Durch eine geschickte Kombination geeigneter EE-Quellen können zudem fluktuierende Einspeisecharakteristiken ausgeglichen werden.
So beträgt die Anzahl der Volllaststunden bei Photovoltaikanlagen je nach Standort ungefähr 800 St/Jahr, verschiedene Wasserkraftwerken weisen einen Energiebeitrag von 2.500 bis 4.000 Volllaststunden (abhängig vom Typ) auf – und bei der Windenergie werden ca. 1200 bis max. 2000 Volllaststunden (on-shore) und bis 4000 Volllaststunden(off-shore) erreicht.
Da eine Vielzahl von EE-Anlagen in ländlich geprägten Regionen in der Umgebung von kleinen Siedlungen/Städten aufgebaut werden, wäre es vorteilhaft, diese erneuerbare Energie lokal zu verbrauchen anstatt die Kosten für den Netzausbau zusätzlich in die Höhe zu treiben und einen Teil der Energie beim Transport über größere Strecken zu verlieren.
Die dezentraler Energieanlage besteht aus verschieden erneuerbarer Energieerzeuger wie – Windenergieanlagen, Wasserstoffproduktions- und -speichersystemen und Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC, MCFC, etc.). Der Anlagenbetrieb kann so geregelt werden, dass die Elektroenergieversorgung einer bestimmten Verbrauchergruppe übernommen werden kann, ohne dass noch eine Netzversorgung notwendig ist.
Im ersten Konzept wird mit Hilfe von Windenergieanlagen Wasserstoff erzeugt und elektrische Energie aus Brennstoffzellen, Dampf- und Gasturbinen in das Netz der Kleinstadt eingespeist (siehe Abb. 1).
Abb. 1: Graphische Darstellung der netzautarken Erzeugungsanlage.
Zur Erhöhung der Lebensdauer:
- die WEA soll, wenn die Windgeschwindigkeiten es erlauben, ständig in Betrieb sein, damit die dynamische Belastung der einzelnen Teile der Turbine reduziert wird. Je weniger Beanspruchung auftritt, desto größer ist die Betriebslebensdauer.
- auch die SOFC wird im „Nonstop“-Betrieb eingesetzt, um die Arbeitstemperatur auf dem Niveau von (900-1000)˚C zu halten. Beanspruchung durch Abkühlung bzw. Erwärmung soll vermieden werden.
In der Nacht, wenn der Energieverbrauch minimal ist, kann die SOFC-Anlage auch Wasserstoff erzeugen, wobei die Anzahl der eingesetzten Windkraftanlagen auf die Hälfte reduziert werden kann.
Ein weiterer, wichtiger Vorteil der SOFC-Brennstoffzelle ist, dass sie im „Reverse Mode“ arbeiten kann – sowohl bei der Erzeugung elektrischer Energie, als auch als Elektrolyseur. Im SOFC-Elektrolyse-Betrieb findet eine Hochtemperaturelektrolyse mit sehr hohem Wirkungsgrad statt. In diesem Fall – wenn Wärme von einem 1-MW-Block zu einem anderen 1-MW-Block gespeist wird, in dem die Elektrolyse abläuft – erreicht man als Ergebnis einen relativ hohen Wirkungsgrad. Eine schematische Darstellung dieser Prozesse wird in der folgenden Abb. 2 dargestellt.
Abb. 2: SOFC-Brennstoffzelle in direktem Betrieb und im „Reverse Mode“
Die elektrische Leistung der Brennstoffzelle kann variieren: pro Erhöhung des eingespeisten Brennstoffdrucks um (8-10) bar tritt eine Leistungssteigerung von ca.10% ein. In der praktischen Anwendung einer BZ-Anlage kann die Leistung ohne weitere technische Anpassungen zwischen 80-120% variieren.
Zweites Konzept. Die Windenergieanlage und die Brennstoffzelle (SOFC) können direkt in das Netz einspeisen. Überschüssige Windenergie wird in Wasserstoff umgewandelt, der in der Brennstoffzelle rückverstromt werden kann. Die Abwärme der Brennstoffzelle kann genutzt werden, um aus Erdgas oder Biogas Wasserstoff zu gewinnen. Das Gas kann auch in die Brennkammer eingespeist werden und über eine Turbine einen Generator antreiben.
Im zweiten Konzept wird eine Windturbinenanlage direkt ans Netz angeschlossen und in der Zeit des minimalen Energiebedarfs durch Konverter mit einer Elektrolyseanlage verbunden. Benötigter Wasserstoff wird ebenfalls aus Erdgas oder Biogas gewonnen. Die Kapazität der Brennstoff-zellenanlagen wird auf die Hälfte reduziert, wobei das n-1 Konzept mit zusätzlichen Gasturbinenanlagen abgesichert wird.
Abb. 3: Graphische Darstellung der netzautarken Erzeugungsanlage (zweites Konzept)
Mit diesem Konzept können die Investitionskosten im Vergleich zur ersten Variante auf circa die Hälfte reduziert werden, allerdings ist die Regelung relativ kompliziert und es treten Schadstoffemissionen auf.
Da die SOFC-Brennstoffzelle eine hohe Arbeitstemperatur aufweist, können dadurch Kohlenwasserstoffe in Wasserstoff und Kohlenstoff-Oxide getrennt werden. Man nennt diesen chemischen Prozess Reformierung. Dieser Prozess kann sowohl innerhalb als auch außerhalb der Brennstoffzelle erfolgen. Im letzteren Fall wird der Reformer als separate Anlage gebaut.
In einem Dampfreformer werden Kohlenwasserstoffe, Wasser und Wärmeenergie zugeführt. Daraus entsteht Wasserstoff (50% bis 65%), Kohlendioxid (20% bis 25%) und Wasser (10 bis 25%).
Wirkungsgrad der Prozesse
Abb. 4: Wirkungsgrad der Gesamtanlage
Jede MWh elektrischer Energie, die mit Hilfe von WEA produziert wird, ergibt am Ende des Zyklus ca. 0,55 MWh elektrische Energie (beinhaltet Gas- und Dampfturbinen) und (0,25-0,35) MWh thermische Energie. Der gesamte Prozesswirkungsgrad ist, wie in Abb. 4 dargestellt, trotz dieser Verluste im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken höher.