Netzunabhängige Microgrid-Projekte: Fallstudien zum Bergbau

Netzunabhängige Mikrogrids liefern Strom für abgelegene Bergbaugebiete. Sie kombinieren PV-Anlagen, Energiespeicherschränke und Dieselgeneratoren. Sie verringern die Abhängigkeit von kostspieligen Netzerweiterungen. Sie liefern kostengünstigen, zuverlässigen Strom mit geringer Auswirkung. Die wichtigsten Lösungen sind die Optimierung der PV- und ESS-Kapazitäten. Dies wird die Selbstversorgung steigern und die Kosten senken.

Netzunabhängige Microgrid-Projekte

Ein netzunabhängiges Mikronetz ist nicht an das Hauptstromnetz angeschlossen. Es besteht hauptsächlich aus PV-Anlagen, Energiespeicherschränken und Dieselgeneratoren. Das folgende Diagramm zeigt die Struktur und die Komponenten:

Schlüssel:

• PCS: Power Conditioning System (ESS-Wechselrichter)
• BMS: Batterie-Management-System
• MG: Microgrid
• EMS: Energie-Management-System

Zu den wichtigsten Komponenten gehören:

• PV-Anlagen und PV-Wechselrichter
• Energiespeichersystem mit PCS und BMS
• Diesel-Generatoren
• Microgrid-Bus (0,4kV Niederspannungsbus)
• Microgrid Schalter
• Microgrid Last
• Stromtransformator (zum öffentlichen Netz, falls erforderlich)

Merkmale des Projekts

• In einem überseeischen Bergbaugebiet mit einer Fläche von 25 km2, etwa 60 km Luftlinie von der nächstgelegenen Stadt entfernt gelegen
• Der Bau neuer Übertragungsleitungen würde 90 km 33-kV-Freileitungen erfordern
• Typisch für abgelegene Bergbaugebiete:
  1. Weit weg vom Stadtzentrum
  2. Keine Dörfer in der Nähe, oft in unbewohnten Gebieten
  3. Unbequemer Transport
  4. Oft trennen diese Gebiete Dutzende von Kilometern vom nächstgelegenen Stromnetz und den Übertragungsleitungen.

Merkmale der Stromversorgung

• Lange Übertragungsstrecken, hohe Kosten für den Bau von Leitungen, große Leitungsverluste
• Um die Anfangsinvestitionen zu sparen, werden in Bergbaugebieten oft Schweröl- oder Dieselgeneratoren eingesetzt, die hohe Betriebskosten und Lärm verursachen.
• Die Stromversorgung umfasst in der Regel 24 Stunden am Tag Strom für die Arbeit, für den Wohnbereich und für die Produktion.
• Erfordert eine zuverlässige Stromversorgung, höhere Last und größere Lastschwankungen

Lastbedingungen

Angesichts des Strombedarfs des Bergbaugebiets erwägt der Eigentümer einen Mix aus Photovoltaik, Energiespeicherschränken und optionalen Dieselgeneratoren. In einem Edelsteinabbaugebiet werden hauptsächlich Bagger und Erzaufbereitungsanlagen betrieben. Die Last beträgt 250 kW für die Bergbauausrüstung (160 kW für den Motor) und 50 kW für den Wohnbereich. Unter Berücksichtigung des zukünftigen Lastwachstums schätzen Experten die Gesamtlast auf 300 kW. Wir gehen von einer ununterbrochenen 24-Stunden-Last aus, wobei die Hauptlast tagsüber zwischen 8:00 und 16:00 Uhr liegt und die Nachtlast etwa 100 kW beträgt. Sie können den Stromverbrauch wie folgt berechnen: 300×8+100×16=4000kWh. Der durchschnittliche lokale Industriestrompreis liegt bei 12 bis 13 US-Cent/kWh.

In den nächsten Abschnitten wird die Energiebilanz analysiert. Sie werden das beste Verhältnis zwischen PV und Speicher finden. Dann werden sie eine wirtschaftliche Analyse durchführen. Dabei werden die Anfangsinvestition und die Kosten pro kWh bei verschiedenen Verhältnissen ermittelt. Ziel ist es, die beste Lösung über einen Zeitraum von 10 Jahren zu ermitteln.

Lösung 1: Netzstromversorgung (neue Freileitungen + Umspannwerk)

• Bau von 90 km 33-kV-Freileitungen und 33-kV/0,4-kV-Umspannwerk
• Basierend auf einem durchschnittlichen Netzstrompreis von 0,13 USD/kWh
• Anfangsinvestition + Netzstrompreis, die umgerechneten Kosten pro kWh betragen etwa 0,45 USD

Lösung 2: Unabhängige Dieselgenerator-Stromversorgung

• Die Beschaffungskosten für Dieselaggregate betragen in der Regel 75 USD/kW
• Kraftstoffverbrauch des Dieselgenerators (L/h) = Generatorleistung (kW) * 0,25 (L/kWh), d.h. 0,25L Diesel pro erzeugter kWh verbraucht
• Die Betriebs- und Wartungskosten für Dieselaggregate umfassen:
  1. Überholung des Generators: Erfordert eine Überholung alle 25.000 Betriebsstunden (3 Jahre). Nach drei Überholungen im Laufe von 10 Jahren hat das Wartungsteam das Gerät aufgrund der hohen Kosten nach drei Malen verschrottet. Wartungskosten: 1. Mal: 30% Beschaffungskosten pro Einheit; 2tes Mal: 40% Beschaffungskosten pro Einheit; 3. Mal: 50% * Beschaffungskosten pro Einheit
  2. Wartungskosten pro Einheit: Alle 500 Stunden müssen Motoröl und Filter gewechselt werden.
• Die Gesamtanalyse zeigt, dass die Kosten pro kWh etwa 0,29 USD betragen.

Lösung 3: PV + Energiespeicherschränke + Dieselgenerator (Backup-Notstrom)

• Benötigt 1MW PV + 1,6MWh ESS + 200kW*2 Dieselgeneratoren
• Tagsüber versorgt 1MW PV-Strom direkt die Last, überschüssiger Strom fließt in den ESS
• In der Nacht entlädt sich der ESS, um die Last zu versorgen
• Dieselgeneratoren werden nur als Notstromaggregate verwendet und nur bei Dauerregen gestartet (schätzungsweise 50 Regentage pro Jahr)
• Die Gesamtkosten pro kWh betragen etwa 0,1 USD

Lösung 4: PV + Energiespeicherschränke + Dieselgenerator (Nachtstrom)

• Benötigt 600kW PV + 0,5MWh Energiespeicherschränke + 200kW*2 Dieselgeneratoren
• Tagsüber versorgt 600 kW PV-Leistung direkt die Last, die PV-Anlage erzeugt 2400 kWh pro Tag
• ESS wird nur für die Steuerung der Leistungsglättung verwendet und speichert keinen Strom für die Nacht.
• Nachtstromversorgung durch Dieselgeneratoren, die etwa 1600 kWh pro Tag erzeugen
• Die Gesamtkosten pro kWh betragen etwa 0,13 USD

Zusammenfassung

• Um die Anfangsinvestitionen zu reduzieren, können PV+Energiespeicherschränke+Diesel (Diesel für Nachtstrom) gewählt werden
• Für die niedrigsten Kosten pro kWh können PV+Energiespeicherschränke+Diesel (Notstromversorgung) gewählt werden
• In der obigen Analyse werden für die Ausrüstungskosten meist analoge Daten verwendet. Für einige Projekte sollten detaillierte Nachforschungen und Recherchen die genauen Investitionskosten ermitteln.
• Die oben verwendete Analysemethode dient der vorläufigen Einschätzung (Beurteilung von Investitionsmöglichkeiten). Da wir uns auf Einfachheit und Schnelligkeit konzentrieren, verwenden wir nur grundlegende Finanztests als Leitfaden für die Beurteilung von Investitionsmöglichkeiten.
• Berechnen Sie bei realen Projekten die Cashflow-Rechnung für den gesamten Lebenszyklus. Verwenden Sie Projektfinanzierung, Beschaffung, Baukosten sowie Betrieb und Wartung. Verwenden Sie strenge Finanzmethoden, um den ROI des Projekts, die Kosten pro kWh und andere Metriken zu berechnen.

Systementwurf

• Eine Erhöhung der installierten PV-Kapazität erhöht auch die Selbstausgleichsrate des Microgrids. Die Hinzufügung von Energiespeichern kann die Übertragung von erneuerbaren Energien in das Netz reduzieren. Dies kann die Selbstregulierungsrate des Microgrids verbessern.
• Mit zunehmender ESS-Kapazität steigen die jährlichen Kosten des Systems ungefähr linear an. Eine angemessene Erhöhung der PV-Kapazität hat eine gewisse Auswirkung auf die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Microgrids.
• In Anbetracht der Kosten und der Fläche der Insel muss das Microgrid die Insel während seines Betriebs mit Strom versorgen. Außerdem muss es eine Selbstausgleichsrate von 28% haben. Der endgültige Plan sieht also die Verwendung einer 300 kWp-PV und eines 4 MWh ESS vor.

Struktur des Systems

• Die beiden Segmentbusse des Microgrids sind mit zwei 10-kV-Leitungen des Umspannwerks Luxi verbunden. Sie tun dies über den schnellen Schalter 1 (KS1) und den schnellen Schalter 2 (KS2), wobei der schnelle Schalter 3 als Segmentschalter dient.
• Das Teil-Mikronetz 1 erforscht das Energiemanagement von Wind-PV-Speicher-Mikronetzen. Es wird auch Technologien zur Steuerung der Multi-Energie-Koordination untersuchen.
• Sub-Microgrid 2 untersucht die hybride Energiespeicherung zur Glättung von Windkraftschwankungen.
• Das BESS-System: Leitfaden für den Bau, die Inbetriebnahme und die Instandhaltung

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