Technische Herausforderungen bei der Integration von PV in ... - GIZ
Technische Herausforderungen bei der Integration von PV in ... - GIZ
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<strong>Technische</strong> <strong>Herausfor<strong>der</strong>ungen</strong> <strong>bei</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>Integration</strong> <strong>von</strong> <strong>PV</strong> <strong>in</strong> bestehende Inselnetze<br />
Dr.-Ing. Markus Pöller<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Vorstellung M.P.E.<br />
<br />
M.P.E. (Moeller & Poeller Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g) ist e<strong>in</strong> Planungs- und<br />
Beratungsunternehmen mit Sitz <strong>in</strong> Süddeutschland.<br />
<br />
Fokus auf die Netz<strong>in</strong>tegration erneuerbarer Energien:<br />
Elektroplanung <strong>von</strong> W<strong>in</strong>d- und <strong>PV</strong>-Parks<br />
Netzstudien für Übertragungs- und Verteilnetzbetreiber<br />
Internationale Beratungstätigkeit im Bereich <strong>der</strong><br />
Netz<strong>in</strong>tegration erneuerbarer Energien<br />
Messungen, Modellierung<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
RE-Diesel Hybrid-Systeme<br />
Charakteristik <strong>von</strong> Diesel-Hybrid Systemen hauptsächlich<br />
def<strong>in</strong>iert durch:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Lastvariationen<br />
Randbed<strong>in</strong>gungen des Betriebs <strong>von</strong> Diesel-Generatoren<br />
RE-E<strong>in</strong>speisevariationen (<strong>PV</strong> und/o<strong>der</strong> W<strong>in</strong>d)<br />
Anfor<strong>der</strong>ungen an die Netzzuverlässigkeit und<br />
Spannungsqualität.<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
RE-Diesel Hybrid-Systeme<br />
Ziel e<strong>in</strong>er optimierten Betriebsweise <strong>von</strong> Diesel-Hybrid-<br />
Systemen:<br />
Maximale Kostene<strong>in</strong>sparung<br />
E<strong>in</strong>sparung des Verbrauchs <strong>von</strong> Diesel-Kraftstoff<br />
Berücksichtigung <strong>von</strong> Alterungseffekten<br />
-> Betrachtung <strong>der</strong> Gesamtkosten (Kapitalwert)<br />
Randbed<strong>in</strong>gungen:<br />
Netzzuverlässigkeit<br />
Spannungsqualität<br />
Frequenzstabilität<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Diesel Generatoren<br />
<br />
Im Dauerbetrieb muss e<strong>in</strong>e M<strong>in</strong>destlast gewährleistet se<strong>in</strong><br />
(typisch: 25%-40%)<br />
<br />
Wirkungsgrad s<strong>in</strong>kt <strong>bei</strong> Betrieb mit reduzierter Last (im<br />
Leerlaufzustand ist Treibstoffverbrauch <strong>bei</strong> ca. 20% <strong>von</strong><br />
Nennlast)<br />
-> möglichst Betrieb im Bereich e<strong>in</strong>es hohen Wirkungsgrads<br />
(70%...90% <strong>von</strong> Nennlast)<br />
<br />
Start-Stop-Vorgänge müssen begrenzt werden<br />
-> ausreichende Vorhaltung <strong>von</strong> „Sp<strong>in</strong>n<strong>in</strong>g Reserve“<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
RE-Generatoren (<strong>PV</strong>/W<strong>in</strong>d)<br />
<br />
RE-E<strong>in</strong>speisung kann nicht voll genutzt werden.<br />
<br />
REs müssen regelbar (begrenzbar) se<strong>in</strong>, entwe<strong>der</strong> über<br />
Kommunikationsschnittstelle o<strong>der</strong> über Frequenzantwort (am<br />
besten <strong>bei</strong>des).<br />
<br />
Ökonomische Analyse oft schwierig, da tatsächlich<br />
e<strong>in</strong>gespeiste Energie oft nur schwer abschätzbar ist.<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Wirkleistungsbilanzierung<br />
<br />
Zu jedem Zeitpunkt muss gelten:<br />
P<br />
Diesel<br />
<br />
P<br />
RE<br />
<br />
P<br />
Last<br />
<br />
P<br />
Verluste<br />
<br />
P<br />
Speicher<br />
0<br />
<br />
<br />
<br />
„Natürliche“ Speicher:<br />
Massenträgheit <strong>der</strong> Dieselgeneratoren (Sekundenbereich)<br />
Aber:<br />
Massenträgheit wird durch Abschaltung <strong>von</strong><br />
Dieselgeneratoren reduziert<br />
Folge:<br />
Frequenzvariationen werden größer<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Reduziertes Massenträgheitsmoment<br />
Ausfall e<strong>in</strong>es Generators/Lastsprung:<br />
Transienter Frequenze<strong>in</strong>bruch <strong>bei</strong> normalem E<strong>in</strong>satz an<br />
Diesel- Generatoren<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Reduziertes Massenträgheitsmoment<br />
Ausfall e<strong>in</strong>es Generators/Lastsprung:<br />
Transienter Frequenze<strong>in</strong>bruch <strong>bei</strong> reduziertem E<strong>in</strong>satz<br />
an Diesel- Generatoren (hoher RE-E<strong>in</strong>satz)<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Speicher<br />
<br />
<br />
Schwungradspeicher (Flywheel):<br />
Typischer Zeitbereich: Sekunden…. M<strong>in</strong>ute<br />
Typ. Anwendung: Bereitstellung <strong>von</strong> Sekundenreserve (Vergrößerung<br />
des Massenträgheitsmoments)<br />
Batterie:<br />
Typischer Zeitbereich: mehrere M<strong>in</strong>uten<br />
Typ. Anwendung:<br />
• Bereitstellung <strong>von</strong> Sekundenreserve (Massenträgheitsmoment)<br />
• Frequenzregelung<br />
• Reserve im M<strong>in</strong>utenbereich zur E<strong>in</strong>satzoptimierung <strong>von</strong><br />
Dieselgeneratoren<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Lastmanagement<br />
Mit Hilfe <strong>von</strong> Lastmanagement kann <strong>der</strong> E<strong>in</strong>satz <strong>von</strong><br />
Dieselgeneratoren optimiert werden.<br />
Geeignete Lasten:<br />
Thermische Lasten (Wärmepumpen, Kühlhäuser etc.)<br />
Wasserpumpen<br />
Meerwasserentsalzung<br />
Re<strong>in</strong>igungsanlagen<br />
etc.<br />
-> Letztlich ist Lastmanagement auch e<strong>in</strong>e Art <strong>von</strong><br />
Speichermanagement.<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
„Dump Load“<br />
<br />
„Dump Load“: schnell zuschaltbarer Wi<strong>der</strong>stand<br />
<br />
Mit e<strong>in</strong>er „Dump Load“ kann sehr schnell Energie verbraucht<br />
werden.<br />
<br />
Kann <strong>bei</strong> <strong>der</strong> Bereitstellung „negativer“ Regelreserve helfen.<br />
<br />
Alternative: Sehr schnelle Abregelung <strong>von</strong> <strong>PV</strong>-Anlagen o<strong>der</strong><br />
W<strong>in</strong>dgeneratoren.<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Wirkleistungsbilanzierung<br />
Stand-by Diesel<br />
Reserveleistung<br />
Synchronisierte Dieselgen.<br />
Inertia<br />
Schnelle Reserve<br />
Pos. Reserve<br />
Schnelle Res.<br />
Inertia<br />
Neg. Reserve<br />
RE-Generatoren<br />
Synchronisierte Dieselgen<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Wirkleistungsbilanzierung - Beispiel<br />
<br />
Last: 5MW<br />
<br />
5 Dieselgeneratoren mit jeweils 1MW Leistung<br />
<br />
<strong>PV</strong>-Erzeugung: 2MW<br />
<br />
W<strong>in</strong>denergieerzeugung: 3MW<br />
<br />
Erfor<strong>der</strong>liche Kurzzeitreserve zur Abdeckung <strong>von</strong> W<strong>in</strong>d-,<strong>PV</strong>und<br />
Lastschwankungen: 30% <strong>von</strong> W<strong>in</strong>d- und <strong>PV</strong>-E<strong>in</strong>speisung<br />
(=1,5MW)<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
E<strong>in</strong>satz Dieselgeneratoren: Beispiel<br />
Randbed<strong>in</strong>gungen:<br />
M<strong>in</strong>. E<strong>in</strong>satz <strong>der</strong> Dieselgeneratoren: 40%<br />
<br />
<br />
<br />
Hochlaufzeit: ca. 3 M<strong>in</strong>uten<br />
N-1 sicherer Betrieb <strong>der</strong> Dieselgeneratoren -> m<strong>in</strong>d. 2 Generatoren müssen jeweils am Netz se<strong>in</strong><br />
Ke<strong>in</strong> Batteriespeicher, ke<strong>in</strong> Lastmanagement<br />
Beispiel:<br />
<br />
<br />
2 Diesele<strong>in</strong>heiten <strong>in</strong> Betrieb: m<strong>in</strong>d. 0,8MW Erzeugung<br />
Rotierende Reserve: 1,2MW -> nicht ausreichend<br />
<br />
<br />
<br />
Erfor<strong>der</strong>liche Anz. Dieselgen: 3 -> m<strong>in</strong>d. 1,2MW Erzeugung<br />
Rotierende Reserve: 1,8MW -> ausreichend<br />
Aber: nur 3,8MW W<strong>in</strong>d und <strong>PV</strong> können e<strong>in</strong>gespeist werden (1,2MW nicht lieferbare<br />
erneuerbare Energie <strong>bei</strong> voller Sonnene<strong>in</strong>strahlung und<br />
hoher W<strong>in</strong>dgeschw<strong>in</strong>digkeit)<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
E<strong>in</strong>satz Dieselgeneratoren: Beispiel<br />
E<strong>in</strong>satz e<strong>in</strong>er Batterie<br />
<br />
Batterie mit 1MW für 5 M<strong>in</strong>uten<br />
Beispiel:<br />
<br />
<br />
2 Diesele<strong>in</strong>heiten <strong>in</strong> Betrieb: m<strong>in</strong>d. 0,8MW Erzeugung<br />
Rotierende Reserve: 1,2MW + 1MW (Batterie) -> 2,2 MW<br />
-> ausreichend<br />
<br />
<br />
<br />
4,2MW W<strong>in</strong>d und <strong>PV</strong> können e<strong>in</strong>gespeist werden (0,8MW nicht<br />
lieferbare erneuerbare Energie)<br />
Batterie reduziert die nicht lieferbare erneuerbare Leistung und somit<br />
die Dieselleistung um 0,4MW.<br />
Batterie muss sich aus Diesele<strong>in</strong>sparungen f<strong>in</strong>anzieren<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Regler zur Wirkleistungsbilanzierung<br />
P Last<br />
P W<strong>in</strong>d P <strong>PV</strong> P Diesel SOC<br />
Randbed<strong>in</strong>gungen:<br />
• Betriebsbereich Dieselgeneratoren<br />
• Reserve zum Ausgleich <strong>von</strong><br />
W<strong>in</strong>dschwankungen<br />
• Sekundenreserve (Inertia)<br />
• N-1 Sicherheit<br />
Lastmanagement/<br />
Speicher<br />
Start/Stop<br />
Diesel<br />
E<strong>in</strong>satz Diesel<br />
Begrenzung<br />
RE<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Weitere <strong>Herausfor<strong>der</strong>ungen</strong><br />
<br />
<br />
<br />
Spannungs-/Bl<strong>in</strong>dleistungsregelung<br />
Kommunikationsnetzwerk zur Steuerung <strong>der</strong> erneuerbaren<br />
E<strong>in</strong>speisungen und Lastmanagement<br />
Regelungstechnik und Schutz<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Zusammenfassung<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Diesel-RE-Hybrid Netze benötigen e<strong>in</strong> wohl überlegtes<br />
Design zur Maximierung <strong>der</strong> RE-E<strong>in</strong>speisung und somit zur<br />
M<strong>in</strong>imierung des Diesel-Verbrauchs<br />
Da<strong>bei</strong> muss e<strong>in</strong>e Vielzahl an Randbed<strong>in</strong>gungen<br />
berücksichtigt werden:<br />
N-1 Sicherheit<br />
Massenträgheitsmoment (Inertia)<br />
Ausreichende Reservehaltung zum Ausgleich <strong>von</strong> W<strong>in</strong>d- und <strong>PV</strong>-<br />
E<strong>in</strong>speisevariationen.<br />
Betriebliche E<strong>in</strong>schränkungen <strong>von</strong> Dieselgeneratoren<br />
Speicher und Lastmanagement machen das System flexibler<br />
und erlauben e<strong>in</strong>en höheren E<strong>in</strong>satz <strong>von</strong> RE.<br />
Zentrale Regelung zur Steuerung aller Erzeugungen,<br />
Speicher und Lasten erfor<strong>der</strong>lich.<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
Thank You<br />
Markus Pöller<br />
markus.poeller@moellerpoeller.de<br />
Moeller & Poeller Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g GmbH (M.P.E.)<br />
http://www.moellerpoeller.de<br />
PEP-Informationsworkshop: <strong>PV</strong>-Hybridsysteme auf den Philipp<strong>in</strong>en
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