Nachhaltigkeit trifft auf Zuverlässigkeit: Die Kombination einer PV-Anlage mit einem Stromaggregat oder Netzanschluss

Solarstrom spielt in der Nutzung nachhaltiger, emissionsfreier Energie eine bedeutende Rolle. Aufgrund der starken Volatilität besteht die Herausforderung allerdings darin, eine Anlage so zu konzipieren, dass sie rund-um-die-Uhr, also auch nachts oder an bewölkten Tagen Strom zur Verfügung stellt. Dies kann mit einem mobilen Hybrid-Kraftwerk erreicht werden. lm Inselbetrieb mit einem kombinierten Stromaggregat, im netzgekoppelten Betrieb oder als Kombination aus beiden Energiequellen bietet ein solches Hybrid-Kraftwerk eine optimale Versorgungssicherheit.

Intelligente Steuerung
Das Hybridkraftwerk besteht aus einer Photovoltaik (PV)-Anlage, die mit einem Stromaggregat oder dem öffentlichen Stromnetz verbunden ist. Abhängig vom Aufbau der Anlage kann ein Batteriespeicher ergänzt werden. Herzstück des mobilen Kraftwerks ist eine intelligente Anlagensteuerung, die automatisch zu jedem Zeitpunkt die optimale Energiequelle selbst auswählt. In erster Linie ist dies natürlich die Solarenergie. Bei höheren Lastspitzen oder im Falle eines entleerten Batteriespeichers wird der benötigte Strom durch das öffentliche Netz oder zum Beispiel durch ein Stromaggregat bereitgestellt. „Dieser Ansatz entstand aus unserer Vision der Energiewende“, erklärt Frans Hullegie, Business Development Manager bei Bredenoord. „Wir entwickeln regelmäßig Stromversorgungen für Fabriken an entlegenen Standorten z.B. in Afrika. Durch die Ergänzung einer PV-Anlage und einer intelligenten Anlagensteuerung zwischen den verschiedenen Energiequellen können wir den Treibstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen erheblich verringern. Und dies ohne die Versorgungssicherheit zu beeinträchtigen.“

Individuelle Lösungen, sowohl netzgekoppelt als auch netzunabhängig
Ein Hybrid-Solarkraftwerk kann in Situationen, wo kein Netzstrom verfügbar ist, eine Lösung sein. Die Anlage kann dabei eine Leistung von 100 kW bis zu mehreren Megawatt (MW) aufweisen, mit unterschiedlichen Arten von Photovoltaikmodulen ausgestattet sein und, wenn gewünscht, mit einem Batteriespeicher und Stromaggregaten zur Sicherstellung der Stromversorgung ausgestattet sein. Dank des modularen Aufbaus findet sich für jede Leistungsklasse unter Berücksichtigung aller lokalen Anforderungen garantiert die passende Lösung. Zur Verbesserung des Return-on-Invest (ROI, dem Verhältnis von Gewinn zu eingesetztem Kapital) werden bei der Planung des Kraftwerks eine Vielzahl von Anforderungen, wie z. B. dem Standort, das Lastprofil und die Sonnenstunden, berücksichtigt. Immer öfter kommen Hybridkraftwerke auch an Orten zum Einsatz, an denen ein Zugang zum öffentlichen Stromnetz besteht. Das öffentliche Netz gilt hier als Referenz. Doch darüber hinaus kann das Hybrid-Kraftwerk auch als „Dreifach“-Hybridanlage betrieben werden: Die Photovoltaik agiert hier aufgrund der umweltfreundlichen Stromerzeugung als primäre Energiequelle, und wird durch das Stromnetz und ein angeschlossenes Stromaggregat lediglich gestützt. Auf diese Weise erreicht man an jedem Standort die bestmögliche Nutzung regenerativer Energie.

PV-Kraftwerke mit hohem Wirkungsgrad durch eine clevere Anlagenkonfiguration
PV-Anlagen haben die Eigenart, dass sie bei hoher Sonneneinstrahlung oft mehr Strom erzeugen als benötigt wird, jedoch nachts gar kein Strom erzeugt wird. Mit einem durchdachten Systemdesign kann die Nutzung der Erzeugungsspitzen und -täler, netzunabhängig und ohne den Einsatz von Batteriespeichern optimiert werden. Dazu wird bei einem Energieüberschuss unter anderem der Strom an zusätzliche Verbraucher weitergeleitet. Eine netzautarke Fabrik verfügt beispielsweise über eine Kühlanlage für Rohstoffe oder Produkte. Tagsüber kann überschüssiger Solarstrom dazu verwendet werden, die Temperatur im Kühlraum von -20 auf -30 Grad herunter zu kühlen. Nachts verbraucht die Anlage dann weniger Energie. Die 10 Grad, um die die Temperatur tagsüber reduziert wurde, stellt eine Art Puffer dar. Technisch gesehen, wurde die gesamte Solarenergie einfach in Kälte umgewandelt. Diese intelligente Art der Anlagensteuerung bezeichnet man als Lastmanagement. Es kann sehr individuell für unterschiedliche Anlagen und Verbraucher ausgelegt werden. Bredenoord unterstützt Anlagenbetreiber schon bei der Errichtung einer netzautarken PV-Anlage, um so den sinnvollsten Einsatz dieser Energiequelle und damit bestmögliche Ergebnisse zu erreichen.

Eine Überwachung des Leistungsfaktors ist unentbehrlich
Im Wechselstromnetz benötigen einige Stromverbraucher mehr Leistung als sie tatsächlich verbrauchen. Grund dafür sind elektronische Bauteile, für deren Funktionsweise der Aufbau eines magnetischen oder elektrischen Felds notwendig ist. Diese zum Auf- und Abbau der Felder benötigte Energie stellt die Blindleistung dar und sie – sozusagen – pendelt zwischen dem Generator und den elektrischen Verbrauchern hin und her. Im Stromnetz zeigt sich dies, wenn der Strom- und Spannungsverlauf nicht übereinander liegen. Die Blindleistung variiert je nach angeschlossenem Gerät. Die Wirkleistung ist die tatsächlich genutzte bzw. wirkende Leistung. Die Differenz aus Wirkleistung und Blindleistung ist der Leistungsfaktor (PF, cos ϕ).

Das hybride Kraftwerk sollte allerdings für die gesamte Last der Verbraucher ausgelegt sein. Diese so genannte Scheinleistung ist die Summe der Wirk- und der Blindleistung. Die Stromerzeuger und die Leitungen müssen für die Scheinleistung ausgelegt sein. Je kleiner der Blindleistungsanteil, desto höher ist der Wirkungsgrad der Anlage und desto höher ist die Leistungsausbeute.

Netzunabhängige Blindleistungskompensation
In einem PV-gestützten Offgrid-System, in denen nur Stromaggregate eingesetzt werden, muss in der Praxis bis zu 40 % der Grundlast durch die Stromaggregate erzeugt werden (primäre Netzreferenz), damit die geforderte Scheinleistung abgedeckt wird. Dieser Wert kann durch aktive Blindleistungskompensation (cos ϕ Steuerung) erheblich verringert werden. Die geforderte Blindleistung wird dabei gemeinsam durch die moderne Leistungselektronik der Wechselrichter der PV-Anlage und durch die Aggregate zur Verfügung gestellt. Mit der aktiven Blindleistungskompensation kann die oben genannte Grundlast der Stromaggregate von 40 % auf 5 % verringert werden. Diese 5 % Grundlast lässt sich häufig problemlos von einer PV-Anlage zur Verfügung stellen. So kann viel Kraftstoff eingespart werden. Je größer der Anteil an Solarstrom, desto schneller amortisiert sich das gesamte Hybrid-Kraftwerk. Die aktive Blindleistungskompensation erhöht die Anlagenleistung und trägt zur Langlebigkeit aller Komponenten bei.

Blindenergiekosten sparen durch Verbesserung des Leistungsfaktors
Mittlere bis große PV-Anlagen, die mit dem Stromnetz verbunden sind und Solarstrom einspeisen, müssen ihren Leistungsfaktor überwachen und nach Vorgaben des Netzbetreibers regeln. Das übernimmt üblicherweise die integrierte Wechselrichtertechnik der Anlage. Energieversorger stellen die Blindleistung gewerblichen Großkunden, deren Maschinenpark entsprechend große elektromagnetische Felder erzeugen, in Rechnung, da die Scheinleistung zu stark von der Wirkleistung abweicht. Die Blindleistung muss erzeugt und transportiert werden, auch wenn sie vom Stromzähler nicht erfasst wird. Teilweise wird die Blindleistung schon abgerechnet, wenn der cos ϕ unter 0,9 oder über 1,1 liegt. Mit der Integration einer netzgekoppelten PV-Anlage in den Gewerbebetrieb kann der Leistungsfaktor innerhalb sicherer Grenzwerte gehalten werden.

Fabriken, Krankenhäuser und öffentliche Gebäude
Eine Photovoltaik-Anlage ist die beste Art Fabriken, Krankenhäuser, Schulen und Büros mit umweltfreundlichem Strom zu versorgen. Sowohl netzgekoppelte als auch netzunabhängige PV-Anlagen liefern im Verbundbetrieb mit Stromaggregaten zuverlässigen Strom. Bredenoord plant anhand des Energiebedarfs des gewünschten Standorts das gesamte Hybridkraftwerk, einschließlich einer aktiven Blindleistungsregelung und, auf Kundenwunsch, einem intelligenten Lastmanagement. Als erfahrener Entwickler und Hersteller kann Bredenoord das Hybridkraftwerk komplett installieren und in Betrieb nehmen. Es besteht aber auch die Möglichkeit in Zusammenarbeit mit anderen Unternehmen und Organisationen ein solches Kraftwerk zu errichten. Hier steht Bredenoord Interessenten und Betreibern von Hybridanlagen in der Beratung, Planung und softwareseitigen Auslegung gerne tatkräftig zur Seite. Bredenoord hat netzunabhängige und netzgekoppelte Hybridkraftwerke schon an vielen Orten der Erde errichtet. Dazu gehören unter anderem ein Krankenhaus in Somalia und eine Trockenobstfabrik in Ghana.

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