Modelling and simulation of a photovoltaic fuel cell hybrid system

A stand-alone power system is an autonomous system that supplies electricity to the user load without being connected to the electric grid. This kind of decentralized system is frequently located in remote and inaccessible areas. It is essential for about one third of the world population which are living in developed or isolated regions and have no access to an electricity utility grid. The most people live in remote and rural areas, with low population density, lacking even the basic infrastructure. The utility grid extension to these locations is not a cost effective option and sometimes technically not feasible. The purpose of this thesis is the modelling and simulation of a stand-alone hybrid power system, referred to as “hydrogen Photovoltaic-Fuel Cell (PVFC) hybrid system”. It couples a photovoltaic generator (PV), an alkaline water electrolyser, a storage gas tank, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and power conditioning units (PCU) to give different system topologies. The system is intended to be an environmentally friendly solution since it tries maximising the use of a renewable energy source. Electricity is produced by a PV generator to meet the requirements of a user load. Whenever there is enough solar radiation, the user load can be powered totally by the PV electricity. During periods of low solar radiation, auxiliary electricity is required. An alkaline high pressure water electrolyser is powered by the excess energy from the PV generator to produce hydrogen and oxygen at a pressure of maximum 30bar. Gases are stored without compression for short- (hourly or daily) and long- (seasonal) term. A proton exchange membrane (PEM) fuel cell is used to keep the system’s reliability at the same level as for the conventional system while decreasing the environmental impact of the whole system. The PEM fuel cell consumes gases which are produced by an electrolyser to meet the user load demand when the PV generator energy is deficient, so that it works as an auxiliary generator. Power conditioning units are appropriate for the conversion and dispatch the energy between the components of the system. No batteries are used in this system since they represent the weakest when used in PV systems due to their need for sophisticated control and their short lifetime. The model library, ISET Alternative Power Library (ISET-APL), is designed by the Institute of Solar Energy supply Technology (ISET) and used for the simulation of the hybrid system. The physical, analytical and/or empirical equations of each component are programmed and implemented separately in this library for the simulation software program Simplorer by C++ language. The model parameters are derived from manufacturer’s performance data sheets or measurements obtained from literature. The identification and validation of the major hydrogen PVFC hybrid system component models are evaluated according to the measured data of the components, from the manufacturer’s data sheet or from actual system operation. Then, the overall system is simulated, at intervals of one hour each, by using solar radiation as the primary energy input and hydrogen as energy storage for one year operation. A comparison between different topologies, such as DC or AC coupled systems, is carried out on the basis of energy point of view at two locations with different geographical latitudes, in Kassel/Germany (Europe) and in Cairo/Egypt (North Africa). The main conclusion in this work is that the simulation method of the system study under different conditions could successfully be used to give good visualization and comparison between those topologies for the overall performance of the system. The operational performance of the system is not only depending on component efficiency but also on system design and consumption behaviour. The worst case of this system is the low efficiency of the storage subsystem made of the electrolyser, the gas storage tank, and the fuel cell as it is around 25-34% at Cairo and 29-37% at Kassel. Therefore, the research for this system should be concentrated in the subsystem components development especially the fuel cell.

Erneuerbare Energien im Verbund mit Hochleistungs-Bleiakkumulatoren zur Bereitstellung von Spitzenleistung - am Beispiel von Windkraftwerken im 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL / Luxemburg -

Die wachsende Weltbevölkerung bedingt einen höheren Energiebedarf, dies jedoch unter der Beachtung der nachhaltigen Entwicklung. Die derzeitige zentrale Versorgung mit elektrischer Energie wird durch wenige Erzeugungsanlagen auf der Basis von fossilen Primärenergieträgern und Kernenergie bestimmt, die die räumlich verteilten Verbraucher zuverlässig und wirtschaftlich über ein strukturiertes Versorgungssystem beliefert. In den Elektrizitätsversorgungsnetzen sind keine nennenswerten Speicherkapazitäten vorhanden, deshalb muss die von den Verbrauchern angeforderte Energie resp. Leistung jederzeit von den Kraftwerken gedeckt werden. Bedingt durch die Liberalisierung der Energiemärkte und die geforderte Verringerung der Energieabhängigkeit Luxemburgs, unterliegt die Versorgung einem Wandel hin zu mehr Energieeffizienz und erhöhter Nutzung der dargebotsabhängigen Energiequellen. Die Speicherung der aus der Windkraft erzeugten elektrischen Energie, wird in den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren, errichtet im ländlichen Raum in der Nähe der Windkraftwerke, eingespeichert. Die zeitversetzte Einspeisung dieser gespeicherten elektrischen Energie in Form von veredelter elektrischer Leistung während den Lastspitzen in das 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL stellt die Innovation in der luxemburgischen Elektrizitätsversorgung dar. Die Betrachtungen beschränken sich somit auf die regionale, relativ kleinräumige Einbindung der Windkraft in die elektrische Energieversorgung des Großherzogtums Luxemburg. Die Integration der Windkraft im Regionalbereich wird in den Vordergrund der Untersuchung gerückt. Überregionale Ausgleichseffekte durch Hochspannungsleitungen der 230/400 kV-Systeme werden außer Acht gelassen. Durch die verbrauchernahe Bereitstellung von elektrischer Spitzenleistung vermindern sich ebenfalls die Übertragungskosten aus den entfernten Spitzenlastkraftwerken, der Ausbau von Kraftwerkskapazitäten kann in die Zukunft verschoben werden. Die Emission von Treibhausgasen in thermischen Kraftwerken wird zum Teil reduziert. Die Berechnungen der Wirtschaftlichkeit von Hybridanlagen, zusammengesetzt aus den Windkraftwerken und den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren bringen weitere Informationen zum Einsatz dieser dezentralen Speichern, als Partner der nachhaltigen Energieversorgung im ländlichen Raum. Die untersuchte Einspeisung von erneuerbarer Spitzenleistung lässt sich auch in die Entwicklungsländer übertragen, welche nicht über zentrale Kraftwerkskapazitäten und Verteilungsnetze verfügen.

Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien

Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Umstieg auf andere Energiequellen langfristig unausweichlich erscheinen und mittelfristig als dringend geboten. Unabhängig von der Frage, auf welchem Niveau sich der Energiebedarf stabilisieren lässt, bleibt dabei zu klären, welche Möglichkeiten sich aus technischer und wirtschaftlicher Sicht in Zukunft zur Deckung unseres Energiebedarfs anbieten. Eine aussichtsreiche Option besteht in der Nutzung regenerativer Energien in ihrer ganzen Vielfalt. Die Arbeit "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" konzentriert sich mit der Stromversorgung auf einen Teilaspekt der Energieversorgung, der zunehmend an Wichtigkeit gewinnt und als ein Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung interpretiert werden kann. Die Stromversorgung ist heute weltweit für etwa die Hälfte des anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich. In dieser Arbeit wurden anhand verschiedener Szenarien Möglichkeiten einer weitgehend CO2–neutralen Stromversorgung für Europa und seine nähere Umgebung untersucht, wobei das Szenariogebiet etwa 1,1 Mrd. Einwohner und einen Stromverbrauch von knapp 4000 TWh/a umfasst. Dabei wurde untersucht, wie die Stromversorgung aufgebaut sein sollte, damit sie möglichst kostengünstig verwirklicht werden kann. Diese Frage wurde beispielsweise für Szenarien untersucht, in denen ausschließlich heute marktverfügbare Techniken berücksichtigt wurden. Auch der Einfluss der Nutzung einiger neuer Technologien, die bisher noch in Entwicklung sind, auf die optimale Gestaltung der Stromversorgung, wurde anhand einiger Beispiele untersucht. Die Konzeption der zukünftigen Stromversorgung sollte dabei nach Möglichkeit objektiven Kriterien gehorchen, die auch die Vergleichbarkeit verschiedener Versorgungsansätze gewährleisten. Dafür wurde ein Optimierungsansatz gewählt, mit dessen Hilfe sowohl bei der Konfiguration als auch beim rechnerischen Betrieb des Stromversorgungssystems weitgehend auf subjektive Entscheidungsprozesse verzichtet werden kann. Die Optimierung hatte zum Ziel, für die definierte möglichst realitätsnahe Versorgungsaufgabe den idealen Kraftwerks- und Leitungspark zu bestimmen, der eine kostenoptimale Stromversorgung gewährleistet. Als Erzeugungsoptionen werden dabei u.a. die Nutzung Regenerativer Energien durch Wasserkraftwerke, Windenergiekonverter, Fallwindkraftwerke, Biomassekraftwerke sowie solare und geothermische Kraftwerke berücksichtigt. Abhängig von den gewählten Randbedingungen ergaben sich dabei unterschiedliche Szenarien. Das Ziel der Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Szenarien eine breite Basis als Entscheidungsgrundlage für zukünftige politische Weichenstellungen zu schaffen. Die Szenarien zeigen Optionen für eine zukünftige Gestaltung der Stromversorgung auf, machen Auswirkungen verschiedener – auch politischer – Rahmenbedingungen deutlich und stellen so die geforderte Entscheidungsgrundlage bereit. Als Grundlage für die Erstellung der Szenarien mussten die verschiedenen Potentiale erneuerbarer Energien in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden, mit denen es erstmals möglich war, die Fragen einer großräumigen regenerativen Stromversorgung ohne ungesicherte Annahmen anhand einer verlässlichen Datengrundlage anzugehen. Auch die Charakteristika der verschiedensten Energiewandlungs- und Transportsysteme mussten studiert werden und sind wie deren Kosten und die verschiedenen Potentiale in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert. Als Ausgangsszenario und Bezugspunkt dient ein konservatives Grundszenario. Hierbei handelt es sich um ein Szenario für eine Stromversorgung unter ausschließlicher Nutzung erneuerbarer Energien, die wiederum ausschließlich auf heute bereits entwickelte Technologien zurückgreift und dabei für alle Komponenten die heutigen Kosten zugrundelegt. Dieses Grundszenario ist dementsprechend auch als eine Art konservative Worst-Case-Abschätzung für unsere Zukunftsoptionen bei der regenerativen Stromversorgung zu verstehen. Als Ergebnis der Optimierung basiert die Stromversorgung beim Grundszenario zum größten Teil auf der Stromproduktion aus Windkraft. Biomasse und schon heute bestehende Wasserkraft übernehmen den überwiegenden Teil der Backup-Aufgaben innerhalb des – mit leistungsstarker HGÜ (Hochspannungs–Gleichstrom–Übertragung) verknüpften – Stromversorgungsgebiets. Die Stromgestehungskosten liegen mit 4,65 €ct / kWh sehr nahe am heute Üblichen. Sie liegen niedriger als die heutigen Preisen an der Strombörse. In allen Szenarien – außer relativ teuren, restriktiv ”dezentralen” unter Ausschluss großräumig länderübergreifenden Stromtransports – spielt der Stromtransport eine wichtige Rolle. Er wird genutzt, um Ausgleichseffekte bei der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen zu realisieren, gute kostengünstige Potentiale nutzbar zu machen und um die Speicherwasserkraft sowie die dezentral genutzte Biomasse mit ihrer Speicherfähigkeit für großräumige Backup-Aufgaben zu erschließen. Damit erweist sich der Stromtransport als einer der Schlüssel zu einer kostengünstigen Stromversorgung. Dies wiederum kann als Handlungsempfehlung bei politischen Weichenstellungen interpretiert werden, die demnach gezielt auf internationale Kooperation im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien setzen und insbesondere den großräumigen Stromtransport mit einbeziehen sollten. Die Szenarien stellen detaillierte und verlässliche Grundlagen für wichtige politische und technologische Zukunftsentscheidungen zur Verfügung. Sie zeigen, dass bei internationaler Kooperation selbst bei konservativen Annahmen eine rein regenerative Stromversorgung möglich ist, die wirtschaftlich ohne Probleme zu realisieren wäre und verweisen den Handlungsbedarf in den Bereich der Politik. Eine wesentliche Aufgabe der Politik läge darin, die internationale Kooperation zu organisieren und Instrumente für eine Umgestaltung der Stromversorgung zu entwickeln. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass nicht nur ein sinnvoller Weg zu einer CO2–neutralen Stromversorgung beschritten würde, sondern sich darüber hinaus ausgezeichnete Entwicklungsperspektiven für die ärmeren Nachbarstaaten der EU und Europas eröffnen.

Master Plan for Renewable Energy based Electricity Generation in The Gambia

The principal objective of this paper is to develop a methodology for the formulation of a master plan for renewable energy based electricity generation in The Gambia, Africa. Such a master plan aims to develop and promote renewable sources of energy as an alternative to conventional forms of energy for generating electricity in the country. A tailor-made methodology for the preparation of a 20-year renewable energy master plan focussed on electricity generation is proposed in order to be followed and verified throughout the present dissertation, as it is applied for The Gambia. The main input data for the proposed master plan are (i) energy demand analysis and forecast over 20 years and (ii) resource assessment for different renewable energy alternatives including their related power supply options. The energy demand forecast is based on a mix between Top-Down and Bottom-Up methodologies. The results are important data for future requirements of (primary) energy sources. The electricity forecast is separated in projections at sent-out level and at end-user level. On the supply side, Solar, Wind and Biomass, as sources of energy, are investigated in terms of technical potential and economic benefits for The Gambia. Other criteria i.e. environmental and social are not considered in the evaluation. Diverse supply options are proposed and technically designed based on the assessed renewable energy potential. This process includes the evaluation of the different available conversion technologies and finalizes with the dimensioning of power supply solutions, taking into consideration technologies which are applicable and appropriate under the special conditions of The Gambia. The balance of these two input data (demand and supply) gives a quantitative indication of the substitution potential of renewable energy generation alternatives in primarily fossil-fuel-based electricity generation systems, as well as fuel savings due to the deployment of renewable resources. Afterwards, the identified renewable energy supply options are ranked according to the outcomes of an economic analysis. Based on this ranking, and other considerations, a 20-year investment plan, broken down into five-year investment periods, is prepared and consists of individual renewable energy projects for electricity generation. These projects included basically on-grid renewable energy applications. Finally, a priority project from the master plan portfolio is selected for further deeper analysis. Since solar PV is the most relevant proposed technology, a PV power plant integrated to the fossil-fuel powered main electrical system in The Gambia is considered as priority project. This project is analysed by economic competitiveness under the current conditions in addition to sensitivity analysis with regard to oil and new-technology market conditions in the future.

Economics of Hybrid Photovoltaic Power Plants

The global power supply stability is faced to several severe and fundamental threats, in particular steadily increasing power demand, diminishing and degrading fossil and nuclear energy resources, very harmful greenhouse gas emissions, significant energy injustice and a structurally misbalanced ecological footprint. Photovoltaic (PV) power systems are analysed in various aspects focusing on economic and technical considerations of supplemental and substitutional power supply to the constraint conventional power system. To infer the most relevant system approach for PV power plants several solar resources available for PV systems are compared. By combining the different solar resources and respective economics, two major PV systems are identified to be very competitive in almost all regions in the world. The experience curve concept is used as a key technique for the development of scenario assumptions on economic projections for the decade of the 2010s. Main drivers for cost reductions in PV systems are learning and production growth rate, thus several relevant aspects are discussed such as research and development investments, technical PV market potential, different PV technologies and the energetic sustainability of PV. Three major market segments for PV systems are identified: off-grid PV solutions, decentralised small scale on-grid PV systems (several kWp) and large scale PV power plants (tens of MWp). Mainly by application of ‘grid-parity’ and ‘fuel-parity’ concepts per country, local market and conventional power plant basis, the global economic market potential for all major PV system segments is derived. PV power plant hybridization potential of all relevant power technologies and the global power plant structure are analyzed regarding technical, economical and geographical feasibility. Key success criteria for hybrid PV power plants are discussed and comprehensively analysed for all adequate power plant technologies, i.e. oil, gas and coal fired power plants, wind power, solar thermal power (STEG) and hydro power plants. For the 2010s, detailed global demand curves are derived for hybrid PV-Fossil power plants on a per power plant, per country and per fuel type basis. The fundamental technical and economic potentials for hybrid PV-STEG, hybrid PV-Wind and hybrid PV-Hydro power plants are considered. The global resource availability for PV and wind power plants is excellent, thus knowing the competitive or complementary characteristic of hybrid PV-Wind power plants on a local basis is identified as being of utmost relevance. The complementarity of hybrid PV-Wind power plants is confirmed. As a result of that almost no reduction of the global economic PV market potential need to be expected and more complex power system designs on basis of hybrid PV-Wind power plants are feasible. The final target of implementing renewable power technologies into the global power system is a nearly 100% renewable power supply. Besides balancing facilities, storage options are needed, in particular for seasonal power storage. Renewable power methane (RPM) offers respective options. A comprehensive global and local analysis is performed for analysing a hybrid PV-Wind-RPM combined cycle gas turbine power system. Such a power system design might be competitive and could offer solutions for nearly all current energy system constraints including the heating and transportation sector and even the chemical industry. Summing up, hybrid PV power plants become very attractive and PV power systems will very likely evolve together with wind power to the major and final source of energy for mankind.

Alley cropping of willows and grassland for bioenergy provision: productivity, tree-crop interactions and energy balance

The demand for biomass for bioenergy has increased rapidly in industrialized countries in the recent years. Biogenic energy carriers are known to reduce CO2 emissions. However, the resource-inefficient production of biomass often caused negative impacts on the environment, e.g. biodiversity losses, nitrate leaching, and erosion. The detrimental effects evolved mainly from annual crops. Therefore, the aim of modern bioenergy cropping systems is to combine yield stability and environmental benefits by the establishment of mixed-cropping systems. A particular emphasis is on perennial crops which are perceived as environmentally superior to annual crops. Agroforestry systems represent such mixed perennial cropping systems and consist of a mix of trees and arable crops or grassland within the same area of land. Agroforestry practices vary across the globe and alley cropping is a type of agroforestry system which is well adapted to the temperate zone, with a high degree of mechanization. Trees are planted in rows and crops are planted in the alleyways, which facilitates their management by machinery. This study was conducted to examine a young alley cropping system of willows and two grassland mixtures for bioenergy provision under temperate climate conditions. The first part of the thesis identified possible competition effects between willows and the two grassland mixtures. Since light seemed to be the factor most affecting the yield performance of the understory in temperate agroforestry systems, a biennial in situ artificial shade experiment was established over a separate clover-grass stand to quantify the effects of shade. Data to possible below- and aboveground interactions among willows and the two grassland mixtures and their effects on productivity, sward composition, and quality were monitored along a tree-grassland interface within the alleys. In the second part, productivity of the alley cropping system was examined on a triennial time frame and compared to separate grassland and willow stands as controls. Three different conversion technologies (combustion of hay, integrated generation of solid fuel and biogas from biomass, whole crop digestion) were applied to grassland biomass as feedstock and analyzed for its energetic potential. The energetic potential of willow wood chips was calculated by applying combustion as conversion technique. Net energy balances of separate grassland stands, agroforestry and pure willow stands evaluated their energy efficiency. Results of the biennial artificial shade experiment showed that severe shade (80 % light reduction) halved grassland productivity on average compared to a non-shaded control. White clover as heliophilous plant responded sensitively to limited radiation and its dry matter contribution in the sward decreased with increasing shade, whereas non-leguminous forbs (mainly segetal species) benefited. Changes in nutritive quality could not be confirmed by this experiment. Through the study on interactions within the alleys of the young agroforestry system it was possible to outline changes of incident light, soil temperature and sward composition of clover-grass along the tree-grassland interface. Nearly no effects of trees on precipitation, soil moisture and understory productivity occurred along the interface during the biennial experiment. Considering the results of the productivity and the net energy yield alley cropping system had lower than pure grassland stands, irrespective of the grassland seed mixture or fertilization, but was higher than that for pure willow stands. The comparison of three different energetic conversion techniques for the grassland biomass showed highest net energy yields for hay combustion, whereas the integrated generation of solid fuel and biogas from biomass (IFBB) and whole crop digestion performed similarly. However, due to the low fuel quality of hay, its direct combustion cannot be recommended as a viable conversion technique, whereas IFBB fuels were of a similar quality to wood chip from willow.