RT23 | Echtzeitsimulation eines inselbetriebenen Microgrid für die Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff

Um das Ziel der Netto-Null-Emissionen bis 2050 zu erreichen und die weltweit steigenden Ziele für nachhaltige Energie zu erfüllen, wird es immer wichtiger, das Angebot an verfügbaren und erschwinglichen kohlenstoffarmen Technologien zu erweitern. In diesem Zusammenhang wird die Offshore-Windenergie zur Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff als eine praktikable Option und ein überzeugendes Beispiel für eine Technologie angesehen, die bereit ist, einen bedeutenden Unterschied in zukünftigen Energiesystemen zu bewirken. Diese Arbeit schlägt die Entwicklung einer Echtzeit-Simulation eines inselierten microgrid für die Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff aus der in einem Offshore-Windpark (OWF) erzeugten Energie vor. Das Projekt betrachtet den Standort der Wasserstofferzeugung in zwei unterschiedlichen Szenarien: Offshore-Wasserstofferzeugung (Szenario 1) und Onshore-Wasserstofferzeugung (Szenario 2). Szenario 1 betrachtet die Wasserstoffproduktion im selben Gebiet wie der OWF, offshore mit Speicherung und anschließendem Transport des produzierten Wasserstoffs zur Küste per Schiff oder Unterwasserpipeline. Szenario 2 betrachtet die Wasserstoffproduktion auf dem Festland, d. h. onshore, wobei der Strom aus dem OWF über Unterwasserkabel übertragen wird. Die Windgeschwindigkeitsdaten werden unter Verwendung der ERA5-Datenbank über das regionale Atmosphärenmodell WRF mit einer räumlichen Auflösung von 1 km ermittelt. Das Modell simuliert das Windverhalten über ein Jahr mit einer zeitlichen Auflösung von 10 Minuten und deckt eine maximale Entfernung von 50 km vom Hafen von Açu im Norden des Bundesstaates Rio de Janeiro ab. Das Projekt sieht eine 120-MW-Offshore-Windkraftanlage vor, die aus 8 IEA-15-MW-Windturbinen, einem 12-MW-BESS (Battery Energy Storage System) und einer 120-MW-Elektrolast besteht, die sich aus 6 PEM-Elektrolyseuren (Polymer Electrolyte Membrane) mit einer Leistung von jeweils 20 MW (4 x 5 MW Stack) zusammensetzt. Das System arbeitet im Inselbetrieb, daher arbeitet das BESS im Netzformungsmodus (GFM) unter Verwendung einer Droop-Regelung (Wirkleistung/Frequenz – P/F und Blindleistung/Spannung – Q/V). Die Verwaltung der Lasten, das Laden und Entladen der Batterien erfolgt über das Power Management System (PMS). Aufgrund der Intermittenz der Offshore-Windkraftanlage und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass das System im Inselbetrieb arbeitet, ist es notwendig, die Elektrolyseure entsprechend der verfügbaren Leistung und dem Ladezustand der Batterie (SOC) ein- und auszuschalten (Betrieb im Bereich von 5 % bis 125 % der Nennleistung). Für die Entwicklung des Systems werden Offline-Simulationen in der Matlab/Simulink-Umgebung durchgeführt und durch Echtzeit-Simulationen mit hardware Leistungselektronik und Steuerungssysteme validiert. Das System wird unter verschiedenen Windgeschwindigkeitsbedingungen getestet. Die Simulationsergebnisse werden vorgestellt und verglichen, um das entwickelte System zu validieren.