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Hybride Energie-Lösungen für eine zuverlässige Stromversorgung der Zukunft

Hybride Energie-Lösungen kombinieren verschiedene Stromerzeuger und Speichersysteme. Aufgrund des starken Ausbaus der erneuerbaren Energien und des Bedarfs nach einer unabhängigen und zuverlässigen Stromversorgung sind sie zunehmend gefragt. Ein Einblick in die Welt der hybriden Stromversorgungssysteme.

Sarah BarberSarah Barber9 min

(Titelbild: Vertikal-Achs-Windturbine zur Ergänzung einer PV-Anlage in St.Gallen / Quelle: NewGreenTec GmbH)

Unter «hybride Stromversorgungssysteme» versteht man Systeme, die aus verschiedenen Stromerzeugungstechnologien bestehen. Das können zum Beispiel Photovoltaik-Anlagen und Windturbinen sein – manchmal sogar noch durch Speichersysteme wie Batterien ergänzt. Die verschiedenen Stromerzeugungstechnologien ergänzen einander, wodurch sie weniger Speicherkapazität benötigen und eine höhere Eigenverbrauchquote im Vergleich zu einzelnen Stromerzeugern erreichen. Die Kombination kann auch zu einer zuverlässigeren und konstanteren Stromversorgung führen. Nicht zuletzt können aufgrund von Synergien in der Infrastruktur und in der Leistungselektronik auch die Komponenten- und Installationskosten reduziert werden.

Der rapide Anstieg des weltweiten Bedarfs nach Autarkie und Zuverlässigkeit in der Energieversorgung hat auch die Nachfrage nach hybriden Stromversorgungssysteme erhöht. Es existieren drei Varianten von hybriden Stromversorgungssystemen:

1. Kompaktlösungen in einem Produkt

Kompaktlösungen in einem Produkt sind hybride Systeme, die sowohl elektrisch als auch konstruktiv miteinander gekoppelt sind. Die verschiedenen Stromerzeugungstechnologien sind in einem einzigen Produkt integriert, welches direkt im Freien oder auf einem Gebäude montiert und entweder direkt an das Netz oder an einen lokalen Stromkreis angebunden wird. Solche Geräte können vor allem bei Nutzung in kleineren Massstäben oder für einen mobilen, zeitlich begrenzten Einsatz vorteilhaft sein, zum Beispiel für abgelegene Gebäude wie Alphütten, Überwachungsstationen oder Bauernhöfe, für Schulen und Kliniken in Regionen, welche keine zuverlässige Stromversorgung haben – oder für Gebäudebesitzerinnen und Gebäudebesitzer, die ohne grossen Aufwand zur Energiewende beitragen wollen.

Beispiele von kleinen alleinstehenden hybriden Geräten

NewGreenTec


Eines der KMU aus der Schweiz, welches Photovoltaik, Kleinwindturbinen und Batterien in einem kleinen Gerät für autarke Energieerzeugung für zuhause kombiniert, ist NewGreenTec. Die Kombination dieser Systeme ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Komponenten wie Wechselrichter, Steuerung, Verkabelung und Anschlüsse und führt somit zu einer Kostenreduktion gegenüber herkömmlichen Lösungen. Der EnergyTower (Abbildung links) ist ein Produkt, welches auf einer kleinen Grundfläche steht und wegen der Höhe deutlich weniger Bodenfläche als übliche PV-Anlagen benötigt. Der für die vertikalen PV-Module entstehende Turm wird gleichzeitig als Mast für die Windturbine, aber auch für das Unterbringen der Batterien, Verbrauchern wie z.B. Wasseraufbereitung oder Ladestation genutzt. Damit kann ein hoher Energieertrag pro Quadratmeter Grundfläche erreicht werden. Das Produkt PowerPyramid (Abbildung rechts) ist vergleichbar, verfügt jedoch über einen Pyramidenförmigen Sockel.


Ein zweites KMU, ebenfalls aus der Schweiz, welches wegweisende Gebäude- und Infrastrukturtechnik entwickelt, heisst Anerdgy. Das Multifunctional Roof Edge ist ein multifunktionales Produkt, welches erneuerbare Energien, Gebäudefunktionen und attraktive Designoptionen kombiniert und von den resultierenden Synergien profitiert. Es ermöglicht Gebäudebesitzerinnen und -besitzern erstmalig, erneuerbare Energiesysteme auf ihren Gebäuden zu installieren und gleichzeitig wettbewerbsfähig zu bleiben. In diesem Produkt wird Strom aus verschiedenen Quellen erzeugt. Sonnenenergie wird an den vorderen und hinteren Flächen des Systems in Solarstrom und optional in Solarwärme umgewandelt. Falls die optionale Windturbine eingesetzt wird, wird die Windenergie an der Fassadenkante durch einen Venturi-Kanal um einen Faktor von 1.5 beschleunigt. Dies erhöht die Leistung um einen Faktor von 3.4. Die kinetische Energie des Windes im Kanal wird durch einen Windturbinenrotor und -generator sehr effizient in Strom umgewandelt.

2. Unabhängige Insellösungen

Unabhängige Insellösungen erzeugen Strom für geschlossene Systeme, die nicht mit dem Netz verbunden sind. Sie werden in abgelegenen Gebieten, für Inseln oder in vom Netz entfernter Infrastruktur wie Signal- oder Funkanlagen eingesetzt, wenn also die Netzanbindung nicht möglich, zu teuer oder unzuverlässig ist. Dabei werden verschiedene Stromerzeuger mit Speichersystemen gekoppelt und in einem sogenannten Smart Grid (Definition siehe Infobox am Schluss) intelligent gesteuert. Unabhängige Insellösungen werden manchmal auch Microgrids (Definition siehe Infobox am Schluss) genannt, obwohl streng genommen dies nur der Fall ist, wenn sie optional auch ans Netz gebunden werden können.

Beispiele von hybriden unabhängigen Insellösungen


In diesem Projekt werden Windparks mit PV-Anlagen, Biodiesel-Generatoren und Batterien in einem Smart Grid kombiniert, um Strom für King Island in Tasmanien, Australien zu erzeugen. Die Ziele des Projektes sind, die Nutzung von erneuerbaren Energien in Tasmanien zu erhöhen und die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu minimieren. Die Innovation liegt in der Integration der verschiedenen Stromerzeuger und in der optimalen Nutzung von Speichertechnologien wie ein «Diesel Uninterruptible Power Supply», basierend auf einem Schwungrad und ein Speichersystem aus Bleibatterien.


Diese Insellösung für Robben Island in Südafrika kombiniert Diesel-Generatoren mit einer 667 kW PV-Anlage und einem Batteriespeichersystem in einem Smart Grid, um die Energiekosten und CO2-Emissionen zu reduzieren. Strom wird für ca. 100 Einwohner erzeugt. ABB nennt diese Lösung auch ein Microgrid, obwohl soweit bekannt ist, keine Netzanbindung vorhanden ist. Die Kommunikation innerhalb des Systems geschieht durch ein ABB Ability drahtloses Netzwerk und die Überwachung und Steuerung des Systems wird in einem Kontrollzentrum in Kapstadt durchgeführt. Dadurch kann die Stromversorgung je nach Bedarf gesteuert werden.

3. Netzgebundene Lösungen

Netzgebundene Lösungen speisen direkt ins Netz ein und können entweder miteinander gekoppelt oder unabhängig voneinander sein. Im letzten Fall ist von «Co-Location» die Rede. Der Vorteil von netzgebundenen hybriden Stromversorgungssystemen besteht hauptsächlich darin, dass die Projektkosten durch Synergien in der Infrastruktur (z.B. weniger Inverter, Netzanbindungen und Kabel) und in den Tages- und Jahreszeiten der Stromerzeugung der verschiedenen Systeme (z.B. viel Wind wenn wenig Sonne und umgekehrt) reduziert werden können.

Beispiele von netzgebundenen hybriden Stromversorgungssystemen


Das erste PV-Wind-Hybrid-Projekt in grossem Massstab in Indien umfasst einen 50 MW Windpark und eine benachbarte 28.8 MW PV-Anlage, die nicht miteinander gekoppelt sind («Co-Location»). Das Ziel dieses Projektes ist es, die Herausforderungen im Zusammenhang mit der resultierenden schwankenden Leistungserzeugung anzugehen und die politischen Unsicherheiten in der Preisgestaltung von solchen hybriden Anlagen zu reduzieren.


Dieses Demonstrationsprojekt von zwei bekannten Weltmarktführern in der Energiebranche, Vestas und EDP Renewables, setzt ein Zeichen für die Zukunft. Das hybride System besteht aus einer existierenden Vestas V112-3MW Windenergieanlage (WEA) und einer 372 kW PV-Anlage. In diesem System wird, im Gegensatz zum oben diskutierten Projekt, die PV-Leistung direkt in die für dieses Projekt modifizierte Leistungselektronik der WEA eingespeist. Anschliessend wird die kombinierte Leistung ins Netz eingeleitet. Der Vorteil ist vor allem die reduzierte Anzahl der Inverter, die insgesamt eingesetzt werden müssen.


Dieses erste hybride Projekt in Australien besteht aus einer 10 MW PV-Anlage und einem 165.5 MW Windpark, die nebeneinander stehen («Co-Location»). Wie beim Projekt in Indien wird in diesem Projekt vor allem von den reduzierten Kosten der gemeinsamen Netzanbindung und Infrastruktur profitiert. Ausserdem ist die erzeugte Energie konstanter und zuverlässiger.

Zukunftsthema Hybrid

Wie wir gesehen haben, existieren viele Varianten von hybriden Stromversorgungssystemen in verschiedenen Massstäben und Konstellationen. Solche Systeme haben das Potenzial, einen Mehrwert zu bringen – vor allem durch Kostenreduktionen aufgrund von Synergien in der Infrastruktur sowie durch die Möglichkeit einer zuverlässigeren und konstanteren Stromversorgung. Auf dem Weg dorthin ist eine Vielzahl technologischer und ökonomischer Herausforderungen zu meistern. An der Hochschule für Technik in Rapperswil befassen wir uns schon lange mit dieser Thematik, z.B. im Studiengang Erneuerbare Energien und Umwelttechnik EEU in Bachelorarbeiten zu hybriden Versorgungskonzepten für Alpenhütten. Derzeit arbeiten wir an der HSR an der Entwicklung einer Demonstrationsanlage «SmartHybrid@HSR» mit einer Kombination aus Wind- und Solarenergie sowie Batterien und intelligenter Steuerung. Das Ziel ist es, die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Umsetzung eines hybriden Systems aufzuzeigen, Lösungsansätze zu entwickeln und das vielfältige Potenzial dieser Technologie effizienter zu nutzen.

Gemäss einer Studie von Franziska Dammeier an der ZHAW, «Integration erneuerbarer Energiequellen in das Schweizer Verteilnetz: Möglichkeiten von Microgrids», gelten folgende Definitionen:

Der Begriff Smart Grid umfasst die kommunikative Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungs- und -verteilungsnetzen der Elektrizitätsversorgung.

Ein Microgrid ist eine Untereinheit des Stromnetzes, welche lokal Erzeuger und Verbraucher miteinander verbindet und dabei die Last- und Erzeugungsspitzen, die durch den zunehmenden Anteil von erneuerbaren Energien häufiger geschehen, ausgleicht. Dabei besteht oft nur ein einziger Anschlusspunkt an das allgemeine Stromnetz, wodurch die zentrale Struktur des Netzes bestehen bleiben kann. Ein Microgrid kann auch optional autark betrieben werden, was bei Stromunterbrechungen sehr vorteilhaft sein kann.

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