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Limits to renewables - how electricity grid issues may constrain the growth of distributed generation
By Professor Michael Laughton, B.A.Sc., PhD, DSc(Eng.), FREng., CEng., FIEE, Paul Spare MSc, CEng, FInstE, MIMechE
" (Published in 'Energy World', the Journal of the Institute of Energy, November 1, 2001, pp 8-11)
Grenzen für Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien –
wie Netzstrukturen das Wachstum dezentraler Energie-Erzeugung behindern können.
 
Zusammenfassung

Um den Verpflichtungen von Kyoto zu entsprechen und einen gewissen Grad an Vielfalt in der Elektrizitätserzeugung zu bewahren, setzt die britische Regierung das Ziel, 10% der elektrischen Energie in 2010 auf Basis erneuerbarer Energien zu gewinnnen. Dieses Ziel ist ehrgeizig. Dessen ungeachtet wird das Netz-Kontrollsystem mit einem wachsenden Anteil an kleinen Kraftwerken arbeiten müssen, von denen die meisten an regionale Verteilernetze angeschlossen sind. Diese Entwicklung wird zu einer großen Herausforderung für die Steuerung des Stromnetzes und muß allgemein besser verstanden werden.
 

Summary

To meet Kyoto commitments and to preserve a degree of diversity of electricity supply, the UK Government has a target of 10% of electrical energy to be generated by renewable sources in 2010. This target is ambitious; nevertheless Grid system control will therefore have to cope with an increasing proportion of small, embedded power stations, most of which will be connected to the distribution networks. These developments will generate significant challenges for the control of the grid system and need to be understood more widely. 

1. Einführung 

Die britische Regierung macht zum Ziel, 10% der Elektrizität in 2010 auf Basis erneuerbarer Energien zu gewinnen - man beachte, dass dieses Ziel für die elektrische Arbeit in kWh bzw. MWh gilt, nicht aber für die elektrische Leistung in kW bzw. MW. Noch ehrgeizigere Ziele wurden von einem Parlamentskomitee empfohlen mit 20% für 2010 und 50% für 2030. Zusätzlich hat die Regierung gleichzeitig den Ehrgeiz, den Energiebeitrag von Kraft-Wärme-Kopplung auf mindestens 10.000 MW bis 2010 zu vergrößern, mehr als das Doppelte der 4.300 MW in 2000. Man erwartet, dass der Anteil neuer Formen von Kraftwerken basierend auf erneuerbarer Energie plus Kraft-Wärme-Kopplung an der Gesamtkapazität von 8,6% in 2001 auf 20% in 2010 ansteigend wird, mit wahrscheinlichem weiteren Anstieg in den Folgejahren [1]. Im selben Zeitraum bis 2010 ist vorgesehen, etwa 20 Magnox Reaktoren (= Gas gekühlte Reaktoren der ersten Generation) stillzulegen, gefolgt von der Schließung der meisten AGR-Kraftwerke (= Verbesserte gasgekühlte Reaktoren) und vielen großen Kohlekraftwerken im Zeitraum 2010 bis 2020

1. INTRODUCTION

The UK Government has a target of 10% of electricity to be generated by renewable sources in 2010 (note that this is a target for energy not power). More ambitious targets have been recommended by a parliamentary committee of 20% by 2010 and 50% by 2030. In addition the Government has simultaneous ambitions of increasing the electrical contribution of Combined Heat and Power (CHP) plant to at least 10,000 MW by 2010, more than twice the 2000 capacity of 4,300 MW. The proportion of new forms of plant, both renewable and CHP, within the UK’s overall generating capacity is estimated to rise from 8.6% in 2001 to 20% in 2010 and likely to increase further in subsequent years [1]

Over the same period to 2010, some twenty Magnox reactors are scheduled for closure, followed in the decade 2010-2020 by most of the AGR stations and many large coal-fired plants.

2. Energiequellen für die Elektrizitätsversorgung

2.1 Unterschiede zwischen Energiequellen
Es gibt bedeutende Unterschiede zwischen unseren derzeitigen hauptsächlichen Kraftwerken und Kraftwerken auf Basis erneuerbarer Energien. Konventionelle große Kraftwerke, z.B. Kohle-, Gas- und Kernkraftwerke, jeweils mit einer Leistung von mindestens 100 MW, erzeugen den größten Teil der Elektrizität in Großbritannien. In England und Wales betrug die Kraftwerkskapazität Mitte 2001 67.000 MW, 94% davon ist direkt mit dem Hochspannungsnetz verbunden und erbringt 92% der ungefähr 375 TWh an elektrischer Arbeit, die in Großbritanien produziert wird. Dieses integrierte System, das unter einer "co-coordinated central control" (zentralen Leitstellen im Netz) arbeitet, ermöglicht eine auf Nachfrageschwankungen reagierende Energieerzeugung samt "standby"-Reserven für das gesamte Versorgungssystem. Damit wird der Energienachfrage in jedem Augenblick - und wo immer sie auftritt - mit der wirtschaftlichsten Stromproduktion entsprochen. 

2. ENERGY SOURCES IN ELECTRICITY SUPPLY

2.1 Differences between energy resources
There are important differences between our current major power sources and renewables. Conventional large stations, e.g. coal, gas and nuclear plant, each with an output of at least 100 MW, generate the bulk of electricity in the UK. In England and Wales in mid-2001 there is 67,000 MW of such plant, 94% of which is connected directly to the high voltage transmission network and supplying 92% of approximately 375 TWh of electricity produced in the UK.  This integrated system, which operates under co-coordinated central control, allows responsive generation capability and standby reserves to be shared across the system, whilst allowing demand at each moment to be met by the most economic generation, largely irrespective of where it is located.

Erneuerbare Quellen zur Elektrizitätserzeugung gibt es dagegen in vielen Formen, z.B. Meeresenergie - Tiden-Staudämme, Tiden-Strömung und Wellenenergie, Windenergie im Binnenland und an der Küste, Energien aus Biomasse und Abfallverbrennung, aus Deponiegas, Energiepflanzen-Anbau, großen und kleinen Wasserkraftwerken und aus Sonnenenergie - beides: Fotovoltaik und Warmwasserbereitung. Mit einer Leistung von in der Regel viel weniger als 100 MW ist es unökonomisch, sie direkt an das Übertragungsnetz anzuschließen und so sind sie im allgemeinen an das örtliche Stromnetz angeschlossen. Die meisten dieser kleinen Kraftwerke werden nicht von der zentralen Netzleitwarte, die der Netzbetreiber bedient, erfasst. Zum Teil, weil die hohen Kosten konventioneller Datenfernerfassung dazu führen, dass Netz-Steuerung und Datenerfassung (SCADA = System Control and Data Acquisition) im Spannungsbereich unter 132 kV (in Deutschland 110 kV) nur wenig Bedeutung haben. Regionale und lokale Verteilungsnetze arbeiten im wesentlichen mit unvollständigen und ungenauen Informationen. Renewable sources of electricity, on the other hand, take many forms, e.g. the marine sources - tidal barrages, tidal streams and waves – wind both on-shore and off-shore, biomass - combustible waste, landfill gas and energy crops – hydro - both large and small-scale - and solar - both active (PV) and passive. With most outputs being much less than 100 MW, it is uneconomic for them to connect directly to the transmission system and so are generally connected directly to their local distribution network. Individually most of such small stations will not be subject to central control as exercised by the system operators, partly because the high cost of conventional telemetry means that system control and data acquisition (SCADA) has only low penetration at voltages below 132kV. At these levels, therefore, distribution networks operate largely with incomplete and uncertain information.
2.2 Das Regierungsziel für Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energie
Geht man von der Prognose des DTI [2] (= Department of Trade and Industry - Regierung) für das Elektrizitätswachstum aus, bedeutet das Regierungsziel, 10% an Elektrizitätserzeugung auf Basis erneuerbarer Energie erzielen zu wollen, 39,4 – 40,8 TWh, vier Mal soviel wie aktuell. Die entsprechenden Beiträge der Quellen für erneuerbare Energie sind in Tabelle 1 dargestellt. Der größte Zuwachs vor 2010 wird auf Windenergie und Biotriebsstoffen, vor allem Energie aus Abfall, basieren. 
2.2 The Government’s renewable target
Using the electricity growth rates forecast by the DTI [2] as a guide, the Government’s 10% target for renewable generation is 39.4 – 40.8 TWh, four times the present level. The respective renewable resources contributions in 2000 are as shown in Table 1. The biggest growth in contributions before 2010 will be from wind and biofuels, in the latter case especially energy from waste. 
Die EU-Deponie-Vorschriften erzwingen eine wesentlich veränderte Nutzung von Deponien. Gefordert wird eine Reduzierung des zu Deponien gebrachten biologisch abbaubaren Abfalls bis 2016 auf 35% des Niveaus von 1995. Die Gewinnung von Energie aus Abfall nimmt mit Sicherheit zu. Mit den Beschränkungen in bezug auf Deponien ist verstärkte Abfallverbrennung vorgezeichnet.

Die Wahrscheinlichkeit, das 10%-Ziel zu erreichen, ist Gegenstand von Spekulationen. Große Unsicherheiten betreffen die notwendige Planungserlaubnis für verschiedene Kraftwerksarten wegen wachsender Umweltopposition. Im vergangenen Jahr wurden nur 60 MW Kapazität an Binnenland-Windkraftanlagen errichtet und in diesem Jahr wird die Zahl wahrscheinlich 100 MW betragen. DTI meint immerhin, dass in 2010 See-Windkraftanlagen allein genommen 1,8% der gesamten Elektrizitätserzeugung Großbritanniens liefern werden, basierend auf ungefähr 3.000 MW an errichteter Offshore-Leistung. [3]

The EC Landfill Directive will enforce major changes in landfill practices requiring reductions in the biodegradable domestic waste sent to landfill by 2016 to be no more than 35% of its level in 1995. The development of more energy from waste schemes (EfW) is a virtual certainty. With the limitations imposed on the landfill option the major route for EfW is by mass burn incinerators. 

The likely of achievement of the 10% target is a matter of speculation. Major uncertainties surround the necessary planning permissions to be obtained for various schemes because of growing environmental opposition. Last year only 60 MW of onshore wind powered capacity was installed and this year the figure is likely to be about 100 MW; however the DTI intends that offshore wind alone will supply 1.8% of total UK electricity supply by 2010, i.e. from approximately 3000 MW of installed offshore capacity [3].

Einfache Arithmetik ergibt, dass die für das Ziel notwendige Anzahl an neu zu errichtenden Windkraftanlagen und kleinen Biomasse-Kraftwerken einschließlich der dazugehörenden Umspannstationen und Anpassungen der Netzanschlüsse, welche 2010 einsatzbereit sein mögen, den schwerwiegenden praktischen Beschränkungen der Netz-Kapazität unterworfen sind. Vielleicht 6 - 7% mögen insgesamt möglich sein, aber wie auch immer, das 10%-Ziel ist ein nützlicher Ansporn für die Entwicklung einer jungen Industrie Simple arithmetic shows that the rates of build necessary for wind turbine and small biomass fuelled plants, plus the associated electrical substation and network connection changes, impose severe practical limits on the capacity that might be in place by 2010. Perhaps 6-7% might be possible in total, but no matter, the10% target serves as a useful spur to the development to a young industry. 
Tabelle 1: Wahrscheinliche jährliche Gewinnung elektrischer Energie aus erneuerbaren Energien
Technology
TWh in 2000
Wind - Binnenland
0,946
Wind - Offshore
-
Solar
0,001
Wasserkraft - klein
0,239
Wasserkrat - groß
4,989
Biokraftstoffe
-
- Deponiegas
2,188
- Abwasser
0,366
- Abfallverbrennung
1,368
- andere
0,499
- Pflanzenanbau
-
TOTAL
10,476
Table 1:  Likely Annual Generation of Electrical Energy by Renewables. 
Technology
TWh in 2000
Wind - onshore
0,946
Wind - offshore
-
Solar
0,001
Hydro - small
0,239
Hydro - large
4,989
Biofuels
-
- Landfill gas
2.188
- Sewage
0,366
- MSW combustion
1,368
- Other
0,499
- Energy crops
-
TOTAL
10,476
3. Begleiterscheinungen der ERNEUERBAREN
3.1 Zuverlässigkeit und Verschiedenartigkeit der Stromversorgung 
In vielen Publikationen liest es sich so, als sei der Vorteil einer größeren Verschiedenartigkeit und einer damit verbundenen Stromversorgungssicherheit verknüpft mit einer Politik, die auf die Entwicklung erneuerbarer Energien ausgerichtet ist. Dies stimmt nicht überein mit der Sichtweise der NGC [4] (Netzbetreiber): "Es mag auf den ersten Blick so scheinen, daß die Versorgungssicherheit potentiell am ehesten gegeben ist, wenn sich die Stromquelle nah beim Stromverbrauch, den sie abdeckt, befindet. Zu bedenken ist aber, dass elektrische Leitungsnetze in der Regel sehr viel zuverlässiger sind als individuelle Elektrizitätskraftwerke. Entsprechend wird eine größere Versorgungssicherheit erreicht, in dem man ausreichende Netzkapazitäten schafft zwischen den Kunden und den landesweiten Kraftwerksanlagen. Das Leitungsnetz ist in der Lage, der Verschiedenartigkeit zwischen den einzelnen Kraftwerken und der Nachfrage gerecht zu werden." 

Diese ingenieurtechnische Betrachtung basiert auf aktuellen Statistiken und verläßlicher Analyse. Eine gegenteilige Argumentation ist Wunschdenken, solange sie nicht durch andere Fakten gestützt wird.

3. IMPLICATIONS OF RENEWABLES
3.1 Security and diversity of supply
It seems in many publications that the benefit of increased diversity and hence security of electricity supply is linked to policies geared to the development of renewable energy sources. This does not coincide with the view advanced by the NGC [4], viz. 

“It may seem at first that security of supply is potentially at its greatest value when the source of power is close to the demand it supplies. However transmission circuits tend to be far more reliable than individual generating units. Accordingly enhanced security is delivered by providing sufficient transmission capacity between customers and the national stock of generation. The transmission system is able to exploit the diversity between individual generating sources and demand”

This is an engineering view based on actual statistics and reliability analysis. To argue to the contrary is just wishful thinking unless supported by different facts. 

3.2 Qualität der Elektrizitätserzeugung 
Die folgenden drei Punkte sind entscheidend in bezug auf elektrische Energie:
  • sie muss zeitgleich mit dem Verbrauch produziert werden, 
  • sie muss entsprechend den strengen Standards in bezug auf Spannung und Frequenz produziert werden,
  • Sicherheit der Versorgung ist extrem wichtig. 
Elektrische Leistung wird mit bestimmter Frequenz und Spannung, frei von Oberschwingungen, plötzlichen Spannungsschwankungen und Unterbrechungen verlangt. Eine moderne Industriegesellschaft hängt ganz wesentlich von einer Stromversorgung mit hoher Qualität für computergesteuerte Abläufe und Informationstechnologien ab. Eine Unterbrechung von nur einer Millisekunde genügt, um bei kontinuierlichen Arbeitsprozessen viele Millionen Pfund Schaden anzurichten. Der Schaden für die europäische Wirtschaft wegen zeitweiser schlechter Stromqualität wird auf etwa 13 - 20 Milliarden Euros pro Jahr geschätzt. Sogar noch höhere Beträge werden für die USA genannt. 
3.2 Power supply quality
The following three points with regard to electrical power are paramount. 
  • it has to be generated at the same time as it is used,
  • it has to be delivered to strict standards governing voltage levels and frequency, 
  • security of supply is extremely important 
Power is required at the rated frequency and voltage, free from harmonics, voltage surges and interruptions. A modern industrialised society depends heavily on high quality power supplies for computerised control processes and information technology. Even a millisecond interruption is sufficient to cause many millions of pounds of damage to continuous processes
The estimated cost to European businesses of periods of poor power quality amounts to some 13 – 20 billion euros per year. Even higher amounts are quoted for the USA. 
Eine große Anzahl von kleinen ans Netz angeschlossenen Kraftwerken macht eine Steuerung nur schwieriger. Kleine, verstreut liegende Kraftwerke, basierend auf erneuerbaren Energien -  mit in einigen Fällen zufällig aussetzender Stromproduktion - können schon aus technischen Gründen nicht alleine die gesamte Kapazität bilden, um die nationale Nachfrage nach elektrischer Energie zu decken. Es gibt Raum für Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien im Rahmen der Stromversorgung Großbritanniens, aber nur bis zu einer Grenze, welche durch die Fähigkeit der übrigen konventionellen Kraftwerke gesetzt wird, ein einwandfreies Funktionieren des Gesamtsystems und eine qualitätsvolle Elektrizitätsversorgung zu garantieren. A large number of small embedded generators make control more difficult. Small, dispersed renewable generation plant with, in some cases, randomly intermittent output cannot provide the whole capacity needed to meet the national demand for electrical energy for technical reasons. There is room for renewables in the UK power supply, but only to a limit determined by the ability of the rest of the conventional generating plant to guarantee the integrity of operation and power supply quality. 
3.3.Schwankende und unvorhersehbare Stromerzeugung/ -qualität
3.3.1 Elektrische Spannung
Die Leistungsaufnahme der Kunden kann auf beides empfindlich reagieren, auf Frequenz und Netzspannung. Die Bedeutung von Spannungsunterschreitungen wurde in Singapur deutlich. Dort war es in den letzten Monaten 1999 zu einer niemals zuvor verzeichneten 5-Volt-Grenzunterschreitung gekommen mit entrüsteten Protesten der High-Tech-Abnehmer. Der Schaden eines Chiphersteller wurde mit US $ 1 Million pro Vorfall veranschlagt. Der Schaden durch Spannungsabfall wird für die US-Industrie auf US $ 10 Milliarden im Jahr geschätzt. 

Diese Problematik wird zusätzlich verdeutlicht mit Störungen der Netzspannung durch das Pulsieren oder durch zufällige Schwankungen in der Stromerzeugung großer Windparks. Probleme der Spannungssteuerung und -qualität entstehen, wenn ans Leitungsnetz angeschlossene Generatoren (hier: Windräder) "start/stop"- produzieren. Dies kann dazu führen, daß andere Nutzer des Leitungsnetzes Schwankungen der Spannung erleiden – Absenkungen und Veränderungen über den zulässigen Schwankungsbereich hinaus – und kann eine unerwünschte Einspeisung von Oberschwingungen hervorrufen. Das Problem würde verschärft, wenn der Windpark ohne gewisse technische Vorrichtungen ans Leitungsnetz angeschlossen würde. 

3.3 Variable and Unpredictable Output/Quality
3.3.1 Voltage
Consumer loads can be sensitive to both frequency and voltage. The significance of voltage dips was seen in Singapore where an unprecedented five voltage dips occurred in the last few months of 1999, with large outcries from the high technology consumers. The cost to one chip manufacturer was claimed to be $1million per event. The cost of voltage dips to US industry is estimated to be $10 billion / year.

This issue is further illustrated by the problems created for the network voltage by the pulsation or random fluctuation of the power generated by large wind farms. Voltage control and quality problems arise when generators embedded within the distribution network start/stop generating.  This can cause other network users to suffer voltage fluctuation, dips and steps outside of the statutory limits and inject unwanted harmonics into the voltage waveform. The problem would be exacerbated if the wind farm were to be connected to the grid, despite certain technical fixes. 

3.3.2 Frequenz
Die Frequenz wird bis zu einem gewissen Grad gesteuert durch Generatoren, die automatisch auf Veränderungen in der Leistungserzeugung reagieren. Viele neue Formen von Kraftwerken, dazu zählen auch Kraftwerke basierend auf erneuerbarer Energie und CCGT –Kraftwerke (Combined Cycle Gas Turbine) sind jedoch nicht ausgestattet mit der notwendigen Reaktionsmöglichkeit auf ein Abdriften der Netzfrequenz. Die Frequenz der gelieferten Elektrizität muss innerhalb von 1% der festgelegten 50 Hz [5] gehalten werden. Außerhalb dieser Grenzen ergibt sich automatischer Leistungsabfall. In der Praxis wird die Frequenz viel enger, als die 1%-Grenze vorschreibt, eingehalten, um andere, weniger schwerwiegende Probleme des Versorgungssystems zu vermeiden. Diese Anforderungen bedingen ein fortwährendes Ausbalancieren von Leistungsnachfrage und Elektrizitätserzeugung von einer Minute zur nächsten. 
3.3.2 Frequency
Frequency is controlled to a certain degree by generators responding automatically to changes in power output; however many new forms of generation, renewable and CCGT plant included, do not provide the necessary response to low frequency drift. The frequency of the electricity supplied has to be controlled to within 1% of the rated 50 Hz [5] specified. Outside of these limits automatic load shedding occurs and in practice frequencies are maintained much closer than these limits to avoid other, less serious system problems. This requirement needs continuous balancing of load demand with generation on a minute-by-minute basis. 
Zu diesem technischen Bild addieren sich die wirtschaftlichen Schwierigkeiten, die durch die Privatisierung hervorgerufen wurden. Aktuell hängt die Frequenz von dem Preis ab, der geboten wird, damit genügend Strom erzeugt wird, um die Nachfrage abzudecken, d.h., der Markpreis entsteht aus dem Marktgleichgewicht. Die Systemfrequenz entspricht genau dem Marktgleichgewicht. Eine Frequenz größer als 50 Hz würde einem Zuviel an Strom-Erzeugung entsprechen. Unter derartigen Bedingungen sollten alle kostenintensiveren Stromerzeugungen zurückgefahren werden. Eine Frequenz unter 50 Hz würde ein Defizit an Stromerzeugung bedeuten, mit der Folge, dass auch eine teurere Stromerzeugung hinzu genommen wird. Die neuen Elektrizitäts-Handels-Abkommen (NETA) legen den Gesellschaften größere Verantwortung auf, die tatsächliche Stromerzeugung mit der minütlichen Kundennachfrage abzugleichen. Das kann zu kurzfristiger Preisvolatilität führen.  Added to this technical picture are the economic constraints imposed by privatisation. Now the frequency depends on the price offered to ensure sufficient generation is made available to match demand, i.e. market price is made by market equilibrium. The system frequency effectively represents the market equilibrium. Frequency above 50 Hz would mean surplus generation, under which condition all costlier generation should be backed down; frequency below 50 Hz would mean a generation deficit, calling for even costlier generation to be brought in. The new electricity trading arrangements (NETA) place greater responsibility on companies to balance actual production with last-minute customer demands, which may cause short-term price volatility. 
Heute gibt es viele Teilnehmer an der Elektrizitätserzeugung, die nicht zu den Elektrizitätsversorgungsunternehmen zählen. Ihr potentieller Beitrag zur Stromerzeugung hängt von der damit gekoppelten Wärmeerzeugung oder der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien ab, welche meistens ungewiss ist. Sie sind nicht damit befasst, Elektrizitätserzeugung und Leitungsnetz guter Ingenieurspraxis entsprechend zu unterhalten. Da im allgemeinen jede verkaufte kWh mit einem Gewinn verknüpft ist (wie klein auch immer), gibt es für unabhängige Stromerzeuger keinen Anreiz, die Stromerzeugung in Zeiten hoher Frequenz zu reduzieren (und möglicherweise die Stromerzeugung zu erhöhen in Zeiten niedriger Frequenz), mit der Folge, dass eine zunehmende Anzahl von Kraftwerken auf Basis erneuerbarer Energien und Kraft-Wärme-Kopplung zu vergrößerter Frequenz- und auch Spannungsinstabilität führen können.  Today there are many non-utility players in the electric power industry and the potential levels of their power generation depend on associated heat output or renewable resource availability, which is mostly uncertain. They are not in the business of maintaining good engineering practices on the generation and transmission systems. Since there is generally a profit built into each kWh sold (however small), there is no incentive for independent generators to reduce generation during periods of high frequency (and possibly to increase generation during periods of low frequency); thus increasing levels of renewable and CHP plant could amplify frequency and also voltage instability. 
3.3.3 Netz-Stabilität 
Probleme der Leitungsnetz-Stabilität werden auftreten, sobald vorübergehend aussetzende Stromerzeuger, besonders bei niedriger Leistungsnachfrage der Abnehmer, einen großen Teil der Nachfrage abdecken. Fachleute der elektrischen Energieversorgung versichern, dass die Leitungsnetz-Stabilität wachsendes Risiko bergen wird, sobald Stromlieferungen ins Netz durch zufällig und vorübergehend aussetzende Stromquellen über 15 - 20% des gesamten Stromangebots ausmachen. 

Es wird in der Regel nicht verstanden, dass diese praktischen Schwierigkeiten eine Frage der elektrischen Leistung und nicht der elektrischen Arbeit sind. Der jährliche Nutzungsgrad für Windturbinen liegt zwischen 25 und 30% (Anmerkung der Red.: in Deutschland bei ca. 17%). Es gibt jedoch Zeiten, in denen viele Windräder unter Volllast laufen und 100% der elektrischen Leistung liefern. Es ist die maximale elektrische Leistung, nicht die elektrische Arbeit, welche Netzstabilitäts-Probleme hervorruft. Darüber hinaus unterliegt das System täglichen Energie-Nachfrage-Zyklen wie in Abbildung 1 dargestellt. Daraus folgt, dass das System nachts oder im Sommer nur eine niedrigere Stromerzeugung von Windturbinen zuläßt. Bei einer Begrenzung auf 20% müssten die angeschlossenen Windkraftwerke sich zwischen maximal 10 GW zur Spitzen-Winter Belastung von 50 GW und etwa 3,8 GW bei der Minimum-Sommer-Belastung von 19 GW bewegen. 

3.3.3 System stability
System stability problems will arise when intermittent generators, especially at light load, supply a significant proportion of system demand. Informed Electricity Supply Industry opinion asserts that when the power presented to the grid by randomly intermittent sources rises above 15-20% of total system demand, then grid stability becomes an increasing risk. 

This operational constraint relates to power and not to energy, which is not widely appreciated. The annual load factors of wind turbines are between 25 and 30%. There would be times, however, when most turbines would be operating at full load and delivering 100% of power. It is this maximum power output, not the energy output, which causes stability problems. Furthermore the system endures a daily load demand cycle as shown in Fig.1 so it follows that the system can only accommodate lower levels of wind turbine-generator output power at night or in the summer. With a 20% limit the embedded wind generation would have to stay between 10 GW maximum at a peak winter load 50 GW to about 3.8 GW at the minimum summer load of 19 GW.


 
typische Lastganglinien im NGC-Netz von England und Wales
Abbildung 1
Tägliche Leistungsnachfrage beim Elektrizitätsversorgungsnetz von England und Wales 
Kurve A: Maximale Winternachfrage, 16/01/2001
Kurve B: Typische Winternachfrage, 04/12/2000
Kurve C: Typische Sommernachfrage, 04/07/2000
Kurve D: Minimale Sommernachfrage, 30/07/2000

 
In Dänemark deckte die Wind-Energie-Erzeugung 13 - 14% der gesamten Elektrizitäts-Nachfrage im Jahre 2000 ab und sie wächst weiter. Der Energie-Sektor wie auch Privatleute haben sich bereits seit einiger Zeit über die Probleme der Stabilität im elektrischen Leitungsnetz beschwert und der dänische Energie-Mnister hat schließlich eingeräumt, dass es ein Problem gibt und dass es in Gesprächen in aller Offenheit gelöst werden sollte.  In Denmark the wind power production comprised 13 - 14% of the total electricity consumption in 2000 and growing. The energy sector as well as individuals has already complained about the problem of stability in the electrical network for quite some time, and the Danish Energy Minister has eventually admitted that there is a problem and that it should be solved through discussion and openness. 
3.3.4 Unsicherheiten beim planvollen Einsatz von Kraftwerken
Viele Faktoren setzen der Flexibilität, ein Versorgungssystem zu betreiben, praktische Grenzen und es muss Kraftwerksreserven unterschiedlicher Arten geben, um sicherzustellen, dass das Versorgungssystem allen wahrscheinlichen, kurzfristig wechselnden und längerfristig stabilen Bedingungen entsprechen kann. Normalerweise wird den Reserve-Anforderungen entsprochen  - in einem Zeitrahmen von
  • 10 Sekunden bis 2 - 3 Minuten  - durch die Trägheit, welche den laufenden Kraftwerksanlagen und dem Kessel-Dampfdruck konventioneller Wärmekraftwerke innewohnt, 
  •  von 2 - 3 Minuten bis 10 - 15 Minuten des Hochfahrens der Stromerzeugung von laufenden, unter Dampf stehenden Reservekraftwerken, das sind Kraftwerke, welche zwar an der Strom-Sammelschiene angeschlossen sind, aber nur mit Teillast laufen, plus Speicher-Wasserkraftwerke und Gas-Turbinen, 
  •  über 8 -10 Stunden bei geplanten Starts von Kraftwerken aus unterschiedlichen Bereitschaftsebenen. 
In all diesen Situationen sind Entscheidungen des Netzbetreibers ein wesentlicher Teil des Steuerungsprozesses und das Abwägen des Reservebedarfs ist ein fortwährender dynamischer Prozess.

Die durch eine große Zahl zufällig intermittierender Kraftwerke hervorgerufenen Probleme werden anschaulich gemacht durch die Situation in West-Dänemark, der sich die Stromnetzgesellschaft Eltra gegenüber sieht. Das Eltra Magazin brachte eine Titelseiten-Geschichte über diese Zusammenhänge, die lautete "Wir haben morgen zwischen 0 und 2.000 MW an Windenergie". Die Windenergie beträgt 0 MW, wenn der Wind weniger als Windstärke 3 beträgt, 800 MW, wenn die Windstärke 4/5 beträgt oder 2.000 MW, wenn die Windstärke 5/6 beträgt. In der gleichen Ausgabe in einem Artikel betitelt "Eltra´s Vorstandsvorsitzender - Windenergie hat die dringende Notwendigkeit für ein neues Denken mit sich gebracht" werden die Probleme in einiger Tiefe untersucht. 

3.3.4 Uncertainties in plant scheduling
Many factors set operating limits on the flexibility of power system operation and there must be operating reserves of various kinds to ensure that the system can meet all likely immediate dynamic and longer term steady-state conditions. Normally within a time-scale of: 
  • 10 seconds to 2 - 3 minutes, the reserve requirement is met from the inherent inertia of rotating plant and conventional thermal plant boiler steam pressure, from 
  • 2 - 3 minutes to 10 - 15 minutes from ramping the power output of ‘hot stand-by’ spinning reserve, i.e. plant connected to the network busbars but only partly loaded, plus hydro storage and gas turbines and beyond that over 
  • 8 - 10 hours by plant start-up from various standby levels. 
In all of these situations Operator decisions are an integral part of the control process and negotiation of such reserve requirements is an ongoing dynamic process.

The problems caused by large amounts of randomly intermittent generation are well illustrated by the situation in West Denmark faced by the transmission company Eltra. 

The Eltra Magazine had a front-page story on the subject, which read  "We have between 0 and 2000 MWe of wind power tomorrow". The windpower is 0 MW if the wind is below force 3, 800 MW if the wind force is 4/5 or 2000 MW if the wind force is 5/6. In the same edition, an article entitled "Eltra's Chairman – Wind Power has created an acute need for new thinking", explores the problems in some detail. 
 


 

Aggregated wind generation in Jutland and Furen, Western Denmark
Abbildung 2: Zusammengefasste Wind-Stromerzeugung in Jütland und Fünen, West-Dänemark.
 
Abbildung 2 zeigt die Energieerzeugung von Windparks in dem Gebiet, welches vom Eltra-Versorgungsnetz abdeckt wird, zusammengefaßt von vier beliebig ausgewählten Tagen im April 2001 [6]. Figure 2 illustrates the aggregated output from the windfarms in the region feeding the Eltra system selected arbitrarily from four days in April 2001 [6].

 
Etwa ein Drittel der Windvorhersagen des dänischen meteorolo- gischen Instituts weist große Fehler auf. Es ist deshalb unmöglich, die Elektrizitätserzeugung zu planen, und deshalb kann beides vorkommen, eine Überproduktion an Energie oder in gewissen Windmangelsituationen ein Mangel. Im letzteren Fall ist Eltra gezwungen, Elektrizität im freien Markt zu maximalen Preisen zu kaufen. Eltras Probleme ergeben sich, weil es im dänischen Leitungsnetz vollkommen unmöglich ist, die Erzeugung von umweltfreundlicher Elektrizität in den Griff zu bekommen. Eltra ist gezwungen, sämtlichen Strom abzunehmen, nicht nur von Windturbinen, sondern auch von dezentralisierten Heiz- und Wärmekraftwerken, unabhängig vom Bedarf.  There are big errors in almost a third of wind forecasts from the Danish Meteorological Institute. It is thus impossible to plan production, and, therefore, both an over-production of power or, in certain wind-deficient cases, a shortage of power can occur. In the latter case Eltra is forced to buy power at maximum prices on the open market. Eltra’s problems arise because in the Danish system it is completely impossible to control the production of environmentally friendly electricity. Eltra is forced to accept all the power not only from wind turbines but also from decentralised heating and power plants, irrespective of the need for electricity. 
Dänemark hat ein kleines Stromversorgungssystem mit einer jährlichen Nachfrage von weniger als 10% der Nachfrage Großbritanniens. Der Zwang, Energieangebot und -nachfrage  unter Einbeziehung einer sehr hohen installierten Windnennleistung ausbilanzieren zu müssen, (allein 1.600 MWe in West-Dänemark) führt dazu, dass konventionelle Wärmekraftwerke fortwährend nach der Methode "Kundenstromnachfrage minus Windkraftwerke-Lieferung" abgestimmt werden müssen, eine Aufgabe für die sie niemals entwickelt wurden. 

Netzkupplungen mit Norwegen, Schweden und Deutschland verschaffen die zum Betrieb notwendige zusätzliche Flexibilität, in dem sie Stromimport gestatten, wenn vonnöten, oder erlauben, einen Überschuss an elektrischen Strom zu exportieren. Diese Situation führt dazu, dass hoch effiziente Wärmekraftwerke unterhalb ihrer optimalen Effizienz betrieben werden und dass ein bestimmter Anteil an Wärmekraftwerken in "laufender" Bereitschaft gehalten werden muß, wobei sie Energie verbrauchen, aber keinen nützlichen Strom erzeugen. Zusätzliche Kraftwerke müssen unter Dampf gehalten werden, bereit, jeden Moment zu starten, ebenfalls ein hochgradig ineffizienter Vorgang. Die Kosten der in Bereitschaft stehenden Kraftwerke werden den Kosten der Kraftwerke mit intermittierender (hier: regenerativer) Elektrizitätserzeugung niemals zugerechnet, aber im Falle von Dänemark mögen sie erklären, warum die Dänen die höchsten heimischen Stromkosten in Europa mit 12,21 p/kWh haben 

Denmark has a small electric system with an annual demand less than 10% of the UK demand. Having to balance supply and demand with input from a very substantial installed wind power capacity (1.600 MWe in West Denmark, alone) requires that conventional thermal power stations continually follow customer demand less wind input, a task for which they were never designed.

In addition interconnectors with Norway, Sweden and Germany provide the added flexibility needed in operation, allowing power importing if need be or surplus power to be exported. This situation results in the highly efficient thermal power stations running at less than optimal efficiency and requiring a certain amount of the thermal capacity to be kept in "spinning reserve" where they consume energy but deliver no useful power. Further plant must be "kept hot" ready to start up on short notice, again a highly inefficient process. This cost of operating stand by plant is never attached to the costs quoted for plant with intermittent generation, but, in the case of Denmark, might explain why the Danes have the highest domestic electricity costs in Europe at 12.21 p / kWh (c.f. UK cost of 7.97 p/kWh).

Im Fall von Großbritannien ist der Anteil der Stromerzeugung durch zufällig intermittierende Kraftwerke bis heute relativ klein und verursachte wenig Schwierigkeiten. Es ist wichtig festzuhalten, dass bei einem bestimmten Ausmass eines derartigem Stromangebotes die Kosten für den Betrieb der Kraftwerke in Bereitschaft untragbar werden. Derartige Kraftwerke würden besonders an den vier oder fünf Phasen im Winter benötigt, an denen das Land von einer großen, kalten Hochdruckzone betroffen ist - mit geringem oder gar keinem Wind. 

Diese Schlussfolgerung widerspricht einer Dreijahresstudie erstellt vom "Forum for the Future", einer Umwelt-Stiftung, in der Forscher die Möglichkeit untersuchten, im Jahre 2020 30% der Elektrizität aus erneuerbarer Energie und wachsender Kraft-Wärme-Kopplung zu beziehen. Würde die Hälfte aus Windenergie gewonnen, wären 24 GW an WKA-Leistung nötig plus eine gleich große Kapazität an konventionellen Kraftwerken für Bereitschaftszwecke. Offensichtlich gibt es eine praktische und ökonomische Grenze für derartigen Enthusiasmus.

In the case of the UK until now the level of generation contributed by randomly intermittent sources has been relatively small and caused little difficulty. It is sufficient to note that at some level of supply the cost of operating stand by plant would become prohibitive. Such plant would be needed especially in the four or five times in the winter when the country is covered by a large, cold high-pressure system with little or no wind. 

This conclusion runs counter to that of a three-year study by Forum for the Future, an environmental charity, where researchers investigated the possibility of sourcing 30 per cent of electricity from renewable sources by 2020 and of increasing combined heat and power schemes. If half of the contribution came from wind, about 24GW of turbine capacity would be needed plus a correspondingly large capacity of conventional plant for stand by purposes. Clearly there is a practical and economic limit to such enthusiasms. 

3.4 Netz-Betrachtungen 
Das britische Stromversorgungssystem besteht aus einem 400 kV- Hochspannungsnetz (Abbildung 3), das die großen Energiemengen über Hauptverteilerstationen an die Nieder-Spannungs-Verteiler liefert. Das Hinzutreten von regenerativen und anderen Stromerzeugungen, eingebettet in Leitungsnetze mit niedriger Spannung (lokale Verteilung) vermag die Notwendigkeit, große Energiemengen über das Stromnetz zu schicken, nicht zu ändern und könnte diese sogar vergrößern. Die unterschiedlichen Formen eingebetteter Kraftwerke sind mit Leitungssystemen verbunden, welche in strahlenförmiger Ausformung entwickelt und betrieben werden und die nicht dafür entworfen wurden, aktiven (hier: dezentralen) Energiequellen zu dienen. Dies hat historische Wurzeln mit dem Ziel einer Minimierung der Infrastrukturkosten. Mehr eingebettete Kraftwerke erhöhen die örtlichen Fehlermöglichkeiten und führen entsprechend früher oder später zur Notwendigkeit größerer Schalteinrichtungen wie auch zur Überarbeitung der Sicherheitssysteme.

Darüberhinaus und als Folge dieser Entwicklung sind die Verteilungsnetze hinsichtlich der Stromverteilungskapazität von der Hauptverteilerstation bis zum Endabnehmer oft immer feiner verästelt - ganz ähnlich einem Straßen- oder Wasserver- sorgungsnetz. Viele Kraftwerke auf Basis erneuerbarer Energien, z.B. Windkraftwerke, stehen weit entfernt von den Hauptverteilerstationen und näher zu den Endpunkten des Netzwerks (an sog. Netzausläufern) mit der Folge von Schwierigkeiten der Stromweiterleitung wegen begrenzten Möglichkeiten, geeignete Anschlußpunkte und Schaltkapazitäten zu finden. 

Die Wind- und Wellen-Energieressourcen in Nordwest- Schottland sind sehr groß, aber die Weiterleitungsmöglichkeiten südwärts zu den schottischen Märkten für elektrische Energie sind nicht ausreichend gegeben oder nicht vorhanden und jene von Schottland zu den größeren englischen Märkten werden bereits bis an die Kapazitätsgrenzen genutzt. 

Die Schottland/England-Netzkupplung hat nur eine Kapazität von 1.600 MW, sie wird allerdings auf 2.200 MW erweitert. Recht große Investitionen in die Verstärkung und Erweiterung des Überland-Leitungsnetzes sind erforderlich, um diese Einschränkungen zu beseitigen. Bemühungen, die Baurechte für die Errichtung derartiger neuer Leitungsnetze zu erhalten, wird entschlossener und lang andauernder Widerstand von Umweltgruppierungen entgegenstehen.
 

3.4 Network considerations
The UK power system is characterised by a 400kV Grid Transmission system (Fig.3) that delivers the large flows of power through bulk supply points to the low voltage distributors. The arrival of renewable and other embedded generation may not alter the need for bulk transfers of power along the transmission network and could even lead to their increase.
The various forms of embedded generation are connected to distribution networks that are designed and operated in radial configurations and are not designed to accommodate active sources of energy.  This historic practice is based on the aim of minimising infrastructure costs. Embedded generation adds to local fault levels and hence, sooner or later leads to the need for larger switchgear as well as the restructuring of the protective systems. 

In addition and as a consequence of this design practice, the distribution networks are often tapered in power flow capacity from the bulk supply point down to the customer in much the same way as a road or water network. Much renewable generation, e.g. wind, is sited away from the bulk supply points and nearer to the ends of the network, hence the difficulties in finding suitable connection points on the joint grounds of limited power flow and switchgear capacity. 

The wind and wave resources in NW Scotland are very large, but transmission capabilities southwards to the Scottish markets for electrical energy are inadequate or non-existent and those from Scotland to the larger English markets are already being used to capacity. 

The Scotland/England interconnector has only a capacity of 1,600 MW, although this is being enhanced to 2,200 MW. To remove these limitations will require major investment in reinforcing and expanding the transmission grid.  Gaining rights of way to build such new circuits will face determined and prolonged opposition from environmental groups. 
 

Schlußfolgerungen
Die gegenwärtige Elektrizitätsversorgung von hoher Qualität in Großbritannien ist das Ergebnis von immensen finanziellen und geistigen Investitionen, die über viele Jahre erbracht wurden. Die Bedeutung, eine Stromversorgung von hoher Qualität beizubehalten, wird vielleicht nicht von denjenigen gewürdigt, die über die Zukunft der Energieversorgung in Politik-, Wirtschafts- und Umweltkreisen debattieren. Aber ohne eine Stromversorgung von hoher Qualität ist die Unterhaltung einer modernen Industriegesellschaft nicht möglich.

Im Hinblick auf die künftige Zusammensetzung der elektrischen Energieversorgung muß eine Reihe von Themen angegangen werden, sofern ein bedeutender Anteil von Kraftwerken auf Basis erneuerbarer Energien eingeschlossen werden soll.

  • Systemsicherheit und Stromversorgungqualität zu gewährleisten wird bei einem großen Anteil an erneuerbarer Energie sehr viel schwieriger sein. Neue geeignete Strukturen zur Informationssammlung und Entscheidungshilfen für Stromerzeuger und Steuerungsmaßnahmen für Verteilernetze werden erforderlich werden.
  • Ohne weitere erhebliche Investitionen in Nieder- spannungs-Netze wird die Zahl der See-,Wind- und Wellenkraftwerke in Großbritannien und Wales begrenzt bleiben.
  • Ohne weitere recht bedeutende Investitionen in 400 kV- Hochspannungs-Verbindungen zwischen Schottland und Großbritannien und auch in Schottland selbst werden die großen Reserven an Wind- und Wellenenergie in Nordwest Schottland niemals genutzt.
Schließlich, mit Blick auf diese technischen und anderen Schwierigkeiten, die das Elektrizitätsversorgunssystem für die Ausweitung der Nutzung der erneuerbaren Energien mit sich bringt, muss die Frage gestellt werden, ob der Direktanschluß an das Elekrizitätsversorgungsnetz längerfristig der zweckmäßigste Weg ist, oder ob es andere Lösungen für die so gewonnene Elektrizität gibt, vielleicht in der Form von Energiespeicher-
Verfahren oder von alternativer chemischer Kraftstoffherstellung.
4. CONCLUSIONS
The present high quality power supply in the UK is the result of immense capital and intellectual investment over many years. The importance of maintaining high quality power supplies is perhaps not appreciated by those who debate the future of the electricity supply industry in political, economic and environmental circles, yet without high power supply quality the operation of a modern industrialised society is not possible. 

Several issues need to be addressed with regard to the future mix of generating capacity if a significant proportion of renewable generating plant is to be included. 

  • System security and power supply quality will be much more difficult with a high proportion of renewables. New appropriate structures for information gathering, decision support for generators and control actions on distribution networks will be required.
  • Without further major investment in low voltage networks the offshore wind and wave resources in England and Wales will be limited.
  • Without further major investment in high voltage 400kV transmission links between Scotland and England and also in Scotland, the large wind and wave resources in NW Scotland will never be exploited.

  •  
Finally in view of these technical constraints and others imposed on the extent of renewable energy exploitation by the electricity supply system, the question has to be asked as to whether direct connection to the electricity system is the most appropriate way forward in the longer term, or whether there are other outlets for the electricity so generated, perhaps in the form of energy storage schemes or in alternative chemical fuel manufacture.

 

Abbildung 3: Elektrizitätsversorgungsnetz, Stand 1. April 1999

Notes:
[1] “National Grid and distributed generation”, NGC Publ., 2001.
[2] DTI (2000). “Energy Projections in the UK”, Energy Paper 68, The Stationary Office. http://www.dti.gov.uk/energy/ep68_final.pdf
[3] Taking an average wind farm load factor to be about 28%, then one TWh would be produced from some 400 – 420 MW of wind turbine capacity.
[4] NGC  7 Year Statement (01/02 –07/08), Appendix C3, ‘Benefits of an Interconnected Power System’
[5] Frequency is measured in hertz, abbreviated to Hz, 50 Hz = 50 cycles per second
[6] http: www.eltra.dk/media/1030_12969.xls

Übersetzung: D. Rostock,  fax 02235-692226, Dez. 2001
02.01.2002http://WilfriedHeck.tripod.com