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Solar - Wasserstoff Inselnetz

Photovoltaikdach der Hochschule Ansbach

Das autarke Energieversorgungsystem an der Hochschule Ansbach besteht aus einer Photovoltaik (PV)-Anlage, Wechselrichtern, einem Elektrolyseur, Akkumulatoren, einem Wasserstoffspeicher und einer Brennstoffzelle. Dieses System bildet ein Inselnetz, das konventionelle Verbraucher unabhängig vom öffentlichen Stromnetz jederzeit mit elektrischer Energie versorgt. Der Verbrauch wird zunächst direkt durch die PV-Anlage gedeckt, Überschüsse laden zum einen die Akkus und erzeugen zum anderen Wasserstoff für die Langzeitspeicherung. Bei geringer Leistung der PV-Anlage wird der Wasserstoff wieder in Strom rückgewandelt. Die langfristige Speicherung mit Wasserstoff ermöglicht kleinere Solarmodulflächen und eine sicherere Überbrückung von Tagen mit geringem erneuerbarem Energieertrag im Vergleich zu Inselanlagen mit Bleiakkumulatoren. Dies resultiert aus dem Umstand, dass im Sommer Energie für den Winter gespeichert werden kann, um auch dann die Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Durch die Modularität des Systems können einzelne Komponenten der Anlage beliebig skaliert werden. Unterschiedliche Anforderungen bzgl. der Leistung, der Speicherkapazität und damit auch der Kosten können so realisiert werden. Eine Erweiterung um zusätzliche Erzeuger und Verbraucher ist beim Inselnetz auf Wechselspannungsbasis problemlos möglich.

Photovoltaikdach

Das Ziel der Inselnetz-Anlage an der Hochschule Ansbach ist, den praktischen Nachweis einer nachhaltigen und sicheren Energieversorgung auf Basis von konventionellen Aggregaten und erneuerbaren Energien zu erbringen. 


Beschreibung der Anlage

Anlagenkonfiguration
Abbildung 1: Anlagenkonfiguration.

Die autonome Energieanlage besteht aus auf dem Markt erhältlichen Komponenten. Den Strom für die Verbraucher produziert eine auf dem Dach der Hochschule installierte PV-Anlage.

Wechselrichter wandeln den Gleichstrom aus den Modulen in Wechselstrom für das Inselnetz um. Ein Netzbildner und ein Energiespeicher sorgen für die Stabilität des 230 VAC Inselnetzes. Nun können Verbraucher direkt angeschlossen und mit dem selbst erzeugten Strom betrieben werden.

 Das Speichersystem der Anlage besteht aus einem Elektrolyseur, einem Wasserstofftank, einer Brennstoffzelle und aus Bleiakkumulatoren. Aus dem Energieüberschuss der solaren Einstrahlung wird in einem Elektrolyseur Wasserstoff aus Wasser erzeugt. Ist der Leistungsbedarf der Verbraucher höher als die Leistung aus der PV-Anlage, schaltet sich die Brennstoffzelle hinzu. Sie setzt den gespeicherten Wasserstoff in elektrischen Strom um. Die Bleiakkumulatoren dienen als Kurzzeitspeicher. Sie gleichen unmittelbar Differenzen zwischen Leistungsbereitstellung und Leistungsverbrauch aus. Die stromgeregelten Wechselrichter der PV-Anlage benötigen eine Wechselspannungsvorgabe als Bezug für ihre Einspeisung in das Inselnetz. Ein bidirektionaler, selbstgeführter Batteriewechselrichter übernimmt die Aufgabe der Netzbildung bei Inselanlagen. Auf der Wechselstromseite regelt er Spannung, Frequenz und Leistung. Auf der Gleichspannungsseite arbeitet er als Akkuladegerät mit einer intelligenten Laderegelung und einem sicheren Tiefentladeschutz durch Lastabwurf. Mittels SPS sind die einzelnen Komponenten des gesamten Systems direkt steuer- und regelbar.


Projekte

Wir führen Forschungs- und Entwicklungsprojekte zum energieoptimierten Einsatz der Wasserstofftechnologie in Inselsystemen durch.

  • Experimentelle und thermodynamische Untersuchungen an Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Batteriespeichern
  • Wirkungsgradanalysen
  • Simulation, Auslegung und Regelung von Inselsystemen

Aktuelle Projekte sind:

  • Test einer AC seitigen Kopplung der Brennstoffzelle mittels Brennstoffzellenwechselrichter SB1100 LV der Firma SMA
  • Einbindung einer Windkraftanlage in das bestehende Inselnetz  

Zu vergebende Projekt- / Bachelor- und Diplomarbeiten:

  • Experimente
    Untersuchung des Gesamtwirkungsgrades des Inselsystems bei DC und AC seitiger Kopplung der Brennstoffzelle
  • Projektierung
    1. Optimierung des Batteriespeichers. Richtige Dimensionierung und schonende Behandlung der Blei-Vlies-Akkumulatoren
    2. Einsatz von Lithium-Ionen Akkumulatoren als Kurzzeitenergiespeicher für das Inselsystem


Veröffentlichungen

  1. Lengsfeld, M.: Anbindung der Photovoltaikanlage der Fachhochschule Ansbach an das interne Inselsystem und Untersuchung des Betriebsverhaltens, Diplomarbeit 2009.
  2. Brinkhaus, M., Jarosch, D., Kapischke J., All year power supply with off-grid photovoltaic system and clean seasonal power storage, Journal of Solar Energy, 2011.
  3. Karger, P., Siebenlist, A., Kombination von Photovoltaik und Windkraft in kleinen Energieerzeugungsanlagen, Projektarbeit 2010
  4. Hoffmann, A., Leutung, A., Grillenberger, M., Analyse des dynamischen Verhaltens der PV Wasserstoffanlage im Einphasenbetrieb, Projektarbeit 2010
  5. Gmach, Y.: Bleiakkumulatoren, Projektarbeit 2009.
  6. Hoffmann, A., Leutung, A., Grillenberger, M.: Analyse des dynamischen Verhaltens der Solaranlage im Einphasenbetrieb, Projektarbeit 2009.
  7. Brinkhaus, M.: Off-Grid Power Supply and Premium Power Generation Solar-hydrogen based autonomous electric power system in operation, Abstract 2010.
  8. Unbehauen, A., Kopplung eines PV - Elektrolysesystems, Projektarbeit 2006
  9. Pschyklenk, M.: Planung, Aufbau und Inbetriebnahme eines autonomen Energieversorgungssystems auf der Basis einer 1-kW-PEM Brennstoffzelle, Diplomarbeit 2007.
  10. Pschyklenk, M.: Unterbrechungsfreie Stromversorgung, Kooperationsforum Energie 2007.
  11. Schlosser, T., Soller, S., Inbetriebnahme des Wasserstoffprüfstandes mit Brennstoffzelle, Projektarbeit 2007
  12. Bernhardt, H.: Aufbau der Relion I-1000 Brennstoffzelle, Projektarbeit 2008.
  13. Weiß, O., Müller, S., Knorr, J., Funktionsweise der Relion I-1000 Brennstoffzelle, Projektarbeit 2009
  14. Kirchner, A., Javorsky, A.:  Aufbau eines alkalischen Eloflux Elektrolyseurs, Projektarbeit 2005.
  15. Kirchner, A., Javorsky, A., Der Eloflux - Elektrolyseur, Projektarbeit 2005 
  16. Rubel, B.: Operational Test of an intermittently operated alkaline Eloflux Electrolyser, Poster und Projektarbeit 2006.
  17. Unbehauen, H.: Kopplung eines PV – Elektrolysesystems, Projektarbeit 2005.
  18. Weiser, C., Wenzel, M.: Aufbau des PEM Elektrolyseurs Hogen 20, Projektarbeit 2008.
  19. Brinkhaus, M.: Test und Systembeschreibung des PEM Elektrolyseurs Hogen 20, Projektarbeit 2008.