nPro: Software-Tool für die Planung von Microgrids und dezentralen Energiesystemen

Planung von Microgrids

Ein Microgrid ist ein lokales Stromnetz, welches nur wenige Stromerzeugungsanlagen und Stromspeicher umfasst und ein kleines räumliches Gebiet versorgt. Es hat entweder keinen Anschluss an ein anderes übergeordnetes Stromnetz oder bezieht nur einen kleinen Teil seiner Energie von externen Netzen. Microgrids werden auch als Inselnetze bezeichnet, sofern keine Verbindung zu anderen Stromnetzen besteht. Für die Speicherung von Strom können vielfältige Speichertechnologien zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel

• Batterien und Akkumulatoren,
• Wasserstoff-Speichern oder
• sonstige Stromspeicher, wie Luftverflüssigung oder Schwungmassenspeicher.

Nachteile von Microgrids (Inselnetze)

Microgrids weisen gegenüber Stromnetzen, welche mit einem übergeordneten Verbundnetz gekoppelt sind, einige Nachteile auf. Zentral ist die verringerte Ausfallsicherheit durch die verminderte Erzeuger-Redundanz. Dadurch sind höhere Ausfallzeiten zu erwarten als in einem vollredundanten Netz (n-1-Kriterium). Außerdem kommt es häufiger zu erhöhten Spannungs- und Frequenzschwankungen, was sich negativ auf den Betrieb von stromversorgten Anlagen auswirken kann. Aufgrund der fehlenden Importmöglichkeiten aus anderen Stromnetzen müssen ferner hohe Speicherkapazitäten vorgehalten werden, was negativen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von Microgrids hat.

Tool zur Dimensionierung von Batterien in Microgrids

Die Dimensionierung von Speicherkapazitäten ist für Microgrids von entscheidender Bedeutung, insbesondere wenn keine physikalische Verbindung zu einem externen Stromnetz besteht. In der Zukunft werden Microgrids häufig mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien betrieben werden müssen. Photovoltaik-Anlagen und Windturbinen weisen jedoch ein schwankendes Erzeugungsprofil auf und stehen damit nicht ganzjährig als Energiequelle zur Verfügung. Daher müssen geeignete Stromspeicher vorgesehen werden, welche es ermöglichen, dass ganzjährig alle elektrischen Bedarfe gedeckt werden können.

Einsatz von Wasserstoff in Microgrids

Neben Stromspeichern wie Batterien und Schwungradspeichern, ist auch der Einsatz von Wasserstoff in Microgrids eine effiziente Möglichkeit, ganzjährig Bedarfe mit schwankenden erneuerbaren Energiequellen zu decken. Wasserstoff ist verlustarm auch über längere Zeiträume speicherbar und kann so eingesetzt werden, um ein Überangebot an Strom saisonal zwischenzuspeichern. Durch den Einsatz von Elektrolyseuren wird Wasserstoff zu Zeiten mit einem Stromüberangebot erzeugt und unter Druck zwischengespeichert. Gespeicherter Wasserstoff kann in Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt werden. Je nach Ausführung der Brennstoffzelle und der Betriebsparameter kann überschüssige Abwärme der Brennstoffzelle thermisch weiter verwendet werden. So entsteht ein sektorkoppelndes Energiesystem, welches neben dem Strom- und Gassektor auch den Wärmesektor umfasst. Die Dimensionierung von Wasserstoff-Speichern ist allerdings komplex: Sind die Speicher zu klein, schaffen sie es nicht, lange Zeiträume mit einem Mangel an erneuerbarem Strom zu überbrücken. Sind sie zu groß ausgelegt, schmälert dies die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. Für eine erste Abschätzung der optimalen Speicherkapazität von Wasserstoff-Speichern kann im nPro-Tool eine Auslegungsrechnung durchgeführt werden. Diese ermittelt die optimalen Technologiekapazitäten auf Basis eines typischen Auslegungsjahrs. Um die Sicherheit der Auslegung zu erhöhen, können mehrere unterschiedliche Auslegungsjahre mit unterschiedlichen Wetter- und Bedarfsprofilen durchgerechnet werden. Das nPro-Tool nutzt zur Dimensionierung einen techno-ökonomischen Optimierungsansatz auf Basis mathematischer Optimierungsmodelle.

Abbildung 1: Microgrid mit Wasserstoff-Speicher

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