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Analyse des Potentials der Photovoltaikanlage in der EMN Stand heute und 2030 (Projektskizze)
(2019)
Das Projekt „Analyse des Potentials der Photovoltaikanlage in der EMN Stand heute und 2030“ ist ein Teil des Energietechnikprojekts der Fakultät Maschinenbau der Technischen Hochschule Nürnberg. Das Energietechnikprojekt hat das Ziel in der europäischen Metropolregion Nürnberg (EMN) den Kohlenstoffdioxidausstoß bis 2030 um 40 % zu senken.
Dieses Projekt behandelt die Erstellung einer Potenzialanalyse für eine Photovoltaikanlage. Hierdurch soll der prognostizierte Stromverbrauch aufgezeigt werden. Dabei wird der zeitliche Verlauf der Sonneneinstrahlung in der EMN für das Jahr 2017, die benötigte Fläche der Photovoltaikanlagen für 2030 und der durch die Anlagen produzierte Strom analysiert. Die Ergebnisse werden tabellarisch und graphisch veranschaulicht.
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.
Im Zuge der Energiewende nimmt der Anteil an regenerativer Stromerzeugung durch Sonne und Wind weiter zu. Im Jahr 2017 lag ihr Anteil im Durchschnitt bei 38,1 % (Quelle: ENERGY CHARTS des Fraunhofer ISE). Durch wetterabhängige Schwankungen liegen die Anteile dabei zwischen 13,6 und 74,5 % bei Betrachtung des täglichen Durchschnitts. Im Gegensatz zu den konventionellen Energieträgern wie Kohle und Gas, deren Stromproduktion geregelt wird, lassen sich die Schwankungen im regenerativen Bereich nur durch Abschaltung von Anlagen bedingt regeln. Bei weiterem Ausbau der regenerativen Energien werden diese Schwankungen weiter zunehmen und der Ausgleich im Stromnetz durch Speicherung und Verteilung umso wichtiger. Um die Windkraft in Norddeutschland auch im Süden Deutschlands nutzen zu können bedarf es leistungsfähiger Verteilwege, wie der nun kommenden Nord-Süd-Stromtrasse.Der immer größer werdenden Schwankungen unterliegenden Stromerzeugung steht der Verbrauch gegenüber. Während gesamt gesehen der Stromverbrauch in den letzten Jahren durch effizientere Nutzung leicht sinkt, ist mit Einführung der E-Mobilität mit einem starken Anstieg zu rechnen. Um Simulationen und Planungen für die Zukunft aufzustellen sind Daten über Erzeugung und Verbrauch von hoher Bedeutung. Doch während auf Erzeugungsseite relativ gute Informationen über die Stromproduktion anhand der Wetterdaten simuliert werden können, sind über den Stromverbrauch wesentlich weniger Daten zu finden. Im Zuge dieser Arbeit sollte eine Datenbank über die Stromlastzeitreihen jedes Verteilnetzbetreibers in Deutschland unter Verwendung der veröffentlichungspflichtigen Daten erstellt werden. Aufgrund des hohen Datenvolumens und der repetitiven Aufgaben wurde beschlossen, anhand eines Teilgebiets, der Region um die Main-Donau-Netzgesellschaft, ein Modell für den Ablauf auszuarbeiten und die notwendigen Automatismen zu entwickeln. Später sollte die Datenbank durch Projektarbeiten anderer Studenten, welche die anfallende Fleißarbeit übernehmen sollten, gefüllt und vervollständigt werden. Jedoch wurden bereits bei der Betrachtung des kleineren Testbereichs massive Probleme bei der Verwendung der veröffentlichungspflichtigen Daten festgestellt, wodurch eine Erstellung dieser Datenbank zum derzeitigen Zeitpunkt unmöglich ist. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit der bisher ausgearbeitete Weg und die aufgetretenen Probleme vorgestellt. Abschließend werden Lösungs-wege für zukünftige Ansätze erarbeitet, welche im Rahmen eines Forschungsantrages zum Erfolg führen könnten.
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.
Spätestens mit dem GAU in Fukushima hat die Energiewende richtig Fahrt aufgenommen. Um nun eine nachhaltige und beständige Versorgung sicherzustellen, benötigt es noch einiges an Anstrengung. Der Knackpunkt bei den regenerativen Energien ist die Unstetigkeit, mit welcher sie uns zur Verfügung stehen. Aufgrund der Fluktuation ist eine kurzfristige sowie eine langfristige Speicherung unabdingbar.