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In einem Inselsystem in Ägypten versorgen Konzentrator-Photovoltaik-Systeme Wasserpumpen mit elektrischer Energie.
© Fraunhofer ISE
Optimierte Leistungselektronik
27.11.2013

Blockdiagramm des Systems zur netzunabhängigen Dorfstromversorgung mit Photovoltaik und Dieselgenerator. Blau markiert sind die zentralen Neuentwicklungen des Fraunhofer ISE.
© Fraunhofer ISE

Solarstrom für die Insel

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE entwickelten zusammen mit einem Industriepartner eine neue Leistungselektronik für die Stromversorgung 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.

In abgelegenen Gebieten ohne Netzanschluss wird elektrischer Strom bisher meist aufwendig und teuer mit Dieselgeneratoren erzeugt - hier bietet Photovoltaik Alternativen. Die European Photovoltaic Industry Association (EPIA) schätzt, dass weltweit der Anteil autonomer Photovoltaik-Systeme bis 2030 auf 30 Prozent anwachsen wird, mit steigender Tendenz.
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 sowie 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-Institut für Solare Energiesysteme 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 erklärte 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 vereint die Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien (hoher Wirkungsgrad und Zyklenfestigkeit) 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 Insel-Wechselrichtern setzen die Entwickler auf eine hohe DC-seitige Systemspannung und verzichten auf Aufwärtswandler, sogenannte Hochsetzsteller, und Transformatoren.
Durch Photovoltaik-Hybrid-Inselsysteme (Mini-Grid-Systeme) in Dörfern können auch größere Einzelverbraucher, wie beispielsweise Handwerksbetriebe, versorgt werden. Das Projekt Inno-System wurde rund vier Jahre vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit gefördert. Weitere Details zum Projekt sind auf dem Webportal EnEff:Industrie zu finden.

Photovoltaik-Hybridanlage mit Dieselgenerator

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

(gh)

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Projektbeteiligte
Fraunhofer ISE

Projektbeteiligte
KACO new energy GmbH