Wenn andere Kraftwerkstypen ausfallen, bietet Wasserkraft eine schnelle und entscheidende Antwort in Sekundenschnelle.
Mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor des pazifischen Nordwestens.
Durch Kelsey Adkisson, PNNL
Amerikas kritischstes Teil der Energieinfrastruktur – das Stromnetz – ist anfälliger als je zuvor. Dafür gibt es zwei Gründe: Eine Verschiebung im Stromquellenmix beeinträchtigt die Netzstabilität, verbunden mit einer Zunahme von Naturkatastrophen. Wenn ein Teil des Gitters ausfällt, kann dies einen Welleneffekt über ganze Regionen verursachen, wenn es nicht schnell korrigiert wird.
Dabei spielt Wasserkraft eine zentrale Rolle, heißt es eine neue Studie geführt von Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) das den Beitrag der Wasserkraft zur Netzstabilität in der westlichen Region der Vereinigten Staaten quantifizierte. Wenn andere Energiequellen ausfallen, kann die Wasserkraft schnell hochfahren, Ausfälle ausgleichen und das Netz nahezu augenblicklich stabilisieren.
Und Ausfälle werden immer häufiger – Ausfälle allein durch extremes Wetter haben sich vervierfacht in den vergangenen fünf Jahren.
„Was für das alte Netz funktioniert hat, funktioniert in Zukunft möglicherweise nicht mehr“, sagte er Abhishek Somani, ein PNNL-Wissenschaftler der die multinationale Laborstudie leitete. „Seit Jahren nutzen Betreiber Wasserkraft für die Netzstabilität, aber das Ausmaß des Beitrags der Wasserkraft war über diesen Bereich hinaus nicht bekannt – bis jetzt.“
Tempomat für ein belastbares Gitter
2003, an einem heißen Augustnachmittag in Ohio, ein überwucherter Baum streifte eine Hochspannungsleitung und verursachte eine Abschaltung, die als Fehler bezeichnet wird. Drei weitere Fehler traten auf, als andere Leitungen den Durchhang aufhoben und dann überlastet wurden. Bald löste dieser regionale Stromausfall eine Kaskade von Stromausfällen von Michigan bis New York aus, was zum größten Stromausfall in der Geschichte der Vereinigten Staaten wurde und 50 Millionen Menschen im Dunkeln ließ.
Wenn ein Kraftwerk unerwartet vom Netz geht, kann dies zu einem Frequenzabfall unter 60 Hz für das gesamte Netz führen, der als Sperrzeit bezeichnet wird. Diese Phase kann verheerend sein, wenn nicht innerhalb von Sekunden gegengesteuert wird. Nicht alle Arten von Energie haben eine schnelle Reaktionszeit, aber Wasserkraft tut es. Es kann hochfahren und auf Frequenzänderungen reagieren, sodass sich das Netz erholen und schließlich wieder in seinen normalen Zustand zurückkehren kann. (Animation von Sara Levine | Pacific Northwest National Laboratory)
Doch in New York setzte die Wasserkraft ein und produzierte fast die Hälfte der gesamten Elektrizität des Staates innerhalb von sechs Stunden nach Stromausfall. Die schiere Größe von zwei der größten Staudämme New Yorks, Niagara und St. Lawrence-FDR, half dem Staat, den Ausfallschock zu überstehen, der andere Arten von Kraftwerken vom Netz genommen hatte.
Der Frequenzgang ist ungefähr so, als würde man den Tempomat eines Autos benutzen, wenn man bergauf fährt. Der Motor dreht hoch, um die Geschwindigkeit zu halten. Wenn ein Teil des Netzes unerwartet dunkel wird, drehen andere Kraftwerke auf, um die verlorene Leistung auszugleichen und die Frequenz bei 60 Hz zu halten. Dies geschieht in Sekunden. Wir bemerken keine Frequenzabfälle, weil die Trägheit von rotierenden Generatoren, Industriemotoren oder Turbinen das Licht anhält, während das Netz wieder auf Hochtouren läuft, um den Energiebedarf zu decken Übertragungsleitung, ändert es die Betriebsfrequenz des Netzes und kann einen Abfall unter die typischen 60 Hz verursachen“, sagte Somani. „Wenn es nicht innerhalb von Sekunden korrigiert wird, kann es zu weit verbreiteten Ausfällen kommen.“
Jahrzehntelang hat der Frequenzgang von konventionellen Energiequellen wie Kohle-, Gas- und Kernkraftwerken für allgemeine Stabilität gesorgt. Aber all das ändert sich.
Auf dem Weg zur Dekarbonisierung besteht eine große Herausforderung bei der erneuerbaren Revolution darin, die Netzstabilität aufrechtzuerhalten, da Wind und Sonne derzeit keinen Frequenzgang beitragen. Während die Technologie existiert, gibt es keine regulatorischen oder finanziellen Anreize für Solar- oder Windkraftbetreiber, den Frequenzgang wieder in das Netz einzuspeisen.
Die Rolle der Wasserkraft in einem widerstandsfähigen Netz
Im April 2018 wurde im Angeles National Forest, Kalifornien, ein alter Powerline Spleiß gebrochen. Die Leitung fiel auf den Turm und verursachte einen Fehler und einen Stromausfall, der eine Solaranlage vom Netz nahm. Dies verursachte einen plötzlichen Abfall der Frequenz des gesamten Netzes. Die Wasserkraft im gesamten Westen reagierte sofort, um dieser Frequenzänderung entgegenzuwirken, und trug 60 Prozent zur Reaktion bei, um einen potenziellen freien Fall der Energie zu stoppen.
„Wir wussten schon immer, dass die Wasserkraft eine Antwort liefert, aber das Ausmaß, in dem dies der Fall war, war überraschend“, sagte Somani, dessen Team sich mit Ereignissen wie dem im Angeles National Forest befasste.
In der Western Interconnection spielt Wasserkraft nicht nur eine entscheidende Rolle bei der Stromerzeugung, sondern auch bei der Netzstabilität bei unerwarteten Ausfällen. (Illustration von Stephanie King | Pacific Northwest National Laboratory)
Mit Blick auf die Western Interconnection, die riesige Energieleitung, die den Westen der Vereinigten Staaten mit Strom versorgt, zeigte das Forschungsteam, dass Wasserkraft bereits in der Lage ist, das Netz zu stabilisieren, wenn die Leistung abfällt. Mithilfe von Simulationen und historischen Ereignissen fanden sie heraus, dass die Beiträge der Wasserkraft zum Frequenzgang zwischen 30 und 60 Prozent lagen.
Obwohl die Wasserkraft diese Leistung erbringt, gibt es derzeit keine Kompensationsmechanismen.
„Es ist nicht einfach, den Wert des Frequenzgangs zu beziffern, aber in Zukunft werden wir das wahrscheinlich tun müssen“, sagte Somani.
Simulation von Hitzewellen, Erdbeben und mehr
Um die Rolle der Wasserkraft bei einer Reihe von Extremereignissen zu analysieren, entwickelte das Forschungsteam Modelle, um die Rolle zu simulieren, die die Wasserkraft in diesen Szenarien spielen könnte. Dazu gehörten Wetterereignisse wie Hitzewellen oder Kälteeinbrüche sowie sich verstärkende Ereignisse wie Dürren.
Wenn beispielsweise eine Flotte von Erdgaskraftwerken im Western Interconnect unerwartet ausfallen würde, zeigten Simulationsergebnisse, dass Wasserkraft einspringen und 50 Prozent des Frequenzgangs liefern könnte – obwohl sie etwa ein Viertel der Gesamtleistung ausmacht. Diese Reaktion ist von entscheidender Bedeutung, da ein großflächiger Ausfall von Erdgasanlagen weitreichende Auswirkungen auf das Netz haben und möglicherweise einen weitaus schlimmeren Ausfall auslösen könnte.
Eine andere Simulation zeigte, dass, wenn zwei Einheiten des Kernkraftwerks Palo Verde in Arizona offline gingen und die Stromproduktion einstellten, die Wasserkraft einen höheren Frequenzgang liefern könnte als alle anderen Stromquellen zusammen – obwohl sie nur etwa 30 Prozent der Energie in dieser Region produziert.
„Dass Wasserkraft sauberen Strom produziert, ist bekannt. Was nicht so gut bekannt, quantifiziert oder bewertet wurde, ist das Ausmaß seiner Rolle bei der Gewährleistung der Netzausfallsicherheit“, sagte Somani.
Das von Somani geleitete und aus fünf nationalen Labors bestehende Forschungsteam entwickelte einen Analyserahmen, der als Blaupause zur Bewertung der Rolle der Wasserkraft in zukünftigen Netzszenarien verwendet werden kann. Künftig können sie auch Ausfälle modellieren, die durch andere Extremereignisse wie Erdbeben und Waldbrände verursacht werden.
Diese Arbeit wurde vom Water Power Technologies Office des Department of Energy als Teil des unterstützt HydroWIRES-Initiativedas darauf abzielt, die sich entwickelnde Rolle der Wasserkraft als Teil einer modernen Netzinfrastruktur zu verdeutlichen und ihr Potenzial zur Optimierung des Netzbetriebs freizusetzen.
„Beiträge der Wasserkraft zur Netzresilienz“ wurde von PNNL zusammen mit dem Argonne National Laboratory, dem Idaho National Laboratory, dem National Renewable Energy Laboratory und dem Oak Ridge National Laboratory geleitet.
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