IT Basiskomponenten für ein dezentrales Energieversorgungssystem

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Eidesstattliche Erklärung

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Dezentrale Energieversorgung
1.1 Entwicklungen der Energienutzung
1.2 Ziel und Gang der Arbeit

2 Grundlagen des Energiemanagements
2.1 Energieversorgungsstrukturen
2.1.1 Zentrale Struktur
2.1.2 Dezentrale Struktur
2.1.3 Zukünftige Entwicklungen
2.2 Dezentrales Energiemanagement
2.3 Lastmanagement
2.4 Dezentrale Energieerzeugung
2.4.1 Windkraft
2.4.2 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
2.4.2.1 Blockheizkraftwerke (BHKW)
2.4.2.2 Brennstoffzellen
2.4.3 Wasserkraft
2.4.4 Sonnenenergie
2.4.4.1 Photovoltaik-Anlagen
2.4.4.2 Solarthermien
2.5 Energiespeicher
2.6 Zusammenfassung

3 Kommunikationsmechanismen für dezentrale Energieerzeugungs- anlagen
3.1 Architektur von Kommunikationssystemen
3.1.1 Kommunikationsmedien und -techniken
3.1.2 Übersicht der Kommunikationstechniken
3.1.3 Technische Schnittstellen
3.1.4 Standardisierung
3.1.5 IT-Sicherheitsmanagement
3.2 Kommunikation mit dezentralen Energieerzeugungsanlagen
3.2.1 Kommunikationsaufbau
3.2.2 Steuerung und Regelung
3.2.2.1 Windkraftanlage
3.2.2.2 Photovoltaik-Anlage
3.2.2.3 Solarthermien
3.2.2.4 Wasserkraftwerke
3.2.2.5 Blockheizkraftwerke
3.2.2.6 Brennstoffzellen
3.2.3 Offene Systeme
3.2.4 Energiedatenerfassung und -auswertung
3.3 Zusammenfassung

4 Planung eines dezentralen Energieversorgungssystems
4.1 Allgemeines Planungsschema
4.2 Qualitative und Quantitative Planung
4.3 Anforderungen an das Energieversorgungssystem
4.4 Netzwerkmanagement und Advanced Planning
4.5 Zusammenfassung

5 Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Zusammenfassung der Ergebnisse
5.2 Ausblick

Anhang
A Dezentrale Energieerzeugung
B Energiespeicher
C Kommunikationstechniken

Literaturverzeichnis

Stichwortverzeichnis

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben.

Insbesondere bedanke ich mich bei meinem Erstgutachter Herrn Prof. Dipl.Wirtsch.-Ing. S. für seine Unterstützung durch die vielen Ge- spräche und Anregungen.

Weiterhin möchte ich ein herzliches Dankeschön Herrn Prof. Dr.

A. entgegen bringen, der mir diese Diplomarbeit im Olden- burger Forschungs- und Entwicklungsinstitut für Informatikwerkzeuge und -systeme ermöglicht und als Zweitgutachter diese Arbeit bewertet hat.

Bei meinem Betreuer Herrn Dr. L. bedanke ich mich für das Betreuen dieser Arbeit und für die zahlreichen wissenschaftlichen Ratschläge, die das Gelingen dieser Arbeit ermöglicht haben.

Zuletzt möchte ich mich bei meiner Frau Malika bedanken, die mich besonders in der letzten Phase der Arbeit stark unterstützt hat.

Für das Korrekturlesen bedanke ich mich bei Herrn Dr. D., D., Dipl.-Ing. K. und bei dem Ehepaar E. und K.

Eidesstattliche Erklärung

Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe

(Tarek Habieb)

Wilhelmshaven, 24. August

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1: Wandel in der Energieversorgung

Abbildung 2.2: Windenergienutzung

Abbildung 2.3: Funktion einer Brennstoffzelle

Abbildung 2.4: Funktion einer Solarzelle

Abbildung 2.5: Funktion einer Solarthermie

Abbildung 3.1: OSI-Architektur

Abbildung 3.2: Übertragungsmedien

Abbildung 3.3: Schnittstelle zwischen DEE und DÜE

Abbildung 3.4: Übersicht Verbindungsschnittstellen

Abbildung 3.5: IEC 61850- Trennung von Datenmodell und Kommunikation

Abbildung 3.6: Hierarchie-Ebenen in der Stations- und Leittechnik

Abbildung 3.7: Hierarchie-Ebenen für die Kommunikation zu modernen . DEA

Abbildung 3.8: Kommunikationsaufbau über Analog-/ISDN-Modem

Abbildung 3.9: Kommunikationsaufbau über ein GSM-Modem oder ein . PCL-Modem

Abbildung 3.10: Kommunikation über VPN

Abbildung 3.11: Kommunikation mit einer Windkraftanlage

Abbildung 3.12: Kommunikation mit PV-Anlagen

Abbildung 3.13: Kommunikation mit Wasserkraftwerken

Abbildung 3.14: Kommunikation mit BHKW's

Abbildung 3.15: OPC-Client/Server-Architektur

Abbildung 4.1: Dezentrales Energieversorgungssystem

Abbildung 4.2: Netzwerkmanagement

Abbildung 4.3: Das Haus SCM

Abbildung 4.4: APS-Module in Anlehnung

Abbildung 4.5: Der Weg zu einer integrierten Supply Chain

Abbildung 4.6: Organisation in einem Netzwerkverbund

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Dezentrale Energieversorgung

1.1 Entwicklungen der Energienutzung

Durch den von der Bundesregierung angestrebten Ausstieg aus der Atom- energie und die angestrebte Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern hat die Nutzung regenerativer Energiequellen in den letzten Jahren vermehrt zugenommen. Intensive Forschungen wurden im Vergleich zu anderen regenerativen Energiequellen vor allem in der Windenergienutzung und in der Entwicklung von Brennstoffzellen betrieben, um auf dezentraler Ebene einen wirtschaftlichen Ertrag an elektrischer Energie zu gewinnen.

Die Liberalisierung des gesamten Energiemarktes und die Förderung regenerativer Energieerzeugung tragen dazu bei, dass dieser Sektor für weitere Marktteilnehmer wirtschaftlich attraktiv wird. Verbrauchern wird die Möglichkeit gegeben, sich einen für sie günstigen Energielieferanten auszuwählen. Dabei stellen sich die Energieversorger auf einen künftig steigenden Wettbewerb ein und sind bemüht, sich durch präventive Maßnahmen langfristig Wettbewerbsvorteile zu sichern.

Durch den Einsatz dezentraler Energieerzeuger sollen künftig nicht nur autonome Inselsysteme, sondern auch flächendeckend Haushalte und gewerbliche Kleinunternehmen sowohl mit elektrischer als auch mit thermischer Energie versorgt werden. Hierzu bedarf es der Entwicklung sowie des Ausbaus vorhandener Infrastruktur von Energieversorgungssystemen mit dem Ziel der optimalen Eingliederung dezentraler Energieerzeuger.

1.2 Ziel und Gang der Arbeit

Ziel der Arbeit ist es, die für die Eingliederung in ein Versorgungssystem not- wendigen Kommunikationsstrukturen und -mechanismen für dezentrale Energieerzeugungsanlagen zu analysieren und ihre Eignung für ein de- zentrales Energiemanagementsystem (DEMS) zu bewerten. Dabei werden die Kommunikationssysteme der heute im Einsatz befindlichen dezentralen Energieerzeugungsanlagen aufgezeigt, auf Schwachstellen und Optimie- rungspotentiale hin untersucht und Maßnahmen erarbeitet, die den Aufbau eines künftigen DEMS unterstützen. Das DEMS spiegelt dabei ein Kom- munikationssystem wider, in dem alle dezentralen Anlagen, Energiespeicher und Verbraucher eines Versorgungssystems mit einer übergeordneten Leit- ebene vernetzt und von dort aus koordiniert, kontrolliert, überwacht und effi- zient in das Versorgungssystem eingegliedert werden.

Des Weiteren werden Ansätze für die Planung eines dezentralen Energie- versorgungssystems diskutiert. Ziel der Planung ist es, den Aufbau eines de- zentralen Energieversorgungssystems mit allen beteiligten Marktteilnehmern zu organisieren, um eine wirtschaftlich effiziente Energieversorgung zu ermöglichen. Die Voraussetzung hierfür ist eine optimale Kommunikation so- wohl zwischen den im Organisationsnetzwerk agierenden Marktteilnehmern, als auch zwischen der Leitebene des DEMS und den dezentralen Anlagen.

Für die vorliegende Arbeit wurden ein umfangreiches Literaturstudium sowie themenbezogene Internetrecherchen vorgenommen. Des Weiteren wurden zahlreiche themenbezogene Gespräche mit einer Vielzahl von Fachleuten aus der Energiewirtschaft geführt.

In Kapitel 2 werden zunächst die Grundlagen des Energiemanagements bzw. des dezentralen Energiemanagements erläutert und die Möglichkeiten und Funktionsweisen regenerativer Energieerzeugung vorgestellt.

Kapitel 3 beschäftigt sich mit den Grundlagen der Kommunikation in Rechnernetzen und mit der Kommunikation zu dezentralen Energieerzeugungsanlagen. Dabei werden die unterschiedlichen Energieerzeugungsanlagen im Bereich der Steuerung und Regelung hinsichtlich der Kommunikationsmechanismen analysiert. Des Weiteren wird der Standard IEC 61850 für die Kommunikation in Schaltanlagen vorgestellt und erläutert.

In Kapitel 4 werden für die Planung eines dezentralen Energieversorgungssystems mögliche Ansätze diskutiert. Mit Hilfe des Supply Chain Managements wird gezeigt wie künftig Energieversorgungsunternehmen durch die Zusammenarbeit in einem Unternehmensnetzwerk eine effiziente Energieversorgung erreichen können.

Zu den Kapiteln 2 bis 4 wird jeweils abschließend eine Zusammenfassung und eine Bewertung der Zusammenhänge und der Ergebnisse vorgenom- men.

Die Zusammenfassung der Ergebnisse und ein Ausblick auf die möglichen künftigen Entwicklungen erfolgt abschließend im Kapitel 5.

2 Grundlagen des Energiemanagements

Die in der Natur vorkommenden Energieträger wie zum Beispiel Erdgas, Erd-öl, Kohle, Uran, Windkraft, Wasserkraft, Sonnenstrahlung, Biomasse und Erdwärme werden als Primärenergien bzw. Primärenergieträger bezeichnet. Dabei sind Windkraft, Wasserkraft, Sonnenstrahlung, Biomasse und Erd- wärme sich ständig erneuernde bzw. regenerative Primärenergieträger, da sie sich nicht aufbrauchen und gemessen an menschlichen Zeiträumen un- erschöpfliche Energiequellen bieten. Nicht alle Primärenergien sind vom Ver- braucher direkt nutzbar und werden daher zunächst in Sekundärenergien umgewandelt. Ein Beispiel hierfür ist die Umwandlung von Kohle in die Se- kundärenergie Elektrizität. Sekundärenergien stehen dem Verbraucher nach entsprechenden Aufbereitungen als Endenergie von Energieversorgungsun- ternehmen zur Verfügung, die er dann für seine Bedürfnisse in Nutzenergie wie z.B. Licht umwandelt.¹

Dem Energiebedarf steht das Energiedargebot gegenüber und das angestrebte Ziel ist es, den Energiebedarf durch das „natürliche“ Energiedargebot zu decken, wobei hier nicht kurzfristige Bedarfsdeckung im Vordergrund steht, sondern langfristige.² Unter dem Begriff „Dargebot“ versteht man die Ergiebigkeit einer natürlichen Ressource.

Sechs Jahre nach der Liberalisierung der Märkte für elektrische Energie und Gas in Deutschland stehen die Marktteilnehmer vor der Herausforderung, das Energiedargebot effizient zu nutzen und damit den Energiebedarf opti- mal zu decken. Speziell bei der elektrischen Energieversorgung ist die be- triebliche Herausforderung des ständigen Ausgleichs von Last und Erzeu- gung zu nennen.³

Hieraus lässt sich die besondere Bedeutung der effizienten Nutzung der vorhandenen Energien, sowohl für Energieversorger als auch für Energieverbraucher ableiten.

Als Energieverbraucher werden im Weiteren die Industrie und die HuK (Haushalte und Kleinverbraucher) betrachtet. Der Begriff Industrie, der in amtlichen Statistiken des Statistischen Bundesamtes auch „Bergbau und verarbeitendes Gewerbe“ genannt wird, bezeichnet den Bergbau, der nicht Energieträger fördert und die produzierenden sowie verarbeitenden Wirt- schaftszweige. Kleinverbraucher sind gewerbliche Kleinunternehmen, die nicht dem Sektor Industrie und Haushalte zugerechnet werden. Private Haushalte werden als Verbraucher dem Sektor Haushalte zugeordnet.

Für eine effiziente Nutzung der Endenergie werden Energiedaten benötigt, die eine ganzheitliche Betrachtungsweise der Planung, Produktion, Lieferung und Verteilung der Endenergie, sowie einen genauen Kenntnisstand des Energieeinsatzes beinhalten.

Spezielle Softwaresysteme für das Energiedatenmanagement (EDM) unterstützen dabei durch weitgehend automatisierte Datenverarbeitung effizient unternehmensweit und unternehmensübergreifend die Optimierung, Kontrolle und Überwachung der Energiedaten und ergänzen als spezifische ITSysteme die bestehende IT-Landschaft⁴. Mit EDM-Systemen sollen gewerbliche Verbraucher Energieeinsparpotentiale direkt nutzen und Chancen für Energiesparmaßnahmen ergreifen.

Für die Steigerung der Energieeffizienz ist unter Energiesparmaßnahmen keine Konsumeinschränkung zu verstehen, sondern insbesondere die Nutzung technischer und wirtschaftlicher Methoden. Beispiele für wirtschaftli- che Methoden sind die Wartung und der optimale Einsatz und die Steuerung energieverbrauchender Geräte, sowie der Ersatz von Altgeräten durch moderne Anlagen. Es gibt ein signifikantes Potential für eine Steigerung der Energieeffizienz, welches allein durch ein verbessertes Energiemanagement im weitesten Sinne mobilisiert werden kann und damit in einem betriebs- und volkswirtschaftlichen Sinne rentabel ist.⁵

Um dieses Potential auszuschöpfen, sind zunächst vorbereitende Maß- nahmen wie die Analyse des Ist-Zustandes und die Definition der Ziele vorzunehmen. Hier kommen sogenannte Energiemanagementprogramme zum Einsatz.

Unter einem Energiemanagementprogramm wird kein Softwareprogramm, sondern vielmehr die vorbereitete und systematische Bestandsaufnahme der Energieversorgung, verbunden mit der Identifizierung der Schwachstellen (Ist-Analyse), die Planung der verbessernden Maßnahmen sowie deren Durchführung und Kontrolle verstanden.⁶

Mit Hilfe solcher Energiemanagementprogramme lassen sich Energiekon- zepte, d.h. die Optimierung der Energieversorgung nicht nur für Industrie und HuK, sondern auch für die Energiebeschaffung durch Energieversorger er- stellen. Es empfiehlt sich, vor dem Aufbau eines effizienten DEMS (vgl. Kapi- tel 2.2) vollständige Energiemanagementprogramme zu erstellen, um einer- seits einen Überblick über die Energieversorgung zu erhalten und anderer- seits den effektiven Einsatz dezentraler Energieerzeugungsanlagen zu ermöglichen.

Im Folgenden wird der Weg bzw. die Struktur der Energieversorgung anlehnend an die Dissertation von Oliver Haas⁷ beschrieben.

2.1 Energieversorgungsstrukturen

In der vorliegenden Arbeit werden wie in der Energiewirtschaft üblich, zentrale und dezentrale Strukturen unterschieden, um die Systeme aufgrund der Anordnung von Kraftwerken bzw. Erzeugungsanlagen im Versorgungsnetz charakterisieren zu können.

Da der strukturelle Unterschied in der Stromversorgung im Gegensatz zur Gasversorgung stärker ausgeprägt ist, dienen im Folgenden die Strukturen des Strommarktes als Bezugspunkt.

2.1.1 Zentrale Struktur

Das Wissenschaftszentrum Nordrhein-Westfalen charakterisiert die heutige Stromversorgung in Deutschland wie folgt:

„Dieöffentliche Stromversorgung in Deutschland ist heute im Wesentlichen zentral geprägt. Der überwiegende Teil der elektrischen Energie wird von leistungsstarken Kraftwerken (> 300 MW) direkt in das Hochspannungs- (HS) oder Höchstspannungsnetz (HöS) eingespeist und zu den Verbrauchs- schwerpunkten übertragen. Von dort aus werden die verschiedenen Ver- braucher in Abhängigkeit ihrer Lastgröße über die Hochspannungs-, Mittel- spannungs- und Niederspannungsebene mit Elektrizität versorgt. Der Lastfluss findet hauptsächlich vertikal statt, d.h., es dominiert eine Richtung von den höchsten Spannungsebenen (Verbundnetz) mit relativ wenigen Großverbrauchern bis zu den Verzweigungen der niedrigsten Spannungs- ebene (Verteilungsnetz) mit relativ vielen Kleinverbrauchern. Über die HS- und HöS-Netzebenen steht der Großteil (ca. 80 %) des elektrischen Energie- angebots weiträumig, d.h., prinzipiell allen Verbrauchern in Deutschland zur Verfügung. Diese Bedeutung der HS- und HöS-Netzebenen wird als das ent- scheidende Merkmal für die zentrale Stromversorgung angesehen.“⁸

Der überregionale Verbund zwischen den Teilnetzen der Energieversor- gungsunternehmen fällt der Höchstspannungsebene zu. Die unterlagerte Hochspannungsebene erfüllt dagegen aufgrund der geringen Übertragungs- kapazitäten nur regionale Verteilungsaufgaben. Die anschließende Wei- terleitung der elektrischen Energie an die Mehrzahl der Verbraucher wird über die dezentral verteilten Mittel- und Niederspannungsnetze vorgenom- men.⁹

Zusammenfassend wird also in einer zentralen Versorgungsstruktur die Erzeugung elektrischer Energie durch wenige Großkraftwerke „zentral“ vorgenommen und über Leitungsnetze zu den Verbrauchern transportiert.

2.1.2 Dezentrale Struktur

Bei einer dezentralen Versorgungsstruktur ist zunächst zwischen elektrisch autonomen Inselsystemen und netzgekoppelten Versorgungsstrukturen zu differenzieren.

Unter „Inselsystemen“ werden gemeinhin Anlagen verstanden, die nicht über Leitungen an übergeordnete elektrische Versorgungsnetze angebunden sind. Beispiele für Inselsysteme sind unter anderem standardisierte Kom- paktanlagen, die zur Versorgung weitgehend gleichmäßiger Lasten wie Park- scheinautomaten, Funkeinrichtungen oder Messeinrichtungen dienen.¹⁰

Eine dezentrale Versorgungsstruktur zeichnet sich dadurch aus, dass ein si- gnifikanter Anteil der Erzeugung von elektrischer Energie in kleinen Leis- tungseinheiten erfolgt. Mit diesem Energieangebot werden vorrangig die Verbraucher in unmittelbarer Nähe versorgt, da die Möglichkeiten zur Energieübertragung vor allem ausökonomischen Gründen auf relativ kurze Entfernungen begrenzt sind. Auf große Entfernungen zu den Verbrauchern ist mit Leitungsverlusten bis zu 6% auf 100 km Leitung zu rechnen.¹¹

Bei netzgekoppelten Versorgungsstrukturen werden Verbraucher, die an die Niederspannungs- (NSp) und Mittelspannungsnetze (MSp) angeschlossen sind, durch eine Vielzahl „kleiner“ Kraftwerke in ihrer Nähe versorgt, den so- genannten dezentralen Energieerzeugungsanlagen (DEA).¹² Dieser Anlagen- verbund kann aus Sicht des zuständigen Netzbetreibers wie ein einzelnes großes Kraftwerk arbeiten und wird daher auch als „Virtuelles Kraftwerk“ be- zeichnet.¹³

2.1.3 Zukünftige Entwicklungen

In den vergangenen 130 Jahren ist die globale Energienutzung durchschnittlich um 2,3% jährlich gewachsen. Dabei trat eine Serie sich folgender Wechsel in den energiewirtschaftlichen Strukturen auf, wobei traditionelle Endenergieträger durch neu gefundene Technologien ersetzt wurden.¹⁴

Mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)¹⁵, das Mindestvergütungen für den eingespeisten Strom garantiert, verfolgt die Bundesregierung das Ziel, den Anteil der erneuerbaren Energieträger bis zum Jahr 2010 zu verdoppeln. Die erneuerbaren Energiequellen werden gefördert, nachdem man zu der Einsicht gekommen ist, dass die Verbrennung fossiler Energieträger wesentlich zum Anstieg der CO2-Belastung beiträgt (Treibhauseffekt) und dass das Vorkommen an fossilen und nuklearen Energieträgern nicht unbegrenzt zur Verfügung steht.¹⁶

Nach einer veröffentlichten Studie des Umweltbundesamtes¹⁷ ist ein großer Teil der Kraftwerke für die elektrische Energieerzeugung in Deutschland über 20 Jahre alt und muss in den nächsten Jahren grundlegend erneuert werden.

Es werden in Folge des Gesetzes zur geordneten Beendigung der Kern- energienutzung zur gewerblichen Erzeugung von Elektrizität bis zum Jahr 2025 Kernkraftwerke mit einer Gesamtleistung von etwa 22.000 Megawatt (MW) stillgelegt. Das dadurch entstehende Leistungsdefizit soll durch erneuerbare Energien kompensiert und gleichzeitig sollen die Weichen für die zukünftige Energieversorgung und eine damit verbundene umweltgerechte Energienutzung in Deutschland gestellt werden.

Aufgrund von Deregulierung und Liberalisierung der Energiemärkte, des Strebens nach Umwelt- und Ressourcenschonung sowie der Verfügbarkeit neuer Technologien wird die Energieversorgung von morgen neben wachsendem überregionalem Energieaustausch verstärkt kleine dezentrale Systeme zusammen mit Kraft-Wärme/Kälte-Kopplungen einsetzen und gegebenenfalls Rückspeisungen vornehmen.¹⁸

Damit sollen zentrale und dezentrale Strukturen ineinander fließen und die Energieversorgung integral von „unten“ her in einem geschlossenen Regelkreis mit Hilfe von moderner Informationstechnologie in Form durchgängiger Kommunikation und verteilter Intelligenz optimieren.

Die bisherige Versorgung erfolgt zum überwiegenden Teil durch eine „zentrale“ von oben her gesteuerte Verteilung (vgl. Abbildung 2.1). Zukünftige Entwicklungen beinhalten eine regelrechte Umkehr der heutigen Versorgungsstruktur und aus einer zentralen Monostruktur wird eine zentrale - dezentrale - integrale Mischstruktur mit einem bedeutendem Beitrag der Ressourcenoptimierung.¹⁹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 Wandel in der Energieversorgung (nach Bitsch, R. (2001))

„Zukünftig werden zudem vermehrt dezentrale, unabhängige Energie- speicher in das Netz integriert. Viele kleine Anlagen werden zu „virtuellen Kraftwerken“ („virtual utilities“) zusammengefasst und automatisiert betrie- ben.“²⁰

Es wird deutlich, dass an künftige Energieversorgungssysteme und speziell an das Energiemanagement vergleichsweise erhöhte technische und auch organisatorische Anforderungen gestellt werden.

In Zukunft sollten nicht nur die DEA zu verteilten Kraftwerken zusammen- gefasst werden, sondern die dezentralen Verbraucher müssen mit einge- bunden werden. Erzeugung, Verteilung und Verbrauch werden zu dezentra- len Energieversorgungseinheiten zusammengefasst und mit Hilfe geeigneter komponentenübergreifender Leistungs- und Energiemanagementsysteme gesteuert.²¹

Eine Bewertung künftiger Energieversorgungssysteme wird unter anderem auch von der Versorgungssicherheit im Vergleich zu herkömmlichen Ener- gieversorgungseinrichtungen abhängen, da die ausreichende Versorgung mit nutzbarer Energie eine Grundlage für die heutige Lebensqualität darstellt.

„Dabei kann der „Zentralisierungsgrad“ einer Energieversorgung sehr viele Ausprägungen annehmen; von der dezentralen Versorgung einer Anlage, der zentralen Versorgung eines oder mehrerer Objekte, der regionalen Versorgung von Kommunen, der energiepolitisch wichtigen Aufgabe einer volkswirtschaftlich optimierten Energieversorgung, bis hin zu der zunehmend diskutierten Frage einer globalen Energieversorgungsstruktur für leitungs- gebundene Energieträger.“²²

Auch die Haushalte könnten in Zukunft mit eigenen Energieversorgungs- anlagen, beispielsweise mit Brennstoffzellen, ausgestattet und von einem Dienstleister sowohl zu einem lokalen virtuellen Kraftwerk verbunden, als auch von diesem betreut werden. Somit wird den Haushalten eine weitge- hend selbständige Energieversorgung ermöglicht. Dabei wird überschüssig produzierte Energie in das übergeordnete Hauptversorgungsnetz einge- speist, wobei das Hauptversorgungsnetz auch die Aufgabe der Versorgungs- sicherheit übernimmt.

Für das optimierte Verwalten und Steuern solcher virtuellen Kraftwerke werden die einzelnen Erzeugungsanlagen in ein dezentrales Energie- managementsystem (DEMS) aufgenommen. Die Notwendigkeit eines sol- chen Systems wird nachfolgend durch das dezentrale Energiemanagement verdeutlicht.

2.2 Dezentrales Energiemanagement

Ein DEMS dient der Planung, Steuerung, Überwachung und Optimierung von Energieversorgungssystemen mit integrierten dezentralen Energieerzeu- gungseinheiten. Die Energieerzeugung durch dezentrale Einheiten geschieht vorrangig in der Nähe der lokalen bzw. regionalen Verbraucher. Dabei ist als langfristiges Ziel neben einer effizienten Ressourcenschonung auch eine weitgehende Unabhängigkeit von zentralen Energiesystemen zu erreichen.

Beim Einsatz erneuerbarer Energien besteht insbesondere die Unsicherheit der unterbrechungsfreien Versorgung, speziell bei der Energieerzeugung durch Windkraft und Sonnenenergie, die nicht durchgängig zur Verfügung stehen. Eine gesicherte Versorgung besteht zurzeit nur durch eine An- bindung an das übergeordnete zentrale Energieversorgungssystem.

Ein Lösungsansatz, um die Versorgung durch eine dezentrale Energieerzeugung zu verbessern, ist der Zusammenschluss mehrerer kleiner Erzeugungseinheiten und damit die Bildung von virtuellen Kraftwerken. Ein Pilotprojekt, das die EUS GmbH derzeit gemeinsam mit den Stadtwerken Unna realisiert, soll genau dies zeigen.²³

Das Zusammenspiel der virtuellen Kraftwerke mit einer Vielzahl kleiner Anlagen erhöht offensichtlich die Anforderungen an den Betrieb elektrischer Netze und somit an die Planung des gesamten Netzmanagements.

Das dezentrale Energiemanagementsystem ist zum einen zuständig für eine wirtschaftlich optimierte Betriebsweise des Anlagenverbundes (Lastmanagement), zum anderen sorgt es für eine effiziente Wartung und Störungsbeseitigung (Servicemanagement).²⁴

Die Anbindung dezentraler Energieerzeugungsanlagen, insbesondere die Anbindung von Windkraftanlagen an das Hauptversorgungsnetz der Energieversorgungsunternehmen ist an vielen Orten Deutschlands bereits erfolgreich durchgeführt worden. Jedoch sind der zunehmenden Integration der DEA in bestehende Netze technische Grenzen gesetzt, da spezifische Probleme mit dem Netzschutz und der Regelleistung auftreten.²⁵

Es müssen sowohl die technischen Eigenschaften der DEA als auch die der Netze zunehmend angepasst werden, um die Anbindung der DEA zu ge- währleisten.

Speziell die Mittelspannungs- und Niederspannungsnetze müssen verstärkt und angepasst werden, da die DEA hauptsächlich in diese Netze einspeisen. Mit der Zunahme verschiedener dezentraler Anlagen sind geeignete Informations- und Kommunikationstechnologien zu entwickeln, um die Anlagen effizient regeln und steuern zu können.

Ziel des dezentralen Energiemanagement muss es daher unter anderem auch sein, dass es nicht zu einer überschüssig produzierten Energiemenge kommt, was letztendlich zur Verringerung der Leistung der herkömmlichen Kraftwerke führt. Insbesondere im Bereich des Lastmanagements (vgl. Kapitel 2.3) muss dafür gesorgt werden, dass die Stabilität der Netze aufrecht erhalten wird und schaltbare und regelbare Verbraucher direkt kommunikationstechnisch angesprochen werden.

Eine optimierte Verteilung kann nur dann vorgenommen werden, wenn Informationen über den technischen Zustand und die Erzeugungskapazität sämtlicher DEA und Informationen aus dem beschriebenen Kommunikationsnetz vorliegen. Zur Bestimmung der Erzeugungsleistung werden die DEA mit Hilfe von Zählern oder Zählersummenstationen ausgelesen und die Leistungswerte über die Telekommunikationsebene durch analoge- (Modem), digitale- (ISDN), Funk- (GSM) oder Internetleitungen an eine softwaregestützte Rechnerstation weitergeleitet. In Kapitel 3 werden die Kommunikationsmechanismen detaillierter behandelt.

Durch das Lastmanagement, das für eine wirtschaftliche Verteilung der Energie sorgt, sehen sich nicht nur die Betreiber der Energieerzeugungs- anlagen, sondern auch die Netzbetreiber einer logistischen Herausforderung gegenübergestellt. Hinzu kommt, dass durch die Liberalisierung der Energie- märkte diejenigen Energieversorgungsunternehmen, die eigene Leitungs- netze besitzen, eine gesellschaftliche Trennung von Energieerzeugung, Netzbetrieb und den Transport durch elektrische Netze vornehmen müssen. In der Energiewirtschaft wird dieser Vorgang als „Unbundling“ bezeichnet. Die Energieversorgungsunternehmen (EVU) werden aufgesplittet und es kommt zu einer Ausgliederung von Energieerzeugung, Energietransport und Energiehandel. Durch das Unbundling kommen jedoch kleine Energiever- sorgungsunternehmen, die vor allem durch Netznutzungsentgelte Profite erwirtschaftet haben, in eine wirtschaftlich schwierige Lage.

Um sich künftig dennoch am Energiemarkt etablieren zu können, müssen Energieversorgungsunternehmen, vor allem kleinere Stadtwerke, Koopera- tionen eingehen. Es müssen Unternehmensnetzwerke gebildet werden, um sowohl die Qualität und Sicherheit der Energieversorgung, als auch die optimierte Beschaffung und Verteilung der Energie zu gewährleisten. Ein Beispiel hierfür ist die SN Energie Gruppe, die die gesamte Wertschöpfungskette von der Produktion über den Handel bis hin zur Übertragung und Endverteilung in der Ostschweiz abdeckt.²⁶

Um diese logistischen Funktionen und Prozesse, die zu einem organisierten Handeln führen, für das dezentrale Energiemanagement zu verdeutlichen, werden in Kapitel 4 Ansätze zur Planung eines dezentralen Energiever- sorgungssystems diskutiert, und es wird versucht, die sich daraus ergeben- den Erkenntnisse auf das dezentrale Energiemanagement zu übertragen.

2.3 Lastmanagement

Die in den Energieversorgungsnetzen installierten Verbraucher werden im Allgemeinen als Lasten bezeichnet. Dabei unterscheidet man zwischen motorischen und ruhenden Lasten. Motorische Lasten sind Verbraucher, die elektrische oder thermische Energie in mechanische Energie umwandeln. Alle übrigen Verbraucher werden als ruhende Lasten bezeichnet (z.B. Beleuchtungsanlagen, Elektroöfen etc.).²⁷

Die Energieversorgungsunternehmen sind verpflichtet, jederzeit genauso viel Energie zur Verfügung zu stellen, wie benötigt bzw. mit einem Kunden ver- traglich vereinbart ist. Dabei ist das Ziel jedes Energieversorgungsunter- nehmens neben der effizienten Energieerzeugung auch die optimale De- ckung des Energiebedarfs. Da speziell in der elektrischen Energieversorgung die Entwicklung des Energiebedarfs nicht exakt vorausgesagt werden kann und die elektrische Energie sich nicht wirtschaftlich speichern lässt, müssen Energieversorger entsprechende Kraftwerkskapazitäten für den anstehenden Bedarf bereithalten.

Zur Vermeidung ständiger kostenintensiver Bereitstellung von Kraftwerkska- pazitäten ist es empfehlenswert, die Energiezufuhr auf einen vorgegebenen Wert (Maximallast) zu begrenzen, ohne das dabei die Betriebsabläufe beein- trächtigt werden. Bei Überschreitung der Maximallast werden elektrische Lasten kurzfristig abgeschaltet, die betriebs- oder prozesstechnisch nicht gleichzeitig laufen. Bei einer Unterschreitung werden einzelne Lasten zuge- schaltet. Diese Vorgänge können automatisiert durch entsprechende zeitge- steuerte Schaltgeräte oder durch sogenannte Lastmanagementsysteme ge- steuert werden.²⁸

Moderne Lastmanagementsysteme sind softwaregesteuerte Optimierungs- werkzeuge, die parallel zu Energiedatenzählern arbeiten, und durch soge- nannte Trendberechnungen kontinuierlich die erforderliche Ab- bzw. Zu- schaltleistung (Korrekturleistung) während der vorgegebenen Messperioden errechnen. Aufgrund der errechneten Werte und der vorgegebenen Ma- ximallast werden gezielt Verbraucher ab- bzw. zugeschaltet. Dabei können auch sogenannte Fahrpläne in Lastmanagementsysteme integriert werden, nach deren Vorgaben die zeitliche Abfolge der Energiezufuhr geregelt wird. Mit Hilfe von Trendberechnungen sollen nicht effektive Abschaltungen, die einen vergleichsweise höheren Leistungsabfall bewirken würden, vermieden werden.²⁹

Es wird deutlich, dass ein Lastmanagementsystem einen wichtigen Mo- dulbaustein eines DEMS darstellt. Mit Hilfe von integrierten Lastmanage- mentsystemen kann die erzeugte Energie optimal den Verbrauchern zuge- teilt werden.

2.4 Dezentrale Energieerzeugung

2.4.1 Windkraft

Die Nutzung der Windenergie hat in der Antike vor ca. 3000 Jahren im zentralasiatischen Raum mit Hilfe von Windmühlen zum Mahlen von Ge- treide und zum Wasserschöpfen begonnen. Bis in die Neuzeit wurden die Windmühlen sowohl in Europa, als auch in den Vereinigten Staaten stetig weiterentwickelt. Die Entdeckung fossiler Energieträger, die Nutzung von Kernenergie und die damit verbundene vergleichsweise günstige Energie- erzeugung machten jedoch die Windenergienutzung wirtschaftlich uninter- essant. Mit der zunehmenden Bedeutung von regenerativer Energieerzeu- gung und der technischen Entwicklung in diesem Sektor kommt die Wind- energienutzung wieder in den Vordergrund.

In Deutschland wurden daher durch das 1991 verabschiedete „deutsche Stromeinspeisegesetz“ Rahmenbedingungen geschaffen, die die Wind- energie zu konventionellen Energieträgern wettbewerbsfähig machen. Die Windkraft leistete in Deutschland nach der Wasserkraft und der Biomasse bei den erneuerbaren Energien im Jahr 2002 den drittgrößten Beitrag zum Primärenergieverbrauch.³⁰

Im Folgenden werden die Funktionsweise und die Unterschiede von Windkraftanlagen erläutert.

Wie aus Abbildung 2.2 zu erkennen ist, kann die Kraft des Windes genutzt werden, um verschiedene Arbeitsmaschinen (z.B. Hydraulik-, Pneumatik- und Wärmepumpen sowie Wasser- oderölbremsen und Generatoren) direkt über Getriebe oder über elektrische Zwischenstufen anzutreiben und die Windenergie über verschiedene Speicher wie Pump-, Drucköl-, Druckluft-, Wärme-, Kälte-, Schwungrad-, Wasserstoff- und Sauerstoffspeicher für die Verwendung von Bewässerung, Trinkwasserversorgung, Teichbelüftung, Ma- schinenantriebe, Heizung und Kühlung zur Verfügung zu stellen. Die größte Bedeutung wird der Erzeugung und Nutzung elektrischer Energie beige- messen.³¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 Windenergienutzung (Heier, S. (1989), S. 11)

Mit Hilfe von Windkraftanlagen wird der durch Temperaturunterschiede in der Erdatmosphäre bewegten Luftmasse (Wind) kinetische Energie (Bewegungsenergie) entzogen. Für die Umsetzung der kinetischen Energie in mechanische Energie (Arbeit) gibt es bei Windkraftanlagen unterschiedliche Vorrichtungen und Formen. Eine weit verbreitete Bauform sind Rotorblätter mit horizontaler Lage der Drehachse.

Im Gegensatz zu den weniger verbreiteten Windkraftanlagen mit vertikaler Achse (z.B. Darrieus-Rotor) können bei Windkraftanlagen mit horizontaler Achse durch Verstellen der Rotorblätter um ihre Längsachse (Blatteinstellwinkelregelung) die Rotordrehzahl und die Leistungsabgabe geregelt werden. Weiterhin kann die Form der Rotorblätter aerodynamisch so ausgelegt werden, dass bei maximaler Nutzung des aerodynamischem Auftriebprinzips der höchste Wirkungsgrad erzielt wird.³²

Beim Auftriebprinzip, das von den meisten Windkraftanlagen mit horizontaler und vertikaler Achse genutzt wird, wird der Auftrieb durch die Luftanströ- mung am Rotorblatt und den damit entstehenden Überdruck an der Rotor- blattunterseite und den Unterdruck an der Oberseite (Sog) erzeugt. Das Ro- torblatt wird in Drehung versetzt, die mechanische Energie wird von der Ro- torwelle auf das Getriebe übertragen und vom Generator in elektrische Energie umgewandelt. Neben den auftriebnutzenden Windenergiekonvertern gibt es auch Konverter, die den Widerstand an den Flächen der bewegten Teile nutzen (z.B. Savonius-Rotor).³³

Das Verhältnis der entzogenen zu der im Wind enthaltenen Leistung wird bei Windkraftanlagen als Leistungsbeiwert Cp bezeichnet. Der Leistungsbeiwert ist abhängig von der Drehzahl und dem Blatteinstellwinkel des Windrades und kann nach der Theorie von Betz maximal 59 % betragen, d.h., ein auftriebnutzendes Windrad kann der Luftströmung maximal 59 % der Leistung bzw. der Energie entziehen. In der Praxis werden nur geringere Leistungsbeiwerte zwischen 40 - 45 % realisiert.³⁴

Die Leistung einer Windkraftanlage ist unter anderem auch abhängig von der Luftdichte, dem Rotordurchmesser und der Windgeschwindigkeit. Bei einer Verdopplung der Windgeschwindigkeit erhöht sich bei konstant bleibendem Leistungsbeiwert die Leistung der Windkraftanlage um das achtfache. Die Leistung einer Windkraftanlage wird durch folgenden physikalischen Zusammenhang beschrieben:³⁵

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

P = Leistung des Windrades [Watt] Cp = Leistungsbeiwert

ρ = Luftdichte [kg/m³]

A= Rotorkreisfläche[m²]

v= Windgeschwindigkeit [m/s]

Grundsätzlich wird zwischen kleinen Windkraftanlagen mit einer Nenn- leistung von bis zu 100 Kilowatt (kW) und großen Windkraftanlagen mit einer Nennleistung bis zu vier Megawatt (MW) unterschieden. Heute serienmäßig hergestellte Windkraftanlagen haben eine Nennleistung von bis zu zwei MW.

Windkraftanlagen können als „Single Station“ (eine Windkraftanlage sorgt für einen oder mehrere kleine Verbraucher), als Inselbetriebe oder als netzge- koppelte Systeme (Netzparallelanschluss für mehrere große Windkraftan- lagen im sogenannten Windpark), installiert werden. Sowohl bei einer Single Station, als auch bei Inselbetrieben ist es wichtig, bei Flauten und tech- nischen Ausfällen die Versorgungssicherheit durch Notstromaggregate zu si- chern.

Bei netzgekoppelten Windkraftanlagen darf zum Schutz des elektrischen Netzes die vorherrschende Netzspannung und -frequenz nicht überschritten bzw. unterschritten werden. Moderne, große Windkraftanlagen besitzen intel- ligente Regeleinrichtungen, bei denen die Lage der Rotorblätter unterschied- lichen Windgeschwindigkeiten angepasst wird. Dadurch wird ein gleichmä- ßiger Lauf der Rotorblätter und somit der Drehzahl des Generators garan- tiert. Diese Art der Blattwinkeleinstellung wird auch als Pitch-Regelung be- zeichnet. Bei älteren Windkraftanlagen sind die Rotorblätter fix an der Ro- tornabe angeschraubt (Stall-geregelt). Bei starkem Wind entsteht so auf den windabgewandten Seiten der Rotorblätter ein Strömungsabriss (Stall), wel- cher zum Zusammenbruch der Auftriebskraft führt. Die Folge sind eine hohe Belastung der Rotorblätter, sowie eine starke Geräuschentwicklung.

Eine zunehmende Bedeutung bei der Windenergienutzung zur Erzeugung elektrischer Energie wird immer mehr großangelegten Windparks im offenem Meer, den sogenannten Offshore-Windparks beigemessen, da hier im Vergleich zum Festland ein größeres Windangebot vorherrscht.

2.4.2 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Unter dem Begriff Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) versteht man die mit Hilfe von eingesetzter Energie gleichzeitige Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie und nutzbarer thermischen Energie (Wärme) innerhalb eines thermodynamischen Prozesses. Heizkraftwerke nutzen das Prinzip der KWK unter Verwendung der eingesetzten Energieträger Gas oder Dampf. Man unterscheidet Heizkraftwerke hinsichtlich ihrer Größe, der erzeugten elektrischen und thermischen Leistung und des verwendeten Energieträgers. Während große Heizkraftwerke im industriellen Bereich elektrische Leis- tungen im MW-Bereich erzeugen, werden kleinere Heizkraftwerke (Block- heizkraftwerke) für die Bedarfsdeckung in einem räumlich begrenzten Ver- sorgungsgebiet (ursprünglich Häuser-Block) mit Leistungen innerhalb des kW-Bereichs eingesetzt. Mittlerweile hat sich der Begriff Blockheizkraftwerk in der Energieversorgung weitgehend durchgesetzt, so dass auch mehrere zusammengeschaltete Heizkraftwerke als ein großes Blockheizkraftwerk be- zeichnet werden.³⁶

Von der nutzbaren Wärme spricht man nur dann, wenn die erzeugte Wärme außerhalb eines Heizkraftwerks für die Beheizung von Räumen, für die Warmwasserzubereitung etc. genutzt wird. Weiterhin kann die erzeugte Wärme durch Komprimierung mit dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kälte-Kopp- lung (KWKK) zur Kälteerzeugung genutzt werden.³⁷

Die Technik der Kraft-Wärme-Kopplung zeichnet sich gegenüber der Ener- giegewinnung durch konventionelle Kraftwerke dadurch aus, dass bei der KWK die eingesetzte Brennstoffenergie zu etwa 90 % in Nutzenergie umge- wandelt wird. Konventionelle Kraftwerke weisen einen Wirkungsgrad von etwa 35 % auf.³⁸

Im Gegensatz zur thermodynamischen Energieerzeugung der Heizkraftwer- ke, werden elektrische und thermische Energie in Brennstoffzellen elektro- chemisch erzeugt. Im Folgenden wird auf die Einsatzmöglichkeiten und die Funktionsweise von Blockheizkraftwerken und Brennstoffzellen detaillierter eingegangen.

2.4.2.1 Blockheizkraftwerke (BHKW)

Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung kann in einem Blockheizkraftwerk durch unterschiedliche Techniken realisiert werden. Man unterscheidet zwischen Gasturbinenanlagen, Dampfturbinenanlagen, Gas- und Dampfturbinenanlagen (GuD-Anlagen) oder Verbrennungsmotorenanlagen.

Bei reinen Gasturbinenanlagen werden die durch die Verbrennung von Brennstoffen erzeugten Gasgemische durch Temperatur- und Druckgefälle zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie genutzt. Dampftur- binenanlagen werden anstelle von Gasgemischen heißer Dampf zugeführt.

Die Wirkungsweise gleicht denen der Gasturbinenanlagen.

Bei kombinierten GuD-Anlagen werden die Prozesse der Gasturbinenanlagen den Dampfturbinenprozessen vorgeschaltet. Mit dieser Technik können vergleichsweise höhere Wirkungsgrade und höhere Werte für elektrische und thermische Leistungen erzielt werden.

Eine weitere Entwicklung innerhalb der Gasturbinenanlagen ist die Mikrogasturbinentechnologie. Hier handelt es sich um kleine Gasturbinenaggregate, die für kleine Leistungseinheiten, speziell für die dezentrale Energieversorgung, ausgelegt sind. Künftig könnten Mikrogasturbinenanlagen in Mehrfamilienhaushalten zur Deckung des Bedarfs an thermischer und elektrischer Energie eingebaut werden.³⁹

Neben den Gas- und Dampfturbinenanlagen können BHKW's auch mit Ver- brennungsmotoren betrieben werden. Bei der motorischen Verbrennung von Brennstoffen wird thermische Energie freigesetzt und mit Hilfe eines ange- triebenen Generators elektrische Energie erzeugt. Als Brennstoffe dienen wie bei Gas- und Dampfturbinenanlagen neben fossilen Energieträgern (z.B. Erdgas) auch regenerative Stoffe. Eine Auflistung dieser Brenngase, mit denen die BHKW's laut Hersteller^{40 41} betrieben werden können, findet sich im Anhang.

Die elektrische und thermische Leistung der BHKW's hängt dabei von den Brennwerten der Brenngase ab. Ein hoher Methananteil und vergleichsweise geringer CO2-Anteil führt zu einem hohen Brennwert und somit zu einer hohen Ausbeute der Energie.

In einem DEMS könnten sowohl die Leistung eines BHKW's, als auch die zu verbrauchende Menge an Brenngasen errechnet werden. Letzteres könnte der effizienten Planung und Bereitstellung der Brenngase dienen. Somit könnten einerseits Lagerkosten verringert und andererseits eventuellen Engpässen bei der Belieferung entgegengewirkt werden.

2.4.2.2 Brennstoffzellen

Die Brennstoffzellentechnologie ist im Rahmen der regenerativen Energie- erzeugung in den letzten Jahren intensiv weiterentwickelt worden. Obwohl die Technik vor ca. 150 Jahren entwickelt wurde, ist sie zunächst nur vom Militär und den Raumfahrtbehörden für die elektrische Versorgung von mobi- len Geräten genutzt worden. Dabei wurde die Weiterentwicklung nicht aus wirtschaftlichen Aspekten vorgenommen, sondern die Brennstoffzellen soll- ten mit geringen Abmaßen eine hohe Leistung an elektrischer Energie erzeugen.

Mit der Überlegung, die Brennstoffzellentechnologie kommerziell für dieöf- fentliche Energieversorgung zu nutzen, wurde die Technik in den letzten zehn Jahren unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit stetig weiterentwi- ckelt.

Brennstoffzellen werden aufgrund ihres hohen elektrischen Wirkungsgrades und den geringen Emissionen künftig sowohl in der stationären, als auch in der mobilen Elektrizitätsversorgung vermehrt eingesetzt werden.⁴²

Für die vorliegende Arbeit werden ausschließlich solche Brennstoffzellen betrachtet, die auf stationärer Basis, ähnlich wie Blockheizkraftwerke, den elektrischen und thermischen Energiebedarf von Verbrauchern (Haushalte oder Kleinverbraucher) decken.

In einer Brennstoffzelle wird der Brennstoff (hauptsächlich Wasserstoff) nicht thermisch verbrannt, sondern elektrochemisch oxidiert. Dabei wird elektrische und thermische Energie freigesetzt. Die Brennstoffzelle besteht aus 2 Elektroden, bei der eine Elektrode (Kathode) negativ und die andere Elektrode (Anode) positiv geladen ist und aus einem Elektrolyten, welches je nach Brennstoffzellentyp aus unterschiedlichen Stoffen bestehen kann. Ein Elektrolyt kann aus einer flüssigen, festen oder einer Membranstruktur be- stehen. Das Prinzip der Energiegewinnung wird wie folgt beschrieben:⁴³

Während der Kathode reiner Sauerstoff zugeführt wird, befindet sich an der Anode der Wasserstoff. Die Anode dient als Katalysator und spaltet das Wasserstoffmolekül unter Abgabe von zwei Elektronen in zwei positiv ge- ladene Wasserstoffionen. Der Elektrolyt ist so ausgelegt, dass er nur für die positiven Wasserstoffionen durchlässig ist. Die Elektronen fließen von der Anode über einen elektrischen Leiter zur Kathode und bewirken einen elektrischen Stromfluss. An der Kathode reagieren die Elektronen mit dem Sauerstoff und laden ihn negativ auf. Die Wasserstoffionen diffundieren durch den Elektrolyten zur Kathode und oxidieren dort mit dem Sauerstoff zu Wasser. Bei der Reaktion der negativ geladenen Sauerstoffionen mit den positiv geladenen Wasserstoffionen entsteht dabei thermische Energie, wel- che zur Erwärmung des Wassers führt (vgl. Abbildung 2.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3 Funktion einer Brennstoffzelle

Bei der elektrochemischen Reaktion innerhalb einer Zelle wird nur eine sehr geringe Spannung erzeugt. Um die Spannung in nennenswerte Bereiche zu führen, werden je nach benötigter Spannung viele Zellen zu einem Stapel (Stack) zusammengefasst. Die Gesamtheit dieses Stacks stellt das Brennstoffzellensystem und somit die eigentliche Brennstoffzelle dar.

Wird die erzeugte thermische Energie vom Verbraucher genutzt, so spricht man auch hier von einer Kraft-Wärme-Kopplung und die Brennstoffzelle kann auch als Heizkraftwerk bezeichnet werden. Bei manchen Herstellern findet sich auch daher die Bezeichnung Brennstoffzellenheizkraftwerk (BZHW).

Grundsätzlich werden Brennstoffzellen hinsichtlich des verwendeten Elektro- lyten und ihrer Arbeitstemperatur unterschieden. In der dezentralen Energie- versorgung werden Brennstoffzellen je nach elektrischer und thermischer Energieleistung unterschieden und eingesetzt. Für die Kommunikation in- nerhalb eines DEMS sind die Unterschiede der Brennstoffzellentypen nicht relevant.

Ein Überblick und eine Beschreibung über die in der dezentralen Energieversorgung eingesetzten Brennstoffzellentypen findet sich im Anhang.

2.4.3 Wasserkraft

Die Wasserkraft ist eine weitere regenerative Energiequelle, die sich vor allem durch die Reduzierung des Schadstoffausstoßes und durch einen ho- hen Wirkungsgrad auszeichnet. Analog zur Windenergienutzung wurde auch die Kraft der Wasserströmung zur Erzeugung mechanischer Energie schon historisch genutzt.

Die anfänglich schnelle Entwicklung der Industrialisierung beruht über- wiegend auf der Nutzung der Wasserkraft. Jedoch wurde auch die Wasser- kraft im Vergleich zu den kostengünstigen Energiequellen Kohle,öl und Kernkraft vernachlässigt. Heute wird die Wasserkraftnutzung und die Technik der Wassekraftanlagen wieder zunehmend im Rahmen der regene- rativen elektrischen Energieerzeugung diskutiert. Laut dem Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke besitzt die globale Wasserkraftnutzung einen höheren Anteil an der elektrischen Energieversorgung als die zurzeit ca. 500 installierten Kernkraftwerke zusammen. In Deutschland beträgt der Anteil der Wasserkraft heute ca. fünf Prozent an der elektrischen Energieversorgung.⁴⁴

Prinzipiell unterscheidet man bei Wasserkraftwerken hinsichtlich der eingesetzten Turbine zwischen Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckanlagen, und Speicherkraftwerke. Im Anhang findet sich eine Beschreibung der unterschiedlichen Anlagen.

Wasserkraftwerke werden überwiegend zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt und besitzen einen Wirkungsgrad zwischen 85 bis 90%. Bis zu 90% der Wasserkraftnutzung entfällt auf Laufwasserkraftwerke. Die restli- chen 10 % teilen sich zu fast gleichen Anteilen auf die übrigen Wasser- kraftwerke. In Deutschland sind überwiegend kleine Wasserkraftwerke mit einer elektrischen Leistung von bis zu einem MW in Betrieb, die von privaten Unternehmen betrieben werden. Die Energieversorgungsunternehmen be- sitzen ca. 12% der Wasserkraftwerke mit einer Leistung einzelner Anlagen bis zu 150 MW. Das gesamte erschließbare Potential kleiner und großer Wasserkraftwerke zusammen wird laut dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit auf bis zu 850 MW geschätzt.^{45 46}

2.4.4 Sonnenenergie

Die zuvor vorgestellten Energieträger Windenergie und Wasserkraft können als indirekte Formen der Sonnenenergie betrachtet werden. Durch den Einfluss der Sonne und die damit verbundenen Temperaturunterschiede in der Atmosphäre werden einerseits durch Auftriebskräfte Luftmassen in Be- wegung gesetzt und andererseits wird durch die Verdunstung und den an- schließenden Niederschlag von Wassers in hoch liegenden Gewässern po- tentielle Energie gespeichert. Es bieten sich aber auch verschiedene Möglichkeiten, die Sonnenenergie direkt nutzbar zu machen. Zu einen kann elektrische Energie direkt durch die Photovoltaik-Technik erzeugt werden und zum anderen kann in solarthermischen Kraftwerken (Solarthermien) die Sonnenenergie in thermische Energie und bei Bedarf anschließend auch in elektrische Energie umgewandelt werden.

Die Nutzung der Sonnenenergie hat sich speziell in Deutschland seit 1999 stetig von einer installierten Gesamtleistung von 12 MW elektrischer Energie auf bis zu 300 MW Ende 2003 erhöht. Analog dazu haben auch thermische Solarkraftwerke eine stärkere Verbreitung in den letzten Jahren gefunden. Die Bundesregierung unterstützt zusätzlich die Nutzung der Sonnenenergie zur Erzeugung elektrischer Energie mit dem ab 01.04.2004 in Kraft getre- tenen "Photovoltaik-Vorschaltgesetz", bei dem im Vergleich zu dem Erneu- erbare-Energien-Gesetz verbesserte Vergütungen zur elektrischen Energie- erzeugung vorgesehen sind.⁴⁷

Im Folgenden wird auf die elektrische und thermische Energieerzeugung durch Photovoltaik-Anlagen und Solarthermien eingegangen.

2.4.4.1 Photovoltaik-Anlagen

Die Photovoltaik-Technik wandelt Sonnenenergie direkt in elektrische Energie um. Die Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie geschieht in sogenannten Solarzellen und basiert auf dem Photoeffekt.

Der Photoeffekt bezeichnet die Freisetzung von negativen und positiven Ladungsträgern beim Auftreffen von Lichtstrahlen (z.B. Sonnenstrahlen) auf einen Festkörper. Der Festkörper stellt dabei die Solarzelle dar, die aus ge- eigneten Halbleitermaterialien (z.B. Silizium) besteht. Prinzipiell bestehen Solarzellen aus zwei unterschiedlichen Halbleitern und einer Antireflex- schicht. Ein sogenannter n-Halbleiter (negativer Halbleiter) befindet sich an der oberen Schicht der Zelle unterhalb der Antireflexschicht und ist mit einem sogenanntem p-Halbleiter (positiver Halbleiter) verbunden. Trifft ein Lichtstrahl auf die Antireflexschicht, so bildet sich ein inneres elektrisches Feld, wodurch die positiven Ladungsträger in den p-Halbleiter und die Elektronen in den n-Halbleiter fließen. Es bildet sich ein sogenannter pn- Übergang, und an den äußeren Schichten der Solarzelle entsteht eine elektrische Spannung.

[...]

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¹ Vgl. Herold, G. (2002), S. 8 ff.

² Vgl. Rummich, E. (1996), S. 3

³ Vgl. Brandt, G., Kreusel, J., Lunckenbein N., (2004), S. 30

⁴ Vgl. König, S. (2004), S.64

⁵ Vgl. Erdmann, G. (1992), S. 295 ff.

⁶ Vgl. Winje, D., Hanitsch, R. (1986), S.10 ff.

⁷ Vgl. Haas, O. (2002), S. 5 ff.

⁸ Vgl. Wissenschaftszentrum Nordrhein-Westfalen (2002)

⁹ Vgl. Lehne, H. (o. J.)

¹⁰ Vgl. Beckhaus, P. (2002), S. 2 ff.

¹¹ Vgl.ökologische Briefe 22.1.91

¹² Vgl. Wissenschaftszentrum Nordrhein-Westfalen (2002)

¹³ Vgl. Haas, O. (2002), S. 9

¹⁴ Vgl. Graf, P. (1992), S. 4

¹⁵ Vgl. BMU (Berlin 2004)

¹⁶ Vgl. Werum, J., Biehle, P. (o. J.)

¹⁷ Vgl. Umweltbundesamt(2004)

¹⁸ Vgl. Bitsch, R. (2001), S. 15

¹⁹ Vgl. Bitsch, R. (2001), S. 15 ff.

²⁰ Vgl. Voss, J. (2004)

²¹ Vgl. Voss, J. (2004)

²² Vgl. Wagner, U. (1997)

²³ Vgl. EUS GmbH (2004)

²⁴ Vgl. Initiative Brennstoffzelle

²⁵ Vgl. Seidel, D. (2004)

²⁶ Vgl. SN Energie Gruppe (2004)

²⁷ Vgl. Heuck, K., Dettmann, K-D. (2002), S.206 ff.

²⁸ Vgl. IER (2004)

²⁹ Vgl. GMC Instruments Group (2004)

³⁰ Vgl. Energie Daten 2003, S.26

³¹ Vgl. Heier, S. (1989), S. 12

³² Vgl. Hau,E. (2003), S. 50

³³ Vgl. Heier, S. (1989), S. 7-9

³⁴ Vgl. Heier, S. (1989), S. 10 ff.

³⁵ Vgl. Heier, S. (1989), S. 41

³⁶ Vgl. AGFW-e.V. bei dem VDEW (2002), S. 8 ff.

³⁷ Vgl. BHKW-Info (2004)

³⁸ Vgl. Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung (2004)

³⁹ Vgl. E-Quad (2004)

⁴⁰ Vgl. Pro2 Anlagentechnik GmbH (2004)

⁴¹ Vgl. G.A.S. Energietechnologie GmbH (2004)

⁴² Vgl. VDI Fachausschuß"Brennstoffzellen" (1998), S.35

⁴³ Vgl. Initiative Brennstoffzelle (2004)

⁴⁴ Vgl. Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke (2004)

⁴⁵ Vgl. BMU (Berlin 2004)

⁴⁶ Vgl. Bayern Energie (2004)

⁴⁷ Vgl. Bundesverband Solarindustrie (BSI 2004)