Grundlagen virtueller Kraftwerke und ihre zentrale Funktionsweise

Was sind virtuelle Kraftwerke (VPPs)?

Virtuelle Kraftwerke (VPPs) funktionieren als dezentrale Netzwerke, die verschiedene verteilte Energieressourcen wie Solaranlagen auf Dächern, Batteriespeicher und sogar Elektrofahrzeuge zu einem großen System zusammenführen, das auf die Anforderungen des Stromnetzes reagiert. Herkömmliche Kraftwerke können damit kaum mithalten, da VPPs auf ausgeklügelte Software- und Datenanalysewerkzeuge angewiesen sind, um zu steuern, wie viel Energie an verschiedenen, über große Gebiete verteilten Standorten erzeugt, gespeichert und genutzt wird. Ein Beispiel ist Deutschland, wo bereits 2023 ein virtuelles Kraftwerk rund 650 Megawatt an erneuerbaren Energiequellen steuerte. Dies zeigt, wie skalierbar diese Systeme sind, um schwankenden Strombedarf im Netz zu decken.

Wie VPPs verteilte Energieressourcen (DERs) aggregieren

VPPs koordinieren DERs durch den Echtzeit-Datenaustausch und ermöglichen so dynamische Reaktionen auf Netzbedingungen. Diese Aggregation umfasst:

Ressourcenart	Beitrag zu VPPs
Solar/Wind	Erzeugung erneuerbarer Energie
Batterien	Speichern Sie überschüssige Energie für den Spitzenbedarf
Ladegeräte für Elektrofahrzeuge	Ladezyklen während Engpässen anpassen

Durch die Bündelung dieser Anlagen reduzieren VPPs die Abhängigkeit von fossilen Spitzenlastkraftwerken. Ein Bericht des National Renewable Energy Laboratory aus dem Jahr 2024 stellte fest, dass gebündelte dezentrale Energiequellen bis zu 60 % der Spitzenlast in Netzen mit hohem Erneuerbaren-Anteil kompensieren können.

Die Rolle fortschrittlicher Steuerungssysteme in VPP-Betrieben

Heutige virtuelle Kraftwerke sind in ihren Operationen stark auf künstliche Intelligenz angewiesen. Diese intelligenten Systeme prognostizieren Energieverbrauchstrends, regeln den bidirektionalen Stromfluss über Netze hinweg und beteiligen sich sogar automatisch am Kauf und Verkauf von Elektrizität. Sie verarbeiten täglich enorme Mengen an Daten, um lediglich zu verhindern, dass das elektrische Netz instabil wird. Dies wird besonders wichtig, wenn Wind- und Solarenergie mehr als 40 % des Strommixes in bestimmten Regionen ausmachen. In einem jüngsten Testprojekt reduzierten spezielle internetverbundene Geräte Netzengpässe um rund 22 %. Dies wurde ganz einfach erreicht, indem man den prognostizierten Nachfragespitzen vorausblickte und entsprechend vorab Anpassungen vornahm.

Integration erneuerbarer Energien und Verbesserung der Netzstabilität

Ausgleich der Schwankungen von Solar- und Windenergie durch Echtzeit-Aggregation

Virtuelle Kraftwerke helfen dabei, die Schwankungen von Solar- und Windenergie zu steuern, indem sie alle diese verstreuten Energiequellen zu einem funktionierenden System zusammenführen. Diese Systeme nutzen ausgeklügelte Computerprogramme, die vorhersagen, wie sich das Wetter vermutlich als Nächstes entwickeln wird, und prüfen, wie viel Strom die Verbraucherinnen und Verbraucher aktuell benötigen. Anschließend leiten sie den Strom gezielt dorthin, wo er gerade erforderlich ist – beispielsweise wenn Wolken vorbeiziehen und die Solarpanele abdecken oder wenn der Wind nicht stark genug bläst. Bei Spannungseinbrüchen können intelligente Wechselrichter die Solarstromproduktion nahezu augenblicklich anpassen. Und wenn die Stromerzeugung zurückgeht, springen Gruppen von Batterien mit einer Reserveleistung von vier bis sechs Stunden ein. Laut einer Studie des Ponemon Institute aus dem Jahr 2023 reduziert diese Art der Koordination verschwendete erneuerbare Energie um etwa ein Fünftel und spart Energieversorgungsunternehmen jährlich rund 740.000 US-Dollar bei den komplexen Kosten für das Netzgleichgewicht.

Verbesserung der Netzstabilität und Reduzierung von Netzengpässen

Wenn die Energieverteilung durch virtuelle Kraftwerke dezentralisiert wird, hilft dies, jene unangenehmen Überlastungen im Stromnetz zu vermeiden, die entstehen, wenn alle gleichzeitig ihre Geräte einschalten. Speicherlösungen, die über verschiedene Standorte verteilt sind, können die überschüssige Solarenergie, die an sonnigen Nachmittagen erzeugt wird, aufnehmen und später am Abend, wenn der Bedarf ansteigt, wieder ins Netz zurückspeisen. Dadurch wird die Netzbelastung tatsächlich um etwa 31 Prozent reduziert, wie aktuelle Studien zeigen. Auch die neuen adaptiven Schutzsysteme sind ziemlich beeindruckend. Sie erkennen Probleme im Netz etwa 40 Prozent schneller als herkömmliche SCADA-Systeme, wodurch Stromausfälle auf bestimmte Bereiche begrenzt bleiben, anstatt sich flächendeckend auszubreiten. Ein Blick auf den Netzdokumentation-Bericht zur Netzdokumentation-Stabilität aus Deutschland im Jahr 2024 zeigt ein interessantes Bild. Regionen, die mit VPP-Technologie ausgestattet sind, verzeichneten einen Rückgang von Transformatorenpannen um fast 28 Prozent, und das trotz eines stetigen Anstiegs erneuerbarer Energien, der jährlich ein Wachstum von 19 Prozent verzeichnete. Das ist bemerkenswert, wenn man bedenkt, wie sehr die Integration erneuerbarer Energien herkömmliche Infrastrukturen belastet.

Fallstudie: VPPs unterstützen einen hohen Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland

Im Jahr 2023, als erneuerbare Energien mit 52 % mehr als die Hälfte des deutschen Energiemix ausmachten, spielten Virtuelle Kraftwerke (VPPs) eine entscheidende Rolle dabei, den nationalen Stromnetzbetrieb reibungslos aufrechtzuerhalten. Diese intelligenten Systeme koordinierten etwa 8.400 dezentrale Energiequellen, die über vier verschiedene Bundesländer verteilt waren. Erinnern Sie sich an den großen Wintertiefsturm letztes Jahr? Während dieser Zeit gelang es den VPPs, ungefähr 1,2 Gigawattstunden Strom von riesigen industriellen Backup-Batterien gezielt in Wohngebiete umzuleiten, wo der Strombedarf am höchsten war. Dadurch konnten laut Berichten Kosten durch potenzielle Stromausfälle in Höhe von rund zwölf Millionen Euro eingespart werden. Laut Studien des Fraunhofer IEE sind die Stabilisierungskosten seit 2021 um etwa 41 % gesunken, dank verbesserter Frequenzregelung durch diese virtuellen Netzwerke, anstatt wie damals noch stark auf veraltete gasbefeuerte Spitzenlastkraftwerke angewiesen zu sein. Derzeit tragen Virtuelle Kraftwerke dazu bei, erneuerbare Energien in das deutsche Energiesystem mit rund 42 % einzuspeisen, was gleichzeitig die beste Leistung in ganz Europa darstellt.

Energiespeicherung und Lastreaktion in VPP-Netzen

Integration von Batteriespeichersystemen (BESS) zur Spitzenlastunterstützung

Batteriespeichersysteme spielen heute eine entscheidende Rolle bei den virtuellen Kraftwerken, da sie helfen, mit der unvorhersehbaren Natur erneuerbarer Energien umzugehen und den Lastspitzen entgegenzuwirken, die entstehen, wenn alle von der Arbeit nach Hause kommen. Vorvergangenes Jahr wurde in Energy Informatics eine Studie veröffentlicht, aus der hervorging, dass die Integration von Batteriespeichern Schwankungen in der Stromerzeugung durch Solar- und Windenergie um etwa 26 % reduziert, dank intelligenterer zeitlicher Planung. Solche Systeme speichern überschüssige Solarenergie, die mittags erzeugt wird, und geben sie abends wieder ins Netz ab, wenn die Strompreise steigen. Dies trägt nicht nur dazu bei, das gesamte Stromnetz stabiler zu machen, sondern spart auch Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Spitzenlastkraftwerken, wobei die tatsächlichen Einsparungen je nach Standort und Marktsituation zwischen 15 % und 30 % liegen.

Optimierung von Lastverschiebung und Second-Life-EV-Batterien in VPPs

Vorausschauend denkende VPP-Betreiber suchen nach Wegen, alten EV-Batterien ein zweites Leben zu schenken, um Lasten zu verschieben und dabei Kosten zu senken. Die meisten dieser wiederverwendeten Systeme besitzen noch etwa 60 bis 70 Prozent ihrer ursprünglichen Ladekapazität, was bedeutet, dass Unternehmen rund 40 % im Vergleich zur Installation komplett neuer Lithium-Ionen-Systeme sparen können, wie ein Bericht von Energy Market Analytics aus dem vergangenen Jahr zeigt. In Kombination mit intelligenten KI-Prognosen verschieben virtuelle Kraftwerke den Stromverbrauch weg von teuren Spitzenzeiten hin zu günstigeren Nachtzeiten. Dieser Ansatz entlastet nicht nur das elektrische Netz, sondern hilft Verbrauchern zudem, Geld zu sparen, ohne Einbußen beim gewohnten Komfort zu Hause hinnehmen zu müssen.

Dynamische Lastreaktion und Strategien zur Verbraucherbeteiligung

Laut dem Grid Innovation Report von 2023 weisen Haushalte, die an IoT-fähigen Lastmanagementprogrammen teilnehmen, etwa 22 % höhere Teilnahmeraten bei virtuellen Kraftwerken auf als solche, die reguläre Festpreismodelle nutzen. Dank Echtzeitüberwachung und intelligenten Geräten, die sich automatisch an die Preise anpassen, können Familien ihren Stromverbrauch während Spitzenzeiten um 18 % bis 25 % senken. Das System funktioniert sogar noch besser in Zeiten starker Netzbelastung. Es gibt eine gestaffelte Belohnungsstruktur für stärkere Verbrauchsreduktionen, was mit den Erkenntnissen des Smart Grid Solutions Institute übereinstimmt. Laut deren Analyse leiten virtuelle Kraftwerke mit IoT-Integration Maßnahmen zur Lastreduktion etwa 31 % schneller ein als herkömmliche Systeme ohne diese Technologie.

Virtuelle Kraftwerke in Energiemärkten und wirtschaftliche Optimierung

Teilnahme an Elektrizitätsmärkten und Ertragserzielung

Virtuelle Kraftwerke verändern die Funktionsweise von Energiemärkten, indem sie dezentrale Energiequellen zu etwas Größerem zusammenfassen, das tatsächlich auf dem Großhandelsmarkt konkurrieren und zusätzliche Dienstleistungen bereitstellen kann, die das Stromnetz benötigt. Diese VPPs nutzen hinter den Kulissen intelligente mathematische Verfahren, um gespeicherte Energie dann ins Netz einzuspeisen, wenn die Preise auf dem Markt ansteigen. Laut Forschungen aus dem vergangenen Jahr zum Thema Energy Informatics können sie dabei bis zu 92 Dollar pro Megawattstunde verdienen, allein dafür, dass sie helfen, das elektrische System stabil zu halten. Ihre Gewinnerzielung erfolgt über mehrere Kanäle. Zum einen gibt es das Day-Ahead-Geschäft, bei dem vor Tagesbeginn Gebote für Verträge abgegeben werden. Dann folgt das Echtzeit-Geschäft, das sich minütlich während des Tages abspielt. Und auch die Demand-Response-Programme dürfen nicht vergessen werden. All diese Methoden helfen VPP-Betreibern dabei, aus Geräten Nutzen zu ziehen, die andernfalls ungenutzt blieben – wie beispielsweise private Solaranlagen in Kombination mit Batteriespeichern. Gleichzeitig stellt diese Struktur sicher, dass ausreichend Energie zur Verfügung steht, wenn das Netz unter Stromversorgungsmangel leidet.

Fallstudie: VPPs im australischen National Electricity Market (NEM)

Der nationale Elektrizitätsmarkt in Australien rückt wirklich als Pionier bei der Integration virtueller Kraftwerke in den Vordergrund. Ein Beispiel ist Südaustralien, wo bereits 2023 ein 45 Megawatt starkes VPP-Cluster tatsächlich in der Lage war, rund 245 Megawattstunden Solarenergie zu speichern und bereitzustellen, als das Stromnetz unter Druck stand. Dies half dabei, die Frequenz stabil bei knapp unter 50 Hz (genauer: 49,85 Hz) zu halten und brachte Ausgleichszahlungen in Höhe von etwa 18.200 Dollar ein. Interessant ist, dass dieses erfolgreiche Modell inzwischen auf zwölf verschiedene Pilotprojekte in der Region übertragen wurde. Diese virtuellen Kraftwerke zeigen, dass sie erneuerbare Ressourcen innerhalb bestehender Markstrukturen zusammenführen können, ohne dass die veralteten zentralen fossilen Kraftwerke als Ausgleich benötigt werden. Für die Zukunft geht der australische Energiemarktoperator davon aus, dass diese VPPs bis Ende 2027 etwa zwölf Prozent der für den NEM erforderlichen Regelenergie bereitstellen können, wobei natürlich stets Faktoren vorhanden sind, die diese Prognose beeinflussen könnten.

Regulatorische Hürden und Anreizmodelle für den Markteinstieg

Virtuelle Kraftwerke haben großes Potenzial, stoßen jedoch bei der Regulierung auf Hindernisse. Viele bestehende Stromtarife klassifizieren aggregierte dezentrale Energiequellen immer noch als einfache Verbrauchslasten statt als tatsächliche Erzeugungsquellen. Das US-Energieministerium hat diese Frage kürzlich untersucht und festgestellt, dass etwa zwei Drittel der aktuellen Anschlussregelungen diese restriktiven Praktiken fortsetzen. In Kalifornien sieht es allerdings besser aus. Dort hat das CAISO-System etwas eingeführt, das als dynamische Betriebsumfänge (dynamic operating envelopes) bezeichnet wird. Dabei werden intelligente Grenzwerte festgelegt, wie viel Energie aus diesen dezentralen Ressourcen in das Stromnetz hinein und aus ihm heraus fließen darf. Allein diese Maßnahme führte während der Pilotprogramme des vergangenen Jahres zu einem erheblichen Anstieg der Teilnahme an virtuellen Kraftwerken um 210 %. Wenn man auf erfolgreiche Modelle in anderen Ländern blickt, bietet Deutschland beispielsweise Kapazitätszahlungen in Höhe von rund 5,30 Euro pro Kilowatt jährlich. Gleichzeitig öffnen sich die Märkte schneller für Aggregatoren, die nachweislich über solide Cybersicherheitsmaßnahmen und gleichbleibende Leistungskennzahlen verfügen.

Technologische Herausforderungen meistern und zukünftige Innovationen

Cybersicherheit, Interoperabilität und Risiken im Datenmanagement

Virtuelle Kraftwerke stehen derzeit vor ernsten Cybersicherheitsproblemen. Das Ponemon Institute stellte fest, dass Energieunternehmen im Durchschnitt rund 4,7 Millionen Dollar verlieren, wenn sie Opfer von Cyberangriffen werden. Aufgrund all dieser verteilten Operationen bestehen erhebliche Lücken in der Kommunikation und Steuerung der Systeme der dezentralen Energiequellen (DERs). Unternehmen benötigen dringend bessere Schutzmaßnahmen – beispielsweise sichere Methoden zur Aktualisierung von Firmware und effektive Systeme zur Erkennung ungewöhnlicher Aktivitäten. Hinzu kommt das Problem der Interoperabilität. Die meisten Betreiber virtueller Kraftwerke haben Schwierigkeiten, ältere SCADA-Systeme mit neueren DER-Technologien zusammenzubringen. Etwa 78 % berichten laut IEEE 2030.5-Standards von erheblichen Problemen bei der Integration dieser unterschiedlichen Plattformen. Es wird zunehmend klar, dass Kompatibilitätsprobleme die Branche weiterhin belasten werden, es sei denn, bessere Lösungen werden gefunden.

Operatives Risiko	Minderungsstrategie
Dateninseln	Einheitliche Metadaten-Tagsysteme für dezentrale Energieerzeugungseinheiten (DER)
API-Sicherheitsanfälligkeiten	Quantenresistente Verschlüsselungsketten
Geräteheterogenität	OpenFMB-konforme Gateway-Implementierung

KI-gesteuerte prädikative Steuerung für skalierbare VPP-Operationen

Maschinelle Lernmodelle prognostizieren nun die lokale Erzeugung dezentraler Energieerzeugungseinheiten (DER) mit einer Genauigkeit von 94 %, wodurch virtuelle Kraftwerke (VPPs) in der Lage sind, Portfolios mit einer Leistung von 450 MW innerhalb von weniger als 5 Minuten auszugleichen. Ein Pilotprojekt in Kalifornien, das maschinelles Lernen durch Verstärkung nutzte, erzielte 2023 während der Hitzewellen einen Effizienzgewinn von 12 % bei der Steuerung von Solar-Batterie-Systemen. Neue Technologien wie das federated learning schützen die Datensicherheit, während sie die Netzleistungsdienste in dezentralen Netzwerken optimieren.

Zentrale Innovationen beinhalten:

• Dynamische Neukonfiguration von DER-Gruppen während Netzstörungen
• Cybersecurity-feste KI-Regelgeräte mit homomorpher Verschlüsselung
• Hybride Physik-ML-Modelle zur Vorhersage der Reaktion von Elektrofahrzeugflotten auf Preissignale

Diese Entwicklungen sind entscheidend, um virtuelle Kraftwerke in Regionen mit einem Ziel von 50 % Anteil dezentraler Energieerzeugung bis 2030 hochzuskalieren.

Häufig gestellte Fragen zu virtuellen Kraftwerken

Was ist genau ein Virtuelles Kraftwerk (VPP)?

Ein Virtuelles Kraftwerk ist ein dezentrales Netzwerk, das verschiedene dezentrale Energiequellen wie Solaranlagen und Batteriespeichersysteme integriert, sodass diese gemeinsam wie eine einheitliche Stromerzeugungseinheit agieren und auf Netzanforderungen reagieren können.

Wie tragen Virtuelle Kraftwerke zur Netzstabilität bei?

VPPs gleichen die intermittierende Natur erneuerbarer Energiequellen aus, indem sie dezentrale Anlagen bündeln und mit fortschrittlichen Steuerungssystemen die Netzverlässlichkeit bei schwankenden Erzeugungs- und Verbrauchsbedingungen aufrechterhalten.

Welche Rolle spielen Batterien in VPP-Netzwerken?

Batterien speichern überschüssige Energie, die während Phasen mit geringer Nachfrage erzeugt wird, und geben sie während Spitzenlastzeiten ab, wodurch die Netzstabilität unterstützt und die Abhängigkeit von fossilen Spitzenlastkraftwerken verringert wird.

Sind virtuelle Kraftwerke profitabel?

Ja, VPPs erwirtschaften Einnahmen durch die Teilnahme an Strommärkten, das Einreichen von Geboten für Großhandelsverträge und das Anbieten von Dienstleistungen zur Lastreaktion, wodurch sie zu tragfähigen Wirtschaftsmodellen werden.

Welche Herausforderungen stehen virtuellen Kraftwerken bevor?

VPPs stoßen auf regulatorische Hürden, Cybersicherheitsrisiken und Integrationsprobleme mit herkömmlichen Netztechnologien.