Technische und wirtschaftliche Optimierung eines isolierten Hybridkraftwerks in der Gemeinde Isidro des Espino - Bolivien - Björn Brunner (2019)
Vor dem Hintergrund steigender Weltmarktpreise für endliche Energieträger wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, welche Auswirkungen eine stärkere Verankerung erneuerbarer Energien, hier einer Kleinwindenergieanlage, in die untersuchte Photovoltaik-Diesel-Hybridanlage mit Batteriespeicher der Gemeinde San Isidro del Espino hat. Daneben wurden Messdaten über das Last- und Erzeugerverhalten der Anlage von der Firma Enersol bereitgestellt und in dieser Arbeit ausgewertet. Es zeigte sich ein ineffizientes Betriebsverhalten der Anlage, das auf die Systemkontrollstrategie zurückzuführen ist. Bei häufig über Nacht auftretendem Energiemangel der Anlage übernimmt der Diesel-Generator bei Nennleistung die Energieerzeugung und lädt mit überschüssiger Energie den Batteriespeicher bis zu einem Ladezustand von 80 % auf. Somit ist der Speicher bereits vormittags vollgeladen. Dadurch wird der Photovoltaik-Generator runtergeregelt und kann sein Potenzial nicht ausschöpfen. Es wurde ebenfalls untersucht, welche Auswirkungen eine veränderte Systemkontrollstrategie auf die Hybridanlage hat. Um den eingangs genannten Fragestellungen nachzugehen, wurden technische und wirtschaftliche Parameter der Systemkomponenten, sowie Parameter über die Ressourcenverfügbarkeit des Standortes erhoben. Anhand dieser wurden Zeitreihensimulationen verschiedener Systemkonfigurationen mit der Optimierungssoftware Homer durchgeführt. Dabei wurde das Ist-System (Systemkontrollstrategie: Cycle charging auf einen Soll-Ladezustand von 80 %) der systeminternen Optimierung (Veränderte Systemkontrollstrategie: Load following) und der systemergänzenden Optimierung (Erweiterung um eine Kleinwindenergieanlage) gegenübergestellt. Anhand der Optimierungen konnte gezeigt werden, dass die Nutzung eines Dieselgenerators zur Versorgungssicherheit nicht alternativlos ist. Beide Simulationen ergaben eine höhere ökologische Nachhaltigkeit der Hybridanlage durch die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Treibhausgasemissionen. Besonders markant ist, dass bei der Systemerweiterung die Nutzung des Diesel-Generators fast komplett entfallen könnte. Daneben ergab sich in beiden Fällen ein kosteneffizienteres System. So konnten die Gesamtkosten (NPC) der Hybridanlage bei beiden Optimierungen um 13.000 $ reduziert werden. Die Energiegestehungskosten (LCOE) konnten geringfügig gesenkt werden. Anhand von zwei Sensitivitätsanalysen wurde deutlich, dass beide Optimierungen eine Steigerung der Kraftstoffkosten und einen erhöhten täglichen Energiebedarf kosteneffizienter kompensieren könnten. Die Auswirkungen der Optimierungen auf die Lebensdauer des Diesel-Generators und des Batteriespeichers waren sehr unterschiedlich. Im Falle der veränderten Systemkontrollstrategie wird der Diesel-Generator häufiger über einen kürzeren Zeitraum auf einem niedrigeren Leistungsniveau genutzt. Dies führt zu einer geringfügig höheren Lebenszeit des Batteriespeichers von 11,9 auf 12,7 Jahre. Dahingegen sinkt die Lebensdauer des Diesel-Generators wesentlich stärker von 41,7 auf 23,4 Jahre, da sich die Anzahl der Generatorstarts fast verfünffacht. Durch den Vergleich mit anderen Projekten konnte diese Problematik untersucht werden. Eine alternative Systemkontrollstrategie (Cycle charging auf einen niedrigen Soll-Ladezustand von 60 %) könnte die häufigen Generatorstarts verhindern. Eine Erweiterung des Hybridkraftwerkes um eine Kleinwindenergieanlage könnte die Lebensdauer des Diesel-Generators und des Batteriespeichers deutlich über die Projektlaufzeit von 20 Jahren steigern. Jedoch ergab sich eine deutlich erhöhte Energieproduktion und somit ein höherer Anteil an Überschussenergie. Diese Erkenntnisse führten dazu, im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse in Homer die Systemkomponenten kleiner zu dimensionieren. Ein solches System konnte simuliert werden. Es besteht aus einem Photovoltaik-Generator mit einer Spitzen-Leistung von 45 kW, einer Kleinwindenergieanlage mit einer Nennleistung von 15 kW, einem Diesel-Generator mit einer Nennleistung von 30 kW und einem Batteriespeicher mit zwei Strängen und jeweils 24 Bleisäurebatterien. Zukünftige Hybridanlagen in der Region könnten nach diesem Vorbild deutlich ökologischer und kosteneffizienter installiert und betrieben werden. Ausblick Die Problematik anfallender Überschussenergie durch die stärkere Verankerung erneuerbarer Energien in der Hybridanlage führten zu einer abschließenden Simulation eines Wasserpumpsystems, das als abschaltbare Last in das System integriert werden könnte. Es zeigte sich, dass die Menge an Überschussenergie deutlich ausreicht, ein Wasserpumpensystem zur Deckung des täglichen Wasserbedarfs der Bevölkerung über die Hybridanlage zu betreiben. Ein möglicher Ansatz für weiterführende Forschungen ist hier gegeben. Damit könnte ein Beitrag zur Verbesserung der Existenzgrundlage der Gemeinde El Espino geleistet werden.
Keywords: Optimierung; Umwelttechnik; Isolierung; Hybridkraftwerk