Wind- und Solarkraftwerke als Regelenergieteilnehmer?

Am 04.10.22 um 22:04 schrieb Michael S.:

Das könnte gut sein. Die Frage ist nur: ist das sinnvoll? Nach einer Inanspruchnahme der Momentanreserve sinkt die Schnellaufzahl und damit der Wirkungsgrad. Die Energie, die nötig ist, um den Speicher wieder aufzuladen, wäre möglicherweise als nicht realisierbare Einspeisung teurer, als wenn ein Batteriespeicher aus mit maximalem Wirkungsgrad gewonnener Windenergie geladen würde. Außerdem dürften die Drehzahlschwankungen des Rotors zu stärkerer dynamischer Belastung aller Komponenten und zu dynamischen Auswirkungen auf die Pitchregelung führen, das wird man möglicherweise eher vermeiden wollen. Es gibt nette Videos von gebrochenen Rotorblättern.

Eine notwendige Erhöhung der Netzanlaufzeit auf Batteriespeicher und Wechselrichter zu übertragen, ohne irgendwelche mechanisch bewegten Komponenten zu bemühen, klingt jedenfalls für mich schlüssiger.

Aus gutem Grund wohl. Aber gerade hier kommen ja gelegentlich die abstrusigsten Ideen hoch.

V.

Am 04.10.2022 um 11:46 schrieb Marte Schwarz:

Dann bin ich also doch nicht der Einzige, der das so sieht.

Ein Frage der Dimensionierung, weil das die Mechanik gehörig beanspruchen kann. Deshalb wird man vor dem Bau der Anlage erst mal danach fragen, wie groß die maximale Leistung sein darf. Maximale Leistung ist teuer.

Der beteiligt sich bereits an der Diskussion.

Kennst du den Satz von Steiner? Da kommt es drauf an, wie weit die Masse vom Rotationszentrum weg ist. Masse in der Nabe bringt nicht viel. Die an den Rotorenden schon.

Gibt's viel Solarstrom, können und sollten Verbrennungsprozesse abgeschaltet werden. Dafür braucht es ein Managementsystem. Über den Strompreis sollte das recht elegant zu machen sein.

Mal sehen, was unser Professor zum Thema meint.

Aus diesem Grund wird man ohne finanzielle Anreize nur die Regelleistung abgreifen, die sich aus dem normalen Betrieb ergibt. Wollte man mehr, müsste der finanzielle Verlust irgendwie ausgeglichen werden.

Was wurde hier nicht schon alles vorgerechnet. Das Wesen der Wirtschaftlichkeit wird dabei i.d.R. völlig vergessen. Wenn da irgendwer sagt "wirtschaftlich" oder "nicht wirtschaftlich", dann wird das meistens einfach so hingenommen, ohne zu wissen, was Wirtschaftlichkeit überhaupt bedeutet. Nämlich Nutzen geteilt durch den dafür nötigen Aufwand. Und schon merkt man, wie subjektiv der Begriff der Wirtschaftlichkeit überhaupt ist.

Die "Pfennigartikel", von denen du hier schreibst, sind im Wesentlichen Euro pro kWh. Es geht pro Haushalt um tausende von kWh im Bereich

30...50 Ct/kWh. Da läppert sich, dank Putins Krieg, inzwischen Einiges. Das Einsparpotenzial ist entsprechend. Jetzt gäbe es also viel zu tun. Allerdings waren die Fachkräfte vorher schon knapp. Jetzt sind sie noch knapper, weil plötzlich alle PV auf dem Dach haben wollen. Dazu noch riesige Akkus und Notstromaggregate. Jetzt muss alles schnell gehen, weil die Energiepreise explodieren.

Damit keiner was spürt, fördert die Regierung nun die fossilen Energien mit etwa 2.500,- Euro pro Nase. Wie man von ihnen los kommt - wen interessiert das schon? Dabei wäre genau das jetzt das Gebot der Stunde. Aber wozu Weitsicht, wenn man auch die Notenpresse anwerfen kann? Dass das zur Verarmung der Bevölkerung führt, weiß man in Fachkreisen. Aber die Wähler werden erst reagieren, wenn's wirklich am eigenen Leib schmerzt. Bis dahin gilt: Business as usual. Aber auf keinen Fall irgendwas in Richtung Astrail-Konzept unternehmen.

Das ist i.d.R. eine Frage der Finanzen. Sie bestimmen meistens, in welche Richtung optimiert wird. Wird die Regelleistung ordentlich honoriert, dürfen die Flügel auch mal etwas schwerer und teurer sein. Dann werden die Flügel halt aus CFK statt GFK gemacht. Das Zeug ist leichter und fester. Deshalb kann man an den Flügelenden mehr Schwungmasse rein packen und hat damit mehr Regelenergie zur Verfügung. Weil mit mehr Leistung auch größere Drehmomente zu erwarten sind, wird die Aufhängung der Gondel wie auch der Mast entsprechend teurer. Eine klassische Optimierungsaufgabe halt...

Am 04.10.2022 um 14:33 schrieb Volker Staben:

Wer befindet mit welchen Kriterien darüber, was sinnvoll ist und was nicht und für wen soll er sprechen? Was ist sinnvoller? Ein Smart oder ein Ferrari? Warum werden beide Fahrzeugtypen gebaut und gewinnbringend verkauft?

Am 04.10.22 um 16:37 schrieb Michael S.:

Hier wird es eng. Das ganze muss immer noch durch den Generator durch. Heißt, man kann nur Regeln, wenn man sich im Bereich dessen Nennleistung bewegt, und zwar _inklusive_ der aktuellen Einspeiseleistung. Wir sprechen also von höchstens 10% der Nennleistung, die zum Regeln bereit steht. (Ich meine der Kollege hätte dazu auch etwas gesagt, aber ich habe es vergessen.)

Und eine Sekunde braucht auch niemand. Man wird also vmtl. eher auf 0,1% Nennleistung regeln. Das hält wenigstens 16 Minuten. Beim typisch deutschen Strommix wären das um die 14MW, bzw. 0,02% der Gesamtleistung. Zumindest besser als nichts.

Aber wenn ich es richtig verstanden habe, geht es eher um lokale Stabilisierung, wenn die PV in der Gegend gerade mal gegen eine Wolke kämpft oder auch das Gegenteil.

Marcel

Am 05.10.2022 um 11:22 schrieb Volker Staben:

Klar. Aber das Wirkungsgradmaximum bei der Schnelllaufzahl ist relativ breit, kleine Schwankungen dürften sich kaum auswirken und große Schwankungen dürften selten seind und über die Gesamtbetriebsstunden gesehen kaum ins Gewicht fallen.

Möglicherweise. Jeder weiß aber, dass Strom aus Batteriespeichern derzeit aber noch sehr teuer ist. Der Rotationsspeicher in der WKA ist dagegen jetzt schon da, er muss nur angezapft werden (natürlich so, dass die Lebensdauer der Maschine nicht nennenswert negativ beeinflusst wird).

Das ist klassische Ingenieursarbeit, das zu rechnen, zu simulieren und anderweitig abzusichern. Und da kommt dann für jeden Windkrafttyp eben eine andere umsetzbare Grenze raus.

Andere Fraktionen meinen, dass wirklich nur klassische echte rotierende Massen der Weisheit letzter Schluss sei. Technisch machbar sind alle Varianten mit ihren Vor- und Nachteilen. Dazu gehören definitiv auch Kosten und Lebensdauer. Gerade letzteres ist bei Batteriespeichern dann doch sehr spannend. Auch da will man keine 20 Vollzyklen am Tag fahren, weil man den Speicher bei der aktuellen Batterietechnik dann in wenigen Jahren ersetzen muss.

Michael

Du schreibst das sehr pessimistisch. Die Energie, die ich in der Spitze zusätzlich abgeben muss, muss ich mir natürlich zu einem späteren Zeitpunkt wieder aus dem Netz holen bzw. muss halt später weniger einspeisen. Das ist klar, das macht ein Kohlekraftwerksgenerator oder ein Batteriespeicher ja auch. Im Mittel hat der Effekt also überhaupt keinen Einfluss auf den Ertrag.

Auf den Ertrag Einfluss hat, dass ich die WKA für kurze Zeit aus dem maximalen Wirkungsgrad rausfahren muss. Das können 10% Verlust sein oder auch nur 0,1%. Das ist Auslegungssache und je nach Auslegung kann man den Wirkungsgradverlust fast vernachlässigen.

Man beachte, dass die Energie quadratisch in der Rotationsgeschwindigkeit drinsteckt. Wenn ich die Drehzahl also um 1% erniedrige bekomme ich 2% der eingespeicherten Rotationsenergie zurück.

Wenn ich mir die im Internet ergoogelbaren Kurven der Schnelllaufzahl so anschaue, dann verliere ich Pi mal Daumen bei 10% Drehzahlabweichung

2-5% Ertrag. Bei 1% Drehzahlabweichung dürfte der Ertragsverlust wohl bei unter 0,1% liegen.

Ich glaube, das ist alles gar nicht so das Thema und technisch sicher beherrschbar, sofern man das machen möchte.

Spannend ist sicher, wie stark solche Verfahren die Mechanik schneller altern lässt. Metalle leiden bei Wechselbelastung unter Materialermüdung. Bei faserverstärkten Kunststoffen ist so ein Verhalten meines Wissens nach aber nicht bekannt.

Sofern die WKAs ein Getriebe haben, hat man bei jedem Lastwechsel natürlich auch einen Durchgang durch das Getriebespiel. Hier könnte ich mir vorstellen, dass das ein großes Problem ist. Man müsste die simulierte träge Masse dann so begrenzen, dass sich niemals das Vorzeichen des Drehmomentes ändern muss, dass man also niemals in den motorischen Betrieb wechselt.

Michael

Am 05.10.2022 um 20:17 schrieb Marcel Mueller:

Das ist klar. Ich habe halt mit einer Annahme angefangen zu rechnen (10%) und bin damit bei erheblichen Leistungen rausgekommen. Habe die Rechnung für Euch hier dann nicht nochmal mit was kleinerem Sinnvollerem gestartet.

Wir könnten ja auch sagen, wir stellen nur 1% der Rotationsenergie für die Momentanreserve zur Verfügung, dann müssten wir aufgrund des quadratischen Zusammenhangs die Drehzahl der WKA nur um 0,5% ändern. Wir lägen dann mit meinen unveränderten anderen Annahmen in der Größenordnung von 10% der Nennleistung und würden den Bereich des besten aerodynamischen Wirkungsgrades nicht verlassen.

Egal wie man mit den Zahlen hantiert. Die Energie in den rotierenden Massen der WKAs scheint riesig zu sein, in Summe viel größer, als man für die reine Momentanreserve im Netz braucht. Bei Flaute fällt das dann aber komplett weg, will man die WKAs nicht motorisch bewegen, das muss auch klar sein.

Es geht hier um die Trägheit des ganzen Netzes, Volker nennt das "Netzanlaufzeit". Diese könnte man mit simulierten trägen Massen in WKAs nach meinen Milchmädchenrechnungen signifikant erhöhen, sofern man das will und es erforderlich ist. Relevant wird das bei größeren Lastsprüngen, wenn also z.B. durch eine Störung schlagartig ein Kraftwerk vom Netz geht. Hier hilft die Momentanreserve, also die trägen Massen im Netz, bis die Primärregelung den Kraftwerksausfall kompensiert hat.

Michael

Mit ging es hier gar nicht um das fianzielle. Ja, die WKA kann für einige Sekunden aus ihrer Trägheit eine Lastspitze abgeben. Aber danach wird ihre kontinuierliche Leistung spürbar gefallen sein. Ein Problem für Sekunden zu lösen um den Preis, direkt danach für eine längere Zeit als diese ein größeres zu haben, ist wenig hilfreich.

Ja, beim hier geforderten Abbremsen Biegemoment an der Befestigung des Blattes an der Nabe. Die Stelle war vorher schon hoch belastet. Gute Ideen, die Blätter leichter zu machen, könntest Du dort vermutlich gewinnbringend verkaufen, schwerer will man nicht.

Wenn ich es richtig verstehe reden wir hier die ganze Zeit nicht übetr diese Primärregelung sondern um die Momentanreserve oder wie sie korrekt genau heißt.

Auch das ist nur eine Standard-Optimierung. Wenn für ein paar Sekunden eine hohe Spitzenleistung abgegeben werden kann und danach für viel mehr Sekunden die Leistung fällt, dann kann das sehr wohl hilfreich sein. Denn das ist der Zeitraum, den größere Maschinen typischerweise zum Anfahren brauchen. Anfangs ziehen sie so viel Strom, dass man um die Sicherungen fürchten muss. (Deshalb wird auch gerne mit Strombegrenzern gearbeitet.) Danach läuft's im Normalbetrieb mit wesentlich niedrigerer Leistung weiter.

Ein ganz anderes Thema ist die Finanzierung (die wichtigste Größe der Ingenieure). Dafür gibt es ganz unterschiedliche Ansätze.

Der Dreh ist doch, dass man mit WENIG Masse viel erreichen kann, wenn man diese an die Flügelspitzen dran macht.

Natürlich wird die Nutzung als Schwungmasse bei bei sich ändernder Drehzahl zusätzliches Drehmoment mitbringen. Doch das lässt sich technisch begrenzen. Ist Auslegungssache.

Moin Axel,

Am 05.10.22 um 23:21 schrieb Axel Berger:

dem originalen Topic "Wind- und Solarkraftwerke als Regelenergieteilnehmer?" und dem Text nach rede(te)n wir über beides. Wobei der Topic sich dem Wortlaut nach nur auf die Primärregelung bezieht, die Momentanreserve kam dann erst im Text ins Spiel.

Die Diskussion zum Thema Regelenergie ist IMHO tot, nachdem wohl klar ist, dass einzelne WKAn nicht nennenswert zur Primärregelleistung beitragen können. Dazu müsste man schon Hunderte von Anlagen poolen. Was man natürlich könnte - alles Auslegungssache. Aber ganz offensichtlich hat niemand das bisher als Goldgrube identifiziert.

V.

Am 05.10.22 um 23:15 schrieb Axel Berger:

dieses Problem haben prinzipbedingt doch alle Speicher? Auch einen Batteriespeicher muss man wieder aufladen, wenn man ihn in Anspruch genommen hat? Ob das als nicht nutzbare Einspeisung einer WKA oder aus dem Netz geschieht, sollte saldenmäßig unerheblich sein?

Außerdem dürfte - sowohl für die Momentanreserve als auch für die Primärregelleistung - gelten, dass sich im Normalbetrieb positive und negative Inanspruchnahme quasizufällig verhalten und im Mittel die Waage halten. Wenn eine WKA also Momentanreserve bereistellen soll, dann würde der Rotor im 3-Sekunden-Rhythmus ständig beschleunigt und wieder abgebremst werden. Ich bin zwar kein Maschinenbauer, denke aber, dass sich dem bei diesem Gedanken eher die Fußnägel hochstellen.

Natürlich ist das - wie immer - Auslegungssache. Aber durch ein anderes Konzept bestehende Schwachpunkte grundsätzlich zu vermeiden, hat auch seinen Charme.

V.

Am 05.10.22 um 20:56 schrieb Michael S.:

An anderer Stelle las man, das ein Vorteil der per Wechselrichter angebundenen Rotormasse sei, dass man einen größeren Drehzahlbereich nutzen könne. Dann aber verlässt man den Bereich optimalen Wirkungsgrades deutlich. Was denn nun?

AFAIR wird bereits jetzt ein beträchtlicher und weiter steigender Anteil der Primärregelleistung von Batteriespeichern erbracht.

Batteriespeicher auch. Gerade wird wieder einer mit 250 MW bzw. 250 MWh realisiert - ok, wenn auch für einen anderen Einsatzzweck.

im Normalbetrieb werden sich positive und negative Inanspruchnahme der Momentanreserve quasizufällig verhalten und im Mittel die Waage halten. Wenn eine WKA also Momentanreserve bereistellen soll, dann würde der Rotor im 3-Sekunden-Rhythmus ständig beschleunigt und wieder abgebremst werden? Was sagt ein gestandener Maschinenbauer (w(m/d) dazu?

Wer sind diese "anderen Fraktionen" und womit begründen sie ihre Meinung? Was aussieht wie eine Ente, watschelt wie eine Ente und quakt wie eine Ente, das ist wohl eine Ente. Ich sehe keinen Grund, warum eine emulierte Masse sich am Netz anders verhalten sollte als eine reale Masse.

V.

Am 05.10.22 um 20:56 schrieb Michael S.:

Es gibt zum Thema Windpark, Batteriespeicher, virtual inertia eine Vielzahl von Publikationen. Wen es interessiert, wie die Konzepte beispielhaft aussehen - hier ein exemplarischer Ausschnitt zur Info:

"BESS" ist der Batteriespeicher - Battery Electric Storage System, alles Andere ist selbsterklärend.

Das Innenleben des Blocks "Virtual Inertia Control" habe ich nochmal separat danebengezeichnet. Dort ist über die Koeffizienten K_D und alpha ein normales frequency droop-Konzept realisiert, also das Mitwirken an der Frequenz-Leistungsregelung oder Primärregelung. Die virtuelle Masse wird ganz simpel dadurch realisiert, dass der Momentanwert der Netzfrequenz f im d/dt-Block differenziert wird und daraus mit dem Koeffizienten K_H skalierbar ein zusätzlicher Anteil der eingespeisten Wirkleistung berechnet wird. Das ist im Prinzip supersimpel und vermutlich eleganter als irgendwelches Geklapper mit den Rotoren, wobei der (einzige) Aufwand im Speicher steckt.

V.

Am 05.10.22 um 20:56 schrieb Michael S.:

Zum Thema Windpark, batteriespeicher, Virtual Inertia gibt es eine Vielzahl von Publikationen. Für Interessenten hier ein besispielhafter Ausschnitt zu den Konzepten:

"BESS" ist der Batteriespeicher - Battery Electric Storage System. Alles Andere ist eigentlich selbsterklärend.

Den Inhalt des Blocks "Virtual Inertia Control" habe ich nochmal separat danebengezeichnet. Dort wird über den Koeffizienten K_D ein ganz normales "droop control"-Konzept realisiert, also die Teilnahme des Windparks an der Primärregelung.

Die virtuelle rotierende Masse wird ganz einfach dadurch realisiert, dass der Momentanwert der Netzfrequenz f im d/dt-Block differenziert wird und daraus ein zusätzlicher Beitrag zur eingespeisten Wirkleistung resultiert.

Genauso kann man das auch mit einem abgesetzten Speicher machen, der muss ja nicht direkt beim Windpark stehen. Obwohl: man spart die Netzdurchleitung, wenn man den Speicher hinter dem NAP des Windparks anordnet.

Das alles ist supersimpel und kommt ohne Geklapper der Rotoren aus - der wesentliche Zusatzaufwand steckt im Speicher, alles andere sind drei Zeilen Software mehr.

V.