassen können, ist davon auszugehen – basierend auf den dargestellten Werten –, dass der Großteil dieser Kosten für die Beschaffung von Frequenzregelungsdiensten (einschließlich Mandatory Frequency Response) aufgewendet wird. Die Kosten für das RoCoF-Management haben sich somit in den fünf Jahren von 2017 bis 2021 etwa verzehnfacht.

Wie ersetzt der ESO Trägheit sonst noch?

Neben Frequenzregelungsdiensten prüft der ESO auch weitere, saubere Methoden zur Bereitstellung von Systemträgheit. Über die sogenannten Stability Pathfinders werden stillgelegte Dampfgeneratoren und Gaskraftwerke umgerüstet. Außerdem werden neue Synchrongeneratoren und speziell gebaute grüne Turbinen gefördert. Weitere Informationen zu diesen Projekten finden Sie hier und hier.

Im untenstehenden Video sehen Sie ein Zeitraffervideo 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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