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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.
Im Rahmen des Moduls Smart Energy wird eine regenerative Versorgungsanalyse zur Energiezelle Max Bögl am Standort Sengenthal durchgeführt. Die Firma Max Bögl stellt dafür Daten zur Verfügung, worunter Leistungszeitreihen des Verbrauchs und verschiedener Energieanlagen des Jahres 2019 inbegriffen sind. Zu der elektrischen Energieerzeugung zählen eine BHKW-Anlage sowie die am Standort befindlichen Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen. Wie es in der Energiewirtschaft üblich ist, beinhalten diese Daten Leistungszeitreihen auf Viertelstundenbasis. Das Ziel dieser Studienarbeit ist es eine Systemgestaltung zu konfigurieren, die eine Selbstversorgung der Energiezelle gewährleistet.
Im Vortragsverlauf werden die Fragestellungen aufgeführt, welche im Laufe des Projekts geklärt wurden:
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?
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?
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.
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.