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.

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.

Beitrag zur Analyse sicherer Kommunikationsprotokolle im industriellen Einsatz

Bei der Arbeit an sicherheitsgerichteten Kommunikationsprotokollen stellten sich immer wieder die Fragen nach der Eignung von einzelnen Mechanismen der Protokolle, um den Gefährdungen entsprechende Maßnahmen zur Beherrschung entgegenzusetzen. Dabei waren durchweg die Anforderungen der IEC 61508 mit dem Safety Integrity Level 3 zu erfüllen. Die IEC 61508-2 ist mit 5 Zeilen Umfang für die wesentlichen Anforderungen an die sicherheitsgerichtete Kommunikation sehr kurz gehalten und die IEC 61784-3 war zu Beginn der Arbeiten noch nicht veröffentlicht. Aber die IEC 61784-3 stellt auch heute nur einen unvollständigen Kriterienkatalog zusammen. Insbesondere die in IEC 61508-2 geforderte quantitative Analyse wird in der IEC 61784-3 nicht ausreichend thematisiert. In bisherigen sicherheitsgerichteten Protokollen und den relevanten Normen des Anwendungsbereichs fanden die Gefährdungspotentiale, wie Masquerading und Adressierung in offenen Übertragungssystemen, absichtliche Unterminierung der Sicherheitsmechanismen und fehlerhafte Konfiguration keine ausreichende Beachtung und die Gefährdungen durch absehbaren Missbrauch, absehbare Fehlbedienung und unberechtigter Zugriff auf sichere Kommunikationseinrichtungen wurde nur in Randgebieten diskutiert. Hier zeigt die vorliegende Arbeit die Bedeutung dieser für den Einsatz von sicherheitsgerichteten Kommunikationsprotokollen im industriellen Umfeld auf und folgert daraus die entsprechenden Maßnahmen, die in der Verantwortung des Anwenders liegen, bzw. zum Teil auch durch Protokollmechanismen beherrscht werden können. Die Arbeit stellt einen umfassenden Gefährdungskatalog auf und bewertet nach diesem Katalog die am weitest verbreiteten sicherheitsgerichteten Kommunikationsprotokolle nach einem einheitlichen Maßstab. Weiter zeigt die vorgelegte Arbeit, dass auch ein existierendes Zertifikat gemäß IEC 61508 SIL3 nicht in jedem Fall ausreichend ist, um die Eignung eines Protokolls für den Einsatz gemäß dem aktuellen Stand der Normen zu bestätigen. Hervor zu heben ist insbesondere die quantitative Bewertung jeder einzelnen Maßnahme der Protokolle. Bislang wurde diese nur für die Beherrschung von verfälschten Nachrichten durchgeführt. Die Arbeit führt diese quantitative Bewertung der eingesetzten Maßnahmen systematisch durch und zeigt dabei, dass diese Bewertung dringend erforderlich ist, da die betrachteten öffentlichen Protokolle nicht die für SIL3 notwendige Güte für alle ihre Maßnahmen aufweisen, bzw. aufwiesen. Einer der Schwerpunkte dieser Arbeit ist die Definition von Verarbeitungsmodellen für die Berechnung der maximalen Reaktionszeit und der Worst-Case Reaktionszeit. Dazu wurde ein Modell aus 5 Komponenten erstellt, dass geeignet ist, die Reaktionszeit über ein Kommunikationssystem für die im industriellen Umfeld gebräuchlichen Anwendungen zu untersuchen. Diese 5 Komponenten, das Eingangsmodul, die Sicherheitssteuerung, die Kommunikation zwischen beiden, sowie das Ausgangsmodul und die Kommunikation zwischen diesem und der Sicherheitssteuerung. Anhand dieses Modells wurde die maximale Reaktionszeit definiert. Dies ist die Zeit, die von der Änderung eines physikalischen Eingangssignals der Eingangskomponente, bis zur zugehörigen Reaktion des physikalischen Ausgangssignals der Ausgangskomponente, über die Sicherheitssteuerung hinweg, benötigt wird. Die maximale Reaktionszeit betrachtet dabei den Fall, dass im gesamten System aus diesen 5 Komponenten kein Fehler eine Wirkung entfaltet. Die Worst-Case Reaktionszeiten der Protokolle sind auf Grund der verschiedenen Konzepte sehr differenziert zu betrachten. Erschwerend kommt hier noch hinzu, dass die im konkreten System erreichte minimale Worst-Case Reaktionszeit stark von der Implementierung des jeweiligen Herstellers abhängt. Ebenso problematisch ist die unterschiedliche Modellbildung der jeweiligen Protokoll-Organisationen. Es werden Fehlerausschlüsse gemacht, wie die Annahme, dass nur ein Fehler auftritt und dieser Fehler sich nicht auf die Verbindung zwischen Eingangsmodul und Sicherheitssteuerung und auf die Verbindung zwischen Sicherheitssteuerung und Ausgangsmodul gleichzeitig auswirken kann. Da für den sicherheitsgerichteten Einsatz die maximale Reaktionszeit mit Fehlern die relevante Betrachtungseinheit darstellt, wurden anhand des Modells die Worst-Case 1 und 2 Reaktionszeiten definiert. Die erste definiert die Zeit die eine Reaktion maximal benötigt, wenn im Kommunikationssystem eine Fehlerwirkung vorliegt und bei der zweiten wird angenommen, dass mehrere der 5 Komponenten von Fehlerwirkungen betroffen sein können. Um einen vertieften Einblick in die Thematik zu erhalten, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein eigenes sicherheitsgerichtetes Kommunikationsprotokoll spezifiziert, entworfen und realisiert. Hierbei wurde besonderer Augenmerk auf die Wirksamkeit des Verfälschungsschutzes mittels CRCs für kurze Nachrichten gelegt und ebenso die Wirksamkeit gekoppelter CRCs betrachtet.