Aktuell / 26.11.2013

Leistungs-Elektronik für die Stromversorgung netzferner Dörfer

In einem Inselsystem in Ägypten versorgen Konzentrator-Photovoltaik-Systeme Wasserpumpen mit elektrischer Energie. © Fraunhofer ISE
Blockdiagramm des Systems zur netzunabhängigen Dorfstromversorgung mit Photovoltaik- und Dieselgenerator. Blau markiert sind die zentralen Neuentwicklungen für die Leistungselektronik. © Fraunhofer ISE

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE entwickelten zusammen mit einem Industriepartner eine neue Leistungselektronik für die Dorfstromversorgung netzferner Gebiete. Mit diesen für die besonderen Anforderungen des Inselbetriebs abgestimmten Komponenten wie Wechselrichter und Batterieladesystem kann ein Photovoltaik-Hybrid-System den kompletten Strombedarf netzferner Dörfer aus erneuerbaren Energien zentral erzeugen und Dieselgeneratoren ersetzen. Solche sogenannte Mini-Grid-Systeme können auch größere Einzelverbraucher, wie beispielsweise Handwerksbetriebe, versorgen.

 

In abgelegen Gebieten ohne Netzanschluss wird elektrischer Strom bisher meist aufwendig mit Dieselgeneratoren erzeugt. Die European Photovoltaic Industry Association EPIA schätzt, dass weltweit der Anteil autonomer Photovoltaik-Systeme bis 2030 auf 30 Prozent anwachsen wird, mit steigender Tendenz.

 

Systemtechnik für Dorfstromversorgung

Als zuverlässige und günstige Alternative entwickeln die Forscher im Projekt „Inno-System“ eine einfache, robuste und flexible Systemtechnik für große Photovoltaik-Hybridanlagen, in denen zum Beispiel Photovoltaik, Wind und Dieselgeneratoren kombiniert werden können. Dieses System zur netzunabhängigen Dorfstromversorgung ist modular aufgebaut und einfach erweiterbar. Die Leistung der Anlage und ihrer Komponenten Solargenerator, Leistungselektronik und Speicher, ist so ausgelegt, dass Dieselgeneratoren weitgehend durch erneuerbare Energien ersetzt werden können.

 

Managementsystem für netzunabhängige Stromversorgung

Die Forscher vom Fraunhofer ISE entwickelten hierfür intelligente Batterie- und Energiemanagementsysteme: einen Inselwechselrichter mit einer Leistung von 125 Kilowatt und ein Ladegerät mit einer Leistung von 51 Kilowatt für Batteriespannungen bis 1.000 Volt. Diese ermöglichen optimale Wirkungsgrade. Das leistungsoptimierende Photovoltaik-Batterieladegerät mit einer Nennleistung von 50 kW erreicht bis zu 99,5 Prozent, der zentrale Batteriewechselrichter über 98 Prozent.

 

Dr. Olivier Stalter vom Fraunhofer ISE erklärt beim Kooperationsforum Leistungselektronik von Bayern Innovativ: „Bislang waren derartige Solarsysteme meist auf kleine Leistungen bis etwa 100 Watt beschränkt. Unser System überträgt die neuesten Technologien der Industrienationen auf die Bedürfnisse von Dorfgemeinschaften und größeren Verbrauchern wie Krankenhäuser oder kleinere Industriebetriebe.“

 

Aufbau des PV-Hybridsystems zur Dorfstromversorgung

Für das Dorfstromsystem werden netzbildende Wechselrichter, leistungsoptimierender MPPT-(Maximum Power Point Tracking)-Laderegler, intelligente Zähler sowie eine Hochvolt-Hybrid-Batterie kombiniert. Diese Batterie verbindet den hohen Wirkungsgrad und die Zyklenfestigkeit von Lithium-Ionen-Batterien mit der Wirtschaftlichkeit von Bleibatterien. Ein integriertes Batteriemanagementsystem überwacht den Ladezustand, meldet Fehler und erfasst Alterung und Energieinhalt. Der transformatorlose Wechselrichter kann bidirektional arbeiten: Er speist entweder in das AC-Netz oder lädt die Batterie mit Energie, die ein auf der AC-Seite integrierter Dieselgerator erzeugt. Anders als bei bisher verfügbaren Inselwechselrichtern setzen die Entwickler auf eine hohe DC-seitige Systemspannung und verzichten auf Hochsetzsteller (Aufwärtswandler) und Transformatoren.

 

Das System wurde mit neuesten Halbleiterbauelementen wie Super-Junction-Feldeffekttransistoren sowie Siliciumcarbid-Dioden für hohe Spannungen und hohe interne Schaltfrequenzen aufgebaut. Dieses Konzept ermöglicht ein günstiges kompaktes System, geringe Ströme und geringe Verluste reduzieren Kühlbedarf, Materialeinsatz und Kosten. Gegenüber konventionellen Geräten sind die Verluste um bis zu 60 Prozent niedriger.

 

Modularer Aufbau ermöglicht bedürfnisgerechte System-Anpassung

Um die von Ort zu Ort sehr unterschiedlichen Bedürfnisse und Gegebenheiten optimal bedienen zu können, ist das System hardware- und softwareseitig modular aufgebaut. Es ist sowohl für einen Off-Grid- als auch für einen On-Grid-Einsatz ausgelegt und kann das öffentliche Netz ergänzende Funktionen übernehmen. So kann es Regelleistung zur Frequenz- und Spannungsstützung erbringen oder in schwachen Netzen Netzausfälle überbrücken. Ebenso kann es Verbrauchsspitzen kappen und den Eigenverbrauch optimieren.

 

Die Technik ist passend für einen Einsatz in abgelegenen Regionen konzipiert. Eine Einheit reicht heute für hohe Leistungen, für die bisher viele Einheiten mit hohem Kabel- und Schaltungsaufwand parallel verbunden werden mussten. Je nach Bedarf sind sowohl DC- als auch AC-Kopplungen möglich. Die modernen Bauteile und eine durchgehend digitale Steuerung machen es möglich, Photovoltaiksysteme mit 350 bis 1.200 Volt und Batteriesysteme mit 650 bis 1.000 Volt Nennspannung zu verwenden. Das Energiemanagementsystem koordiniert und steuert die verschiedenen Erzeuger (PV-Anlage, Windkraftwerk und Dieselgenerator), die Ladung der Batterie und die Stromabgabe.

 

Für die Entwicklung der neuen Leistungselektronik für die Dorfstromversorgung haben die Forscher Dr. Olivier Stalter, Florian Reiners, Michael Eberlin und Sebastian Franz vom Fraunhofer ISE gemeinsam mit Frank Seybold von der KACO new energy GmbH im Sommer 2013 den SEMIKRON Innovationspreis erhalten.

 

Das Forschungsvorhaben Inno-System wurde vom Bundesumweltministerium gefördert.

 

Photovoltaik-Hybridanlage mit Dieselgenerator

Das BINE-Projektinfo (16/2011) „Neues Betriebssystem für Inselnetze“ beschreibt ein Vorgängerprojekt, in dem ein Managementsystem für dezentrale Stromversorgungen entwickelt wurde. Es kombiniert eine Photovoltaik-Hybridanlagemit verschiedenen Stromquellen und einem zusätzlichen Dieselgenerator. Ein Informations- und Steuerungsnetzwerk samt neuem Betriebssystem hält das Inselnetz stabil.

Verknüpfte Projekte

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Mehr zum Projekt

Innovative Photovoltaik-hybridsystemtechnik für die Dorfstromversorgung

Projektbeteiligte:

Entwicklung und Fertigung SOFC-Stack
ElringKlinger AG

Herstellung von Hochleistungs-Wärmeübertragern
Behr GmbH & Co. KG

Grundlagenentwicklung Reformer/Restgasbrenner, Entwicklung von Betriebsstrategien, Lebensdaueruntersuchungen
OWI Oel-Waerme-Institut GmbH

Tests der Wärmeübertrager und Stacks, Entwicklung von Betriebsstrategien
Forschungszentrum Jülich GmbH

- See more at: www.bine.info/publikationen/projektinfos/publikation/emissionsarme-energieversorgung-auf-dem-rastplatz/

Entwicklung und Fertigung SOFC-Stack
ElringKlinger AG

Herstellung von Hochleistungs-Wärmeübertragern
Behr GmbH & Co. KG

Grundlagenentwicklung Reformer/Restgasbrenner, Entwicklung von Betriebsstrategien, Lebensdaueruntersuchungen
OWI Oel-Waerme-Institut GmbH

Tests der Wärmeübertrager und Stacks, Entwicklung von Betriebsstrategien
Forschungszentrum Jülich GmbH

- See more at: www.bine.info/publikationen/projektinfos/publikation/emissionsarme-energieversorgung-auf-dem-rastplatz/

Laufzeit: 2009 - 2013

Förderkennzeichen: 0325121