Quelle: generatorsource.com
Das Konzept der Mikronetze gibt es schon seit vielen Jahren. Erst in letzter Zeit haben sie deutlich an Zugkraft und Presse gewonnen, da viele neue Projekte Wirklichkeit werden und in Produktion gehen. Bloom Energy berichtete kürzlich, dass sich seit diesem Jahr (2019) 500 neue Mikronetze im Bau befinden oder in Betrieb genommen werden und die weltweiten Gesamtzahlen im Multi-GW-Bereich liegen.
Im Kern ist ein Mikronetz ein Miniatur-Stromnetzsystem, das zur Verwaltung verteilter Energieressourcen eingerichtet ist und erneuerbare Energien (Sonne, Wind und/oder Wasserkraft) mit anderen nicht erneuerbaren Quellen (wie Dieselgeneratoren, Gasturbinen usw.) umfassen kann. usw.). Diese Mikronetze verwalten typischerweise die Energielasten mehrerer Erzeugungssysteme und nutzen auch eine Art Energiespeichersystem. Sie bearbeiten und verwalten all dies mit unterschiedlichen Arten von Software und Steuerungssystemen. Sie können so eingerichtet werden, dass sie parallel zu einem Versorgungsnetz betrieben werden und in Notfällen oder bei besonderen Anforderungen auch im Inselbetrieb betrieben werden können.
Microgrid-Grundlagen – Was ist ein Microgrid?
Das US-Energieministerium (DOE) definiert ein Mikronetz als „eine Gruppe miteinander verbundener Lasten und verteilter Energieressourcen innerhalb klar definierter elektrischer Grenzen, die in Bezug auf das Netz als eine einzige steuerbare Einheit fungiert. Ein Mikronetz kann sich mit dem Netz verbinden und davon trennen.“ ermöglichen den Betrieb sowohl im Netz- als auch im Inselmodus.“
Darüber hinaus behauptet das DOE: „Microgrids wurden als Schlüsselkomponente des Smart Grids zur Verbesserung der Stromzuverlässigkeit und -qualität identifiziert.“
Systemenergieeffizienz und Bereitstellung der Möglichkeit der Netzunabhängigkeit für einzelne Endbenutzerstandorte. Die Vorteile des Einsatzes der Microgrid-Technologie können sein:
- Integriert sich in Netz- und mehrere Smart-Grid-Technologien
- Integration dezentraler und erneuerbarer Energien, Reduzierung der Spitzenlast
- Stellt sicher, dass Komplexe mit kritischem Strombedarf mit Energie versorgt werden
Andere Organisationen definieren Mikronetze ähnlich, einschließlich des Konzepts der Mehrfachlasten und der Inselerzeugung. Bei der Inselerzeugung handelt es sich um Strom, der durch Wind-, Solar-, Wasserkraft- oder Diesel-/Erdgaserzeugung bereitgestellt wird.
Die Abbildung in der ersten Grafik zeigt ein Mikronetz, das Netzstrom als Primärquelle nutzt. Der Wind- und Solarpark versorgt eine Batteriebank mit Strom für den Notfall, wenn der Strom ausfällt. Beide sind normalerweise an das Stromnetz angeschlossen, um die Betriebskosten der Anlage zu senken. Bei einem Stromausfall wird der Komplex auf Batteriestrom aus der Wind- und Solaranlage umgestellt. Die Generatoren starten und übernehmen die Last aus den Batterien. Die Gebäude auf der Lastseite des Stromkreises erfahren aufgrund der Auslegung des Verteilnetzes keine Leistungsschwankungen. Wenn der Netzstrom wiederhergestellt ist, wird die Last wieder an das Netz angeschlossen und die Notstromgeneratoren werden abgeschaltet. Wind- und Solarparks kehren zum Normalbetrieb zurück.
Bei der Planung und dem Bau eines Mikronetzes spielen viele Faktoren eine Rolle. Fortschritte in den Stromerzeugungs- und -verteilungstechnologien ermöglichen Systeme, die den Stromverbrauch reduzieren, umweltfreundliche Erzeugungsmethoden nutzen und kritische Stromversorgungsanforderungen erfüllen. Nachfolgend finden Sie grundlegende Informationen zu den einzelnen Stromquellen und Steuerungssystemen. Der Aufbau dieses Mikronetzes ist fiktiv, basiert aber konzeptionell auf DOE-Projekten.
Versorgungsstrom und Lasten
Die gebräuchlichsten Mikronetze nutzen als Primärversorgung den vom örtlichen Energieversorger gelieferten Netzstrom. Mikronetze an abgelegenen Standorten können die Wasserkraft als Primärenergie nutzen oder Anlagen zur Erzeugung fossiler Brennstoffe als Primärenergie nutzen.
Kraftwerke erzeugen Hochspannungsstrom. Einige verwenden Aufwärtstransformatoren, um die Spannung für die Übertragung an Umspannwerke zu erhöhen. Umspannwerke erhalten über Hochspannungsleitungen Spannung von den Kraftwerken. Spannungen werden an den Bedarf angepasst und an die Kunden verteilt.
Krankenhäuser, staatliche Justizvollzugsanstalten und Rechenzentren sind einige der Branchen, die eine unterbrechungsfreie Stromquelle (USV) benötigen. Viele verfügen über mehrere Gebäude, die eine konstante Stromversorgung benötigen. In einigen Gebäuden kann es Bereiche geben, die aufgrund von Spannungs-, Stromstärke- und/oder Frequenzanforderungen eine isolierte Stromquelle erfordern.
Diese Anlagen verbrauchen für den normalen Alltagsbetrieb große Mengen Strom. Sie erhalten Strom über Hochspannungsleitungen in einem für den Komplex vorgesehenen Umspannwerk. Die Spannung wird mithilfe von Aufwärts- oder Abwärtstransformatoren auf die gewünschten Werte eingestellt. Der gesamte Strom wird über Schalt- und Steuertafeln zur Verteilung im gesamten Gebäude geleitet.
Jedes Gebäude stellt eine elektrische Last dar. Es ist möglich, dass einem Gebäude mehr als eine dedizierte Last zugewiesen wird. Ein Beispiel für einen sekundären Lastpunkt in einem Gebäude ist ein Frequenzumrichter. Eine positive Spannungsspitze und eine negative Spannungsspitze entsprechen einem Zyklus (Hz). Die gemeinsame Versorgung beträgt 50 Hz oder 60 Hz. Einige Geräte benötigen zum Betrieb eine 400-Hz-Stromversorgung. Frequenzumrichter ändern 50 Hz oder 60 Hz auf 400 Hz. Es gibt viele weitere Beispiele für sekundäre Lastpunkte in einem Gebäude. Beim Microgrid-Design werden alle von einem einzigen Punkt aus gesteuert.
Notstrom- und Spitzenbedarfsgeneratorleistung
Backup-Generatoren versorgen das Netz mit Strom, wenn die Stromversorgung ausfällt. Der Generator besteht aus einem Motor und einem Generator (Generatorseite). Erdgas- (NG) und dieselbetriebene Motoren sind der Industriestandard. Mit Erdgas betriebene Motoren können unbegrenzt betrieben werden, solange die Gasversorgung nicht unterbrochen wird. Bei gesicherter Versorgung ist keine Notstromversorgung verfügbar.
Generatoren mit Dieselmotoren können auch dann in Betrieb sein, wenn die gesamte Infrastruktur, einschließlich der Erdgasversorgung, ausfällt. Die Hauptkraftstofftanks müssen überwacht und bei niedrigem Kraftstoffstand aufgefüllt werden. Automatisierte Systeme können den Bediener benachrichtigen, wenn der Tankfüllstand einen vorgegebenen Wert erreicht hat, um eine Abschaltung aufgrund von Kraftstoffmangel zu verhindern.
Anwendungen von Generatoren für den Innenbereich
Motor, Kühlsysteme und Generatorenden sind alle auf einem aus Stahlträgern gefertigten Rahmen montiert. Die Kufe wird am Gebäudeboden montiert. An wichtigen Stellen werden Gummilager eingesetzt, um Vibrationen während des Betriebs zu reduzieren.
Dieser Generator verfügt über keine Kraftstofftanks und erfordert eine externe Kraftstoffversorgung. Große Primärkraftstofftanks können Tagestanks versorgen. Sie müssen über Gebäudeabluft und Kühlluftversorgung verfügen oder über ein nachgerüstetes Kühlsystem wie einen Wärmetauscher (HEX) verfügen.
Anwendungen für Outdoor-Generatoren
Generatoren, die im Freien eingesetzt werden, werden in einem witterungsbeständigen oder wetterfesten Gehäuse montiert. Viele Gehäuse sind schallgedämpft, um Betriebsgeräusche zu reduzieren. Der Generator ist auf einem doppelwandigen Kraftstofftank montiert. Für diese Generatoren sind keine externen Kraftstoff-, Abgas- oder Kühlsysteme erforderlich. Schließen Sie die Ausgangsstromkabel an den Generator an, und schon ist er bereit, die Last zu übernehmen.
Beide Generatortypen sind mit fortschrittlicher elektronischer Steuerung erhältlich und können parallel betrieben werden. Ein geteilter Backup-Generatorbus kann so eingerichtet werden, dass er große Mengen unterschiedlicher Spannungen liefert. Um unseren Bestand an neuen und gebrauchten Generatoren anzuzeigen, gehen Sie zu Generator Source. Wir bieten Generatordienstleistungen wie Wartung, Fehlerbehebung und Reparatur sowie Installation.
Ökostromerzeugung
Die Environmental Protection Agency (EPA) definiert Ökostrom als Strom, der aus Solar-, Wind-, Geothermie-, Biogas-, Biomasse- und Wasserkraftsystemen erzeugt wird. Unser Modell umfasste Wind- und Solarenergie. Nachfolgend werden mögliche Einsatzmöglichkeiten erläutert.
Solarenergie
Sonnenkollektoren bestehen aus Photovoltaikzellen. Diese Zellen wandeln Sonnenlicht in Gleichstrom (DC) um. Der erzeugte Strom wird in Batteriebanken gespeichert. Sobald die Batteriebänke vollständig aufgeladen sind, kann der Strom über einen Wechselrichter zurückgespeist und verkauft werden.
Der Wechselrichter ist das Herzstück der USV-Anlage. Bei einem Stromausfall versorgen Batterien Stromkreise mit kritischem Strombedarf. Der Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom (AC) um, um Stromkreise zu versorgen, während sich Backup-Generatoren auf die Lastaufnahme vorbereiten.
Windkraft
Wind wird genutzt, um Turbinen anzutreiben. Die Turbinen erzeugen Wechselstrom, ähnlich wie dieselbetriebene und dampfbetriebene Generatoren. Windkraftanlagen können auch an das Stromnetz des USV-Batterie-Backup-Netzes angeschlossen werden.
Turbinen, die an das Stromnetz angeschlossen sind, müssen in Phase und Frequenz übereinstimmen. Um Phase und Frequenz an das Netz anzupassen, wird der Turbinenstrom durch einen Wechselstrom-Wechselstrom-Wandler geleitet. Wechselstrom wird in Gleichstrom umgewandelt und anschließend mit einem Wechselrichter wieder in Wechselstrom gleichgerichtet und in das Netz eingespeist. Der Wechselstrom von der Windkraftanlage kann auch durch einen Konverter geleitet werden, um das Laden der Batteriebank zu unterstützen.
Solar- und Windenergie sind hervorragende Methoden, um die Kosten für den Stromverbrauch von Gebäuden auszugleichen, sie sind jedoch noch nicht weit genug entwickelt, um Notstromaufgaben zu übernehmen. Beide hängen von den örtlichen Wetterbedingungen und den verfügbaren Batteriebänken ab. An einem bewölkten Tag ohne Wind können Batteriebänke schnell leer werden, ohne dass ein Aufladen erforderlich ist.
Backup-Batteriebänke
Ökostromlösungen nutzen häufig Backup-Batteriebänke. Diese Banken liefern nur kurzzeitigen USV-Strom. Sie sind darauf ausgelegt, Strom bereitzustellen, wenn die Stromversorgung in der Anlage ausfällt, während die Generatoren anlaufen, um die Last zu übernehmen.
Backup-Batteriesysteme können mit drei verschiedenen Arten von Batteriebänken aufgebaut werden, die unten aufgeführt sind:
Blei-Säure-Zellen – Batterien mit Blei-Säure-Zellen sind die kostengünstigste Lösung. Dies kann eine gute netzunabhängige Lösung für kleinere Anwendungen sein
Lithium-Ionen – leichter und kompakter und langlebiger als Blei-Säure-Batterien. Allerdings sind sie teurer
Salzwasser – Dieser Neuling setzt auf Elektrolyte im Salzwasser. Batterien sind meist ungetestet, lassen sich aber problemlos recyceln
Windbetriebene Batteriebänke werden von einem Wandler geladen, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Solarbetriebene Batterien benötigen keinen Konverter, da Solarmodule Gleichstrom erzeugen.
Wenn die Netzstromversorgung ausfällt, dauert es fast eine Millisekunde, bis der Generator positiv reagiert.
In Einrichtungen und Komplexen wie Krankenhäusern, Rechenzentren und Kommunen besteht keine Toleranz gegenüber Stromausfällen. Sie sind auf Batteriebänke angewiesen, um bei einem Stromausfall Strom zu liefern. Dies ist eine großartige kurzfristige Lösung, aber Batteriebanken haben ihre Grenzen.
Akkus mit der Fähigkeit, elektrische Lasten aufzunehmen, sind in der Erstanschaffung teuer. Blei-Säure-Batterien enthalten Elektrolyt, die Flüssigkeit in Batteriezellen. Der Elektrolytstand und das spezifische Gewicht müssen regelmäßig überprüft werden. Selbst bei sorgfältiger Wartung kann die Lebensdauer dieser Batterien nur 5 bis 15 Jahre betragen.
Kosten für erneuerbare Energien und Energiespeichersysteme
Erneuerbare Energiequellen wie Windparks, Solarparks und Wasserkraft haben einen hohen Anschaffungspreis. Für die Installation der gekauften Geräte sind erfahrene Techniker und Bautrupps erforderlich. Nach der Installation, Prüfung und Inbetriebnahme muss das Gerät gewartet werden. Oft ist ein Vollzeit-Wartungspersonal erforderlich, um den ordnungsgemäßen Betrieb der Geräte sicherzustellen.
Die Energiespeicherung schreitet rasant voran und wird eine Schlüsselrolle in der Zukunft von Mikronetzen spielen. Es kann ein hochkomplexes Thema sein und erfordert Ingenieure und Planung, und die Kosten variieren je nach Ihren Anforderungen. Microgrid Knowledge bietet hier einen hervorragenden aktuellen Artikel über einige der neuesten Entwicklungen im Bereich der Energiespeicherung von der Konferenz 2019, in den Sie sich vertiefen können. Sie beschreiben detailliert den Weg zum GW-Energiespeicherziel und die neuesten Nachrichten von Unternehmen und FERC-Richtlinien, die derzeit umgesetzt werden.
Leitstelle
Die Leitstelle bietet dem Bediener sowohl Steuerungs- als auch Überwachungsmöglichkeiten. Jedes System kann in ein Untersystem unterteilt werden, in dem sich einzelne Geräte befinden.
Verteiler- und Steuertafeln – Empfangen Sie Eingangsspannungen von allen Quellen und verteilen Sie den Strom an die benötigten Stromkreise.
Backup-Generatoren – Die Software der Kontrollstation überwacht die Betriebskonfiguration des Generators und hat die Möglichkeit, sie zu ändern, um kritische Stromkreise mit Strom zu versorgen.
Grüner Strom – USV-Batteriebänke werden überwacht. Die Einspeisung von Solarstrom in Batteriebänke und Netz wird überwacht. Überwachte Windturbinenstatistiken. Die Möglichkeit, auf eine redundante Windkraftanlage oder Batteriebank umzusteigen.
Grundsätzlich stellt die Kontrollstation eine Softwarelösung zur Wartung, Überwachung und Steuerung der gesamten mit einer Mikronetzkonfiguration verbundenen Hardware dar. Es kann mehrere Softwareteile geben, die den Betrieb des Netzes unterstützen.
Redundanz ist ein Schlüsselprinzip beim Entwurf dieser Systeme. Redundanz bedeutet, dass ein Gerät im Falle eines Ausfalls des primären Geräts bereitsteht. Generatoren, Windkraftanlagen und Batteriebänke sind Beispiele für Systeme, die über redundante Haupt- und Hilfsgeräte verfügen können.
Einige redundante Geräte übernehmen automatisch die Aufgaben der zugewiesenen Hauptgeräte und benachrichtigen den Bediener über ein Problem. Der Bediener der Kontrollstation benachrichtigt dann die Wartung über das Problem, damit es behoben werden kann. Redundante Geräte erfüllen die gleichen Anforderungen wie die Hauptgeräte. Häufig werden Haupt- und redundante Geräte vom Betreiber für geplante Tests ausgetauscht.
Das Microgrid ist ein Konzept. Es kann so groß oder so klein ausgeführt werden, wie es für die Installation erforderlich ist. Das ist ein altes Konzept, das uns erhalten bleibt. Mit zunehmender Energieerzeugungstechnologie wird auch der Einsatz von Mikronetzen zunehmen.
