Konzeptionelle Entwicklung der Schwarzstartfähigkeit eines hybriden elektrischen Energiesystems

Abstract

Die aktuelle Energiewende erfordert neben dem Ausbau erneuerbarer Energien und des Stromnetzes auch eine Überarbeitung der Netzwiederaufbaustrategien. Ein zentraler Aspekt dieser Strategien ist der Einsatz von schwarzstartfähigen Anlagen, die im Falle eines Blackouts das Hochfahrnetz ohne externe Energiezufuhr in Betrieb nehmen können. Gemäß den Vorgaben des aktuellen Energiewirtschaftsgesetzes in Deutschland und den Bestimmungen der Bundesnetzagentur soll die Systemdienstleistung „Schwarzstartfähigkeit“ in einem transparenten, diskriminierungsfreien und marktgeschützten Verfahren beschafft werden. Daher können für die aktuelle Ausschreibung der Systemdienstleistung neben konventionellen Kraftwerken auch Hybrid-Kraftwerke als schwarzstartfähige Anlagen in Betracht gezogen werden. Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken sind Hybrid-Kraftwerke im großtechnischen Maßstab im deutschen Übertragungsnetz bisher noch nicht vorhanden, und ihre Eignung als schwarzstartfähige Anlagen ist bislang nicht hinreichend erprobt.In dieser Diplomarbeit werden im Rahmen der Literaturrecherche die technischen Anforderungen für die Erbringung der Systemdienstleistung „Schwarzstartfähigkeit“ aus den Ausschreibungsunterlagen des deutschen Übertragungsnetzbetreibers erarbeitet. Auf Basis dieser Erkenntnisse wird ein Anlagendesign für ein Hybrid-Kraftwerk entwickelt, dessen primäre Funktion die Bereitstellung der Systemdienstleistung „Schwarzstartfähigkeit“ ist. Die zentrale Problemstellung dieser Arbeit liegt in der wirtschaftlichen Ineffizienz des Batteriespeichers des Hybrid-Kraftwerks, der allein für die vorgeschriebene Primärenergievorhaltung im Falle eines Schwarzstarts bereitsteht. Zur Lösung dieser Problemstellung wurden vier unterschiedliche Ansätze analysiert. Hierbei wurden Methoden und Algorithmen entwickelt, die eine Bewertung der Verfügbarkeitsanforderungen gemäß dem Schwarzstartvertrag des Übertragungsnetzbetreibers sowie der wesentlichen Einflussfaktoren auf die Verfügbarkeit des Hybrid-Kraftwerks und der Speichernutzung ermöglichen. Die Algorithmen wurden im Rahmen der durchgeführten Analysen mit Daten getestet, die vom deutschen Übertragungsnetzbetreiber 50Hertz zur Verfügung gestellt wurden. Auf Grundlage der Auswertungen wird der Nutzen des entwickelten Algorithmus für den Übertragungsnetzbetreiber sowie den Anbieter anhand spezifischer Anwendungsfälle erläutert.

In addition to the expansion of renewable energies and the electricity grid, the current energy transition also requires a revision of the grid reconstruction strategies. A key aspect of these strategies is the use of black-starting systems which, in the event of a blackout, can commission the start-up grid without an external energy supply. In accordance with the requirements of the current Energy Act in Germany and the provisions of the Federal Network Agency, the system service “black-start capability” is to be procured in a transparent, non-discriminatory and market-protected process. In addition to conventional power plants, hybrid power plants can therefore also be considered as black-starting plants for the current tender for system service. In contrast to conventional power plants, large-scale hybrid power plants are not yet available in the German transmission grid and their suitability as black-starting plants has not yet been sufficiently tested.In this diploma thesis, the technical requirements for the provision of the system service “black start capability” from the tender documents of the German transmission system operator are elaborated in the context of the literature review. Based on these findings, a system design for a hybrid power plant is developed, whose primary function is the provision of the system service “black start capability”. The central problem of this thesis is the economic inefficiency of the battery storage of the hybrid power plant, which is only available for the prescribed primary energy storage in the event of a black start. To solve this problem, four different approaches were analysed. Methods an algorithms were developed that allow an evaluation of the availability requirements according to the black start contract of the transmission system operator as well as the main influencing factors on the availability of the hybrid power plant and the storage utilisation. The algorithms were tested with data provided by the German transmission system operator 50Hertz. Based on the evaluations, the benefits of the developed algorithm for the transmission system operator and the provider are explained on the basis of specific use cases.