In einem Modellprojekt im Wadi El Natrun in Oberägypten haben Ingenieure des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) in Freiburg ein Photovoltaiksystem errichtet, um Weizenfelder zu bewässern. Bisher pumpten die Bauern das Wasser mit Dieselgeneratoren aus bis zu 60 Meter tiefen Brunnen. Das System der Freiburger liefert die Energie aus konzentrierenden Photovoltaikmodulen (CPV). Dabei werden die Sonnenstrahlen über Fresnell-Linsen auf stecknadelkopfgroße Mehrfachsolarzellen gebündelt. Aufgrund dieser Bauart braucht ein solches System weniger Fläche und hat einen höheren Wirkungsgrad als konventionelle Solarmodule. Allerdings funktionieren sie nur mit direkter Sonnenbestrahlung. „Das muss sehr präzise sein“, erklärt Jakob Wachtel vom Fraunhofer ISE gegenüber EREUERBARE ENERGIEN. „Schon bei geringen Abweichungen ergibt sich ein erheblicher Wirkungsgradverlust.“ Deshalb folgen die auf einem beweglichen Standbein montierten CPV-Zellen mit Hilfe eines Tracking-Motors genau dem Lauf der Sonne.
Pumpen und Steuerung mit Solarenergie
Die Modellanlage mit einer Leistung von 30 Kilowatt liefert Strom für eine Tauchpumpe, die das Wasser aus 35 Metern Tiefe nach oben fördert, für eine weitere Pumpe, mit der das hoch gepumpte Wasser auf das Feld verteilt wird und einer kleinen Entsalzungseinheit zur Trinkwassergewinnung. Außerdem liefern die CPV-Module auch den Strom für den Betrieb der Solaranlage selbst. Mit ihr werden die Tracking-Motoren betrieben, aber auch das gesamte Überwachungs- und Steuerungssystem und eine kleine Klimaanlage, die den Technikraum kühlt.
Die Anlage kommt fast vollständig ohne Stromspeicher aus. Nur eine kleine Batterie speichert Strom, um die Solarmodule am frühen morgen wieder nach Osten zur Sonne hin auszurichten. Der Vorteil ist, dass das System dadurch billiger wird. Denn „wo es kein öffentliches Stromnetz gibt, arbeiten PV-Anlagen aufgrund ihrer niedrigen Betriebskosten heute wirtschaftlich. Problematisch sind nur die hohen Investitionskosten am Anfang, an denen die Batterien einen erheblichen Anteil haben“, sagt Jakob Wachtel. Allerdings muss dadurch die erzeugte Energie sofort verbraucht werden. Deshalb eignet sich diese Anlage nur für Systeme, an die steuerbare Lasten angeschlossen sind. Das sind Lasten, die nur dann zugeschaltet werden, wenn die Sonne scheint und das System Strom liefert. Bei dieser Anlage geschieht das über ein intelligentes Energie-Management-System (EMS) auf der Basis des sogenannten Universal Energy Supply Protocols (UESP), das das Fraunhofer ISE eigens dafür entwickelte. Dieses speziell auf diese Art des Energie- und Lastenmanagements ausgelegte Protokoll wird derzeit als Anwendungsprofil für netzunabhängige Energieversorgungssysteme in das CANopen-Anwendungsprofil CiA454 der CAN in Automation (CiA) Organisation integriert. CANopen ist in der Automatisierungstechnik weit verbreitet und hat sich auch als Standard zum Steuern elektrischer Geräte etabliert. „Systeme, die mit solchen Protokollen arbeiten, lassen sich jederzeit mit Geräten erweitern, die CANopen oder UESP verstehen – völlig unabhängig vom Hersteller. Dies ist praktisch, wenn ein defektes Bauteil ersetzt werden muss oder das System den sich ändernden Anforderungen angepasst werden soll“, sagt Alexander Schies vom Fraunhofer ISE. Das spart nicht nur Kosten, sondern vereinfacht gleichzeitig den Erhalt und Ausbau des CPV-Inselsystems.
Lasten je nach Priorität zuschalten
Über das Energie-Management-System kann sowohl die Erzeuger- als auch die Verbraucherseite gesteuert werden. Zum einen „sagt es den Wechselrichtern, wie viel Energie sie zur Verfügung stellen sollen“, erklärt Jakob Wachtel. Und zum anderen wird die Verbraucherseite der Erzeugerseite angepasst. „Wir messen die Direkteinstrahlung und können daraufhin Rückschlüsse auf die zur Verfügung stehende Leistung ziehen. Daraus können wir ausrechnen, wie viele Lasten wir einschalten können. Das passiert prioritätsgesteuert: wichtigere Lasten werden zuerst zugeschaltet“, so Wachtel. (Sven Ullrich)
