Was ist eigentlich ein PV-Diesel-Hybridsystem?

In vielen Regionen der Erde gibt es entweder kein oder nur ein unzureichendes flächendeckendes Stromnetz. Industrielle Verbraucher setzen daher alternativ oft auf Dieselaggregate (Gensets) zur Stromversorgung. Weltweit versorgen 500 Gigawatt Dieselgeneratorleistung industrielle Betriebe mit Energie. Doch die Treibstoffkosten für die Aggregate steigen zunehmend.

Die effektiven Dieselkosten liegen bereits heute oft über 1 US-Dollar pro Liter Kraftstoff, Tendenz steigend. Durch den zumeist aufwendigen Transport in entlegene Gebiete und eventuell anfallende Lagerkosten steigt der Preis zusätzlich. Gleichzeitig sind die PV-Systemkosten in den letzten drei Jahren um über 50 Prozent gesunken. In Ländern am Sonnengürtel ist PV bereits jetzt oft die günstigste alternative Energieversorgung. Besteht da nicht die Möglichkeit Photovoltaik- und Dieselsysteme mit einander zu verknüpfen und dadurch die reichlich vorhandene und kostenlose Sonneneinstrahlung als Energiequelle in industriellen Anwendungen profitabel zu nutzen?

Das erste PV-Diesel Hybridsystem der Megawattklasse  ist im November 2012 in Thabazimbi, Südafrika in Betrieb gegangen. Dort wird mithilfe der SMA Fuel Save Solution Solarenergie in ein bestehendes Stromversorgungssystem mit Dieselaggregaten eingebunden. Der Betreiber kann damit jährlich bis zu 450 000 Liter Diesel sparen und seinen CO₂-Ausstoß erheblich senken. Doch wie funktioniert das und aus was besteht eigentlich ein PV-Diesel-Hybridsystem?
 

Was ist ein PV-Diesel Hybridsystem?

„Hybrid“ bedeutet aus Verschiedenem zusammengesetzt und das beschreibt es ziemlich gut: Ein PV-Diesel Hybridsystem besteht zumeist aus einer PV-Anlage, Dieselgeneratoren und einer intelligenten Steuerung, die dafür sorgt, dass immer genau so viel Sonnenenergie eingespeist wird, wie gerade benötigt wird.  Im Gegensatz zu klassischen Off-Grid-Systemen der Leistungsklasse bis 300 kW, bei denen ein Sunny Island Wechselrichter die Funktion des Masters übernimmt, wird diese Funktion vom Dieselgenerator selbst übernommen.

Wie funktioniert ein PV-Diesel Hybridsystem?

Grundsätzlich gilt also: Die PV-Energie unterstützt die Dieselgeneratoren. So kann bei hohen Lasten zusätzliche Energie bereitgestellt werden oder der Generator wird entlastet und minimiert so seinen Kraftstoffverbrauch. Überschüssige Energie kann zukünftig optional in Batterien gespeichert werden und somit mehr PV-Energie im Gesamtsystem eingesetzt werden, auch in Abend- und Nachtstunden.  Durch das Zusammenspiel von verschiedenen Systemkomponenten kann die optimale und wirtschaftliche Nutzung des Kraftstoffes garantiert und CO₂-Emissionen minimiert werden.

Was sind die Vorteile eines PV-Diesel Hybridsystems?

Amortisationszeit eines PV-Diesel-Hybrid-Systems

Im Gegensatz zu Stromversorgungsystemen mit Dieselaggregaten amortisieren sich PV-Anlagen trotz höherer initialer Systemkosten durchschnittlich innerhalb von vier bis fünf Jahren je nach Standort und Anlagengröße und erzeugen kaum laufende Kosten.

Zusätzlich sind sie flexibel und modular erweiterbar- je nach Energiebedarf. Im Vergleich zu einer reinen Dieselversorgung bietet ein PV-Diesel Hybridsystem mehrere Vorteile:

–          Geringere Kraftstoffkosten

–          Reduziertes Preissteigerungs- und Versorgungsrisiko durch maximale Planungssicherheit

–          Minimaler CO_2-Ausstoß (schont die Umwelt und ermöglicht  den Handel mit CO2-Zertifikaten)

Bei SMA heißt die Lösung für PV-Diesel-Hybridsystemtechnik SMA Fuel Save Solution. Wie diese funktioniert erklären wir jetzt.

Aus welchen Komponenten besteht hier ein PV-Diesel-Hybridsystem?

1. Photovoltaik-Wechselrichter

Der Sunny Central CP für zentrale Anlagenkonzepte

Die SMA-Wechselrichter bilden die zentrale Komponente der SMA Fuel Save Solution.  Sie sind konzipiert für den Betrieb an schwachen Netzen und somit geeignet für hohe Spannungs- und Frequenzschwankungen. Auch bei schweren Umgebungsbedingungen wie Hitze, Feuchtigkeit, salzhaltige Luft etc. bleiben sie leistungsfähig und effizient. Entweder der Sunny Tripower oder der Sunny Central finden in einem PV-Diesel Hybridsystem Verwendung.

Eine zentrale Anlage beinhaltet nur einen String, der in einem zentralen Punkt (hier unser SMA Sunny Central) zusammenläuft und dann in Wechselstrom umgewandelt wird. Bei einer dezentralen Anlage wird die PV-Energie auf viele Strings verteilt, die von mehreren Wechselrichtern (SMA Sunny Tripower) in Wechselstrom gewandelt wird. Sowohl der SMA Sunny Tripower, als auch der SMA Sunny Central übernehmen zusammen mit dem SMA Fuel Save Controller Netzmanagement-Funktionen.

Dezentrale Anlagenkonzepte werden mit dem Sunny Tripower ausgelegt

Die Entscheidung für  eine zentrale oder eine dezentrale Anlagenplanung ist von vielen Faktoren abhängig. Hier muss der Aufwand für Installation und Betrieb der Anlage unbedingt mit berücksichtigt werden. Zum Beispiel sind Wartungsarbeiten bei dezentralem Systemaufbau in schwer zugänglichen Gebieten unkomplizierter durchzuführen, im Servicefall können Elektriker vor Ort einen Austausch einzelner Wechselrichter vornehmen. Dagegen ist eine Fernüberwachung derartiger Anlagen bei einem zentralen Anlagenaufbau einfacher zu realisieren.

2. Solarstrom-Generator

Der Solarstrom wird in den Photovoltaik-Modulen erzeugt, die je nach örtlichen Begebenheiten auf dem Boden oder auf Gebäudedächern montiert werden können. SMA Wechselrichter sind kompatibel mit allen gängigen Solarmodultypen und -technologien.

Der SMA Fuel Save Controller

3. SMA Fuel Save Controller

Die zentrale Schnittstelle zwischen Dieselgenerator, Photovoltaik-Anlage und Last ist der SMA Fuel Save Controller, der die Steuerung der solaren Einspeisung in das Dieselnetz übernimmt. Er bildet die zentrale Komponente der SMA Fuel Save Solution, denn er gewährleistet maximale Betriebssicherheit bei reduzierten Kraftstoffkosten und minimiert so den CO₂-Ausstoß. Mit der SMA Fuel Save Solution lässt sich ein PV-Anteil von 60 Prozent im Vergleich zur installierten Genset-Leistung realisieren. Das heißt konkret: Bei einer installierten Genset-Leistung von 1 Megawatt erreicht man eine PV-Leistung von 600 Kilowatt. Der Fuel Save Controller besteht aus drei Modulen:

• PV Main Controller Module

Steuert die PV-Einspeisung in das Dieselnetz und stellt die optimale Photovoltaikleistung unter Berücksichtigung von Lastprofilen und Generatorleistung sicher

• Interface Module

Ermittelt und überträgt Daten und Sollwerte als Schnittstelle zwischen PV Main Controller und den Wechselrichtern

• Data Acquisition Module

Analysiert schnell und präzise die aktuellen Netz- und Lastbedingungen im System und überträgt die Daten umgehend an den PV Main Controller

4. Dieselgenerator

In netzfernen Regionen sichern oftmals reine Dieselsysteme die Energieversorgung für industrielle Anwendungen. Sie bilden das lokale Netz und stellen die konstante Versorgung aller angeschlossenen Verbraucher sicher.  Die Aggregate benötigen kontinuierlich Kraftstoff und sind somit oftmals der höchste laufende Kostenfaktor im System. In Regionen mit schwachen Netzen werden Dieselgeneratoren bei Netzausfällen häufig auch als Backup eingesetzt.

5. Genset-Systemhaus

Hier befinden sich die Überwachungs- und Steuerungssysteme der Dieselstromerzeugung. Das Genset-Systemhaus bildet den zentralen Anschluss- und Verknüpfungspunkt.

6. Optionaler Batteriespeicher

Um die Effizienz des gesamten Energieversorgungssystems weiter zu steigern empfiehlt sich die Einbindung eines Batteriespeichers. Bei nicht ausreichender Sonneneinstrahlung bzw. Energiebedarf in den Abend- oder Nachtstunden, stellt der Speicher die benötigte Energie zur Verfügung und sichert somit einen optimierten Betrieb des Hybridsystems. Aktuell arbeitet SMA an einen Batteriewechselrichter speziell für derartige industrielle Anwendungen.

7. Industrielle Lasten

Industrielle Lastprofile wie sie zum Beispiel in rohstoffverarbeitenden oder großen landwirtschaftlichen Betrieben auftreten, sind meist gekennzeichnet durch Verbraucher mit hohen Anlaufströmen und stark schwankenden Lastkurven. Eine intelligente Systemsteuerung stimmt Erzeuger und Verbraucher perfekt miteinander ab. Sie sorgt für eine permanente Systemstabilität durch ihre schnelle Reaktionsfähigkeit bei Leistungssprüngen von Erzeugern und Verbrauchern (beispielsweise durch  Zuschaltung eines Transportbandes o.ä).

Ab wann und wo lohnt sich ein PV-Diesel Hybridsystem?

Für die energieintensive Industrie in abgelegenen Regionen ist Photovoltaik die ideale Ergänzung zu dieselgestützten Versorgungssystemen, wenn folgende Voraussetzungen erfüllt sind:

1. Die effektiven Dieselkosten liegen über 1 US-Dollar je Liter.
2. Die intelligente Kommunikation zwischen Genset und PV ermöglicht eine bedarfsorientierte Nutzung des PV-Stroms
3. Die lokalen Einstrahlungsbedingungen lassen den Einsatz von Photovoltaik zu (besonders wirtschaftlich sind PV-Anlagen ab jährlichen PV-Erträgen von 1.500 kWh/kWp)

Fazit

Eine Stromversorgung mit PV-Diesel Hybridsystemen rentiert sich in sonnenreichen Regionen ohne oder mit eingeschränktem Netzzugang besonders schnell. Durch die Systemtechnik von SMA kann die Sonnenenergie in Kombination mit Dieselaggregaten optimal genutzt werden und bietet so für Betreiber von Bergbau- und Rohstoffverarbeitungsbetrieben, agrarwirtschaftlichen Großanlagen wie Blumenfarmen, Wasserentsalzungsanlagen oder Tourismuseinrichtungen mit hohem Energiebedarf höchste Zuverlässigkeit, eine sichere Stromversorgung zu jeder Tages- und Nachtzeit und eine Reduzierung der Kraftstoffkosten. Auch der umweltschonende Aspekt überzeugt: Der CO₂-Ausstoß und die Lärmbelästigung wird erheblich minimiert und dadurch die Umwelt weniger belastet. Umweltschonend und wirtschaftlich rentabel? Ja, das geht.

Weitere Infos:

Prospekt „SMA Fuel Save Solution“ (PDF)