Konventionelle Solaranlagen sind in der Regel so ausgelegt und werden so betrieben, dass sie zu jeder Zeit eine maximale Strommenge produzieren. Aber wenn Solarenergie in großem Umfang genutzt wird, wird es notwendig, dass sie zur Flexibilität des Netzes beiträgt, die zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Angebot und Nachfrage erforderlich ist. Die Kombination von Photovoltaik mit Speichern ermöglicht die Steuerung der ins Netz eingespeisten Energie und macht den Solarstrom nach Bedarf verteilbar. Was sind die besten Praktiken bezüglich der Kontrolle dieser Anlagen und welche Rolle spielt die Verwendung von Solarstromprognosen in diesem Zusammenhang?
Es ist nichts Neues, dass Netzdienstleistungen von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien erbracht werden, aber die Entwicklung innovativer Technologien und Standards macht es möglich, Energie zunehmend gezielt bereitzustellen. Das Springbok Solar Cluster, eine 443-MWp-Photovoltaikanlage, die von 8minute Solar Energy in Kalifornien entwickelt und gebaut wurde, ist ein Beispiel für ein Pionierprojekt, das dem Los Angeles Department of Water and Power (LADWP) ein beispielloses Maß an Netzdienstleistungen bietet. Das Projekt, das gemeinsam von 8minute Solar Energy, EPRI, LADWP und Doosan durchgeführt wird, liefert Solarenergie auf Abruf über das Springbok 3 PV + Speicher-Pilotprojekt mit einer 1,5 MWh Li-Ionen-Batterie. Dessen Regelungsalgorithmen beinhalten eine genaue Kurz- und Langzeitprognose. Im Vergleich zu einem konventionellen Solarkraftwerk in Kalifornien reduziert die präzise Vorhersage der Solarstromerzeugung bis zu 30 Minuten im Voraus, zusätzlich zu den fortschrittlichen Netzdienstleistungen, das Auftreten von Curtailment.
Der Einsatz eines Vorhersagesystems auf Basis eines Sky Imagers ermöglicht es bei der Anlagensteuerung, plötzliche Leistungsänderungen aufgrund von Wolken zu antizipieren und darauf entsprechend zu reagieren. In diesem Beitrag betrachten wir, inwieweit solche Prognosen notwendig sind, um eine betriebliche Flexibilität auf der Ebene der PV-Anlage zu erreichen, und zuverlässig hohe Durchdringungsraten der Solarenergie im Netzes und im Energiemarkt zu ermöglichen.
Was ist nötig, um Solarenergie nach Bedarf zu verteilen?
Solar-on-Demand basiert auf der Verwendung von interoperablen Anlagenkomponenten, d.h. auf Basis einer von verschiedenen Betreibern und Lieferanten gemeinsam genutzten Spezifikation. Diese Vorgabe trägt zur Robustheit des Steuerungsalgorithmus bei und ermöglicht es Photovoltaikanlagen automatisch auf Änderungen im Stromnetz zu reagieren. Ziel ist es, das Erzeugungsprofil ganzheitlich gestalten zu können und die Stromerzeugung so zu steuern, dass sie dem Lastprofil des Energieversorgers genügt. Während das vom Energieversorger zur Verfügung gestellte Tageslastprofil die erforderliche Produktionskurve der Anlage definiert, kann die endgültige Stromproduktion zusätzlich über verschiedene Regelungsmodi angepasst werden. Diese basieren auf offenen Standards und ermöglichen es den Betreibern, eine bestimmte Form der Leistung auf vordefinierte und interoperable Weise flexibel bereitzustellen. Insbesondere der offene Standard MESA-ESS, mit dem das Projekt Springbok 3 gesteuert wird, ermöglicht einen Blindleistungsunterstützungsmodus, d.h. er erzeugt oder absorbiert entsprechend Blindleistung. Dieser Modus kann vom Versorgungsunternehmen aktiviert werden und entspricht einer festen Kurve. Ein weiterer Blindleistungsregelungsmodus ermöglicht eine variable Blindleistungskorrektur.
Die Spezifikationen, die auf dem Modbus-Protokoll basieren, definieren drei Arten von Regelungsmodi, die flexibel kombiniert werden können, um mehrere Serviceziele gleichzeitig zu erreichen. Somit gelingt es, jede erwartete Abweichung zwischen der Ausgangsleistung und dem Lastprofil zu bewältigen. Diese drei Modi sind Wirkleistungsmodus, Notbetrieb und Blindleistungsmodus.
Zu jedem Zeitpunkt besteht der Dienst aus einer zuvor programmierten Kombination von Steuerungsmodi aus diesen drei Gruppen, auf Basis eines flexiblen Zeitplans, der je nach Bedarf angepasst oder wiederholt werden kann. Für den Standort Springbok gibt es in der Regel einen Wochentags- und einen Wochenendfahrplan.
Die Bedeutung von Solarstromprognosen für das Management eines regelbaren Solarkraftwerks
In eine nach Bedarf verfügbare Solarstromanlage mit Batteriespeicher müssen genaue kurzfristige Produktionsprognosen integriert werden, um eine Reihe von Netznebenleistungen zu ermöglichen:
- Zeitverschiebung/Energiearbitrage: Energie wird zu Höchstlastzeiten geliefert;
- Frequenzregelung mit einer Reaktionszeit von einer Sekunde zur Aufrechterhaltung der Netzfrequenz, sowie 15 Minuten Notstromversorgung rund um die Uhr;
- Glättung: Der Anlageertrag wird entsprechend der erwarteten Sonneneinstrahlung erhöht oder verringert;
- Reaktion auf Sollwerte und garantierte Mindestproduktionsschritte in 60 Minuten-Schritten;
- Vermeiden Sie Curtailment;
- Notmodi: Spannungs- und Frequenzsteuerungsmodi.
Die Regelalgorithmen für die Bereitstellung dieser Dienste für Springbok basieren auf Prognosen im Minutenintervall und stellen die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit des Solar-Batterie-Modells für Speicherdauern bis zu wenigen Stunden sicher. Die Satellitenvorhersagedienste, die für Innertagesvorhersagen verwendet werden, und die numerischen Wettervorhersagemodelle, die für Vorhersagen für die nächsten Tage verwendet werden, reichen nicht aus, um die nötige Flexibilität zu bieten, die erforderlich ist um das System entsprechend den lokalen Bedingungen optimal zu betreiben. Zum Beispiel erschwert eine hohe Albedo – also ein hohes Reflexionsvermögen des Bodens – die Erkennung von Wolken durch Satelliten, was zu höheren Vorhersagefehlern führen kann. Dies ist einer der Gründe, warum für die Springbok-Anlage in der Mojave-Wüste ein Infrarot-Sky-Imager und der dazugehörige Prognose-Service eingesetzt werden.
Wie werden Sky Imager in der Praxis von Solar-on-Demand Projekten verwendet?
Während es beim Einsatz von Sky-Imagern in erster Linie um die Senkung der Verbrauchskosten in Diesel-PV-Hybridanlagen ging, sind sie inzwischen auch der Schlüssel zur Ermöglichung von nach Bedarf abrufbarer Solarenergie in netzgekoppelten Photovoltaik-Projekten, welche in den kommenden Jahrzehnten einen erheblichen Anteil zur Stromversorgung beitragen werden. Die Bereitstellung wesentlicher Netzdienstleistungen aus diesen Solarkraftwerken setzt voraus, dass der Anlagenbetreiber eine hochpräzise Vorhersage des erzeugten Solarstroms hat. Kurzfristige Vorhersagen, die mithilfe von Himmelskameras bereitgestellt werden, ermöglichen es den Betreibern sich auf die natürliche kurzfristige Variabilität der Solarstromerzeugung vorzubereiten und entsprechend zu reagieren.
Sky Imager nehmen Bilder des Himmels vom Boden aus auf, meist im sichtbaren Spektrum. Der Einsatz von Infrarot-Technologie liefert zusätzliche Informationen über Wolken, wie z. B. ihre Höhe und optische Dicke. Darüber hinaus werden Infrarotaufnahmen nicht durch Blendeffekte oder andere Probleme im Zusammenhang mit Schwankungen der optischen Helligkeit und des Kontrasts beeinträchtigt. Die Installation einer Kamera vor Ort erfordert ein freies Sichtfeld, eine Spannungsversorgung und einen Ethernet-Anschluss. Das Gerät arbeitet dann entweder im online-Modus oder im lokalen Netzwerk, abhängig von der Verfügbarkeit einer Internetverbindung. Ein erfahrener Anbieter kann Sie bei der Auswahl der am besten geeigneten Hardware-Konfiguration je nach Projektanforderungen beraten.
Verteilbare erneuerbare Energien, ihre Standardisierung und Interoperabilität sind die Basis für eine erfolgreiche Energiewende. Nach Bedarf steuerbare Solarstromprojekte ebnen den Weg für das Netz der Zukunft, und Sky Imager sind hierbei Schlüsselelemente für den Erfolg von Solar-on-Demand.
Der Artikel erschien ursprünglich im pv magazine Frankreich (21.01.2021).