Bereits in meiner Diplomarbeit befasste ich mich mit solarthermischen Anlagen. Als ich dann als wissenschaftlicher Mitarbeiter der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE) eingestellt wurde, konnte ich die Arbeit an dem Thema fortsetzen. Das Projekt wurde von der Wüstenrot Stiftung gemeinsam mit der FfE durchgeführt. Zentraler Untersuchungsgegenstand war die Ermittlung des Solarthermie-Potenzials in Deutschland. Im Gegensatz zu bisherigen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet, wurde das Potenzial regional aufgelöst berechnet. Hierbei flossen neben den unterschiedlichen Einstrahlungswerten auch die Gradtagzahl, Größe und wärmetechnische Qualität der Gebäude, Heizungsausstattung, Wärmebedarf und weitere Daten mit ein. Die kleinste räumliche Auflösung der Ergebnisse waren die Gemeinden, von denen es in Deutschland über 12.000 Stück gibt.

 

Ein weiteres Ziel des Projektes war es außerdem, die Resultate und gewonnen Erkenntnisse einer breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen. So entstanden dann neben mehreren Fachveröffentlichungen eine Webseite sowie ein Solarthermie-Buch. Die Buchlektüre kann ich allen interessierten Personen empfehlen, da verschiedenste Themen der solaren Wärmenutzung beschrieben und erklärt werden: Zu Beginn werden die verschieden Anlagentypen und deren Funktionsweise vorgestellt. Im nächsten Kapitel wird detaillierter auf die einzelnen Komponenten eingegangen, die notwendig sind, um effiziente Systeme zu bauen. Es folgen dann energetische und wirtschaftliche Bewertungen verschiedener Anlagen. Zudem sind die Ergebnisse der Potenzial-Analysen aufgeführt. Mehrere Co-Autoren haben dankenswerterweise zwei weitere Kapitel beigesteuert: eines über sogenannte Sonnenhäuser, die zu einem sehr großen Teil rein solar versorgt werden und ein weiteres über die Ökobilanzierung einer Solarthermieanlage in Einfamilienhäusern.

 

Das Solarthermie-Buch kann entweder direkt heruntergeladen werden, oder bei der Wüstenrot Stiftung in gedruckter Form kostenfrei (!) angefragt werden:
– Buch digital (manuelsutter.com)
– Buch digital (solarthermie-potenziale.de)
– Buch gedruckt (Wüstenrot Stiftung)
Für die Darstellung der Ergebnisse auf der Projekt-Webseite wurden die Daten der Potenzialanalyse nochmals aufbereitet. Es ist somit möglich für jede Gemeinde das ausgewiesene Potenzial interaktiv abzurufen. Zusätzliche Informationen und mehrere Veröffentlichungen sind auf solarthermie-potenziale.de zu finden.

Von November 2011 bis Mai 2012 war ich als Diplomand an der Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE) angestellt. In meiner Abschlussarbeit befasste ich mich mit der „Identifikation von Optimierungspotenzialen einer Solarthermieanlage“. Nachfolgend sind wesentliche Punkte des Inhaltes zusammengefasst.

Hintergrund

In deutschen Haushalten wird der größte Endenergieanteil für Wärmezwecke benötigt: 85% entfallen auf Raumheizwärme und Warmwasserbereitung, die restlichen 15% auf elektrische Energie [1]. Da die Bundesregierung im Gebäudebereich bis 2050 eine Reduktion des Energiebedarfes um 80% anstrebt, müssen sowohl Einsparpotenziale ausgeschöpft, als auch Effizienzsteigerungen der konventionellen Technik und der Einsatz regenerativer Energien konsequent voran gebracht werden. Solarthermieanlagen (ST) leisten hierzu einen wertvollen Beitrag. Untersuchungen in der Vergangenheit haben jedoch gezeigt, dass nicht alle Anlagen ihr volles Potenzial ausschöpfen [2] – es kam in vereinzelten Fällen sogar vor, dass nach dem Einbau eines ST-Systems der Öl/Gasverbrauch gestiegen ist, wie Abbildung 1 zeigt.

 

Aus diesem Grund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Fragestellung, in wie weit bestehende ST-Anlagen optimiert werden können, um den solaren Deckungsgrad weiter zu steigern. Durch die exemplarische Analyse eines ST-Systems wurde das Betriebsverhalten genau erforscht, um daraus Möglichkeiten für Effizienzsteigerungen abzuleiten. Die Arbeit ist in ein Projekt der FfE eingebunden, in welchem das energetische Substitutionspotenzial durch ST-Anlagen für den deutschen Gebäudebestand – regional aufgelöst – ermittelt wird.

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Im Studiengang Elektro- und Informationstechnik der TU München muss nach dem Vordiplom eine Studienarbeit verfasst werden. Es bestand zu meiner Zeit die Option sich diese Arbeit als Bachelorarbeit anerkennen zu lassen, da die fachlichen Voraussetzungen identisch sind. Dies war nur an dieser Uni möglich und nannte sich Münchener Modell.

 

Die Bachelorarbeit wollte ich thematisch im Bereich erneuerbare Energien schreiben. Ich suchte mir also einen Lehrstuhl an der Uni, der Arbeiten auf diesem Gebiet anbot. Gesucht und gefunden fiel meine Wahl auf das Fachgebiet Elektrische Energieversorgungsnetze (EEN), welches von Prof. Witzmann geleitet wird. Mein Thema lautete „Modellierung einer Vollumrichter-Windkraftanlage“. Die Inhalte der Arbeit will ich im Folgenden vorstellen.

Einleitung

Der Ausbau der Windenergie in Deutschland geschieht rasant – so rasant, dass oftmals der Netzanschluss der Anlagen eine Schwierigkeit darstellt. Ganz besonders deutlich wird dies bei Offshore-Anlagen, die unter hohem Aufwand in der Nordsee errichtet werden und die Energie aufs Festland liefern müssen. Das Stromnetz wird aus diesem Grund seit einigen Jahren für die Aufnahme von Windstrom fit gemacht. Hierfür werden auch auf wissenschaftlicher Ebene gute technische Lösungen gesucht. Am Fachgebiet EEN wird unter anderem erforscht, wie man diese in Zukunft zu erwartenden großen Energiemengen auf das Festland zum Verbraucher transportiert, oder auch wie sich Offshore-Windparks mit ihrer fluktuierenden Einspeisung am Onshorenetz verhalten und dieses beeinflussen. Dazu werden entsprechende Netzsimulationen durchgeführt. Meine Aufgabe war es ein Modell einer Megawatt-Synchrongenerator-Windenergieanlage zu entwickeln. Der Fokus sollte dabei einerseits auf der Abbildung physikalischer Effekte der Windenergiewandlung liegen. Andererseits sollte das elektrische Verhalten am Netz die sogenannten Netzanschlussregeln der Übertragungsnetzbetreiber erfüllen.

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Bis 2009 arbeitete ich knapp zwei Jahre lang als Werkstudent am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in München. Mittlerweile ist der Institutsteil in der Fraunhofer-Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien (EMFT) aufgegangen. Geforscht wurde damals unter anderem an Mikropumpen mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten z.B. in der Medizintechnik.

 

Eine meiner Aufgaben war der Bau und die Inbetriebnahme von Demonstratoren. Diese sollten effektvoll Funktionsweise und Leistungsfähigkeit der Pumpen zeigen. Vorgesehen waren die Demonstratoren als Ausstellungsstück für Messen, Tagungen und Kundengespräche. Der erste Aufbau war bereits vorhanden, jedoch ohne Funktion. Zwei Silizium-Mikropumpen waren hier in einen Acrylglas-Block eingebaut und sollten Wasser im Kreis pumpen. Die beiden Kanäle waren auf der Oberseite in Form des Institutslogos eingefräst. Ich begann zunächst mit der Reinigung des Demonstrators, da die Pumpen aufgrund ihrer Größe von ca. 1 cm² und den miniaturgroßen Ventilklappen auf saubere Bedingungen angewiesen sind. Um die zwei eingefräßten Kanäle abzudichten, griff ich auf eine stabile blaue Folie (vergleichbar mit Frischhaltefolie, nur dicker) aus dem Labor zurück, die ich auf die Oberfläche des Demonstrators klebte. Dann tauschte ich die Beleuchtung auf UV-LED’s um und besorgte UV-aktiven Wasserzusatz. Durch den Zusatz konnte die Bewegung des gefärbten Wassers und den zwischenliegenden Luftblasen sichtbar gemacht werden. Bis zur vollen Funktionsfähigkeit waren zwar mehrere Iterationen notwendig, da Schwierigkeiten auftraten. Beispielsweise löste sich die Folie an manchen Stellen wieder ab. Nach einigen Verbesserungen lief der Demonstrator jedoch sehr gut und erhielt sein eigenes Köfferchen. Schließlich wurde er noch mit Batterien, Schalter und Elektronik ausgestattet, um ihn überall vorführen zu können.

 

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Während meiner Schulzeit kam das erste Interesse für elektrotechnische Themen auf. Ich wollte die Facharbeit in der Kollegstufe nutzen, um mich länger mit einem konkreten Projekt zu beschäftigen. Der Leistungskurs Physik war hierzu perfekt geeignet. Mein Thema der Arbeit legte ich dann gemeinsam mit dem betreuenden Lehrer auf „Die Magnetschwebebahn Transrapid – Bau eines Modells“ fest.
Die Facharbeit war die erste ernsthafte Möglichkeit, selbständig ein umfassenderes Thema zu bearbeiten. Alle Schüler erhielten hierzu ein Jahr Zeit. Ich begann zunächst damit zu recherchieren, wie die Technik funktioniert. Im Internet und in Fachbüchern gab es genug Informationen. Da für mich die praktische Tätigkeit im Vordergrund stand, konnte ich dann nach der Literaturrecherche meine ganze Energie in den Bau der Modelle investieren.

Fahrweg

Genau wie das Original sollte mein Modell an einer Schiene schweben. Bei deren Konstruktion legte ich Wert darauf, dass ich auf Material aus dem Baumarkt zurückgreifen konnte. Aus verschiedenen Metallprofilen und einer Ständerkonstruktion aus Holz, fertigte ich den Fahrweg. Abbildung 1 zeigt den Querschnitt durch den Aufbau. Links und rechts sind quadratische Stahlprofile befestigt, an denen sich das Fahrzeug später per magnetischer Kraft heranziehen sollte. Verbunden waren die Profile über ein rechteckiges Aluprofil, welches auf dem Holzträger befestigt war. Zwei weitere, L-förmige Aluprofile waren oben befestigt, damit später der Schwebe-Abstand per Lichtschranke detektiert werden kann.
Mit den Metallprofilen gelang es tatsächlich einen Fahrweg zu bauen, der nur sehr geringe Toleranzen aufwies. Außerdem waren sämtliche Teile recht massiv, so dass auch unter Last kein spürbares Verbiegen stattfand. Die Schraubverbindungen der einzelnen Profile trugen auch zur Stabilität bei.

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