Energiekonferenz in Nürnberg Sandreuth am 28. Juni 2018 : Energieentwicklung der Europäischen Metropolregion Nürnberg (EMN)
Kostengünstige Umsetzung der ambitionierten CO2-Vermeidungsziele bis 2030 und der regenerativen Selbstversorgungsfähigkeit bis 2050
4,13
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.
4,11
Die Projektarbeit soll den Beitrag von Stülpmembranspeichern bei der Speicherung von Energie im Stromsektor erforschen. Es wird dabei auf den nötigen Speicherbedarf der Metropolregion Nürnberg eingegangen. Dieser wird über die Bedarfs- und Potentialanalyse ermittelt und durch Gegenüberstellung dieser Analysen herausgearbeitet. Verwendet wurden dafür die Daten aus dem Jahr 2016 beziehungsweise 2017. Außerdem wird auf die Auslegung einer Anlage und die dazu gehörende Standortwahl eingegangen. Um den Umfang des Projekts dabei im Rahmen zu halten wurde nur ein Teilgebiet der Europäischen Metropolregion Nürnberg betrachtet.
Für das Produktionspotential wurde der Anteil von Laufwasserenergie sowie Biomasseenergie als konstant betrachtet und bei Solar- und Windenergie von einem Mix von 30% Solar und 70% Wind ausgegangen. Die dabei versorgten Menschen wurden auf rund 290.000 beziffert.
Die Ergebnisse der Analysen und er Auslegung zeigen, dass bei der Vollversorgung der Metropolregion mit der Stülpmembranspeichertechnologie eine Gesamtflächenbedarf von rund 1200 Hektar nötig ist. Dies entspricht circa 0,055% der Fläche der EMN. Für den Strombedarf ergab sich im Mittel eine benötigte Leistung von 254 Megawatt. Die Erzeugung belief sich auf einen Mittelwert von rund 892 Megawatt. Dabei wurden auch die Tatsache betrachtet, dass der Speicher die Versorgung über eine längere Zeit, rund 132 Stunden, mit nur kleinen Ladephasen überbrücken muss. Der Speicher bietet dabei jedoch nicht die Kapazität zum saisonalen Ausgleich des Strommarkts. Außerdem wurde von einem optimalen Mix aus Wind und Sonne ausgegangen.
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Die Untersuchung welche im Rahmen des energietechnischen Hochschulprojekts: „Projekt Energietechnik“ durchgeführt wird, soll sich im Allgemeinen mit der Direct-Air-Capture Technologie beschäftigen und erste Fragen zur Rentabilität, Kapazität und dem Potenzial der Technologie für die EMN beantworten. Des Weiteren sollen auch mögliche Forschungsrisiken aufgezeigt werden. Das Projekt wird in drei Oberpunkte aufgegliedert: Als erstes wird die Funktionalität der Technik geklärt und auf Optimierungsmöglichkeiten untersucht. Anschließend wird ein Ausblick auf das CO2 Einsparungspotenzial gegeben. Hierzu werden alle notwendigen Einflussfaktoren wie der aktuelle Strommix Wert und die CO2 Belastung in der Metropolregion berücksichtigt. Abschließend werden verschiedene Konzepte ausgearbeitet, welche aufzeigen sollen, wie und wo eine Direct-Air-Capture Anlage am effektivsten und effizientesten zu errichten wäre. Auf die Wirtschaftlichkeit der Anlagen wird nur überschlägig eingegangen.
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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.
4,5
Nutzung von Windenergieüberschüssen durch Einsatz von Wasserstoffspeichern (Abschlussbericht)
(2019)
In dieser Arbeit wird untersucht, inwiefern sich die aufgrund der Volatilität von Windenergie ausbildenden Überschüsse mithilfe von Wasserstoffspeichern nutzen lassen, um Defizite auszugleichen. Dabei wird sich vor allem auf das Klimaziel der Europäischen Metropolregion Nürnberg bezogen, bis zum Jahr 2030 bereits 60 Prozent des Stromverbrauchs durch erneuerbare Energien zu decken. Basierend auf den Merra-2 Daten der NASA, sowie den Netzdaten der Main-Donau Netzgesellschaft, werden Überschüsse und Defizite im Windenergieverlauf sowohl für das Jahr 2017 als auch für 2030 ermittelt. Darüber hinaus werden die unterschiedlichen technologischen Verfahren der Wasserelektrolyse hinsichtlich ihrer Einsatzfähigkeit in Zusammenhang mit regenerativen Energieträgern erklärt und verglichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Speichern im Jahr 2030 eine notwendige Voraussetzung ist, um das Klimaziel zu erreichen und gleichzeitig eine hohe Versorgungssicherheit zu gewährleisten.
4,4
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.
4,3
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.
4,2
Die vorliegende Projektarbeit gibt einen Überblick über die Ausbausituation von Windkraftanlagen in der Europäischen Metropolregion Nürnberg für das Jahr 2030 und 2050. Im Jahr 2030 wird angestrebt, den CO2 Ausstoß um 40 Prozent zu reduzieren. Dazu müssen 60 Prozent des Strombedarfs aus regenerativen Energieträgern gewonnen werden. 2050 soll der gesamte Energiebedarf mit erneuerbaren Energie gedeckt werden. Desweitern wird die Wirtschaftlichkeit von vertikalen Windenergieanlagen untersucht.
Bei der Bedarfsanalyse wurde ein Energiemix von 65 Prozent Windenergie und 35 Prozent Solarenergie zu Grunde gelegt. Für das Jahr 2030 hat sich somit ergeben, dass 642 weitere Windkraftanlagen benötigt werden, um das Klimaziel zu erreichen. Bis zum Jahr 2050 muss diese Anzahl weiter auf 1256 Anlagen erhöht werden.
Das Ergebnis der Flächenanalyse für die Europäische Metropolregion Nürnberg hat erbracht, dass prinzipiell noch 1890 Anlagen zusätzlich aufgebaut werden können. Somit besteht theoretisch die Möglichkeit, die Klimaziele zu realisieren.
Die Wirtschaftlichkeitsanalyse für vertikale Windenergieanlagen hat ergeben, dass es aus ökologischer und ökonomischer Sicht nicht sinnvoll ist, diese Anlagen zu Energiegewinnung zu installieren.