2. Auslegung der Energiequellen

Regenerative Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser unterliegen natürlichen Schwankungen.

Bei der Nutzung von Wärme durch einen Thermoelektrischen Generator kann man hingegen Lagerhaltung betreiben (z.B. Brennholz) und somit Schwankungen gezielt ausgleichen.

Im Folgenden werden einige nachhaltige Energiequellen aufgezeigt und bewertet.

Die Energiequellen müssen so dimensioniert werden, dass sie den täglichen Bedarf decken können. Bei der Verwendung eines Blei-Akkumulators als Energiespeicher sollte man die Energiequellen um

ca. 20 - 30 % größer dimensionieren, da der Ladewirkungsgrad nur bei ca. 75 % liegt (siehe 3.).

 

I. Photovoltaik (PV)

  • Kostengünstig
  • Sehr einfache Handhabung
  • Fast überall auf der Welt sinnvoll einsetzbar (jedoch weniger Energie im Winter)
  • Sehr robuste und langlebige Energiequelle
  • Zuverlässige und schnelle Ersatzteilverfügbarkeit

Hochwertige, monokristalline PV-Zellen mit mehr als 15 % Zellwirkungsgrad sind bereits ab ca. 1 €/W zu haben. Mit über 20 % Zellwirkungsgrad wird es hingegen fast doppelt so teuer. Durch das gute Schwachlichtverhalten von PV-Zellen können selbst bei bewölktem Himmel noch 10 % der Maximalleistung erzeugt werden, bei Nebel immerhin noch 5 % der Maximalleistung.

Die vom Hersteller angegebene Maximalleistung (Peak-Leistung) bezieht sich auf eine Globalstrahlung von 1000 W/m² (Bestrahlungsstärke der Sonne auf einen Quadratmeter Fläche), eine senkrechte Einstrahlung auf die Zellen und eine Modultemperatur von 25 °C. Die real abgegebene Leistung der PV-Zellen liegt also unter der angegebenen Peak-Leistung (durch die erhöhte Temperatur bei 1000 W/m² Einstrahlung ist der Wirkungsgrad der Zellen um bis zu 20 % schlechter).

Wie viel elektrische Energie pro Tag erzeugt werden kann, hängt maßgeblich von der verfügbaren Globalstrahlung ab, die auf unseren Breiten für jede Jahreszeit einzeln betrachtet werden muss (im Winter nur ca. 1/4 der Energie, wie im Sommer). Für Bayern gibt es z.B. Übersichtskarten im Solaratlas Bayern, mit deren Hilfe man die Globalstrahlung für den jeweiligen Standort ablesen kann.

 

Auslegungsrechnung für Südbayern (horizontale PV-Zelle):

Im Dezember kann man mit einer täglichen Globalstrahlung (G) von 1000 Wh/m² (= 1,0 kWh/m²) rechnen, während im März bereits 3000 Wh/m² und im Juli 5400 Wh/m² angesetzt werden können.

Die Energie (E), die eine PV-Zelle liefern kann, berechnet sich mit Hilfe des Wirkungsgrades und der Zelloberfläche (A) des PV-Moduls. Im Beispiel wird mit einer 100 W PV-Zelle mit 0,60 m² Zellfläche und 17 % Zellwirkungsgrad gerechnet:

EDezember = G · A· η

EDezember = 1000 Wh/m² · 0,60 m² · 0,17

EDezember = 102 Wh  (EMärz = 306 Wh,  EJuli = 550 Wh)

 

Mit einer 100 W PV-Zelle können also selbst im Dezember 102 Wh pro Tag erzeugt werden.

Will man wissen, wie groß die Zelloberfläche zur Deckung des gesamten Bedarfs sein muss (im Beispiel sind es 200 Wh pro Tag), kann man die Formel nach A umstellen:

A = E / (G· η)

A = 200 Wh / (1000 Wh/m² · 0,17)

A = 1,2 m²

 

Man benötigt also zwei parallel geschaltete 100 W PV-Zellen mit je 0,6 m² Fläche

(1,2 m² / 0,6 m² = 2), um selbst im Winter ausreichend viel Energie zu erzeugen. Insgesamt muss also eine PV-Leistung von 200 W installiert werden. Wenn man die Anlage erst ab März betreiben will, ist eine Fläche von 0,4 m² ausreichend. Mit einer 100 W PV-Zelle und damit 0,6 m², lässt sich der Bedarf dann sogar mit etwas Puffer abdecken.

Die Ausrichtung der PV-Zellen spielt auch eine entscheidende Rolle:

Im Winter sind Neigungswinkel von 45° - 60° zu empfehlen, im Sommer bekommt man mit 30° - 45° die besten Erträge. Falls die PV-Zellen nicht nach Süden ausgerichtet werden, sind etwas steilere Neigungswinkel sinnvoll.

Bei einer Inselanlage, die rein mit PV-Zellen betrieben wird, kann eine Überdimensionierung der

PV-Fläche um 100 % ratsam sein, wenn der unter 2. berechnete Verbrauch an einigen bewölkten oder nebligen Tagen in den Wintermonaten nicht reduziert werden kann.

Wenn als Energieträger (siehe 3.) Blei-Säure Batterien gewählt werden, sollte man zusätzlich noch ein Ladeverlust von rund 20 - 30 % einkalkulieren.

Im Übrigen ist es von Vorteil, aus Gründen der Redundanz, mehrere kleine PV-Zellen anstatt einer großen PV-Zelle zu nehmen. Falls eine Zelle ausfallen sollte, ist nicht gleich das ganze System ohne Energieversorgung. Außerdem lassen sich kleinere Zellen besser transportieren. Das gilt auch für die Energiespeicher. Anstelle eines großen Akkus lieber zwei kleine Akkus parallel schalten.

 

II. Thermoelektrischer Generator (TEG)

  • Verhältnismäßig teuer
  • Handhabung nicht ganz so trivial und selbsterklärend
  • Wetterunabhängige Energieversorgung
  • Technik ist noch nicht 100 % ausgereift und kann bei falscher Anwendung schaden nehmen
  • Schlechte Ersatzteilverfügbarkeit wegen Herstellermonopol (lange Lieferzeiten möglich)

Der Thermoelektrische Generator kann effizient bei Oberflächentemperaturen von 300 °C bis 450 °C eingesetzt werden. Hier eignet sich ein gusseisener Holzofen besonders gut (Heizleistung > 10 kW ist ratsam, wenn das volle Potential eines TEG genutzt werden soll).

Der TEG kann am besten an der Seite des Ofens neben der Brennkammer angebracht werden. Wenn keine Dauerstromversorgung durch den TEG benötigt wird, kann ein bedarfsorientierter Einsatz auf dem Kochfeld des Ofens erfolgen.

Kurze Erklärung der Funktionsweise des TEG: Im TEG kommen Peltier-Elemente zum Einsatz, die durch Nutzung des Sebeck-Effekts eine Spannungsdifferenz erzeugen. Durch den Wärmestrom von der warmen zur kalten Seite entsteht durch die höhere kinetische Energie der Elektronen auf der warmen Seite ein elektrisches Potential in den Halbleiterelementen, welches durch Reihenschaltung der Halbleiter zu einer Spannungsdifferenz von mehreren Volt führt. Diese Spannungsdifferenz kann durch die speziell darauf abgestimmte Ladeelektronik im OFF-GRID-SYSTEM mit einem Wirkungsgrad von 94 % - 96 % zur Batterieladung genutzt werden.

 

Auslegungsrechnung mit dem Devil Watt 45 W:

Im Beispiel wird mit einer mittleren Oberflächentemperatur von 350 °C gerechnet. Damit produziert der TEG von Tegmart laut Datenblatt eine elektrische Leistung von 30 W.

Wenn 200 Wh pro Tag produziert werden sollen, muss der Devil Watt 6 h 40 min betrieben werden:

t = E / P

t = 200 Wh / 30 W

t = 6,67 h = 6 h 40 min

 

Ein TEG stellt eine ideale Ergänzung einer PV-Anlage in den Wintermonaten dar (Nov. - Feb.), da in diesem Zeitraum sowieso viel geheizt werden muss und die elektrische Energie ohne Mehraufwand von Brennstoff erzeugt werden kann. Eine dauerhaft Inselversorgung ist somit möglich.

 

III. Windkraft

  • Teuer
  • Einfache Handhabung
  • Starke Abhängigkeit vom Wetter
  • Robuste und langlebige Energiequelle
  • Ersatzteilverfügbarkeit ist vielerorts gegeben (jedoch sind lange Lieferzeiten möglich)

Eine Windkraftanlage kann sehr gut in Kombination mit PV-Zellen verwendet werden, um eine dauerhafte Inselversorgung zu gewährleisten.

 

IV. Wasserkraft

  • Sehr teuer
  • Einfache Handhabung
  • Abhängigkeit von Wetter und Gewässer
  • Robuste und langlebige Energiequelle
  • Ersatzteilverfügbarkeit ist vielerorts gegeben (jedoch sind lange Lieferzeiten möglich)
  • Regelmäßiger Wartungsaufwand (z.B. Entfernen von Treibgut aus den Gittern)

Ein Kleinstwasserkraftwerk eignet sich gut für eine dauerhafte Inselversorgung. Die generierbare Leistung hängt hierbei stark von dem Volumenstrom und der Fallhöhe (nutzbare Höhendifferenz von Oberwasser zu Unterwasser) des Gewässers ab.