Maschinenbau / Mechatronik
Nußbaumer, Johannes
Konzept zur Energieversorgung
von Erdgassonden bei der
Rohöl- Aufsuchungs- AG (RAG)
- eingereicht als Diplomarbeit -
Hochschule Mittweida – University of Applied Sience (FH)
Erstbetreuer Zweitbetreuer
Prof. Dr.-Ing. Ralf Hartig
Attnang-Puchheim 2011
I. Inhaltsverzeichnis II
I. Inhaltsverzeichnis III
I. Inhaltsverzeichnis
II. AbbildungsverzeichnisII. AbbildungsverzeichnisII. AbbildungsverzeichnisII. Abbildungsverzeichnis................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................VVVV
III. TabellenverzeichnisIII. TabellenverzeichnisIII. TabellenverzeichnisIII. Tabellenverzeichnis............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................VIVIVIVI
IV. AnlagenverzeichnisIV. AnlagenverzeichnisIV. AnlagenverzeichnisIV. Anlagenverzeichnis ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................VIIVIIVIIVII
V. Abkürzungsverzeichnis / GlossarV. Abkürzungsverzeichnis / GlossarV. Abkürzungsverzeichnis / GlossarV. Abkürzungsverzeichnis / Glossar....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................VIIIVIIIVIIIVIII
VI. KurzfassungVI. KurzfassungVI. KurzfassungVI. Kurzfassung ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ IXIXIXIX
VII. Executive SummaryVII. Executive SummaryVII. Executive SummaryVII. Executive Summary........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ XXXX
1111 EinleitungEinleitungEinleitungEinleitung ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................11111111
2222 Theoretische GrundlagenTheoretische GrundlagenTheoretische GrundlagenTheoretische Grundlagen............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................13131313
2.1 Energiebereitstellung mit Photovoltaik ...........................................................13
2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise einer Solarzelle...........................................13
2.1.2 Solarzellentypen ................................................................................................16
2.1.3 Komponenten einer Photovoltaikanlage..................................................18
2.1.4 Anlagenkonzepte und Einsatzmöglichkeiten ..........................................20
2.1.5 Dimensionierung von Inselanlagen ...........................................................21
2.1.6 Kosten ...................................................................................................................22
2.1.7 Vor- und Nachteile der Photovoltaik..........................................................22
2.2 Energiebereitstellung mit Brennstoffzellen ...................................................24
2.2.1 Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle ......................................................24
2.2.2 Wirkungsgrad ......................................................................................................25
2.2.3 Zellspannung ......................................................................................................28
2.2.4 Klassifizierung der Brennstoffzellen ...........................................................29
2.2.5 Wasserstoff und Methanol - Energieträger für die Brennstoffzelle32
2.2.6 Herstellung von Wasserstoff .........................................................................32
2.2.7 Herstellung von Methanol .............................................................................34
2.2.8 Kosten ...................................................................................................................34
2.2.9 Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen .................................................34
2.3 Energiespeicher ......................................................................................................35
2.3.1 Batterien und Akkumulatoren ......................................................................35
2.3.2 Wichtige Kenngrößen für Akkumulatoren................................................36
2.3.3 Zukünftige Energiespeichertechnologien .................................................37
IV
2.3.4 Kosten ...................................................................................................................39
2.3.5 Vor- und Nachteile der Energiespeicher ..................................................40
2.4 Ökostromgesetz (ÖSG) .......................................................................................43
2.5 Stromversorgung ....................................................................................................43
2.5.1 Kosten ...................................................................................................................44
3333 Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum BetreibenEvaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum BetreibenEvaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum BetreibenEvaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben
einer ausgewählten Erdgassondeeiner ausgewählten Erdgassondeeiner ausgewählten Erdgassondeeiner ausgewählten Erdgassonde ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................45454545
3.1 Der ausgewählte Standort der Erdgassonde................................................45
3.2 Energieversorgung einer Erdgassonde...........................................................47
3.2.1 Versorgung mit einer Photovoltaikanlage ................................................48
3.2.2 Kostenschätzung ...............................................................................................51
3.2.3 Versorgung mit Photovoltaikanlage und Brennstoffzelle....................54
4444 Berechnung und ErgebnisseBerechnung und ErgebnisseBerechnung und ErgebnisseBerechnung und Ergebnisse ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................61616161
4.1 Photovoltaik-Anlage...............................................................................................61
4.1.1 Simulationsergebnisse ....................................................................................61
4.2 Photovoltaik-Anlage und Brennstoffzelle.......................................................63
4.2.1 Simulationsergebnisse ....................................................................................63
4.3 Kostenschätzung ....................................................................................................66
4.4 Bewertung.................................................................................................................67
5555 Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und AusblickZusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................68686868
VIII. LiteraturverzeichnisVIII. LiteraturverzeichnisVIII. LiteraturverzeichnisVIII. Literaturverzeichnis .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... IXIXIXIX
AnlagenverzeichnisAnlagenverzeichnisAnlagenverzeichnisAnlagenverzeichnis ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ XIIXIIXIIXII
IX. Eidesstattliche ErklärungIX. Eidesstattliche ErklärungIX. Eidesstattliche ErklärungIX. Eidesstattliche Erklärung.................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... XVIIIXVIIIXVIIIXVIII
II. Abbildungsverzeichnis V
II. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Aufbau einer Solarzelle ...................................................................................13
Abbildung 2 Energiebänder bei Leitern, Halbleitern und Isolatoren........................14
Abbildung 3 Funktion einer Solarzelle.................................................................................16
Abbildung 4 Funktionsschema Brennstoffzelle e.D......................................................24
Abbildung 5 Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle.......................................................27
Abbildung 6 Brennstoffzellen-Stack .....................................................................................28
Abbildung 7 verschiedener Brennstoffzellentypen.........................................................29
Abbildung 8 Wirkungsgrade von Brennstoffzellen..........................................................29
Abbildung 9 Dampfreformer Leuna Fa. Linde .................................................................33
Abbildung 10 Optimaler Neigungswinkel der PV Paneele..........................................46
Abbildung 11 Globalstrahlung Tagesmittel für Munderfing ........................................46
Abbildung 12 Prinzipschaltbild PV-Energiespeicher-Anlage .....................................454
Abbildung 13 Energiespeicherkosten für Akkumulatoren............................................48
Abbildung 14 Lebensdauer der Energiespeicher............................................................54
Abbildung 15 Prinzipschaltbild PV-BZ-Energiespeicher-Anlage..................................54
Abbildung 16 EFOY ProCube geöffnet ...............................................................................55
Abbildung 17 iGen™System ...................................................................................................60
Abbildung 18 Einstrahlungsberechnung der PV-Anlage...............................................57
Abbildung 19 Leistung für PV-Anlage und PV-Anlage mit BZ.....................................65
Abbildung 20 Kosten für die Energieversorgung ............................................................62
Abbildung 21 Betriebs- und Wartungskosten für Energieversorgung .................63
III. Tabellenverzeichnis VI
III. Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 Technische Daten wichtiger Halbleitermetalle, e.D....................15
Tabelle 2 Wirkungsgrade der Silizium-Solarzellen und –module...............17
Tabelle 3 Modulwirkungsgrade von Solarzellen ........................................17
Tabelle 4 Solarmodulkosten , e.D. ............................................................22
Tabelle 5 freiwerdende Energie ................................................................25
Tabelle 6 Brennstoffe für Brennstoffzellen ................................................27
Tabelle 7 Anwendung der Brennstoffzelle.................................................29
Tabelle 8 Brennstoffkosten für Brennstoffzellen, e.D. ...............................34
Tabelle 9 Technische Daten, e.D..............................................................38
Tabelle 10 Energiedichte, e.D...................................................................39
Tabelle 11 Akkumulatorkosten, e.D. .........................................................39
Tabelle 12 Kabelkosten, e.D. ....................................................................44
Tabelle 13 Stromanschlusskosten ............................................................44
Tabelle 14 Verbraucher, e.D. ....................................................................49
Tabelle 15 Mindestfläche, e.D...................................................................50
Tabelle 16 Daten eines PV-Moduls, e.D. ..................................................50
Tabelle 17 Ergebnisse für den Energiespeicher, e.D. ...............................50
Tabelle 18 Kostenschätzung Gesamtanlage e.D. .....................................48
Tabelle 19 Lebensdauer in Jahren, e.D. ...................................................49
Tabelle 20 Brennstoffeigenschaften e.D. ..................................................56
Tabelle 21 Datenblatt EFOY-Brennstoffzellen, e.D. ..................................57
Tabelle 22 Tankpatronen für EFOY-Brennstoffzellen................................58
Tabelle 23 EFOY ProCube Konfiguration..................................................59
Tabelle 24 IDA Tech 250W, e.D. ..............................................................60
Tabelle 25 Hauptsimulationsergebnisse, e.D. ...........................................58
Tabelle 26 EFOY 600 ...............................................................................64
Tabelle 27 Elektrische Jahresproduktion PV – BZ ....................................64
Tabelle 28 Bewertung der Energieversorgung e.D....................................63
IV. Anlagenverzeichnis VII
IV. Anlagenverzeichnis
Anlage 1 Rohstoffe für Energiespeicher e.D ............................................ XII
Anlage 2 Brennstoffe ............................................................................... XII
Anlage 3 Korrekturfaktoren ..................................................................... XIII
Anlage 4 Langjähriges Mittel der Globalstrahlung ................................... XIV
Anlage 5 Simulationsergebnisse - esomatic............................................. XV
Anlage 6 Angebot - udomi ...................................................................... XVI
Anlage 7 Simulationsergebnisse - udomi .............................................. XVII
V. Abkürzungsverzeichnis / Glossar VIII
V. Abkürzungsverzeichnis / Glossar
a Jahr, jährlich
AFC Alkalische Brennstoffzelle
Akku Akkumulator
Anz. Anzahl
autom. Automatisch
Betr.Std. Betriebsstunden
BHKW Blochheizkraftwerk
BZ Brennstoffzelle
d. der, die, das
DMFC Direktmethanol–Brennstoffzelle
Ee Bestrahlungsstärke in [W/m²]
e.D. eigene Darstellung
eV Elektronenvolt
EVU Elektroversorgungsunternehmen
Hz Hertz
k.A. keine Angabe
kWel Kilowatt elektrisch
KWK Kraftwärmekopplung
lat. lateinisch
MCFC Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle
MWel Megawatt elektrisch
mN Milliohm
PAFC Phosphorsäure-Brennstoffzelle
PEMFC Polyelektrolytmebran-Brennstoffzelle
PV Photovoltaik
SOFC Festoxid-Brennstoffzelle
Umgebungstemp. Umgebungstemperatur
V Volt
WP Watt peak
WKA Windkraftanlage
WV(T) Energieverbrauch in [Wh] abhängig von der Zeit T
VI. Kurzfassung IX
VI. Kurzfassung
Die autarke zuverlässige und kostengünstige Energieversorgung von Produkti-
onssonden und Aufbereitungsstationen von Erdöl- und Erdgasgewinnung ge-
winnt immer mehr an Bedeutung. Sonne, Wind und Wasser stehen in großen
Mengen zur Verfügung und werden hauptsächlich von lokalen EVUs genutzt.
Zurzeit wird ein Großteil der Produktionssonden und Aufbereitungsstationen
durch elektrischen Strom vom lokalen EVU gespeist. Dadurch fallen jährlich ho-
he Betriebskosten an. Die Anschlussleistung für die Produktionssonden und
Aufbereitungsstationen liegt zwischen 100 W und 5.000 W.
Regenerative Energieformen wie Photovoltaik und Brennstoffzellen nehmen
einen immer höheren Stellenwert ein und sollen erörtert, analysiert und auf ihre
Wirtschaftlichkeit im Vergleich zum konventionellen Stromanschluss untersucht
werden. Diese Diplomarbeit soll ein Entscheidungswerkzeug für die technisch
zuverlässige und wirtschaftliche Einrichtung einer Energieversorgung sein.
Dazu sollen in erster Linie marktreife regenerative Energieversorgungssysteme
betrachtet werden. Ein wichtiges Kriterium ist die Energiespeichertechnik. Hier
sollen vor allem marktreife Systeme, aber auch zukünftige Technologien vergli-
chen und betrachtet werden.
In den theoretischen Grundlagen der Diplomarbeit werden die Vor- und Nach-
teile von Photovoltaik, Brennstoffzelle, sowie die dazu gehörende Energiespei-
chertechnik betrachtet. Die ökologischen und ökonomischen Fakten dieser Sy-
steme werden ebenso durchleuchtet.
Die Energieversorgung einer Erdgassonde wird hier genau erörtert. Zuerst wird
diese mit einer Photovoltaikanlage ausgestattet. Anschließend wird die Kombi-
nation von regenerativen Energieformen beschrieben.
Der Betreiber kann dann anhand einer Bewertungsskala nach ökologischen und
ökonomischen Gesichtspunkten so wie nach der Betriebssicherheit entscheiden,
welches System für Ihn in Frage kommt.
VII. Executive Summary X
VII. Executive Summary
Selfsupporting, reliable and low cost energy supply of production-well and purifi-
cation plant of crude oil and natural gas is becoming more and more important.
Different types of natural energy such as sun, wind or water are nearly every-
where available. These types of natural energy are used by power supply com-
panies. Energy, which is needed for the operation of production-wells and purifi-
cation plant of crude oil and natural gas have to be bought at these power sup-
ply companies which results in high overheads.
The connection power for production-well and purification plant lies between
100 and 5.000 W.
Regenerative energy as photovoltaic, fuel cells and wind energy plants becomes
of growing importance for energy supply. This paper analyzes different types of
energy supply systems. It looks economical aspects of rentable energy in com-
parison to power supplied by economical companies. Furthermore this paper
should be a tool to decide whether a method of energy supply is technically
reliable and economically useful.
Predominantly pre commercial types of regenerative energy will be analyzed.
Thereby one of the most important criteria is the of energy store technology.
This paper considers pre commercial products as well as intended technologies.
To give the theoretical background, the pros and cons of energy supply systems
as photovoltaic, fuel cells, wind energy plants, emergency power generator,
block heat power plant, micro gas turbine are discussed. Additionally the eco-
logical und economical factors of these systems are outlined.
As a concrete example, the power supply of natural gas connected with a cable
supply of power is drafted. Based on that, the equipment with photovoltaic to
supply these plants with energy is explained. Furthermore a combination of dif-
ferent regenerative energy types is outlined.
An operator of production-well and purification plant of crude oil and natural gas
should be able to use a developed event scale to evaluate which combination
of different energy types regarding ecology, economy and security reasons pro-
vides the best solution for them.
Einleitung 11
1 Einleitung
Bei der Erdgas und Erdölgewinnung werden sogenannte Sonden (Förderein-
richtungen) benötigt. Diese Förderstellen befinden sich häufig in exponierten
Lagen, die nur erschwerenden und somit kostspielig mit der Infrastruktur zu
erschließen sind. Die Rohöl Aufsuchungs-AG (RAG) wurde 1935 gegründet und
sie beschäftigt sich mit dem Aufsuchen, dem Bohren und der Förderung von
Erdöl und Erdgas. Sie betreibt in ihren Konzessionsgebieten Oberösterreich,
Niederösterreich, Salzburg und Bayern 72 Erdöl- und 121 Erdgasproduktions-
sonden (davon 8 Erdgasspeicher).
Die Sonden sind das ganze Jahr, 24 Stunden in Betrieb, wo neben der Förde-
rung des Erdöls oder Erdgases auch die Prozessdaten (Druck, Temperatur und
Fördermenge) kontinuierlich erhoben und an eine zentrale Stelle (Dispatching-
Zentrale nach Gampern) gesendet werden. Neben diesen Daten erfolgt auch
eine andauernde Überwachung des Förderbetriebes. Wenn eine Störung auftritt,
wird der Bereitschaftsdienst verständigt und dieser behebt das jeweilige Pro-
blem.
Wie schon oben erwähnt sind die Anschlusskosten dieser Sonden kostspielig, da
die Aufrechterhaltung des Betriebes dieser Sonden mit elektrischer Energie er-
folgt und die Verlegung der Versorgungsleitung, nach den Richtlinien des EVUs
erfolgen muss.
Diese Arbeit möchte die Machbarkeit einer autarken Energieversorgung auf Ba-
sis von Photovoltaik untersuchen. Beschränkt sich aber in der Betrachtung nur
auf die Erdgassonden, da die Förderung von Erdgas ohne zusätzliche Energie
erfolgt und „nur“ eine Energie für die Übermittlung der Betriebsdaten und
Überwachungsdaten erfordert. Die Datenübertragung würde wie bisher auf
Funkbasis erfolgen.
Es werden konventionelle und alternative Energiequellen für das Betreiben der
Sonden gegenüberstellt, Anschaffungs- und Betriebskosten aufgeschlüsselt und
die Ausfallswahrscheinlichkeit der Photovoltaik durch Nebel- und Schlechtwet-
terphasen betrachtet. Durch den möglichen Einsatz von Photovoltaikanlagen
würde sich eine Energieautarkheit ergeben, wobei der Zukauf konventioneller
Energie entfallen würde.
Diese Photovoltaikanlage besteht aus Photovoltaikpaneelen, einem Energie-
wandler und einer Energiespeichereinheit. Diese Energiespeichereinheit soll ein
Akkumulator sein. Es werden verschiedene Akkumulatortypen bzw. –technologi-
en (Gewicht, Kapazität, Temperaturempfindlichkeit, Wartungsaufwand, Standzeit
und Kosten pro Ah) verglichen und eine Auswahl getroffen, welcher Akkumula-
Einleitung 12
tor für diese Betriebsbedingungen am günstigsten ist. Weiters soll die geeignete
Größe der Photovoltaikanlage über eine Wirtschaftlichkeitsberechnung ermittelt
werden.
Gleichzeitig wird auch eine Kombination einer Photovoltaikanlage mit einer
Brennstoffzelle, zur Unterstützung der Energieversorgung über die Herbst- und
Wintermonate evaluiert, womit ein Inselbetrieb einer Erdgassonde möglich wird.
Als zusätzlichen Schritt soll in dieser Diplomarbeit auch ein Vergleich verschie-
dener Berechungsprogramme für Photovoltaikanlagen erfolgen.
Autarkie
Autark heißt, dass die Sonden sich mit der von der Natur gelieferten Energie
selber versorgen können. Die dabei aufgenommene Energie soll in einem Ener-
giespeicher gespeichert werden und versorgt alle Verbraucher der Sonden. Die-
se Sonden sollen somit über einen längeren Zeitraum wartungs- und störungs-
frei laufen.
Theoretische Grundlagen 13
2 Theoretische Grundlagen
In diesem Kapitel werden die möglichen regenerativen Energiequellen betrach-
tet, welche für autarke Energieversorgung von Erdgassonden in Frage kommen.
2.12.12.12.1 Energiebereitstellung mit PhotovoltaikEnergiebereitstellung mit PhotovoltaikEnergiebereitstellung mit PhotovoltaikEnergiebereitstellung mit Photovoltaik
Als Photovoltaik wird die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische
Energie bezeichnet. Grundlage dafür ist der photoelektrische Effekt, welcher
1839 von Becquerel entdeckt wurde. Photonen lösen dabei aus einem Material
Elektronen aus. Der innere Photoeffekt, führt bei Halbleitern zu einer Änderung
der elektrischen Leitfähigkeit und wird zur Messung von Licht durch Halbleite-
dioden benutzt.“1
2.1.12.1.12.1.12.1.1 Aufbau und Wirkungsweise einer SolaAufbau und Wirkungsweise einer SolaAufbau und Wirkungsweise einer SolaAufbau und Wirkungsweise einer Solarrrrzellezellezellezelle
Abbildung 1: Aufbau einer Solarzelle2222
Solarzellen werden hauptsächlich aus Silizium hergestellt. Silizium ist ein Ele-
ment der IV. Hauptgruppe und der 3. Periode. Die Elemente der IV. Hauptgrup-
pe, auch Kohlenstoffgruppe genannt, lauten: Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Ger-
manium (Ge), Zinn (Sn) und Blei (Pb). Kohlenstoff und Silizium sind säurebil-
dende Nichtmetalle. Germanium, Zinn und Blei gehören zu den amorphen
1 Taschenbuch der Physik , 2000, 746ff2 TU Berlin abgerufen am 3.11.2009
Theoretische Grundlagen 14
Elementen. Silizium ist das zweithäufigste Element der Erdkruste und kommt
chemisch gebunden in den meisten Gesteinen und deren Verwitterungspro-
dukten vor. Es liegt als Oxid und in Form von Silikaten vor; beide machen zu-
sammen fast 90% der Erdkruste aus. Alle Elemente der IV. Hauptgruppe besit-
zen 4 Valenzelektronen. Als Valenzelektronen werden jene Elektronen bezeich-
net, die auf der Außenschale kreisen und höchstes Energieniveau besitzen.
Silizium bildet dunkelgraue, schwach metallisch glänzende Kristalle, ist ein
Halbleiter und ist in Säuren unlöslich.3
Abbildung 2: Energiebänder bei Leitern, Halbleitern und Isolatoren4
Das Energieband, indem sich die Valenzelektronen befinden, nennt man Va-
lenzband (VB). Das unbesetzte Energieband, das sich über dem Valenzband
befindet, wird Leistungsband (LB) genannt. Dazwischen liegt die verbotene Zo-
ne. Ist diese schmal, so kann sie von Elekronen durch Energiezufuhr (Wärme,
Licht) angeregt und übersprungen werden. Der Umstand, dass sich dadurch die
elektrische Leitfähigkeit erhöht, wird beispielsweise in der Solarzelle technisch
genutzt. Schmale verbotene Zonen sind charakteristisch für Halbleiter.5
Für die Photovoltaik sind Halbleiter von entscheidender Bedeutung. Die elektri-
sche Leitfähigkeit liegt zwischen 10-5 mN und 107 mN. Als Halbleiterwerkstoffe
werden Silizium (Si), Germanium (Ge), Germaniumarsenid (GeAs) oder Zink-
selenid (ZnSe) verwendet, deren Eigenschaften in Tabelle 1 dargestellt sind.6
3 Taschenbuch der Chemie, 1990, 346ff4 vgl. Quaschning d Bild 5.35 Taschenbuch der Chemie, 1990, 1776 vgl. Quaschning a, 2007/2008, 154
Theoretische Grundlagen 15
Tabelle 1: Technische Daten wichtiger Halbleitermetalle, e.D.7777
Halbleitermaterial Ge Si GaAs
Energielücke ∆E in [eV] 0,72 1,12 1,41
Elektronenbeweglichkeit [cm2/(V*s)] 3.900 1.400 6.000
Defektelektronenbeweglichkeit [cm2/(V*s)] 1.700 480 450
Wärmeleitfähigkeit [W/(cm*K)] 0,63 0,84 0,48
Dichte [g/cm3] 5,32 2,32 5,37
Zulässige Arbeitstemperatur [°C] 80 (100) 150 (200) 180 (400)
Schmelztemperatur [°C] 958 1.420 1.237
Damit eine Solarzelle funktionieren kann, muss das Halbleitermaterial zuerst
dotiert werden. Beim Dotieren werden Fremdatome durch Schmelzen oder
Diffusion in das Material eingebracht. In das Siliziumgitter wird ein Element der
V. Hauptgruppe (5 Valenzelektronen) eingebaut, z.B. Phosphor (P) oder Anti-
mon (Sb). Dadurch ergibt sich ein Elektronenüberschuss. Die Fremdatome hei-
ßen Donatoren (Geber). Man spricht von der n-Dotierung. Wird ein Element der
III. Hauptgruppe (3 Valenzelektronen) z.B. Bor (B) oder Aluminium (Al) in das
Siliziumgitter eingebracht, so ergibt sich ein Loch. Die Fremdatome heißen Ak-zeptoren (Empfänger). Es wird von der p-Dotierung gesprochen.
Das Sonnenlicht zerstört die Gitterstruktur des Metalls. Dadurch werden Elektro-
nen herausgeschlagen, die in den n-Bereich der Solarzelle wandern. Treten n-
dotierte und p-dotierte Halbleiter in Kontakt, so entsteht der pn- Übergang. Im n-
Leiter entsteht ein Überschuss an freien Elektronen und im p-Halbleiter ein
Überschuss an Löchern. Dies führt dazu, dass freie Elektronen vom n-Gebiet ins
p-Gebiet und die Löcher vom p-Gebiet ins n-Gebiet diffundieren. An der pn-
Übergangszone bildet sich im n-Gebiet eine positive und im p-Gebiet eine ne-
gative Raumladungszone. Es entsteht ein elektrisches Feld zwischen n-Gebiet
und p-Gebiet. Dieses ist der Bewegung der Ladungsträger entgegengerichtet.
Dadurch entsteht eine Spannungsquelle, der ein Verbraucher angeschlossen
werden kann. Bei diesem Vorgang wird Gleichstrom erzeugt.8
7 vgl. Bergmann 2, 2005, 5378 vlg. Quaschning a, 2007/2008, 156ff
Theoretische Grundlagen 16
Abbildung 3: Funktion einer Solarzelle9
2.1.22.1.22.1.22.1.2 SolarzellentypenSolarzellentypenSolarzellentypenSolarzellentypen
In der Photovoltaik werden hauptsächlich Solarzellen aus Silizium eingesetzt:
monokristalline Solarzellen
polykristalline Solarzellen
amorphe oder Dünnschicht-Solarzellen
Monokristalline Solarzellen
Quarzsand (SiO2) wird mit Koks auf 1800° C erhitzt und geschmolzen. Das
dabei hergestellte metallurgische Silizium weist einen Reinheitsgrad von
98 % auf. Beim anschließenden Silan-Prozess wird Silizium mit Chlorwasserstoff
versetzt. Bei einer exothermen Reaktion entstehen Trichlorsilan und Wasserstoff.
Das Trichlorsilan wird über eine Destillationsanlage von Verunreinigungen be-
freit. An einem dünnen Siliziumstab bildet sich bei hohen Temperaturen Silizium
mit hochreinem Wasserstoff. Die dabei entstehenden Siliziumstäbe haben einen
Durchmesser von 30 Zentimetern und eine Länge von zwei Metern. Die Stäbe
können zur Herstellung von polykristallinem Silizium verwendet werden.10
Polykristalline Solarzellen
Bei polykristallinem Silizium sind die Kristalle unterschiedlich ausgerichtet. Zwi-
schen diesen Bereichen unterschiedlicher Ausrichtung entstehen Korngrenzen.
9 Elektronik-Kompendium, abgerufen am 16.05.200910 vgl. Quaschning b, 1996, 211
Theoretische Grundlagen 17
Um den Wirkungsgrad der Solarzelle zu erhöhen, kann aus dem polykristallinen
Silizium monokristallines Silizium hergestellt werden.11
Hierzu verwendet man das Zonenzieh-Verfahren. Dieses Verfahren ist mit einem
besonderen Raffinationseffekt verbunden. Ein mehrfaches Durchlaufen der rei-
nigenden Schmelzzone, so genanntes Zonenschmelzen, führt zu hohen Rein-
heitsgraden. Die kristallinen Siliziumstäbe werden dann mit Innenloch- oder
Drahtsägen in 200µm bis 500µm dicke Scheiben geschnitten.12
Tabelle 2: Wirkungsgrade der Silizium-Solarzellen und –module13131313
SolarzellentypSolarzellentypSolarzellentypSolarzellentyp Wirkungsgrad in %Wirkungsgrad in %Wirkungsgrad in %Wirkungsgrad in %
SolarzelleSolarzelleSolarzelleSolarzelle SolarmodulSolarmodulSolarmodulSolarmodul
Monokristalline Si-SolarzelleMonokristalline Si-SolarzelleMonokristalline Si-SolarzelleMonokristalline Si-Solarzelle 17,817,817,817,8 17,417,417,417,4
Polykristalline Si-SolarzellePolykristalline Si-SolarzellePolykristalline Si-SolarzellePolykristalline Si-Solarzelle 13,813,813,813,8 13,413,413,413,4
Dünnschicht-Solarzellen
Neben den kristallinen Solarzellen aus Silizium gewinnen auch Dünnschicht-
Solarzellen immer mehr an Bedeutung. Die Zellen können aus amorphem Sili-
zium, aber auch aus anderen Materialen wie Galliumarsenid (GaAs), Kupfer-
Iridium-Diselenid (CuIrSe2) hergestellt werden.
Tabelle 3: Modulwirkungsgrade von Solarzellen14
ZellenmaterialZellenmaterialZellenmaterialZellenmaterial ModulwirkungModulwirkungModulwirkungModulwirkungssssgradgradgradgrad
Benötigte PV-FlächeBenötigte PV-FlächeBenötigte PV-FlächeBenötigte PV-Fläche
für 1 kW für 1 kW für 1 kW für 1 kWp p p p [m²][m²][m²][m²]
MonokristallinMonokristallinMonokristallinMonokristallin 11-16%11-16%11-16%11-16% 7-97-97-97-9
Polykristallin (EFC)Polykristallin (EFC)Polykristallin (EFC)Polykristallin (EFC) 10-14%10-14%10-14%10-14% 8-98-98-98-9
PolykristallinPolykristallinPolykristallinPolykristallin 8-10%8-10%8-10%8-10% 9-119-119-119-11
Dünnschicht (Cu-Ir-SeDünnschicht (Cu-Ir-SeDünnschicht (Cu-Ir-SeDünnschicht (Cu-Ir-Se2222)))) 6-8%6-8%6-8%6-8% 11-1311-1311-1311-13
AmorphAmorphAmorphAmorph 4-7%4-7%4-7%4-7% 16-2016-2016-2016-20
11 vgl. Bergmann1, 2005, 37712 vgl. Bergmann 2, 2005, 53913 vgl. Kartchenko, 1997, 20014 vgl. Hussl b, Neue Energien, 18.11.2009
Theoretische Grundlagen 18
2.1.32.1.32.1.32.1.3 Komponenten einer PhotovoltaikanlageKomponenten einer PhotovoltaikanlageKomponenten einer PhotovoltaikanlageKomponenten einer Photovoltaikanlage15
Solarmodul / Photovoltaikanlage
Die einzelnen Solarzellen der Module liefern den solar erzeugten elektrischen
Strom. Entsprechend der gegeben Verschaltung der Module ergibt sich die PV-
Spannung und (je nach akuter Strahlungsintensität) der PV-Strom. Die elektri-
sche Energie kann bei Bedarf gleich verbraucht werden oder sie wird im Ener-
giespeicher zwischengespeichert (Inselanlage) oder ins Netz eingespeist (Netz-
parallelbetrieb).
Generatoranschlusskasten (PV-Abzweig)
Hier werden die einzelnen Solarmodule bzw. Stränge zum gemeinsamen Plus-
und Minuspol der Gleichstromhauptleitung zusammengeschaltet.
Gleichstromhauptleitung
Diese Gleichstromhauptleitung stellt die Verbindung zwischen Gleichstrom-
hauptkasten und Wechselrichter bzw. Laderegler dar.
Laderegler
Der Laderegler ist in Inselanlagen das verbindende Element zwischen Photo-
voltaikanlage, Energiespeicher und Verbraucher. Seine Hauptaufgabe ist das
ordnungsgemäße Laden und Entladen des Akkus durch das Einhalten der
Grenzspannungen. Ein Überschreiten der Ladeschlussspannung und der Entla-
deschlussspannung wird damit verhindert. Dazu sind folgende Funktionen zu
erfüllen:
Liefert die Photovoltaikanlage keine oder zu wenig Energie, darf es zu keiner
Entladung des Energiespeichers über die Photovoltaikanlage kommen (umge-
kehrter Stromfluss). Dafür ist eine Rückstromdiode oder ein Schaltkontakt vor-
handen. Diese verhindern ein Überladen des Energiespeichers und begrenzen
den Ladestrom. Da nicht alle Ladeverfahren und Akkumulatortypen gleich sind,
nehmen Temperatur, Spannung, Kapazität, Zeit und Ladestrom Einfluss auf die
Ladesteuerung. Der Laderegler muss auch die Funktion des Tiefentladeschutzes
wahrnehmen. Dabei werden bei Erreichen der Entladeschlussspannung die an-
geschlossenen Verbraucher weggeschaltet.
Es gibt verschiede Ausführungen von Ladereglern: Serienregler, Shuntregler und
MPP-Regler.
15 vgl. Universität für Bodenkultur, 2ff, abgerufen am 7.11.2009
Theoretische Grundlagen 19
Serienregler
Bei Überschreitung der Ladeschlussspannung öffnet ein in Serie im Ladestrom-
kreis liegendes Schaltelement (Relais). Die Photovoltaikanlage läuft im Leerlauf.
Shuntregler
Bei Überschreitung der Ladeschlussspannung schließt ein parallel zum Lade-
stromkreis liegendes Schaltelement. Die Photovoltaikanlage wird dadurch kurz
geschlossen.
Serienregler und Shuntregler werden aufgrund ihres Aufbaues für kleine Anlagen
verwendet. Ein Nachteil beider Regler ist, dass der Arbeitspunkt der Photovol-
taikanlage (Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie) durch die Ak-
kuspannung bestimmt wird. Dadurch wird die Photovoltaikanlage nicht gezielt
im Punkt maximaler Leistung (MPP) betrieben.
MPP-Regler
Bei diesem Regler dient ein Gleichspannungswandler zur optimalen Anpassung
zwischen Photovoltaikanlage (Betrieb im MPP) und den erforderlichen Span-
nungen für Energiespeicher bzw. Wechselrichter. Aufgrund des komplexen Auf-
baues kommen diese Regler erst bei leistungsstärkeren Anlagen zum Einsatz.
Akkumulatoren
Akkumulatoren werden im Kapitel 2.3 Energiespeicher behandelt.
Wechselrichter
Wechselrichter sind für den Betrieb herkömmlicher Wechselstromverbraucher
bzw. zur Einspeisung ins öffentliche Stromnetz nötig. Diese wandeln den Gleich-
strom (bzw. Gleichspannung der Photovoltaikanlage oder des Energiespeichers)
mittels schaltbarer Halbleiterelemente (Thyristoren, Leistungstransistoren) und
einem nachgeschalteten Transformator in Wechselspannung des öffentlichen
Stromnetzes (230V, 50 Hz) um. Es wird zwischen Wechselrichtern für Inselan-
lagen und Wechselrichtern für Netzparallelbetrieb unterschieden.
Theoretische Grundlagen 20
2.1.42.1.42.1.42.1.4 Anlagenkonzepte und EinsatzmöglichkeAnlagenkonzepte und EinsatzmöglichkeAnlagenkonzepte und EinsatzmöglichkeAnlagenkonzepte und Einsatzmöglichkeiiiitentententen
Autonome Stromversorgung im Inselbetrieb
Die Auslegung von photovoltaischen Inselanlagen unterscheidet sich grundle-
gend von netzgekoppelten Anlagen. Eine Inselanlage kann bei fehlender Sonne
nicht auf das öffentliche Stromnetz zurückgreifen. Dafür ist ein ausreichend gro-
ßer Akkumulator nötig, damit es zu keinen Stromausfällen kommt. Darum müs-
sen auch die PV-Module in den Monaten mit der geringsten Sonnenstrahlung
einen möglichst hohen Ertrag liefern. Für einen sicheren Betrieb auch im Winter
empfiehlt es sich, die PV-Module deutlich steiler zu stellen als bei auf den
Ganzjahresbetrieb optimierten netzgekoppelten Anlagen. Eine Neigung von etwa
60° nach Süden liefert im Dezember den optimalen Solarertrag. Nähert man
sich dem Äquator, so fallen die Unterschiede zwischen Sommer und Winter
deutlich geringer aus. Ziel einer Inselanlage ist nicht, mit einer Solaranlage einen
möglichst großen Ertrag zu erzielen, sondern die zuverlässige Versorgung be-
stimmter Verbraucher ganzjährig sicher zu stellen. Eine Photovoltaikanlage ist mit
einem Sicherheitszuschlag (fs) auszustatten. Dieser soll mindestens 50% betra-
gen. Wie auch bei netzgekoppelten Anlagen berücksichtigt die Performance Ra-
tio (PR) die Verluste.“16
Im Inselbetrieb sorgt die Photovoltaikanlage, eventuell in Kombination mit ande-
ren Energiewandlern wie Windkraftanlage oder Notstromaggregat, für die Ver-
sorgung mit elektrischer Energie. Ein Laderegler zwischen Photovoltaikanlage
und Akku wird auf diese beiden Komponenten abgestimmt und übernimmt
meist den Schutz vor Tiefentladung des Akkus. Sollen Wechselstromverbraucher
betrieben werden, ist zusätzlich ein Wechselrichter nötig.17
16 vgl. Quaschning c, 2008, 12417 vgl. Universität für Bodenkultur, 6, abgerufen am 7.11.2009
Theoretische Grundlagen 21
2.1.52.1.52.1.52.1.5 Dimensionierung von InselanlagenDimensionierung von InselanlagenDimensionierung von InselanlagenDimensionierung von Inselanlagen
Soll die Inselanlage ganzjährig ausreichend elektrische Energie zur Verfügung
stellen, so ist der Einsatz kombinierter Anlagen zu empfehlen.
Ermittlung des Energie- oder Stromverbrauchs18
Der Bedarf an elektrischer Energie ist zu ermitteln. Dazu werden die jeweils be-
nötigten Verbraucher mit ihrem Leistungsbedarf (Watt) und ihrer täglichen Be-
triebszeit (Stunden) angeführt:
Verbraucher 1: Leistungsbedarf [W] * Betriebszeit pro Tag [h] = Energiebedarf
pro Tag [Wh]
Verbraucher 2: Leistungsbedarf [W] * Betriebszeit pro Tag [h] = Energiebedarf
pro Tag [Wh]
Ermittlung des solaren Energieträgers19
Dazu ist der monatliche solare Energieertrag der Anlage standortbezogen abzu-
schätzen. Hierfür können meteorologische Messdaten (langjährige Monatsmittel
der täglichen Globalstrahlung für das betreffende Gebiet) verwendet werden.
Um die Photovoltaikanlage für den schlechtesten Fall zu dimensionieren, wird
der Monat mit dem niedrigsten Wert der Globalstrahlung herangezogen.
Für eine optimale Energienutzung soll die Photovoltaikanlage im Maximum-
Power-Point (MPP) betrieben werden. Dieser liegt bei 70-75% der Leerlauf-
spannung, je nach Temperatur, also zwischen 13V und 16V. Damit liegt die
MPP-Spannung etwa im Arbeitsbereich eines Akkus, das gilt besonders für nied-
rige Globalstrahlung.20
Auswahl der Photovoltaikanlage21
Die nötige MPP-Leistung PMPP der PV-Module lässt sich näherungsweise aus der
solaren Bestrahlung HSolar,M in dem Monat mit der geringsten Globalstrahlung in
kW/m2, dem Elektrizitätsbedarf EVerbraucher,M im gleichen Monat, einem Sicher-
heitszuschlag fs von mindestens 50% sowie der Performance Ratio PR (im Mit-
tel 0,7) berechnen:
)
MSolar
MrVerbrauches
MPPH
m
kW
PR
EfP
,
2,
11(
∗∗+
= (1)
18 vgl. Universität für Bodenkultur, 6, abgerufen am 7.11.200919 vgl. Universität für Bodenkultur, 7f, abgerufen am 7.11.200920 Wallner, abgerufen am 22.11.200921 vgl. Quaschning c, 2008, 124
Theoretische Grundlagen 22
Bestimmung der Kapazität des Energiespeichers22
Der Energiespeicher sollte so dimensioniert werden, dass er planmäßig nur auf
die Hälfte (NEnt) entladen wird und über eine Zahl von Reservetagen den Bedarf
komplett decken kann. EVerbrauch,d nennt man den täglichen Elektrizitätsverbrauch.
Dieser errechnet sich aus der Leistung * Einschaltdauer pro Tag. Für einen siche-
ren Winterbetrieb reichen in Österreich bis vier Reservetage dR aus, in Ländern
mit deutlich höherem Sonnenangebot genügen auch zwei bis drei. Mit der Bat-
teriespannung UBat (z.B. 12 Volt) errechnet sich die nötige Kapazität:
R
EntBat
drVerbrauched
U
EC *
*
,
η= (2)
2.1.62.1.62.1.62.1.6 KostenKostenKostenKosten
Tabelle 4: Solarmodulkosten , e.D.
SolarmodulSolarmodulSolarmodulSolarmodul Kosten [N / WKosten [N / WKosten [N / WKosten [N / Wpppp]]]]
monokristallinmonokristallinmonokristallinmonokristallin ca. 5,20ca. 5,20ca. 5,20ca. 5,20
polykristallinpolykristallinpolykristallinpolykristallin ca. 5,00ca. 5,00ca. 5,00ca. 5,00
DünnschichtDünnschichtDünnschichtDünnschicht ca. 4,90ca. 4,90ca. 4,90ca. 4,90
In der Tabelle 4 sieht man die Solarmodulpreise in Euro pro Watt peak. Diese
entsprechen derzeit den handelsüblichen Marktpreisen. Die Kosten sind vom
Rohstoffpreis abhängig.23
2.1.72.1.72.1.72.1.7 Vor- und Nachteile der PhotovoltaikVor- und Nachteile der PhotovoltaikVor- und Nachteile der PhotovoltaikVor- und Nachteile der Photovoltaik
Vorteile
Energiequelle steht nicht unbegrenzt zur Verfügung, sie ist abhängig von der
Tageslänge
weder Lärm- noch Schadstoffemissionen
Stromerzeugung dezentral
Beitrag zu nachhaltigem Umgang mit der Umwelt
beliebig erweiterbar
22 vgl. Universität für Bodenkultur, S.4, abgerufen am 7.11.200923 Hussl a, 18.11.2009
Theoretische Grundlagen 23
Nachteile
ist witterungsabhängig , schlechte Resultate bei Nebel und Schneefall
Monokristalline SolarzellenMonokristalline SolarzellenMonokristalline SolarzellenMonokristalline Solarzellen
Vorteile
Gutes Verhalten bei Gleichstromanwendung
Nachteile
Teurer als polykristalline Solarzellen
Polykristalline SolarzellenPolykristalline SolarzellenPolykristalline SolarzellenPolykristalline Solarzellen
Vorteile
Gutes Verhalten bei Wechselstromanwendung
Nachteile
Geringerer Wirkungsgrad als monokristalline Solarzellen
DünnschichtsolarzellenDünnschichtsolarzellenDünnschichtsolarzellenDünnschichtsolarzellen
Vorteile
Geringerer Materialeinsatz – 2 µm Schichtdicke
Serienverschaltung von Einzelzellen zu einem Modul in einem Arbeitsgang
möglich
Nachteile
Material ist hochtoxisch
Geringer Wirkungsgrad 6-8%
WartungWartungWartungWartung
Alle Solarzellen und PV-Module müssen bei Verunreinigung gesäubert werden.
Theoretische Grundlagen 24
2.22.22.22.2 Energiebereitstellung mit BrennstoffzellenEnergiebereitstellung mit BrennstoffzellenEnergiebereitstellung mit BrennstoffzellenEnergiebereitstellung mit Brennstoffzellen
2.2.12.2.12.2.12.2.1 Funktionsprinzip einer BrennstoffzelleFunktionsprinzip einer BrennstoffzelleFunktionsprinzip einer BrennstoffzelleFunktionsprinzip einer Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der aus chemisch gespeicherter
Energie elektrische Energie und Wärmeenergie erzeugt. Als Abfallprodukt ent-
steht Wasser. Als Brennstoff kann neben Wasserstoff auch jeder wasserstoffhäl-
tige Energieträger wie Erdgas, Benzin, Methanol u.a. verwendet werden. Brenn-
stoffzellen gehören zur Familie der galvanischen Elemente. Weitere Mitglieder
dieser Familie sind Primärbatterien und Akkumulatoren.24
Abbildung 4: Funktionsschema Brennstoffzelle 25252525 e.D
Für die Auslegung einer Brennstoffzelle ist die Gibbs-Helmholz-Gleichung (3)
von großer Bedeutung. Die Enthalpieänderung NH ist jene Quelle, aus der in
einer Brennstoffzelle elektrische und thermische Energie entnommen werden.
Die Enthalpieänderung NH ist damit immer negativ. Wird Energie freigesetzt, so
stammt diese aus der zugeführten Energie (chemischen Energie) von Wasser-
stoff und Sauerstoff. Entropie S∆ bezeichnet die Unordnung eines Systems.
Kommt es zu keiner Änderung der Entropie, sind beide Systeme gleich. NG =
24 vgl. Karamanolis, 2003, 11725 vgl. Karamanolis, 2003, 25
Wasserstoff (H2)
Sauerstoff (O2)
Elektrische Energie
Wärmeenergie
Energiewandler
BRENNSTOFBRENNSTOFBRENNSTOFBRENNSTOFFFFFZELLEZELLEZELLEZELLE
Wasser (Abfallprodukt)
Theoretische Grundlagen 25
NH. Dies bedeutet, dass die gesamte
Enthalpie des Systems in Energie umgewandelt wird und somit die Energieum-
wandlung 100% beträgt.26
NG = NH - TNS (3)
NG frei werdende Energie
NH Enthalpieänderung
T Temperatur
NS Entropieänderung
Tabelle 5: freiwerdende Energie27
BrennstoffBrennstoffBrennstoffBrennstoff Chemische ReaktionChemische ReaktionChemische ReaktionChemische Reaktion NNNNG [kJ/mol]G [kJ/mol]G [kJ/mol]G [kJ/mol]
WasserstoffWasserstoffWasserstoffWasserstoff HHHH2222 + ½ O + ½ O + ½ O + ½ O2222 => H => H => H => H2222OOOO - 237,3- 237,3- 237,3- 237,3
KohlenmonoxidKohlenmonoxidKohlenmonoxidKohlenmonoxid COCOCOCO2222 + ½ O + ½ O + ½ O + ½ O2222 => CO => CO => CO => CO2222 - 257,2- 257,2- 257,2- 257,2
MethanolMethanolMethanolMethanol CHCHCHCH3333OH + 3/2 OOH + 3/2 OOH + 3/2 OOH + 3/2 O2222 => CO => CO => CO => CO2 2 2 2 + 2H+ 2H+ 2H+ 2H2222OOOO -702,5-702,5-702,5-702,5
In Tabelle 5 sind einige Werte für die freiwerdende Energie aufgelistet. Der
wichtigste Wert für die Funktion einer Brennstoffzelle ist der Wert für die Was-
serstoff-/Sauerstoffreaktion. Hier beträgt der NG Wert -237,3 kJ/mol.
2.2.22.2.22.2.22.2.2 WirkungsgradWirkungsgradWirkungsgradWirkungsgrad28282828
Da die Brennstoffzellen nicht dem Carnot-Gesetz unterliegen, können diese
Energiewandler hohe Wirkungsgrade erreichen. Der Gesamtwirkungsgrad einer
Brennstoffzelle Nges. setzt sich aus dem elektrischen Wirkungsgrad Nel. und dem
thermischen Wirkungsgrad Nth. zusammen.
Nges = Nel + Nth (4)
Der thermische Wirkungsgrad liegt bei etwa 48%.29
Aus der bereits bekannten Gleichung (3), ergibt sich der elektrische Wirkungs-
grad:
26 vgl. Karamanolis, 2003, 2327 vgl. Karamanolis, 2003, 2428 vgl. Karamanolis, 2003, 3229 vgl. Karamanolis, 2003, 32
Theoretische Grundlagen 26
H
ST
H
STH
H
G
∆
∆−=
∆
∆−∆=
∆
∆= 1
elη (5)
Theoretische Grundlagen 27
Tabelle 6: Brennstoffe für Brennstoffzellen
BrennstoffBrennstoffBrennstoffBrennstoff NG [kJ/mol]NG [kJ/mol]NG [kJ/mol]NG [kJ/mol] NH [kJ/mol]NH [kJ/mol]NH [kJ/mol]NH [kJ/mol] [ ]%el H
G
∆
∆=η
HHHH2222 237,5237,5237,5237,5 286,0286,0286,0286,0 83838383
COCOCOCO 257,8257,8257,8257,8 283,1283,1283,1283,1 90,990,990,990,9
CHCHCHCH3333OHOHOHOH 702,5702,5702,5702,5 726,6726,6726,6726,6 96,796,796,796,7
Damit die Brennstoffzelle Energie produzieren kann, müssen Wasserstoff und
Sauerstoff mit einander chemisch reagieren. Es kommt zur so genannten „kalten
Verbrennung“. Die Temperaturen beginnen aber erst bei 100° C und steigen bis
1.000° C.
H2 + ½ O2 => H2O (6)
Abbildung 5: Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle30
30 vgl. Winkler, 2002, .254
Theoretische Grundlagen 28
Abbildung 5 zeigt das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle. Dieser Energie-
wandler besteht aus einem Elektrolyt und zwei Elektroden: einer Anode (Minus-
pol) und einer Kathode (Pluspol).
Der Elektrolyt besitzt die Aufgabe die Elektroden gasdicht voneinander zu tren-
nen, damit Wasserstoff und Sauerstoff nicht in Berührung kommen. Weiters
übernimmt er die Funktion als Ionenleiter, sodass die Prozesse in der Brenn-
stoffzelle ungehindert ablaufen können. Damit die Reaktionen schnell ablaufen
können, wird ein Katalysator eingesetzt. Hierfür werden vorwiegend Platin, Rho-
dium und Ruthenium verwendet, welche jedoch relativ teuer sind. Werden die
Oberflächen der Elektroden und des Katalysators vergrößert, so intensiviert sich
der chemische Prozess. Auf diese Weise wird der Reaktionsablauf kontrolliert,
sodass bei chemischer Reaktion der stattfindende Elektronenaustausch über
einen externen Stromkreis läuft.31
2.2.32.2.32.2.32.2.3 ZellspannungZellspannungZellspannungZellspannung
Da es sich bei der Brennstoffzelle um ein galvanisches Element handelt, hat
dies eine relativ niedrige Spannung von ca. 0,75 V. Soll die Spannung einer
Brennstoffzelle erhöht werden, so müssen mehrere Brennstoffzellen zu so ge-
nannten Stack in Serie geschaltet werden.
Abbildung 6: Brennstoffzellen-Stack32
Für Brennstoffzellen-Stacks gilt
Anzahl der Zellen innerhalb des Stacks bestimmen die Spannung
Größe der Membranfläche bestimmt die Stromstärke
Größe der Brennstoffzellen-Stacks bestimmt die Leistung
Größe der Brennstoff-Reservoirs bestimmt die Betriebsdauer
31 vgl. Heinzel, 2006, 1332 Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung, abgerufen am 6.04.2009
Theoretische Grundlagen 29
2.2.42.2.42.2.42.2.4 KlassifKlassifKlassifKlassifiiiizierung der Brennstoffzellenzierung der Brennstoffzellenzierung der Brennstoffzellenzierung der Brennstoffzellen
Wie in Abbildung 10 zu sehen ist, können Brennstoffzellen nach verschiedenen
Kenngrößen eingeteilt werden, z.B. Betriebsdruck, -temperatur, Brennstoffart,
Elektrolyten, etc.
Werden sie nach Betriebstemperatur unterteilt, so unterscheidet man zwischen
Niedertemperatur-, Mitteltemperatur und Hochtemperatur-Brennstoffzellen.
Werden sie nach dem Druck eingeteilt, so spricht man von Hochdruck-, Mittel-
druck- und Niederdruck (atmosphärischer Druck)–Brennstoffzellen. Am häufig-
sten wird die Brennstoffzelle nach dem Elektrolyten bezeichnet.33
Abbildung 7: verschiedener Brennstoffzellentypen34
33 vgl. Pehnt, 200234 vgl. Quaschning d, Bild 8.8
Theoretische Grundlagen 30
AFC
Als Niedertemperatur-Brennstoffzelle findet sie in der Raumfahrt und in der
Unterwasser-Fahrzeugtechnik ihre mobile Anwendung. Die Betriebstemperatur
liegt zwischen 60 und 80° C, der Betriebsdruck bei 2 bar und der Gesamtwir-
kungsgrad zwischen 60 und 70%.35 Als Brennstoff dient Wasserstoff. Der Lei-
stungsbereich liegt zwischen 10 kW und 100 kW.36
PEMFC
Diese Brennstoffzelle gehört ebenfalls zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen.
Sie wurde speziell für den Kfz-Bereich entwickelt. Die Arbeitstemperatur liegt
zwischen 80 und 100° C. Der Leistungsbereich liegt zwischen 100 W und 500
W.
DMFC
DMFC ist artverwandt mit der PEMFC. Als Brennstoff wird flüssiges Methanol
verwendet, welches wesentlich preisgünstiger ist als Wasserstoff. Diese Brenn-
stoffzelle liefert eine Leistung bis 1 kW. Neben dem Ersatz für Akkumulatoren,
findet sie auch als Stromaggregat Verwendung.
PAFC
Diese Brennstoffzelle wird für Leistungen von 50 kWel bis 11 MWel eingesetzt,
und dient im Kraftwerksbereich als Kraftwärmekopplung. Die Arbeitstemperatur
liegt bei 170 bis 210° C. Nachteil dieser Brennstoffzelle sind die hohen An-
schaffungskosten.
MCFC
Hochtemperatur-Brennstoffzellen arbeiten bei einer Temperatur von
650° C. Als Brennstoff kann Erdgas, aber auch anderes kohlenwasserstoffhälti-
ges Brenngas verwendet werden. Der Gesamtwirkungsgrad beträgt ca. 90%,
wobei der Aufheizvorgang einige Stunden dauern kann. Diese Brennstoffzelle
wird als Kraftwerk verwendet und liefert bis zu 100 MW.
SOFC
SOFC zählt neben der MCFC als Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Sie kann als
KWK mit einer Dampfturbine eingesetzt werden. Der obere
35 vgl. Eichlseder, Klell; 2008, 20736 vgl.Geitmann, 2004, 142
Theoretische Grundlagen 31
Leistungsbereich liegt bei 100 MW. Als Brennstoff dient Erdgas, Klärgas oder
Biogas. Aus diesem wird Wasserstoff reformiert.
Tabelle 7: Anwendung der Brennstoffzelle37
LeistungLeistungLeistungLeistung AnwendungAnwendungAnwendungAnwendung SystemSystemSystemSystem KonkurrenzKonkurrenzKonkurrenzKonkurrenz
10 kWel10 kWel10 kWel10 kWel PAFCPAFCPAFCPAFC BlockheizkraftweBlockheizkraftweBlockheizkraftweBlockheizkraftwerrrrkekekeke
100 kWel100 kWel100 kWel100 kWelSiedlungs-BHKWsSiedlungs-BHKWsSiedlungs-BHKWsSiedlungs-BHKWs
SOFC, MCFCSOFC, MCFCSOFC, MCFCSOFC, MCFC
1 MWel1 MWel1 MWel1 MWel Industrielle KWKIndustrielle KWKIndustrielle KWKIndustrielle KWK SOFC, MCFCSOFC, MCFCSOFC, MCFCSOFC, MCFC GasturbinenGasturbinenGasturbinenGasturbinen
>1 MWel>1 MWel>1 MWel>1 MWel KraftwerkeKraftwerkeKraftwerkeKraftwerke SOFCSOFCSOFCSOFC GuD-KraftwerkeGuD-KraftwerkeGuD-KraftwerkeGuD-Kraftwerke
In Tabelle 7 werden Brennstoffzellen nach der elektrischen Leistung mit Konkur-
renzprodukten verglichen.
Abbildung 8: Wirkungsgrade von Brennstoffzellen38383838
Die elektrischen Wirkungsgrade von Brennstoffzellen sind in jedem
Leistungssegment besser als die von konventionellen Konkurrenten (Gasmotor
37 vgl. Pehnt, 2002, 203ff38 vgl. Winkler, 2002
Theoretische Grundlagen 32
und -turbinen oder Gas- und Dampfkraftwerke). Die untere Begrenzung der
Flächen beschreibt heute mögliche Wirkungsgrade.
2.2.52.2.52.2.52.2.5 Wasserstoff und Methanol - Energieträger für dieWasserstoff und Methanol - Energieträger für dieWasserstoff und Methanol - Energieträger für dieWasserstoff und Methanol - Energieträger für dieBrennstoffzeBrennstoffzeBrennstoffzeBrennstoffzelllllelelele
Wasserstoff ist das häufigste vorkommende Element im Weltall. Die großen Pla-
neten Jupiter und Saturn bestehen überwiegend aus Wasserstoff. Das heute
zugängliche Weltall setzt sich aus 63% Wasserstoff, 36% Helium und 1% ande-
rer Elemente zusammen. Auf der Erde kommt Wasserstoff fast nur in chemisch
gebundener Form (Wasser, Organismen, Erdöl, Erdgas Kohle, einige Minerale)
vor. In der Erdkruste bis 17 km Tiefe ist Wasserstoff das dritthäufigste Element.39
Methanol ist ein einwertiger Alkohol. Dabei handelt es sich um eine farblose,
leicht bewegliche Flüssigkeit.40
2.2.62.2.62.2.62.2.6 Herstellung von WasserstoffHerstellung von WasserstoffHerstellung von WasserstoffHerstellung von Wasserstoff
Aufgrund der Tatsache, dass Wasserstoff nicht als Rohstoff in der Natur vorliegt,
gibt es verschiedene Möglichkeiten der Erzeugung. Hier werden zwei Herstel-
lungsverfahren erläutert: Dampfreformierung und Elektrolyse von Wasser.
Dampfreformierung
Hierbei werden Erdgas und schwere Kohlenwasserstoffe reformiert. Die Dampf-
reformierung ist mit einem Wirkungsgrad von 70 bis 80 Prozent eine sehr wirt-
schaftliche Methode. Im ersten Schritt wird in einem katalytischen Prozess bei
950° C und einem Druck von 2,5 MPa Erdgas mit Wasserdampf versetzt und in
ein wasserstoffreiches Gemisch mit hohem CO-Anteil überführt. In einem weite-
ren Schritt wird CO mit Wasser vermischt, wobei sich Kohlendioxid bildet, wel-
ches in die Atmosphäre gelangt. Aus dem Wasser wird Wasserstoff gewonnen.41
39 Taschenbuch der Chemie, 1990, 30540 Chemiekaliendatenbank, abgerufen am 22.11.200941 vgl. Geitmann, 2004, 61
Theoretische Grundlagen 33
Elektrolyse von Wasser42
Bei der Elektrolyse von Wasser wird dieses mit Hilfe von elektrischem Strom in
seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dieses Produktionsverfah-
ren existiert schon seit 80 Jahren und ist auf lange Sicht gesehen die sinnvollste.
Der Herstellungsprozess läuft in zwei Teilreaktionen an Kathode und Anode ab:
Kathode: 2 H 2 O + 2 e- => H 2 + 2 OH- (7)
Anode: 2 H 2 O => O 2 + 4 H+ + 4 e-
(8)
Gesamtreaktion: 2 H 2 0 => 2 H 2 + O 2 (9)
Da bei der Elektrolyse nur wenig Wasserstoff erzeugt wird (ca. 4%), kommt
meist die Hochdruck-Elektrolyse zur Anwendung. Dabei werden Drücke von 30
bis 100 bar erreicht.
Abbildung 9: Dampfreformer Leuna Fa. Linde43434343
42 vgl. Geitmann, 2004,62ff43 Linde AG, abgerufen am 10.11.2009
Theoretische Grundlagen 34
2.2.72.2.72.2.72.2.7 Herstellung von MethanolHerstellung von MethanolHerstellung von MethanolHerstellung von Methanol
Aus Erdgas wird Synthesegas hergestellt. Anschließend wird es, nach Einstellung
des geeigneten CO-H2-Verhältnisses, in einem katalytischen Prozess zu Metha-
nol konvertiert.44
2.2.82.2.82.2.82.2.8 KostenKostenKostenKosten
Tabelle 8: Brennstoffkosten für Brennstoffzellen, e.D.
BrennstoffBrennstoffBrennstoffBrennstoff Kosten [Cent / kWh]Kosten [Cent / kWh]Kosten [Cent / kWh]Kosten [Cent / kWh]
MethanolMethanolMethanolMethanol ca.35ca.35ca.35ca.35
WasserstoffWasserstoffWasserstoffWasserstoff ca. 9ca. 9ca. 9ca. 9
Die Kosten für Wasserstoff haben eine hohe Schwankungsbreite, da sie von der
Lieferform bzw. der Erzeugung abhängen. Die Kosten in Tab. 8 sind Schätzwer-
te.
2.2.92.2.92.2.92.2.9 Vor- und Nachteile von BrennstoffzellenVor- und Nachteile von BrennstoffzellenVor- und Nachteile von BrennstoffzellenVor- und Nachteile von Brennstoffzellen
Brennstoffzellen haben im Vergleich mit konventionellen Energiewandlern etli-
che Vorteile. Sie sind effizient und schadstoffarm. Der Wirkungsgrad liegt bei
weitem höher, als bei konventionellen Anlagen wie Verbrennungsmotoren und
Turbinen.
Zusammenfassend können folgende Vorteile und Nachteile der Brennstoffzelle
genannt werden 45
Vorteile
hoher Wirkungsgrad (88%), bereits ab kleinen Leistungen (50W)
hohe Energiedichte (33.300 Wh/kg –H2 flüssig)
hohe Lebensdauer (10.000 – 15.000 h für PEMFC)
niedrige Betriebstemperatur ~100° C
geräusch- und vibrationsfreier Betrieb
modularer Aufbau
niedrige Schadstoffemissionen CO, CO2, NOX
keine bewegten Teile, geringer Wartungsaufwand (1x jährlich)
44 vgl. Pasel, Peters, Specht, 1999/200045 45 vgl. Karamanolis, 2003, 117
Theoretische Grundlagen 35
gleichzeitig Gewinnung von elektrischer und thermischer Energie
Nachteile
hohe Empfindlichkeit gegenüber verunreinigtem Brennstoff (CO)
2.32.32.32.3 EnergiespeicherEnergiespeicherEnergiespeicherEnergiespeicher
Regenerative Energie zu speichern ist eine große Herausforderung und dient
ebenfalls der Unabhängigkeit vom EVU. Da es immer wieder vorkommen kann,
dass Schlechtwetterperioden auftreten, ist es notwendig, die Produktionssonden
mehrere Tage zuverlässig mit Energie zu versorgen. Blei-Säure-Akkumulatoren
finden bei den RAG Sonden eine breite Anwendung.
Der Markt der Energiespeicher ist sehr groß, es werden alle möglichen Akku-
Systeme und Batterien angeboten.
2.3.12.3.12.3.12.3.1 Batterien und AkkumulatorenBatterien und AkkumulatorenBatterien und AkkumulatorenBatterien und Akkumulatoren46464646
Eine Batterie (Primärelement) wandelt chemische Energie irreversibel in elektri-
sche Energie und Wärme um und ist nicht wiederaufladbar. Ein Akkumulator
(Sekundärelement), auch Akku genannt, ist wiederaufladbar, wobei durch den
Ladevorgang das galvanische Element gebildet wird. In der Photovoltaik werden
hauptsächlich Blei-Säure-Akkumulatoren und Blei-Gel-Akkumulatoren verwendet.
Blei-Säure-Akkumulatoren dürfen nie trocken laufen. Der Säurespiegel darf nie
unter die Obergrenze der Bleizelle sinken, sonst nimmt der Akkumulator Scha-
den. Blei-Gel-Akkumulatoren hingegen laufen wartungsfrei.
Blei-Säure Akkumulatoren und Blei-Gel-Akkumulatoren sind ein Massenprodukt,
und daher preisgünstiger als andere Akkumulatoren.
OPzS - Akkumulatoren sind geschlossene, stationäre Blei-Akkumulatoren mit
flüssigem Elektrolyt. Diese lohnen sich bei Ganzjahresbetrieb von Inselanlagen.
Für eine 12 Volt-Versorgung werden sechs Akkus, für eine 24 Volt-Versorgung
12 Akkus in Reihe geschaltet. Die Lebensdauer kann bis zu 20 Jahren dauern,
es werden bis zu 1500 Ladezyklen bei 80% Entladetiefe erwartet. Damit eine
Ausfallsicherheit gegeben ist, werden immer zwei Stränge betrieben.47
46 vgl. Kurzweil, 2003, 25147 Hoppecke Blei Akkus, abgerufen am 18.11.2009
Theoretische Grundlagen 36
2.3.22.3.22.3.22.3.2 Wichtige Kenngrößen für AkkumulatorenWichtige Kenngrößen für AkkumulatorenWichtige Kenngrößen für AkkumulatorenWichtige Kenngrößen für Akkumulatoren48484848
Um einen Akkumulator richtig betreiben zu können müssen einige Begriffe er-
läutert werden:
Kapazität
Ladezustand
Ladeschlussspannung
Entladeschlussspannung
Zyklenzahl, Lebensdauer
Selbstentladung
Tiefentladung
Kapazität C [Ah]
Ein wichtiges Kriterium stellt die Kapazität dar. Diese bezeichnet die Strommen-
ge, die der Akku speichern kann und die Messung erfolgt in Amperestunden
(Ah). Gemeinsam mit der Zellengröße wird die Leistungsfähigkeit eines Akku-
mulators bestimmt. Die Kapazität eines Akkus ist nicht konstant, sondern we-
sentlich von der Höhe des Entladestromes abhängig. Bei hohen Entladeströ-
men, das ist die Entladung des Akkus in kurzer Zeit, steht eine geringere Kapa-
zität zur Verfügung als bei kleinen Entladeströmen. Deshalb wird die Kapazität
eines Akkus auf eine Entladezeit von 100 Stunden bezogen (C100). D.h. der
Akku kann im Notfall über mehrere Tage Strom liefern. Der dazugehörige Entla-
destrom I100 ergibt sich somit aus I100 = C100/100 h.
Die Speicherkapazität des Akkumulators ist neben der Höhe des Entladestromes
auch noch von der Temperatur abhängig. Bei tiefen Temperaturen sinkt die Ka-
pazität.
Ladezustand
bezeichnet die momentan verfügbare Strommenge des Akkus. Durch Span-
nungsmessung oder Messung der Säuredichte kann der aktuelle Ladezustand
ermittelt werden.
Ladeschlussspannung
Dieser Spannungswert darf beim Laden des Akkus nicht überschritten werden.
Bei Einhaltung der Ladeschlussspannung und abnehmender Stromstärke kann
der Ladevorgang noch fortgesetzt werden.
48 vgl. Universität für Bodenkultur, 3ff, abgerufen am 7.11.2009
Theoretische Grundlagen 37
Entladeshlussspannung
Ab dieser Spannung ist der Akku vollständig entladen. Unterschreitung dieser
Spannung würde den Übergang zu Tiefentladung bedeuten und den Akku
nachhaltig schädigen.
Zyklenzahl, Lebensdauer
Die Zyklenzahl gibt die maximal möglichen Lade- und Entladevorgänge während
der Lebensdauer des Akkus an. Bei Vollzyklen wird der Akku bis zur Entlade-
schlussspannung (vollständig) entladen. Wird der Akku immer nur teilentladen,
so steigt seine Lebensdauer deutlich an.
Selbstentladung
Auch ohne Stromentnahme reduziert sich die Ladung im Lauf der Zeit. Die
Selbstentladungsrate wird in Prozent der Nennkapazität angegeben, welche pro
Monat verloren geht (Selbstentladungsrate in Prozent Nennkapazität pro Mo-
nat).
Tiefentladung
Wird der Akku nach Erreichen der Entladeschlussspannung weiter entladen, so
bezeichnet man das als Tiefentladung. Die Entladeschlussspannung wird dabei
unterschritten. In diesem Fall kann Bleisulfat in grobkristalliner Form gebildet
werden, welches sich nicht rückwandeln lässt. Tiefentladungen sind für den Ak-
ku äußerst schädlich und müssen vermieden werden. Dem kann man mit ei-
nem Tiefentladeschutz vorbeugen, der die Verbraucher wegschaltet.
2.3.32.3.32.3.32.3.3 Zukünftige EnergiespeichertechnologienZukünftige EnergiespeichertechnologienZukünftige EnergiespeichertechnologienZukünftige Energiespeichertechnologien
Die große Zukunft in der Akkubranche liegt in der Lithium-Ionen-Technik. Diese
Technik steht kurz vor dem Durchbruch. Die Autoindustrie wartet mit großer
Spannung auf eine Batterie für Hybridfahrzeuge. Dieser Energiespeicher soll bei
Elektrofahrzeugen, aber auch Fahrzeugen mit einer Brennstoffzelle, eingesetzt
werden und somit große Reichweiten erzielen. 49
Die Lithium-Ionen-Akkufamilie wächst. Der Lithium-Ionen-Akku wurde ursprüng-
lich 1991 von Sony entwickelt. In den letzten Jahren wurde viel geforscht. Es
ging daher um die Erreichung größerer Energie- und Leistungsdichten, eine Er-
49 Rothe, abgerufen am 14.05.2009
Theoretische Grundlagen 38
höhung der Lebensdauer und der Umweltverträglichkeit. Folgende Akkus sind
neu im Umlauf:50
Lithium Ion Mangan–Hochstromzellen
Lithium-Ion-Eisen-Phosphat (LiFePO4)-Akku
Lithiumnitrat-Akku
Li-Polymer– Akku
Lithium-Ion-Eisen-Phosphat (LiFePOLithium-Ion-Eisen-Phosphat (LiFePOLithium-Ion-Eisen-Phosphat (LiFePOLithium-Ion-Eisen-Phosphat (LiFePO4444)-Akkus)-Akkus)-Akkus)-Akkus haben eine lange Lebensdauer,
sind immer direkt verfügbar, auch nach zwölf bis 18 Monaten Lagerung. LiFe-
PO4-Akkus haben die gleiche Ladetechnik wie Bleibatterien. Sie sind mit einer
Energiedichte von 125 Wh/kg jedoch um den Faktor 3 besser als Bleibatterien
und zeichnen sich durch ihre Hochstromfestigkeit aus. Dieser Akkutyp kann laut
Expertenmeinung die Bleibatterie aus dem Automobil- und Motorradbereich in
den nächsten Jahren verdrängen.
Lithium-Ion-Mangan-BatterienLithium-Ion-Mangan-BatterienLithium-Ion-Mangan-BatterienLithium-Ion-Mangan-Batterien benötigen ein eigenes Ladegerät. Die Ladezeit
beträgt nur 150 Minuten. Der maximale Entladestrom liegt bei 120 A. Diese
Batterie hat 24 V und 77 Ah. Der Preis liegt jedoch mit 3.500 N sehr hoch. Dazu
wird noch ein Ladegerät zum Preis von 217 N benötigt. Diese Batterie wiegt nur
18 kg.
Tabelle 9: Technische Daten Akkumulatoren, e.D.51515151
Blei-Säure-AkkuBlei-Säure-AkkuBlei-Säure-AkkuBlei-Säure-Akku Blei-Gel-AkkuBlei-Gel-AkkuBlei-Gel-AkkuBlei-Gel-Akku Li-Polymer-AkkuLi-Polymer-AkkuLi-Polymer-AkkuLi-Polymer-Akku LiFePoLiFePoLiFePoLiFePo4 4 4 4 -Akku-Akku-Akku-Akku
Spannung [V]Spannung [V]Spannung [V]Spannung [V] 12121212
LadezyklenLadezyklenLadezyklenLadezyklen 200 – 2.000200 – 2.000200 – 2.000200 – 2.000 N5.000N5.000N5.000N5.000
UmgUmgUmgUmgeeeebungstemp.[°C]bungstemp.[°C]bungstemp.[°C]bungstemp.[°C] -20 bis + 50-20 bis + 50-20 bis + 50-20 bis + 50 -45 bis + 70-45 bis + 70-45 bis + 70-45 bis + 70
Kapazität [Ah]Kapazität [Ah]Kapazität [Ah]Kapazität [Ah] 40 – 23040 – 23040 – 23040 – 230 44 – 33044 – 33044 – 33044 – 330 40 – 16040 – 16040 – 16040 – 160
SelbstentladungSelbstentladungSelbstentladungSelbstentladung 1 %/Tag1 %/Tag1 %/Tag1 %/Tag 1- 3 %/Monat1- 3 %/Monat1- 3 %/Monat1- 3 %/Monat sehr geringsehr geringsehr geringsehr gering
Gewicht [kg]Gewicht [kg]Gewicht [kg]Gewicht [kg] 14 – 7014 – 7014 – 7014 – 70 7 – 167 – 167 – 167 – 16 6 – 256 – 256 – 256 – 25
LebensdauerLebensdauerLebensdauerLebensdauer bis 6 Jabis 6 Jabis 6 Jabis 6 Jahhhhrererere bis 10 Jabis 10 Jabis 10 Jabis 10 Jahhhhrererere 3 – 10 Ja3 – 10 Ja3 – 10 Ja3 – 10 Jahhhhrererere k.A.k.A.k.A.k.A.
In Tabelle 9 sind gängige Kenngrößen verschiedener Akkutypen aufgelistet.
50 Li-Ionen Mn Batterie, abgerufen am 6.05.200951 Li-Ionenakkumulatoren, abgerufen am 27.09.2009
Theoretische Grundlagen 39
Tabelle 10: Energiedichte, e.D.52525252
EnergieträgerEnergieträgerEnergieträgerEnergieträger Energiedichte [Wh/kg]Energiedichte [Wh/kg]Energiedichte [Wh/kg]Energiedichte [Wh/kg] Energiedichte [Wh/l]Energiedichte [Wh/l]Energiedichte [Wh/l]Energiedichte [Wh/l]
Blei - AkkuBlei - AkkuBlei - AkkuBlei - Akku 20-4520-4520-4520-45 20-10020-10020-10020-100
Li– Ion - AkkuLi– Ion - AkkuLi– Ion - AkkuLi– Ion - Akku 110-160110-160110-160110-160 130130130130
HHHH2222 (flüssig) (flüssig) (flüssig) (flüssig) 33.30033.30033.30033.300 2.3602.3602.3602.360
HHHH2222 (30 MPa) (30 MPa) (30 MPa) (30 MPa) 33.30033.30033.30033.300 750750750750
Methanol (flüssig)Methanol (flüssig)Methanol (flüssig)Methanol (flüssig) 5.6005.6005.6005.600 4.4204.4204.4204.420
Ein Maß der Energiekapazität ist die Energiedichte. Diese gibt Auskunft über die
Energieausbeute der Energieträger. Als Alternative zu heutigen Batterietechnolo-
gien bietet sich die Brennstoffzelle mit Wasserstoff oder Methanol an. Tabelle
10 gibt einen Überblick über diese Energieträger mit den Energiedichten.
2.3.42.3.42.3.42.3.4 KostenKostenKostenKosten
Tabelle 11: Akkumulatorkosten, e.D.53
AkkumulatortypAkkumulatortypAkkumulatortypAkkumulatortyp Kosten [N / Ah]Kosten [N / Ah]Kosten [N / Ah]Kosten [N / Ah]
OPzS (Sonnenschein A600 SOPzS (Sonnenschein A600 SOPzS (Sonnenschein A600 SOPzS (Sonnenschein A600 Soooolar)lar)lar)lar) ca. 1,4ca. 1,4ca. 1,4ca. 1,4
Blei-Säure (Sonnenschein Solar)Blei-Säure (Sonnenschein Solar)Blei-Säure (Sonnenschein Solar)Blei-Säure (Sonnenschein Solar) ca. 1,8ca. 1,8ca. 1,8ca. 1,8
Blei-Gel (Sonnenschein SolaBlei-Gel (Sonnenschein SolaBlei-Gel (Sonnenschein SolaBlei-Gel (Sonnenschein Solarrrrblock)block)block)block) ca. 2,8ca. 2,8ca. 2,8ca. 2,8
LiFePoLiFePoLiFePoLiFePo4 4 4 4 (Maurer electronic)(Maurer electronic)(Maurer electronic)(Maurer electronic) ca. 8,6ca. 8,6ca. 8,6ca. 8,6
Li-Polymer (ERUN)Li-Polymer (ERUN)Li-Polymer (ERUN)Li-Polymer (ERUN) ca. 16,2ca. 16,2ca. 16,2ca. 16,2
Li –Ion ManganLi –Ion ManganLi –Ion ManganLi –Ion Mangan ca. 45,4ca. 45,4ca. 45,4ca. 45,4
Aus Tabelle 11 gehen die Kosten pro Amperestunde für verschiedene Akkumu-
latoren hervor.
Die günstigeren Kosten beziehen sich auf die Blei – Akkumulatoren, die höhe-
ren Kosten für Lithium – Akkumulatoren.
OPzS-Akkus haben eine Zellenspannung von 2 V. Blei-Säure-, Blei-Gel-Akkus
jedoch 12V. LiFePO4-Akkus gibt es bis 80 Ah mit 12 V Zellenspannung und bis
400 Ah mit einer Zellenspannung von 3 V.54
52 Energiedichte, abgerufen am 16.05.200953 Kapazitätskosten, abgerufen am 29.05.201154 Information abgerufen am 29.05.2011
Theoretische Grundlagen 40
2.3.52.3.52.3.52.3.5 Vor- und Nachteile der EnergiespeicherVor- und Nachteile der EnergiespeicherVor- und Nachteile der EnergiespeicherVor- und Nachteile der Energiespeicher
In diesem Punkt werden die Vor- und Nachteile gängiger Akkumulatoren be-
schrieben.
Blei-Säure-Akkumulatoren
Vorteile
sind robust
hohe Strombelastbarkeit (bis 9-fache Stromstärke)
Nachteile
hohe Selbstentladung (1% / Tag)
hohes Gewicht (70 kg bei 230 Ah)
wartungsintensiv (nachfüllen von Säure)
Entsorgungskosten fallen an
Blei-Gel-Akkumulatoren
Vorteile
wartungsfrei
um ca. 50% - längere Lebensdauer als Blei-Säure Akkus
Nachteile
hohe Selbstentladung ca. 3%/Monat
hohes Gewicht (70 kg bei 230 Ah)
OPzS-Akkumulatoren
Vorteile
niedrige Selbstentladung (2 Jahre)
von 200 Ah bis 3000 Ah
tiefentladesicher bis 80%
hohe Lebensdauer (bis 20 Jahre)
Theoretische Grundlagen 41
Nachteile
nur 2-Volt-Zellen
hohes Gewicht (62 kg bei 800 Ah)
Theoretische Grundlagen 42
Lithium-Polymer-Akkumulatoren
Vorteile
hohe Strombelastbarkeit (2*C)
Nachteile
sehr empfindlich (Überhitzung => Explosionsgefahr!)
teuer kostet das Zwölffache eines Blei-Säure Akkus
LiFePO4-Akkumultoren
Vorteile
geringe Selbstentladung
hohe Zyklenfestigkeit (N5000)
Nacheile
braucht Sicherheitselektronik
teuer, wie bei Li-Po Akku
Lithiumionen-Mangan-Akkumulatoren
Vorteile
für hohe Peakströme bis 50 A, Dauerströme bis 30 A
geringe Selbstentladung (1% in 6 Monaten)
hohe Zyklenfestigkeit, wie bei LiFePO4-Akkus
keine zusätzliche Elektronik notwendig
Nachteile
nicht bekannt
Theoretische Grundlagen 43
2.42.42.42.4 Ökostromgesetz (ÖSG)Ökostromgesetz (ÖSG)Ökostromgesetz (ÖSG)Ökostromgesetz (ÖSG)55555555
In Österreich ist es verboten sich mit Strom privat selbst zu versorgen.
Im Jahr 2002 wurde das Öko-Stromenergiegesetz BGBl. 149 I /2002; abge-
schlossen und in der Zwischenzeit mehrmals novelliert. Derzeit ist die Öko-
stromgesetz-Novelle BGBl. 44 I/ 2008 gültig.
Danach muss mit der OeMAG Abwicklungsstelle für Ökostrom AG ein Förder-
vertrag abgeschlossen werden, um zu einem höheren Einspeisetarif zu gelan-
gen. Weiters muss nach dem ÖSG eine Ökoenergieanlage wie eine Photovol-
taikanlage, eine Windkraftanlage oder ein Kleinwasserkraftwerk genehmigt und
deren überschüssige Menge an erzeugter Energie ins Netz einspeist werden.
Zurzeit gibt es verschiedene Einspeisetarife für elektrische Energie. Der Einspei-
setarif für Photovoltaik bis 5 kW beträgt 46 N-cent pro Kilowattstunde. Diesen
Tarif würden die Netzbetreiber den Erzeuger bezahlen.56
2.52.52.52.5 StromversorgungStromversorgungStromversorgungStromversorgung
Da es derzeit in Österreich aus rechtlichen Gründen noch nicht möglich ist, eine
Sonde energieautark zu versorgen, ist es notwendig, die Sonden mit einem Erd-
kabel an das Stromnetz anzuschließen. Die Verlegung der Erdkabel erfolgt zum
Schutz in einem PE-Rohr. Dieses PE-Rohr hat eine lange Lebensdauer von 30
Jahren, korrodiert nicht, benötigt keinen Schutzanstrich und auch keinen katho-
dischen Korrosionsschutz.
Das PE-100 Rohr ist gerollt, extrudiert, schwarz mit blauen Streifen und in einem
Bund mit 100 m Länge erhältlich. Die Rohre können bei der Verlegung mit ei-
ner Heizwendel- oder Heizelement-Stumpfschweißung miteinander verbunden
werden, es können aber auch Formteile angebracht werden. Bei diesem Rohr
handelt es sich um ein PE-100 Rohr 63 x 5,8 SDR 11 ISO-S5. Das Rohrgewicht
beträgt 1,06 kg pro m. Laut ISO-S5 ist dieses Rohr für die Druckstufe Gas mit 5
bar und Wasser mit 16 bar geeignet.57
Dieses Rohr wird bei der Verlegung in der Künette auf Sand gelegt, in Sand ein-
gebettet, mit Erdreich überdeckt und verdichtet. Der Abstand zur Oberfläche
beträgt mindestens einen Meter. In diesem Rohr werden dann die Erdkabel
verlegt.
55 ÖSG BGBl.149/200256 E-Control 02/200957 AGRU Produktkatalog, 13.102009
Theoretische Grundlagen 44
Tabelle 12: Kabelkosten, e.D.58585858
MaterialMaterialMaterialMaterial Preis [N / m]Preis [N / m]Preis [N / m]Preis [N / m]
PE100 Rohr 63x5,8PE100 Rohr 63x5,8PE100 Rohr 63x5,8PE100 Rohr 63x5,8 9,009,009,009,00
Erdkabel 4x4mmErdkabel 4x4mmErdkabel 4x4mmErdkabel 4x4mm2222 2,142,142,142,14
Grabung - VerlegungGrabung - VerlegungGrabung - VerlegungGrabung - Verlegung 0,080,080,080,08
Summe 11,22
Tabelle 12 zeigt die spezifischen Kabelkosten pro Meter: Die Verlegung eines
Erdkabels mit dem Querschnitt 4x4 mm2 in einem PE 100 Rohr
kostet 11,22 N pro Meter. Werden mehrere Kabel in diesem PE-100 Rohr ver-
legt, erhöht sich der Preis dementsprechend. Das Elektrokabel wird vom Trafo
des EVUs bis zum Stromverteiler der RAG im PE-Rohr geführt. Die Spannung
beträgt 400VAC. Im Stromverteiler der RAG ist ein Wechselrichter eingebaut,
welcher den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und die Verbraucher
damit speist. Des Weiteren ist ein Stromzähler eingebaut der die Verbrauchsda-
ten direkt an das EVU sendet.
2.5.12.5.12.5.12.5.1 KostenKostenKostenKosten
Tabelle 13: Stromanschlusskosten59595959
Kosten [N]Kosten [N]Kosten [N]Kosten [N]
NetznutzungsentgeltNetznutzungsentgeltNetznutzungsentgeltNetznutzungsentgelt 906906906906
Netzbetreibungsentgelt für 6 kW NetznutzungNetzbetreibungsentgelt für 6 kW NetznutzungNetzbetreibungsentgelt für 6 kW NetznutzungNetzbetreibungsentgelt für 6 kW Netznutzungssssrechtrechtrechtrecht 1.1581.1581.1581.158
Pauschale für ZählermontagePauschale für ZählermontagePauschale für ZählermontagePauschale für Zählermontage 20202020
Netto 2.084
58 Ertl RAG-Bauleiter,13.10.200959 Infoblatt Stadtwerke Imst, 09/2009
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 45
3 Evaluierung verschiedener autarker Energie-
versorgungen zum Betreiben einer ausgewählten
Erdgassonde
In diesem Kapitel wird die Energieversorgung von einer ausgewählten Erdgas-
sonde beschrieben. Diese Erdgassonde wurde ausgewählt, weil es für die Firma
interessant wäre, diese aus energiepolitischen Gründen energieautark zu versor-
gen. Es wird von einer Energieversorgung mit einer Photovoltaikanlage ausge-
gangen und die Kombination aus Photovoltaik und Brennstoffzelle betrachtet.
3.13.13.13.1 Der ausgewählte Standort der ErdgassondeDer ausgewählte Standort der ErdgassondeDer ausgewählte Standort der ErdgassondeDer ausgewählte Standort der Erdgassonde
Der Standort für die ausgewählte Erdgassonde befindet sich in Gemeinde Mun-
derfing. Diese Sonde hat die Bezeichnung MU-011.
Die Koordinaten betragen: Längengrad: 48,079 N
Breitengrad: 13,210 E
Seehöhe: 490 m
Auslegung der PV Anlage für den Standort MunderfingAuslegung der PV Anlage für den Standort MunderfingAuslegung der PV Anlage für den Standort MunderfingAuslegung der PV Anlage für den Standort Munderfing
Zur Auslegung einer PV Anlage ist es erforderlich, genaue Werte der Global-
strahlung zu ermitteln. Diese Werte sind aus Tabellenwerken zu entnehmen und
bilden meist einen Mittelwert über mehrere Jahre ab. Diese Werte entsprechen
einem zweiundzwanzigjährigen Durchschnitt und wurden von Juli 1982 bis Juni
2005 aufgezeichnet. Diese Mittelwerte wurden aus Tagen mit Sonnenschein,
diffusem Licht und Tagen mit Niederschlag gebildet. Es wurden auch die Ta-
geslänge und die Einstrahlungsdauer berücksichtigt. 60
In Abbildung 10 sind die optimalen Neigungswinkel zu einer horizontalen Auf-
stellungsfläche abgebildet, die notwendig sind um eine maximale Ausbeute der
Globalstrahlung zu erreichen.
In Abbildung 11 sind die Tagesmittelwerte der Globalstrahlung auf eine hori-
zontale Oberfläche in kWh/m² als Balken und die Bestrahlung und bei optimaler
Neigung (Abb.10) der PV Paneele als Linie dargestellt.
60 RETScreen Data, abgerufen am 18.04.2011
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 46
Abbildung 10: Optimaler Neigungswinkel der PV Paneele
63
56
42
28
14
911
23
37
51
60
64
0
10
20
30
40
50
60
70
0 2 4 6 8 10 12 14
Monate
Win
kel
°
Reihe1
Abbildung 11: Globalstrahlung Tagesmittel für Munderfing
1,79
2,72
3,13,23
2,44
1,55
1,36
4,274,39
4,13
4,6
3,87
2,79
3,623,69
4,18
4,69
4,48 4,53
3,81
3,32
2,48
2,22
4,21
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
kW
h/m
² T
ag
horizontal
optimal
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 47
3.23.23.23.2 Energieversorgung einer ErdgassondeEnergieversorgung einer ErdgassondeEnergieversorgung einer ErdgassondeEnergieversorgung einer Erdgassonde
Die Erdgassonde MU-011 liegt in einer exponierten Lage. Der Zufahrtsweg führt
durch unwegsames Gelände und durch einen Wald. Auf einer Waldlichtung,
einer großen Fläche liegt die Erdgassonde MU-011. Der Sondenplatz ist Rich-
tung Süden frei. Der heranwachsende Wald könnte in etwa dreißig Jahren zu
einer Verschattung der Erdgassonde führen. Die Energieversorgung dieser Son-
de erfolgt über ein Erdkabel, welches vom EVU verlegt wurde. Dieses Erdkabel
liegt entlang des Zufahrtsweges. Die Länge bzw. Strecke vom Einspeisepunkt
des EVUs bis zum Übergabepunkt an der Sonde beträgt siebentausend Meter.
Der Sondenplatz auf dem sich die Ergassonde befindet, hat eine Größe von ca.
600 m². Dieser ist von einem Sicherheitszaun umgeben. Am Zaun sind Warn-
schilder angebracht, welche auf die möglichen Gefahren hinweisen. Der Über-
gabepunkt der Erdgasleitung, wo diese von Untertage auf Obertag wechselt,
wird durch ein Sondenkreuz abgesichert. Untertage ist die Sonde mit einem
Feuerschieber und Obertage mit einem Seitenarmschieber abgesichert. Diese
Armaturen sind Sicherheitsarmaturen und schließen die Erdgaszufuhr im Falle
eines Brandes oder einer Explosion. In der Erdgasleitung befinden sich Absper-
rarmaturen und Messgeräte. Die Nennweite der Leitung beträgt 80 mm, bei
einem Nenndruck von 160 bar. Sie misst ca. zehn Meter vom Sondenkreuz bis
zur Übergabe untertage, wo sie in ihrem weiteren Verlauf als Pipeline zu einem
Erdgas-Speicher verläuft. Als Speicher fungieren aufgelassene Lagerstätten. Die-
se können bis zu 100 Kilometer entfernt sein.
Die Erdgasleitung ist an das Sondenkreuz angeflanscht. Es sind Kugelhähne, ein
Druckreduzierventil, eine Sicherheitsleitung mit federbelastetem Sicherheitsventil
und eine Abblaseleitung. Eingebaut sind folgende Messgeräte:
• eine Prozessdruckmessung mit Drucktransmitter für den Casingdruck,
• eine Prozessdruckmessung mit Drucktransmitter für den Ringraumdruck,
• eine Prozessdruckmessung mit Drucktransmitter für den Tubingdruck,
• zwei Manometer mit Absperrhahn bis 100 bar
• ein Durchflussmengenmesser,
• ein Thermometer.
Die Drucktransmitter sind mit Keramiksensor ausgestattet. Die Messgeräte sind
vom Fabrikat Endress & Hauser, sind explosionssicher und für den Einbau in
Erdöl- und Erdgassonden bestimmt.
Die Messgeräte sind für die Explosionsschutzklasse II 2G Ex de IIB T4 ausgelegt
und entsprechen der Norm IEC 60079-0.
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 48
Ein in Edelstahl ausgeführter Schaltkasten ist mit einer SIMATIC S7 Steuerung,
elektrischen Schaltgeräten und einem Funkgerät zur Datenübermittlung per Funk
zur Dispatchingzentrale ausgestattet. Daneben steht ein Funkmast mit der ent-
sprechenden Antenne.
Die Versorgungsspannung der Prozessdruckmessgeräte im explosionsfreien
Bereich beträgt 9 bis 32 VDC. Die Steuerung benötigt eine Spannung von 12
VDC. Signale werden mit 4 bis 20 mA übertragen.
3.2.13.2.13.2.13.2.1 Versorgung mit einer PhotovoltaikanlageVersorgung mit einer PhotovoltaikanlageVersorgung mit einer PhotovoltaikanlageVersorgung mit einer Photovoltaikanlage
Abbildung 12: Prinzipschaltbild einer PV-Energiespeicher-Anlage
Die in Abbildung 12 dargestellte Inselanlage besteht aus einer Photovoltaikanla-
ge, einem L für den Laderegler, einem T für den Tiefentladeregler und einem
Energiespeicher. Die Energieversorgung aller Verbraucher erfolgt über den Ener-
giespeicher.
Dimensionierung einer Photovoltaikanlage
Die PV Anlage wird nach folgenden Parametern ausgelegt:
• Ermittlung der Verbraucher
• Bestimmung der Photovoltaikleistung bzw. der Mindestfläche
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 49
Ermittlung der VerbraucherErmittlung der VerbraucherErmittlung der VerbraucherErmittlung der Verbraucher
Tabelle 14: Verbraucher, e.D.
VerbraVerbraVerbraVerbrauuuuchercherchercher LeiLeiLeiLeisssstung [W]tung [W]tung [W]tung [W] Betr.Std.(T) [h]Betr.Std.(T) [h]Betr.Std.(T) [h]Betr.Std.(T) [h] WWWWVT VT VT VT [Wh][Wh][Wh][Wh]
MessgeräteMessgeräteMessgeräteMessgeräte 6,06,06,06,0 24242424 144144144144
SteuerungSteuerungSteuerungSteuerung 0,50,50,50,5 24242424 12121212
RelaisRelaisRelaisRelais 13,513,513,513,5 2222 27272727
FunkFunkFunkFunk 0,50,50,50,5 2222 1111
Gesamt 188
In Tabelle 14 sind alle Verbraucher aufgelistet. Der Tagesverbrauch WVT wird
aufgerundet und beträgt 190 Wh. Rechnet man ein Monat mit 30 Tagen so
ergibt sich ein Monatsverbrauch WVM von 5.700 Wh.
Dimensionierung der Mindestfläche einer PhotovoltaiDimensionierung der Mindestfläche einer PhotovoltaiDimensionierung der Mindestfläche einer PhotovoltaiDimensionierung der Mindestfläche einer Photovoltaikkkkanlageanlageanlageanlage61616161
Die Mindestfläche einer PV-Anlage ergibt sich aus der Bedingung, dass die wäh-
rend einer Periode T erzeugte Energie der in der Periode T verbrauchten Energie
entspricht. Mit Hilfe der Bestrahlungsstärke Ee ergibt sich:
)(**0
min TWdtPAE V
T
VModule ∫ ==η (14)
TE
TWA
Module
V
**
)(min
η= (15)
An einem 21. Dezember wurde eine Bestrahlungsstärke Ee = 85 W/m² auf eine
horizontale Fläche gemessen. Bei einer Neigung von 60° ergibt sich daher eine
Bestrahlungsstärke Ee = 85 W/m² * 1,63 = 138,5 W pro m2 und Tag.62
61 Wallner 22.11.200962 Klimaatlas,1998, 529
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 50
Tabelle 15: Mindestfläche, e.D.
WWWWVVVV [Wh] [Wh] [Wh] [Wh] T[h]T[h]T[h]T[h] EEEEe e e e [W/m[W/m[W/m[W/m2222]]]] NNNNModulModulModulModul AAAAminminminmin [m [m [m [m2222]]]]
AngabeAngabeAngabeAngabe 190190190190 24242424 138,5138,5138,5138,5 14%14%14%14%
ErgebnisErgebnisErgebnisErgebnis 0,40,40,40,4
Bei einem Tagesverbrauch von 190 Wh ergibt sich eine Mindestfläche von 0,4
m². Eine Verdoppelung auf 1 m² wird aus Gründen der Ausfallsicherheit emp-
fohlen.
Tabelle 16: Daten eines PV-Moduls, e.D.63636363
Solarworld – Sunmodule SW 130/140 poly 6RASolarworld – Sunmodule SW 130/140 poly 6RASolarworld – Sunmodule SW 130/140 poly 6RASolarworld – Sunmodule SW 130/140 poly 6RA
ZellengrößeZellengrößeZellengrößeZellengröße Anz. d. ZeAnz. d. ZeAnz. d. ZeAnz. d. Zelllllenlenlenlen Solarfläche [m²]Solarfläche [m²]Solarfläche [m²]Solarfläche [m²] ModulabmessungModulabmessungModulabmessungModulabmessung GewichtGewichtGewichtGewicht
156x156 m156x156 m156x156 m156x156 m 36363636 0,870,870,870,87 1508x680x34 mm1508x680x34 mm1508x680x34 mm1508x680x34 mm 11,8 kg11,8 kg11,8 kg11,8 kg
Dimensionierung der Größe des EnergiespeichersDimensionierung der Größe des EnergiespeichersDimensionierung der Größe des EnergiespeichersDimensionierung der Größe des Energiespeichers
Akkumulatoren speichern die erzeugte elektrische Energie und geben diese zu
Zeitpunkten ab, wenn sie benötigt wird (abends, nachts oder bei Schlechtwet-
terphasen).
Die Größe des Energiespeichers wird durch die Kapazität bestimmt. Für die Be-
rechnung der Kapazität gilt Gleichung (2) (siehe Seite 21).
Für die Batteriespannung UBat werden 12 V eingesetzt. Laut eigener Annahme
wird für Österreich der Wert dR mit vier Tagen angenommen. Dieser Wert ent-
spricht C100. Eine Energieentnahme von 100 Stunden ist damit sichergestellt.
Der Akkumulator kann bis auf 50% entladen werden und wird durch den Entla-
dungswirkungsgrad NEnt definiert.
Tabelle 17: Ergebnisse für den Energiespeicher, e.D.
WWWWVVVV [Wh] [Wh] [Wh] [Wh] UUUUBatBatBatBat [V] [V] [V] [V] NNNNEntEntEntEnt ddddRRRR CCCC100100100100 [Ah] [Ah] [Ah] [Ah]
190190190190 12121212 0,500,500,500,50 4444 130130130130
Der tägliche Energiebedarf der Verbraucher beträgt 200 Wh. Die erforderliche
Kapazität des Energiespeichers, bei einem Entladewirkungsgrad von 50 % und
63 Datenblatt Sunmodule – Solarworld, 18.11.2009
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 51
einer Batteriespannung von 12 VDC beträgt 130 Ah. Ein Blei-Gel-Akkumulator
wäre zu empfehlen, da dieser eine Tiefentladung bis 60% zulässt. Der Akku
benötigt 0,15 m² Platz und passt in einen Schaltschrank, somit ist er auch witte-
rungsgeschützt.
3.2.23.2.23.2.23.2.2 KostenschätzungKostenschätzungKostenschätzungKostenschätzung
Ein kWP inklusive Laderegler kostet ca. 5000 N.
Tabelle 18: Kostenschätzung Gesamtanlage e.D.
Kosten [N]Kosten [N]Kosten [N]Kosten [N]
Photovoltaik (Module und Laderegler) Solarworld (1 m²) ~ 150Photovoltaik (Module und Laderegler) Solarworld (1 m²) ~ 150Photovoltaik (Module und Laderegler) Solarworld (1 m²) ~ 150Photovoltaik (Module und Laderegler) Solarworld (1 m²) ~ 150
WWWWPPPP
ca.800ca.800ca.800ca.800
Fundamentierung (Lagerraum, StreifenfundameFundamentierung (Lagerraum, StreifenfundameFundamentierung (Lagerraum, StreifenfundameFundamentierung (Lagerraum, Streifenfundamennnnte)te)te)te) ca.200ca.200ca.200ca.200
Energiespeicher SB12/ 130 A (Sonnenschein)Energiespeicher SB12/ 130 A (Sonnenschein)Energiespeicher SB12/ 130 A (Sonnenschein)Energiespeicher SB12/ 130 A (Sonnenschein) ca. 540ca. 540ca. 540ca. 540
GesamtkostenGesamtkostenGesamtkostenGesamtkosten ca.1.540ca.1.540ca.1.540ca.1.540
Betriebskosten pro JahrBetriebskosten pro JahrBetriebskosten pro JahrBetriebskosten pro Jahr ca.100ca.100ca.100ca.100
InstandhaltungskostenInstandhaltungskostenInstandhaltungskostenInstandhaltungskosten je nach Aufwand, k.A.je nach Aufwand, k.A.je nach Aufwand, k.A.je nach Aufwand, k.A.
Für die Kostenschätzung in Tabelle 18 wurde bei der Dimensionierung der Min-
destfläche, der Globalstrahlungswert 138,5 Wh/m²*d aus Tabelle 15 (siehe
Seite 44) herangezogen.
Abbildung 13: Energiespeicherkosten für Akkumulatoren
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 52
432
672
336
2064
3888
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Blei-Säure Blei-Gel 4 OPzS 240 Li-FePO4 Li-Polymer
Ko
ste
n [
€]
Die möglichen Energiespeicherkosten der Akkumulatoren bezogen auf eine
Kapazität von 240 Ah sind in Abbildung 13 graphisch dargestellt. Aus dieser
Abbildung lässt sich klar ablesen, dass Li-Ionen-Akkumulatoren aus Kostengrün-
den zurzeit nicht in Frage kommen.
Die Werte für die Lebensdauer wurden aus Tabelle 9 (siehe Seite 36) in Tabelle
19 übertragen.
In Abbildung 14 sind die Lebensdauerkosten der Energiespeicher dargestellt.
Dabei ist festzustellen, dass die OPzS - Akkumulatoren durch ihre lange Lebens-
dauer und die geringen Wartungsintervalle als klarer Favorit einzustufen sind. Bei
allen Blei-Akkumulatoren ist am Ende ihrer Lebensdauer eine Entsorgung not-
wendig. Diese anfallenden Kosten wurden hier nicht berücksichtigt.
Da bei der Erdgassonde der Tagesleistungsbedarf nur 190 Wh beträgt wird ein
Blei-Gel-Akku mit 130 Ah beingesetzt. Dieser Akku hat einen Platzbedarf von
0,12 m². Ein OPzS-Akku würde 1,2 m² Platz benötigen.
Wie in Abbildung 13 schon erwähnt, scheidet die Li-Ionen-Technologie klar aus.
Für den Li-Polymer-Energiespeicher gibt es keine Angaben über die Lebensdau-
er, da dieser erst seit 2007 am Markt ist und noch keine Testergebnisse vorlie-
gen. Trotz intensiver Recherche konnten keine klaren Antworten eingeholt wer-
den.
Tabelle 19: Lebensdauer in Jahren, e.D.
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 53
Blei-Säure Blei-Gel 4 OPzS 240 LiFePO4 Li-Polymer
Lebensdauer [a] 6 10 20 8 k.A.
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 54
Abbildung 14: Lebensdauerkosten der Energiespeicher
7267
17
258
0
50
100
150
200
250
300
Blei-Säure Blei-Gel 4 OPzS 240 Li-FePO4
Ko
ste
n [
€/a
]
3.2.33.2.33.2.33.2.3 Versorgung mit Photovoltaikanlage und BrennstoffzeVersorgung mit Photovoltaikanlage und BrennstoffzeVersorgung mit Photovoltaikanlage und BrennstoffzeVersorgung mit Photovoltaikanlage und Brennstoffzelllllelelele
Abbildung 15: Prinzipschaltbild PV-BZ-Energiespeicher-Anlage
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 55
In Kapitel 3.1.1 wurden bereits die Verbraucher, die Photovoltaikanlage und der
Energiespeicher bestimmt. Hier kommt nun die Versorgung mit einer Brenn-
stoffzelle dazu.
Die Photovoltaikanlage wandelt die Sonnenstrahlen in elektrischen Strom um,
welcher nun im Energiespeicher gespeichert wird. Funktioniert die Photovol-
taikanlage bei Regen oder Schnee einmal nicht, oder werden im Winter die PV-
Module durch den Schnee komplett zugedeckt, so kann die Direktmethanol-
brennstoffzelle als Unterstützung dazugeschaltet werden und die fehlende Ener-
gie erzeugen. In den Monaten November bis Februar kommt die Brennstoffzelle
öfter zum Einsatz als in den übrigen Monaten. Bei Schönwetter wird der Strom
aus der Solarzelle produziert, die Brennstoffzelle befindet sich im Wartemodus.
Bei schlechtem Wetter, bei Dunkelheit und vor allem im Winter, wenn die Solar-
zelle nicht genügend Energie produziert und der Energiespeicher nicht aufgefüllt
werden kann, kommt die Brennstoffzelle zum Einsatz. Sinkt der Ladezustand
des Energiespeichers, schaltet sich die Brennstoffzelle automatisch dazu, lädt
den Energiespeicher und geht dann wieder in den Wartemodus über. Kombi-
niert man beide Systeme, dann ergeben sich Einsparmöglichkeiten der Größe
der Photovoltaikanlage und bei der Wahl des richtigen Enegiespeichers.
Dimensionierung der BrennstoffzelleDimensionierung der BrennstoffzelleDimensionierung der BrennstoffzelleDimensionierung der Brennstoffzelle
Beim Einsatz der Brennstoffzelle können zwei Arten zum Einsatz kommen
DMFC
PEMFC
Die DMFC (Direktmethanolbrennstoffzelle) kann bis zu einer Seehöhe von
2.500 m problemlos betrieben werden. Der Brennstoff Methanol kann in Kani-
stern zur Sonde geliefert werden. Dazu ist kein spezielles Transportfahrzeug
notwendig. Das Methanol wird, je nach System in einen Tank geleert oder es
wird eine eigene Tankpatrone verwendet. Methanol ist ein im Handel erhältli-
cher Alkohol. Die Herstellungskosten sind bedeutend günstiger, als die von Was-
serstoff. Für die DMFC benötigt man einen Reformer, der das Methanol in Was-
serstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei wird ein geringer Teil an CO2 produziert,
das an die Umwelt abgegeben wird. DMFC gibt es in den Größen von 50W bis
5 kW.
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 56
Die PEMFC (Polyelektrolytmembranbrennstoffzelle) kann bis 2.000 m Seehöhe
betrieben werden, ihre Versorgung erfolgt mit Wasserstoff. Dieser kann in Fla-
schenbündeln zu je 10 Flaschen angeliefert werden. Der Transport kann nur mit
Spezialkraftfahrzeugen durchgeführt werden. Zum Lenken dieses Fahrzeuges,
muss der Lenker eine ADR-Lizenz Klasse 2 besitzen. Ein montierter Kran am
Fahrzeug ist notwendig, damit die Bündel auf- und abgeladen werden können.
Bei der PEMFC wird kein CO2 erzeugt. PEMFC werden ab einer Größe von 3 kW
eingesetzt.
Da der Wasserstoff nur von einem Anbieter, der Linde AG in Österreich herge-
stellt wird und zusätzliche Transportkosten anfallen, wird bevorzugt Methanol
eingesetzt.64
Tabelle 20: Brennstoffeigenschaften e.D.
EigenschaftenEigenschaftenEigenschaftenEigenschaften WasserstoffWasserstoffWasserstoffWasserstoff MethanolMethanolMethanolMethanol
AggregatszustandAggregatszustandAggregatszustandAggregatszustand gasförmiggasförmiggasförmiggasförmig flüssigflüssigflüssigflüssig
Molmasse [g/mol]Molmasse [g/mol]Molmasse [g/mol]Molmasse [g/mol] 2,0162,0162,0162,016 32,04232,04232,04232,042
Schmelztemperatur [°C]Schmelztemperatur [°C]Schmelztemperatur [°C]Schmelztemperatur [°C] -258,60-258,60-258,60-258,60 -97,53-97,53-97,53-97,53
Siedetemperatur [°C]Siedetemperatur [°C]Siedetemperatur [°C]Siedetemperatur [°C] -252,77-252,77-252,77-252,77 +64,60+64,60+64,60+64,60
Explosionsgrenze [Vol%]Explosionsgrenze [Vol%]Explosionsgrenze [Vol%]Explosionsgrenze [Vol%] 6 – 506 – 506 – 506 – 50 4 – 4,1 /75 - 79,24 – 4,1 /75 - 79,24 – 4,1 /75 - 79,24 – 4,1 /75 - 79,2
Zündtemperatur [°C]Zündtemperatur [°C]Zündtemperatur [°C]Zündtemperatur [°C] +585+585+585+585 +400+400+400+400
Derzeit sind für Österreich nur zwei Brennstoffzellen - Hersteller verfügbar
EFOY-Brennstoffzelle Vertrieb durch Firma udomi in Neuenstein (Deutsch-
land)
IDA Tech – Vertrieb durch MASTERGUARD CHLORIDE AUSTRIA in Salzburg
EFOY- Brennstoffzellen65
Eingesetzt wird eine EFOY-Direktmethanolbrennstoffzelle. Diese ist vielfach er-
probt, und sie ist ein zuverlässiger Energielieferant. Sie wurde bis heute 14.000-
mal verkauft und wird dort eingesetzt, wo es schwierig ist elektrischen Strom zu
bekommen. Die EFOY-Direktmethanolbrennstoffzelle hat folgende Vorteile und
Einsatzgebiete.
64 EFOY Brennstoffzellen 05/200965 EFOY Brennstoffzellen 05/2009
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 57
Vorteile
Robust und wartungsfrei
Leicht und kompakt
Lädt automatisch 12V und 24V Akkus
Ist hybridfähig kombinierbar mit Photovoltaik
Einsatzgebiete
auf Baustellen zur Energieversorgung von Verkehrsleitsystemen
im Campingbereich und auf Almhütten
im militärischen Bereich zur Energieversorgung von Kameras
im Telkommunikationsbereich bei Sendeanlagen
Die Brennstoffzelle besteht aus einem Standard Zubehör Set. Dieses besteht
aus:
Fernbedienung mit Anschlusskabel, Ladekabel zum Anschluss an Batterie, Tank-
patronenhalterung, Abwärmeführung Set, Abgasschlauch, Bedienungsanleitung
und Service Fluid.
Tabelle 21: Datenblatt EFOY-Brennstoffzellen, e.D.66666666
BrennstoffzellenBrennstoffzellenBrennstoffzellenBrennstoffzellen EFOY 600EFOY 600EFOY 600EFOY 600 EFOY 1200EFOY 1200EFOY 1200EFOY 1200 EFOY 1600EFOY 1600EFOY 1600EFOY 1600
Max. Ladeleistung pro Tag [Wh /Max. Ladeleistung pro Tag [Wh /Max. Ladeleistung pro Tag [Wh /Max. Ladeleistung pro Tag [Wh /
Tag]Tag]Tag]Tag] 600600600600 1.2001.2001.2001.200 1.5601.5601.5601.560
Nennleistung [W]Nennleistung [W]Nennleistung [W]Nennleistung [W] 25252525 50505050 65656565
Nennspannung [V]Nennspannung [V]Nennspannung [V]Nennspannung [V] 12121212
Nennstrom bei 12V [A]Nennstrom bei 12V [A]Nennstrom bei 12V [A]Nennstrom bei 12V [A] 2,12,12,12,1 5,45,45,45,4 5,45,45,45,4
Empfohlene Batteriekapazität (12V)Empfohlene Batteriekapazität (12V)Empfohlene Batteriekapazität (12V)Empfohlene Batteriekapazität (12V)
[Ah][Ah][Ah][Ah] 10 bis 10010 bis 10010 bis 10010 bis 100 20 bis 20020 bis 20020 bis 20020 bis 200 25 bis 25025 bis 25025 bis 25025 bis 250
Ruhestromverbrauch [mA]Ruhestromverbrauch [mA]Ruhestromverbrauch [mA]Ruhestromverbrauch [mA] 15151515
Gewicht [kg]Gewicht [kg]Gewicht [kg]Gewicht [kg] 6,56,56,56,5 7,47,47,47,4 7,67,67,67,6
Erforderliche Startspannung bei 12VErforderliche Startspannung bei 12VErforderliche Startspannung bei 12VErforderliche Startspannung bei 12V
[V][V][V][V] >10,5>10,5>10,5>10,5
Geräuschpegel (in 1m/7m) [dB(A)]Geräuschpegel (in 1m/7m) [dB(A)]Geräuschpegel (in 1m/7m) [dB(A)]Geräuschpegel (in 1m/7m) [dB(A)] 39 / 2339 / 2339 / 2339 / 23
Starttemperatur [°C]Starttemperatur [°C]Starttemperatur [°C]Starttemperatur [°C] +5° bis +40+5° bis +40+5° bis +40+5° bis +40
Betriebstemperatur [°C]Betriebstemperatur [°C]Betriebstemperatur [°C]Betriebstemperatur [°C] -20° C bis +40-20° C bis +40-20° C bis +40-20° C bis +40
Nennverbrauch [l / kWh]Nennverbrauch [l / kWh]Nennverbrauch [l / kWh]Nennverbrauch [l / kWh] 0,90,90,90,9
Empfohlene EinsatzhEmpfohlene EinsatzhEmpfohlene EinsatzhEmpfohlene Einsatzhööööhe [m]he [m]he [m]he [m] 1500150015001500
Abmessungen [mm]Abmessungen [mm]Abmessungen [mm]Abmessungen [mm] 435 x 200 x 276435 x 200 x 276435 x 200 x 276435 x 200 x 276
Preis [N]Preis [N]Preis [N]Preis [N] 3.8003.8003.8003.800 4.1004.1004.1004.100 4.4004.4004.4004.400
66 vgl. Datenblatt EFOY-Brennstoffzellen, 09/2009
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 58
LebensdauerLebensdauerLebensdauerLebensdauer sicher 3.000 h (realistisch 5.000 h)sicher 3.000 h (realistisch 5.000 h)sicher 3.000 h (realistisch 5.000 h)sicher 3.000 h (realistisch 5.000 h)
Tankpatronen
Für die EFOY-Brennstoffzellen wurde ein eigenes Tankpatronensystem entwik-
kelt. Dieses ist sauber, sicher, es erfolgt keine Berührung mit dem Inhalt und es
kann auch in Umweltschutzgebieten verwendet werden. Diese Tankpatronen
dürfen in geschlossenen Räumen gelagert werden. Es sind alle Zulassungen für
den Transport auf der Strasse, am Wasser und in der Luft vorhanden. Aufgrund
der hohen Zuverlässigkeit und Ausfallssicherheit werden diese für das Militär
eingesetzt, eine dazu notendige UN-Genehmigung ist vorhanden. Tankpatronen
gibt es, wie in Tabelle 22 aufgelistet, in folgenden Größen.
Tabelle 22: Tankpatronen für EFOY-Brennstoffzellen
TankpatronenTankpatronenTankpatronenTankpatronen M5M5M5M5 M10M10M10M10 M28 (nur mit M28-M28 (nur mit M28-M28 (nur mit M28-M28 (nur mit M28-
Adapter)Adapter)Adapter)Adapter)
Inhalt [l]Inhalt [l]Inhalt [l]Inhalt [l] 5555 10101010 28282828
Gewicht [kg]Gewicht [kg]Gewicht [kg]Gewicht [kg] 4,34,34,34,3 8,48,48,48,4 22222222
Nennkapazität [kWh]Nennkapazität [kWh]Nennkapazität [kWh]Nennkapazität [kWh] 5,55,55,55,5 11,111,111,111,1 31,131,131,131,1
Größe L x B x H [mm]Größe L x B x H [mm]Größe L x B x H [mm]Größe L x B x H [mm] 190x145x283190x145x283190x145x283190x145x283 230x193x318230x193x318230x193x318230x193x318 420x280x360420x280x360420x280x360420x280x360
EFOY bietet das ganze Brennstoffzellensystem als Komplettlösung in einer Aluki-
ste an. Sie nennt diese Lösung „EFOY ProCube“.
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 59
Abbildung 16: EFOY ProCube geöffnet67
Dieser EFOY ProCube kann direkt an die Photovoltaikanlage angeschlossen wer-
den.
Tabelle 23: EFOY ProCube Konfiguration68
BrennstoffzelleBrennstoffzelleBrennstoffzelleBrennstoffzelle EFOY Pro 600EFOY Pro 600EFOY Pro 600EFOY Pro 600 EFOY Pro 1200EFOY Pro 1200EFOY Pro 1200EFOY Pro 1200 EFOY Pro 1600EFOY Pro 1600EFOY Pro 1600EFOY Pro 1600
LonglifeLonglifeLonglifeLonglife
TankpatroneTankpatroneTankpatroneTankpatrone M5M5M5M5 M10M10M10M10 M28M28M28M28
Batterie (12V) [Ah]Batterie (12V) [Ah]Batterie (12V) [Ah]Batterie (12V) [Ah] 40404040 60606060 90909090
ÜberwachungÜberwachungÜberwachungÜberwachung Fernüberwachungspaket mit TankpatronensensorFernüberwachungspaket mit TankpatronensensorFernüberwachungspaket mit TankpatronensensorFernüberwachungspaket mit Tankpatronensensor
MaterialMaterialMaterialMaterial AluminiumAluminiumAluminiumAluminium
Abmessungen (L x B x H)Abmessungen (L x B x H)Abmessungen (L x B x H)Abmessungen (L x B x H)
[mm][mm][mm][mm] 800 x 600 x 400800 x 600 x 400800 x 600 x 400800 x 600 x 400
SchutzklasseSchutzklasseSchutzklasseSchutzklasse IP54IP54IP54IP54
Gewicht [kg]Gewicht [kg]Gewicht [kg]Gewicht [kg] ca.15ca.15ca.15ca.15
Bereits enthaltenBereits enthaltenBereits enthaltenBereits enthalten Laderegler, Luftführung, Elektrik, externe ALaderegler, Luftführung, Elektrik, externe ALaderegler, Luftführung, Elektrik, externe ALaderegler, Luftführung, Elektrik, externe Annnnschlüsseschlüsseschlüsseschlüsse
67 EFOY Procube, abgerufen 23.11.200968 EFOY ProCube Datenblatt 09/2009
Evaluierung verschiedener autarker Energieversorgungen zum Betreiben einer
ausgewählten Erdgassonde 60
IDA Tech BrennstoffzellenIDA Tech BrennstoffzellenIDA Tech BrennstoffzellenIDA Tech Brennstoffzellen69696969
IDA Tech ist ein amerikanisches Produkt und wird in Österreich über die Firma
MASTERGUARD CHLORIDE AUSTRIA in Salzburg vertrieben. Die IDA Tech
Brennstoffzellen werden in drei Größen 250 W, 3kW und 5 kW angeboten.
Tabelle 24: IDA Tech 250W, e.D.70707070
iGen™SystemiGen™SystemiGen™SystemiGen™System
Max. Ladeleistung pro Tag [Wh]Max. Ladeleistung pro Tag [Wh]Max. Ladeleistung pro Tag [Wh]Max. Ladeleistung pro Tag [Wh] 6.0006.0006.0006.000
Nennleistung [W]Nennleistung [W]Nennleistung [W]Nennleistung [W] 250250250250
Nennspannung [VDC]Nennspannung [VDC]Nennspannung [VDC]Nennspannung [VDC] 12 oder 2412 oder 2412 oder 2412 oder 24
Einstellbare Spannung [VDC]Einstellbare Spannung [VDC]Einstellbare Spannung [VDC]Einstellbare Spannung [VDC] 1 – 13, 22 – 261 – 13, 22 – 261 – 13, 22 – 261 – 13, 22 – 26
Abmessungen (L x B x H) [mm]Abmessungen (L x B x H) [mm]Abmessungen (L x B x H) [mm]Abmessungen (L x B x H) [mm] 338x437x445338x437x445338x437x445338x437x445
Gewicht [kg]Gewicht [kg]Gewicht [kg]Gewicht [kg] 18181818
BrennstoffBrennstoffBrennstoffBrennstoff HydroPlus (Methanol / Wasser)HydroPlus (Methanol / Wasser)HydroPlus (Methanol / Wasser)HydroPlus (Methanol / Wasser)
Tankinhalt [l]Tankinhalt [l]Tankinhalt [l]Tankinhalt [l] 45454545
Umgebungstemperatur [°C]Umgebungstemperatur [°C]Umgebungstemperatur [°C]Umgebungstemperatur [°C] -20 bis +50-20 bis +50-20 bis +50-20 bis +50
Relative Luftfeuchtigkeit [%]Relative Luftfeuchtigkeit [%]Relative Luftfeuchtigkeit [%]Relative Luftfeuchtigkeit [%] 10 bis 95, kein Regen10 bis 95, kein Regen10 bis 95, kein Regen10 bis 95, kein Regen
Aufstellungshöhe [m]Aufstellungshöhe [m]Aufstellungshöhe [m]Aufstellungshöhe [m] 0 – 2.0000 – 2.0000 – 2.0000 – 2.000
Typische LaufzeitTypische LaufzeitTypische LaufzeitTypische Laufzeit 90 h bei 250 W90 h bei 250 W90 h bei 250 W90 h bei 250 W
Verbrauch [l/h]Verbrauch [l/h]Verbrauch [l/h]Verbrauch [l/h] 2222
Preis [N]Preis [N]Preis [N]Preis [N] ca. 12.000ca. 12.000ca. 12.000ca. 12.000
Lebensdauer [h]Lebensdauer [h]Lebensdauer [h]Lebensdauer [h] 3.5003.5003.5003.500
Die Brennstoffzelle erzeugt eine Spannung von 24 VDC bzw. 48 VDC. Zur Er-
zeugung einer 12 VDC oder 24 VDC für den Energiespeicher wird ein Indu-
striegleichrichter empfohlen.
Abbildung 17: iGen™System71
69 Hussl a, 18.11.200970 vgl.Hussl c, 18.11200971 Hussl e, 18.11.2009
Berechnung und Ergebnisse 61
4 Berechnung und Ergebnisse
4.14.14.14.1 Photovoltaik-AnlagePhotovoltaik-AnlagePhotovoltaik-AnlagePhotovoltaik-Anlage
4.1.14.1.14.1.14.1.1 SimulationsergebnisseSimulationsergebnisseSimulationsergebnisseSimulationsergebnisse72727272
Simulationsprogramm: PVSYST V.20
Jahressumme der Solarstrahlung in Modulebene 1051 kWh/m²a
Einstrahlungsgewinn gegenüber der horizontalen Fläche 6,8%
Jährlich eingespeiste Energie: 129 kWh
Die Simulationsprotokolle befinden sich in Anhang.
Abbildung 18: Einstrahlungsberechnung der PV-Anlage73
1,20
2,04
3,02
4,23
5,23 5,20 5,23
4,67
3,31
2,00
1,17
0,91
1,872
2,7132
3,7403
2,7
1,872
1,4833
3,4428
4,1031
4,2964
4,4978
4,3409
4,264
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Monat
kw
h/m
²
horizontal
60°Neigung
In Abbildung 18 sind die täglichen Monatswerte aus der Einstrahlungsberech-
nung für die PV-Anlage abgebildet. Diese PV-Paneele sind nach Süden ausge-
richtet, die Einstrahlung erfolgt horizontal. Diese Werte sind Durchschnittswerte.
Alle Wetterbedingungen sind hier schon mit eingerechnet.
Die blaue Linie stellt die Verbraucher dar. In den Monaten Oktober bis Jänner
könnte die Brennstoffzelle als Energielieferant einspringen.
72 esomatic73 RETScreen Data
Berechnung und Ergebnisse 62
Die PMPP Leistung wird bei Standardbedingungen STC (Bestrahlungsstärke E =
1.000 W/m², Zelltemperatur N = 25°C, Spektrum AM 1,5) ermittelt. Dadurch
können Solarzelle und Solarmodule verglichen werden.
Tabelle 25: Hauptsimulationsergebnisse, e.D.
In Tabelle 25 sind die Hauptsimulationsergebnisse abgebildet. Die verfügbare
Energie E Avail beträgt 129 kWh/a, die dem Verbraucher gelieferte Energie E
User 69 kWh/a ergibt einen Energieüberfluss von 47 kWh/a. Der Wert „Effektive
Globalstrahlung“ GlobEff wurde für eine Neigung von 55° errechnet. Die fehlen-
de Energie E Miss beträgt 0,8 kWh und bezieht sich auf den Monat Dezember.
Der spezifische Ertrag der PV-Anlage pro installiertem kWP beträgt 809
kWh/kWP/Jahr.
Die Energie für den Verbraucher errechnet sich aus dem Wert der jährlichen
Globalstrahlung auf eine vordefinierte Fläche unter dem Winkel von 55°. Dieser
Wert wird dann mit dem Wirkungsgrad des PV-Moduls multipliziert und wird
„PV-Feld Nennenergie bei STC“ genannt. Von diesem Wert werden dann alle
möglichen Verluste (z.B. thermische -, Kabel-, - MPP-Regler – und Verluste un-
genutzter Energie) subtrahiert und das Resultat wird als „Effektive Energie am
PV-Ausgang“ dargestellt. Dieser Wert entspricht der „Akkuspeicherung“. D.h. der
Akku muss für diese Größe ausgelegt werden. Ein Viertel dieser Energie geht
direkt an das PV-Modul, der Rest wird im Akku gespeichert. Von dieser Ak-
Berechnung und Ergebnisse 63
kuspeicherung werden dann noch Verluste, welche sich durch Akku-
Wirkungsgrad, Selbstentladung und Verdampfung des Elektrolyten ergeben, in
Abzug gebracht. Das Ergebnis liefert die dem Verbraucher gelieferte Energie „E
User“ .Die Verluste betragen etwa 80%.
Die Ergassonde kann mit folgendem PV System ausgerüstet werden.
PV Versorgung erfolgt mit zwei Solarmodulen a´ 80 WP ergibt eine Gesamtlei-
tung von 160 WP. Der Enegiespeicher hat eine Kapazität von 130 Ah bei 12
VDC.
4.24.24.24.2 Photovoltaik-Anlage und BrennstoffzellePhotovoltaik-Anlage und BrennstoffzellePhotovoltaik-Anlage und BrennstoffzellePhotovoltaik-Anlage und Brennstoffzelle
Beim Betrieb der Erdgassondenverbraucher mit einer Photovoltaik-Anlage und
einer Brennstoffzelle können die Solarfläche und der Energiespeicher verringert
werden. Die Brennstoffzelle liefert an so genannten „Black days“ die nötige
Energie. in den Monaten Oktober bis Jänner wird die fehlende Energie, die von
der Photovoltaikanlage nicht erzeugt werden kann, durch eine Brennstoffzelle
erzeugt. Es kann durchaus sein, dass in den Monaten Februar, März, August
und September zur Unterversorgung kommen kann, auch in diesen Monaten
liefert die Brennstoffzelle die nötige Energie. Als Brennstoffzelle wird eine DMFC
EFOY 600 mit einer Leistung von
25 Wh eingesetzt. Das Solarmodul leistet 95 WP. Der Energiespeicher hat eine
Kapazität von 90 Ah bei 12 VDC.
4.2.14.2.14.2.14.2.1 SimulationsergebnisseSimulationsergebnisseSimulationsergebnisseSimulationsergebnisse74747474
Simulationsprogramm: Homer V.20
Jahressumme der Solarstrahlung in Modulebene 1051 kWh/m²a
Einstrahlungsgewinn gegenüber der horizontalen Fläche 6,8%
Jährlich eingespeiste Energie: 107 kWh
Die Simulationsprotokolle befinden sich in Anhang 5 und 7. Im Anhang 6 liegt
eine Karte mit den Langjährigen Mittel der Globalstrahlung von Meteosat.
74 udomi
Berechnung und Ergebnisse 64
Tabelle 26: EFOY 600
10%10%10%10% 25%25%25%25% 100%100%100%100%
BetriebsstundenBetriebsstundenBetriebsstundenBetriebsstunden 300300300300 750750750750 3.0003.0003.0003.000 h/ah/ah/ah/a
LebensdauerLebensdauerLebensdauerLebensdauer 10101010 1111 4444 aaaa
Jahresproduktion elektrischJahresproduktion elektrischJahresproduktion elektrischJahresproduktion elektrisch 2,72,72,72,7 6.756.756.756.75 27272727 kWh/akWh/akWh/akWh/a
NennleistungNennleistungNennleistungNennleistung 25252525 WWWW
Min. elektrische LeiMin. elektrische LeiMin. elektrische LeiMin. elektrische Leisssstungtungtungtung 25252525 WWWW
Max elektrische LeiMax elektrische LeiMax elektrische LeiMax elektrische Leisssstungtungtungtung 25252525 WWWW
BrennstoffverbrauchBrennstoffverbrauchBrennstoffverbrauchBrennstoffverbrauch 6,86,86,86,8 17171717 68686868 l/al/al/al/a
Spez. BrennstofSpez. BrennstofSpez. BrennstofSpez. Brennstofffffverbrauchverbrauchverbrauchverbrauch 1111 l/kWhl/kWhl/kWhl/kWh
Elektr. Wirkungsgrad NElektr. Wirkungsgrad NElektr. Wirkungsgrad NElektr. Wirkungsgrad Nelelelel 23,123,123,123,1 %%%%
Die Brennstoffzelle EFOY 600 hat eine Lebensdauer von 3.000 h, diese ent-
spricht den 100% in Tabelle 25. Diese hat eine jährliche Laufzeit von 750 h. Sie
produziert 270 h elektrische Energie. Den Rest benötigt sie für den Leerlaufmo-
dus. Daraus ergibt sich auch ein Wirkungsgrad von 23,1 %.
Tabelle 27: Elektrische Jahresproduktion PV - BZ
kWh/akWh/akWh/akWh/a
PhotovoltaikPhotovoltaikPhotovoltaikPhotovoltaik 100100100100 94%94%94%94%
BrennstoffzelleBrennstoffzelleBrennstoffzelleBrennstoffzelle 7777 6%6%6%6%
GesamtGesamtGesamtGesamt 107107107107 100%100%100%100%
Die PV-Anlage und die Brennstoffzelle produzieren lt. Simulationsergebnis jähr-
lich 107 kWh.
Dadurch wird ein Überschuss produziert.
Am Mark gibt es viele Simulationsprogramme. Für die meisten dieser Program-
me muss jedoch bezahlt werden. In dieser Diplomarbeit wurden zwei der gän-
gigsten Programme verwendet.
Berechnung und Ergebnisse 65
Abbildung 19: Leistung für PV-Anlage und PV-Anlage mit BZ
160
95
25
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2
Le
istu
ng
[W
]
Abb. 19 zeigt die Leistungen für den Betrieb der ausgewählten Erdgassonde.
Wird die Erdgassonde nur mit einer Photovoltaikanlage betrieben (siehe Säule
1), so reicht laut Berechnung eine Nennleistung von 160 WP. Die Photovol-
taikanlage besteht aus zwei Modulen mit je 80 WP. Daraus ergibt sich eine Mo-
duloberfläche von 1,3 m². Dieses Solarmodul besteht aus polykristallinen Si-
Zellen und es wurde ein Solarworld SW80 Paneel dazu verwendet. Bei Feldbe-
triebsbedingungen (50°C) Umgebungstemperatur leistet die Photovoltaikanlage
143 WP.
Wird die Erdgassonde nur mit einer Photovoltaikanlage und einer DMFC betrie-
ben (siehe Säule 2), so reicht laut Berechnung eine für die Photovoltaikanlage
eine Nennleistung von 95 WP. Dieses Solarmodul besteht aus polykristallinen Si-
Zellen und es wurde ein Kyocera KD95-12 Paneel dazu verwendet. Die Brenn-
stoffzelle liefert eine Leistung von 25 W. Es wurde das Fabrikat EFOY 600 aus-
gewählt.
D.h. an Tagen mit ungünstigen Bedingungen für die Photovoltaikanlage wird die
Erdgassonde mit Energie aus der Brennstoffzelle versorgt.
Berechnung und Ergebnisse 66
4.34.34.34.3 KostenschätzungKostenschätzungKostenschätzungKostenschätzung
Abbildung 20: Kosten für die Energieversorgung
800450
400
250
2800
2000
3000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1 2 3
Ko
ste
n [
€]
In Abb. 20 sind die möglichen Kosten für die Versorgung der Erdgassonde dar-
gestellt. Dabei wurden die Simulationsergebnisse herangezogen.
Säule 1 zeigt die Versorgung mit der PV-Anlage und einem Energiespeicher. Für
die PV-Anlage mit 160 WP beträgt der Wert 800 N und für die Energieversorgung
mit einem 12 V/130 Ah (C100) Blei-Gel-Akku 400 N. Ergibt eine Summe von
1.200 N für die Energieversorgung.
Säule 2 zeigt die Versorgung mit der PV-Anlage, einem Energiespeicher 12 V/90
Ah (C100) Solarbatterie 250 N und der DMFC 2800 N. Für die PV-Anlage mit
95 WP beträgt der Wert 450 N, für die Energieversorgung mit einem 130 Ah /
12 V Blei-Gel-Akku 400 N. Ergibt eine Summe von 3.500 N für die Energiever-
sorgung.
Säule 3 zeigt die Versorgung mir elektrischem Strom. Die Kosten für die Verle-
gung des Erdkabels vom Trafo des EVUs bis zur Übergabe an der Erdgassonde
beträgt 2.000 N und die Kosten für den 10 kV-Trafo betragen 3.000 N, ergibt
Gesamtkosten von 5.000 N.
.
Berechnung und Ergebnisse 67
Abbildung 21: Betriebs- und Wartungskosten für die Energieversorgung
200 200
100
100
50
0
50
100
150
200
250
300
350
1 2 3
Ko
ste
n [
€]
Abb. 21 zeigt die möglichen jährlichen Betriebs- und Wartungskosten für alle
drei schon genannten Versorgungsmöglichkeiten der Erdgassonde. Diese Kosten
sind Schätzwerte, da sich diese nach dem Aufwand errechnen. D.h. das War-
tungspersonal muss alle drei Monate zur Erdgassonde fahren, um Inspektions-
und Servicearbeiten und je nach Witterung Reinigungsarbeiten nach Schneefäl-
len durchzuführen. Die Betriebs- und Wartungskosten von 200 N sind bei den
regenerativen Energiekosten etwa gleich. Der Aufwand für den Trafo beträgt ca.
die Hälfte.
Bei der Versorgung mit der DMFC kommen noch die Kosten für die Methanol
Tankpatronen dazu. Bei der Versorgung mit Strom kommen die Gebühren für
den Strom hinzu.
4.44.44.44.4 Bewertung Bewertung Bewertung Bewertung
Tabelle 28: Bewertung der Energieversorgung e.D.
ökologischökologischökologischökologisch ökonökonökonökonoooomischmischmischmisch BetriebssicheBetriebssicheBetriebssicheBetriebssicherrrrheitheitheitheit
Photovoltaik / EnergiespePhotovoltaik / EnergiespePhotovoltaik / EnergiespePhotovoltaik / Energiespeiiiichercherchercher ++++++++++++ ++++++++++++ ++++
Photovoltaik Brennstoffzelle EnergiPhotovoltaik Brennstoffzelle EnergiPhotovoltaik Brennstoffzelle EnergiPhotovoltaik Brennstoffzelle Energieeeespeicherspeicherspeicherspeicher ++++++++ ++++++++++++ ++++++++++++
+ befriedigend,++ gut, +++ sehr gut
Zusammenfassung und Ausblick 68
5 Zusammenfassung und Ausblick
Momentan werden bei der RAG alle Erdöl- und Erdgassonden mit elektrischer
Energie versorgt.
Zur Energieversorgung der Erdgassonden würden Photovoltaikanlagen alleine
ausreichen. Durch die Kombination der Photovoltaikanlagen mit Brennstoffzellen
kann die Solarfläche der Photovoltaikanlagen verkleinert werden. Diese Be-
triebsart ermöglicht die Energieversorgung der Erdgassonde bei widrigsten Wet-
terbedingungen (z.B. tagelangem Schneefall, bei Regentagen oder bei Nebelta-
gen). Als Brennstoffzelle kommt zurzeit nur die Direktmethanolbrennstoffzelle
zum Einsatz, da die Kosten für den Methanolverbrauch relativ gering sind. Der
Transport von Methanol zur Erdgassonde kann ohne besondere Transportvor-
schriften vom Betriebs- oder Wartungspersonal durchgeführt werden.
Bei den Energiespeichern wird sich trotz des höheren Preises der Lithium-Ionen
- Akkumulator in den nächsten Jahren durchsetzen. Momentan wird der Blei-Gel
Akkumulator wegen seiner hohen Tiefentladung und seiner hohen Betriebssi-
cherheit weiterhin am Markt bleiben und bei der RAG eingesetzt werden.
Es wurden keine Energie- und Umweltschutzbilanzen berücksichtigt.
Die 121 Gassonden der RAG könnten energieautark betrieben werden. Langfri-
stig gesehen werden sich die regenerativen Energieformen Photovoltaik und
Brennstoffzellen durchsetzen.
Durch den Einsatz der regenerativen Energieformen könnte die Stromversor-
gung komplett entfallen und die Abhängigkeit von den EVUs auf ein Minimum
reduziert werden.
Sollte die PEM - Brennstoffzelle wirtschaftlich vertretbar sein, so wäre es von
Vorteil, wenn der dafür benötigte Wasserstoff selbst hergestellt wird oder dafür
Flaschenbündel mit Wasserstoffflaschen angeliefert werden. Ziel sollte es sein,
dass die Brennstoffzelle als Energiespeicher immer zur Verfügung steht. Dadurch
würde sich die Anzahl der Akkumulatoren verringern.
VIII. Literaturverzeichnis IX
VIII. Literaturverzeichnis
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7. November 2009
Juristische VeröffentlichungenJuristische VeröffentlichungenJuristische VeröffentlichungenJuristische Veröffentlichungen
Ökostromgesetz
Persönliche Gespräche/TelefonatePersönliche Gespräche/TelefonatePersönliche Gespräche/TelefonatePersönliche Gespräche/Telefonate
Informationen von Hr. Ertl – Bauleiter RAG, 13. Oktober 2009
Informationen von Hr. Norbert Hussl a,Masterguard Cloride Austria, Salzburg.
Besuch am 18.November.2009
Telefonat mit Fa. Linde – Wörgl, Preisauskunft über Wasserstoff eingeholt,
04.November 2009
Anlagenverzeichnis XII
Anlagenverzeichnis
Anlage 1: Rohstoffe für Energiespeicher e.D.
Eigenschaften Lithium Titan Mangan Eisen Nickel Blei
chem. Symbol Li Ti Mn Fe Ni Pb
Ordnungszahlen 3 22 25 26 28 82
rel. Atommasse 6,941 47,88 54,94 55,85 58,69 207,2
Dichte g/cm3 0,534 4,49 7,4 7,87 8,91 11,34
Schmelzpunkt ° C 179 1.677 1244 1.535 1.455 327
Siedepunkt ° C 1.340 2.061
Oxidationszahlen +1 +3,+4 +2,+3,+4,+6,+7 +2,+3 +2 +2
spez. elektrischer
Widerstand mΩ 8,6*10-8 160 0,1-0,15 220*10-3
Anlage 2: Brennstoffe
Substanz Flammpunkt [°C] Explosionsgrenze [%] Zündtemperatur [°C]
Methanol 11 5,5 37 455
Benzin -20 0,6 8 220 - 410
Diesel +55 0,6 6,5 ca. 220
Schwefelsäure(Batterien)
Hochentzündlich: beim Laden kann Wasserstoff entstehen. Dieserbildet mit Luft ein explosives Gemisch.
Anlagenverzeichnis XIII
Anlage 3: Korrekturfaktoren für Berechnung der Globalstrahlung auf geneigte
Flächen
Kollektorverdrehung 0° aus der Südrichtung
Neigung 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°
Jänner 1,16 1,30 1,42 1,49 1,55 1,56 1,54 1,49 1,41
Februar 1,12 1,21 1,28 1,32 1,34 1,33 1,29 1,22 1,13
März 1,08 1,13 1,17 1,19 1,17 1,14 1,08 1,00 0,90
April 1,04 1,07 1,08 1,07 1,03 0,97 0,89 0,80 0,69
Mai 1,02 1,03 1,01 0,98 0,93 0,86 0,77 0,68 0,57
Juni 1,02 1,01 0,99 0,95 0,89 0,82 0,73 0,63 0,52
Juli 1,02 1,02 1,00 0,96 0,91 0,83 0,75 0,64 0,53
August 1,04 1,06 1,05 1,03 0,99 0,92 0,84 0,75 0,6
September 1,08 1,14 1,17 1,18 1,17 1,13 1,06 0,97 0,86
Oktober 1,12 1,22 1,30 1,34 1,36 1,35 1,30 1,23 1,13
November 1,16 1,30 1,43 1,52 1,57 1,60 1,57 1,52 1,43
Dezember 1,17 1,34 1,47 1,56 1,62 1,63 1,63 1,59 1,50
In Anlage 3 sind die Korrekturfaktoren für Berechnung der Globalstrahlung auf
geneigte Flächen dargestellt. Diese wurden aus dem österreichischen Klimaatlas
entnommen.
Anlagenverzeichnis XIV
Anlage 4: Langjähriges Mittel der Globalstrahlung
Anlagenverzeichnis XV
Anlage 5: Simulationsergebnisse esomatic
Anlagenverzeichnis XVI
Anlage 6: Angebot udomi
Anlagenverzeichnis XVII
Anlage 7: Simulationsergebnisse udomi
IX. Eidesstattliche Erklärung XVIII
IX. Eidesstattliche Erklärung
"Ich erkläre an Eides statt, dass ich die Diplomarbeit mit dem Titel Konzept zur
Energieversorgung von Erdgassonden bei der Rohöl-Aufsuchungs-AG (RAG)
selbständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angeführten Quellen
und Hilfsmittel nicht benutzt und alle wörtlich oder inhaltlich entnommenen
Stellen als solche gekennzeichnet habe."
___________________ ___________________
Ort, Datum Unterschrift
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