Aus der Forschung
Aus der Forschung Wasserstoff Wasserstoff-Inselnetz der Hochschule Ansbach Volatile Stromerzeugung glätten und grünen Strom planbar liefern Daniel Schultheiß, Dipl.-Ing. (FH) Dieter Jarosch, Prof. Dr.-Ing. Jörg Kapischke Die größte Herausforderung für die Energieversorgung der Zukunft liegt in der Speicherung großer Mengen nachhaltig erzeugten Stroms. Obwohl der Ausbau erneuerbarer Energiequellen noch weit davon entfernt ist, Länder wie Deutschland kohlendioxidneutral zu versorgen, kommt es bereits jetzt zur Abschaltung von Anlagen aufgrund zeitweiser Überproduktion. Strom privater Dachsolaranlagen lässt sich problemlos in Batteriespeichern zwischenpuffern. Für Solar- und Windparks im Megawatt-Maßstab ist die Speicherung in Batterien hingegen keine praktikable Lösung. Die Hochschule Ansbach hat einen innovativen Ansatz umgesetzt, mit dem Photovoltaik-Strom in Form von Wasserstoff zwischengespeichert wird. Dadurch können große Mengen an Strom auch über lange Zeiträume nahezu verlustfrei gespeichert werden. Die Anlage ist als autarkes Inselnetz ausgelegt und bei Bedarf mit dem öffentlichen Stromnetz koppelbar. Beschreibung der Inselnetzanlage Die Photovoltaikanlage der Hochschule Ansbach versorgt Labore mit Strom, erzeugt Wasserstoff und speist in das öffentliche Netz ein. Aufgrund der einfachen Skalierbarkeit der Anlage können die Labore stellvertretend für den Energiebilanzraum eines Gebäudes, Gewerbegebietes, Unternehmens oder Ortsteiles betrachtet werden. Die Gebäudeintegration der Photovoltaik-Anlage (1) mit ihren Wechselrichtern (2) ist im oberen Teil der Abbildung 1 dargestellt. Die Besonderheit der kohlendioxidneutralen Anlage ist das kombinierte Speichersystem, bestehend aus Batterie (4), Brennstoffzelle (5), Elektrolyseur (6) und Wasserstoffspeicher (7). Benötigen die Labore mehr Strom als die Photovoltaikanlage liefern kann, wird zunächst der Batteriespeicher entladen und gleichzeitig mit der Brennstoffzelle der gespeicherte Wasserstoff rückverstromt. Reicht das noch immer nicht aus, wird zusätzlicher Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen. Produziert die Photovoltaikanlage mehr Strom als aktuell in den Laboren nachgefragt wird, lädt sich der Batteriespeicher auf und der Elektrolyseur erzeugt Wasserstoff. Steht mehr Strom zu Verfügung als Verbraucher, Batteriespeicher und Elektrolyseur aufnehmen, wird der Überschuss in das öffentliche Netz eingespeist. Die Kombination aus Batteriespeicher und Wasserstoff vereint die Vorteile beider Systeme und eliminiert deren Nachteile. Batteriespeicher sind in der Lage, große Strommengen aufzunehmen und abzugeben, allerdings während kurzer Zeiträume. Elektrolyseur, Brennstoffzelle und Wasserstoffspeicher können Strom über lange Zeiträume und in großen Mengen speichern und bereitstellen. Der Elektrolyseur, die Brennstoffzelle und der Wasserstoffspeicher sind nicht dafür ausgelegt, Erzeugungs- und Verbrauchsspitzen abzufangen. Die Vision, die mit der Demonstrationsanlage verfolgt wird, ist ein System vieler solcher autarken Anlagen, die dennoch miteinander vernetzt sind und bei Bedarf als Cluster operieren können. Wenn sich die Energiequellen der einzelnen Zellen unterscheiden (z.B. Wind, Sonne, Biogas), können sich die Systeme gegenseitig bei der Energiespeicherung und versorgung unterstützen. Mit der Demonstrationsanlage werden neben Verbrauchs- und Ertragsprofilen die Leistungsparameter, Zuverlässigkeit, Ausfallsicherheit, Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit untersucht. Beschreibung der Funktion Die Photovoltaik-Wasserstoff-Inselnetzanlage kann in zwei Betriebsarten, netzgekoppelt und netzunabhängig, betrieben werden. Eine Verbraucher < 2 kW Wechselrichter 3 x 3,8 kWp (zur Netzeinspeisung) H2 Kompressor 1 kW H2 Elektrolyseur 4 kW max. ~ AC Netzbildner (Bidirektionaler Batteriewechselträger) H2 Wasserstoffspeicher 2 x 50l, 200 bar, 1 x 87l 14 bar Brennstoffzelle 1 kW = DC Abb. 1: Schema Photovoltaik- Wasserstoff-Inselnetzanlage Batteriekapazität 48v, 280 Ah Anlagenkomponenten auf einen Blick: (1) Photovoltaik-Anlage mit Wechselrichter zur Netzeinspeisung (2): 38,7 kW Umschaltstation auf Inselnetzbetrieb (3) Inselnetzwechselrichter: 4,2 kW (4) Batteriespeicher: 8 kWh (5) Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle: 1 kW (6) Polymerelektrolytmembran-Elektrolyseur: 4 kW, 13,8 bar (7) Druckgasspeicherstation: 87 l, 13,8 bar; Druckgasspeicher: 50 l, 200 bar Wasserstoffkompressor: 200 bar 14 GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2022
Aus der Forschung Wasserstoff Netzkopplung mit dem öffentlichen Netz kommt in Betracht, wenn mehrere Stromerzeugungszellen in regionaler Nähe zusammengeschlossen werden, um sich gegenseitig mit Strom über das öffentliche Netz zu stützen. Denkbar ist beispielsweise, dass bei hohem Solarstromaufkommen und Windflaute eine Photovoltaik-Stromerzeugungszelle eine Windkraft-Stromerzeugungszelle mit Strom beliefert. Ein einerseits grünes und andererseits stabiles Stromversorgungssystem ist somit realisierbar. Die Photovoltaik-Wasserstoff- Inselnetzanlage wird an der Hochschule Ansbach vorrangig netzunabhängig, also in der Inselnetz-Betriebsart untersucht. So sind praktische Tests von Energieversorgungsszenarien in einem gut abgegrenzten und zu untersuchenden Bilanzraum zu verschiedenen Jahres- und Tageszeiten über einen längeren Zeitraum möglich. Beschreibung der Anlagenkomponenten und Aufgaben Eine Inselnetzanlage mit Wechselstromversorgung, die nach Wunsch an das öffentliche Netz ankoppelbar ist, besteht aus unterschiedlichen Anlagenkomponenten mit verschiedenen Leistungsdaten. Basiskomponenten sind die Energieerzeuger, die Wechselrichter, der Netzbildner, das Stromnetz und gegebenenfalls Energiespeicher. Die speziellen Komponenten der vorgestellten Anlage haben festgelegte Aufgaben zu erfüllen. Die Photovoltaik-Anlage speist den Strom entweder über stromgeführte Wechselrichter (siehe Abbildung 1: (1) u. (2)) in das öffentliche Netz oder die zusammengeschalteten Solarmodule liefern den Strom für ein Wechselstromnetz, das über einen Netzbildner aufgebaut wird. Anlagenbauteile und Funktionen werden nachstehend beschrieben. 1. Photovoltaikanlage und Solarmodule Die Photovoltaikanlage besteht aus insgesamt 180 Solarmodulen mit einer Gesamtfläche von 296 m² und einer Nennleistung von 38,7 kW (siehe Abbildung 1: (1)). Zehn dieser Abb. 2: Solarmodule auf dem Dach des Hochschulgebäudes Module sind jeweils zu einem Strang verschaltet. Die Ausrichtung der Anlage ist Richtung Süden bei 25° Neigung. Bei den polykristallinen Solarmodulen IBC 215P handelt es sich um Module mit jeweils einer Fläche von 1,64 m² und einer Nennleistung von 215 W bei einer Nennspannung von 28,7 V. 2. Wechselrichter zur Netzeinspeisung Zwei der mit jeweils zehn Solarmodulen ausgerüsteten Stränge führen zu einem Wechselrichter (siehe Abbildung 1: (2)). Der Wechselrichter hat die Aufgabe, den Gleichstrom der Solarmodule in einen 230-V-Wechselstrom umzuwandeln, der von allen üblichen technischen 230-Volt- Geräten nutzbar ist. Insgesamt neun Wechselrichter SB 3800 wandeln die Gleichspannung von zwei parallelgeschalteten Strings in die netzsynchrone Wechselspannung um und speisen diesen Wechselstrom entweder in das öffentliche Netz ein oder stellen ihn dem Inselnetz zur Verfügung. Die Wechselrichter arbeiten netzgeführt und benötigen die Wechselspannungsimpulse eines fremden Netzes, beispielsweise die des öffentlichen Stromnetzes, um eine netzidentische Spannung und Frequenz herzustellen. Die Wechselrichter sind mit einer Regelung ausgestattet, die abhängig von der gemessenen Netzfrequenz die Leistung verändert. Sobald beispielsweise eine Netzfrequenzerhöhung festgestellt und ein bestimmter Grenzwert überschritten wird, liefern die Wechselrichter eine geringere elektrische Leistung. Fällt die Netzfrequenz, findet eine zunehmende Leistungsabgabe aus dem Wechselrichter statt. Um trotz unterschiedlicher Einstrahlungen stets die maximale Leis tung aus den Solarmodulen zu Point-Tracker erzielen, ist ein Maximum-Power- (Maximal-Leistungspunkt-Suche) integriert. Beim Maximum-Power-Point-Tracking wird in bestimmten Zeiträumen der Innenwiderstand des Wechselrichters minimal geändert, wodurch sich gleichzeitig Spannung und Strom und damit die Leistung des Photovoltaik-Generators ändert. Erhöht sich diese, behält der Wechselrichter die neuen Spannungs- und Stromwerte bei. Kommt es dagegen zu einem Leistungsabfall des Photovoltaik- Abb. 3: Photovoltaik-Wechselrichter zur Netzeinspeisung GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2022 15
