In vielen Regionen, in denen Gießereien betrieben werden – Subsahara-Afrika, Südasien und Teile des Nahen Ostens – ist das Stromnetz entweder nicht verfügbar oder unzuverlässig. Eine an ein schwaches Netz angeschlossene Gießerei kann Spannungseinbrüche, Frequenzschwankungen und ungeplante Stromausfälle erleiden, die das Induktionsschmelzen ohne Notstromversorgung unmöglich machen. Dieselgeneratoren waren bisher die gängige Lösung, doch Dieselkraftstoff kostet 0,25 bis 0,50 US-Dollar pro kWh, wenn man Kraftstoff, Wartung und die Abschreibung des Generators berücksichtigt – was die Schmelzkosten unerschwinglich macht.
MONTE INTELLIGENCE entwickelt Solar-Diesel-Hybrid-Stromversorgungssysteme für Induktionsschmelzanlagen. Das Konzept ist einfach: Solare Photovoltaik-Anlagen decken tagsüber den Grundbedarf an Strom, während Dieselgeneratoren bei Bewölkung und im Nachtbetrieb als Notstromversorgung dienen. Das System reduziert den Dieselverbrauch um 40–60 % – genug, um die Investition in die Solaranlage bei üblichen Dieselpreisen innerhalb von 3–5 Jahren zu amortisieren.
Die Systemarchitektur besteht aus fünf Hauptkomponenten. Erstens die Photovoltaikanlage – boden- oder dachmontierte Module, deren Größe den angestrebten Anteil des täglichen Energieverbrauchs des Ofens deckt. Bei einem 1-MW-Induktionsofen, der 8 Stunden pro Tag in Betrieb ist, beträgt der tägliche Energieverbrauch etwa 8 MWh (bei einem Verbrauch von 1000 kWh/Tonne für das Eisenschmelzen und der Verarbeitung von 8 Tonnen pro Tag bzw. alternativ bei reduzierter Leistung für kleinere Schmelzmengen). Eine Photovoltaikanlage, die 50 % dieser Energie liefert, muss 4 MWh pro Tag erzeugen.
Die Berechnung der PV-Anlagengröße hängt von den Sonneneinstrahlungsbedingungen am Standort ab. An einem Standort mit 5 Sonnenstunden pro Tag (typisch für viele tropische und subtropische Regionen) erzeugt eine 1-MW-PV-Anlage (DC) etwa 5 MWh pro Tag. Dabei sind Systemverluste von 15–20 % durch Wechselrichterwirkungsgrad, Verkabelung, Verschmutzung und Temperaturreduzierung zu berücksichtigen. Die Anlage benötigt etwa 1,2–1,5 Hektar Land pro MW, bzw. 0,6–0,8 Hektar bei Montage auf dem Gießereidach.
Zweitens dient das Batteriespeichersystem (BESS) als Puffer zwischen der variablen PV-Leistung und der Last des Induktionsofens. Induktionsschmelzen ist eine leistungsstarke, variable Last – der Ofen kann während des Schmelzens 1 MW und während der Haltephase 100–200 kW aufnehmen. Die Batterie muss die Differenz zwischen PV-Erzeugung und Ofenlast sekundengenau ausgleichen oder aufnehmen und dabei die vom Wechselrichter benötigte Stabilität der Gleichstromzwischenkreisspannung gewährleisten. Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) sind aufgrund ihrer langen Lebensdauer (4000–6000 Zyklen bei 80 % Entladetiefe), ihrer guten Sicherheitseigenschaften und ihrer sinkenden Kosten (derzeit ca. 80–120 US-Dollar pro kWh auf Packebene im Jahr 2026) die bevorzugte Technologie.
Die Batteriekapazität ist auf die längste zu erwartende Phase geringer Solarstromerzeugung während einer Schmelzschicht ausgelegt – typischerweise 2–4 Stunden Volllastbetrieb für ein auf hohe Zuverlässigkeit ausgelegtes System. Für den 1-MW-Ofen ermöglicht eine 4-MWh-Batterie 4 Stunden Volllastbetrieb ohne Solarstromeinspeisung. Dies deckt die meisten Bewölkungsereignisse ab und erlaubt dem Bediener, einen laufenden Schmelzvorgang abzuschließen, anstatt ihn abzubrechen. Die Batterie kann geladen werden, wenn die PV-Leistung den Bedarf des Ofens übersteigt oder nachts vom Dieselgenerator, falls für den nächsten Tag Bewölkung erwartet wird.
Drittens der Hybrid-Wechselrichter – die Leistungselektronik, die den Gleichstrom aus der PV-Anlage und der Batterie in Wechselstrom für den Ofen umwandelt. Dies ist kein Standard-Solarwechselrichter; er muss die Lastcharakteristik des Induktionsofens berücksichtigen, die einen niedrigen Leistungsfaktor (0,15–0,25 für die Induktionsspule allein, korrigiert auf über 0,95 durch die Ofenkondensatoren) und einen hohen Oberwellengehalt des Mittelfrequenznetzes umfasst. Der Wechselrichter muss auf den kVA-Bedarf und nicht nur auf die kW-Leistung ausgelegt sein und über eine Oberwellenfilterung verfügen, um zu verhindern, dass die Ofenoberwellen in das PV-System zurückfließen und Wechselrichterausfälle verursachen.
Viertens: Der Dieselgenerator ist so dimensioniert, dass er die volle Heizleistung des Heizkessels bereitstellt, wenn weder Solaranlage noch Batterie den Bedarf decken können, typischerweise bei längeren Bewölkungsperioden oder im Nachtbetrieb. Die Generatorleistung sollte etwa das 1,2- bis 1,5-Fache der Nennleistung des Heizkessels betragen, um den Anlaufstrom und den Leistungsfaktor zu berücksichtigen. Für einen 1-MW-Heizkessel ist ein 1,5-MVA-Generator üblich. Der Generator läuft nur bei Bedarf – die Hybridsteuerung startet und stoppt ihn automatisch basierend auf dem Ladezustand der Batterie und der prognostizierten PV-Leistung.
Fünftens das hybride Energiemanagementsystem (EMS) – die Steuerung, die sekundengenau entscheidet, wie die Leistung zwischen Photovoltaikanlage, Batterie, Generator und Heizung verteilt wird. Die EMS-Logik umfasst Folgendes: Übersteigt die PV-Leistung den Bedarf der Heizung, wird die Batterie geladen; übersteigt der Heizbedarf die PV-Leistung, wird die Batterie entladen; sinkt der Ladezustand der Batterie unter 20 %, wird der Generator gestartet; sagt die Wettervorhersage anhaltende Bewölkung voraus, wird der Generator früher gestartet, um die Batteriekapazität zu schonen; ist Netzstrom verfügbar (bei netzgekoppelten Systemen), wird dieser als Ergänzung genutzt.
Die Wirtschaftlichkeitsanalyse für ein Solar-Diesel-Hybridsystem ist einfach: Man vergleicht die Stromgestehungskosten (LCOE) des Solarstroms (einschließlich der Kosten für den Batteriewechsel alle 8–10 Jahre) mit den Grenzkosten der Dieselstromerzeugung. Die Stromgestehungskosten (LCOE) eines Solarhybridsystems, inklusive Batteriewechsel alle 8–10 Jahre, liegen bei etwa 0,06–0,10 US-Dollar pro kWh. Die Kosten der Dieselstromerzeugung betragen 0,25–0,50 US-Dollar pro kWh. Die Einsparungen pro Solar-kWh liegen somit bei 0,15–0,44 US-Dollar. Bei einem System, das jährlich 1500 MWh Solarstrom erzeugt, belaufen sich die jährlichen Einsparungen auf 225.000–660.000 US-Dollar. Damit amortisiert sich eine Systeminvestition von 1,5 Millionen US-Dollar innerhalb von 2,3–6,7 Jahren.
MONTE INTELLIGENCE bietet die Entwicklung von Solar-Diesel-Hybridsystemen für Induktionsschmelzanwendungen an, einschließlich der Bewertung der Solarressourcen, der Systemdimensionierung und der Integration in unsere Induktionsofen-Pakete.
Für eine Machbarkeitsstudie zu einer Solar-Diesel-Hybridanlage für Ihre Gießerei wenden Sie sich bitte an helenxu@cnlymonte.com.
