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Der Trend zu einer unabhängigen
Versorgung (Energie-Autarkie), nicht nur bei der Stromversorgung,
sondern auch bei der Heiztechnik und Wasserversorgung,
nimmt immer mehr zu. |
Unter Energieautarkie
versteht man das Bestreben, ein Haus, eine Wohnsiedlung, Gemeinde oder
Region bei der Energieversorgung in den Bereichen Wärme
und Strom in eigener Regie weitgehend
von fossiler Energie unabhängig zu machen. Hierbei wird eine optimale
und effiziente Nutzung der vorhanden lokalen Potentiale
und Ressourcen an erneuerbaren Energien
angestrebt. |
Um Energieautark zu werden, ist
zuerst auf das Bauen im Niedrigenergiehaus-/Passivhaus-Standard
und/oder auf eine thermische Sanierung der vorhandenen
Gebäude zu achten, um den Energieverbrauch
zu reduzieren. Auch Informationen über einen energiesparenden
Umgang mit der Energie sollte gefördert werden. |
Als zweiter Schritt ist das Einbinden
von regionaler erneuerbarer Energien, so z. B. Windkraft
(Kleinwindkraftanlagen), Photovoltaik, Wasserkraft (Mini-Wasserkraftwerke),
Biogas, Biomasse (Holz, Hackschnitzel und thermischer Solaranlagen), einzuplanen.
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Immer mehr Industriebetriebe
bereiten sich schon seit Jahren auf die "atomstromlose" Zeit
vor. Diese Betriebe erzeugen ihren Strom und die industrielle
Wärme (Dampf) für die Produktion,
der Heizung und Kühlung in eigener
Regie. Diese autarken Lösungen nehmen immer mehr zu, um unabhängig
von öffentlichen Anbietern zu sein. So deckt z. B. die Firma
BASF in Ludwigshafen mit dem GuD-System (Gas-
und Dampf-Kraftwerk) ihren eigenen Energiebedarf (zu 100 %) und die Firma
Pfizer in Freiburg deckt ihren eigenen Energiebedarf (z. Zt.
93 %) aus regenerativen Quellen (Photovoltaik, Geothermie,
Wasserkraft und Biomasse). Erst durch diese Lösungen wurden auch
alle Potentiale der Energieeinsparungen
in der Produktion und Heizung bzw. Kühlung ausgeschöpft. Dies
beiden praktizierten Systeme sind weltweit beachtete Beispiele. |
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Inselversorgung
/ Inselbetrieb |
Auch heutzutage gibt es noch Regionen,
die keinen Anschluss an das öffentliche
Stromnetz haben (abgelegene Häuser, Hütten, Boote,
Campingplätze, Wohnwagen- oder Wohnmobile). Außerdem gibt es
Gebiete, die des öfteren mit Stromausfälle rechnen müssen.
Und dann gibt es Leute, die aus ökologischen Sinne eine eigene Stromversorgung
wünschen bzw. diesen Strom in das öffentliche Netz einspeisen
möchten. |
Es gibt verschiedene Möglichkeiten,
eine elektrische Energieversorgung mit 400V/50/60Hz
3~ bzw. 230V/50/60Hz für den Eigenbedarf,
als netzunabhängige bzw. unterbrechungsfreie Inselstromversorgung
(USV) oder zur Einspeisung ins Stromnetz
aufzubauen. |
| Folgende Anlagenarten können miteinander kombiniert werden: |
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Prinzip
einer kleinen Inselstromversorgung |
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Prinzip
einer großen Inselstromversorgung |
Quelle:
Solar Zeller Energiesysteme |
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Solare Inselstromversorgung
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Die Solarmodule einer
kleinen Anlage speisen den solaren Gleichstrom
(12V oder 24V) über einen Laderegler in eine Solarbatterie
ein. Der Laderegler sorgt für eine schonende Batterieladung
und schützt die Batterie vor schädlicher Tiefentladung
durch die Verbarucher. Ein Verbraucher (Beleuchtung, TV/Radio,
Kühlgerät) kann von dem in der Batterie gelagerten
Solarstrom versorgt werden.
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| Die Solarmodule
der Großanlagen speisen den solaren
Gleichstrom (12V / 24V / 48V) über einen Laderegler in
eine Stationärbatterie ein. Die Verbraucher werden über
einen speziellen Wechselrichter, der die Gleichspannung
der Batterie in eine übliche 230V Wechselspannung
umwandelt, versorgt. Dadurch können alle herkömmlichen
Elektrogeräte verwendet werden. Die maximale Leistungsabgabe
des Wechselrichter´s ist aber durch die Batteriekapazität
und den Ladezustand begrenzt. |
| Diese
Anlagen können mit Stromquellen aus der Windkraft,
Wasserkraft oder BHKW ergänzt
werden, um die Versorgungssicherheit besonders im Winter zu
vergrößern |
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USV - Unterbrechungsfreie
Stromversorgung |
Viele Einrichtungen in haustechnischen
Anlagen sind auf eine störungsfreie Stromversorgung
angewiesen. Hier stehen besonders Computersysteme für die Regelungstechnik
im Vordergrund. Aber auch im Bereich der Eigenwasserversorgung und in
Heizungsanlagen kann ein Stromausfall zu erheblichen Problemen führen. |
Besonders in Anlagen mit
festen Brennstoffen, so z. B. Holzvergaserkessel
(HV) und Kamineinsätze mit Wassertaschen, ist eine
ständige Wasserzirkulation notwendig, damit die Wärme abtransportiert
werden kann, es nicht zur Überhitzung kommt und die thermische Ablaufsicherung
(TAS) ansprechen muss. |
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HEIKONTROL
2000 (USV) |
| Quelle:
Heizkontor |
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Wenn diese Anlagen
nicht eigensicher (offene Anlage auf Schwerkraft)
gebaut werden können und ein häufiger Stromausfall
möglich ist, dann ist der Einbau von UVS-Systemen eine
Möglichkeit, die Stromversorgung sicherzustellen. Ansonsten
dürften diese Anlagen nicht gebaut werden. |
UVS-Systeme gibt es
in den verschiedensten Ausführungen. |
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Notstrommodul |
1.
Solarmodule 2. Wechselrichter 3. Batterie 4. Netz 5. Geräte
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Quelle:
Solar Direct GmbH |
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Um den Betrieb wichtiger
elektrischer Geräte (wie Funkgeräte oder medizinische
Apparate und Messinstrumente) auch bei Stromausfällen
sicherzustellen, sind Notstromsysteme auf
der Basis von Solar- oder Windenergie oft die preiswerteste
und effizienteste Lösung. |
Notstromsysteme werden
überall da eingesetzt, wo die Versorgung mit Netzstrom
nicht zuverlässig gewährleistet ist. Eine Backupanlage
übernimmt die Stromversorgung, wenn der Netzstrom ausfällt.
Je nach Größe der Anlage können die nötigsten
Geräte versorgt werden oder auch ein Kühlschrank
und weitere Geräte. Für die Größe der
Anlage ist auch die voraussichtliche Dauer eines Stromausfalls
entscheidend. Quelle: Solar Direct
GmbH |
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Kleinwindkraftanlagen
(KWKA) |
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Kleinwindkraftanlage
für Netz- und Inselsysteme |
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Kleinwindkraftanlagen
(max. 70 kW; Anlagen für private Haushalte leisten zwischen
0,4 bis 30 kW) für private und gewerbliche Zwecke zur
Nutzung von Windkraft sind von vielen Herstellern schon in
Betrieb bzw. in der Entwicklung. Hier wird eine einfache robuste
Bauweise, die eine Lebensdauer von 20 Jahre und ein annehmbares
Preis-/Leistungsverhältnis hat, angestrebt. Auch sollte
die Amortisationszeit, je nach Standort, bei ca. 8 bis 12
Jahren liegen. |
In der IEC-NORM
61400-2:2006 werden Klein-Windkraftanlagen nach folgenden
Vorausetzungen festgelegt. Die Rotorfläche muss kleiner
sein als 200 m² bei 350 W/m². Das bedeutet, dass
die Kleinwindkraftanlagen eine maximale Leistung von 70 kW
haben dürfen. Die Turmhöhe darf 20 m nicht überschreiten.
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Die Kleinwindkraftanlagen
sind im Gegensatz zu Photovoltaikanlagen zur Zeit für Privathaushalte
noch eine Seltenheit. Diese Anlagen werden hauptsächlich für
autarke Inselanlagen bei Ferien- und Wochendhäusern,
in Kleingärten und auf Booten bzw. Schiffen eingesetzt. Eine Hybridanlage,
die aus einer PV-Anlage und Windkraftanlage
den Strom zur Eigennutzung bzw. Netzeinspeisung
herstellt oder zum Laden eines großen Solarakkus genutzt werden
kann. Durch die bivalente Lösung wird die Nutzungszeit verlängert,
da dann auch bei bewölktem und stürmischem Wetter (auch in der
Nacht) Strom erzeugt wird. |
Da die Hochsaison für Kleinwindkraftanlagen
im Winterhalbjahr liegt, sind sie eine ideale Ergänzung zur Photovoltaik
bei einer Inselversorgung (Inselbetrieb). |
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Kleinwindkraftanlage |
Quelle:
ZACK Gesellschaft für innovative Heizungssysteme mbH |
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Vertikal-Windgeneratoren |
Quelle:
MITTRONIK GmbH |
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Das Hauptproblem
wird wohl in der Akzeptanz der Nachbarn und
Behörden liegen. |
| Grundsätzlich gibt es zwei
Typen von Kleinwindkraftanlagen: |
- Rotorblätter drehen sich
um eine vertikale Achse
- Rotorblätter drehen sich
um eine horizontale Achse
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Jede Kleinwindanlage
braucht einen Wechselrichter, der den erzeugten
Strom in konstante 230 Volt und 50 Hertz umwandelt, damit
er im Haus genutzt werden kann. |
Vertikale
Kleinwindkraftanlagen bestehen aus einem Getriebe
und Generator, die in den meisten Fällen
auf dem Boden befestigt sind. Zur Zeit ist die Windausbeute
geringer als die der horizontale Kleinwindkraftanlagen. |
| Merkmale für vertikaler
Kleinwindkraftanlagen: |
- Stromerzeugung auch bei schwachem
Wind
- Keine Abschaltung bei starkem
Wind
- Unabhängig von der Windrichtung
und somit keine Nachführung (Ausrichtung) notwendig
- Auch bei turbulenten Windströmungen
einsetzbar
- Sehr leiser Betrieb
- Bei niedrigen Windgeschwindigkeit
in Bodennähe ein schlechter Wirkungsgrad
- Wartungsaufwand relativ aufwendig
(Auswechselung des Hauptlagers - Demontage der ganzen Kleinwindkraftanlage)
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Horizontale
Kleinwindkraftanlagen bestehen aus einer horizontalen
Achse mit einem Rotor/Generator,
Rahmen/Azimutlager und einer Windfahne. |
| Merkmale für horizontale
Kleinwindkraftanlagen sind: |
- Langlebigkeit durch Erfahrungen
aus den Großwindkraftanlagen
- Guter Wirkungsgrad schon bei
Windgeschwindigkeiten von 3 m/s
- Geräuschpegel
je nach Windradtyp unterschiedlich
- Zur Zeit noch effizienter als
vertikale Kleinwindkraftanlagen
- Abhängig von der Windrichtung,
somit muss ist eine Nachführung (Ausrichtung) notwendig
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Kleinwindkraftanlagen
müssen genehmigt werden und den Vorschriften inbezug auf
Lärm und Schattenwurf entsprechen. Leider entscheiden die regionale
Behörden immer noch unterschiedlich. Die Bauämter können
hier Auskünfte erteilen. In einigen Bundesländern sind Anlagen
bis zu 10 m Höhe genehmigungsfrei, aber verzichten nicht auf ein
statisches Gutachten. |
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Architekt
erfindet neue Technologie |
Neue Ideen sind gefragt,
wenn es um den Ausbau der erneuerbaren Energien geht. Ein
Architekt aus Freiburg hat möglichweise einen Kompromiss
gefunden, mit dem Gegner und Befürworter von Windrädern
einverstanden sind. Er baut die Windräder direkt auf
Baumspitzen. |
Mit Windkraftanlagen
auf Baumkronen greift der Freiburger Architekt
Wolfgang Frey in die Diskussion um die Windkraft ein.
Als Prototyp hat er in Freiamt im Kreis Emmendingen
auf einer rund 30 Meter hohen Douglasie eine Windkraftanlage
montiert. Eine Gesetzeslücke in den
Genehmigungsvorschriften macht es möglich. |
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Schon im 12. Jahrhundert
wurden in Mitteleuropa Windmühlen eingesetzt.
Bis Mitte des 18. Jahrhunderts waren dann 200.000 Windmühlen
in Betrieb. Diese wurden nicht nur als Getreidemühlen,
sondern auch als Pumpen zum Trockenlegen
von Sumpfgebieten und Trockenhalten
von den Niederungen (Polder, Koog, Groden)
in Holland und an der Nordseeküste eingesetzt. |
Sie wurden Anfang des 19. Jahrhunderts
nach dem zunehmenden Einsatz der Dampfmaschinen
stillgelegt. Im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts wurde
die Windenergie zur Stromerzeugung, z. B. auch durch Kleinwindkraftanlagen,
"wiederentdeckt". So werden inzwischen viele Landwirte
zu Energiewirten.
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Windkraftpumpe |
Quelle:
Molzan Windkraftpumpen |
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Die Windkraftpumpen
werden seit Jahrzehnten zur stromlosen Föderung
von Wasser und Sauerstoff
in der Fisch- und Landwirtschaft
(z. B. aus Brunnen auf Viehweiden) eingesetzt. |
Die Windkraftpumpe
besteht aus einem feuerverzinkten freistehenden Mast, der
das wartungsfreie Exentergetriebe, den ausgewuchteten Rotor
und die Windfahne, die zur Steuerung und Abschaltung dient,
sowie die Pumpenanlage. Das hohe Drehmoment des Rotors ermöglicht
eine Wasser- sowie Sauerstoffförderung schon bei Windstärke
1 bis 2 Beaufort je nach Saughöhe, wobei schon bei Windstärke
4 bis 5 die Nennleistung erreicht ist. Die Windfahne dient
auch zur Drehzahlbegrenzung des Rotors bei Starkwind und verhindert
gleichzeitig eine Beschädigung der Windkraftanlage. Das
Rotorkreuz und Windfahnengestänge sind feuerverzinkt,
die Rotorflügel und Windfahnenbleche sind aus rostfreien
Edelstahl. |
| Die Windkraftpumpen eignen sich für
Be- und Entwässerung, für Weidetränken, zum Umpumpen,
zur Bewässerung und zur Belüftung von Fischteichen.
Quelle: Molzan Windkraftpumpen |
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Sonnenbatterie |
Quelle:
PROSOL Invest Deutschland GmbH |
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Mit der Sonnenbatterie
kann der selbst erzeugte Strom aus Photovoltaik-
oder Kleinwindkraftanlagen, BHKW's, Wasserkraft- oder Biogasanlagen
gespeichert werden. Die Anlage kann in jedes
Hausnetz mit 3-Phasen und 230 V Wechselspannung
integrieren werden. |
Sie basiert auf neuester Lithium-Technologie,
die auch bei modernen Elektroautos zum Einsatz kommt. Alle
Batteriezellen werden einzeln überwacht und gesteuert.
Die Speicherkapazität der
Sonnenbatterie reicht von 8 bis 17 kWh. Die zusätzliche
Anreicherung mit Yttrium verlängert die Lebenszeit
der Batteriezellen.
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Ein
Notstromaggregat wird zunehmend
im industriellen, aber auch privaten, Bereich eingesetzt. Besonders in
Gebäuden, die mit Strom beheizt werden, so z. B.
Wärmepumpenanlagen, ändert sich die Risikobewertung.
Im Prinzip ist jede moderne Anlage von der Stromversorgung abhängig.
Notstromaggregate und Netzersatzanlagen sind für
Krankenhäuser, Behörden, Rechenzentren und andere sensible Bereiche
vorgeschrieben oder selbstverständlich. |
Diese Stromaggregate
gibt es als stationäre Einheiten (Industrie,
Krankenhäuser) oder mobile Geräte
(pivate Wohngebäude). Sie können mit Gas, Benzin
oder Diesel betrieben werden. |
Die mobilen
(tragbaren) Geräte haben eine Leistung von 2
bis 30 kVA, die über mehrere 230 Volt
Schutzkontakt-Steckdosen verfügen und darüber hinaus
meist noch mit einem Kraftstrom-Anschluss ausgestattet sind. |
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Inverter-Generatoren
(-Stromerzeuger) sind Wechselrichter. (Gleichspannung
in Wechselspannung bzw. Gleichstrom in Wechselstrom). Hier sind der Verbrennungsmotor
und Generator elektrisch voneinander getrennt und sie
laufen nicht mit der selben Frequenz. Der vom Generator erzeugte Strom
wird von der nachgeschalteten Wechselrichterelektronik in 230 oder 400
Volt mit 50 Hz umgewandelt. So wird aus dem Eingangsstrom eine perfekte,
saubere Sinusspannung mit einer optimalen Sinuskurve
hergestellt. |
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Honda-Inverter-Stromerzeuger |
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Diesel-Inverter-Stromerzeuger |
Quelle:
MITTRONIK GmbH |
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Die Inverter-Generatoren
können im Schwachlast- bzw. Teillastbetrieb
ihre Drehzahl und dadurch nicht nur den
Kraftstoffverbrauch, sondern auch die Geräuschentwicklung,
reduzieren. Auch soll die Stromqualität besser
sein, als der Strom aus der Haussteckdose. |
Die Geräte
sind nicht mehr an die bei der Stromerzeugung notwendige
Drehzahl von 3000 min-1 gebunden. Dadurch können
sie kompakter als konventionelle Generatoren gebaut werden,
da mit weniger Hubraum gearbeitet werden kann. Statt eines
Verbrennungsmotors mit 120 cm3 Hubraum
und 3000 min-1 kann ein 50
cm3-Motor mit 6000 min-1
bei gleicher Leistung eingesetzt werden.
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Die Inverter-Generatoren
in der Leistungsklasse bis ca. 2 kVA sind so kompakt, dass
sie ohne Probleme von einer Person transportiert werden
können. |
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Klein-Brennstoffzelle |
Quelle:
SFC Energy AG |
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Diese Brennstoffzelle
wurden für eine zuverlässige alternative
Stromversorgung von mobilen und portablen Anwendungen
im Leistungsbereich bis 90 W entwickelt. Es gibt drei
Modelle mit einer Ladekapazität von 600 bis 2160 Wh pro
Tag. Bei einem höheren Bedarf können mehrer kombiniert
werden. |
In der Brennstoffzelle wird chemische
Energie ohne Zwischenschritte, ohne bewegte Teile
und ohne große Wirkungsgradverluste in elektrische
Energie umgewandelt. |
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Das Strom erzeugende
Herzstück der Brennstoffzellen ist der Stack (engl. Stapel).
Er besteht aus einzelnen Zellen, die jeweils aus Anode, Kathode
und einer Membran aufgebaut sind, die als Elektrolyt Anode
und Kathode voneinander trennt. Durch die Membran können
positiv geladene elektrische Teilchen, die Protonen, diffundieren.
Auf der Seite der Anode werden Wasser und Methanol zugeführt,
auf der Seite der Kathode Sauerstoff aus der Umgebungsluft.
In der Reaktion an der Anode entstehen H+-Ionen und freie
Elektronen, sowie als Reaktionsprodukt Kohlendioxid (CO2).
Die Protonen können die Membran durchqueren, die Elektronen
müssen über einen angeschlossenen Stromkreis auf
die Kathodenseite wandern und erzeugen dabei Strom. An der
Kathode entsteht aus den H+-Ionen, dem Luftsauerstoff und
den Elektronen Wasserdampf. Quelle:
SFC Energy AG |
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Funktionsprinzip |
Quelle:
SFC Energy AG |
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