NetPVStore - Entwicklung eines netzdienlichen Photovoltaik-Speicher-Systems unter Einsatz von Ultrakondensatoren

Abstract

Ziel des Projekts war die Integration eines elektrischen Kurzzeitspeichers in ein Photovoltaiksystem, bestehend aus Photovoltaikmodulen, Wechselrichter, Speicher und angepasster Lade-/Entladeelektronik. Der leistungsstarke Speicher, ein elektrochemischer Doppelschichtkondensator (EDLC oder „Ultrakondensator“) sollte dabei besonders darauf ausgelegt werden, kurze, wolkenbedingte Fluktuationen der PV-Leistung auf der Zeitskala von Sekunden bis einige Minuten zu stabilisieren. Die Notwendigkeit der Entwicklungsarbeit ergab sich in erster Linie aus dem zunehmenden PV-Ausbau und die damit verbundenen Problematiken für die Energieversorgung wie Netzstabilität und Planbarkeit. Durch die Abmilderung von großen Leistungsgradienten oder Spannungsspitzen sollte aber auch eine Entlastung der Komponenten der PV-Anlage, wie Batteriespeicher oder Wechselrichter erreicht werden. Die wesentlichen Teilaspekte der Entwicklung waren:

Erarbeitung von erforderlichen Kenngrößen für den Kurzzeitspeicher aus Analyse der Einstrahlungsfluktuationen und möglicher Nutzungsszenarien und Glättungsstrategien, Erstellung eines Konzeptes für die Integration des Speichers in die PV-Umgebung, die optimale Dimensionierung der EDLC Komponente mit dem Ziel einer wirtschaftlichen Optimierung für die spezifische Anwendung, Aufbau eines Laborsystems mit geeigneter Messtechnik, zum Test der Funktionsweise der Komponenten unter Laborbedingungen Entwicklung einer Leistungselektronik, Festlegung und Umsetzung von Regelstrategie und Schaltungslayout und die Bewertung des Systems durch realen Betrieb in einer Demonstrationsanlage.

Anhand der Analyse von zeitlich hochaufgelösten Einstrahlungsdaten wurden die für eine Glättungsstrategie benötigte Speichergröße ermittelt. Randbedingung war hier die Beschränkung des Leistungsgradienten auf eine bestimmte maximale zeitliche Leistungsänderung. Die Ultrakondensatoren wurden für verschiedene Integrationskonzepte ausgewählt und für den speziellen Anwendungsfall auf Zell- und Packebene getestet. Es wurden optimierte Module bereitgestellt, sowie eine anwendungsspezifische Kostenoptimierung untersucht. Mikrokontroller gesteuerte DC-DC-Wandler mit optimierter Regelungsstrategie zur Umsetzung der Glättungsstrategie durch Ankopplung von EDLC Modulen an die PV Umgebung auf PV-Modul bzw. auf String-Ebene an kommerzielle Wechselrichter wurden hergestellt und getestet. Strategien zur Optimierung des Maximum Power Point Trackings (MPPT) von EDLC gekoppelten PV-Anlagen wurden entwickelt und umgesetzt. In einer umfangreichen Testphase wurde mittels eines Laboraufbaus mit Simulationsnetzteil, Wechselrichtern und einer realer PV-Anlage unter gemessenen und realen Einstrahlungsprofilen iterativ, eine Verbesserung von Hard- und Software der Elektronik erreicht. Das finale Konzept wurde schließlich in einem Demonstrator mit einer 5 kWp PV-Anlage im Realbetrieb über einen Zeitraum von einem Jahr getestet. Abschließend wurden die gewonnen Erkenntnisse unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten betrachtet.