Integrierte Wind-Solar-Hybridkraftlösung für abgelegene Inseln

Zusammenfassung

Dieser Vorschlag präsentiert eine innovative integrierte Energielösung, die Windkraft, Photovoltaik, Pumpspeicherkraftwerke und Meerwasserentsalzungs-Technologien tiefgreifend miteinander verbindet. Ziel ist es, die zentralen Herausforderungen, denen entlegene Inseln gegenüberstehen, systematisch anzugehen, einschließlich schwieriger Netzzugänge, hoher Kosten für Dieselgeneratoren, Grenzen der herkömmlichen Batteriespeicher und Knappheit an Süßwasserressourcen. Die Lösung erreicht Synergien und Selbstversorgung in "Stromversorgung - Energiespeicherung - Wasserversorgung", bietet einen zuverlässigen, wirtschaftlichen und grünen technologischen Weg für die nachhaltige Entwicklung von Inseln.

I. Technisches Feld und Hintergrundherausforderungen

1. Technisches Feld

Diese Lösung ist eine interdisziplinäre, umfassende Technologie, die hauptsächlich umfasst:

• Erneuerbare Energieerzeugung: Windkraft und Solarphotovoltaik.
• Großmaßstäbliche physische Energiespeicherung: Pumpspeichertechnologie.
• Komplette Nutzung von Wasserressourcen: Umkehrosmose-Meerwasserentsalzungstechnologie.
• Effiziente intelligente Steuerung: Mehrenergie-Kooperationssteuerung und Energiemanagement.
1. Hintergrundherausforderungen
• Energieversorgungsproblematik: Entfernte Inseln sind weit von den Festnetzen entfernt und verlassen sich in der Regel auf teure Dieselmotoren. Aufgrund von internationalen Ölpreisschwankungen und Schwierigkeiten bei der Kraftstofftransportierung führt dies zu hohen Strompreisen und unzuverlässiger Versorgung, was die lokale Wirtschaftsentwicklung und die Lebensqualität der Einwohner stark einschränkt.
• Grenzen herkömmlicher Speicher: Konventionelle Wind-Solar-Komplementarsysteme verlassen sich ausschließlich auf Batteriespeicher, die vier Hauptengpässe aufweisen: kurze Lebensdauer (was häufige Ersetzung erfordert), hohe Kosten, potenzielle Umweltverschmutzungsrisiken und begrenzte Speicherkapazität. Diese Grenzen erschweren es, die großflächigen, langfristigen stabilen Energiebedarfe der Inseln zu unterstützen.
• Ressourcenbedarfskonflikte: Inseln leiden unter knappen Süßwasserressourcen. Die tägliche Wasserversorgung beruht auf externem Transport oder kleinen, energieintensiven Entsalzungsanlagen, beides extrem kostspielig. Bestehende Stromerzeugungssysteme und Süßwasserproduktionsanlagen arbeiten isoliert, ohne eine synergistische Nutzung von Energie und Ressourcen zu erreichen.

II. Kerntechnische Lösung und Systemzusammensetzung

Das System besteht aus drei kernmodulen, die durch einen intelligenten Controller organisch koordiniert werden.

III. Systembetriebsprinzipien (Drei Kernprozesse)

1. Intelligente Stromverteilung und Steuerlogik (Controller-gesteuert)

Der Kern des Systems ist der intelligente Controller, der ständig "gesamte Wind-Solar-Stromerzeugung" mit "gesamt Lastbedarf (Verbrauch der Bewohner + Verbrauch der Entsalzungsanlage)" vergleicht:

• Szenario 1: Erzeugung ≥ Lastbedarf
• Vorrang wird der Aufladung der Batterien mit geringer Kapazität gegeben, um ihren Ladestand wiederherzustellen.
• Sobald die Batterien voll sind, wird die Pumpspeicheranlage automatisch im Pumpmodus aktiviert, um Überschussstrom in Potenzialenergie umzuwandeln.
• Wenn noch überschüssiger Strom vorhanden ist, wird die Meerwasserentsalzungsanlage vorgezogen, um mit voller Kapazität zu arbeiten und Strom in wertvolle Süßwasserressourcen umzuwandeln.
• Szenario 2: Erzeugung < Lastbedarf
• Die Pumpspeicheranlage wird automatisch im Turbinenmodus aktiviert, um Wasserkraft zu erzeugen.
• Gleichzeitig entladen die Batterien, um momentane Spitzenlasten abzudecken, zusammenarbeitend, um den Erzeugungsmangel auszugleichen und die kontinuierliche Stromversorgung sicherzustellen.
1. Betriebsablauf der Pumpspeicherkraftwerke
• Energiespeicherungsphase (Niedrige Last / Hohe erneuerbare Erzeugung): Nutzt kostengünstige oder kostenfreie überschüssige Wind-/Solarstrom, um Meerwasser vom unteren Stausee (z.B. Meeresspiegel) in den erhöhten oberen Stausee zu pumpen. Dies ermöglicht großflächige, langfristige, verlustfreie Energiespeicherung.
• Energiefreisetzung Phase (Spitzenlast / Kein Wind oder Sonne): Nutzt den Höhenunterschied, um Wasser freizusetzen, das abwärts fließt, die umkehrbare Pumpenturbine dreht und Strom erzeugt. Dieser Prozess startet schnell und reagiert rasch, glättet effektiv die Zufälligkeit und Unregelmäßigkeit der erneuerbaren Stromerzeugung.
2. Synergistischer Prozess der Meerwasserentsalzung

Meerwasser wird eingesaugt und nacheinander durch ein Multimediensieb (große Partikel entfernen) und einen Kartuschenfilter (Feinfiltration) geleitet. Es wird dann durch die Hochdruckpumpe verdichtet und an die Umkehrosmosemembranmodule zum Erzeugen von Süßwasser weitergeleitet, das in den Produktwassertank gespeichert wird. Dieser gesamte Prozess wird durch das Systemelektrizität angetrieben. Als unterbrechbare, einstellbare, hochwertige Last realisiert es perfekt das Synergiekonzept "Wasser mit Strom produzieren, Wassergewinnung für implizite Speicherung nutzen".

IV. Vorteile der Lösung

• Maximierte Ressourcennutzung: Nutzt die reichhaltigen Wind- und Sonnenressourcen der Insel vollständig aus, ersetzt oder reduziert den Import von Diesel vollständig oder erheblich, senkt die Energiekosten am Ursprung und erreicht Energieautarkie.
• Revolutionäre Optimierung der Speicherlösung: Das hybride Speichermodell, "Pumpspeicher als Hauptkomponente + Batterien mit geringer Kapazität als Hilfsmittel", überwindet grundlegend die vier Hauptnachteile traditioneller Batterien. Es bietet absolute Vorteile: riesige Speicherkapazität, lange Lebensdauer (Jahrzehnte), Umweltfreundlichkeit und niedrige Gesamtkosten.
• Signifikant verbesserte Systemstabilität und Zuverlässigkeit der Stromversorgung: Pumpspeicher können schnell auf Laständerungen reagieren, bieten starke Spitzenabschneidung und Frequenzregelungsfähigkeiten. Zusammen mit Batterien, die momentane Schwankungen abfangen, gewährleistet es eine Netzstabilität und -qualität, die mit traditionellen Netzen vergleichbar ist.
• Synergistische Erfüllung mehrerer Bedürfnisse, mehrere Probleme mit einem Stein lösen: Integriert innovativ die Meerwasserentsalzung als Systemlast, löst gleichzeitig die beiden entscheidenden Überlebens- und Entwicklungsprobleme "Mangel an Strom" und "Mangel an Wasser" auf Inseln. Es erreicht eine hohe Integration in "Stromerzeugung - Energiespeicherung - Süßwasserproduktion" und erzielt erhebliche umfassende Vorteile.
• Auffällige Umwelt- und grüne, kohlenstoffarme Vorteile: Der gesamte Prozess basiert auf erneuerbarer Energie, führt zu null Kohlenstoffemissionen. Es reduziert drastisch den Einsatz und die Verschmutzung durch Bleiakkus. Es bietet eine nachhaltige grüne Entwicklungsrichtung für Inselflächen, bietet erhebliche ökologische Vorteile.