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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.
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.