以氢气形式储存太阳能:用于植物的光伏系统

光伏太阳能可以有效地在工厂中使用，通过将所利用的能量转化为氢，进行长期、季节性的储存，而不是由电池提供的日常储存。可编程逻辑控制器(PLC)监控电力存储系统中使用的电解槽和燃料电池中的化学过程。

一种刻板印象是，来自德国遥远北部的人生活节奏更悠闲。Mossau Energy是一家光伏系统专家，总部位于东弗里斯兰的奥里奇市。“我们一直都是先驱者，”德国外交部长赫尔穆特·简·恩(Helmut Janßen)说。该公司只有19名员工，但他们享受着内部研发部门的奢侈。这导致了他们系统的巨大进步。“我们已经开发出了第一个可以长期储存可再生能源的市场系统，”负责该系统开发的Janßen宣称。系统的内部控制由输入/输出(I/O)控制器指导。

冬季使用太阳能

也许是因为东弗里斯兰人喜欢一览无垠的景色。在一个堤坝是唯一阻挡海景的地方，新能源技术的想法找到了特别肥沃的土壤。

公司创始人格尔·纳特·莫索(g nter Mossau)在上世纪90年代中期将光伏技术引入东弗里西亚。根据Janßen的说法，当时人们对这个概念嗤之以鼻。毕竟，北方通常并不以阳光充足而闻名;风能是更明显的选择。然而，风对光伏系统也很重要，因为越好的风能够冷却对温度敏感的集热器，发电量就越高。

“你从很远的地方就能认出摩索的屋顶，”Janßen证实道。当其他光伏公司利用屋顶上的每一平方厘米来安装集热器时，摩索的安装人员总是在各个模块之间留出空隙。这使得东弗里斯兰风在阵列之间和周围通过，在此过程中冷却它们。“摩索屋顶”的太阳能发电量比同类装置高出10%左右。

然而，效率的提高却随着日落而消失，这让注重细节的尼特·摩索继续感到烦恼。储存他所能生产的太阳能的技术是不够的。在高峰时期，位于德国的光伏阵列和风力发电场产生的能量超过了可消耗的能量。然而，用于储存如此大量电力的储存设施基本不存在，这意味着一旦太阳落山，风力减弱，传统发电厂就必须接管。在通往清洁和不依赖化石燃料的可再生能源的道路上，太阳能和风能等不稳定能源的电力储存仍然是一个核心问题。

“我们的想法是为房主和小企业解决存储问题，”Janßen解释说。“我们的系统应该在夏天不需要的时候储存光伏系统产生的电力，以便在冬天黑暗的日子里使用。”

把水分解成氧和氢

为了实现这一目标，摩索能源公司设计的系统依赖于电解，这种方法非常适合长时间储存风能和太阳能产生的大量电力。在这个过程中，电被用来把水分解成它的组成部分，氧和氢。氧气被释放到环境中，而氢气被储存在储罐中。专家称之为“电力到天然气”。在冬季，使用燃料电池进行电解;氢和氧被反馈到一起并发生反应。这就产生了电，副产品是水。

电解槽和燃料电池并不是什么新鲜事物。然而，将它们结合成一种可销售的产品，使可再生能源全年可用是新颖的。该公司花了三年时间才在2013年完成原型机。Mossau Energy因其系统迅速获得了联邦经济和劳动部颁发的“工业和贸易杰出创新联邦奖”。一年后，他们将原型机发展成一个紧凑的、可投放市场的系统。

从外面很难想象，这个大约一个普通成年男性大小的蓝色控制柜，里面装着这个创新的小型储能电站。Janßen说:“该系统根据不同的优先级存储太阳能。”初步满足了当前的消费需求。如果产生的能量大于消耗的能量，那么系统就会填充基于锂离子电池的短期缓冲。这些已经足够度过一到两天没有太阳的日子了。一旦电池充满电，系统就会将多余的能量转化为氢气。通过在夏季阳光充足的月份储存这些氢，它可以供燃料电池稍后使用。这使得系统所有者可以为寒冷的冬天“储存”足够的绿色能源，就像仓鼠储存食物一样。

来自明登的大脑

系统的功能原理听起来简单，但实际上是一个非常复杂的过程。在每一个时间点，系统必须知道有多少太阳能正在产生，有多少能量被直接消耗或供应给国家电网，电池的充电状态，以及氢气罐的填充水平。此外，必须对电解槽和燃料电池中的化学过程进行持续监测。

该系统的中央控制单元是带有附加I/O模块的PLC，用于记录数据和控制电流。此外，所有数据都存储在PLC的存储卡上。燃料电池可以通过控制器局域网(can)连接到系统的主控制器。所有对系统监控重要的数据都使用CAN交换，包括燃料电池数据、输出电流、电压、温度、工作时间和输入电网的能量。

根据系统程序员Christian Wilken的说法，尽管燃料电池不需要被控制，但通过CAN实现双向通信是非常有利的。由于CAN可用于读取和写入数据，因此也可以为燃料电池指定一些值以及读取它产生的数据。例如，这些可以是性能目标或当前限制。Wilken解释说:“由于燃料电池运行的过程已经相当复杂，CAN总线提供了一个标准化的外部接口是件好事。”“这为可视化数据提供了许多机会，并在参数发展不正常的情况下在正确的时间做出反应。”此外，CAN接口提供了集成额外电池存储的可能性，包括电池管理系统。已规划外部通信。

控制柜的门上装有触摸屏，可以调用当前系统信息。威尔肯说:“建立整个系统花了大约六个月的时间。虽然Wilken从未在IEC 61131-3编程环境中使用PLC，但两天的介绍足以让他设置系统。PLC和I/O供应商回答了问题。

首批实现的参考项目

一个系统可以覆盖2.5万千瓦到5万千瓦小时的年用电量。对于更高的用户，系统可以被复制。摩索能源公司在相当长的一段时间里一直在用这套系统来满足自己的需求。另一个装置位于Klar Folien，总部位于韦斯特瓦尔德的Dernbach，这是莱茵兰-普法尔茨的一个村庄。目前计划在全球推广该系统。

“小公司可以将他们的碳足迹减少到零，完全脱离通过电网供应的化石燃料，解决形象问题，或者在他们的实践中提供可持续性的证据，”Janßen说。来自东弗里西亚的想法使之成为可能。

- Heiko Tautor, Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG;由CAN在自动化(CiA)中贡献和翻译。CiA是CFE Media的内容合作伙伴。编辑:Joy Chang, CFE Media数字项目经理，jchang@cfemedia.com．

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