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Sonnenenergie ist umweltfreundlich, steht aber nicht kontinuierlich und planbar zur Verfügung. Abhilfe können Dieselaggregate schaffen, die kontinuierlich Strom erzeugen. Bild: Rolls-Royce Power Systems
Hybride Kraftwerke

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Strom aus Diesel und Sonne

Text: Max Kräutle, MTU Friedrichshafen
Die Vorteile von Dieselgeneratoren und Photovoltaik-Anlagen lassen sich in einem Hybrid­Kraftwerk verbinden. So wird eine kontinuierliche Stromversorgung auch in netzfernen Gegenden gesichert. Eine intelligente Steuerung spart Kraftstoff und erhöht den ökonomischen Nutzen.

Sonnenenergie ist umweltfreundlich, steht aber nicht kontinuierlich und planbar zur Verfügung. Das führt zu Schwankungen in der Energieversorgung. Abhilfe können Dieselaggregate schaffen, die kontinuierlich Strom erzeugen. Sie stehen bei Bedarf rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr zur Verfügung: als Notstromaggregat im Rechenzentrum, als Spitzenlast­aggregat, um Lastspitzen abzufangen oder als Kraftwerk zur netzunabhängigen Stromerzeugung. Letzteres ist gerade in Regionen ohne flächendeckende Netzversorgung eine praktikable Art, die Energieversorgung sicherzustellen. MTU Onsite Energy hat bereits mehrere tausend Aggregate zur Stromerzeugung geliefert. Viele von ihnen sind seit Jahrzehnten im Einsatz. Sie sind kraftstoffsparend, wartungsarm und halten strenge Emissionsrichtlinien ein. Darüber hinaus verfügen sie über ein gutes Lastaufschaltverhalten und besondere Niedriglastfähigkeiten. Dennoch besteht bei Dieselaggregaten generell Verbesserungspotential hinsichtlich Betriebskosten und Umweltfreundlichkeit.

Der Trend hin zu regenerativen Energien hat stark an Bedeutung gewonnen. Mit sinkenden Herstellungskosten und stetigen Verbesserungen hinsichtlich Wirkungsgrad und Langlebigkeit spielt die PV eine wichtige Rolle. Allerdings birgt diese Art der Stromerzeugung auch Herausforderungen: Nachts liefern die PV-Zellen keinen umweltfreundlich erzeugten elektrischen Strom. Zudem können Schwankungen bei der Leistung auch durch plötzlich auftretende Wolken oder Regen und Gewitter verursacht werden. Zwar lässt sich das Wetter voraussagen, jedoch nicht immer exakt, was Probleme bei der Planbarkeit von Solarstrom mit sich bringt.

Eine Voraussetzung zur Solarstromnutzung ist ein stabiles Stromnetz. PV-Module können selbst kein Stromnetz bilden, weshalb sie nur in Verbindung mit einem vorhandenen Netz oder Batteriespeichersystemen effizient betrieben werden können. Da PV-Module Gleichstrom produzieren, muss die gewonnene elektrische Energie zunächst mit einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden, welcher dann in ein Wechselstromnetz eingespeist werden kann. Die Alternative wäre die Speicherung des Gleichstroms in Batterien. Von dort könnte die Energie bei Bedarfzu einem späteren Zeitpunkt, wiederum mit Hilfe eines Wechselrichters, abgerufen und ins Netz eingespeist werden. Die Kapazität von Batteriespeichersystemen ist jedoch aufgrund der Größe und Anschaffungskosten noch begrenzt.

Prinzip hybrider Kraftwerke

Eine mögliche Antwort auf diese Herausforderungen und ein relativ neuer Trend in der Energieerzeugung ist das Thema Diesel-PV-Hybrid. Im Zusammenhang mit Stromerzeugung spricht man von einem Hybrid, wenn zwei oder mehr Energiequellen kombiniert werden, in diesem Fall Diesel mit Solar. Eine Kombination mit Windenergie und Batteriespeichersystemen ist ebenfalls denkbar, erfordert jedoch eine komplexere Steuerungs- und Regelungstechnik. Die Stromerzeugung durch Dieselaggregate ist planbar, regelbar und zuverlässig. Außerdem bilden sie mit Hilfe eines Wechselstrom-Synchron-Generators rund um die Uhr ein stabiles Stromnetz. Ihre Betriebskosten sind allerdings vergleichsweise hoch, häufig bedingt durch den Kraftstoffverbrauch, der bei PV-Anlagen nicht anfällt.

Daher erscheint die Kombination der beiden Techniken sinnvoll. Das Hybrid-Konzept verbindet die jeweiligen Vorteile der Energieerzeugung durch Dieselgeneratoren und PV-Module, reduziert die Nachteile beider Konzepte und schafft somit einen Mehrwert. Dieser besteht zum einen in der kontinuierlichen Verfügbarkeit der Energie und einem stabilen Stromnetz, was das Dieselaggregat gewährleistet, zum anderen in der Kraftstoffersparnis: Bei Verfügbarkeit der PV-Energie kann das Dieselaggregat heruntergefahren werden und die PV-Anlage den Großteil der Last übernehmen. Um den aktuellen Strombedarf einerseits und die zur Verfügung stehende Energie andererseits bestmöglich auszubalancieren, ist eine intelligente übergeordnete Steuerung erforderlich. Diese misst den tatsächlich benötigten elektrischen Strom und regelt die Einspeisung der PV-Energie.

Dieselaggregate müssen ständig laufen, um das Stromnetz zu bilden. Die Steuerung regelt sie jedoch so weit wie möglich herunter, um den aktuellen Strombedarf mit der günstigeren Energie aus der PV-Anlage zu decken. Nur den darüber hinaus benötigten elektrischen Strom müssen die Dieselaggregate bereitstellen. Somit wird eine maximale Versorgungssicherheit bei minimalem Kraftstoffverbrauch sichergestellt. Der daraus resultierende geringere Kraftstoffverbrauch schont die Umwelt und spart Kraftstoffkosten.

Niedriglast spart Kraftstoff

Ein hybrides Kraftwerk sollte immer so ausgelegt sein, dass die installierten Dieselaggregate nicht unterhalb ihrer definierten Mindestlast laufen, die branchenüblich bei 30 Prozent liegt. Andernfalls spricht man von Niedriglastbetrieb. Dieser schadet dem Aggregat längerfristig, da die bestmögliche Betriebstemperatur des Dieselmotors nicht erreicht wird und kein optimaler Verbrennungsprozess stattfinden kann. Im ungünstigsten Fall ist auch ein Totalausfall des Aggregates möglich. Wenn die Aggregate mit 30 Prozent Mindestlast betrieben werden müssen, liegt der maximale PV-Anteil bei 70 Prozent der Last. Aus wirtschaftlicher Sicht wären jedoch höhere PV-Anteile wünschenswert. Je höher diese innerhalb einer hybriden Anlage sind, desto höher ist das auch Einsparpotential durch geringeren Kraftstoffverbrauch.

Hier kommt einer der Vorzüge der MTU Onsite Energy­-Lösung zum Tragen: Dieselaggregate der Baureihen 1600 und 2000 von MTU Onsite Energy besitzen branchenüberdurchschnittliche Niedriglastfähigkeiten. Aggregate dieser Baureihen können für maximal zwölf Stunden mit einer Leistung zwischen null und 20 Prozent ihrer Nennleistung betrieben werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass sie im Anschluss für mindestens eine Stunde mit einer Last von mindestens 60 Prozent betrieben werden müssen, um das Problem des sogenannten Ölschiebens zu vermeiden. Dabei kann es aufgrund einer zu geringen Betriebstemperatur des Motors zu einer Verölung kommen.

Diese Niedriglastfähigkeit ermöglicht es, zeitweise bis zu 100 Prozent der benötigten Energie durch Photovoltaik abzudecken, was eine hohe Kraftstoffeinsparung mit sich bringt. Die Aggregate verfügen darüber hinaus über ein gutes Lastaufschaltverhalten. Sollte aufgrund starker Wolkenbildung die PV-Leistung einbrechen, muss das Dieselaggregat innerhalb von Sekunden die Lasten übernehmen und Verbraucher mit elektrischem Strom versorgen.

Die MTU Onsite Energy-Aggregate sind für diese Aufgaben gut geeignet: Mit ihren Niedriglastfähigkeiten, ihrem Kraftstoffverbrauch und Lastaufschaltverhalten bieten sie gleichzeitig einen ökonomischen Nutzen sowie Zuverlässigkeit bei der Stromversorgung auch in netzfernen Regionen.

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