Neue Wege der Netzstabilität: Einblick in den deutschen SRL-Markt und die Auswirkungen von PICASSO

Die Regelenergie in Deutschland - Einführung

Kernaspekte unseres Stromnetzes

Die Aufrechterhaltung eines ausgewogenen Verhältnisses zwischen Energieerzeugung und -nachfrage bilden das Rückgrat unseres Stromnetzes. Die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) spielen dabei eine zentrale Rolle, indem sie die Verantwortlichkeiten auf viele Bilanzkreise aufteilen. Jeder Bilanzkreisteilnehmer gewährleistet das Gleichgewicht von Energieproduktion, Verbrauch und Handel in seinem Bilanzkreis und gibt eine Vorhersage der geplanten Netzaktivitäten in 15-Minuten-Intervallen für den folgenden Tag ab.
Die Herausforderung liegt in der Natur der Prognosen selbst – sie können niemals absolut präzise sein. Dies führt zu der entscheidenden Frage: Wie gehen wir mit Abweichungen von diesen Vorhersagen um? Welche regulatorischen und technischen Mechanismen stehen zur Verfügung, um den Energiefluss effizient und flexibel zu steuern? Taucht man in diese Fragestellung tiefer ein, offenbart sich schnell die Komplexität und Dynamik in der Steuerung moderner Stromnetze.

Regelreserve

Die ÜNB sorgen für die Stabilität des Stromnetzes, indem sie sogenannte Regelreserve oder auch Regelenergie bereitstellen. Diese Reserve ist für die Bewältigung unvorhergesehener Ereignisse wie Kraftwerksausfälle, Schwankungen der Stromnachfrage und Prognosefehler unerlässlich, um die Stabilität und Zuverlässigkeit des Netzes zu gewährleisten.
Ziel der Aktivierung der Regelenergie ist es, die Netzfrequenz bei 50 Hertz zu halten. Um dies zu erreichen, müssen verschiedenen Arten von Regelenergie dynamisch und zeitlich koordiniert werden.
Gemäß den Richtlinien von ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity) arbeiten die deutschen ÜNB nach bestimmten Zeitplänen, die den verschiedenen Notfallebenen entsprechen:

Es ist wichtig zu betonen, dass verschiedene Stromerzeugungseinheiten unterschiedliche Fähigkeiten zur Bereitstellung von Regelleistung haben. Thermische Kraftwerke haben zum Beispiel Schwierigkeiten mit schnellen Aktivierungszeiten, während für stationäre Batteriespeichersysteme (BESS) längere Bereitstellungszeiträume möglicherweise nicht wirtschaftlich sind. Diese unterschiedlichen Fähigkeiten machen deutlich, wie wichtig ein ausgewogener Ressourcenmix ist, um die unterschiedlichen Anforderungen an die Regelleistungserbringung effektiv zu erfüllen.

Im Kontext der jüngsten regulatorischen Veränderungen, die durch Initiativen wie das Projekt PICASSO in Europa ausgelöst wurden, wollen wir in diesem Artikel die sich verändernde Marktlandschaft der SRL, auch bekannt als Sekundärreserve eingehender beleuchten. In der Vergangenheit schränkten regulatorische Hürden die Teilnahme für BESS an diesem Markt ein, doch die überregionalen Anpassungen der Sekundärreserve hat in mehreren europäischen Ländern zur Einführung von speicherkompatiblen Marktregeln geführt. Diese transformative Veränderung der Vorschriften rückt SRL in den Mittelpunkt des Interesses für BESS, denen sich nun die Möglichkeit bietet, aktiv an der Bereitstellung von SRL teilzunehmen und von den aufkommenden Chancen zu profitieren.

Die Sekundärregelleistung im Detail

Die Sekundärregelleistung (SRL) spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Stabilität unseres Stromnetzes und zur Vermeidung von Brownout oder Blackout-Szenarien.

Ein Brownout ist ein vorübergehender Spannungsabfall in einem Stromversorgungssystem, der dazu führt, dass das Licht gedimmt wird oder die verfügbare Gesamtleistung sinkt. Er wird oft absichtlich von Netzbetreibern in Zeiten hoher Nachfrage verursacht, um einen kompletten Stromausfall zu verhindern. Bei einem Stromausfall funktionieren elektrische Geräte aufgrund der geringeren Spannung möglicherweise nicht optimal, aber der Strom wird nicht vollständig abgeschaltet. Ein Blackout hingegen ist der totale Zusammenbruch des Stromnetzes!

Betrachten wir zunächst die verwendete Terminologie, um die einzelnen Begriffe und ihre Bedeutung für unser Stromnetz besser zu verstehen. Die internationale Bezeichnung der SRL lautet aFRR - Automatic frequency restoration reserve, also in etwa “automatische Reserve zur Frequenzwiederherstellung”.

SRL Leistungs- und Arbeitsmarkt - Die Auktionsmechanismen

Die Übertragungsnetzbetreiber organisieren Auktionen, bei denen Marktteilnehmer wie Erzeugungsanlagen, Batterien und auch Verbraucher aufgefordert werden, ihre Flexibilitätsleistungen gegen eine finanzielle Entschädigung anzubieten.

Im Gegensatz zu beispielsweise PRL (Primärregelleistung) ist die SRL (Sekundärregelleistung) bidirektional. Das bedeutet, dass Marktteilnehmer wählen können, ob sie für positive oder für negative Regelleistung  bieten möchten. Weiterhin ist der SRL-Markt ist zweigeteilt und besteht aus dem Leistungs- und dem Arbeitsmarkt. Obwohl es sich bei beiden Märkte um Auktionen handelt, unterscheiden sie sich erheblich.

Der Leistungsmarkt
Der Leistungsmarkt (manchmal auch Kapazitätsmarkt genannt) hat zum Ziel sicherzustellen, dass ausreichende Ressourcen zur Verfügung stehen, um die potenzielle Nachfrage nach SRL zu decken. Die Bieter erhalten eine Vergütung für die Leistung, die sie als Reserve zusagen.

Die Teilnahme am Leistungsmarkt fordert, dass die Teilnehmer auch am Arbeitsmarkt mit mindestens derselben Leistung teilnehmen. In der Praxis können die Bieter über den Preis, den sie auf dem Arbeitsmarkt bieten, steuern, ob sie auf diesem Markt aktiviert werden. Wenn jedoch ein Bieter der einzige ist, der auf dem Leistungsmarkt bietet (und den Zuschlag erhält), und niemand sonst auf dem Arbeitsmarkt bietet, wird dieser Bieter (bei Bedarf) unabhängig von dem Preis, den er auf dem Arbeitsmarkt bietet, aktiviert.

Der Leistungsmarkt besteht aus 6 Blöcken pro Liefertag, jeweils mit einer Dauer von 4 Stunden. Die Gebotsannahme schließt um 09:00 MEZ/MESZ D-1. EFA steht für Electricity Forward Agreement und bezieht sich auf Lastprofile im Zusammenhang mit dem Handel auf den Strommärkten.

Der Arbeitsmarkt
Der Arbeitsmarkt (auch Energiemarkt genannt) konzentriert sich auf die tatsächliche Bereitstellung von SRL-Diensten. Im Gegensatz zum Leistungsmarkt werden die Marktteilnehmer für die tatsächliche Energielieferung vergütet. Der Liefertag ist in 15-Minuten-Einheiten (Lieferperioden) unterteilt und die Gebote können bis 25 Minuten vor Beginn einer Lieferperiode abgegeben und geändert werden. Nach dem Zeitpunkt des "Gate-Closures" wird die Rangfolgeliste (auch Merit-Order-Liste genannt) festgelegt und kann nicht mehr geändert werden. In dieser Rangfolgeliste, die für jeden 15-Minuten-Zeitraum existiert, erfolgt alle 4 Sekunden eine Auktion und der Clearingpreis ändert sich entsprechend den Bedarfsanforderungen für eine SRL, die von den ÜNB festgelegt werden. Konzeptionell ermöglicht der Marktmechanismus den Marktteilnehmern, ihre Opportunitätskosten für die Aktivierung bis zu einer 15-Minuten-Auflösung festzulegen. Dann werden je nach dem Bedarf an SRL alle Marktteilnehmer in einem Pay-as-clear-Bietsystem entschädigt.

Die folgende Animation zeigt, wie sich der Clearingpreis für SRL-Negativ in einem bestimmten 15-Minuten-Lieferzeitraum ändert.

Im Folgenden wird das Konzept des Clearings der Auktion für jedes 4-Sekunden-Intervall sowie der Einfluss von Änderungen in der Nachfrage auf den Clearingpreis und die Aktivierung der Marktteilnehmer grafisch dargestellt.

Für detaillierte Informationen zum SRL-Optimierungsproblem verweisen wir auf die Veröffentlichung [6].

Regulatorische Anforderungen für den SRL-Markt

Die folgende Tabelle bietet eine Zusammenfassung der wesentlichen Markteigenschaften und hebt die wichtigsten Unterschiede zwischen dem SRL-Leistungs- und Arbeitsmarkt hervor.

Mindestanforderungen für die benötigte Speicherkapazität bei BESS

Um die regulatorischen Anforderungen für den SRL-Markt umfassend zu verstehen, ist es entscheidend, sich mit den spezifischen Einschränkungen auseinanderzusetzen, denen "Reserve Providing Units" (RPUs), insbesondere solche mit begrenzter Energiespeicherung wie BESS, gegenüberstehen.
Für BESS ist es eine Herausforderung, kontinuierlich Regelreserven bereitzustellen. Je länger die Produktzeitscheibe ist, desto komplexer wird es, den SoC (State of Charge) der Batterie in einem geeigneten Bereich zu halten, um die erforderliche Leistung zu erbringen.
Kürzlich vorgenommene regulatorische Anpassungen im Rahmen der PICASSO-Reform haben die Dauer im SRL-Energiemarkt erheblich von 4 Stunden auf 15 Minuten verkürzt. Weitere Einblicke in diese entscheidenden regulatorischen Änderungen werden im nächsten Abschnitt behandelt.
Bei der SRL-Teilnahme sind für BESS minimale Energiespeicherkapazitäten festgelegt:

• Bei Teilnahme an beiden Märkten für Leistung und Arbeit: Es muss genügend Energie für eine Pufferzeit von 60 Minuten für jeweils Laden und Entladen bei voller gebotener Leistung vorgehalten werden.
• Wenn eine RPU nur am Arbeitsmarkt bietet: Es muss genügend Energie für eine Pufferzeit von 15 Minuten für jeweils Laden und Entladen bei voller gebotener Leistung vorgehalten werden.

💡 Wie bereits diskutiert ist es wichtig zu beachten, dass bei Geboten im Leistungsmarkt auch Gebote im Arbeitsmarkt abgegeben werden müssen. Das Abgeben von Geboten nur im Arbeitsmarkt ist jedoch möglich!

Anwendungsfall für BESS: Umgestaltung durch PICASSO

PICASSO, was für Plattform zur internationalen Koordination der automatischen Frequenzwiederherstellung und stabilen Systembetrieb steht, zielt in erster Linie darauf ab, den Austausch automatischer Aktivierung von Stromreserven zwischen ÜNBs zu erleichtern, um die Systemfrequenz auf ihr nominelles Niveau wiederherzustellen. Aktuell sind 26 ÜNBs aus 23 Ländern an diesem Projekt beteiligt.

Die Einführung einer einheitlichen Plattform ermöglicht die Standardisierung nationaler SRL-Produkte. Die Hauptziele der PICASSO-Reform lassen sich wie folgt beschreiben:

• Reduzierung der Ausgleichskosten durch die Implementierung der SRL-Aktivierung auf der Grundlage einer länderübergreifenden Optimierung.
• Steigerung der Menge an verfügbarer Ausgleichsenergie für jeden ÜNB, was sich positiv auf die Versorgungssicherheit und die Integration erneuerbarer Energien in elektrische Systeme auswirkt.
• Verbesserung der grenzüberschreitenden Verknüpfungen der Stromnetze, insbesondere nach Abschluss der Handelsaktivitäten am Intraday-Markt.

Fazit

Diese Studie untersucht die Rahmenbedinungen für BESS an der SRL, indem ein Einblick in die Funktionsweise des Marktes gegeben wird, beginnend beim Auktionsmechanismus bis hin zu den regulatorischen Anforderungen und Einschränkungen. Der Artikel beleuchtet auch, wie das jüngste PICASSO-Projekt die Teilnahme von BESS an diesem Markt reformiert hat, was zu einer besseren Netzstabilisierung und Integration erneuerbarer Energiequellen führt. Diese regulatorischen Reformen auf gesamteuropäischer Ebene senken die Kosten für die Stabilitätserhaltung des Stromnetzes und sind ein wichtiger Schritt in Richtung eines nachhaltigeren und widerstandsfähigeren Energiesystems.