Aktiv- und Blindleistung: Das Intro, das Sie brauchten

Haben Sie sich jemals in ein Gespräch verwickelt, in dem „reaktive Energie“ wie Konfetti herumgeworfen wird und Sie nur so tun, als würden Sie alles mitbekommen? Stellen wir sicher, dass Sie beim nächsten Mal getrost mitmachen oder einige gängige Missverständnisse ausräumen können.

In diesem Blog wollen wir grundlegende Konzepte im Bereich der Wirk- und Blindleistung konkretisieren und ihre Bedeutung in der Welt um uns herum erklären.

Fangen wir mit den Grundlagen an

Die „Angemessenheit“ der elektrischen Leistung hängt von der Spannung (Amplitude) und der Frequenz ab. Störungen bei einer oder beiden dieser Maßnahmen wirken sich auf die Zuverlässigkeit aus.

Frequenz

Die Frequenz bleibt nicht konstant bei exakt 50 Hertz. Die Frequenz steigt, wenn das Energieangebot die Nachfrage übersteigt und umgekehrt. Dieses empfindliche Gleichgewicht ist wichtig, da Abweichungen von den festgelegten Sicherheitsgrenzwerten zu Fehlfunktionen von Haushaltsgeräten führen können. Ihr Kühlschrank könnte beispielsweise einfach nicht mehr funktionieren und kaputt gehen, wenn die Frequenz dramatisch ansteigt.

Aus diesem Grund ist die Frequenzkontrolle von entscheidender Bedeutung, und den Netzbetreibern wird die Verantwortung übertragen, die Frequenz unter Kontrolle zu halten.

Spannung

Während Frequenz im Stromversorgungssystem ist aufgrund seiner Konsistenz im gesamten Netz relativ einfach zu verwalten, Spannung stellt aufgrund seiner lokalen Eigenschaften eine komplexere Herausforderung dar. Diese Komplexität ist auf die einzigartigen Eigenschaften von Übertragungsleitungen und die Rolle der Blindleistung zurückzuführen, die zu Schwankungen des Spannungspegels führt. Aus diesem Grund können Sie in Ihrer Straße 230 Volt haben, während die Hauptstraße der Nachbarstadt eine andere Spannung hat. Und diese unterschiedlichen Spannungen können schädlich sein. Hochspannung bedeutet höhere Ströme, und diese beschädigen Geräte oder führen zu einem Ausfall der Isolierung von Anlagen, die nur bis zu einem bestimmten Spannungsmaximum ordnungsgemäß funktionieren. Niederspannung führt zu einer verringerten Leistungsabgabe und in der Folge zu leistungsschwachen Maschinen oder zum Ausfall elektronischer Schaltungen.

Lassen Sie uns die Begriffe aufschlüsseln:

• Aktive Leistung. Die für nützliche Arbeiten in Stromkreisen verwendete und verbrauchte Leistung wird in Watt (W) gemessen.
• Blindleistung. Leistung, die zwar nicht zur Leistung des Geräts beiträgt, das für den Betrieb Strom verbraucht, aber notwendig ist, um die Spannung auf dem erwarteten Niveau zu halten und die Übertragung der Wirkleistung, gemessen in Volt-Ampere Blindleistung (VAR), zu erleichtern.
• Scheinbare Leistung. Kombinierte Summe aus Wirk- und Blindleistung, die der tatsächlichen Energie entspricht, die unsere Netze transportieren. Die Scheinleistung kann als Vektorsumme dargestellt werden und wird in Voltampere (VA) gemessen.
• [Extra] Leistungsfaktor. Der Leistungsfaktor — oft auch als „Cosinus phi“ oder „cos (φ)“ bezeichnet — steht für das Verhältnis von Blindleistung zu Wirkleistung in einem elektrischen System und ist eine Zahl zwischen 0 und 1. Ein Leistungsfaktor von 1 bedeutet, dass keine Blindleistung vorhanden ist, was optimal ist, während Werte, die näher an Null liegen, einen höheren Blindleistungsanforderungen signalisieren.

Abbildung 1. Eine visuelle Darstellung der Wirkleistung, der Blindleistung, der Scheinleistung und des Verhältnisses zum Leistungsfaktor

Lassen Sie uns in einer Bootsanalogie rudern:

Stell dir vor, du ruderst ein Boot. Die Kraft, die du auf die Ruder ausübst und das Boot in die Richtung schiebst, in die du fahren möchtest, ist wie eine aktive Kraft — sie erreicht direkt dein Ziel, dich vorwärts zu bewegen. Um das Boot jedoch auf Kurs zu halten und der Strömung Rechnung zu tragen, müssen Sie Ihr Ruderverhalten systematisch anpassen. Diese kontinuierlichen Anpassungen sind zwar nicht dazu gedacht, das Boot vorwärts zu treiben, sind aber für eine reibungslose Fahrt unerlässlich. Dies ist vergleichbar mit Blindleistung — sie trägt nicht direkt zur Stromversorgung Ihres Hauses bei, ist aber unerlässlich, um sicherzustellen, dass das elektrische System effizient und zuverlässig funktioniert.

Genau wie der Aufwand, der erforderlich ist, um die Strömung des Wassers in dieser Analogie zu kompensieren, hat der Strom, der die Blindleistungskomponente induziert, zwei Richtungen, „stromaufwärts“ und „stromabwärts“. In elektrischen Systemen wird Blindleistung auch durch zwei elektrische Komponenten induziert, die „kapazitive“ und die „induktive“. Und es ist möglich, den Bedarf an Blindleistung zu senken, indem Blindkomponenten in entgegengesetzter Richtung hinzugefügt werden („kapazitive“ Leistung auf „induktive“ Leistung und umgekehrt, so wie sich Ströme vor- und nachwärts gegenseitig aufheben können).

Blindleistung in unserem Netz muss ebenfalls übertragen werden, um die kontinuierliche Bereitstellung ausreichender Wirkleistung zu gewährleisten. Infolgedessen trägt die Blindleistungskomponente zu Verlusten in den Verteilungsleitungen bei und verringert die Verfügbarkeit von Wirkleistung.

Deshalb suchen Netzbetreiber nach Möglichkeiten, die reaktive Komponente so gut wie möglich auszugleichen. Da Blindleistung an Spannung gebunden ist, kann der Ausgleich der Blindleistung eine „lokale“ Netzdienstleistung sein. Im Gegensatz dazu werden Dienste wie Trägheit oder Frequenz, die das gesamte System betreffen, als „globale“ Netzdienstleistungen betrachtet.

Wichtige Erkenntnisse:

• Frequenz auf dem Netz wird beeinflusst durch das Verhalten des Gleichgewichts von Wirkleistung und wird weltweit verwaltet.
• Spannung wird beeinflusst durch das Gleichgewicht von Blindleistung, die wir lieber nicht übertragen und die lokal verwaltet werden können.

Stabile Netze ohne Stromsteuerung sind ein Märchen

... und ein langweiliger, wenn du mich fragst

Man kann jetzt mit Sicherheit sagen, dass Wirk- und Blindleistung eine große Rolle für die Stabilität unserer Netze spielen. Aus diesem Grund sprechen die für den Betrieb und die Wartung der Netze verantwortlichen Parteien ständig über diese Konzepte. Für Hochspannungsnetze und Frequenzsteuerung sind die sogenannten Übertragungsnetzbetreiber oder ÜNB (z. B. Elia für Belgien) zuständig. Auf der anderen Seite haben wir Nieder- und Mittelspannungsnetze, die von den Verteilnetzbetreibern oder VSOs (z. B. Fluvius für Flandern) verwaltet werden. Sie sitzen auch auf dem Fahrersitz von lokal Spannungssteuerung.

Sowohl Übertragungsnetzbetreiber als auch VNB richten Systeme ein, um das Netzungleichgewicht und die Überlastung unserer Netze zu bekämpfen. Der ÜNB verfügt beispielsweise über eine Reihe von Nebendiensten, die er aktiviert, um die Stabilität des Stromnetzes aufrechtzuerhalten. Diese Dienste aktivieren aktive und/oder reaktive Energie auf flexible Weise (auch als Demand-Side Flexibility oder DSF bezeichnet). Wie Sie in Abbildung 2 und Abbildung 3 sehen können, sind diese Zusatzdienste oft recht lukrativ, aber nicht überall gleichermaßen zugänglich.

Abbildung 2. Gesamtausgaben für Märkte.

Abbildung 3. Zugang zu diesen Märkten durch Flexibilität auf der Nachfrageseite (DSF).

Aber auch die Netzbetreiber versuchen, solche Dienste zu aktivieren, um DSF sowohl für die aktive als auch für die Blindleistung zu nutzen, um ihre Netze in Spitzenzeiten zu entlasten und Netzstaus zu bekämpfen. Fluvius, der flämische VNB, experimentiert beispielsweise mit einer Plattform, die sich auf die Aktivierung von Wirk- und Blindleistung konzentriert, um die Netze gesund zu halten. Die Standorte, an denen Flexibilität bei der Blindleistung in Flandern derzeit eine wichtigere Rolle spielt, sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. Wichtige Standorte für Flexibilität bei reaktiven Energien in Flandern. Quelle.

Elia macht das Gleiche; sie entwickeln ein Instrument, um die Netzanforderungen für die absehbare Zukunft zu verstehen und vorherzusagen. Dieses Instrument wird verschiedene Maßnahmen vorschlagen, um einen optimalen Spannungsplan für das Hochspannungsnetz zu erstellen, das voraussichtlich von den Winter 2024/2025.

Letzte Worte, mit einem Hauch von Latein

Im komplizierten Tanz der Stromnetzstabilität ist Blindleistung die sine qua non (Übersetzung: unabdingbare oder unabdingbare Voraussetzung) zur Sicherstellung der Spannungsregulierung und des reibungslosen Wirkleistungsflusses.

Das Gleichgewicht zwischen Wirk- und Blindleistung ist für die Stabilität und Effizienz unserer Stromnetze unerlässlich. Wirkleistung deckt unseren täglichen Bedarf, während Blindleistung und deren Steuerung das System ausgewogen und effizient halten. Dieses Gleichgewicht, das von Übertragungsnetzbetreibern und VNB über fortschrittliche Nebendienste verwaltet wird, unterstützt die Integration erneuerbarer Energien und die Einführung nachfrageseitiger Flexibilität, die für eine nachhaltige Energiezukunft von entscheidender Bedeutung sind.

Wir bei Powernaut haben es uns zur Aufgabe gemacht, die Vielseitigkeit von Aktiv- und Blindenergie in Haushalten und Niederspannungsanlagen zu nutzen, um diese Probleme zu lösen. Unsere Bemühungen tragen nicht nur zur Stabilisierung von Spannung und Frequenz im gesamten Netz bei, sondern befähigen auch die Verbraucher, eine zentrale Rolle im breiteren Energieökosystem zu spielen.