Analyse, Evaluierung und Optimierung von mikrofinanzierten Solar Home Systemen in Regionen mit schwach entwickelter oder nicht vorhandener Energieversorgung

Untersucht am Beispiel von Tansania

Studienarbeit , 2009 , 168 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Die Elektrifizierungsrate in Tansania liegt bei rund 11%, in ruralen Gebieten haben nur 2% der tansanischen Bevölkerung Zugang zu Elektrizität. Diese Zahlen verdeutlichen die elektrische Unterentwicklung in Tansania. Durch den Einsatz von solaren Inselsystemen für Haushalte und kleine Betriebe, so genannte Solar-Home-Systems (SHS), ist es möglich Haushalte die aufgrund mangelnder Infrastruktur keinen Zugang zum öffentlichen Netz verfügen, mit Strom für Beleuchtung und Kleinelektrogeräte zu versorgen. Diese Technologie hat sich jedoch in Tansania, entgegen der propagierten
Langlebigkeit, als kurzlebig und problemanfällig herausgestellt. Die dadurch entstehenden Mehrkosten dieses teuren Energiesystems stellt für viele ein großes Problem dar, und wird zu einer Kostenfalle für die Ärmsten der Welt.
Zur möglichen Verbesserung wurden vor Ort innerhalb von zwei Monaten insgesamt 16 SHS - verteilt auf drei Regionen - begutachtet und analysiert. Die Erhebung wurde einerseits durch technische Analysen der SHS und andererseits durch Interviews mit den Anlagenbetreibern durchgeführt. Dabei wurden Erkenntnisse über die Störanfälligkeit
und Kurzlebigkeit der Anlagen gewonnen und daraus Optimierungsmaßnahmen zum Betrieb vorgeschlagen.

Die wichtigsten gewonnenen Erkenntnisse:
Nahezu alle untersuchten Systeme sind für den geforderten Stromverbrauch auf der Stromerzeugerseite (Photovoltaik Module) stark unterdimensioniert. Diese Unterversorgung führt bereits nach kurzer Betriebsdauer zur Übernutzung des SHS. Als kritische Komponente dabei wurde der Energiespeicher, ein Blei-Säure Akkumulator, identifiziert. Die täglich entnommene Energiemenge kann der unterdimensionierte Solar-Generator während der Ladezeit (Zeit der Sonneneinstrahlung) nicht zu Verfügung stellen. Die Folge ist ein Zyklenbetrieb bei kritisch niedrigem Ladezustand des Akkus. Diese
Akku-Betriebsführung beschleunigt die physikalisch bedingten Alterungsprozesse und führt zu einem vorzeitigen Ausfall des Energiespeichers. Diese Fehldimensionierung scheint in Tansania weit verbreitet zu sein. Lokale Solarenergie Anbieter mit teils europäischem Hauptsitz vertreiben unterdimensionierte Komplettpakete und die mangelhafte Dimensionierung wird auf diversen technischen Schulungen kommuniziert. Minderwertige Komponenten, mangelhafte Wartung und qualitativ minderwertig durchgeführte Installationsarbeiten begünstigen diesen Umstand und manifestieren sich in verringerten Generatorleistungen, Wackelkontakten, etc.

Inhaltsverzeichnis (Table of Contents)

• Inhaltsverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• Abkürzungsverzeichnis
• Symbolverzeichnis
• Zusammenfassung
• Abstract
• 1 Einleitung
• 1.1 Vorwort
• 1.2 Problemstellung
• 1.3 Aufgabenstellung und Zielsetzung
• 1.4 Kooperationspartner und Teamwork
• 2 Grundlagen
• 2.1 Solare Inselsysteme und Solar-Home-Systems
• 2.2 Auswirkungen der Geographischen Lage Tansanias auf die solare Stromversorgung
• 2.2.1 Klima
• 2.2.2 Geographische Vorteile für SHS
• 2.2.3 Geographische Nachteile
• 2.3 Mikrofinanzierung
• 2.4 Energiespeicher - Bleiakkumulator
• 2.4.1 Funktionsweise
• 2.4.2 Typen von Bleiakkumulatoren
• 2.4.3 Kenngrößen und Eigenschaften
• 2.4.4 Lebensdauer
• 2.4.5 Alterungsprozesse
• 2.4.6 Für Photovoltaikanlagen geeignete Typen von Bleiakkumulatoren
• 2.5 Solarmodul
• 2.5.1 Photovoltaik
• 2.5.2 Kennwerte einer Solarzelle
• 2.5.3 Standard - Testbedingungen für Solarzellen
• 2.5.4 Alterungserscheinung von Solarmodulen
• 2.5.5 Eigenschaften der unterschiedlichen Solarmodule
• 2.5.6 Anforderungen an PV-Module für SHS in Tansania
• 2.6 Laderegler
• 2.6.1 Arten von Laderegler
• 2.6.2 Funktionen und Schutzmechanismen
• 2.7 Inverter
• 2.7.1 Typen von Inverter
• 2.7.2 Eigenverbrauch und Wirkungsgrad
• 2.7.3 Sicherheitseinrichtung
• 2.7.4 Inverter in kleine SHSs
• 2.8 Verkabelung
• 2.8.1 Litzen und Kabel
• 2.8.2 Klemmen
• 2.9 Erdung
• 2.10 Leuchtmittel und andere Engeräte
• 2.11 SHS Dimensionierung
• 2.11.1 Vorgehensweise
• 2.11.2 Berechnung des durchschnittlichen täglichen Energiebedarfs
• 2.11.3 Notwendige Akkukapazität K
• 2.11.4 Dimensionierung des Solargenerators
• 2.11.5 Inverter Dimensionierung
• 2.11.6 Ladereglerdimensionierung
• 2.11.7 Leitungsquerschnittdimensionierung

Zielsetzung und Themenschwerpunkte (Objectives and Key Themes)

Die vorliegende Studienarbeit befasst sich mit der Analyse und Optimierung von mikrofinanzierten Solar-Home-Systemen (SHS) in Tansania. Ziel ist es, die Herausforderungen und Probleme, die mit dem Einsatz dieser Technologie in Regionen mit unzureichender oder fehlender Energieversorgung einhergehen, aufzudecken und Lösungsvorschläge zu entwickeln.

• Analyse der Funktionsweise und der Komponenten von SHS
• Bewertung der technischen Herausforderungen in der Anwendung von SHS in Tansania
• Untersuchung der Auswirkungen von Installationsqualität und Nutzerverhalten auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von SHS
• Entwicklung von Empfehlungen zur Optimierung von SHS in Bezug auf Dimensionierung, Komponentenwahl und Betrieb
• Beurteilung des Einflusses von Mikrofinanzierungsmodellen auf die Verbreitung und Nachhaltigkeit von SHS

Zusammenfassung der Kapitel (Chapter Summaries)

• Kapitel 1: Einleitung – stellt die Problemstellung der unzureichenden Elektrifizierung in Tansania und die Bedeutung von Solar-Home-Systemen (SHS) als Alternative dar. Es werden die Ziele und die Vorgehensweise der Studienarbeit definiert sowie die Kooperationspartner vorgestellt.
• Kapitel 2: Grundlagen – liefert einen umfassenden Überblick über die Funktionsweise und die wichtigsten Komponenten von SHS. Die Auswirkungen des tansanischen Klimas auf die solare Stromversorgung sowie die Bedeutung von Mikrofinanzierungsmodellen werden beleuchtet.
• Kapitel 3: Untersuchung von SHS – beschreibt die Durchführung der technischen Analysen von 16 SHS in Tansania und stellt die verwendeten Messgeräte sowie die erfassten Kenngrößen vor. Der typische Untersuchungsablauf und die dabei aufgetretenen Probleme werden detailliert dargestellt.
• Kapitel 4: Untersuchungsergebnisse – präsentiert die Ergebnisse der technischen Analysen der SHS. Dabei werden die Komponenten einzeln betrachtet und die beobachteten Mängel und Probleme in Bezug auf PV-Module, Laderegler, Batterien, Kabel, Verbraucher und Installationsqualität dargestellt.
• Kapitel 5: Auswertung der Ergebnisse – wertet die gewonnenen Erkenntnisse aus den Kapiteln 3 und 4 aus und stellt einen Zusammenhang zwischen den einzelnen Komponenten und deren Auswirkungen auf das SHS-System her. Die Bedeutung der Dimensionierung, der Installationsqualität und des Nutzerverhaltens für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von SHS werden hervorgehoben.
• Kapitel 6: Erkenntnisse und Empfehlungen – formuliert Empfehlungen für die Optimierung von SHS in Tansania. Die Empfehlungen werden dabei in Bezug auf Produktentwicklung und -vertrieb, Installation und Service sowie Nutzerverhalten und Trainingsmaßnahmen gegliedert.
• Kapitel 7: Fazit und Ausblick – fasst die wichtigsten Erkenntnisse der Studienarbeit zusammen und stellt einen Ausblick auf zukünftige Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten in Bezug auf SHS in Tansania und anderen Entwicklungsländern dar.

Schlüsselwörter (Keywords)

Die Schlüsselwörter der Studienarbeit umfassen die Themen Solar-Home-Systems (SHS), Mikrofinanzierung, Photovoltaik, Bleiakkumulator, Elektrifizierung, Tansania, Installationsqualität, Nutzerverhalten, Optimierung, Lebensdauer.

• Hochschule: Technische Universität Berlin (Institut für Konstruktion Mikro- und Medizintechnik )
• Veranstaltung: Fachgebiet Konstruktion von Maschinensystemen
• Autor: Tobias Rothenwänder (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2009
• Seiten: 168
• Katalognummer: V174195
• ISBN (eBook): 9783640957774
• ISBN (Buch): 9783640958139
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Solaranlagen, Photovoltaik, Solar Home System, Tansania, Alternative Energiequellen, Entwicklungshilfe, Mikrokredite, Mikrofinanzierung, Solarenergie