Resilienz für die Energiewende

Mit dem Umbau des Energiesystems rückt die Frage nach Versorgungssicherheit und Flexibilität stärker in den Fokus. So sollen vor allem Gaskraftwerke die Versorgungssicherheit gewährleisten. Dem Maschinenbauer Rolls-Royce geht das nicht weit genug. Er setzt zudem auf modulare Gasmotoren, Batteriespeicher und Systeme für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Sie können erneuerbare Energien integrieren, Lastsprünge abfedern und die Resilienz der Stromversorgung erhöhen.

So will das Unternehmen auch mit Gasmotorenkraftwerken einen Beitrag zur Kraftwerksstrategie der Bundesregierung leisten. Bekanntermaßen sollen bis 2031 rund 12.000 MW an Kraftwerksleistung in Deutschland neu errichtet werden. In erster Linie sind dabei Großkraftwerke mit Gasturbinen angedacht. Doch sehen die Manager von Rolls-Royce Power Systems mit Sitz in Friedrichshafen auch Chancen für ihre Gasmotorenanlagen, wie bei einem Pressetermin in Essen zu hören war.

„Versorgungssicherheit muss nicht zwingend durch große Kombikraftwerke mit mehreren Hundert MW gewährleistet sein“, sagte Michael Stipa, Senior Vice President Geschäftsentwicklung & Produktmanagement Stationäre Energielösungen bei Rolls-Royce Power Systems. Denn die von seinem Unternehmen vorgestellten Gasmotoren hätten einige Vorteile gegenüber den Gasturbinen,
Modulare Anlagen mit einer Leistung von beispielsweise 30 MW, die aus mehreren Einzelaggregaten bestehen, könnten zur Absicherung beitragen. Die Aggregate lassen sich je nach Bedarf einzeln zuschalten. Wird nur ein Teil der Gesamtleistung benötigt, bleibt ein entsprechender Anteil der Motoren abgeschaltet. Dadurch kann der Betrieb im Teillastbereich effizienter gestaltet werden.

Während große Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke im Volllastbetrieb elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60 Prozent erreichen, liege der elektrische Wirkungsgrad moderner Gasmotoren immerhin bei rund 44 Prozent, so Stipa weiter. Modulare Motoranlagen können flexibler betrieben werden und bieten zudem Vorteile hinsichtlich der Redundanz und Resilienz.

Schlüsselfertige Anlagen

Die schlüsselfertigen Anlagen von Rolls-Royce decken nach Unternehmensangaben ein Leistungsspektrum von 5 bis zu mehreren Hundert MW ab. Sie sind als H2-ready-Lösungen ausgelegt und damit für einen späteren Einsatz von Wasserstoff vorbereitet. Vorkonfigurierte, werksgeprüfte Module mit 10, 20 oder 30 MW sollen eine Inbetriebnahme innerhalb von 12 bis 18 Monaten nach Bestellung ermöglichen.

Ein weiterer Vorteil liegt laut Stipa in der Serienfertigung. Das Unternehmen produziert jährlich mehrere Tausend Motoren. Das sei mit Blick auf das Zieljahr 2031 relevant, da im Kraftwerksbau fünf Jahre Planungs- und Bauzeit als kurzfristig gelten.
Beim Thema Dekarbonisierung betonte Stipa die Wasserstofffähigkeit der Anlagen. Aktuell können die Motoren bis zu 25 Prozent Wasserstoff beimischen.

Nachrüstsätze für 100 Prozent Wasserstoff befinden sich in der Entwicklung. Eine Pilotanlage mit 100 Prozent Wasserstoff wurde im Sommer des Vorjahres in Duisburg in Betrieb genommen. Allerdings: Auch Biogas und Biomethan können als Brennstoff für die Gasmotoren eingesetzt werden.

Stipa verwies als positives Beispiel auf den britischen Markt. Dort seien erhebliche Kapazitäten für kurzfristige Reserveleistung aufgebaut worden. Installiert wurden rund 500 Aggregate mit jeweils etwa 2,5 MW, insgesamt also rund 1.250 MW. „Diese Anlagen können innerhalb von 90 bis 120 Sekunden von null auf Volllast hochfahren“, sagte Stipa. Sie seien auf häufige Starts ausgelegt und unterschieden sich damit von klassischen Großturbinen, die nur wenige Starts pro Jahr absolvieren.

Dezentrale Gasmotorenkraftwerke könnten die Netzresilienz erhöhen und die Integration erneuerbarer Energien unterstützen. Statt weniger großer, zentraler Einheiten basiere das Konzept auf zahlreichen kleineren Aggregaten, die je nach Bedarf einzeln zu- oder abgeschaltet und im jeweils optimalen Lastbereich betrieben werden.

Zur Dezentralität kann auch der Einsatz von Notstromaggregaten beitragen, wie sie an Flughäfen, Rechenzentren oder Krankenhäusern zu finden sind. Diese werden in der Regel mit Dieselkraftstoff betrieben. Stipa betonte, dass „Diesel“ dabei durchaus historisch zu verstehen sei, da die Motoren auch mit alternativen Kraftstoffen wie mit dem aus Pflanzenreststoffen gewonnenen HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) betrieben werden können. Die Anlagen können im Markt für Sekundärregelleistung vermarktet werden, mit einer Einsatzdauer von bis zu 50 Stunden pro Jahr.

Eigentümer erhalten eine fixe Vergütung

Die Eigentümer erhalten dabei eine fixe Vergütung, Betriebs- und Wartungskosten werden im Abruffall übernommen. Im Notfall hat die Eigenversorgung Vorrang. Voraussetzung sind Einheitenzertifikate und die Einhaltung technischer Anschlussregeln.

„Wahre Resilienz entsteht durch Dezentralität, nicht durch Zentralisierung. Ein Energiesystem, das auf vielen verteilten modularen Erzeugungseinheiten basiert, ist weniger anfällig für großflächige Störungen und Engpässe“, so Stipa.

Ein weiterer Bereich, der ebenfalls zur Resilienz bei der Stromversorgung beitragen kann, sind Batteriespeicher. Auch hier hat Rolls-Royce Power Systems Lösungen für den Markt parat. Wie Christoph Webinger, Head of Kinetic Power Packs Power Solutions, sagte, unterscheide man im Unternehmen zwei Bereiche: Batteriespeicher als eigenständige Technik und Batteriespeicher als Bestandteil hybrider Systeme wie KWK.

Im Utility-Bereich, Webinger nannte die Anwendungen „vor dem Stromzähler“, werden Großspeicher eingesetzt. Sie dienen zur Integration von Wind- und Solarenergie, für Handel und Arbitrage sowie für Systemdienstleistungen von Übertragungs- und Verteilnetzbetreibern. „In den vergangenen zwei Jahren verlagerte sich der Fokus auf großskalige Speicher zwischen 50 und 500 MWh, auch wegen Skaleneffekten im Einkauf.“

Die Anlagen stehen auf Flächen in Fußballfeldgröße und bestehen aus standardisierten 20-Fuß-Containern mit jeweils rund 6 MWh Speicherkapazität und etwa 45 Tonnen Gewicht. Bei Projekten um 100 MW stellen neben der elektrischen Auslegung vor allem Transport und Logistik hohe Anforderungen.

Das zweite Feld für Batteriespeicher liegt im Gewerbe- und Industriebereich und „hinter dem Stromzähler“, so Webinger. Hier bestehen Synergien mit Blockheizkraftwerken, Notstromaggregaten und Photovoltaik. Die Wertschöpfung liege dabei weniger in der reinen Batterienutzung, sondern in der Integration, dem Projektmanagement und der Automationskompetenz, insbesondere mit Blick auf Netzstabilität und Cybersecurity.

Im Industrieumfeld hatte Rolls Royce etwa eine Molkerei und ein Logistikzentrum mit hybriden Systemen aus Blockheizkraftwerken, Photovoltaik, Notstrom und Speicher ausgestattet. In einem Rechenzentrum wurde ein gasbetriebenes Back-up-System mit Speicher kombiniert, um Umweltauflagen einzuhalten und die „Grid-Forming-Fähigkeit“ sicherzustellen.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung ist wichtig

Gerade in einem solchen Umfeld spiele die unterbrechungsfreie Stromversorgung eine zentrale Rolle, wie Michael Hierholzer sagte, Vice President Strategie, Geschäftsentwicklung & Produktmanagement Sustainable Power Solutions bei Rolls-Royce Power Systems. Er stellte rotierende USV-Systeme mit mechanischem Massenspeicher vor. Das System solle nicht nur den Übergang zwischen Netz- und Inselbetrieb absichern, sondern auch aktiv zur Netzstabilisierung beitragen.

Einsatzfelder sind neben Rechenzentren und Flughäfen auch Fertigungsbereiche in der Industrie, in denen selbst sehr kurze Spannungsabweichungen oder Frequenzschwankungen nicht tolerierbar sind. Die Systeme entkoppeln Netzstörungen und stellen auf der Verbraucherseite eine stabile Spannung bereit.
Die Rolls-Royce-Lösung ist dabei ein Schwungradsystem mit Synchrongenerator.

Schwungräder übernehmen schnelle Lade- und Entladezyklen ohne Alterung, Batterien ergänzen die länger anhaltende Leistung. Der mechanische Speicher arbeitet dabei berührungslos im Vakuum. Bei einem Netzausfall überträgt der gespeicherte Rotationsimpuls Energie auf den Generator und hält die Versorgung ohne Unterbrechung aufrecht.

„Im Normalbetrieb übernimmt das System zusätzliche Aufgaben wie Blindleistungsbereitstellung, Spannungshaltung sowie die Einspeisung von Kurzschlussleistung und Trägheit“, so Hierholzer. Damit kompensiert es fehlende rotierende Masse in Netzen mit einem hohen Anteil von Photovoltaik und Windenergie und erhöht die Versorgungssicherheit.