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Diplomarbeit
Gliederung
01 Thema
02 Einleitung
03 Energieverbrauch
04 Windkraft
05 Photovoltaik
06 Sonnenkollektoren
07 Geothermie
08 Sterlingmotoren
09 Biomasse
10 Inselsysteme
11 Solararchitektur
12 Umfrage
13 Förderungen
14 Danksagung
15 Anhang
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Diplomarbeit
10 Inselsysteme
  Inselsysteme sind autarke Anlagen von elektrischen Strom, die meistens weit entfernt von Stromnetzen und sonstigen Energiequellen Ihren eigenen Strom produzieren, speichern und verbrauchen.

Auf die Vorteile von Inselanlagen bin ich auch schon in der Einleitung eingegangen. In Bayern werden vor allem Berghütten in der Kombination von Sonne und Wind mit Strom versorgt. Im Notfall muss immer noch das altgediente Notstromaggregat, meist ein Dieselmotor, herhalten.


10.1. Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen)

Reine PV-Anlagen werden mit Batterien zu einem sehr wirtschaftlichen System, wenn kein Netzanschluss in erreichbarer Nähe ist. Die Amerikaner geben an, dass ein Wohnhaus, das eine viertel Meile vom Netz entfernt ist, bereits mit einem PV-Inselsystem wirtschaftlich betrieben werden könnte.
Hierbei muss untersucht werden, wie teuer der Anschluss an das Stromnetz für das Haus ist. Dabei beachtet werden sollte die Bodenfestigkeit bei einer unterirdischen Verlegung, und die Machbarkeit einer oberirdischen Verlegung. Bei WKA wird der laufende Meter für ein 20 KV-Erdkabel mit 200,- DM berechnet.
Abhängig vom Bedarf des Verbrauchers ist die Anlage zu dimensionieren. Dabei sollten nur energiesparende Geräte verwendet werden. Eine elektrisch betriebene Sauna und E-Heizung kann man bei einer solchen Anlage nur mit sehr hohem finanziellen und unsinnigen Aufwand verwirklichen.


Anwendungen: Für die öffentliche Hand sind Inselsysteme sehr interessant, da Sie leicht installiert und nur wenig gewartet werden müssen. Zudem sind sie in einigen Fällen, wie unten aufgeführt, kostengünstiger.

Anwendungsgebiete:

Verkehrsleit- und Warnsysteme:
- Verkehrsleitsysteme und Datenübertragung per Funk
- Funkgesteuerte Bedarfsverkehrszeichen
- Wechselverkehrszeichen
- Verkehrszeichenbeleuchtung
- Stauwarneinrichtungen
- Baustellenlampen
- Ampelanlage an Überlandstraße
- Eiswarnanlagen

Mobile netzferne Kommunikation:
- Notrufsäulen (Basis C-Netz) z.B. in Gebirgen, an Baggerseen
- Telefonzellen, Bedarfstelefonzellen
- Werbung (Beleuchtung)

Sonstige netzferne Einsatzgebiete
- dezentrale Wasseraufbereitung (Entkeimung, Reinigung) in kleinen Einheiten
- dezentrale Abwasser-Entgiftung (Deponien)
- dezentrale Aufbereitung metallkontaminierter Gewässer
- Ladegeräte für Gartengeräte
- Umwälzpumpen (Teich, Heizung)
- Ladekoffer für Elektrowerkzeuge mit Batterien
- Solarkühlgerät für Medikamenetentransport

Notbeleuchtungseinrichtungen und Notwarnsysteme:
- Fluchtzeichenbeleuchtung an Lärmschutzwänden, Freilichtbühnen etc.
- Fehlerfrühwarnsystem via Funktelefon
- mobile Leuchten (Baustellen)
- Sirenenanlagen (funkgesteuert)
- Warnleuchte an exponierten Stellen (Hochspannungsmast, Schornstein)

Unterbrechungsfreie Stromversorgung:
- Messwerterfassungs- und Datenübertragungssysteme
- Bordinstrumente bei Segelflugzeugen
- Elektronische Fahrpläne im ÖPNV
- Haltestellen Kennzeichnungsbeleuchtung ÖPNV
- Portable Diktiergeräte

Solare Gebäudeeinrichtungen
- Module mit integriertem Schutz- und Diagnosesystem
- Solar geführte und gespeiste Rollos/Jalousien
- Solar-gesteuerte Lamellenfenster

Kosten:

Die Preise für PV-Inselanlagen sind erheblich teurer als die für netzgekoppelte PV-Anlagen. Der Batteriespeicher ist dabei nach den Modulen der entscheidende Faktor. Die heutzutage verwendeten Batterien halten nicht je nach Gebrauch und Wartung nur 4 bis 6 Jahre.

ECOSOLAR bietet einen Inselbausatz mit 378 Wp mit 3 Batterien à 130 Ah für 5.377,- DM an. Man erkennt hier sofort, daß eine Lösung für ein Wochenendhaus vorliegt, die kaum für ein EFH mit 3000 kWh/a ausreichen würde.

Um eine Inselanlage für einen 3-Personen Haushalt zu simulieren wurde das Programm Ashling verwendet. Der Strombedarf eines solchen Haushalts liegt bei 3000 kWh/a (wenn keine E-Heizung verwendet wird). Bei einer installierten Leistung von 2940 kWp mußten 50 Batterien mit je 560 AH aufgestellt werden, um einen Battery Output von 2727 kWh/a zu erzielen. Der Standort der Anlage war Weihenstephan. Bei einer Installierten Leistung von 3840 kWp bekomme ich einen Battery Output von 3363 kWh/a.


10.2. PV-H-Anlagen

Das H steht hier für Wasserstoff. Diese Anlagentypen sind in der Entwicklung und haben noch keine Serienreife erbracht. Wasserstoff gilt als eine der Schlüsseltechnologien für die Energiewirtschaft, denn der Kreislauf schließt sich auf eine sehr umweltfreundliche Art, wenn der dazugehörige Strom aus der Sonnenkraft gewonnen wird.


Das ganze System steht und fällt mit der Entwicklung einer geeigneten und billigen Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff in Wasser oder einem ähnlichem Folgeprodukt um, so daß Wärme und/oder elektrischer Strom fließen kann. Bei dem energieautarken Solarhaus in Freiburg ist eine solche Anlage bereits im Betrieb. Der ungenutzte Strom in den Sommermonaten wird zur Elektrolyse von Wasserstoff und Sauerstoff genutzt. Die Gase werden anschließend getrennt voneinander in einem Speicher gelagert, um im Winter, wenn das Sonnenangebot nicht mehr für die Energiebedarfsdeckung ausreicht, als Energiequelle für Wärme und Strom zur Verfügung zu stehen. Zuerst muß also der Wasserstoff von dem Sauerstoff getrennt werden. Dies geschieht mit Hilfe der Elektrolyse:


Danach kann man nach Belieben wieder die zwei Gase zueinander führen und erhält elektrischen Strom und Wärme. Als "Abfall" entsteht nur Wasser, was wieder für eine Elektrolyse zur Verfügung steht. Der Kreislauf ist geschlossen.


Da der Wirkungsgrad einer solchen Anlage leider noch nicht sehr hoch ist, sind solche Anlagen noch nicht wirtschaftlich. Ein Flußdiagramm stellt klar, wieviel von der Sonnenenergie am Schluß nur noch übrig ist, um an den Verbraucher weitergeleitet zu werden.


Laut Angaben aus Neunburg vorm Wald gelten folgende Zahlen: Eine kWh aus Solarstrom wird mit 2,- DM angenommen. Der Damit gewonnene Wasserstoff würde im günstigsten Fall 3,- DM/kWh kosten (Anmerkung: bei 0,6 DM/kWh des Solarstroms (Toledo) würde die kWh Wasserstoff also 1,6 DM/kWh kosten). Es wird hier weiter angegeben, daß die Solarstromkosten in den nächsten 10-20 Jahren (!) halbiert werden könnten. Der Prospekt ist 1993 gedruckt worden. Bereits heute kostet Solarstrom aus einer 1 MWp Anlage in Toledo um die 60 Pf/kWh. Weiter wird angegeben, daß selbst durch diese Halbierung der umgerechnete Ölpreis 15,- DM je Liter kosten würde.


10.2. Wind-Anlagen

Wind Anlagen als Inselsysteme sind normalerweise wirtschaftlicher als reine PV-Anlagen, nur sind Sie nicht sehr leise, und nicht immer ist ein guter Standort vorhanden. Dabei muß man beachten, daß kleine Windräder ca. 4.000,- (0,75 kW) bis 7.500,- DM (1,5 kW) kosten. Dazu kommen noch die Kosten für die Montage, Batterien mit Laderegler und eventuellen Wechselrichter. Die Montage ist schwer zu schätzen, da das Fundament der WKA hier ausschlaggebend sein kann. Manchmal reicht es einfach aus die WKA mit Seilen abzuspannen, manchmal muß ein Stahlbetonfundament errichtet werden.


10.3. PV-Wind-Anlagen

Eine Kombination von Sonne und Wind zur autarken Stromversorgung ist heute der Standard geworden. Reine PV-Anlagen sind mit Ihrem dazu notwendigen großen Batteriespeicher zu teuer, und reine, große WKA müßten Ihren Strom durch Elektrolyse in Form von Wasserstoff und einer Brennstoffzelle (die noch in der Entwicklungsphase ist) speichern, da sonst zuviel Strom produziert wird.

Eine Kombination von Sonne und Wind hat auch den Vorteil, daß bei Sonnenschein meistens kein Wind vorhanden ist, während bei schlechten Tagen immer ein bißchen Wind geht. Der Speicher für die Energie muß darum bei einer solchen Anlage nicht so groß wie bei einer reine PV-Anlage sein.

Beispielanlage Meilerhütte:

Energieversorgung geplant von Ingenieurbüro Berger aus Starnberg


Abbildung 10-6 zeigt die Meilerhütte, links 4 + 12 PV-Module, rechts erkennt man noch die Sonnenkollektoren:

Die Windräder werden im Winter, wenn die Hütte nicht mehr bewirtschaftet wird, abmontiert, da man sonst Eisschäden an den Anlagen bekommt.
Abbildung 10-8 zeigt eines der drei kleinen Windräder um die Meilerhütte
Abbildung 10-7 zeigt den Batterieblock
Abbildung 10-9 zeigt zwei Windräder oberhalb der Meilerhütte, dahinter eine Meßstation

Leider konnten die Kosten für eine solche Anlage nicht mehr in Erfahrung gebracht werden. Wer dennoch Interesse an diesem Konzept der Meilerhütte hat, soll sich an Herrn Berger in Starnberg wenden, der diese Anlage konzipiert hat.


10.5. Simulationsprogramme: INSEL

Umfangreiches Programm zur Simulation verschiedenster erneuerbarer Energiesysteme.
Computer System: MS-Windows 3.1.
Sprache: Englisch.
Kontakt: Jürgen Schuhmacher, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, FB Physik, Postfach 2503 D-26111 Oldenburg

Ashling:

Auch das Simulationsprogramm Ashling (siehe Kapitel 5) eignet sich als Simulationsprogramm für eine Inselanlage.


10.6 Energie-Projekt Berg

Keine Inanspruchnahme von öffentlichen Fördergeldern. Von Siegfried Genz privat errichtet. Die eigene Firma GNT betreibt u.a. Forschung für eine Brennstoffzelle.


Da leider schlechte Erfahrungen mit der Herausgabe von Daten gemacht wurden, gibt der Betreiber keine weiteren Daten heraus, so daß keine wirtschaftliche Betrachtung möglich ist ( bis auf Ausnahme der WKA, wo nur mündliche Auskünfte erteilt werden konnten).

Thermosolaranlage:

Vakuum-Röhrenkollektoren auf einer Fläche von 190.41 m2 , sichtbare Absorberfläche 98 m2 , durch Parabolreflektor 118 m2 , Wirkungsgrad 59 %, Aufstellwinkel 60°, Energieertrag 70 MWh/a, Deckungsrate 50% (Raumheizung, Schwimmbad und Brauchwasser).

Photovoltaikanlage:

450 Solarmodule Monokristallin, 52 Wp pro Modul, 60° Neigung, 24 KWp, Montagefläche 202,7 m2 , aktive Generatorfläche 162 m2 , 108 Bleibatterien Plattenbauweise in Serie, 550 Ah Nennkapazität, Netzanschluß, Leistung ca. 12 000 KWh/a

Blockheizkraftwerk:

Schadstoffarmer Dreizylinder-Dieselmotor, Leistung 22,5 KW, Treibstoffverbrauch bei Nennlast 8 l/h, Nutzbare Wärmeabgabe bei Nennlast 53 KW, Gesamtwirkungsgrad 93%

Windkraftanlage:

Enercon 30, Nennleistung 200 KW

Nachteile hier am Standort Berg:
- Mittlere Windgeschwindigkeit nur 2,5 - 3m/s in 10m Höhe
- Nabenhöhe nur 30m statt 50m als Auflage von der Gemeinde Berg, wegen Aufkirchner
   Kirchturm.
- Netzanschluß nur mit 120 KW, da Trafostation zu klein ist (Mehrkosten sonst 100 000 DM)
- In der Nacht Drosselung der Anlage wegen Schallschutz è nur 45-50 KW möglich
- Große Schwierigkeiten mit den Anwohnern (Wertminderung der Grundstücke, Schattenwurf der
   Rotorblätter, Sonnenreflexionen der Rotorblätter, Schallemissionen)
- Ertrag ca. 80 000 KWh/a: Nicht wirtschaftlich bei ca. 400 000 DM Investitionskosten
   (Verzinsung + AVA mit ca. 8% = 32.000,- DM/a,
   Ertrag ca. 80.000,- kWh * 0,19 = 15.200,- DM/a)

Abbildung 10.6-2 zeigt die WKA in Berg
von Starnberg aus gesehen:

Hinter der WKA die Benediktenwand.