Niemiecka kolej będzie zasilana energią słoneczną?
W ramach projektu PV4Rail naukowcy zbadali możliwość zasilania sieci trakcyjnej Deutsche Bahn energią z instalacji PV. I doszli do wniosku, że jest to świetna alternatywa dla konwencjonalnego zasilania.
Mimo że Deutsche Bahn – państwowy operator sieci kolejowej w Niemczech – dysponuje siecią trakcyjną o długości prawie 8 tys. km, do tej pory nie eksperymentował z przyłączaniem do niej instalacji PV. Swoje zapotrzebowanie na energię elektryczną pokrywał głównie z elektrowni konwencjonalnych i wodnych o łącznej mocy 2 GW. Teraz może się to zmienić.
W ramach projektu PV4Rail sfinansowanego przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Ochrony Klimatu Instytut Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (Fraunhofer ISE) zbadał możliwości bezpośredniego wprowadzenia energii z instalacji fotowoltaicznej do sieci trakcyjnej Deutsche Bahn. I doszedł do wniosku, że przy zastosowaniu odpowiednich falowników będzie to nie tylko możliwe, ale także ekonomicznie opłacalne.
Produkcja większa niż całkowite zapotrzebowanie
– Znaczna część zapotrzebowania energetycznego sieci trakcyjnej mogłaby być pokryta przez fotowoltaikę, ponieważ potencjał powierzchni PV wzdłuż linii kolejowych jest wielokrotnie większy niż ilość energii potrzebnej do zasilenia sieci trakcyjnej – wyjaśnił Andreas Hensel, kierownik projektu PV4Rail we Fraunhofer ISE.
Według badaczy nawet jeśliby uwzględnić tylko tereny położone w promieniu do 2 km od podstacji trakcyjnych, całkowita moc zlokalizowanych tam instalacji PV wyniosłaby około 37,6 GWp, co odpowiada potencjalnej rocznej produkcji energii na poziomie 32 920 GWh. To znacznie więcej niż zużywa rocznie Deutsche Bahn: w 2023 r. całkowite zapotrzebowanie na energię elektryczną niemieckiej sieci trakcyjnej wyniosło 7500 GWh.
Falowniki grid-forming zamiast grid-following
Największą barierą w wykorzystaniu fotowoltaiki do zasilania niemieckiej sieci trakcyjnej była do tej pory specyficzna częstotliwość tej sieci – 16,7 Hz. Wykluczało to zastosowanie w niej standardowych falowników pracujących na częstotliwości 50 Hz. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy z Instytutu Fraunhofera zlecili partnerowi projektu – firmie Vensys – opracowanie specjalnego falownika typu grid-forming mającego zdolność samodzielnego generowania napięcia i częstotliwości sieci. Urządzenie takie działa jak wirtualny generator: nie dość, że w przeciwieństwie do falowników nadążnych (grid-following) sam definiuje napięcie i częstotliwość sieci, uniezależniając ją od klasycznych generatorów synchronicznych (elektrowni), to jeszcze stabilizuje sieć, czyniąc ją mniej podatną na wahania poboru energii z instalacji PV.
Rozwiązanie zaproponowane przez Vensys składa się z dwóch symetrycznych modułów o mocy po 1 MW każdy. Jak podaje Fraunhofer ISE, szeroko zakrojone testy wykazały, że urządzenie osiąga sprawność rzędu 96,6% (z uwzględnieniem własnego zużycia m.in. na chłodzenie).
Co więcej, naukowcy opracowali wytyczne względem pracy falowników typu grid-forming w sieci trakcyjnej, stwarzając tym samym solidny fundament pod wdrożenie projektu w życie. Zarekomendowali w nich trzy sposoby przyłączania instalacji PV do sieci trakcyjnej:
- systemy do 5 MW mogą być podłączone bezpośrednio do sieci trakcyjnej,
- systemy od 5 do 12 MW należy przyłączać do podstacji szyną zbiorczą,
- systemy od 12 do 40 MW wymagają budowy dedykowanej podstacji z transformatorem i rozdzielnią.
Pomysł zyskuje na popularności
Obecnie idea zasilania sieci trakcyjnej energią pochodzącą z instalacji fotowoltaicznych zyskuje coraz szersze grono zwolenników w całej Europie. Wśród krajów, w których takie systemy już funkcjonują, wymienić można Wielką Brytanię i Austrię. W tej pierwszej warunki przyłączenia są jednak nieco inne, gdyż funkcjonująca tam sieć trakcyjna jest zasilana prądem stałym o napięciu 750 V. Pilotażowy projekt w Sussex zakładał więc połączenie sieci kolejowej z farmą PV o mocy 30 kWp przez falownik DC/DC. Inicjatywa zakończyła się sukcesem, co zachęciło Brytyjczyków do dalszego rozwoju tej koncepcji, tak aby w 2030 r. zasilać energią słoneczną 10% pociągów kursujących po Wyspach Brytyjskich.
Dobre rezultaty testów z wykorzystaniem fotowoltaiki osiągnięto także w Austrii, gdzie – podobnie jak w Niemczech – istniała konieczność połączenia instalacji PV z siecią o częstotliwości 16,7 Hz. Siecią taką dysponuje również Szwajcaria (specyfika krajów niemieckojęzycznych), gdzie z paneli PV zasila się już infrastrukturę kolejową, m.in. oświetlenie, sygnalizację i ogrzewanie zwrotnic. Istnieje także projekt bezpośredniego przyłączenia instalacji fotowoltaicznych do sieci trakcyjnej, ale – znów podobnie jak w Niemczech – znajduje się on na dosyć wczesnym etapie rozwoju.
Możliwość zasilania trakcji energią z PV testują także Francja, Hiszpania i Włochy (sieć o napięciu 25 kV i częstotliwości 50 Hz) oraz Holandia (1,5 kV DC). Stan zaawansowania poszczególnych projektów przedstawiamy w tabeli poniżej:
Agata Świderska
agata.swiderska@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy Gramwzielone.pl Sp. z o.o.
