Montag, 2. September 2019
Genau zu wissen, wie intensiv die Solarstrahlung in den nächsten fünfzehn Minuten aussieht, das ermöglicht das Wolkenkamerasystem WobaS. Das vom DLR-Institut für Solarforschung zusammen mit der CSP Services GmbH und der TSK Flagsol Engineering GmbH entwickelte System liefert auf der Basis mehrerer Wolkenkameras zeitlich und räumlich hochaufgelöste Informationen über die solare Einstrahlung. Die Software in der Leitstelle des Kraftwerks kann daraus Informationen über die zu erwartende verfügbare Energie ableiten und die Betriebssteuerung des Kraftwerks vorausschauend anpassen.
Die Nutzung des WobaS-Systems ist für ein CSP-Kraftwerk (engl. Concentrating Solar Power = CSP) in zweifacher Hinsicht wertvoll. Um zum Beispiel Wärmespannungen an Komponenten als Folge extremer Temperatursteigerungen zu vermeiden, hat die Leitstelle die Möglichkeit, die Kollektoren zu defokussieren. Das erneute Fokussieren kostet Zeit, in der wertvolle Solarenergie verloren geht. WobaS ermöglicht es, das Kraftwerk vorausschauend ohne Energieverluste zu steuern. „Die Integration eines solchen Vorhersagesystems in eine Parabolrinnenanlage erlaubt es, den Durchfluss des Wärmeträgermediums im Kraftwerk so zu regeln, dass möglichst alle Solarkollektoren selbst bei schwankender Solarstrahlung fokussiert bleiben und damit die beste Leistung erzielen“, berichtet Projektleiter Dr. Tobias Hirsch.
Die natürliche Variabilität von solarer Einstrahlung verursacht häufig Schwankungen in Stromnetzen. Die Daten von WobaS erlauben eine effizientere Einspeisung des Solarstroms in das Stromnetz. Insbesondere schnelle Änderungen der Einspeisung in kurzen Zeiträumen, auf Englisch „ramps“, können so besser vorhergesagt werden.
WobaS ermöglicht höhere Erträge
Nutzt das Kraftwerk die Informationen von WobaS, können sowohl die Stromproduktion des Kraftwerks als auch die Lebensdauer der Kraftwerkskomponenten steigen. „Wir erwarten, dass allein die Nutzung der räumlich aufgelösten Strahlungsinformationen zum Zeitpunkt der Bildaufnahme den Ertrag eines Parabolrinnenkraftwerks schon um zwei Prozent erhöht. Regelt man das Kraftwerk darüber hinaus auch unter Nutzung der Strahlungsvorhersage, sind weitere Ertragssteigerungen absehbar“, so Dr. Stefan Wilbert, Leiter der Gruppe Solare Energiemeteorologie im Institut für Solarforschung. Im Herbst stellen die Forscherinnen und Forscher ihre entsprechenden Ergebnisse auf der SolarPACES Konferenz vor.
Das System, das WobaS zu Grunde liegt, besteht aus zwei bis vier Wolkenkameras und einer Auswerteeinheit. Jede der Kameras erstellt mit einem kalibrierten 180-Grad-Fischaugenobjektiv Aufnahmen der Wolken über dem Solarfeld und der Umgebung. Aus diesen Bildern leitet eine spezielle Software die Eigenschaften der Wolken wie Ort, Höhe, Form und Transmissionsgrad, sowie ihre Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit ab. Das WobaS-System berechnet daraus, in Verbindung mit den im Kraftwerk bereits vorhandenen Messdaten der Solarstrahlung, die aktuellen Einstrahlungswerte für das Solarfeld sowie ihre prognostizierte Entwicklung in den darauffolgenden fünfzehn Minuten. Alle 30 Sekunden liefert das Wolkenkamerasystem aktualisierte Strahlungskarten.
Links: Aufnahme einer Wolkenkamera. Rechts: Darstellung der automatisch erkannten Wolken
WobaS erfolgreich im realen Betrieb getestet
Bereits 2017 haben Ingenieure das System im kommerziellen Solarkraftwerk „La Africana“ in Spanien ausgiebig im realen Betrieb getestet. Ende 2018 konnte das WobaS-Projekt erfolgreich abgeschlossen werden. Mittlerweile ist das System an zwei Standorten in Spanien, im Solarturm in Jülich und in einer CSP Testanlage in Évora, Portugal installiert. Die CSP Services GmbH vertreibt das WobaS-System kommerziell sowohl für CSP als auch für PV-Kraftwerke. Eine weitere Anwendung findet das System in leicht abgewandelter Form im Forschungsnetzwerk eye2sky des DLR Instituts für Vernetzte Energiesysteme. Über 30 Kamerastationen erforschen hierbei in der Region um Oldenburg flächendeckend, welchen Einfluss das Wetter auf die Stromnetze hat.
Folgeprojekt WobaS-A will die Anwendung der Strahlungsprognosen weiter verbessern
Nach der Entwicklung und erfolgreichen Demonstration des Systems arbeitet das WobaS Team nun am Folgeprojekt WobaS-A mit dem Schwerpunkt auf der Anwendung der Strahlungsvorhersagen. Hierbei stehen neben solarthermischen Kraftwerken auch Photovoltaik (PV)-Kraftwerke im Fokus.
Das Hauptziel des vom BMWi unterstützten Folgeprojekts WobaS-A ist die Entwicklung innovativer, vorhersagebasierter Betriebsstrategien für Solarkraftwerke. Die umfangreichen Datensätze mit real gemessenen, hochauflösenden Einstrahlungsdaten dienen hierbei als Grundlage.
Des Weiteren wird im Projekt WobaS-A eine Schnittstelle zu der am DLR entwickelten Heliotstatfeldsteuerung für Solarturmkraftwerke HeliOS aufgebaut, die es ermöglicht, die Vorhersagedaten der Wolkenkameras online zu übernehmen. HeliOS kann anhand dieser Informationen genau berechnen, wie die Spiegel ausgerichtet sein müssen, um den Ertrag zu maximieren. Eine Kombination aus HeliOS und WobaS könnte ein Solarkraftwerk also noch effizienter machen.
CSP-Services bietet Wolkenkamerasysteme bereits auf dem Markt an. Das DLR und seine Projektpartner aus der Industrie werden die Erkenntnisse des Projekts WobaS-A in das aktuelle System integrieren, damit CSP- und PV-Kraftwerke von den Forschungsergebnissen profitieren können. Derzeit simulieren die Forscherinnen und Forscher am Computer den Betrieb einer Parabolrinnenanlage, welche die Informationen aus WobaS nutzt. Ihr Ziel ist es, das Regelkonzept des Solarkraftwerks intelligenter zu machen und Energieverluste infolge der optimierten Steuerung weiter zu reduzieren. Im nächsten Schritt wird der Prototyp dieser Betriebsstrategie in einer Parabolrinnen-Testanlage erprobt. Nach der erfolgreichen Demonstration soll sie in die Leitzentrale eines kommerziellen Kraftwerks übertragen werden. Auch ein Demonstrationssystem in einem kommerziellen PV-Kraftwerk ist vorgesehen, um den Nutzen der Strahlungsvorhersage für die Photovoltaik nachzuweisen und optimierte Betriebsstrategien (z.B. im Verbund mit Speichern) zu ermöglichen.
Ab Sommer 2019 werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus verschiedenen internationalen Forschungszentren, Universitäten und Firmen auf CIEMATs Plataforma Solar de Almeria in Spanien die von ihnen entwickelten Wolkenkamerasysteme vergleichen. Die Entwicklerinnen und Entwickler wollen die Ergebnisse nutzen, um ihre jeweiligen Systeme weiter zu verbessern.
Jennifer Heck