Power Generation

Clever vernetzt

Veröffentlicht am 09 Februar 2021 von Wolfgang Boller, Silke Rockenstein, Bryan Mangum & Katrin Auernhammer, Bilder von Rolls-Royce Power Systems, Robert Hack

Zuverlässige und effiziente Stromerzeugung im Microgrid: Rolls-Royce Power Systems erzeugt und nutzt Strom and den Standorten in Friedrichshafen, Deutschland, und Aiken, USA, aus den Unternehmenseigenen Microgrids.

Steigender Energiebedarf, instabile Stromnetze aber auch eine gesellschaftliche Forderung, zu einem nachhaltigeren Handeln verändern den Energiemarkt und treiben die Energiewende voran. Neben den regenerativen Energiequellen geht der Trend zu kleineren, autarken Stromnetzen, Microgrids, die die kostengünstigen und umweltfreundlichen regenerativen Energien mit zuverlässigen Stromerzeugern wie Diesel und Gasaggregaten kombinieren.

Microgrids sind kleine Stromnetze, die Strom aus dezentralen Energieerzeugungsquellen wie Blockheizkraftwerken, diesel- und gasbetriebenen Aggregaten sowie erneuerbare Energien mit Batterien kombinieren. Ein Microgrid-Steuerungssystem koordiniert die Energiequellen, um den Energiebedarf für Industrie, Wohngebäude oder Gewerbe entsprechend bereitzustellen. Von außen ist es ein unscheinbares kleines Gebäude im mtu-Werk 1 von Rolls-Royce in Friedrichshafen: Solarpanels auf dem Dach, keine richtigen Fenster, sondern Lüftungsgitter und daneben ein grauer 40-Fuß-Container. Und doch ist es eine echte Besonderheit: ein Validierungscenter mit angeschlossenem Microgrid. 

Von außen ist es ein unscheinbares Gebäude im mtu-Werk 1 von Rolls-Royce in Friedrichshafen: Solarpanels auf dem Dach, keine richtigen Fenster, sondern Lüftungsgitter und daneben ein grauer 40-Fuß-Container. Und doch ist es eine echte Besonderheit: ein Validierungscenter mit angeschlossenem Microgrid.

In dem Gebäude sind spezielle Transformatoren, Umrichter und Schalteinrichtungen untergebracht. Sie nehmen stellvertretend die Funktion weiterer Energiequellen oder Lastenträgern ein, etwa Wind- oder Wasserkraft, die in ein Microgrid integriert werden können. Der 40-Fuß-Batteriecontainer ist das Herzstück des Microgrids: der mtu-Batteriecontainer schafft Flexibilität beim Einsatz der verschiedenen Energiequellen. In Friedrichshafen sind diese Energiequellen Photovoltaikanlagen auf dem Dach des Validation-Centers und auf einem Fabrikhallendach mit insgesamt 500 Kilowatt peak, ein von mtu-Gasmotoren angetriebenes BHKW und ein mtu-Diesel-Aggregat. Die eigens entwickelte intelligente Steuerung setzt alle Energiequellen bestmöglich ein, um das Maximale herauszuholen: Sie berechnet, welche Stromquellen sie zu welchem Zeitpunkt bereitstellt, um Energie an die Verbraucher abzugeben oder die Batterie zu füllen. Die Verbraucher sind in diesem Fall die Produktionshallen und Verwaltungsgebäude von Rolls-Royce in Friedrichshafen – das unternehmenseigene Microgrid. „Oberste Priorität ist dabei, ein stabiles Stromnetz zu gewährleisten, sodass es nicht zu Produktionsunterbrechungen kommt“, erklärt Armin Fürderer, der zusammen mit seinen Kollegen für die Konzeption und den Aufbau des neuen Energiesystems verantwortlich war. Weiteres Ziel ist, den Strom so kostengünstig und „grün“ wie möglich bereitzustellen. Damit werden beispielsweise allein im mtu-Werk mehrere hundert Tonnen CO2 pro Jahr vermieden. Das Blockheizkraftwerk liefert zudem Wärme für den Bedarf im Werk und Fernwärme für die nahegelegenen Wohngebiete. Insgesamt werden 4,8 Megawatt elektrische Leistung sowie 1,5 Megawatt thermische Leistung bereitgestellt.

„Das ist derzeit für sehr viele unterschiedliche Betreiber interessant: Entweder um einen höheren Wirkungsgrad für die erneuerbaren Energiequellen zu erreichen, oder um ein stabiles oder sogar ein autarkes Stromnetz zu haben“

Armin Fürderer, Customer Solutions bei Rolls-Royce Power Systems

Autark oder unterstützend

Mit dem starken Ausbau der erneuerbaren Energien wächst die Herausforderung, überschüssige Energie von Photovoltaik- und Windkraftanlagen zu speichern und dann zur Verfügung zu stellen, wenn sie gebraucht wird. Gleichzeitig muss wetterbedingt schwankende Stromerzeugung ausgeglichen werden. Das können Microgrids leisten, indem eine intelligente Steuerung verschiedene Stromquellen mit Batterien verbindet. Alle Elemente werden in einem intelligenten Energiemanagement-System aneinandergekoppelt, das den Energieeinsatz optimiert. Damit stellen sie eine sichere Stromversorgung bereit und ermöglichen es, sich ganz oder teilweise unabhängig vom öffentlichen Stromnetz zu machen. „Das ist derzeit für sehr viele unterschiedliche Betreiber interessant: Entweder um einen höheren Wirkungsgrad für die erneuerbaren Energiequellen zu erreichen, oder um ein stabiles oder sogar ein autarkes Stromnetz zu haben“, erklärt Fürderer. Dies seien Stadtwerke, die bereits BHKWs und Photovoltaik-Anlagen betreiben, große landwirtschaftliche Betriebe, die Biogas-Anlagen im Betrieb haben und ebenfalls Sonne und Wind für sich nutzen, oder eben Unternehmen, die unabhängig vom öffentlichen Stromnetz sein wollen.

Individuelle Microgrid-Emulationen aus dem mtu-Validierungscenter

Egal ob Kunden bestehende Anlagen haben und diese besser nutzen und vernetzen wollen, oder ob ein komplett neues Microgrid, angepasst an die örtlichen Gegebenheiten, entstehen soll: „Im Validierungscenter konfigurieren wir Microgrids unterschiedlichster Größe, Kapazität und Ausführung für Kunden und demonstrieren deren spätere Funktionsweise – auch abhängig von den Wind- und Sonnenverhältnissen an dem Ort, an dem das Microgrid aufgebaut werden soll“, erklärt Armin Fürderer. Es ist keine Computersimulation, sondern die aufwendigen Komponenten stellen das individuell konfigurierte Microgrid realitätsnah nach.

Das Validation-Center spiegelt das umfangreiche Lieferprogramm für mtu-Microgrids wider. Dazu gehören beispielsweise Batteriecontainer von 50 Kilowattstunden Kapazität - das genügt für etwa 50 Maschinenwäschen - bis zu Batteriecontainer mit zwei Megawattstunden Speichervermögen – das entspricht dem Jahresstrombedarf eines Ein-Personen-Haushalts. „Die Kapazität eines Microgrids ist fast beliebig skalierbar, indem beispielsweise mehrere Batteriecontainer, größere Photovoltaikanlagen, die Kombination mit Windkraftanlagen sowie größere oder mehrere Stromgeneratoren verwendet werden“, ergänzt Fürderer.

Neue Produkte für Lösung aus einer Hand

Zu einer Microgridlösung gehören nicht nur die traditionellen mtu-Produkte, wie Diesel- und Gasaggregate, sondern auch weitere Komponenten, wie Energiespeicher und Steuerung. Rolls-Royce hat sich daher entschieden, sein Portfolio zu ergänzen und hat im Januar 2019 das mtu EnergyPack ganz neu auf den Markt gebracht. Der 40-Fuß-Batterie-Container speichert Strom aus beliebigen Quellen und stellt ihn auf Knopfdruck zur Verfügung. Das bei Rolls-Royce Power Systems selbstentwickelte Produkt besteht aus 154 Modulen und 3.388 Lithium-Ionen-Zellen. Zusammen können diese knapp 1.000 Kilowattstunden elektrischer Energie speichern – das ist etwa 14 Mal so viel wie ein Tesla-Model X. In Zusammenarbeit mit dem ehemaligen Start-Up Qinous, das nach der Mehrheitsübernahme unter dem Namen Rolls-Royce Solutions Berlin firmiert, wird das bestehende Produktportfolio harmonisiert und weiterentwickelt. Rolls-Royce Solutions Berlin hat bereits in über 30 Projekten weltweit Erfahrungen bei der Integration von Batteriespeicher- und Energiesystemen in Microgrids erworben und hier auch mtu-Systeme von Rolls-Royce integriert.

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Eigene Lösung auch in den USA

Ein weiteres unternehmenseigenes Microgrid hat Rolls-Royce im mtu-Werk in Aiken (South Carolina) errichtet. Kurzfristig wird dieses Microgrid den „Inselnetzbetrieb“ demonstrieren, indem es einen Teil des Werks mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen versorgt, ganz und gar unabhängig von dem öffentlichen Stromnetz. Auf lange Sicht wird es das Konzept zur Glättung von Lastspitzen („Peak Shaving“) unter Beweis stellen, indem es die Energienachfrage des Werks beim Versorgungsunternehmen zur Spitzenlastdeckung senkt, und wird es dazu beitragen, die Abhängigkeit vom öffentlichen Netz zu mindern. Der Standort macht sich den in South Carolina reichlich vorhandenen Sonnenschein zunutze durch den Einsatz von Sonnenkollektoren mit 1 MW Leistung, von denen viele auf überdachten Mitarbeiterparkflächen installiert wurden. Die Solaranlage ist mit einem mtu EnergyPack-Stromspeichersystem und einer Microgrid-Steuerung synchronisiert. Zudem wird das komplette Microgrid-System zur Sicherheit von einem 1,9-MWDiesel-Genset unterstützt. Interessierten Kunden, die sich vor Ort selbst ein Bild machen wollen, wird ein problemloser Zugang ermöglicht. Das Microgrid am Standort in Aiken ist Ende des Jahres 2020 in Betrieb gegangen.

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