6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Das Projekt wird im Rahmen des Seminars „Projekt Energietechnik“ des sechsten Semesters Maschinenbau an der Technischen Hochschule Nürnberg durchgeführt. Die Projektarbeit untersucht die Möglichkeiten einer autarken regenerativen Energieversorgung in einer mittelfränkischen Region. Hierbei wird einerseits das Energieerzeugungspotential der Energieträger Wind, Sonne, Biomasse und Laufwasser und andererseits der Verbrauch des Untersuchungsgebiets analysiert. Bei der Gegenüberstellung der Jahreswerte für die Energieerzeugung und des
Energieverbrauchs von 1980 bis 2019 fällt der volatile Verlauf der Zeitreihen auf. Um die Überschüsse in der Erzeugung besser ausnutzen zu können und gleichzeitig die Defizite decken zu können, werden mehrere Speichertechnologien verglichen. Mit Hilfe eines Excel-Tools von Herrn Prof. Dr. Popp werden Daten der letzten 40 Jahre analysiert und verrechnet. Dabei werden die Jahre mit extremen Energiedefiziten herausgefunden, in denen die größten Speicherleerungen stattfinden.
Daraus kann man schließen, dass die Untersuchungsregion Speicher-technologien für die Deckung der Energiedefizite vorhalten muss, um die benötigte Energiemenge für den Verbrauch bereitzustellen. Des Weiteren wird mit Hilfe des Programms ein optimaler Mix der Erneuerbaren Energieträger berechnet. Zudem lassen sich für deren Ausbau kostenminimale Lösungen errechnen. Im Folgenden lassen sich konkrete Werte für den zahlenmäßigen Ausbau der Anlagen geben.
Außerdem behandelt diese Projektarbeit die Speichertechnologie Power-to-Gas-toPower ausführlicher. Es sollen das Prinzip, die Funktions-weise, die Verfahren und die Kosten dargestellt werden. Die Behandlung der Vor- und Nachteile und die Entwicklung in der Zukunft werden abschließend betrachtet.
Um den Stromverbrauch in der Region Rothenburg ob der Tauber zu einhundert Prozent möglichst kostengünstig aus regenerativen Energiequellen decken zu können, müsste ein Versorgungssystem mit geotechnischen Speichersystemen wie zum Beispiel Pumpspeicher-kraftwerken aufgebaut werden. Bezogen auf den Durchschnittsverbrauch des Jahres 2018 (≜100%) müsste dabei folgender Energiemix erreicht werden: 50,8 % Windkraft und 68,8 % Photovoltaik, 5,5 % Biomasse und 0,9 % Laufwasser. Unter der Annahme, dass Wasserkraftanlagen und Biomasseanlagen nicht weiter ausgebaut werden, müssten bei dem kostengünstigsten Versorgungssystem 91 Windkraftanlagen (Nennleistung 3,2 MW), sowie 6,2 km² Photovoltaikanlagen errichtet werden.
Die betrachtete Beispielanlage erreicht eine Nennleistung 9 kW, diese jedoch nur in den ersten Monaten des Jahres. Von Juni bis Dezember hingegen ist nahezu keine Leistung abrufbar. Bei 60 prozentiger Eigennutzung des erzeugten Stroms und Einspeisung der Überschüsse ist eine Amortisationszeit von 17 bis 18 Jahren zu erreichen. Bei vollständiger Einspeisung sind Amortisationszeiten von über 50 Jahren gegeben, wodurch diese Art der Nutzung ökonomisch nicht vertretbar ist.
Basierend auf den erneuerbaren Energien Solarenergie, Windenergie, Biomasse und Laufwasser wird eine zukünftige Stromversorgung der Europäischen Metropolregion Nürnberg modelliert. Mit drei gängigen Speicheransätzen wird eine möglichst ökonomische Prognose gestellt. Schwerpunkt der Betrachtung sind Laufwasserkraftwerke und deren Modernisierungs- und Ausbaupotenzial. Nach Analyse des Ist-Zustandes werden mögliche technische Modernisierungen genannt und auf deren Stromentstehungskosten eingegangen. Das Ausbaupotenzial wird anhand einer Jahresdauerlinie erläutert.
Die NASA (National Aeronautics and Space Administration) stellt mit ihrer Reanalyse-Datenbank MERRA-2 (Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applica-tions, Version 2) weltweit aufgezeichnete Klimadaten wie Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeiten etc. zur Verfügung. Die Daten sind jeweils einem Rastergebiet zugeordnet, welche durch ein weltumspannendes Raster mit einer Auflösung von ca. 0,5° x 0,625° Breitengrad x Längengrad entsteht. Es liegen aktuell Messdaten aus den Jahren 1980 bis 2019 vor (NASA, 2017, S. 1-3).
In dieser Ausarbeitung sollen diese Rohdaten aufbereitet, analysiert und hinsichtlich ihrer Aussagekraft für eine zukünftige Nutzung der vorhandenen regenerativen Energieformen zur Umwandlung in Nutzenergie interpretiert werden. Es soll erörtert werden, welche regenerativen Energieträger vor allem auch in Verbindung mit Speichertechnologien zur rein regenerativen Deckung des Energiebedarfs geeignet sind.
Das zu analysierende Gebiet umfasst im Wesentlichen Teile der bayerischen Landkreise Roth, Weißenburg-Gunzenhausen und Eichstätt, der Gebietsmittelpunkt in ge-ographischen Koordinaten ist 11.25°E 49.00°N.
Ein weiterer Bestandteil der Arbeit ist die Recherche zum aktuellen Technologiestand und den Kosten von geotechnischen Speichersystemen.
Power-to-Gas (Präsentation)
(2019)