Autarke elektrische Kleinenergieversorgungsanlagen mit regenerativer Einspeisung und Wasserstoff-Speicherpfad

Der Entwurf von autarken Kleinenergiesystemen auf Basis von erneuerbaren Energien ist aufwändig, lässt sich aber durch Zuhilfenahme eines Beratungssystems vereinfachen. Das entwickelte und in der Arbeit vorgestellte Tool, welches solch eine Aufgabe übernehmen kann, setzt sich aus drei Teilschritten zusammen. Die Auswahl der einzelnen Systemkomponenten erfolgt Expertensystem-unterstützte. Die adäquate Auswahl ist entscheidend für die Effizienz und die Versorgungssicherheit der Energieanlage. Aufgrund der hohen Diversität der Komponenten und ihrer unterschiedlichen zugrunde liegenden Technologien benötigt man für die Auswahl umfassende Kenntnis und Erfahrung aus verschiedenen technischen Bereichen. Die Dimensionierung der gewählten Komponenten erfolgt auf Basis numerischer Simulation unter Verwendung realistischer Verbrauchs- und Erzeugerprofile. Die Erstellung einer geeigneten Betriebsstrategie erfolgt unter Berücksichtigung typischer Verbraucherprofile sowie Prognosen der zu erwartenden regenerativen Einspeisung, Anforderungen einzelner Systemkomponenten wie beispielsweise, Betriebszeit, Zyklenanzahl, etc.

Für die langfristige Energiespeicherung in Kleinenergiesysteme hat sich Wasserstoff gespeichert in Metallhydriden als vorteilhaft erwiesen. Die stark nichtlineare Charakteristik beim Be- und Entladen von Metallhydridspeichern erfordert jedoch eine nähere Betrachtung. Da physikalische Metallhydridspeicher-Modelle auf Informationen (Geometrie des Speichers, Stoffeigenschaften des Hydrids, äußere und innere Temperierung des Speichers) basieren, die für kommerziell erwerbbare Metallhydridspeicher gewöhnlich nicht vorliegen, wurde zur Nachbildung des Metallhydridspeichers ein Cluster aus Neuronalen Netzen gewählt. Dabei genügt es, dieses mit repräsentativen Eingabedaten zu trainieren, die den entsprechenden Ausgabewerten zugeordnet werden. Die verwendeten Trainingsdaten basieren im vorliegenden Fall ausschließlich auf Reihen von Messwerten, die außerhalb bzw. an der Speicherhülle aufgenommen wurden.

Der überwiegende Anteil der verwendeten elektrischen Geräte benötigt für den Betrieb Wechselstrom. Brennstoffzellen (BZ) liefern Gleichstrom, der für die meisten Anwendungen über einen Wechselrichter umgewandelt werden muss. Die nichtlineare Charakteristik von Invertern verursacht dabei Rückwirkungen in Form von Stromwelligkeiten auf der BZ-Seite. Dieser Störeinfluss hat direkte Auswirkungen auf das Verhalten der Brennstoffzelle. Um den Einfluss der Stromwelligkeit auf PEM-Brennstoffzellen gezielt und systematisch zu untersuchen, wurde eine Reihe von Kurz- und Langzeitmessungen durchgeführt, die Aufschluss über die Auswirkungen gaben.