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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.
Der Bereich dieser Projektarbeit bezieht sich auf Heizsysteme mittels Wärmepumpen. Mit Hilfe dieser wird die gewünschte Komponente - Wärme - erzeugt, um damit ganz Nürnberg zu versorgen. Dafür wird das Potential an Heizenergie analysiert. Ziel dieses Projektes ist es Klein- und Großanlagen gegenüberzustellen und deren Stromverbrauch zu ermitteln, um festzustellen welche Anzahl an Pumpen für die Stadt Nürnberg benötigt wird.
Die energetischen und wirtschafltichen Auswirkungen verschiedener Auslegungsparameter von Windenergieanlagen auf ein Stromversorgungssystem für die Region Schwabach werden untersucht. Basierend auf der Variation der Auslegungsparameter werden Systeme mit möglichst niedrigen Stromenstehungskosten gesucht. Des Weiteren wird die stromgestehungs-kostenoptimierte Windenergieanlage unter verschiedenen wirtschaftlichen Bedingungen analysiert.
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.
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.
Im ersten Abschnitt der Arbeit wird das Power-to-Gas-to-Power Verfahren analysiert. Der zweite Abschnitt der Studienarbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob sich der Firmenstandort von Max-Bögl in Sengenthal bei mittleren Stromkosten im Großhandel von 50 €/MWh wirtschaftlich und dabei CO2 neutral mit Strom versorgen kann.
Im Rahmen der Energiewende nimmt die Bedeutung der dezentralen
Energieversorgung immer weiter zu. Für Energieversorger und Betriebe stellt dies eine neue Herausforderung dar, da bisher eine zentrale Energieversorgung Stand der Technik ist. In dieser Arbeit wird die Frage diskutiert, welche Investition für das Bauunternehmen Max Bögl wirtschaftlich ist, um eine dezentrale Versorgung des Unternehmens sicher zu stellen. Besonderes Augenmerk wird auf die Speicherung der
elektrischen Energie mit Hilfe von Batterien gelegt. Dazu wird im ersten Teil der Arbeit erörtert, welche Speicher aktuell am Markt angeboten werden. Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet eine Versorgungsanalyse. In dieser wird auf Basis des Energiebedarfs der letzten drei Jahren errechnet, welche Investition in Photovoltaik,Biomasse-Dampf, Wasserstoff-und Batteriespeicher am wirtschaftlichsten ist.
