Erneuerbare Energien werden in immer mehr Ländern genutzt und in das nationale Stromnetz integriert. Auch kleine Gemeinden und Einzelpersonen entscheiden sich zunehmend dafür. Die Möglichkeit, eigenen Strom zu erzeugen und unabhängig vom öffentlichen Stromnetz zu leben, ist für viele eine praktikable Option.
Hybride Energiesysteme können verschiedene Formen natürlicher Energie, darunter Sonne, Wind und Wasser, integrieren und nutzen sowie an eigenständige Generatoren und das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden. Dieser Artikel erklärt, wie diese Systeme funktionieren und welche Optionen verfügbar sind.
Inhaltsverzeichnis
Das Marktwachstum von Hybridantriebssystemen
Eine Einführung in Hybridantriebssysteme
Komponenten eines Hybridantriebssystems
So wählen Sie die richtige Größe für ein Hybridantriebssystem aus
Abschließende Gedanken
Das Marktwachstum von Hybridantriebssystemen
Hybridstromsysteme erfreuen sich weltweit zunehmender Beliebtheit bei Haushalten, die durch die Nutzung erneuerbarer Energien mehr Flexibilität und Kosteneinsparungen erzielen und so ihre Abhängigkeit vom immer teurer werdenden öffentlichen Stromnetz verringern möchten.
In vielen Ländern gibt es staatliche Unterstützung und Steuervorteile für Haushalte, die erneuerbare Energiesysteme nutzen, und einige Länder kaufen den Verbrauchern überschüssigen Strom zurück, sofern dieser verfügbar ist.
Der globale Markt für Hybridantriebe war 2 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022und wird voraussichtlich sehr positiv wachsen 10.4 % durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR), von 2.4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023 auf rund 4 Milliarden US-Dollar bis 2028. Die Regionen Europa und Asien-Pazifik weisen das höchste Wachstum auf, wie aus der oben diagramm.
Eine Einführung in Hybridantriebssysteme
Strom kann aus vielen natürlichen Quellen erzeugt werden und es gibt die Technologie, um diesen Strom auf nationaler Ebene zu nutzen und zu integrieren. Allerdings sind all diese Technologien jetzt in kleinem Maßstab verfügbar, sodass sie auf Bauernhöfen, in kleinen Gemeinden und sogar in einzelnen Haushalten eingesetzt werden können.
Die meisten Menschen sind mit Solarmodulen auf Häusern vertraut, die zur Stromerzeugung beitragen. Wer auf einem Bauernhof lebt, ist vielleicht auch mit der Nutzung von Windturbinen zur Stromerzeugung vertraut. Und manche nutzen fließende Wasserquellen in der Nähe zur Stromerzeugung. All dies sind sehr gut etablierte Methoden, natürliche Energiequellen zu nutzen, um den Strombedarf des Hauses zu ergänzen oder vollständig zu decken.
Haushalte, die ausschließlich Strom aus dem öffentlichen Stromnetz beziehen, werden als „netzgekoppelt“ oder „on-grid“ bezeichnet, während Haushalte, die ihren gesamten Strombedarf selbst erzeugen und das öffentliche Stromnetz nicht nutzen, als „off-grid“ bezeichnet werden. Menschen, die in abgelegenen Gebieten leben, leben oft völlig unabhängig vom Stromnetz, sei es aus Notwendigkeit oder aus eigener Wahl.
Hybride Stromsysteme, wie das oben gezeigte 5-10-kW-System, können den aus mehreren natürlichen Quellen erzeugten Strom integrieren. Bei Bedarf können sie mit anderen Stromquellen wie dem öffentlichen Stromnetz und eigenständigen Brennstoffgeneratoren kombiniert werden. Die Systeme können je nach verfügbaren Stromquellen zwischen verschiedenen Netzmodi wechseln.
Hybridstromversorgungssysteme können eine oder mehrere Möglichkeiten zur Energiegewinnung nutzen. Dabei handelt es sich üblicherweise um Photovoltaikmodule (PV) und kleine Windturbinen, es können aber auch Mini-Wasserturbinen zum Einsatz kommen.
Für jede Quelle wird die Energie entweder als Gleichstrom (DC) oder als Wechselstrom (AC) erfasst. Sie wird geregelt und als Gleichstrom in einer Batteriebank oder einem Batteriearray gespeichert. Dieser Gleichstrom wird dann dem Haushalt als Gleichstrom zur Verfügung gestellt oder durch Umwandlung in Wechselstrom mithilfe eines Wechselrichters bereitgestellt, von wo aus er dann bei Bedarf von Haushaltsgeräten genutzt werden kann.
Komponenten eines Hybridantriebssystems
Am meisten im Handel erhältlich Hybridantriebssysteme umfassen Solar- und Windlösungen. Sie umfassen normalerweise keine anderen Lösungen wie Generatoren, Wasserkraftlösungen oder andere Formen der Energieversorgung wie Biomasse. Systeme, die nur Solar-PV-Module und keine Windturbinenoptionen umfassen, werden normalerweise als hybride „Solar“-Systeme beworben.
Solarmodule gibt es in verschiedenen Größen und Leistungsstufen, von etwa 100 Watt bis über 700 Watt pro Modul. Normalerweise werden mehrere Module auf einem Dach, auf einer flachen Fläche oder in einem Winkel zur Sonne angeordnet.
Windturbinen gibt es in zwei Hauptausführungen: horizontal (Propeller) und vertikal (Schläger). Für beide Turbinentypen sind Hybrid-Antriebspakete erhältlich.
Einige Anbieter berechnen für ihre Pakete einen Anfangspreis und einen Endpreis, der von der Anzahl der Solarmodule, Windturbinen und der Leistung der Regler und Wechselrichter abhängt.
Der Leistungssteller und Wechselrichter
Das „Herz“ des Hybridstromsystems sind der Controller und der Wechselrichter.
Die Hauptrolle der Hybrid-Wechselrichter ist die Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC). Das öffentliche Stromnetz verwendet Wechselstrom, da dieser Strom für die Übertragung über große Entfernungen am effizientesten ist. Auch die Stromversorgung privater Haushalte und die meisten Haushaltsgeräte werden mit Wechselstrom betrieben.
Solar-PV-Module erzeugen jedoch instabilen Gleichstrom, während Wind- und Wasserturbinen instabilen Wechselstrom erzeugen. Speicherbatterien verwenden Gleichstrom als effizienteste Methode, um den Strom zu speichern. Daher muss das System in der Lage sein, die empfangene Leistung zu stabilisieren und sie zur Speicherung in Gleichstrom umzuwandeln. Das ist die Aufgabe des Hybrid-Leistungsregler.
Die Stabilisierung und Umwandlung der Leistung kann mit einem separaten Controller erfolgen, wie im obigen Diagramm eines Off-Grid-Versorgers. hybrides Wind- und Solarstromsystem, zeigt einen Wind-/Solar-Hybridregler, der die Batterie speist. Die gespeicherte Batterieleistung wird dann vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, der die Haushaltsgeräte speist.
Einige moderne Wechselrichter fungieren jedoch sowohl als Controller als auch als Wechselrichter und können darüber hinaus erweiterte Verwaltungsfunktionen bereitstellen, wie etwa die Berichterstellung über Cloud- und Computerdaten.
Im obigen Diagramm eines Hybrid-Stromsystems wird die gesamte Versorgung direkt an den Wechselrichter angeschlossen, einschließlich erneuerbarer (grüner) Energiequellen, des öffentlichen Stromnetzes und des Hausgenerators. Hybrid-Wechselrichter regelt den Strom aus den unterschiedlichsten Quellen, speichert ihn und greift bei Bedarf auf ihn für die Hausversorgung zu.
Moderne intelligente Wechselrichter bieten flexibles Energiemanagement für:
- die Einspeisevergütung für erneuerbare Energien zu steuern,
- die Energie in einem Batterie-Array speichern,
- Überwachung und Meldung des Batterieladezustands,
- Umschaltung zwischen öffentlichem Stromnetz und Batterien,
- gespeicherten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln,
- Versorgung von Haushalten mit Strom,
- überschüssigen Strom in das öffentliche Stromnetz zurückspeisen
- Stellen Sie Echtzeitdaten für die Cloud und lokale Computer bereit.
Wechselrichter mit reiner Sinuswelle erzeugen einen hochstabilisierten Wechselstrom, der dem Strom des öffentlichen Stromnetzes entspricht. Dies ist notwendig, um Haushaltsgeräte, von denen viele empfindliche Elektronik enthalten, mit sauberem und zuverlässigem Strom von hoher Qualität zu versorgen.
Lithium-Ionen-Batterie-Arrays
Die gewonnene Energie muss gespeichert werden, damit sie bei Bedarf genutzt werden kann. Dies geschieht mithilfe einer Reihe von Lithium-Ionen-Batterien. Batteriespeicher gibt es in vielen Formen, von ganz einfachen Batterien, die mit Kabeln „zusammengebunden“ sind, bis hin zu modernen, sauberen Schränken, die im Haus nicht fehl am Platz wirken und zudem eine Fernüberwachung ermöglichen.
Die erforderliche Menge an Batteriespeicher hängt vom Stromverbrauch des Benutzers im Haushalt ab und davon, inwieweit er vom lokalen Stromnetz unabhängig bleiben möchte. Je mehr Strom gespeichert wird, desto mehr Strom steht für die netzunabhängige Nutzung zur Verfügung.
Dieses gestapeltes Batterie- und Wechselrichter-Array hat ein klares Gehäusedesign, das es für den Innenbereich geeignet macht. Es ist stapelbar und in Vielfachen von 5-kW-Batterieschichten konfigurierbar und wird als All-in-One-System zusammen mit einem Wechselrichter und einer Controllerschicht geliefert. Mit vier Batterieschichten kann es 20 Kilowatt Strom pro Stunde an das Haus liefern. Leistung und Batteriestand können über die LED-Anzeigen sowie online über die Cloud und den Computer überwacht werden. Die Preise beginnen bei etwa 749 US-Dollar und hängen von der Anzahl der bestellten Batterieschichten ab.
So wählen Sie das richtige Hybridantriebssystem aus
Möglichkeiten zur Gewinnung erneuerbarer Energien
Bei der Auswahl eines Hybridstromsystems sollte zunächst entschieden werden, welche Arten erneuerbarer Energien installiert werden sollen (die meisten Komplettsysteme schließen Wind- und Solarenergie ein) und ob das System netzunabhängig oder hybrid sein soll.
Es sind viele Systeme erhältlich, die eine Auswahl an Windturbinen und Solarmodulen bieten. Überprüfen Sie die Nennleistung (in Kilowatt), die das System sowohl für die Windkomponenten als auch für die Solarmodule liefern soll.
Wenn auch Wasserkraft oder ein lokaler Generator benötigt werden, sollte der Käufer beim Lieferanten prüfen, ob es Probleme mit der Konnektivität gibt. Wenn das System an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden soll, sollte der Käufer sich darüber im Klaren sein, ob der Strom hauptsächlich aus erneuerbarer Energie oder hauptsächlich aus dem öffentlichen Netz stammen soll und wie das System zwischen beiden umschalten wird.
Wechselrichterkapazität
Die Entscheidung für einen Wechselrichter richtet sich nach der Strommenge, die im jeweiligen Haushalt verbraucht werden soll.
Der Käufer sollte den erwarteten maximalen gleichzeitigen Energiebedarf berechnen und wissen, wie viel Strom voraussichtlich pro Stunde benötigt wird. Wie viele verschiedene Geräte werden beispielsweise gleichzeitig betrieben und welche Geräte werden das sein?
Kochen ist ein Beispiel für hohen Bedarf, da die meisten Küchengeräte gleichzeitig verwendet werden und einzeln bis zu 3 kW verbrauchen können. Der Wechselrichter muss über eine ausreichende Kapazität an kW pro Stunde (kWh) verfügen, um den extremsten Bedarf zu decken, da er sonst überlastet werden kann.
Controller, Energiespeicher und Batterie-Arrays
Die Entscheidung über die Controller- und Batteriekapazität richtet sich nach der Menge an Strom, die gesammelt und gespeichert werden soll. Der Käufer sollte berechnen, wie viel Batteriespeicher täglich benötigt wird, und abschätzen, wo (und wann) dieser Strom erzeugt wird.
Wenn beispielsweise Windturbinen eingesetzt werden, wie viel Strom wird voraussichtlich an einem durchschnittlich windigen Tag im Laufe des Tages erzeugt? Wie viel Sonnenlicht können die Photovoltaikmodule einfangen und zu welchen Tageszeiten? Wenn das öffentliche Stromnetz genutzt werden soll, geschieht dies zu bestimmten Zeiten, z. B. außerhalb der Spitzenzeiten?
Die Wahl des Controllers muss für die verschiedenen Energiequellen geeignet sein und die Batteriekapazität sollte für alle wahrscheinlichen Anforderungen während des Tages ausreichen, wobei der voraussichtliche Zeitpunkt der Batterieaufladung berücksichtigt werden muss.
Lieferantenunterstützung
Ihr Lieferant sollte Ihnen bei den Berechnungen behilflich sein können und stellt Ihnen möglicherweise eine Kalkulationstabelle zur Verfügung, mit deren Hilfe Sie den täglichen Bedarf einschließlich Spitzenwerten bei der Energiegewinnung und beim Energieverbrauch schätzen können.
Normalerweise wird der Verbrauch in Kilowatt geplant, basierend auf der berechneten täglichen und gleichzeitigen Nutzung. Ihre monatlichen Stromrechnungen, aufgeteilt auf einen Tagesbetrag, können den durchschnittlichen Gesamtverbrauch und damit den insgesamt erforderlichen Speicherbedarf angeben.
Sie sollten jedoch auch auf die Verbrauchsspitzen achten. Zu den üblichen Verbrauchsspitzen zählen Mahlzeiten, und mehrere häufig verwendete Geräte haben einen hohen Strombedarf. Backöfen, Mikrowellen, Wasserkocher, Heißluftfritteusen und Toaster sind allesamt Beispiele, die zwischen 1 und 4 kW verbrauchen können. Zusammengerechnet ergibt sich also der wahrscheinliche gleichzeitige Stromverbrauch. Denken Sie auch daran, dass andere Geräte gleichzeitig verwendet werden können. Heizung, Warmwasserbereitung, Leistungsverstärker, Fernseher und WLAN zu Hause sowie das Aufladen von Elektroautos. All diese Geräte verbrauchen ebenfalls Strom.
Überschussstrom und Netzrückspeisung
Wenn das Kostenmodell die Erzeugung eines Überschusses vorsieht, der in das öffentliche Stromnetz zurückgespeist werden kann, muss dieser Überschuss in die Schätzung einbezogen werden, da hierfür möglicherweise zusätzliche Windturbinen oder Solarmodule erforderlich sind.
Bei der Installation eines Hybridstromsystems muss man bedenken, dass zunächst hohe Anschaffungskosten anfallen, bevor Kosteneinsparungen erzielt werden können. Die Turbinen und PV-Module, der Regler und Wechselrichter sowie die Batterieanlage können teuer sein, dazu kommen noch die Installationskosten und ein zusätzlicher Betrag für die regelmäßige Wartung.
Die Amortisierung der Investition kann Jahre statt Monate dauern, daher muss das geplante System nicht nur ins Budget passen, sondern auch die laufenden Kosten berücksichtigen.
Abschließende Gedanken
Die Verfügbarkeit von Hybridstromsystemen im kleinen Maßstab ermöglicht es dem Privatmarkt, verschiedene erneuerbare Energiequellen in Kombination mit dem öffentlichen Versorgungsnetz optimal zu nutzen. Typische Systeme sind entweder mit vertikalen oder horizontalen Windturbinen ausgestattet, die für den Eigenheimgebrauch geeignet sind. Diese Systeme sind auch mit Solar-PV-Modulen ausgestattet, die bequem auf dem Dach angebracht werden können.
Es gibt eine große Auswahl an Hybridstromsystemen, die die Hauptkomponenten Hybridstromregler, Wechselrichter, Akkumulatoren und intelligente Überwachungssoftware umfassen. Der Käufer muss sich über den Strombedarf im Klaren sein, wie viel erzeugt werden muss und wie viel das Haus zu einem bestimmten Zeitpunkt verbrauchen muss.
Hybrid-Antriebssysteme erfordern eine Anfangsinvestition in die Ausrüstung und Installation, und der Käufer sollte sich darüber im Klaren sein, dass sich der ROI wahrscheinlich über einen langen Zeitraum erstreckt. Der Lieferant sollte in der Lage sein, bei Berechnungen zur Bestimmung der richtigen Systemgröße zu helfen, und eine Reihe von Optionen finden Sie im Online-Showroom unter Chovm.com.
