Caterpillar schlägt „dezentrale Stromerzeugung“ für garantierte Stromversorgung vor

Eingang zum Caterpillar Málaga Demonstrations- und Lernzentrum (Foto: Alle Fotos bereitgestellt von Caterpillar)

Als Caterpillar 1971 sein Málaga Demonstration and Learning Center (MDLC) in den Hügeln oberhalb der spanischen Costa del Sol eröffnete, gab es in der Nähe nichts anderes. Seitdem ist der Standort nach und nach von einer Reihe von Einkaufszentren und Industrieparks umgeben.

Das hat den globalen Maschinen- und Energiehersteller nicht davon abgehalten, den Standort zu erweitern. Im Jahr 2024 fanden auf dem 260 Hektar großen Gelände mehr als 330 Veranstaltungen statt, an denen rund 7.000 Besucher teilnahmen, darunter Cat-Mitarbeiter, Händler, Kunden und gelegentlich auch Journalisten.

Gerätevorführbereich im MDLC von Caterpillar

Neben den Besprechungsräumen stehen im MDLC jederzeit rund 60 Maschinen zur Verfügung. Außerdem gibt es einen Großraummotorraum und das SOS-Öllabor, in dem Öl-, Kühlmittel- und Kraftstoffanalysen mit einer Bearbeitungszeit von 24 Stunden durchgeführt werden.

Netzinstabilität

Der Geschäftsbereich Electric Power ist Teil der Caterpillar-Division Energie & Transport. Mit Produkten, die über Cat, FG Wilson und MWM vertrieben werden, bietet Electric Power Lösungen für eine Reihe von Branchen, darunter Bergbau und Bauwesen, Landwirtschaft, Gesundheitswesen und Rechenzentren. Darüber hinaus unterstützt Electric Power weltweit Katastrophenhilfe.

Rich Osborne, Vizepräsident und General Manager von Large Electric Power, beschrieb die Arbeit des Geschäftsbereichs Electric Power wie folgt: „Wir verkaufen Lösungen, nicht nur Generatoren.“

Allerdings haben sich diese Lösungen aufgrund der Entwicklung der Energielandschaft in den letzten Jahren erheblich verändert. Aufgrund unzureichender Investitionen in die nationalen Netze weltweit und der damit verbundenen Erweiterung weiterer Lastpunkte hat die allgemeine Instabilität der Netze zugenommen. Ein Beispiel hierfür ist der Stromausfall im April dieses Jahres auf der gesamten Iberischen Halbinsel, der Spanien und Portugal mehr als 24 Stunden lang ohne Strom ließ.

Berichten zufolge stammen rund 56 Prozent der in Spanien über das Stromnetz bereitgestellten Energie aus erneuerbaren Energien, die durch Wind- und Solaranlagen erzeugt werden. Das Land hat sich zum Ziel gesetzt, dass bis 2030 81 Prozent der gesamten gelieferten Elektrizität aus erneuerbaren Quellen stammen.

Doch während landesweit Wind- und Solarparks stark ausgebaut werden, hält der Ausbau der Speicherkapazitäten nicht Schritt. Ohne ausreichende Speicherkapazitäten zur Stabilisierung des Stromnetzes besteht weiterhin die Gefahr, dass die Nachfrage das Angebot übersteigt. Dies stellt ein anhaltendes Problem für Branchen dar, die auf eine konstante und zuverlässige Stromquelle angewiesen sind.

Neue Stromaggregate

Angesichts dieser Instabilität hat Caterpillar eine Möglichkeit erkannt, die Brian George, Vizepräsident für Engineering und Produktmanagement bei Large Electric Power, als „Unterstützungsmöglichkeit für das öffentliche Stromnetz“ bezeichnete. Im Wesentlichen läuft dies auf die Erzeugung von Strom im großen Maßstab hinaus, indem die Erzeugungsanlagen in unmittelbarer Nähe der Lastzentren platziert werden – auch als dezentrale Stromerzeugung bekannt.

Caterpillar ist gut aufgestellt, um dieses Modell zu unterstützen, denn das Unternehmen verfügt über ein „integriertes Angebot“, das vom Systemdesign bis hin zu Stromerzeugungs-, Speicher-, Steuerungs- und Schaltanlagenelementen reicht, um einzelne, mehrere und standortweite Mikronetze zu schaffen.

Im Mittelpunkt dieses Szenarios stehen die neuen Erdgas-/Biogasgeneratoren der G3500K-Serie in 50- und 60-Hz-Konfigurationen. Die für Anwendungen zwischen 1,5 und 2,5 eMW ausgelegten Generatoren erreichen 40 % schneller Volllast als ihre Vorgänger. Der Gasbrennstoff reduziert Emissionen und Kosten; Caterpillar schätzt, dass sich über einen Zeitraum von zehn Jahren Kraftstoffeinsparungen von 350.000 € erzielen lassen.

Cat G3520K 20-Zylinder-Erdgasgenerator

Die G3500K-Serie bietet gegenüber dem Vorgängermodell G3500H zahlreiche Verbesserungen. Der brandneue Motorblock trägt zu mehr Leistung und Wirtschaftlichkeit bei. Ein neuer Turbolader mit integriertem Wastegate optimiert den Innendruck, während ein neuer, größerer Ladeluftkühler die Motorlufttemperatur besser reguliert und so für höhere Effizienz und Leistung sorgt.

Dank eines verbesserten Abgasnachbehandlungssystems und der optionalen Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), die sonst verlorene Energie in Form von Wärme zurückgewinnt und wiederverwendet, kann das Stromaggregat die Leistung aus jedem Kubikmeter Kraftstoff maximieren. Laut Caterpillar erreicht das neue Modell einen elektrischen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 46,5 % (KWK-Modelle erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von 89,6 %).

„Bisher wurden viele Lösungen als Notstromversorgung für Rechenzentren eingesetzt“, sagte George. „Es kann jedoch mehrere Jahre dauern, bis ein neues Rechenzentrum an das Stromnetz angeschlossen ist. Deshalb suchen wir jetzt nach Lösungen, die eine Brücke zum Stromnetz bilden.“

Leistung mit Kontrolle

Dezentrale Stromerzeugung bedeutet im Wesentlichen die lokale Stromerzeugung für einen bestimmten lokalen Anwendungsbereich, sei es für Rechenzentren, Krankenhäuser oder andere kritische Infrastrukturen, aber auch für Baugewerbe, Bergbau oder Landwirtschaft. Der erzeugte Strom kann die Netzversorgung ersetzen, diese bei Bedarf unterstützen oder, wie erwähnt, als „Brücke“ fungieren, die Strom liefert, bis eine Netzanbindung hergestellt ist.

Darüber hinaus gibt es noch weitere Vorteile. Beispielsweise kann die dezentrale Stromerzeugung den Netzstrom ersetzen, wenn die Preise aufgrund hoher Nachfrage steigen (Spitzenlastkappung). Dies kann dazu beitragen, den Kundenpreis pro Kilowattstunde zu bestimmen, der üblicherweise auf Basis des Spitzenpreises berechnet wird. Die Vermeidung höherer Spitzen durch dezentrale Stromerzeugung vor Ort kann somit zu niedrigeren Stromrechnungen führen.

Während Generatoren üblicherweise zur Bereitstellung von Primär- oder Standby-Strom vorgesehen sind, kann die dezentrale Stromerzeugung beide Formen annehmen. Während ein Standby-Generator nur bei einem Notstromausfall, wie dem in Spanien und Portugal, online gehen und möglicherweise nur zu Validierungs-/Testzwecken gestartet werden würde, geht Caterpillar davon aus, dass ein dezentrales Netz wahrscheinlich irgendwo dazwischen liegen würde und möglicherweise 3.000 Start-/Stopp-Ereignisse pro Jahr und rund 1.000 Betriebsstunden erreichen würde.

Ein solches Netz benötigt natürlich ein fortschrittliches Steuerungssystem, um die Betriebszeit anhand der Stromaufnahme und verschiedener anderer Faktoren zu steuern. Zu diesem Zweck hat Cat kürzlich seine ECS-Steuerungsreihe vorgestellt, mit der die Stromerzeugung und -lieferung einer skalierbaren dezentralen Stromerzeugungsanlage analysiert und gesteuert werden kann.

Cat ECS 200

Die Serie beginnt mit dem ECS 100, einem Standby-System für kleinere Anlagen mit einem bis drei Generatoren. Für Kraft-Wärme-Kopplung, den Leistungsausgleich und die Netzangleichung gibt es den ECS 200, einen Einzelanlagenregler, der die Parallelschaltung von bis zu 32 Generatoren ermöglicht. Für komplexere Anwendungen, einschließlich der Leistungsschaltersteuerung, hat Cat den ECS 300 eingeführt. Für die vollständige Überwachung von Mikronetzen mit mehr als fünf Anlagen gibt es den ECS 400.

Vic Williams, kaufmännischer Leiter bei Caterpillar, erläuterte die Funktionsweise der Steuerungen und erläuterte, wie das System auf dem Testgelände von Caterpillar in Tucson, USA, modernisiert wurde, um Kraftstoffkosten und Emissionen zu senken. Mit zusätzlichen Photovoltaikmodulen und einem Energiespeichersystem, das von einem ECS 400 gesteuert wird, konnte der Kraftstoffverbrauch um 33 % gesenkt und die Wartungskosten um 25 % reduziert werden (Stand: 2023).

Wichtig ist, dass es nicht unbedingt notwendig ist, ein komplettes Caterpillar-System von Grund auf neu zu installieren. Nachrüstung und Modernisierung sind ein wichtiger Bestandteil der Kundenbeziehung. Williams erklärte auf die Frage nach der Abwärtskompatibilität mit vorhandener Hardware und Systemen: „Es wird geprüft, ob [Cat-Systeme] mit einem vorhandenen System eines anderen Unternehmens kompatibel sind.“

Energiespeicherung

Wie bereits erwähnt, hat Spanien es weitgehend versäumt, Investitionen in die Erzeugung erneuerbarer Energien mit entsprechenden Speicherkapazitäten zu decken. Obwohl dies wahrscheinlich nicht die Hauptursache für den regionalen Stromausfall im April war, könnte ein Mangel an Speicherkapazität dazu führen, dass die erforderliche Spannung im gesamten Netz nicht aufrechterhalten werden kann.

Cat Hybrid Power Solution für die Telekommunikationsinfrastruktur

Energiespeicherung ist für ein Mikronetz, wenn auch in deutlich kleinerem Maßstab, ebenso wichtig. Ein Batteriespeichersystem (BESS) kann verschiedene Zwecke erfüllen, darunter die Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen für den Bedarf oder die Versorgung des Mikronetzes bei Spitzenlast. Darüber hinaus können die Einheiten nahezu geräuschlos arbeiten und gleichzeitig batteriebetriebene Maschinen aufladen.

Cat bietet eine Reihe von BESS-Optionen an, von kompakten Modellen wie ETS (für Telekommunikationsanwendungen, einschließlich Mobilfunkmasten) und mobilen XES-Einheiten bis hin zu den mittelgroßen Modellen ECE (Energy Capacity Expansion) und ETS (Energy Time Shift) und den PGS (Power Grid Stabilization)-Containereinheiten.

Jedes dieser Systeme schützt vor einer Reihe potenzieller Stromprobleme wie Systemausfällen, Spannungseinbrüchen und -spitzen sowie Unter- und Überfrequenz. In einer Hybridkonfiguration mit einem oder mehreren Generatoren können die BESS-Einheiten den Kraftstoffverbrauch senken oder die erforderliche Reserveleistung bereitstellen, um die mit hohen elektrischen Lasten verbundenen vorübergehenden Spannungs- und Frequenzeinbrüche zu verringern. Dies trägt zu niedrigeren Stromrechnungen und Betriebskosten bei, ohne die Systemstabilität zu beeinträchtigen.

Diese BESS-Einheiten spielen eine wesentliche Rolle bei der Bereitstellung von Überbrückungslösungen, sei es für temporären Strombedarf oder als semipermanente Installation. Michele Trebbi, Ingenieur für elektrische Energiesysteme, erläuterte die BESS-Lösungen von Cat wie folgt: „Wir sehen das Netz nicht als Feind, sondern als Partner. Wir bieten Überbrückungslösungen an, damit das Netz weiterhin Strom an bestehende Kunden liefern kann.“

Kompaktes Energiespeichersystem Cat XES60

Die BESS-Einheiten, von denen mehrere miteinander verbunden werden können, um eine höhere Stromkapazität zu erreichen, bieten einen weiteren betrieblichen Vorteil. Gespeicherter Strom kann, wenn er nicht vom Mikronetz benötigt wird, zur Umwandlung von Biogas in Biomethan oder zur Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff genutzt werden. Diese Brennstoffe können dann im entsprechenden Generator verwendet werden, um die Gesamtemissionen weiter zu reduzieren. Um den CO2-Fußabdruck zu reduzieren, kann das neue Gasgeneratoraggregat der G3500K-Serie mit Biogas oder Erdgas mit bis zu 25 % Wasserstoffanteil betrieben werden.