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Speicher glätten den Sonnenstrom

Das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung untersucht im Rahmen des Projekts Smart Grid Solar, wie Speicher helfen können, Ortsnetze für die zunehmende Einspeisung von Solarstrom zu rüsten. Controller von WAGO sorgen dabei für die sichere Kommunikation zwischen den einzelnen Anlagen und der Leitwarte.

Die Integration von Strom aus fluktuierenden Quellen in Niederspannungsnetze ist eine der größten Herausforderungen der Energiewende. Das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) hat in der oberfränkischen Kleinstadt Arzberg zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie einen Feldversuch gestartet, der Lösungen liefern soll. „Wie ist es möglich, eine große Zahl von Solaranlagen in die lokalen Netze einzubinden, ohne dass letztere für viel Geld ausgebaut werden müssen? Und wie können die Ortsnetze auch künftig sicher und effizient betrieben werden, wenn dort noch mehr Erneuerbare-Energien-Anlagen Strom einspeisen werden?“, nennt Projektleiter Philipp Luchscheider vom ZAE Bayern die Ausgangsfragen des Projekts.

Speicher sicher integrieren - so unterstützt Sie WAGO:

  • WAGO-Controller bieten hohe Flexibilität bei der Einbindung verschiedener Systeme.
  • Effizienter Datentransfer zwischen Controllern und Leitwarte per MQTT-Protokoll
  • Zuverlässig auch bei widriger Witterung

Solarstrom für die Elektrolyse

Um Antworten darauf zu finden, haben die Forscher im Arzberg-Ortsteil Schlottenhof ein Smart-Grid-Testzentrum eingerichtet. Neben Photovoltaikmodulen mit einer Gesamtspitzenleistung von etwa 50 Kilowatt sind dort drei Redox-Flow-Speicher als Kurzzeit-Puffer sowie ein Elektrolyseur samt Wasserstofftank und eine Brennstoffzelle als Langzeitspeicher installiert. Über eine Stichleitung ist das Testfeld an das Ortsnetz von Schlottenhof angeschlossen. Der Ort bietet beste Voraussetzungen für das noch bis Ende dieses Jahres laufende Projekt, da viele der Haushalte Solaranlagen betreiben, teilweise mit Kleinspeichern ausgestattet.

Intelligente Steuerung der Speicher

„Zum Ausgleich der fluktuierenden Erzeugung und zum Glätten der Einspeisespitzen müssen Kurz- und Langfristspeicher auf intelligente Weise zusammenspielen. Dabei gilt es, auch Wetterprognosen und den zu erwartenden Verbrauch zu berücksichtigen“, erklärt Luchscheider. Diese Aufgaben übernimmt die mit einem leistungsstarken Server ausgestattete Leitwarte, die in einem Bürocontainer am Rande des Geländes untergebracht ist. Der Rechner erstellt mithilfe von Simulationen und mathematischen Modellen Handlungsanweisungen, die er als Signale an die Speicher ausgibt.

Viele wichtige Daten

Die Steuerung eines solch komplexen Systems setzt verlässliches Wissen über den Zustand der Speicher und Solaranlagen, über die Last sowie über die Netzauslastung voraus. Das ZAE Bayern erhebt deshalb im Sekundentakt detaillierte Daten aller Komponenten des Systems. Auch Erzeugung und Verbrauch von zwanzig Schlottenhofer Haushalten, vier davon mit Batteriespeicher, sowie die Spannung, Strom und Phasenwinkel am Ortsnetztrafo werden sekündlich erfasst. Zudem messen die Forscher Wetterdaten wie die lokale Sonneneinstrahlung oder die Windstärke. Über einen VPN-Tunnel werden die Daten auf den zentralen Server übertragen, der sie dann, verbunden mit Prognosen der solaren Erzeugung und der Last, zu Steuersignalen verarbeitet.

Philipp Luchscheider, Leiter des Projekts Smart Grid Solar (links), überprüft den Aufbau der Power-to-Gas-Anlage zur Erzeugung von Wasserstoff.

Mittagsspitzen im Griff

Wie sieht diese Steuerung konkret aus? Die Batteriespeicher der Haushalte zum Beispiel beginnen an sonnigen Tagen nicht schon am frühen Vormittag mit dem Laden, sondern erst etwas später, so dass sie auch dann noch über freie Kapazitäten verfügen, wenn die Leistung der Solaranlagen ihr Maximum erreicht hat. Für die Eigentümer der Speicher ändert sich dadurch nichts – die Batterien sind geladen, wenn sie den Strom abends benötigen. Den optimalen Zeitpunkt der Energieaufnahme errechnet der Server auf Basis der Netz- und Anlagendaten sowie der Wetter- und Lastprognosen.

Die Vorteile der WAGO-Lösung

„Die Qualität und Verfügbarkeit der Daten hat enorm große Bedeutung für den Erfolg unseres Feldversuchs“, betont Luchscheider. Ein guter Grund für das ZAE, die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten im Testfeld und der Leitwarte mit dem WAGO-Controller PFC200 zu organisieren. „Das Produkt von WAGO ist extrem zuverlässig. Wir hatten damit bislang noch nie ein Problem“, erklärt Luchscheider. Zudem gewähre der Controller den Forschern maximale Flexibilität bei der Gestaltung des Feldversuchs. „Dank der vielen verschiedenen Eingänge der Lösung von WAGO sind wir bei der Einbindung der einzelnen Systeme und Anlagen in keiner Weise eingeschränkt“, sagt der Projektleiter. Zur Messung von Spannung, Strom und Phasenwinkel werden 3-Phasen-Leistungsmessmodule von WAGO eingesetzt. Der Datenaustausch erfolgt über das Internet mittels GSM und DSL. „Das bietet längst nicht jeder Hersteller“, so Luchscheider.

» Seit Projektbeginn haben wir noch nicht einen einzigen Messwert verloren. Die Controller sind definitiv outdoortauglich. «

Philipp Luchscheider, ZAE Bayern

Reibungsloser Datenfluss

Von der Flexibilität des PFC200 profitieren die Forscher auch mit Blick auf die Programmierung. „Die WAGO-Controller sind in der Lage, die von uns bevorzugt verwendete Programmiersprache R zu verarbeiten. Für uns ist das wichtig, weil wir für die Entwicklung unserer Modelle den gleichen Code benutzen können wie für die Controller. So sparen wir viel Zeit und vermeiden Fehler bei der Portierung.“ Der Datentransfer zwischen den Controllern und dem Server erfolgt per MQTT-Protokoll – „das ist sehr effizient und bietet zudem Vorteile bei der Konfiguration“, sagt Luchscheider.

Offen für neue Hardware

Die von den WAGO-Komponenten und der Regelplattform gewährleistete Offenheit gibt den Forschern die Gelegenheit, noch weitere Szenarien zu entwickeln und neue Algorithmen zu erproben. „Dafür benötigen wir zukünftig neue Hardware, die wir in Industrieaufträgen oder Projekten testen und ins System integrieren“, erklärt Luchscheider. Das vom ZAE auch künftig betriebene Testzentrum bietet Platz für zusätzliche neue Technologien, die für das Smart Grid vorbereitet werden sollen.

Zuverlässig und robust

Einige der Controller sind direkt im Solarfeld montiert, in dem die Forscher das Einspeiseverhalten verschiedener Modultypen und -ausrichtungen bei unterschiedlichen Witterungsverhältnissen untersuchen. Nur notdürftig von den Modulen geschützt, sind sie dort Wind und Wetter, Regen und Schnee, Frost und Hitze ausgesetzt. Kein Problem für die Technik: „Seit Projektbeginn haben wir noch nicht einen einzigen Messwert verloren. Die Controller sind definitiv outdoortauglich“, freut sich Luchscheider.

Photovoltaik besser nutzen

Wie so viele andere ländliche Städte, Gemeinden und Siedlungen auch erzeugt Schlottenhof einen großen Teil des Strombedarfs selbst – das Potenzial den Photovoltaikstrom zukünftig gezielt bereitzustellen, ist groß. Das ZAE Bayern und seine Partner tragen mit ihrem Forschungsprojekt wesentlich dazu bei, dass diese Vision einer klimafreundlichen, dezentralen Energieversorgung in Schlottenhof oder anderswo auch ohne einen kostspieligen Ausbau des örtlichen Netzes Wirklichkeit werden könnte.

Text: Heiko Tautor, WAGO

Foto: Kurt Fuchs/ZAE Bayern, Ralph Diermann

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