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Bei dem Stülpmembranspeicher handelt es sich um einen Speicher, der Energie sowohl in Form von Wärme als auch potenzieller Energie speichert. Das Grundprinzip ist ein mit Wasser gefüllter Zylinder, in dem sich ein Bodenmasse-Kolben nach oben und unten bewegen kann.
Bei Stromüberschuss im Netz wird der Kolben mithilfe einer Pumpe vom Wasser angehoben. Besteht ein Stromdefizit im Netz, kann der Kolben abgesenkt werden, das herausströmende Wasser wird durch eine Turbine mit Generator geleitet. Mit dem vorhandenen Wasser lässt sich ebenso Wärme speichern. Dazu wird Wasser außerhalb des Speichers erwärmt und in den Speicher gespeist, gleichzeitig wird kaltes Wasser der selben Menge entnommen. Bei Wärmebedarf kann nun das warme Wasser entzogen werden. Die Erwärmung des Wassers erfolgt regenerativ über Solarkollektoren, deren Auswahl und benötigte Anzahl in dieser Arbeit erörtert wird. Zudem benötigt der Speicher eine Dämmung, um Wärmeverluste zu verringern. Dies wird ebenso in der vorliegenden Arbeit behandelt. Beide Bereiche werden hinsichtlich ihrer Kosten betrachtet.
In Zeiten der Klimakrise ist die Umstellung auf regenerative sowie erneuerbare Energieformen unausweichlich. Dabei stellen bereits jetzt Energieanlagen wie Windkrafträder oder Photovoltaikanlagen eine gute Alternative zu konventionellen Anlagen dar. So stehen der Wind und die Sonnenstrahlung kostenlos zur Verfügung und deren Gebrauch weist kaum Nachteile für die Umwelt auf. Dennoch haben beide Ressourcen ein großes Manko auf: deren Verfügbarkeit. Während Kohle und Öl zu jeder Tages- und Nachtzeit bedarfsorientiert verbrannt werden kann, besteht keinerlei Möglichkeit, die Sonne auch in der Nacht zum Strahlen „zu bewegen“. Dagegen scheint die Sonne am Tage oft so zuverlässig, dass daraus mehr Energie in elektrischen Strom umgewandelt werden kann, als eigentlich benötigt wird. Ähnliches gilt für den Wind, der zu jeder Tages- und Nachtzeit wehen kann. Doch auch der Wind richtet sich dabei nicht nach dem Energiebedarf der Bevölkerung. Um überschüssige Energien dennoch speichern und bei Bedarf schnell und unkompliziert abrufen zu können, existieren viele Arten von Energiespeichern. So gibt es neben elektrischen Speichern (z.B. Lithium-Ionen-Akkus) und chemischen Speichern (z.B. Wasserstoffspeicher) auch mechanische Speicher (z.B. Pumpspeicher). Eine Art der mechanischen Energiespeicherung stellt der Stülpmembranspeicher dar.
Potential- und Speicheranalyse im Bereich regenerative Energien in Oberfranken (Abschlussbericht)
(2020)
Im Folgenden werden die Fragestellungen aufgeführt, welche sich aus dem Ablauf ergeben und welche im Laufe des Projekts geklärt werden sollen:
1) Wie viel Strom wird heute im Untersuchungsgebiet verbraucht (Zuhilfenahme der Bachelorarbeit von Fr. Katharina Will)?
2) Wie viele Windkraft-, Wasserkraft-, Bio-/ Klärgas-, Photovoltaik- und Speicheranlagen bestehen bereits heute und wie viel Strom wird dadurch erzeugt und speichertechnisch umgesetzt?
3) Welche Jahre von 1980 bis 2019 sind die wettertechnisch ungünstigsten für die Nutzung von Windkraft und Photovoltaik?
4) Wie viel Strom muss noch zusätzlich aus Sonnen- und Windkraft erzeugt werden, um den gegenwärtigen Strombedarf aus reinen regenerativen Quellen zu decken? Wie kann diese regenerative Energieversorgung, unter Berücksichtigung der geringsten Stromgestehungskosten und der wettertechnisch ungünstigsten Zeiträume, zu den bereits bestehenden Energiespeichern ausgelegt werden?
5) Wie ist der aktuelle Stand der Technik bzgl. Photovoltaik und wie hoch sind die Kosten für solche Anlagen?
Dieses Projekt befasst sich mit der Stromversorgung aus ausschließlich regenerativen Energiequellen sowie der Wärmeversorgung kombiniert mit den geeigneten Speicheranlagen. Ziel des Projekts ist es, Nürnberg allein durch die regenerativen Energien zu versorgen. Im Rahmen des Projekts werden verschiedene Themen, wie Windanalyse, E-Mobilität, Solarthermie und Speichertechnologien betrachtet. Dabei werden Messwerte ausgewertet und interpretiert.
In diesem Einzelprojekt soll die optimale Verteilung der einzelnen Energiequellen gefunden werden, die nötig ist um Nürnberg zu 100% regenerativ und autark versorgen zu können. Das Ziel dabei ist, am Ende sagen zu können, zu wie vielen Teilen der Strombedarf der Stadt aus Windenergie, Solarenergie und anderen Quellen, wie Wasserkraft, Biomasse und Geothermie, gedeckt werden soll.
Es werden Daten der NASA, aus der MERRA-2 Datenbank, der N-Ergie und der Main-Donau-Netzgesellschaft aus dem Jahr 2016 analysiert, um eine mögliche Systemkombination zu berechnen.
Dabei werden die folgenden Forschungsfragen untersucht:
• Welche Kriterien kennzeichnen einen „optimalen Mix“ aus verschiedenen Arten von regenerativen Energiequellen?
Zur Beantwortung dieser Frage werden quantifizierbare oder eine Reihe quantifizierbarer Merkmale festgelegt, die es rechtfertigen, einen Umwandlungsmix aus unterschiedlichen Arten von regenerativen Energien, als optimal zu bezeichnen.
• Welchen Anteil am regenerativen Umwandlungsvermögen in Bezug auf den Verbrauch sollten
- Wind
- Sonne
- Die anderen regenerativen Energiearten
einnehmen, wenn das Optimierungskriterium erreicht ist?
Untersuchung des Potentials einer Power-to-Gas Anlage als m Rahmen des Energietechnikprojekts der Fakultät Maschinenbau der Technischen Hoch-schule Nürnberg wird das Ziel einer Senkung des CO2-Ausstoßes bis 2030 um 40% in der euro-päischen Metropolregion Nürnberg (EMN) untersucht. Ziel dieser Projektarbeit ist es, das Po-tential zu erforschen, regenerative Energieüberschüsse mithilfe einer Power-to-Gas-Anlage (PtG) in Methan umzuwandeln, um durch Rückverstromung Energiedefizite zu decken. Hierbei werden ausschließlich Energiebilanzen ausgewertet, welche sich durch den Einsatz der rege-nerativen Energiequellen Solar- und Windenergie ergeben. Besonders wird in dieser Arbeit auf die Rückverstromung durch Gas und Dampf-Kraftwerke (GuD) in der EMN unter energie-technischen Aspekten eingegangen. Des Weiteren sollen Möglichkeiten der Nutzung von Ab-wärme, die beim Methanisierungsprozess entsteht, aufgezeigt und unter energietechnischen Gesichtspunkten analysiert werden. Um diese Ziele zu erreichen, wird zu Beginn der Arbeit eine Analyse der Wetterdaten für ein schlechtes Wetterjahr durchgeführt. Unter der Voraus-setzung, dass nur der Energiemix aus Solar- und Windenergie betrachtet wird, können aus jenen Wetterdaten und der Versorgungsleistung der EMN die saisonalen Energieüberschüsse und -defizite abgeleitet werden. Mit den erhaltenen Energieüberschüssen kann eine Vorher-sage über die Menge des mittels PtG-Verfahren produzierten Methans getroffen werden. Die Energiedefizite dienen als Basis der zu erbringenden Leistung der Rückverstromung mittels GuD-Kraftwerk und lassen in Verbindung mit der erforderlichen Menge an Methan eine Aus-sage zu, ob eine PtG-Anlage eine sinnvolle Lösung zur Energiespeicherung für die EMN ist oder nicht. Mit der ermittelten Menge an Methan mithilfe des Energieüberschusses kann auch eine Aussage über das Potential der gewonnenen Abwärme während des Methanisierungsprozes-ses getroffen werden und welchen Nutzen diese im Sinne der KWK (Kraft-Wärme-Kopplung) der EMN bringt.
Im Rahmen des Seminars Energietechnik des sechsten Semesters Maschinenbau an der Technischen Hochschule Nürnberg werden verschiedene Themen zur 100 prozentigen regenerativen Selbstversorgung der Europäischen Metropolregion Nürnberg bis zum Jahr 2050 behandelt. Diese Arbeit befasst sich mit dem Zwischenziel 2030, die Region zu 60 Prozent aus erneuerbaren Energien zu versorgen. Die Klimadatenbank MERRA-2 der NASA wird hier herangezogen, um eine Aussage über das Jahr mit den schlechtesten Wind- und Sonnenbedingungen seit Beginn der Aufzeichnung treffen zu können. Die Auswertung dieser Daten zeigt, dass im Jahr 2014 die schlechtesten Bedingungen für eine regenerative Versorgung herrschten. Anhand der Windgeschwindigkeiten und Sonneneinstrahlungen des Jahres 2014 stellt sich ein Mix der regenerativen Energieträger zusammen, welcher den schlechtesten Wetterbedingungen der letzten 38 Jahre standhält und trotz starker Wetterschwankungen die 60 prozentige Versorgungssicherheit gewährleistet. Die Zusammenstellung der erneuerbaren Energien in Bezug auf den Stromverbrauch besteht hierbei aus knapp 33 Prozent Windenergie, 14 Prozent Sonnenenergie und 13 Prozent aus Biomasse- und Wasserkraftenergie. Die verbleibenden 40 Prozent des Strombedarfs müssen mit konventionellen Kraftwerken eingespeist werden. Da die regenerativen Energieträger aufgrund der Wetterbedingungen oftmals nicht ihre kompletten Leistungen abrufen können, ist es wichtig zu wissen, welche maximale Leistung eingebracht werden muss, um die Defizite zu kompensieren. Mit den Daten des Stromverbrauchs 2017 und der Einspeiseleistung der erneuerbaren Energieträger, welche mit den Wetterdaten von 2014 errechnet werden, ergibt sich eine zu kompensierende Energiemenge von 10,54 TWh über das komplette Jahr hinweg. In der längsten Defizitperiode von über 404 Stunden müssen die konventionellen Anlagen eine Leistung von 2,1 GW abrufen können, um eine zuverlässige Stromversorgung der EMN zu gewährleisten. Jedoch gibt es in der EMN derzeit nur 1,7 GW installierte Kraftwerksleistung, weshalb die verbleibende elektrische Leistung anderwärtig bezogen werden muss.
Die konventionellen Energieträger sind heutzutage aus der Sicht der Umwelt nicht mehr Relevant, da die Kraftwerke durch die Verbrennung der fossilen Brennstoffe Kohlenstoffdioxid (CO2) freisetzen, welcher maßgeblich für die Globale Erwärmung ist. Eine Alternative zur Verminderung der CO2-Ausstoß wäre die Einsetzung der re-generativen Energiequellen. Die Europäische Metropolregion Nürnberg (EMN) hat sich das Ziel gesetzt, dass im Jahr 2030 zu 65 % und im Jahr 2050 zu 100 % der Gesamtstromerzeugung aus regenerativen Energiequellen bereitzustellen. Die hauptsächlichen regenerativen Energie-erzeugungsmethoden sind Laufwasser, Bio-masse, Windkraft und Solaranlage. In diesem Projekt wurde nur das Potential der Photovoltaik in der EMN untersucht. Auf diese Weise wurden der momentane Zu-stand der Photovoltaik in der EMN, Anteile der Photovoltaik an Gesamtstromerzeu-gung für das Jahr 2030 und 2050 und der Anlagenflächenbedarf recherchiert. Mo-mentan gibt es in der EMN ca. 120000 Photovoltaikanlage. Diese Anlagen liefern eine installierte Leistung von 2,85 GWp und liefern 2,6 TWh Strom bereit. Daraus folgt, dass sich der Anteil der Photovoltaik auf 10,8% von der Bruttostromerzeugung beläuft, welcher unserem Ziel für das Jahr 2030 mit einem Anteil von 16 bis 21 % und im Jahr 2050 mit einem Anteil von 32 bis 60 % entspricht. Aus der Berechnung ergibt sich die benötigte Fläche von 21,8 bis 28,6 km² für das Jahr 2030 und 43,6 bis 81,8 km² für das Jahr 2050. Interessant wäre, dass diese Fläche mit den gegebenen Dachflächen in der EMN. Zum Schluss hat die Photovoltaik ein großes Potential für eine umweltfreundliche und eine sichere Energiequelle für die Zukunft.
Am 12. Dezember 2015 wurde beim UN-Gipfel in Paris der Weltklima-vertrag beschlossen. (Bild der Wissenschaft, 2017 (6), 28) Im November des darauffolgenden Jahres wurde er von den meisten teilnehmenden Staaten ratifiziert und trat in Kraft. Ziel des Vertrages ist, den weltweiten Temperaturanstieg auf unter zwei Grad Celsius zu begrenzen. Der Klimawandel ist bereits heute in vielen Gebieten der Erde negativ spürbar. Bei einer Erwärmung um zwei Grad wären weitere Folgen sowohl für die Menschheit als auch für Flora und Fauna nicht auszuschließen. Einige davon sind die Gefahr von Dürren in Südeuropa, Gletscherschmelze im Himalaja, Überschwemmung von Inselstaaten im Pazifik, Waldbrände in Nordamerika oder Korallen-sterben im Pazifik.
Scheitert der Versuch der Temperaturbegrenzung, ergeben sich zusätzliche Risiken. Ein Anstieg der globalen Temperatur von vier Grad wäre mit erheblichen Konsequenzen verbunden. So wären Ernteausfälle in Afrika, Hitzetote in Asien, Artensterben im Regenwald oder das Abschmelzen des grönländischen Eispanzers nicht auszuschließen. (Bild der Wissenschaft, 2017 (6), 30-31) Damit das globale Ziel erreicht werden kann, schreibt der Weltklimavertrag den Industrienationen die Rolle der Vorreiter zu. Für Deutschland bedeutet dies eine emissionsfreie Wirtschaft bis ca. zur Mitte des Jahrhunderts. Der im November 2016 verabschiedete Klimaschutzplan der Regierung beinhaltet eine Halbierung der Emissionen aus der Energiewirtschaft bis zum Jahr 2030. (Bild der Wissenschaft, 2017 (6), 29) Um diese Ziele erreichen zu können, müssen die Kohlekraftwerke in Deutschland über kurz oder lang heruntergefahren werden. Dies ist nur möglich, wenn der Anteil an erneuerbaren Energien enorm ansteigt. Das Problem dieser Energieformen aus überwiegend Wind und Sonne ist jedoch das volatile Verhalten des Aufkommens. Die Sonne scheint nur tagsüber, im Winter sind die Tage sehr kurz. Der Wind kann vor allem im Sommer längere Flauten aufweisen. Die aktuelle Situation erfordert bei hohen Energiedichten Abregelungen ganzer Anlagen, da es sonst zu einer Überlastung des Stromnetzes kommen würde. Andererseits könnte bei Flautephasen keine durchgehend stabile Stromversorgung gewährleistet werden.