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Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird untersucht, bei welchen Gestehungskosten eine erneuerbare Energieversorgung der Stadt Wunsiedel möglich ist. Dabei wird sowohl die Versorgung mit Strom als auch mit Wärme betrachtet. Als Bindeglied zwischen den beiden Versorgungssystemen dient ein Stülpmembranspeicher. Dieser ermöglicht es unterirdisch Strom und Wärme in einem Raum zu speichern. Im Laufe der Arbeit werden zunächst die Rahmenbedingungen der Energieversorgung festgelegt. Dies beinhaltet welche Systeme wie genutzt werden sollen. Die Stromversorgung soll aus Windenergieanlagen, Photovoltaikanlagen und Biomasseanlagen bestehen. Die Biomasseanlagen übernehmen dabei die Grundlastversorgung, während die Windenergieanlagen und die Photovoltaikanlagen vom aktuellen Energiewetter abhängig sind. Die Wärmeversorgung besteht aus Solarthermieanlagen und der Wärme von den Biomasseanlagen. Die Wärme wird über ein Wärmenetz an den Verbraucher geliefert. Bei Überschüssen werden sowohl der Strom als auch die Wärme im Stülpmembranspeicher gespeichert. Die Stromspeicherung erfolgt nur für mehrere Tage. Im Gegensatz zur saisonalen Wärmespeicherung, bei der Wärme aus dem Sommer für den Winter gespeichert wird. Die saisonale Wärmespeicherung wird durch eine besondere Schaltung im Wärmenetz ermöglicht. Diese Schaltung führt dazu, dass der Verbraucher als Prosumer fungieren kann. Der Verbraucher ist somit Konsument und Produzent von Wärmeenergie. Die Auswertung beruht auf realen Daten der Stadt Wunsiedel und wird mit Excel-Tools, bereitgestellt von Herrn Professor Popp, durchgeführt. Die realen Messreihen werden dazu aufbereitet und an die Gegebenheiten der Stadt Wunsiedel angepasst. Zur Berechnung werden verschiedenste Randfaktoren, wie Kostenansätze, gewählt. Die Ergebnisse der Auswertung sind die resultierenden Gestehungskosten und die benötigte Speichergröße. Zudem ergeben sich die betreffenden Nennleistungen der Photovoltaikanlagen und der Windenergieanlagen sowie die Anzahl der Solarthermieanlagen. Die Auswertung führt zu Stromgestehungskosten von ca. 22 ct/kWh und Wärmegestehungskosten von 17 ct/kWh. Beim Vergleich mit den aktuellen Stromgroßhandelspreisen bzw. den Kosten für andere Wärmenetze zeigt sich, dass das Versorgungssystem in einem Bereich liegt, in dem es wirtschaftlich arbeiten kann.
In der Arbeit wird eine Versorgungsanalyse für den Industriestandort Sengenthal von Max Bögl durchgeführt. Dabei liegt der Schwerpunkt in der Verbindung des Stromsek-tors mit dem Mobilitätssektor. Bei der Versorgungsanalyse wird die Möglichkeit der CO2-neutralen Selbstversorgung betrachtet. Beim Mobilitätssektor wird die Dienstwa-genflotte in den Betrachtungen elektrifiziert und eine Bewertung eines Teils der LKW-Flotte mit Wasserstoffantrieb vollzogen. Hierfür werden verschiedene Szenarien be-trachtet in denen die Freiheitsgrade (PV-Leistung, BDKW-Leistung, Batteriekapazität, P2G2P-Leistung, Anzahl E-Autos und Anzahl H2-LKWs) variiert werden. Neben der Variation der Freiheitsgrade findet auch eine Änderung der Randdaten statt. Bei die-sen werden zuerst Berechnungen auf Basis der realen Daten aus dem betrachteten Analysezeitraum durchgeführt und anschließend eine Veränderung vorgenommen, um mögliche zukünftige Änderungen abbilden zu können. Bei der Auswertung kann fest-gestellt werden, dass die Umsetzung der regenerativen Selbstversorgung technisch möglich ist. Bei der Untersuchung der Wirtschaftlichkeit können positive Szenarien festgestellt werden. Diese sind abhängig von äußeren Einflussfaktoren, wie den Be-zugspreisen an der Strombörse. Bei den im Jahr 2022 vorliegenden Bedingungen kann die Umsetzung wirtschaftlich abgebildet werden.
Photovoltaik
(2022)
In den vergangenen Jahren ist der Wandel der Energiepolitik immer deutlicher geworden und immer mehr Energie wird durch erneuerbare Quellen versorgt. Dazu kommt aktuell die Ukraine Krise als auch die Corona-Krise, die die Nachfrage und die Rentabilität erneuerbarer Energien steigern. In diesem Zusammenhang soll ein Konzept erarbeitet werden, welches eine vollständig erneuerbare energetische Versorgung der Stadt Roth sicherstellt. Hierfür wird vor allem auf Wind- und
Solartechnik gesetzt, da hier das größte Ausbaupotential besteht. Ein Problem dieser Techniken ist, dass diese nicht zeitlich planbar sind, sondern stark wetterabhängig sind. Im Sommer ist die eingespeiste Solarenergie deutlich höher als die Verbrauchte. Die Windenergie hingegen ist im Winter stärker als im Sommer. Somit ergänzen sich beide Technologien. In wind- oder sonnenreichen Zeiten ist die überschüssige Energie für Zeiten geringer Stromeinspeisung zu speichern. Hierfür hat Herr Prof. Dr. Ing. Matthias Popp in seinen Forschungsarbeiten ein Speicherkonzept „Stülpmembranspeicher (siehe Abbildung Titelseite) [3] erarbeitet. Hierdurch kann elektrische und thermische Energie gespeichert werden. Für die Versorgung der Stadt
Roth sollen Solaranlagen, Windkraftanlagen, Wasserkraftwerke und BHKWs
verwendet werden. Mit bereits vorhandenen und potenziellen Anlagen soll anschließend eine Speicherauslegung – und Dimensionierung stattfinden. Hierfür sind diverse Daten auszuwerten und Verluste zu ermitteln.
In dieser Bachelorarbeit sollen die Stromverbräuche der regionalen Teilgebiete der Europäischen Metropolregion Nürnberg ermittelt werden. Diese lässt sich auf 17 Planquadrate gemäß der NASA Datenbank MERRA-2 aufteilen. Für jedes Gebiet soll eine Stromverbrauchszeitreihe aus den von den Verteilnetzbetreibern veröffentlichten tatsächlichen Verbräuchen modelliert werden. Aufgrund der Unvollständigkeit und Uneinheitlichkeit der veröffentlichten Daten erfordert dies eine aufwendige Aufbereitung der Daten und das Ermitteln realitätsnaher Approximationen bei unvollständigen Datensätzen. Diese Arbeit soll die Grundlage für später durchzuführende Versorgungsanalysen für die einzelnen Teilregionen bilden sowie für die Bestimmung der dazu nötigen Speicherkapazitäten.
Diese Projektarbeit beschäftigt sich mit einer zukunftsorientierten Anwendung im Bereich Energiemanagement. Hauptausrichtung ist der Aufbau von Microgrids (Mikro-Strom-Netzen) mit Blockchain-Steuerung, welche vom Stromnetz abkoppelbar sind und autark betrieben werden können. Hierzu wird zuerst der allgemeine Stand der Technik zu Microgrids vorgestellt. Grundlegende Fragestellungen zum Speicher- und Netzbedarf, der Netzanbindung und zur Dimensionierung eines Microgrid werden bearbeitet, um Kriterien für Einsatzgebiete festzulegen. Im Anschluss wird die auf Datenbanken basierende IT-Technologie Blockchain vorgestellt und ihre Relevanz für die Energiebranche erörtert. Hauptziel der Projektarbeit ist es, den technischen Stand beider Technologien darzulegen und dem Betrachter das Potenzial einer Symbiose beider Technologien für die Energiebranche aufzuzeigen. Abschließend wird eine Kombination beider Technologien an bisherigen Pilotprojekten gegeben.
Das Projekt verläuft im Rahmen des Seminars „Projekt Energietechnik“ des sechsten Semesters Maschinenbau an der Technischen Hochschule Nürnberg. Ziel des Projekts ist es, eine Konzeptstudie zu erstellen, bei der das Stromversorgungsnetz der Europäischen Metropolregion Nürnberg (EMN) bis 2050 hundertprozentig regenerativ versorgt werden kann. Bei einer vollkommenen regenerativen Energieversorgung entsteht das Problem von Eigendefiziten aufgrund volatiler Wetter-erscheinungen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird in dieser Projektarbeit der optimale Mix aus Laufwasser, Biomasse, Sonnen- und Windkraft untersucht, um die Metropolregion bis 2050 komplett aus regenerativen Energien versorgen zu können. Die entstehenden Defizite sollen mit Hilfe von geotechnischen Speichern ausgeglichen werden. Für die Auswertungen werden die Informationen der Klimadatenbank der NASA herangezogen, um das Jahr mit den ungünstigsten Wetter-bedingungen seit Beginn dieser Wetteraufzeichnungen herauszufiltern. Hierbei wird vor allem auf das Wind- und Sonnenpotential eingegangen, da Laufwasser und Biomasse in dieser Region weitestgehend ausge-schöpft sind. Die ausgewerteten Daten zeigen, dass im Jahr 2014 der ungünstigste Mix aus Solar- und Windenergie vorlag. Anhand der Auswertung wurde eine Zusammenstellung der erneuerbaren Energien in Bezug auf den Stromverbrauch von 2017, eine Verteilung von ca. 75 Prozent Windenergie, ca. 32 Prozent Solarenergie und insgesamt 13 Prozent aus Biomasse- und Wasserkraftenergie erstellt. Hieraus muss mindestens ein Überschuss von 20 Prozent entstehen, da das Übertragen der Energie sowie das Zwischenspeichern immer mit Verlusten verbunden sind. Anhand dieser Daten ergibt sich unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Speicher, eine jährlich zu kompensierende Energiemenge von 6,8 TWh. Hierbei muss ein maximales zeitliches Defizit von 165 Stunden überbrückt werden um der EMN zuverlässig Strom liefern zu können. Alle regenerativen Energieträger ergeben eine insgesamt zur Verfügung gestellte elektrische Leistung von 9,9 TWh. Der daraus entstehende Stromüberschuss von 3,1 TWh kann abgeregelt oder in andere Regionen verkauft werden.
Diese Studienarbeit untersucht den Stromverbrauch auf regionaler Ebene in Deutschland und vergleicht drei verschiedene Systemdesigns für erneuerbare Energien. Die Systeme basieren auf dem Einsatz von geotechnischen, chemischen und Batteriespeicher-technologien. Es werden reale Wetter- und Lastdaten für einen Zeitraum von drei Jahren vom 01.09.2020 bis zum 31.08.2023 verwendet.
Gesellschaftliche und politische Verpflichtungen im Bereich des Klimaschutzes sowie ein weltweit steigender Energiebedarf erfordern ein Umdenken in der Energieerzeugung. Darunter fällt auch die Wärmeerzeugung, welche aktuell zu Großteilen über fossile Energieträger abgedeckt wird. Die großtechnische Nutzung von Solarthermie zur Erhitzung von Brauchwasser kann einen maßgeblichen Beitrag leisten, die Wärmeversorgung umweltfreundlicher umzusetzen. In diesem Zusammenhang setzt sich diese Projektarbeit das Ziel, Potentiale von Solarthermie zur Transformation des Fernwärmenetzes in Nürnberg aufzuzeigen und theoretisch aufzuarbeiten. Neben den Grundlagen für die solare Wärmeerzeugung sind die Hauptaspekte die Ermittlung der geneigten Bestrahlungsstärke ausgewählter Testreferenzjahre für einen Standort in Nürnberg sowie die Gegenüberstellung von Flach- und Vakuumröhrenkollektoren hinsichtlich des Kollektorertrags und des Grundstücksflächenbedarfs für eine gewünschte abzugebende Wärmemenge.
Bei den Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass Vakuumröhrenkollektoren mit Wasser als Wärmeträgermedium und in Kombination mit einer hydraulischen Einbindung vom Fernwärmerücklauf in den Vorlauf am sinnvollsten sind. Gerade die verringerten Wärmeverluste und der erhöhte Wirkungsgrad dieser Kollektoren reduzieren den Flächenbedarf maßgeblich. Außerdem wird in den kommenden 20 Jahren nicht mit starken Schwankungen der Globalstrahlung gerechnet, was die Betriebssicherheit für ein solches Großprojekt sicherstellt.
In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Herstellung eines Stülpmembranspeichers unter Verwendung etablierter Bautechniken entwickelt. Ein Stülpmembranspeicher ist ein unterirdischer, thermisch aktivierter Lageenergiespeicher, bei dem ein Bodenmassekolben durch Wasser hydraulisch angehoben wird. Dabei wird Wärme in der thermischen Speicherkapazität des Wassers und potenzielle Energie in der Höhenlage des Bodenmassekolbens gespeichert. Diese potenzielle Energie kann wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Herstellung des Bodenmassekolbens erfolgt unterirdisch und besteht aus zwei zentralen Schritten:
1. Horizontalen Freilegung des Kolbens
2. Erstellung des Ringspalts.
Die Freilegung wird mittels klassischer bergbaulicher Techniken wie Tunnelsystemen, Injektionen, Stahlstützen und Seilsägen realisiert. Der Ringspalt wird durch einen äußeren Schlitzwandring und den Aushub bis zur temporären Standfestigkeit des Gesteins hergestellt. Der Zylinder und die Kolbenwand werden mit vorgebogenen Stahlblechen verkleidet und anschließend mit Beton hinterfüllt.
Der oberirdische Teil des Speichers besteht aus einem Stahltank, der einem Fernwärmespeicher ähnelt und für die zusätzliche Belastung durch die Kolbenauflast ausgelegt ist.
Das erarbeitete Konzept zeigt, wie ein Stülpmembranspeicher hergestellt werden kann. Wirtschaftliche Aspekte wurden nicht untersucht. Im nächsten Schritt sollten die Materialmengen eines vollständig ausgebauten Stülpmembranspeichers ermittelt werden, um ihn mit anderen Energiespeichersystemen in Bezug auf Speicherkapazität, Wirkungsgrad, Materialverbrauch, Lebensdauer und CO2 - Ausstoß zu vergleichen. Dabei ist besonders zu berücksichtigen, dass der Stülpmembranspeicher sowohl thermische als auch potenzielle Energie speichern kann. Daher sollten die Vergleiche mit Speichersystemen erfolgen, die ebenfalls Energien für Strom- und Wärmenetz speichern können. Nur durch eine ganzheitliche Betrachtung kann eine erfolgreiche und ökologische Energietransformation gelingen.
Analyse des Potentials zur regenerativen Stromversorgung des Großraums Nürnberg (Abschlussbericht)
(2020)
Ziel der vorliegenden Studienarbeit ist das Generieren belastbarer, reproduzierbarer Datensätze und Ergebnisse, um in einem weiteren Schritt ein zukunftsfähiges regeneratives Versorgungskonzept für ein im Voraus festgelegtes Gebiet auslegen zu können. Hierfür wird zunächst das Energiewetter der zu untersuchenden Region analysiert. Unter Berücksichtigung aktueller Verbrauchszahlen kann dann bewertet werden, inwiefern weiterhin Potential für den Ausbau der Nutzung regenerativer Energieträger besteht. Außerdem sollen verschiedene Speichersysteme in die Untersuchung einbezogen werden, sodass eine abweichungsfreie Deckung des Bedarfs, unabhängig von Wettereinflüssen, gewährleistet werden kann. Die Analyse des Energiewetters bezieht sich auf globale Solarstrahlung und Wind. Dabei wird im Speziellen auf den aktuellen Stand der Technik sowie auf die Kosten der Windenergie eingegangen. Ferner werden Potentiale bei Laufwasser sowie gegebenenfalls Biomasse herausgearbeitet.
Der Mittelpunkt des zu untersuchenden Rastergebiets liegt bei 11.25°E, 49.50°N und umfasst den Bereich innerhalb der Städte Forchheim im Norden, Schwabach im Süden und Hersbruck im Osten, beziehungsweise Zirndorf im Westen, mit deren Umland. Dieser Bereich wird gemeinhin als Großraum Nürnberg bezeichnet.