RT23 | Smart-Integrated-Grid: PHIL-Inselnetz aus Elektro- und Wasserstoffsystemen

Moderne Energiesysteme erfordern enorme Veränderungen in unserer Energieinfrastruktur, um die Folgen der Dekarbonisierung zu bewältigen. Zwei große Herausforderungen ergeben sich erstens aus der unbeständigen Natur von Erneuerbare Energien wie Wind und Sonne, die zu einem intermittierenden Energieeinspeisungsprofil führen, und zweitens aus der Stilllegung von rotierenden Generatoren. Diese beiden Umstände zusammen könnten einen perfekten Sturm erzeugen, der das Energiesystem aus folgendem Grund destabilisieren könnte. Solange elektrische Energienetze auf der Basis von Wechselstrom (AC) existierten, war es zwingend erforderlich, die AC-Frequenz auf einen vordefinierten Wert zu stabilisieren, z. B. 50 Hz in Europa. Schwankungen waren immer ein Faktor und wurden z. B. durch Lastabwurf und -verschiebung verursacht. Rotierende Generatoren wirkten diesem Phänomen aufgrund der ihnen innewohnenden Massenträgheit entgegen, indem sie eine Pufferfunktion ausübten, um Frequenzschwankungen auszugleichen. Der Verzicht auf diese ausgleichende Eigenschaft setzt das Netz natürlich den Gefahren aus, die von solchen Schwankungen ausgehen. Neben dem Wegfall dieses auf Massenträgheit basierenden Ausgleichsmechanismus wird die Verlagerung der Energieeinspeisung hin zu inhärent volatilen Energieträgern dieses Problem noch dramatisch verschärfen. Kurz gesagt, wir stehen vor zwei Problemen: mehr Schwankungen und weniger Möglichkeiten, sie auszugleichen. Eine vielversprechende Lösung für dieses Problem ist die Kopplung von Branchen , um eine Pufferkapazität, wenn auch anderer Art, zu schaffen. Die Idee ist, das elektrische Energienetz mit einem Wasserstoff-Energienetz zu koppeln und Wasserstoff als Pufferkomponente zu nutzen. Dieser Ansatz basiert auf einer nahtlosen Kopplung der Technologien Power-to-Gas (über einen Elektrolyseur) und Gas-to-Power (über eine Brennstoffzelle). Die Umsetzung der Branche ist jedoch keine einfache Angelegenheit und erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der die wissenschaftlichen Bereiche der Leistungselektronik, der Elektrochemie und der elektrischen Energiesysteme umfasst. Darüber hinaus ist eine intelligente Steuerung und Kommunikation für den Betrieb der verschiedenen technischen Komponenten erforderlich, die für die Kopplung von Energiesystemen benötigt werden. Dies gilt insbesondere für nicht starre Energiesysteme, bei denen Störungen einen großen Einfluss auf das Systemverhalten haben. Daher müssen Koordination, Kommunikation und Lastverteilung schnell und zuverlässig sein. Zu diesem Zweck wurde ein Niederspannungs-Wechselstrom-Inselnetz aufgebaut, das aus einer Wechselstrom-Last, einem Batteriestrang und emulierten Photovoltaik- (PV) und Brennstoffzellen-Strängen besteht und untersucht wird. Die Gleichstromquellen Batterie und PV sind am Schnittpunkt über DC/DC- und DC/AC-Leistungselektronik miteinander verbunden. Auf einer übergeordneten Hierarchiestufe wurde ein OPAL-Echtzeitsimulator implementiert, der drei Aufgaben erfüllt: 1. Zentralisierte Steuerung: Generierung von Sollwerten und Initialisierung von Abläufen, 2. Überwachungseinrichtung: Erfassung und Anzeige von Messdaten in Echtzeit, 3. Echtzeit-Simulationen: Generierung von Eingangs-/Ausgangsparametern für emulierte Geräte. Alle drei Punkte können zusammenfassend durch eine OPAL-initialisierte automatisierte Startsequenz unter Einbeziehung aller Komponenten, die Implementierung von Sequenzen einschließlich transienter Ereignisse und sichere Abschaltprotokolle, wiederum unter Einbeziehung aller Komponenten, demonstriert werden. Danksagung: Diese Forschung ist Teil des Projekts CoupleIT!, das vom dtec.bw - Forschungszentrum Digitalisierung und Technik der Bundeswehr gefördert wird. dtec.bw wird von der Europäischen Union - NextGenerationEU - gefördert.