Wie Algorithmen die Pumpspeicherkraftwerke optimieren

Auf den ersten Blick mag es verschwenderisch erscheinen: Strom zu verbrauchen, um Wasser bergauf zu pumpen, nur um es später wieder abzulassen und damit erneut Strom zu erzeugen – wenn auch mit einem gewissen Energieverlust. Doch dank moderner Automatisierung und intelligenterer Planung ist die Pumpspeicherkraft zu einer der vielseitigsten Ressourcen in einem stark auf erneuerbare Energien ausgerichteten Energiesystem geworden.

Vattenfall besitzt und betreibt sechs Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland. Viele Jahre lang war der Betriebsplan einfach: Nachts, wenn die Strompreise niedrig waren, wurde gepumpt, und tagsüber, wenn sie höher waren, wurde Strom erzeugt.

Heute ist das System weitaus komplexer. Kohlekraftkapazitäten wurden weitestgehend und Kernkraftkapazitäten vollständig aus dem Verkehr gezogen, hauptsächlich ersetzt durch Wind- und Solarenergie. Die Leistung schwankt nun je nach Wetterlage, was höhere Anforderungen an Pumpspeicherkraftwerke stellt.

Alle 15 Minuten ein neuer Plan

Jörg Seidel, der den Intraday-Handel und die Optimierung für Vattenfalls kontinentale Aktivitäten leitet, erklärt, wie das funktioniert:

„Heute, und besonders im Sommer, drückt die Solarenergie die Preise gegen Mittag sehr stark nach unten, manchmal sind die Preise sogar negativ. Das bedeutet, dass wir oft zwei Zyklen pro Tag haben: Wir pumpen nachts, erzeugen morgens Strom, pumpen mittags erneut und erzeugen dann abends wieder Strom. Hinzu kommt, dass die Turbinen oft nur teilweise laufen – manchmal zu einer bestimmten Tageszeit 70 Prozent Leistung, im nächsten Moment 80 Prozent und so weiter.

„Diese kleinen Anpassungen der Leistung finden ständig über alle Anlagen hinweg statt und werden alle 15 Minuten durchgeführt, also 96 Mal pro Tag. Diese Planung und Berechnung manuell durchzuführen, wäre völlig unüberschaubar.“

Die Lösung sind Algorithmen. Sie berücksichtigen alle relevanten Faktoren – Marktpreise, Wettervorhersagen, Speicherstände, den Zustand von Pumpen und Turbinen sowie technische Einschränkungen – und berechnen etwa jede Minute optimale Pläne für jedes Kraftwerk neu.

Die erste Version, die 2018 eingeführt wurde, war einfach: Sie konnte nur die Leistung einer bereits laufenden Turbine kaufen oder verkaufen. Später kamen Pumpen, Start-Stopp-Entscheidungen und Betriebsartenwechsel hinzu. Heute werden fast alle operativen Entscheidungen im deutschen Wasserkraftportfolio autonom getroffen, wobei die Algorithmen auch Gebote für das nächste 15-Minuten-Marktintervall abgeben.

Großer Flexibilitätslieferant

Die deutschen Pumpspeicherkraftwerke von Vattenfall bilden ein leistungsstarkes Sechserpack an Anlagen. Zusammen liefern sie 2.500 Megawatt – vergleichbar mit zwei großen Kernkraftwerken –, verfügen jedoch über die Fähigkeit, die Leistung innerhalb von Sekunden hoch- oder herunterzufahren, um das Netz im Gleichgewicht zu halten. Sie fungieren wie riesige Batterien, die bis zu zehn Stunden lang Strom liefern können, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen.

„Pumpspeicherkraftwerke gehören zu den wichtigsten Flexibilitätslieferanten für das deutsche Stromnetz“, sagt Brit Gericke, Leiterin des Bereichs Algorithmen und Optimierung, die ein Team von 13 Spezialisten leitet, das für die Entwicklung der Algorithmen verantwortlich ist.

„Mit diesen Algorithmen können wir in jedem 15-Minuten-Zeitraum des Tages Flexibilität bereitstellen, während dies bei manueller Planung nur wenige Male am Tag möglich war.“

Die Algorithmen ermöglichen es den Kraftwerken, sowohl Wirkleistung als auch Regeldienste – also die Hilfsfunktionen, die zur Stabilisierung des Netzes beitragen – mit weitaus höherer Präzision bereitzustellen. Das Ergebnis: ein stabileres, besser ausbalanciertes Stromnetz.

Und was ist mit den Menschen – machen diese Systeme die Betreiber überflüssig? Gericke ist anderer Meinung:

„Automatisierung macht Menschen nicht überflüssig, sondern verändert ihre Rollen. Betreiber müssen verstehen, was der Algorithmus tut, warum er bestimmte Entscheidungen trifft, und erkennen, wenn etwas nicht stimmt. Die Komplexität hat enorm zugenommen, und dieser Grad an Automatisierung ist ohne menschliche Aufsicht nicht möglich.“