"Autarke Energieversorgung eines Güterterminals mittels Photovoltaik"

  • Fachrichtung:Elektrotechnik
  • Studienfach:Photovoltaik
  • Thema:
    Autarke Energieversorgung eines Güterterminals mittels Photovoltaik
  • Art der Arbeit:Masterarbeit
  • Seitenzahl:3
  • Einzigartigkeit:100%
Seminararbeit
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Einzigartigkeit
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Das Prinzip ist also, CO2 zu erhitzen und in der Wärmepumpe noch stärker zu verdichten, bis das Gas die erwünschte Temperatur des Speichermediums erreicht hat. Die Temperatur ist bei bekannter Größe des Speichermediums ein Faktor, der eine unmittelbare Berechnung des gesamten Energievorrates der Anlage ermöglicht; dies ist die Wärmemenge.

Die umgekehrte Nutzung der Energie ist mit einem Stirlingmotor in Kopplung mit einer Lichtmaschine vorgesehen. Beim Stirlingmotor handelt es sich um eine Technik, die gleichzeitig als Wärmepumpe arbeiten kann, d. h., eine schlichte Verstellung der Kurbelwelle ermöglicht quasi eine Umschaltung zwischen Wärmepumpe und Motor. Darüber hinaus ist die Drehzahl regelbar, sodass der erzeugte Vorrat an Wärme im Falle eines Überschusses über den Tag verteilt dauerhaft aufrechterhalten und bei Bedarf wieder abgeschöpft werden kann. Damit die Anlage nicht überdimensioniert wird, werden mehrere wartungsfreundliche Sektionen mit je einem eigenen Stirlingmotor und eigenem Speicher ausgestattet. Dieses Medium ist ebenfalls deshalb zu empfehlen, dass eine lokale CO2-Erzeugung möglich wird. Es reicht im Grunde aus, eine CO2-Erzeugungsanlage zu erwerben und vor Ort CO2 aus der Luft zu entnehmen. Lecks können also beseitigt werden und das Medium steht für eine unbegrenzte Nachfüllung zur Verfügung.

Natürlich sind alternative Mittel möglich, jedoch handelt es sich nicht um ein Kältesystem und deshalb ist die Verwendung eines eigentlichen Kältemittels für die Anlage nicht erforderlich. Reine Luft ist nicht zu empfehlen, da sie hydrophil ist. Die Anlage muss stets entwässert werden. Außerdem ist in der Luft Sauerstoff enthalten, welcher zur Korrosion bei Metallen führt.

Eine berechtigte Frage ist: Wieso Solarthermie und nicht Fotovoltaik? Die Antwort liegt darin begründet, dass Fotovoltaik einen geringeren Wirkungsgrad hat und die gewonnene Energie sehr kostenaufwendig gespeichert werden muss. Die Speicherung erfolgt entweder chemisch oder thermisch, manchmal außerdem kinetisch. Bei jeder Umwandlung entstehen stets Verluste. Die einzige Möglichkeit, einen Ausweg zu finden, ist, die Energieform solange nicht umzuwandeln, bis es wirklich erforderlich ist. Zu Peak-Zeiten wird mehr Kohle verbrannt, wobei chemische Energie erst in thermische und dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Sobald die Peak-Zeit vorüber ist, fährt das Kraftwerk auf seine Normalleistung zurück. Keine überflüssige Kohle wird ohne Grund verbrannt. Auch bei Solarenergie ist es so, dass keine übermäßige Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt werden soll, vielmehr wird ein eventueller Überschuss an Energie kostenlos ohne Transformationskosten in Reservoiren als Wärme behalten. Übrigens kann als Speicher normaler Beton verwendet werden. Die gespeicherte Energie lässt sich vor allem als Heizenergie nutzbar machen: Es entfallen Warmwasserkosten und weitere Nebenkosten. Das Heizmedium CO2 kann direkt anstelle von Wasser in einer geeigneten Heizungsanlage verwendet werden.

Im Vergleich zu Wasser besitzt CO2 nur knapp ein Viertel der Wärmekapazität. Die Gaskonstante besagt, dass die Temperatur beliebig gesteigert werden kann, indem das Medium verdichtet wird. Konzeptuell lassen sich die Speicher direkt im Fundament der Gebäude auslegen, wenn das Fundament nur geringfügig wärmeisoliert wird. Die Speicher wären dann als solche komplett in Form des Gebäudefundaments ausgeführt. Andererseits ist das äußerst fragwürdig, da die stetige Ausdehnung und Zusammenziehung Risse im Stahlbeton erzeugen würden. Die Autoren beschrieben Beton als Speichermedium und keinen Stahlbeton.

Mohr und Kollegen beschäftigen sich äußerst ausführlich mit Solarthermieanlagen.[1] Ihre Werke werden in der vorliegenden Arbeit implementiert. Bei Sonnenstrahlung wird die Kapazität des Speichers überstiegen und die Wärme schlichtweg verworfen. Die Auslegung erfolgt so, dass eine Speicherung auch bei schlechter Sonneneinstrahlung wie z. B. im Winter möglich ist. Dabei sorgt die konzentrierte Wärme an den Kollektoren auch dafür, diese von Schnee zu befreien und durch die Aufstellung in einem speziellen Winkel wird der Abfluss des Tauwassers vom Kollektor ermöglicht. Die von Mohr und Kollegen behandelten Systeme sind meist parabolische Spiegel, die im Winter jedoch nachteilig sind. Deshalb sind gewöhnliche Kollektoren die bevorzugte Wahl für ein autarkes System. Es muss dann niemand mit einem Besen die Parabolspiegel vom Schnee befreien. Oftmals ist es nicht abzusehen, ob anderes Personal vor Ort andere Tätigkeiten ausüben kann als die des üblichen Personals eines Güterterminals. Das System muss so funktionieren, als ob es sich um gewöhnlichen Netzstrom handelt.

Das bedeutet, dass die endgültige Aufgabe darin besteht, 380-Volt-Drehstrom mit sinusförmiger Amplitude mit der Frequenz von 50 Hz bereitzustellen.

Das ist nur dadurch zu erreichen, dass eine Lichtmaschine von einer Kraftanlage angetrieben wird. Es sind Systeme bekannt, die thermische Energie direkt in elektrische umwandeln können. Sie wurden bislang allerdings niemals so angelegt, dass sie eine Industrieanlage versorgen würden.

Im Gegensatz dazu beschreiben Mohr et al. einen zehn Meter großen Parabolspiegel mit Stirlingmotor, der 24 kW erzeugt, also durchaus realistische Zahlen.

 

Das ist der konventionelle Weg, wie in Kohle- und Gaskraftwerken chemische Energie zu elektrischem Strom transformiert wird. Die Geothermiekraftwerke arbeiten nach demselben Prinzip.

Sie benutzen in der Regel Dampfturbinen, dabei handelt es sich ebenso wie beim Stirlingmotor um Wärmekraftmaschinen.

Anlagen mit einer Dampfturbine können 45 % Wirkungsgrad haben, Stirlingmotoren hingegen nur 30 %. Aber: Sie können auch umgekehrt als Wärmepumpen arbeiten.

Der Stirling-Motor ist ein Motor mit äußerer Wärmezufuhr und damit für die solarthermische Stromerzeugung geeignet. Das Arbeitsgas durchläuft einen geschlossenen Doppel-Isothermen-lsochoren-Prozeß, wobei mit einem Regenerator der thermische Wirkungsgrad ηth dem Camot-Wirkungsgrad entspricht.[2]

[1]                     Mohr, M./Svoboda, P./Unger, H.: Praxis solarthermischer Kraftwerke. Heidelberg 1999.

[2]                     Mohr et. al: 97, 98

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