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Gleichspannungsnetz

Energie die durch die Fassade des Science Towers erzeugt wird kann direkt in den Büros genutzt werden. In einem Stockwerk geschieht dies auf besondere Weise: Anstatt den Gleichstrom welchen das Energieglas produziert in Wechselstrom zu richten, wird das komplette Stockwerk direkt mit Gleichstrom versorgt.

Standard


Energie-Gläser und Photovoltaik produzieren Gleichspannung. Beim Umwandeln in die Wechselspannung geht ein Teil der Energie verloren. Verwendet man nun als Verbraucher ebenfalls Gleichspannungsgeräte (Computer, Bildschirme, LED-Leuchten) kann auf diese Umwandlung verzichtet werden. Ein Nachteil dabei ist aber, dass die Querschnitte der Stromleitungen größer werden müssen. Im Science Tower wird in einem Geschoß mit dem Energieglas, einem lokalen Speicher und eben einem Gleichspannungsnetz die Basis geschaffen, diese Technologie vertieft zu untersuchen.

Experte


Dem ist eine Untersuchung der TU Graz vorangegangen, welche Konzeption, Auslegung und Simulation der elektrotechnischen Anlage im Zusammenspiel zwischen Erzeugung (Energieglas mit Grätzel-Technologie), Verbrauch und Zwischenspeicherung mittels Akkumulatoren in unterschiedlichen Topologien zum Inhalt hatte

MODELL

Die im Rahmen der Untersuchungen entwickelten Stromverteilungstopologien werden hinsichtlich ihrer Erzeugung, Verteilung und Nutzung der elektrischen Energie jeweils in einem Geschoß des Science Tower untersucht.
Die Energieglas-Hülle wird dabei in acht Segmente geteilt und mit Globalstrahlungsdaten aus Graz der Jahresertrag simuliert. Für jeden der 15 Computerarbeitsplätze wird eine mittlere Leistung von 100 W festgelegt, die elektrische Wirkleistung für die Beleuchtung wird anhand eines Winter- bzw. Sommerprofils ermittelt. Für den elektrischen Stromspeicher wird ein DOD von 60%  im Regelfall und 80% im Inselbetrieb angenommen.
Zur Untersuchung hat es sich als am sinnvollsten herausgestellt, eine Gleichspannungstopologie mit anderen Topologien mehrdimensional zu vergleichen.

Ausrichtung-Science-Tower

Darstellung des Grundrisses und der Aufteilung des Geschosses in acht gleich große Flächen inklusive der beispielhaften Darstellung unterschiedlichen Typen des Energieglases (rot, orange, grün)

TOPOLOGIEN

Topologie 1 (Innovativer Ansatz – 48 V DC) besteht aus dem Erzeuger (Energieglas, DSSC) und DC/DC-Konvertern zur Einspeisung der elektrischen Energie auf Basis einer 48-V-DC-Spannung in das Gleichspannungsverteilnetz. Computer werden mit einem zusätzlichen DC/DC-Konverter betrieben, um die notwendigen internen Spannungen (12 V, 3,3 V,…) zu erzeugen, während LED-Leuchten zum Einsatz kommen, die 48 V DC ohne Konversion direkt nutzen können.
Der bidirektionale Wechselrichter (AC/DC) überzuführt bei vollem Speicher die überschüssige Energie in das öffentliche Netz und gewährleistet die Versorgung bei entladenem Speicher und unzureichender Erzeugung. Die Leitungslängen müssen zur Minimierung des Spannungsabfalls möglichst kurz gehalten werden.

Topologie-1

Topologie 2 (Zentralwechselrichtersystem – 230 V AC) weist ein herkömmliches Wechselspannungsverteilnetz auf. Die beiden zentralen Wechselrichter (DC/AC-Konverter) je Turmhälfte ermöglichen die Einspeisung der elektrischen Energie in das Verteilungsnetz. Die Verwendung von hocheffizienten Schaltnetzteilen (AC/DC Konverter) der PCs und der LED-Beleuchtung erlaubt eine effiziente Nutzung der elektrischen Energie.
Da die Einspeisung durch den Zentralwechselrichter getrennt von den Verbrauchern  durchgeführt wird, kann bei einem Isolationsfehler in einem Gerät, der Betrieb der IKT-Verbraucher weiter geführt werden kann.

Topologie-2

Topologie 3 (Stringwechselrichtersystem – 230 V AC) weist ebenfalls ein herkömmliches Wechselspannungsverteilnetz auf, allerdings kommen einzelne Stringwechselrichter mit einer geringeren Scheinleistung (1 kVA) je Ausrichtung (Nordosten über Süden bis Norden) zum Einsatz. Der Nachteil ist, dass keine Trennung zwischen der Verbraucher- und der Erzeugerseite durchgeführt wird. Bei einem Gerätefehler (PC oder Beleuchtung) kann der Betrieb der IKT-Betriebsmittel beeinflusst werden.

Topologie-3

Topologie 4 (Klassischer Überschussstromeinspeiser – 230 V AC) richtet sich nach dem Stand der Technik, herkömmliche LED Technologie sowie herkömmliche Schaltnetzteile für den PC kommen zum Einsatz. Für die Einspeisung der dezentral umgewandelten Energie werden die gleichen Wechselrichter wie in Stromverteilungstopologie 3 eingesetzt.

Topologie-4

GEGENÜBERSTELLUNG

Verlustbetrachtung / Verlustleistung
Für die Berechnung und den Vergleich der einzelnen Verlustleistungen wurden sechs Szenarien definiert. Um die einzelnen Stromverteilungstopologien miteinander zu vergleichen, werden die Verlustleistungen auf eine Nennleistung von 10 kW bezogen.
Der bidirektionale Wechselrichter (Topologie 1) verursacht einen Großteil der Verluste. Durch den hohen Leitungsquerschnitt in Topologie 1 (48 V DC) werden die Verluste in Grenzen gehalten. Die Topologien 2 und 3 sind in diesen Betrachtungen wesentlich effizienter.

Tabelle-Szenarien

Auflistung einzelner Szenarien zur Berechnung der Verlustleistungen (Erzeugerzählpfeilsystem: Erzeugung positiv, Verbrauch negativ)

Elektrische Energiekosten
Zur Bestimmung der elektrischen Energiekosten mit fassadenintegrierter Solartechnik (Energieglas oder Photovoltaik) und Speichersystem wird die Residualleistung zwischen der Erzeugung und dem Verbrauch auf Basis der durchgeführten Jahressimulation gebildet, wobei die Verluste bei der Übertragung auf der Erzeugerseite miteinbezogen werden.
Verluste werden in Anlagenverluste (Verbraucherbezug mal Wirkungsgrad der Topologie unter Berücksichtigung eines etwaigen bi-WR) und Speicherverluste (Wirkungsgrad 88 %) unterteilt. Zusätzlich wird die Energieabgabe  unter Berücksichtigung des Ökostrom-Förderbeitrags berechnet.

Grafik-Verlustleistung

Verlustleistung der unterschiedlichen Szenarien in p.u. bezogen auf 10 kW

Wirtschaftlichkeit
Bei der Wirtschaftlichkeit werden einerseits die Kosten von Installationsmaterial und Komponenten aufgelistet, andererseits die Speichergröße variiert, um den Autonomie- sowie Eigenverbrauchsgrad zu bestimmen.

Autonomie- und Eigenverbrauchsgrad bei unterschiedlicher elektrischer Stromspeicherkapazität
Es ist ein Speicher pro Geschoss vorgesehen. Die Stromspeicherkapazität wird in den Simulationen von 0 kWh bis 50 kWh, gesteigert, um in einer Simulation mit 15-Minuten-Schritten den Eigenverbrauchs- und Autonomiegrad festzustellen, wobei die fassadenintegrierte Photovoltaikanlage mit den folgenden Varianten simuliert wird:

a) Grätzelzellenanlage 6 kW pro Geschoss (0,75 kW pro Segment)
b) Grätzelzellenanlage 8 kW pro Geschoss (1 kW pro Segment)

Der simulierte elektrische Stromspeicher besitzt einen Systemwirkungsgrad von 88 % und als DOD werden 60 % angenommen. Der Eigenverbrauchsgrad liegt bei a) bereits bei 70 %, bei b) bei 69 %. Bei einer Stromspeicherkapazität von 50 kWh wird bei a) nahezu die gesamte Energie aus der Photovoltaikanlage in dem Bürogeschoss verwendet (Eigenverbrauchsgrad 98 %), bei b) wird ein Eigenverbrauchsgrad von 94 % erreicht. Der Autonomiegrad bei Stromspeicherkapazität von 50 kWh erreicht bei a) 57 %, bei b) 72 %.

Tabelle-Verluste

Jährliche Strombezugskosten mit Grätzelzelle inkl. Verlustkosten, Energieabgabe und den Einnahmen aus Rückspeisung

Nichtverfügbarkeit / Folgekosten
Die Untersuchungen zeigen, dass bei Ausfall eines Wechselrichters in den Topologien 2 bis 4 das öffentliche Netz die ausgefallene Leistung übernimmt, bei Topologie 1 ist der Ausfall des bi-direktionalen Wechselrichters maßgeblich verantwortlich für die Nichtverfügbarkeit.
Durch die Unterteilung der Speicherkapazität in einen Normalbetrieb (DOD 60%) und in einen Inselnetzbetrieb (DOD 90%) kann die Nichtverfügbarkeit  in Stromverteilungstopologie 1 im Vergleich zum öffentlichen Netzes verbessert werden.
Die Berechnung der ausgefallenen Energie ist von der ausgefallenen Leistung und von der Dauer des Wechselrichtertausches (mit und ohne Lagerhaltung) abhängig. Die ausgefallenen Arbeitskosten hängen im Prinzip von der Austauschzeit der Wechselrichter und von der Anzahl der betroffenen Mitarbeiter (gerechnet mit 13 Vollzeitarbeitsplätzen) ab.
Es ist ersichtlich, dass die Stromverteilungstopologie 1 eine größere Nichtverfügbarkeit aufweist. Die ausgefallenen Energiekosten sind relativ gering. Bei der Stromverteilungstopologie 1 ist es notwendig, einen bi-direktionalen Wechselrichter auf Lager zu halten, da ansonsten die ausgefallenen Arbeitskosten stark ins Gewicht fallen.
Die Stromverteilungstopologien 2 bis 4 besitzen geringe ausgefallene Arbeitskosten ausschließlich aufgrund der Nichtverfügbarkeit des elektrischen Netzes. Als Basis dieser Berechnung wird die Nichtverfügbarkeit des öffentlichen elektrischen Netzes für das Jahr 2012 herangezogen.

Grafik-Kosten

Strombezugs-, Installationsmaterial- und Komponentenkosten

FAZIT

  • Die Topologien 2 und 3 weisen ähnliche prozentuelle Verbesserungen zu Topologie 1 auf. Die günstigeren Komponentenkosten sprechen für die Topologie 2, wenn die DSSC optimal betrieben werden kann.
  • Die Nichtverfügbarkeit der Stromverteilungstopologie 1 ist wesentlich abhängig von der Anzahl der Defekte des Wechselrichters, wobei durch den Speicherbetrieb bzw. im Inselnetzbetrieb die Versorgung längere Zeit aufrechterhalten werden kann.
  • Durch den Einsatz des Stromspeichers ist eine Steigerung des Eigenverbrauchsgrades und des Autonomiegrades möglich.
  • Durch die Topologie 1 ist es möglich, eine Verbesserung der Nichtverfügbarkeit gegenüber dem öffentlichen Netz um ca. 30 % zu erreichen.
  • Die Topologien 2 & 3 sind im Betrieb effizienter als Topologie 1 und 4.
  • Hinsichtlich der Komponentenkosten ist die Versorgung mittels Zentralwechselrichtern der Stromverteilungstopologie 2 am günstigsten.
Tabelle-Fazit

Ergebnismatrix der unterschiedlichen Untersuchungen (Referenz – Stromverteilungstopologie 1,. Verbesserung (-), Verschlechterung (+)) 1) Nichtverfügbarkeit ungeplante Unterbrechungen ASIDI (Average System Interruption Duration Index), Österreich 2012) 2) Nichtverfügbarkeit ungeplante und geplante Unterbrechungen ASIDI (Average System Interruption Duration Index), Österreich 2012) 3) mit / ohne Lagerhaltung der Wechselrichter (bi-direktionaler Wechselrichter bzw. String- bzw. Zentralwechselrichter)


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