Photovoltaik-Kraftwerk / 12.12.2018

Photovoltaik wird netzdienlich

Das Hybridkraftwerk kombiniert Photovoltaik, Wind und Dieselgenerator. © Belectric GmbH

Zukünftige Photovoltaik-Kraftwerke müssen künftig auch verstärkt dazu beitragen, Schwankungen zwischen Stromangebot und -nachfrage auszugleichen: Sie müssen bisher von konventionellen Kraftwerken erbrachte Funktionen zur Stabilisierung des Stromnetzes übernehmen.

Wie eine zuverlässige Stromversorgung mit einem Hybridkraftwerk, das Photovoltaik und fossile Stromerzeugung optimal kombiniert, umgesetzt werden kann, untersuchten Forscher im Projekt Zukunftskraftwerk PV.

 

Als wichtigste technische Neuerung soll das Zukunftskraftwerk PV Aufgaben wie die Netzführung in der Stromversorgung übernehmen und hierbei konventionelle Kraftwerke ersetzen können. Dafür ergänzten und veränderten die Forscher in einem von PV-Projektentwickler Belectric koordinierten Projekt die Technik und Steuerung der neuen PV-Kraftwerke: Diese erweiterten sie um Batteriespeicher, rüsteten die PV-Wechselrichter für den dualen Betrieb mit PV und Batterie auf, integrierten Dieselgeneratoren oder Blockheizkraftwerke und entwickelten neue Planungs- und Steuerungssoftware. Ziel war, mit diesen Anlagen sowohl Leistung für das Netz als auch verschiedene Netzdienstleistungen bereitstellen zu können. Außerdem wollen die Projektpartner die System- und Betriebskosten dieser Kraftwerke senken sowie deren Leistung und Langlebigkeit verbessern. In die Entwicklungen fließen die Erfahrungen aus dem Bau und Betrieb etlicher kleinerer Hybridkraftwerke in unterschiedlichen Ländern ein. Diese sind bisher auf externe Netzstellung und Regelreserve angewiesen, zum Beispiel mittels Dieselgenerator oder Wasserkraftwerk. Nach den Wünschen von Netzbetreibern sollen die neuen PV-Kraftwerke eine breite Aufgabenpalette bewältigen: Sie sollen konventionelle Stromerzeuger und deren Regelfunktionen zumindest zeitweise vollständig ersetzen, um den Verbrauch fossiler Energien zu reduzieren; darüber hinaus sollen sie die Netzführung in lokalen Netzen und damit die alleinige Versorgung ganzer Landstriche komplett übernehmen können. Die Forscher entwickelten ein messdatenbasiertes System, mit dem sie die Bereitstelleng von Systemdienstleistungen durch PV und Batterie sicherstellen können, ebenso den nahtlosen Wechsel der Teilkomponenten zwischen netzstellendem und netzfolgendem Betrieb.

PV-Hybrid-Kraftwerke für autonome Netze

Ein 2017 in Betrieb genommenes Hybridkraftwerk am Horn von Afrika: Es besteht aus einer 500 kW-Peak PV-Anlage in Ost-West-Ausrichtung, einem Blei-Batteriespeicher mit 1.000 kWh und Dieselgeneratoren mit 300 kVA. © Belectric GmbH

Während PV-Kraftwerke in Europa derzeit noch in ein von konventionellen Kraftwerken geprägtes, starres Netz einspeisen, haben sie in schwachen Netzen und Inselanlagen bereits heute einen starken Einfluss auf die Systemstabilität. Durch den wachsenden Anteil erneuerbarer Energien im Netz sollen sie verstärkt netzstabilisierende und netzbildende Eigenschaften einbringen. Dafür bringen PV-Freiflächenkraftwerke gute Voraussetzungen mit. Sie sind groß genug, um in die Anlagensteuerungs- und Überwachungs-Systeme der Energieversorger integriert zu werden.

 

Die Entwickler untersuchten im ersten Schritt Prinzipien und Komponenten für kleine, teils autonome, Netze in Zukunftsmärkten. Die dafür ausgelegten neuen Hybridkraftwerke müssen jederzeit Leistung bereitstellen. Batteriespeicher ergänzen deshalb die Photovoltaik-Anlagen. Die ersten hatten eine Größenordnung um 1 MWh, aktuelle Lithium Ionen Energiespeicherkraftwerke haben einige Dutzend MWh. Darüber hinaus lassen sich klassische Erzeuger wie Diesel- und Gasaggregate für den Einsatz in einem Hybridkraftwerk anpassen. Außerdem lassen sie sich bei Spitzenlasten zur Leistungsunterstützung einsetzen.

 

Ein solches Hybridkraftwerk bauten die Ingenieure am Horn von Afrika auf. Sie legten die Kombination von PV, Batterie und Dieselaggregat mit dem Ziel aus, Treibstoffverbrauch und Stromgestehungskosten möglichst niedrig zu halten. Im Tagesschnitt stammen etwa 80% der gesamten Energie aus der erneuerbaren Quelle. Aufgrund der netzerhaltenden Betriebsweise der Batteriewechselrichter läuft das Dieselaggregat nur noch im Nachtbetrieb an. Es konnte dadurch kleiner ausgelegt werden, und seine Lebensdauer erhöht sich. Beides hilft, Kosten zu sparen.

Regenerative ersetzt fossile Energie

In Entwicklungs- und Schwellenländern können PV-Kraftwerke entweder zentrale Versorger ersetzen, die mit importierten fossilen Energieträgern betrieben werden oder dezentrale Versorgungseinheiten in abgelegenen Regionen. Hier kann die Photovoltaik mit niedrigen Erzeugerkosten, dezentraler Installation und der nicht benötigten Versorgungslogistik punkten. Für einen breiteren Einsatz als „Fuel Saver“ müssen neue Auslegungsmodelle und -software entwickelt werden; ebenso eine neue Steuertechnik für den gemeinsamen Betrieb  mit vorhandenen fossilen Erzeugern. Ein solcher Betrieb von PV-Kraftwerken ist für Netze, die mit Dieselgeneratoren oder Gasturbinen versorgt werden, oft schon heute rentabel.

 

Neben der Ausweitung des Leistungsspektrums ist die Senkung von Anlagen- und Betriebskosten eine zentrale Aufgabe bei der Forschung und Entwicklung der erneuerbaren Energien. Über Skalierungseffekte bei Produktion und Anlagenbau hinaus tragen hierzu Innovationen bei Konzeption, Funktionsprinzip und Ausführungsart von systemtechnischen Komponenten und Gesamtsystem bei.

Stromnetze stabilisieren mit PV

Berührungslose Spannungsmessung im Einsatz auf der Freilandanlage © Belectric GmbH

Im Gegensatz zur Leistungsbereitstellung durch Generatoren in klassischen Kraftwerken müssen PV Kraftwerke bisher nicht dazu beitragen, die Netzeigenschaft, insbesondere die Netzfrequenz, aufrechtzuerhalten. Diese erforderlichen Netzdienstleistungen können sie nicht erbringen, da keine Reserven vorgehalten werden und ihre Wechselrichter darauf ausgelegt sind, einen größtmöglichen Strom ins Netz einzuspeisen. Der steigende Anteil erneuerbarer Energien im Netz erfordert nun Veränderung. Bereits 2017 machten sie 33% der Bruttostromerzeugung in Deutschland aus, je nach Wetterlage sogar über 50%.

 

Deshalb müssen auch die erneuerbaren Energien künftig verstärkt mit Netzdienstleistungen zur Stabilität der Stromnetze und sicheren Versorgung beitragen. Durch die Anbindung eines Batteriespeichers wird zusätzlich abrufbare Leistung vorgehalten, die bei Bedarf praktisch sofort im Netz verfügbar ist. Dadurch können solche Anlagen plötzlich auftretende Fehler im Netz kompensieren, die beispielsweise entstehen, wenn ein großes Kraftwerk vom Verbundnetz abfällt. Derzeit übernehmen klassische Kraftwerke diese Aufgabe: Hier fungieren die rotierenden Schwungmassen der Generatoren als sogenannte Momentanreserve. Durch ihre Massenträgheit stützen sie kurzzeitig Netzfrequenz und Netzspannung und tolerieren erhebliche Stromüberhöhungen. Mit einer netzerhaltenden Regelung ausgestattete Batteriewechselrichter können zukünftig diese Eigenschaften übernehmen.

Mehr zum Projekt

Verbundprojekt:

Befähigung von PV-Kraftwerken zur Übernahme einer ganzheitlichen Energieversorgung in Kombination mit fossilen Erzeugern und Speichern - Zukunftskraftwerk PV

Projektlaufzeit:
2014-11-01  –  2018-12-31

Förderkennzeichen:
0325768 A-H

Projektbeteiligte

Projektleitung, Hybridkraftwerkssteuerung
Opens external link in current windowBelectric GmbH

Simulationstool für Hybridkraftwerke
Opens external link in current windowBTU Cottbus

Zentralwechselrichter mit erweiterter Funktionalität
Opens external link in current windowGE Energy Power Conversion GmbH

Dynamische Regelung von Wechselrichern und Mircogrid-Tests
Opens external link in current windowFraunhofer ISE

DC-Komponenten
Opens external link in current windowJurchen Technology GmbH

Simulationsmodelle für Dieselaggregate
Opens external link in current windowMTU Friedrichshafen GmbH

Regelung, Steuerung und Überwachung von Hybridkraftwerken
Opens external link in current windowPadcon GmbH

Service

Opens external link in current windowBINE Projektinfo 13/2018
(PDF, 4 Seiten, 260 kB)

Links

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Interaktive Grafiken zu Stromproduktion und Börsenstrompreisen

Opens external link in current windowStromproduktion in Deutschland
Diagramme zur Stromproduktion zum Downloaden

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Opens external link in current windowProjekt.