Die Aufgabe des Stromaggregats in der neuen Microgrid-Umgebung

Es besteht die Notwendigkeit, den aktuellen Energiemix neu zu ordnen, um sauberere Energie zu ermöglichen, ohne dabei auf die Versorgungsstabilität, die wir heute genießen, verzichten zu müssen. Und genau in diesem Punkt spielt das Stromaggregat eine entscheidende Rolle.


Massimo Brotto, HIMOINSA Sales Engineering Manager




Die Nachfrage nach Primärenergie, d.h. die Energie zur Deckung der Grundbedürfnisse der Bevölkerung, wie Heizung, Transport und Stromverbrauch ist in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich angestiegen. Seit 2010 nahm die Nachfrage um das 1,5fache zu und nach Berechnungen der Internationalen Energieagentur (IEA) wird sie 2040 um 32% angestiegen sein. Wie kann dieser Anstieg auf lange Sicht nachhaltig bewältigt werden? Es besteht die Notwendigkeit, den aktuellen Energiemix neu zu ordnen, um sauberere Energie zu ermöglichen, ohne dabei auf die Versorgungsstabilität, die wir heute genießen, verzichten zu müssen. Und genau in diesem Punkt spielt das Stromaggregat eine entscheidende Rolle. Stromaggregate bieten Zuverlässigkeit für diesen neuen Energiemix, der zahlreiche Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen hat: er muss effizient sein, kompatible mit der bestehenden Infrastruktur der unterschiedlichen Örtlichkeiten, sich jederzeit an die jeweiligen Anforderungen anpassen sowie die Umweltbelastungen verringern, die der unaufhaltsame Anstieg des Energiebedarfs weltweit mit sich bringt. 




Dezentrale Energieerzeugung zur langfristigen Deckung der Energienachfrage

Der Anstieg des Energieverbrauchs in Ländern wie Indien oder China, der weltweite Bevölkerungswachstum sowie die bedeutende industrielle Entwicklung der heutigen Zeit haben einen wesentlichen Einfluss auf die steigende Nachfrage nach Energieressourcen. Aber es handelt sich um einen Wachstum, dessen Entwicklungsrichtung bereits vorgegeben ist: es muss ein nachhaltiger Entwicklungsprozess sein. Die letzte Konferenz der Vereinten Nationen über  


Klimaänderung, die 2015 in Paris stattfand, besiegelte den Übergang zu einer emissionsarmen Wirtschaft, zu dem sich die 195 Länder, die das Abkommen unterzeichnet haben, verpflichten. Die Mehrheit hat dies zur Kenntnis genommen und begonnen, Maßnahmen zur Reduzierung ihrer Abhängigkeit von Kohle umzusetzen. 

Die Technologie bietet bereits konkrete Antworten auf diese Anforderungen.  Die sogenannte Dezentrale Energieerzeugung ermöglicht eine Verlagerung der Energieerzeugung in die Gebiete, in denen Energiequellen vorhanden sind. Dazu werden autonome Anlagen eingesetzt, d.h. Anlagen, die unabhängig vom Stromnetz arbeiten und die in der Lage sind kontinuierlich und nachhaltig Energie zu erzeugen. 

Microgrids sind das bisher fortschrittlichste Modell der dezentralen Erzeugung: es handelt sich um Systeme, die an das Netz angeschlossen sind oder nicht und die verschiedene konventionelle und auf erneuerbarer Energie basierende Technologien vereinen können. Neben der Energieerzeugung verfügen sie über zwei charakteristische Merkmale: die Steuerung, der intelligenteste Teil, der den Verbrauch und die Arbeitszyklen prognostiziert und die Energiespeicher, das Kernstück eines Microgrids, das zusammen mit der Leistungselektronik einen Ausgleich der Erzeugungsschwankungen der erneuerbaren Energien und eine effizientere Energieerzeugung ermöglicht.


Um all diese "Verzahnungen" umsetzen zu können, benötigen sie ein Überwachungssystem zur Erfassung und Übermittlung aller Daten, sowohl des Netzes wie auch der übrigen beteiligten Quellen in einer Umgebung von intelligenten Netzen bzw. Smart-Grids.   


Zurzeit stammen ein Drittel der von Microgrids gelieferten Energie aus Stromaggregaten, ein weiteres Drittel aus Windenergie und der Rest aus Mikroturbinen, Solaranlagen und Brennstoffzellen. 

Der weltweite Trend ist jedoch zweifelsfrei, die verschiedenen Technologien zu kombinieren, um die negativen Aspekte der jeweils einzeln verwendeten Anlagen zu beseitigen und die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen zu reduzieren. Der Preisrückgang der Solaranlagen unterstützt einen reibungsloseren Übergang und Länder wie die Arabischen Emirate, Saudi-Arabien, Katar, Deutschland und Chile haben begonnen, Projekte für erneuerbare Energien zu diesem Zweck zu fördern.

Der Reiz und auch der Erfolg der Hybridisierung von fossiler Energie und erneuerbarer Energie hängt in hohem Maße von externen Faktoren ab, wie der rechtliche Rahmen, die Entfernung zum nationalen Versorgungsnetz, die Kosten und die Rentabilität der Elektrifizierung einer Region unter Berücksichtigung der Bevölkerungsdichte und des Industrialisierungsgrades. Dessen ungeachtet wird ein schnelleres Wachstum dieses Marktes erwartet - um 17,1% pro Jahr in den nächsten fünf Jahren -, wobei die Elektrifizierung ländlicher Gebiete und Inseln mit einem jährlichen Anstieg von 23% an der Spitze dieses Prozesses stehen wird.

Vorteile der Integrierung von Stromaggregaten in hybriden Stromerzeugungsanlagen

Die Integrierung von Stromaggregaten in diese Hybridsysteme gewährleistet die Zuverlässigkeit des Systems: sie sichern die ständige Verfügbarkeit der Energie. Sie sind der Bestandteil des Mix, der eine zufriedenstellende Lösung für den instabilen Charakter der erneuerbaren Energien bietet, da sie, im Gegensatz zu diesen, nicht von den häufig unvorhersehbaren Naturbedingungen abhängen. 

Darüber hinaus dienen Stromaggregate als eine leistungsstarke Alternative der Speicherung, die im Fall von Lastschwankungen in der Lage ist, rasch zu reagieren. In Kombination mit einem intelligenten Steuerungssystem ermöglichen sie eine optimale Planung der Betriebsstunden sowie eine erhebliche Steigerung der Leistungseffizienz des Microgrids. Die Kombination von konventionellen, fossil betriebenen Energieerzeugungsanlagen mit Erzeugungsanlagen auf Basis erneuerbarer Energien hat wesentliche Vorteile.

Einerseits bietet sie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, die eine Anlage auf Basis von erneuerbaren Energien allein nicht gewährleisten kann. Andererseits reduziert sie in hohem Maß die Betriebskosten. In einem typischen Belastungsdiagramm dieser Art von Anlagen kann beobachtet werden, wie der kombinierte Einsatz von Stromaggregaten und erneuerbarer Energie nicht nur eine erhebliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bedeutet, sondern auch eine Senkung der allgemeinen Betriebs- und Wartungskosten. Die Betriebsstunden werden in jedem Fall reduziert und es sind weniger Wartungsarbeiten sowie Wechsel der Schmiermittel, Filter oder Einspritzdüsen erforderlich. 



Optimale Bedingungen für die Installation eine Hybridanlage 

Die Hybrid-Lösungen sind besonders interessant für die Industriemärkte, wie den Sektor des Bergbaus oder der Telekommunikationen, als Unterstützung des Stromnetzes in ländlichen Gebieten oder auf Inseln, sowie als alleinige, kontinuierliche Energiequelle für den Einzelhandel, Bauernhöfe und Haushalte. Alle diese Anwendungen verfügen über eine Reihe gemeinsamer Merkmale: 



Es handelt sich um Orte, die nicht an das Netz angeschlossen sind oder die übermäßig hohe Strompreise haben. 

Der Strombedarf erreicht bis zu 5MW, mit etwa 4.000 Betriebsstunden pro Jahr. Die optimale Situation für eine Hybridanlage ist gegeben, wenn sich der größte Teil der Stromnachfrage tagsüber ereignet, wenn die Solaranlagen verfügbar sind. 

Standort mit einer hohen Sonnen- und Windexposition. Um die Investitionen rentabel zu machen, sollte die Sonneneinstrahlung bei über 1.300kWh/kWp bzw. die Windexposition bei mindestens 4 m/s liegen. Länder wie Chile, Peru, Indien oder Regionen wie die Karibik, Asien-Pazifik, Nahost und Nordafrika, sind einige der geografischen Gebiete, die all diese Naturbedingungen zur optimalen Nutzung der Anlage aufweisen.

Sie verfügen über genügend Platz für die Installation der Solaranlagen. Wird die Anlage auf einem Dach installiert, sollte die Fläche etwa 10 Quadratmeter pro jedem erzeugtem kW betragen. Sollte die Anlage auf dem Boden angebracht werden, wären 20 Quadratkilometer pro MW notwendig.

Fallbeispiel: tatsächliche Funktionsweise der Integration erneuerbarer Energieträger mit Stromaggregat



Stellen wir uns vor, dass eine Hybridanlage in Chile in einer Region mit einer Sonneneinstrahlung von 2.312kWh/m² und einem Stromverbrauch von etwa 17.520MWh/Jahr installiert wird. Für einen täglichen konstanten Stromverbrauch von 4MW während 12 Stunden schätzen wir, dass 4.800.000 Liter Diesel notwendig wären. 

Wenn drei HIMOINSA HTW-2030 T5-Stromaggregate mit einer Leistung von 4,85MW installiert werden, wie viele Stunden müssen vergehen, um eine Investition dieser Art zu amortisieren? Wie viel Kraftstoff kann eingespart werden? 

Die Überwachungssysteme bestimmen, welche Energiequelle die optimalste in jedem Moment ist. Auf diese Weise, 

wird der Betrieb der Stromaggregate während der Stunden mit maximaler Sonneneinstrahlung auf ein Minimum beschränkt.  

Dadurch wird die Lebensdauer des Motors erhöht und somit die Betriebskosten sowie die Wartungskosten des Geräts gesenkt. Und selbstverständlich wird der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert. In diesem Fall würde dies eine jährliche Einsparung von 1.600.000 Litern Diesel bedeuten, mehr als ein Drittel des aktuellen Verbrauchs.

Auf Basis dieser Zahlen und in Abhängigkeit des Dieselpreises und der Sonneneinstrahlung, könnte sich die Investition in eine Anlage, die Stromaggregate mit Photovoltaikzellen kombiniert in drei bis fünf Jahren amortisieren lassen. 


Schlussfolgerungen

Bei dem Übergang von der konventionellen Energieerzeugung zu den erneuerbaren Ansätzen ist die Bedeutung der Stromaggregate in den nächsten Jahren unbestreitbar. Ihre Fähigkeit, die Verfügbarkeit der Energie zu gewährleisten, um die stetig wachsende und immer umweltbewusstere Nachfrage zu decken, macht sie zu einer zufriedenstellenden Lösung für den instabilen Charakter der erneuerbaren Energien sowie einer leistungsstarken Alternative der Speicherung. 

Stromaggregate reagieren schnell auf Lastschwankungen und als Bestandteil eines Smartgrid, erlauben sie, den Betrieb zu planen und die Effizienz des gesamten Systems zu optimieren. 

Massimo Brotto ist Direktor des Wirtschaftsingenieurwesens bei HIMOINSA. Mit mehr als 15 Jahren Erfahrung leitet er ein Team von Fachkräften, das die Vertriebsabteilung bei technischen Fragen unterstützt und bei der Entwicklung von Anwendungen von Stromaggregaten mit Batterien und Systemen auf Basis von erneuerbaren Energien mitwirkt. Bei der Gestaltung von neuen Produkten konzentriert sich das Team auf die Optimierung der Rentabilität und die Minimierung der Betriebskosten.