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Bild 1. Vereinfachte Netzgrafik des Inselnetzes mit Lastflussberechnung

Neuer Energiemix für dezentrale Inselnetze

Bild 2. Simulierte Tagesganglinie für Last und Erzeugung

Bild 3. Systemübersicht

Die Erneuerbaren Energien ergeben erst im Zusammenspiel mit einer intelligenten Netzführung ein verlässliches Versorgungskonzept. Das trifft nicht nur auf das Verbundnetz zu, sondern auch auf Inselnetze fernab von einem Netzzugang.

Während in Deutschland die Erneuerbaren Energien durch die Gesetzgebung gefördert werden, ist in anderen Ländern die Rentabilität ohne Subventionen die Basis für Investitionsentscheidungen. Allerdings sind die Randbedingungen für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit keine festen Größen. Laut einer Studie vom Fraunhofer-Institut ISE zur Entwicklung von Stromgestehungskosten weisen Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen für die nächste Dekade einen Preisanstieg aus, während bei Erneuerbaren Energien eher eine Kostenreduzierung zu erwarten ist. Der sogenannte Lerneffekt ist im Rückblick der letzten Jahre besonders für die PV-Solarenergie gut dokumentiert und bringt in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung einen Schub bei der Errichtung neuer Anlagen.

Struktur dezentraler Inselnetze ohne Netzanschluss
In Europa ist der Parallelbetrieb der regenerativen Erzeugungsanlagen mit dem öffentlichen Netz ein festes Planungsaxiom. Dagegen sind in verschiedenen Ländern in Afrika, Asien und Südamerika im industriellen Bereich Inselnetze ohne Netzanschluss nicht unüblich. Hier überwiegen als Erzeugungseinheiten Motorenkraftwerke, die mit Diesel oder Schweröl betrieben werden, um eine stabile und verlässliche Stromversorgung im Megawatt- Bereich gewährleisten zu können. Der Einsatz von Gas als Brennstoff ist eher selten, da die erforderliche Infrastruktur für die Gasversorgung oft nicht vorhanden ist. Weltweit werden jährlich Dieselaggregate mit einer gesamten Leistung von rund 50 GW el neu installiert. Die Wachstumsrate für diesen Markt wird laut einer Studie von Navigant Research auf 10 % jährlich geschätzt. Die Investitionskosten für diese Motorenkraftwerke sind vergleichsweise gering. So kommen modulare Systeme zum Einsatz, teilweise in Containerbauweise, die einfach aufzubauen sind. Den relativ geringen Investitionskosten für diese Motorenkraftwerke stehen hohe Brennstoffkosten gegenüber. Dies trifft gerade auf die eingesetzten Dieselaggregate zu. Die prognostizierten Verbrauchswerte werden in der Praxis nicht selten überschritten, da durch Teillastbetrieb sowie durch den Parallelbetrieb von Reserveaggregaten zur Sicherstellung der Netzstabilität die Wirkungsgrade sinken. Der Ersatz solcher Motorenkraftwerke im Inselbetrieb durch regenerative Erzeugungsanlagen bleibt zunächst eine Idealvorstellung. Die Anlagen im Megawattbereich versorgen industrielle Anwendungen mit teilweise größeren Antrieben, die bei Lastwechsel oder Anfahrvorgängen eine entsprechende Stabilität von der Energiequelle abverlangen. Wie kann also der Einsatz regenerativer Energieerzeuger genutzt werden? Die Lösung heißt Hybridkraftwerk, eine Kombination aus konventioneller und regenerativer Erzeugung (Bild 3). Dabei zielen diese Konzepte im Wesentlichen auf die Reduzierung der Brennstoffkosten ab. Als regenerative Erzeugungseinheiten sind robuste und erprobte Systeme geeignet, die im industriellen Umfeld einen kalkulierbaren Aufwand für Betrieb, Wartung und Instandhaltung verursachen. Weltweit entwickelt sich diese Partnerschaft zwischen konventionellen und regenerativen Anlagen im „Off-Grid“-Sektor als Zukunftsmodell. Ein Beispiel ist das von der Firma Cronimet Mining-Power Solutions realisierte Hybridkraftwerk in Thabazimbi, Südafrika. Die mit SMA Fuel Save Controller ausgestattete Anlage spart jährlich 450.000 l Diesel ein und vermeidet dadurch den Ausstoß von rund 2.000 t Kohlendioxid.

Die Netzplanung
Ein an Bedeutung zunehmendes Arbeitspaket im Projektablauf ist die Netzplanung. Nach dem ersten Entwurf der Topologie sind alle relevanten Betriebsfälle zu definieren und zu untersuchen. In dem gezeigten Beispielprojekt für eine Hafenanlage in Südafrika wurde mit der Software Power Factory von Digsilent auf Grundlage der Netztopologie ein Berechnungsmodell erstellt (Bild 1). Neben den technischen Daten sind für alle Betriebsmittel zeitbasierende Lastcharakteristiken im Berechnungsmodell definiert. Für die PV-Anlage sind Datenmodelle auf Basis der geografischen Koordinaten mit entsprechenden lokalen Strahlungswerten in der Software hinterlegt. Mit dem Berechnungsmodell werden verschiedene Lastfälle und Kurzschlussszenarien simuliert, um so die richtige Auslegung wählen zu können und die Funktionalität nachzuweisen. Zusätzlich können mit Digsilent Power Factory Zeitsimulationen durchgeführt werden, um zum Beispiel den Generatoreinsatz anhand von Tagesganglinien (Bild 3) zu untersuchen und zu optimieren. Dabei dienen die simulierten Ganglinien mit der kumulierten elektrischen Arbeit je Erzeugungseinheit auch als Grundlage für die Wirtschaftlichkeitsanalyse.

Intelligente Netzführung
Für die erfolgreiche Systemintegration von erneuerbaren Energieerzeugern in Inselnetze ist eine intelligente Netzführung eine entscheidende Voraussetzung. Erst die steuerungs- und regelungstechnische Koordination der prognostizierten und gemessenen Lastprofile mit den Charakteristiken der Erzeugungseinheiten ermöglicht einen stabilen und optimierten Betrieb. Neben den offenen Automatisierungslösungen für die Netzsteuerung sind spezielle Applikationen für die Hybriderzeugung zum Beispiel von SMA verfügbar. Hier sind die Steuer- und Regelalgorithmen bereits hinterlegt, und die Schnittstellen zu den unterlagerten Steuereinheiten sind vorkonfektioniert. Je nach Anwendung ist die Skalierbarkeit der Steuerung zu bedenken. Folgen spätere Ausbauschritte mit weiteren Erzeugungseinheiten oder zum Beispiel Speichermodulen, sollte deren Integration möglich sein.

Ausblick
Mit Blick auf die Entwicklung der Stromgestehungskosten wird der Ausbau der erneuerbaren Energieerzeugung auch im Bereich der Inselnetze zunehmen. Neben den regenerativen Erzeugungseinheiten sind die Lösungen für die intelligente Netzführung ein wichtiger Baustein. Als Hürde für die Umsetzung der zur Verfügung stehenden Technologien erweist sich in der Praxis oft die Projektentwicklung und Finanzierung. Die neuen Hybridkonzepte sind teilweise nicht bekannt oder werden mit Skepsis betrachtet. Oftmals sind Investoren und Betreiber erst auf Basis verlässlicher Daten und Referenzen bereit, innovative Wege zu beschreiten. (ih)

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Autor:
Dipl.-Ing. Christian Janotta ist Projektleiter im Bereich Energieerzeugung und -Verteilung bei der Eproplan GmbH in Stuttgart.
c.janotta@eproplan.de