Dynamische Modellierung der Sektorenkopplung zur Stabilitätsuntersuchung elektrischer Energiesysteme
von Jan-Peter HeckelFür die zukünftige Energieversorgung, die sowohl umweltverträglich als auch volkswirtschaftlich effizient sein soll, gelten gekoppelte Energiesysteme als Lösungsansatz. Dabei verbinden primäre Kopplungstechnologien die Netze der Energieträger Strom, Gas und Wärme miteinander. Ein solches gekoppeltes Energiesystem muss nicht nur Anforderungen hinsichtlich der Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit erfüllen, sondern auch eine hohe Versorgungssicherheit aufweisen. Nur so kann eine gesellschaftliche Akzeptanz der Energiewende gewährleistet werden. Gekoppelte Energiesysteme müssen also einer Analyse unterzogen werden, bevor existierende Energiesysteme zu gekoppelten Energiesystemen transformiert werden können. Bei der Analyse gekoppelter Energiesysteme überwiegt bisher die Beschreibung in Form von Optimierungsproblemen für den stationären Betrieb. Diese erlauben eine gute Abbildung und Optimierung der Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit. Zur Untersuchung der Versorgungssicherheit und den damit verbundenen Themen der Resilienz und Stabilität werden aber andere Modelle und Methoden benötigt. In diesem Kontext bietet sich die Modellierung und Simulation dynamischer Vorgänge, die sich nicht in Form eines Optimierungsproblems beschreiben lassen, an. Dazu werden passende dynamische Komponentenmodelle für gekoppelte Energiesysteme sowie deren Regelungsmechanismen erstellt. Auch die Thematik einer Modellreduktion wird berücksichtigt, um eine numerisch effiziente Untersuchung zu ermöglichen.
Die dynamische Modellierung gekoppelter Energiesysteme erlaubt unter anderem Untersuchungen, wie sich die Stabilität des elektrischen Netzes durch die Transformation zu einem gekoppelten Energiesystem ändert. Dabei stellt sich heraus, dass vor allem die Spannungs- und Frequenzstabilität im elektrischen Netz betroffen sind, weil sich die für diese Stabilitätsformen relevanten Zeitbereiche mit denen von Prozessen aus dem Gas- und Wärmesektor überschneiden. Diese dynamischen Interaktionen können nicht nur die Stabilität über die Erhöhung der Flexibilität, die sich aus ausgleichenden Leistungsflüssen ergibt, verbessern, sondern auch in kritischen Situationen durch unbeabsichtigte Vorgänge verschlechtern. Daher wird ein quantitatives Maß zur Beurteilung der Resilienz in gekoppelten Energiesystemen entwickelt, das neben der Frequenzstabilität auch die Spannungsstabilität abbilden kann. Zusammen mit einem Verfahren zur Untersuchung der Spannungsstabilität von beliebigen Netzen kann somit die Resilienz und Stabilität gekoppelter Energiesysteme in Hinblick auf dynamische Interaktionen, die im Zusammenhang mit der Frequenz- und Spannungsstabilität stehen, beurteilt werden.
Die Spannungsstabilität kann gewährleistet bzw. verbessert werden, wenn Netzbetreiber Spannungsinstabilitäten rechtzeitig detektieren und Gegenmaßnahmen wie beispielsweise eine Laststeuerung einleiten. Also wird ein Verfahren zur Detektion von Spannungsinstabilitäten in gekoppelten Energiesystemen vorgestellt. Die Frequenzstabilität kann verbessert werden, indem sich auch Sektorenkopplungsanlagen an der Regelleistungsbereitstellung beteiligen.
Die durchgeführten Untersuchungen und vorgestellten Verbesserungsmaßnahmen bestätigen, dass die dynamische Simulation das adäquate Vorgehen bei der Analyse gekoppelter Energiesysteme darstellt, um Szenarien für zukünftige Energiesysteme auf ihre Eignung hin zu überprüfen.
