Energiekonferenz Nürnberg vom 18. Dezember 2017 : Regenerative Selbstversorgung der Stadt Nürnberg unter Einbeziehung des Umlands
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4,11
Das Projekt verläuft im Rahmen des Seminars Projekt Energietechnik des sechsten Semesters Maschinenbau an der TH Nürnberg. Ziel des Projekts ist es, eine Konzeptstudie zu erstellen, bei der das Nürnberger Stromversorgungsnetz hundertprozentig regenerativ versorgt werden kann. Bei vollkommener regenerativer Energieversorgung entsteht das Problem von Energiedefiziten aufgrund volatiler Wettererscheinungen. Um diesem Problem entgegen zu wirken wird die Speichertechnologie Power-to-Gas (PtG) als mögliche Lösung untersucht. Damit soll geklärt werden, welcher Bedarf für eine saisonale Energiespeicherung besteht. Hierfür werden die Wetter- und Energiedaten aus dem Jahr 2016 ausgewertet und im Zuge dessen lässt sich auf Versorgungsdefizite schließen, die in versorgungsschwachen Perioden bestehen. Aus diesem Versorgungsdefizit lässt sich der Speicherbedarf ermitteln, welcher durch diverse Speichertechnologien abgedeckt werden muss. Eine Option zur langfristigen Speicherung in großen Maßen könnten chemische Speicher sein, dabei müssen große Mengen an synthetisch hergestelltem Erdgas bzw. Wasserstoff produziert werden. Die Speicherverteilung wird im Vorfeld durch eine ökonomische Optimierung ermittelt, um so den Anteil der PtG-Technologie bestimmen zu können. Welches jährlich saisonale Energiedefizit herrscht und welche Energiemenge die PtG Methode abdecken muss, ist Bestandteil der Untersuchung dieser Projektarbeit.
4,9
In Zeiten des Klimawandels wird immer mehr auf regenerative Energieträger gesetzt, um den Ausstoß von klimaschädlichen Gasen, wie CO2, zu minimieren, aber auch um sich Unabhängigkeit von Drittländern zu verschaffen. Dies geschieht zum Großteil in dem man auf Sonne, Wind und Wasser als Energieträger setzt. Diese Ausarbeitung wird sich mit den Biomassepotentialen in der Stadt Nürnberg befassen. Welche sowohl zur Strom- als auch zur Wärmeerzeugung genutzt werden können. Auch wird untersucht welche Mengen an Kurzumschlagwäldern benötigt würde um den Wärmebedarf Nürnbergs aus diesen zu decken.
4,6
Die vorliegende Arbeit ist Teil des übergeordneten Projektes Regenerative Selbstversorgung der Stadt Nürnberg unter Einbeziehung des Umlands und analysiert den potentiellen Beitrag der Windenergie. Ziel ist es, aus den ausgewerteten Winddaten des Jahres 2016 einen Ausblick für eine zukünftig regenerative Energieversorgung zu geben. Dazu wird eine Potentialanalyse im Gebiet Nürnberg und den angrenzenden geografischen Planquadraten durchgeführt. Um den Platzmangel für Windenergieanlagen (WEA) in der Stadt Nürnberg auszugleichen, wird für die Versorgung das Umland herangezogen. Wieviel Umland zur Deckung des Strombedarfs der Metropole und des dazu verwendeten Umlandes benötigt wird, ist Hauptbestandteil dieser Ar-beit. Zunächst wird eine Anlage aus vier Vergleichbaren ausgewählt um als Modell zu dienen. Auf Basis dieses Modells errechnet sich die Anzahl benötigter Neuanlagen für eine 67 prozen-tige Versorgung der Stadt Nürnberg. Ein Anteil von 67% Windenergieanteil im Strommix ist optimal für niedrige Stromgestehungskosten. Mit der benötigten Anzahl WEA kann ein Gebiet abgeschätzt werden, in dem genügend Anlagen Platz finden um zusätzlich auch das gewählte Gebiet mit Windenergie mitzuversorgen. Der erste gewählte Bereich beinhalt 37 Gemeinden und bietet wesentlich mehr potentielle Standorte als benötigt. In einem zweiten Iterationsschritt verkleinerte sich das Gebiet auf 18 Gemeinden. Dieser Bereich bietet genügend Platz für 230 Windenergieanlagen, wobei 225 Anlagen bereits den Bedarf Nürnbergs und der 18 gewählten Gemeinden decken.
4,5
Dieses Projekt befasst sich mit der Stromversorgung aus ausschließlich regenerativen Energiequellen sowie der Wärmeversorgung kombiniert mit den geeigneten Speicheranlagen. Ziel des Projekts ist es, Nürnberg allein durch die regenerativen Energien zu versorgen. Im Rahmen des Projekts werden verschiedene Themen, wie Windanalyse, E-Mobilität, Solarthermie und Speichertechnologien betrachtet. Dabei werden Messwerte ausgewertet und interpretiert.
In diesem Einzelprojekt soll die optimale Verteilung der einzelnen Energiequellen gefunden werden, die nötig ist um Nürnberg zu 100% regenerativ und autark versorgen zu können. Das Ziel dabei ist, am Ende sagen zu können, zu wie vielen Teilen der Strombedarf der Stadt aus Windenergie, Solarenergie und anderen Quellen, wie Wasserkraft, Biomasse und Geothermie, gedeckt werden soll.
Es werden Daten der NASA, aus der MERRA-2 Datenbank, der N-Ergie und der Main-Donau-Netzgesellschaft aus dem Jahr 2016 analysiert, um eine mögliche Systemkombination zu berechnen.
Dabei werden die folgenden Forschungsfragen untersucht:
• Welche Kriterien kennzeichnen einen „optimalen Mix“ aus verschiedenen Arten von regenerativen Energiequellen?
Zur Beantwortung dieser Frage werden quantifizierbare oder eine Reihe quantifizierbarer Merkmale festgelegt, die es rechtfertigen, einen Umwandlungsmix aus unterschiedlichen Arten von regenerativen Energien, als optimal zu bezeichnen.
• Welchen Anteil am regenerativen Umwandlungsvermögen in Bezug auf den Verbrauch sollten
- Wind
- Sonne
- Die anderen regenerativen Energiearten
einnehmen, wenn das Optimierungskriterium erreicht ist?
4,4
Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, welche Auswirkungen eine vollständige Umstellung auf E-Fahrzeuge für das Nürnberger Stromnetz hat. Es wird diskutiert welche Konzepte es ermöglichen könnten, ohne umfangreiche Ausbauarbeiten des bestehenden Netzes, eine Versorgung der Fahrzeuge zu gewährleisten. Außerdem wurde ebenfalls eine Analyse zu den Verbräuchen der Elektrofahrzeuge gegenüber denen mit konventionellen Verbrennungsmotoren ausgearbeitet.
Da sich mit einer steigenden Anzahl an E-Fahrzeugen auch der Strombedarf erhöht, ist es notwendig Statistiken auszuwerten um eine Tendenz wie in Abb. 1 dargestellt zu erkennen. So wird es ermöglicht, potenzielle Auswirkungen der Umstellung auf E-Mobilität zu erforschen.
4,3
Gegenstand, der hier vorgestellten Arbeit, ist die Untersuchung und Dimensionierung eines Warmwasserspeichers zur Speicherung der aus solarthermischen Anlagen erzeug-ten thermischen Energie zur ganzjährigen Wärmeversorgung Nürnbergs. Hierzu wurden bestehende Wärmeströme im Fernwärmenetz der N-ERGIE erfasst und mit der solar-thermischen Leistung verglichen. Die Zeitreihe der Solarthermie wurde von den Merra2 Daten der NASA bezogen und mit der Fläche einer fiktiven Solaranlage multipliziert. Diese Fläche wird benötigt um den Wärmebedarf Nürnbergs zu decken. Die Differenz dieser einfallenden Solarstrahlung und der reale Verbrauch wurden gegenübergestellt und die so entstandenen Differenzen aufsummiert, um die Größe des benötigten Warm-wasserspeichers zu berechnen. Im Ergebnis ist festzustellen, dass Nürnberg bei einer Deckung von 100% der Fernwärme über Solarenergie ein Speicherbedarf von ca. 2300 GWh benötigen würde. Dieser lässt sich durch Überproduktion an thermischer Energie, was einer flächenmäßigen Vergrößerung der Solaranlage entspricht, verkleinern. Der Speicherbedarf sinkt bei einer 5-fachen Überproduktion durch solarthermische Anlagen auf ca. 177 GWh (vgl. Abb. 04).
4,1
Ziel dieser Arbeit ist es den Heizwärmebedarf des Jahres 2016 für die Haushalte der Stadt Nürnberg zu analysieren und diesen komplett mit Wärmepumpentechnologie zu decken. Dazu werden stündlich aufgenommene Datensätze der N-ERGIE herangezogen. Aus den gewonnen Ergebnissen können Lösungsvorschläge für die Zukunft gewonnen werden.
Es werden zwei unterschiedliche Wärmepumpenanlagen miteinander verglichen. Zum einen eine Kleinanlage mit der Bezeichnung „Vaillant Geotherm plus VWS 102/2“. Aus den Datenblatt dieser Anlage wurden die Betriebscharakteristiken „B0/W35“ mit 10,4 kW Heizleistung und „B5/W55“ mit 11 kW Heizleistung ausgewählt. Zum anderen wird eine Großanlage, „NEVELAN LA 31-WPR-Net“ mit den Betriebscharakteristiken „A2/W35“ mit 31 kW Heizleistung und „A2/W35“ mit 35 kW Heizleistung, gegenübergestellt.
Mit den analysierten Heizwärmedaten wird die Anzahl der jeweiligen Pumpen unter Volllastbetrieb für den stündlichen Heizwärmebedarf errechnet, welche visuell im zeitlichen Verlauf dargestellt werden. Weiterhin wird über den Carnot Wirkungsgrad und den über die Hersteller angegebenen COP Wert, der Gütegrad der Anlagen bestimmt. Mit Hilfe der stündlich angegebenen Außentemperaturen und des errechneten Gütegrades wird der stündlich reale technische COP Wert ermittelt. Damit wird für die jeweiligen Stunden die aufzubringende elektrische Leistung berechnet. Diese wird ebenfalls in einem zeitlichen Verlauf veranschaulicht.
Um die Heizwärme als regenerativ zu deklarieren, ist es notwendig, dass die elektrische Energie aus erneuerbaren Energietechniken gewonnen wird.
Zum Schluss wird der elektrische Energieverbrauch grafisch im monatlichen Intervall dargestellt und der monatliche Kostenbetrag für einen durchschnittlichen Haushalt berechnet.