Spitzenlast

kurzzeitig auftretende hohe Leistungsnachfrage in einem Versorgungsnetz

Spitzenlast oder Höchstlast (engl. peak demand) bezeichnet kurzzeitig auftretende hohe bzw. die höchste Leistungsnachfrage im Stromnetz oder auch in anderen Versorgungsnetzen (Erdgas, Fernwärme, Nahwärme, Trinkwasser). Bei letzteren können lokale Pufferspeicher für einen Ausgleich sorgen, wie z. B. ein Wasserturm beim Trinkwasser. Bei Strom ist das schwieriger, es kommen jedoch einem Wasserturm vergleichbare Wasserkraftwerke an Speicherseen zum Einsatz die kurzfristig Leistung bereitstellen können.

Lastprofile an verschiedenen Frühjahrstagen und Kraftwerkseinsatz (Schema) am Beispiel: Lastverlauf werktags. Spitzenlast: hellgrün gekennzeichnet

Bedarfsspitzen zeichnen sich oft durch einen starken Anstieg der nachgefragten Leistung aus, so dass für die Stromversorgung schnell regelbare Spitzenlastkraftwerke eingesetzt werden müssen. Diese können innerhalb von Sekunden oder Minuten hohe Leistungen zur Verfügung stellen, und andererseits auch wieder auf Null abgeregelt werden. Hierzu zählen unter anderem Pumpspeicher- und Druckluftspeicherkraftwerke sowie moderne Gasturbinenkraftwerke, zusehends auch Batterie-Speicherkraftwerke.

Kraftwerksmanagement und SpitzenlastBearbeiten

Schwankender Stromverbrauch ist der Normalfall, in Ländern wie Deutschland variiert die Last um mehr als den Faktor zwei, hauptsächlich zwischen Tag und Nacht, zudem bestehen Unterschiede zwischen Werktagen und Wochenenden bzw. Feiertagen sowie im Verlauf der Jahreszeiten. An Werktagen im Januar 2019 wurden tagsüber über 75 GW nachgefragt[1], nachts ca. 53 GW, an den Wochenenden ca. 10 GW weniger. Bereits im April lagen die Spitzen nur selten über 70 GW, die Nachtminima unter 50 GW, über die Osterfeiertage wurden nur 34 bis 50 GW benötigt.[2]

Um die Versorgungssicherheit zu jeder Zeit sicherstellen zu können, ist ein Kraftwerksmanagement nötig. Aus Sicht des traditionellen noch nicht von Windkraft oder Photovoltaik abhängigen Stromnetz-Managements unterscheidet man drei Kraftwerkstypen, die in unterschiedlicher Weise im Lastverlauf eingesetzt werden:

  • Grundlastkraftwerke (Kernkraftwerk, Laufwasserkraftwerke, Kohlekraftwerke) werden, soweit möglich, rund um die Uhr mit ihrer Nennlast (Volllast) betrieben. Sie können Strom relativ preisgünstig erzeugen, lassen sich aber nur langsam regeln. Bei Ausfällen in diesem Kraftwerksbereich muss hier kurzfristig Reserveleistung zur Verfügung gestellt werden können, bis andere Kraftwerke die Stromerzeugung übernehmen können. Gerade bei unplanmäßigen Ausfällen größerer Erzeugereinheiten ist dies nicht immer möglich.[3]
  • Mittellastkraftwerke (z. B. Kohlekraftwerke, Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke) variieren ihre Leistung entsprechend dem vorhersehbaren Strombedarf nach einem vorher festgelegten Tagesfahrplan. Sie haben mittlere Stromgestehungskosten und lassen sich über einen weiten Leistungsbereich regeln, die Regelung wirkt allerdings mit einer gewissen Trägheit. Auf schnelle Änderungen des Strombedarfs können sie nur bedingt reagieren; diese müssen durch Spitzenlastkraftwerke abgefangen werden.
  • Spitzenlastkraftwerke (Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke, Gasturbinenkraftwerke) können Leistungsveränderungen im Netz schnell folgen. Gasturbinenkraftwerke erreichen Änderungsgeschwindigkeiten bis zu 20 % der Nennleistung pro Minute und haben eine Anfahrzeit von nur wenigen Minuten. Die Leistung kann zwischen 20 % und 100 % geregelt werden.[4] Sie werden dazu benutzt, die Schwankungen im Leistungsbedarf bzw. der Erzeugereinspeisung anzugleichen, die von den anderen Kraftwerkstypen nicht ausgeregelt werden können, oder bei denen dies wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Spitzenlastkraftwerke werden meist nur wenige Stunden pro Tag eingesetzt: zu den Verbrauchsspitzen, bei starken Lastanstiegen im Netz und bei ungeplanten Schwankungen von Stromverbrauch und Erzeugung. Durch den Verbrauch von Erdgas oder Pumpenergie ist der von ihnen erzeugte Strom deutlich teurer als der anderer Kraftwerkstypen.

Regenerative Stromerzeuger wie Solaranlagen, Windkraftanlagen und die Mehrzahl der Blockheizkraftwerke sind derzeit (2012) nicht in die aktive Netzregelung einbezogen, abgesehen von zwangsweisen Abschaltungen durch die Netzbetreiber in Problemsituationen. Diese Erzeuger auf regenerativer Grundlage speisen per Gesetz meist den gesamten erzeugten Strom in das Netz ein (Vorrangeinspeisung). Dadurch verdrängen sie vor allem Mittellastkraftwerke (Photovoltaik mittags verdrängt auch Spitzenlastkraftwerke) und senken dadurch den Strompreis an den Strombörsen.[5][6] Allerdings müssen Schwankungen der Stromerzeugung dieser Kraftwerke oft mit Hilfe von Spitzenlastkraftwerken ausgeglichen werden, was wiederum zusätzliche Kosten verursacht. Die Anpassung der Fahrpläne der Mittellastkraftwerke an die prognostizierte Stromerzeugung ist durch die fluktuierenden regenerativen Stromerzeuger komplexer, die Prognosen aufwendiger geworden.

Derzeit (Stand 2011) werden Methoden entwickelt, Spitzenlasten dezentral abzufangen. So können beispielsweise in Haushalten sogenannte Lastmanager installiert werden bzw. durch Hybridwechselrichter kurzzeitige Erzeuger- und Lastschwankungen von Photovoltaikanlagen ausgeglichen werden.[7][8]

Vorhersehbare SpitzenlastBearbeiten

Der erhöhte Leistungsbedarf tagsüber ist in der Regel sehr gut voraussagbar. Der Verlauf der Nachfrage über den Tag und auch die Woche ist bekannt[9], sie erreicht ganzjährig die höchsten Werte an Werktagen zwischen ca. 11 und 14 Uhr, im Winterhalbjahr von ca. Mitte Oktober bis Ende März außerdem oft zwischen ca. 16:30 Uhr und 19 Uhr. Die ausgewiesenen Lastspitzen (Höchstlast, peak load) liegen je nach Quelle im Bereich 77[10] bis ca. 80 GW, bei rund 81[11] Gigawatt, oder bei etwa 85[12] bis 90 GW. Umgelegt auf die Einwohnerzahl in Deutschland von ca. 83 Mio.[13] ergeben 80 GW pro Person 962 Watt (weniger als ein typischer Haartrockner). Ebenso gibt es recht genaue Prognosen bzgl. der Stromeinspeisung Dritter (z. B. Vorhersage der Einspeisung von Windenergieanlagen und Photovoltaikanlagen aufgrund aktueller Wettervorhersagen). Aus dem erwarteten Tagesverlauf werden Fahrpläne für die Mittellastkraftwerke erstellt. Kleinere Prognosefehler werden durch die sogenannte Regelleistung ausgeglichen, welche Kraftwerksbetreiber in verschiedenem Umfang vorhalten müssen.

Lässt sich der erwartete Lastverlauf nicht oder nicht wirtschaftlich durch Mittellastkraftwerke abdecken, so wird Spitzenlast eingesetzt:

  • Werden zu bestimmten Zeiten so starke Anstiege der Last erwartet, dass dies von Mittellastkraftwerken nicht bewältigt werden kann, so werden für diesen Zeitraum Spitzenlastkraftwerke zur Unterstützung eingeplant.
  • Sind Stromspitzen so kurz, dass es hierfür nicht wirtschaftlich wäre, ein Mittellastkraftwerk hochzufahren, wird für diesen Zeitraum der Einsatz von Spitzenlastkraftwerken geplant.

Unvorhersehbare SpitzenlastBearbeiten

Aufgrund des Ausfalls eines Grundlast- oder Mittelastkraftwerks oder einer unerwartet hohen Last im Stromnetz kann die Leistung von Spitzenlastkraftwerken erforderlich werden. Zur Bewältigung akuter Ausfälle werden unterschiedliche Kraftwerke nacheinander eingesetzt:

  1. Zuerst werden Pumpspeicherkraftwerke oder Druckluftspeicherkraftwerke eingesetzt, da sie innerhalb von Sekunden hohe Leistungen zur Verfügung stellen können.
  2. Nach einigen Minuten sind Gasturbinenkraftwerke hochgefahren, so dass diese die Last von den Speicherkraftwerken übernehmen können.
  3. Parallel dazu werden Mittellastkraftwerke aus der Warm- oder Kaltreserve hochgefahren. Die Dauer hierfür liegt aber eher im Stundenbereich. In dem Maße, wie die Mittellastkraftwerke die Last bereitstellen können, werden die Spitzenlastkraftwerke heruntergefahren.

StromhandelBearbeiten

 
An der Strombörse gehandelte Kontrakte

Der Ausgleich von Spitzenlast erfolgt über den Stromhandel, wo ein Stundenblockprodukt im Extremfall mehrere Euro pro Kilowattstunde kosten kann. Versorger beschaffen ihren erwarteten Strombedarf für die kommenden Lieferjahren im Handel zunächst grob über Jahres- und Quartalsprodukte. Rückt der Lieferzeitraum näher, werden Überschussmengen und Mehrbedarf über feiner granulierte Produkte, zuletzt über Stunden- und Viertelstundenprodukte ausgeglichen.

An der europäischen Strombörse EEX wird Strom in Jahres-, Quartals-, Monats-, Tages-, Stunden- und Viertelstundenbändern gehandelt.

Siehe auchBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Maximum 77,557.10 MW am 22/01/2019 17:45 https://www.energy-charts.info/charts/power/chart.htm?l=de&c=DE&stacking=stacked_absolute_area&year=2019&interval=month&month=01
  2. Last 33,968.00 MW am 22/04/2019 02:45 https://www.energy-charts.info/charts/power/chart.htm?l=de&c=DE&stacking=stacked_absolute_area&year=2019&interval=month&month=04
  3. Stromausfälle in Hamburg nach Störung im AKW Krümmel, BCM News, 4. Juli 2009, abgerufen am 28. Februar 2012.
  4. EOn AG: Verträglichkeit von erneuerbaren Energien und Kernenergie im Erzeugungsportfolio (PDF; 5,0 MB), Oktober 2009
  5. Atomkraft an die Wand geblasen, taz vom 3. Februar 2012, abgerufen am 28. Februar 2012.
  6. Tennet-Chef zur Blackout-Gefahr, Manager Magazin, 7. Februar 2012, abgerufen am 28. Februar 2012.
  7. PowerGate 100-kW-Solar-PV-Hybridwechselrichter, Satcon Technology Corporation, abgerufen am 28. Januar 2012.
  8. Voltwerk VS 5 Hybrid, vollintegriertes Energiemanagementsystem@1@2Vorlage:Toter Link/www.voltwerk.com (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. , voltwerk electronics GmbH, abgerufen am 28. Januar 2012.
  9. „Die Stunde mit der Höchstlast fällt dabei aufgrund der Erfahrungswerte der vergangenen Jahrzehnte auf eine frühe Abendstunde in einem Wintermonat bei kalter winterlicher Witterung, so dass die Erzeugung mittels Fotovoltaik bei null anzusetzen ist. In einer Flautensituation ist für die Windkraft maximal 5 Prozent der installierten Leistung als verfügbar anzusetzen,“ Kerntechnik Deutschland e.V. Aktuelle Relevanz der Kernkraftwerke für die Versorgungssicherheit
  10. Bei Energy Charts werden Extremwerte der Nettostromerzeugung in Deutschland aufgeführt, mit Stand 2022-02-20 die Last jedoch nur ab dem Jahr 2015 separat ausgewiesen, die Maximalwerte liegen (abgesehen vom „Lockdown-Jahr“ 2020 mit nur 75,9 GW) im Bereich 77,2 bis 79,6 GW, nur 2018 kam bis 80,8 GW. https://www.energy-charts.info/charts/power/chart.htm?l=de&c=DE&stacking=stacked_absolute_area&interval=year&year=2022
    • 77.12 GW 27/01/2022, 11:30
    • 78.80 GW 11/01/2021, 17:45
    • 75.89 GW 12/02/2020, 11:30
    • 77.24 GW 07/02/2019, 11:30
    • 80,825.38 MW 28/02/2018, 18:45
    • 79,440.60 MW 13/12/2017, 17:00
    • 79,618.18 MW 11/01/2016, 11:15
    • 77,713.81 MW 24/11/2015, 17:45
  11. „Als Spitzenlast wird die Höchstbelastung eines Stromnetzes während der größten Nachfrage innerhalb eines Zeitabschnittes (Tag, Jahr) bezeichnet. Im Winter 2012/2013 beispielsweise betrug die Höchstbelastung rund 81 Gigawatt. An normalen Tagen braucht Deutschland eine Kapazität von 65 bis 70 Gigawatt.“ - https://www.bundesregierung.de/breg-de/themen/energiewende/spitzenlast-614922
  12. „Deutschland ist derzeit über sog. Interkonnektoren im Umfang von ca. 30 GW mit den Nachbarländern verbunden; bis 2030 steigt diese Zahl auf ca. 35 GW. Die Höchstlast in Deutschland liegt im Vergleich dazu bei etwa 85 bis 90 GW.“ - Monitoringbericht des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie nach § 63 i.V.m. § 51 EnWG zur Versorgungssicherheit im Bereich der leitungsgebundenen Versorgung mit Elektrizität Stand: Juni 2019
  13. Einwohnerzahl in Deutschland 83.129.285 Stand 30. Juni 2021, https://www.destatis.de/DE/Themen/Gesellschaft-Umwelt/Bevoelkerung/Bevoelkerungsstand/Tabellen/liste-zensus-geschlecht-staatsangehoerigkeit.html