Jenseits von Diesel: Solar-Plus-Batterie-Hybrid-Backup an netzfernen Standorten in Afrika

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8. Oktober 2019

Netzunabhängige Standorte in Nordnigeria, Niger, Mali, Burkina Faso, Äthiopien und Turkana werden mit Diesel betrieben, wobei Kraftstoffkosten, Transport und Diebstahl einen Großteil der Betriebskosten ausmachen. Dieser Artikel behandelt die drei Topologien und, sofern sie jeweils zutreffen, die tatsächliche Batterielebensdauer bei täglichem Radfahren, die unterschätzte Staubvariable und eine Amortisationsformel mit vier Eingaben, die Sie vor Ort messen können.

Ein Tag an einem netzunabhängigen Standort

Rund um Kano und Kaduna im Norden Nigerias, im ländlichen Niger, Mali und Burkina Faso, im äthiopischen Hochland, in der trockenen Turkana-Region Kenias und in den Randprovinzen Sambias verläuft ein typischer Tag wie folgt: Der Dieselgenerator startet vor Einbruch der Dunkelheit und läuft bis in die Nacht hinein mit einer Last von etwa 1 bis 3 kW; es schaltet sich über Nacht ab und die Batterie übernimmt Basisband und Übertragung; Tagsüber versorgt die Batterie die Baustelle bis zum Abend und lädt sich nur dann auf, wenn für einige Stunden Netzstrom zur Verfügung steht. Das Problem ist nicht der Generator selbst, sondern drei versteckte Kosten: die Lieferung des Kraftstoffs an den Standort, die bei einem Motorrad- oder Kameltransport das Doppelte des Pumpenpreises übersteigen kann; Kraftstoffdiebstahl, der in einigen Gebieten 10 bis 30 % des gekauften Volumens ausmacht; und Wartung und Überholung amortisiert sich nach Betriebsstunden. Der Zweck der Solarenergie ist nicht der Umweltschutz – sie soll die Tageslast vom Generator entlasten und alle drei Kosten direkt senken.

Auswahl zwischen drei Topologien

Beim Solar-Hybrid handelt es sich nicht um ein Design, sondern um drei, und die falsche Wahl verdoppelt die Amortisation. Die erste ist Solar plus Batterie plus Diesel-Standby, auch Solarpriorität genannt: PV versorgt die Last und lädt die Batterie am Tag, schaltet sich ab, sobald die Batterie voll ist, und Diesel startet erst nach längerer Bewölkung oder Batterieerschöpfung. Es minimiert die Generatorstunden und eignet sich für Standorte mit guter Jahreseinstrahlung und konzentrierter Tageslast – die häufigste Wahl in Afrika südlich der Sahara. Bei der zweiten handelt es sich um Diesel-Primärmotoren mit Solarunterstützung, bei denen PV nur einen Teil der Last trägt, typischerweise 30 bis 50 %, und der Generator wie zuvor mit geringerem Kraftstoffverbrauch läuft. Es lässt sich am einfachsten nachrüsten und ist kapitalmäßig am kostengünstigsten. Es eignet sich für größere Lasten oder Standorte mit einem relativ neuen Generator. Die dritte Lösung ist eine reine Solaranlage mit Batterie und verfügt über keinen Generator. Sie ist nur dann sinnvoll, wenn die Last weniger als 500 W beträgt und das Risiko einer Bewölkung von drei Tagen akzeptabel ist. Der entscheidende Faktor in allen drei Fällen ist nicht die Einstrahlungsressource, sondern wie gut die Lastkurve die Solarkurve überlappt: Eine hohe Überlappung begünstigt die erste, eine niedrige Überlappung macht die zweite sicherer.

Echte Akkulaufzeit bei täglichem Radfahren

Bei einem Solarhybrid durchläuft die Batterie jeden Tag einen vollständigen Zyklus, was nichts mit dem Float-Standby zu tun hat und an dem viele Projekte scheitern – sie spezifizieren eine Float-Batterie und ersetzen sie in zwei Jahren. Die Auswahl hängt von drei Zahlen ab, nicht von der Kapazität auf dem Typenschild. Erstens die Zyklenlebensdauer und insbesondere die Zyklenlebensdauer bei einer bestimmten Entladungstiefe; Solarsysteme laufen typischerweise mit 50 % bis 70 % DOD, fragen Sie daher nach Daten in diesem Bereich. Zweitens die Ladeakzeptanz: Die PV-Ladeleistung variiert mit der Einstrahlung, der Strom ist morgens und am späten Nachmittag niedrig und ob die Batterie bei niedrigem Strom effektiv absorbieren kann, bestimmt die tägliche Energierückgewinnung. Die Blei-Kohlenstoff-Serie (LLC, 300–1.000 Ah, sechs Modelle) bietet im PSoC-Betrieb eine vier- bis fünfmal längere Zyklenlebensdauer als herkömmliche Produkte bei etwa 30 % besserer Ladungsaufnahme und ist genau dafür konzipiert. Drittens das Verhalten bei hohen Temperaturen: Schranktemperaturen über 40 °C sind in Afrika an der Tagesordnung, daher muss die Lebensdauer entsprechend der Temperatur korrigiert werden. Auch bei kleinen und mittleren Kapazitäten ist die Deep-Cycle-Serie (FTC, 100–170 Ah, 1.500 Zyklen oder mehr) eine gute Wahl.

Staub: Die unterschätzte Variable

In der Sahelzone und im trockenen Ostafrika wird Staub stark unterschätzt. Erstens: Verschmutzung: Jede Staubschicht auf dem Glas verringert die Lichtdurchlässigkeit um mehrere Prozentpunkte, und nach einem Staubsturm kann das Array dick genug abgedeckt sein, um die Leistung zu halbieren. In Niger, Mali und Tschad kann der Verzicht auf die Reinigung mehr als 20 % des Jahresertrags kosten. Zweitens thermisch: Staub auf der Rückseitenfolie behindert die Wärmeableitung, erhöht die Zelltemperatur und die Schneideffizienz und verschlimmert den Verlust. Drittens mechanisch und elektrisch: Staub, der in Anschlusskästen und Anschlüsse eindringt, führt zu schlechtem Kontakt und Lichtbogengefahr, und Staub in den Luftwegen des Wechselrichters blockiert die Kühlung. Es folgen vier Designreaktionen: Erhöhen Sie die Neigung des Arrays, damit Staub leichter weggeblasen oder abgewaschen wird. Geben Sie Anschlusskästen und Steckverbinder mit einer höheren Schutzart an; Verwenden Sie selbstgekühlte Wechselrichter oder bauen Sie Staubfilter ein und fügen Sie diese dem Inspektionsweg hinzu. und nehmen Sie die Reinigung mit einer definierten Häufigkeit in den Betriebs- und Wartungsvertrag auf – monatlich in der Staubsaison, ansonsten vierteljährlich – und nicht „nach Bedarf“.

Berechnung der Amortisation

Payback erfordert kein komplexes Modell, sondern nur vier Eingaben, und alle vier können vor Ort gemessen werden. Erstens, aktuelle jährliche Dieselkosten: durchschnittlicher Tagesverbrauch in Litern × 365 × gelieferter Kraftstoffpreis inklusive Transport. Verwenden Sie den Lieferpreis, nicht den Anlegestellenpreis. Zweitens, Dieselkosten nach der Umrüstung: Skalierung durch die Reduzierung der Generatorbetriebsstunden, die bei Solar-Prioritätsdesigns typischerweise 20 bis 40 % des Originals beträgt. Drittens, jährlicher PV-Ertrag: Array-Kapazität in kWp × lokale äquivalente Spitzensonnenstunden × 365 × Systemeffizienz von 0,75 bis 0,8 × Verschmutzungs- und Degradationsfaktor von 0,85 bis 0,9. Viertens: Gesamtinvestition einschließlich Modulen, Montage, Steuerung, Batterie, Transport und Installation. Amortisation = Investition ÷ (jährliche Dieselkosten vor der Umrüstung − jährliche Dieselkosten nach der Umrüstung − jährliche Wartungskosten). Der am häufigsten überbewertete Faktor ist der dritte: Menschen nutzen ideale Sonnenstunden und vergessen dabei Verschmutzung und Zersetzung. Nehmen Sie die konservativen Koeffizienten und die von Ihnen berechnete Amortisation ist tatsächlich erzielbar.

Dimensionierung des Arrays und der Batterie zusammen

Die beiden häufigsten Fehler beim Solar-Hybrid-Design sind ein zu kleines Array und eine zu kleine Batterie, und sie treten normalerweise zusammen auf. Das Prinzip besteht darin, in drei Schritten die bewölkte Zeit als Einschränkung und die tägliche Energiebilanz als Ziel zu behandeln. Erstens, Tagesverbrauch: Last in kW × 24 Stunden, separat berechnet, wenn sich die Tages- und Nachtlasten unterscheiden. Zweitens, durchschnittlicher täglicher PV-Ertrag: Array-Kapazität in kWp × äquivalente Spitzensonnenstunden × Systemeffizienz von 0,75 bis 0,8 × Verschmutzungsfaktor von 0,85. Dieses Ergebnis muss den täglichen Verbrauch übersteigen, normalerweise mit 20 % bis 30 % Spielraum, um saisonale Schwankungen, Modulverschlechterung und gelegentliche Verschattung abzudecken. Drittens: Batteriekapazität: täglicher Verbrauch × bewölkte Tage ÷ Entladungstiefe, wobei bewölkte Tage den lokalen Wetteraufzeichnungen entnommen werden – zwei bis drei in der Sahelzone, ein weiterer im ostafrikanischen Hochland. Führen Sie nach den drei Schritten eine umgekehrte Prüfung durch: Am Ende der längsten bewölkten Periode sollte die verbleibende Batteriekapazität nicht unter 20 % fallen, da sonst die Generatorstarts deutlich ansteigen und die Wirtschaftlichkeit des Hybrids verloren geht. Diese Prüfung wird häufig übersprungen, ist jedoch der einzige eindeutige Indikator dafür, ob das Verhältnis solide ist. Ein weiteres Detail, das oft übersehen wird, ist die Neigung des Arrays: In staubigen Regionen führt eine Erhöhung um 5 bis 10 Grad über die optimale Generationsneigung hinaus dazu, dass der Staub leichter abgeblasen wird und mit der Zeit eine höhere Ausbeute erzielt wird. View Telecom Backup Power Selection