Regeneratives Pumpensystem im Schellenpark Tarp

Regeneratives Pumpensystem
im Schellenpark Tarp
Projektarbeit im Masterstudiengang Systemtechnik
Datum:
Autoren:
Betreuer:
4. März 2013
Thomas Johannsen
(520336)
Norbert Nussel
(520280)
Prof. Dr.-Ing. Holger Watter
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Konzeptidee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Berechnungsgrundlagen
2.1. Berechnung der Wasserversickerung .
2.2. Berechnung der Wasserverdunstung . .
2.2.1. Globalstrahlung . . . . . . . .
2.2.2. Sättigungsdampfdruck . . . . .
2.2.3. Wasseroberflächentemperatur .
2.3. Potentielle Energie . . . . . . . . . . .
2.4. Berechnung des Windenergieertrags .
2.4.1. Rayleigh-Verteilung . . . . . .
2.4.2. Leistungsberechnung nach Betz
2.4.3. Energieertrag . . . . . . . . . .
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3. Standort
3.1. Wasserkreislauf und benötigte Fördermengen
3.1.1. Versickerung . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2. Niederschlag . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3. Verdunstung . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4. Benötigte Fördermenge . . . . . . . .
3.1.5. Energiebedarf . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Windenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1. Windverteilung nach Rayleigh . . . .
3.2.2. Windenergieertrag . . . . . . . . . . .
3.3. Strahlungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . .
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4. Auswertung
4.1. Nutzbarkeit der Klimadaten . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Energieangebot und -bedarf im Vergleich . . . . . . . . .
4.3. Nutzbarkeit der Windenergie in realen WEA . . . . . .
4.4. Anlagenkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1. Variante 1 - WEA in Direktbetrieb . . . . . . . .
4.4.2. Variante 2 - WEA mit Zwischenspeicher . . . . .
4.4.3. Variante 3 - mechanische Windpumpe . . . . . .
4.4.4. Zwischenfazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5. Alternative Anlagenkonzepte . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1. Alternative 1 - PV-Anlage mit Zwischenspeicher
4.5.2. Alternative 2 - Hybridsystem . . . . . . . . . . .
4.5.3. Alternative 3 - Netzanschluss mit Öko-Strom . .
4.6. Weitere beachtenswerte Punkte . . . . . . . . . . . . . .
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
4.7. Empfehlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5. Zusammenfassung
A. Anhang
A.1. DWD Globalstrahlungskarte . . . . . . . . . .
A.2. Daten Windenergieanlagen . . . . . . . . . .
A.2.1. Vergleich der Daten von verschiedenen
A.2.2. AeroCraft AC240 . . . . . . . . . .
A.2.3. AeroCraft AC752 . . . . . . . . . .
A.2.4. Braun ANTARIS 2.5 kW . . . . . .
A.2.5. Windtechnik Nord 04T . . . . . .
A.3. Wasserpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3.1. Pumpenkennlinien . . . . . . . . . . .
A.3.2. Grundfos SQF8A-3 . . . . . . . . .
A.4. Herstellerlinks im Internet . . . . . . . . . . .
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WEA
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
DWD Deutscher Wetterdienst
PV
Photovoltaik
üNN über Normal Null
WEA Windenergieanlage/n
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Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
Übersicht Schellenpark Tarp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Niederschlagsmenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verdunstungsmenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fördermenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Energiebedarf zur Grundwasserförderung . . . . . . . . . . . . . .
Rayleighverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mittlere Monatswindgeschwindigkeiten. . . . . . . . . . . . . . . .
Monatliches Energieangebot aus Windenergie pro m2 Windfläche. .
Jahresenergie verteilt auf die Windgeschwindigkeiten. . . . . . . .
Energieangebot Globalstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Abstand und Höhenprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Energieangebot im Vergleich zum Energiebedarf . . . . . . . . . .
Energieangebot aus Windkraft und maximaler Energiebedarf . . .
Elektrischer Direktantrieb einer Pumpe durch eine WEA. . . . . .
Variante 1 - Fördermengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
WEA mit elektrischer Pumpe und Speicher . . . . . . . . . . . . .
Variante 2 - Fördermengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mechanischer Direktantrieb von WEA zur Pumpe . . . . . . . . .
Variante 3 - Fördermengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Photovoltaikanlage mit Speicher und Pumpe . . . . . . . . . . . .
Alternative 1 - Fördermengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
WEA und Photovoltaik als Hybridsystem mit Speicher und Pumpe
Alternative 2 - Fördermengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Netzanschluss mit Öko-Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Alternative 3 - Energiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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38
Tabellenverzeichnis
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Koeffizienten zur Berechnung der Globalstrahlung
Monatswerte Rayleigh-Strahlung . . . . . . . . . .
Daten der Wetterstation Schleswig . . . . . . . . .
Versickerungsmenge . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parameter für potentielle Energie . . . . . . . . . .
Vergleich verschiedener WEA . . . . . . . . . . . .
Überblick der Vor- und Nachteile von Variante 1. .
Überblick der Vor- und Nachteile von Variante 2. .
Daten optimaler Arbeitspunkt SQF 8A-3 . . . . .
Überblick der Vor- und Nachteile von Variante 3. .
Überblick der Vor- und Nachteile von Alternative 1
Überblick der Vor- und Nachteile von Alternative 2
Überblick der Vor- und Nachteile von Alternative 3
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EINLEITUNG
Abbildung 1: Übersicht Schellenpark Tarp [5]
1. Einleitung
Die Gemeinde Tarp hat auf einem örtlichen, ehemaligen Kasernengelände der Bundeswehr das Wohn- und Gewerbegebiet Schellenpark angelegt. Im Süden dieses Abschnittes
wird zum einen als Ausgleichsfläche nach der „Eingriffsregelung in der Bauleitplanung“
[7] und zum anderen als Parkanlage ein etwa 7.000 m2 großer Teich mit angrenzenden
Grünflächen angelegt (s. Abbildung 1).
Bedingt durch die geografischen Gegebenheiten liegt der Grundwasserspiegel etwa
2,5 ... 4,5 m unter der Erdoberfläche. Hieraus würde sich für eine natürliche Erhaltung eines Wasserspiegels von etwa 1,0 m eine Teichtiefe von mindestens 5,5 m zur
Geländeoberfläche ergeben. Diese Eingriffe in das Landschaftsbild würden dem Aushub
eines Baggersees gleichkommen. Möglichkeiten für Wasserstege oder kleine Aussichtsplattformen ließen sich nur mit großen Unterbauten auf Oberflächenhöhe oder mit
der Überwindung von Höhenunterschieden durch Treppenanlagen realisieren. Diese
bergen aber unter Umständen erhöhtes Gefahrenpotenzial für beispielsweise Kinder,
Senioren oder körperlich eingeschränkte Personengruppen. Nicht außer acht zu lassen
ist zusätzlich der hohe Kostenfaktor für den Aushub des Teiches und die Errichtung
der erwähnten Bauten. Aus diesem Wunsch und den dazu ungeklärten Fragestellungen
entstand folgende Konzeptidee.
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1.1
Konzeptidee
1
EINLEITUNG
1.1. Konzeptidee
Aus den gegebenen Umständen entstand die folgende Konzeptidee. Der Teich wird so
angelegt, dass die Wasseroberfläche maximal 1,30 m unter der Geländeoberfläche liegt.
Die Wassertiefe soll ca. 1,0 m betragen. Zum Untergrund schließt den Teich eine etwa
0,30 m dicke Schürze aus Lehm ein, die das Versickern des Wassers minimieren soll.
Im Laufe der Zeit wird der Wasserspiegel durch Versickerung und Verdunstung sinken.
Gleichzeitig kommt auf natürlichem Weg Wasser durch Niederschläge in das Reservoir
zurück. Nach ersten Schätzungen ergeben sich hier Differenzen, die es durch die Förderung von Grundwasser auszugleichen gilt. Hier entstand die Idee, ein aus regenerativen
Energiequellen gespeistes Pumpensystem zu installieren.
1.2. Aufgabenstellung
Das bestehende Energieangebot an regenerativen Quellen ist auszuwerten und über den
Jahresgang darzustellen. Dabei liegt der Fokus auf der Windenergie. Die Versickerungsund Verdunstungsraten sind dem Angebot an Niederschlägen im Jahresgang gegenüber zu stellen, um so den hydraulischen Leistungsbedarf zu bestimmen. Es soll die
Machbarkeit einer solchen Lösung analysiert und bewertet werden. Die Eck- und
Konstruktionsdaten für ein geeignetes Pumpensystem sind festzulegen und ggf. eine Marktrecherche durchzuführen, sowie Handlungsempfehlungen für die Gemeinde
abzuleiten.
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2
BERECHNUNGSGRUNDLAGEN
2. Berechnungsgrundlagen
Im folgenden Kapitel wird näher auf die Berechnungsgrundlagen und Werkzeuge
eingegangen, welche in der Ausarbeitung verwendet werden.
2.1. Berechnung der Wasserversickerung
Stehende Gewässer ohne natürlichen Zu- oder Abfluss, welche oberhalb des Grundwasserspiegels liegen, haben einen kontinuierlichen Wasserabfluss über den als porös
anzunehmenden Grund. Das Darcy-Gesetz beschreibt, wie sich der Durchfluss einer
Wassermenge durch einen porösen Körper verhält. Über die Filtergeschwindigkeit vf,u
lässt sich somit die Versickerungsrate Qs berechnen [1].
vf,u = kf ·
Is + z
2 · Is + z
(1)
Qs = vf,u · AS,W
(2)
darin ist:
[Qs ] = m /s
3
Qs :
Versickerungsrate
AS,W :
wirksame Versickerungsfläche
[AS,W ] = m2
kf :
Wasserdurchlässigkeitsbeiwert
[kf ] = m/s
vf,u :
Filtergeschwindigkeit der Versickerung
IS :
Abstand zwischen Teichsole und Grundwasserspiegel
z:
Tiefe des Teiches
[vf,u ] = m/s
[IS ] = m
[z] = m
2.2. Berechnung der Wasserverdunstung
Um die Wasserverdunstung zu berechnen, wird in dieser Ausarbeitung das „vereinfachte Kombinationsverfahren“ nach [3] verwendet. Hiermit ist es möglich, Monatswerte
für die Verdunstungsmenge zu berechnen. Das Verfahren berücksichtigt die Globalstrahlung, die Sonnenscheindauer, den Dampfdruck und die Temperatur der Luft, die
Wasseroberflächentemperatur und die Teichtiefe.
EW = (0, 327 · (es (Tw0 ) − e) + 0, 00055 · RG − 0, 035) · n
(3)
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2.2
Berechnung der Wasserverdunstung
2
BERECHNUNGSGRUNDLAGEN
darin ist:
EW :
Verdunstungshöhe
es :
Sättigungsdampfdruck
Tw0 :
Wasseroberflächentemperatur
e:
Dampfdruck der Luft
RG :
Globalstrahlung
n:
Anzahl der Tage im Monat
[EW ] = mm
[es ] = hPa
[Tw0 ] = ℃
[e] = hPa
[RG ] = W/m2
[n] =
2.2.1. Globalstrahlung
Die Globalstrahlung wird im vereinfachten Kombinationsverfahren monatsabhängig
berechnet. Berücksichtigt wird dabei die Rayleigh-Strahlung und die Sonnenscheindauer
[3].
S
RG = RR · (a + b ·
)
(4)
S0
darin ist:
RG :
Globalstrahlung
[RG ] = J/m2
RR :
Rayleigh-Strahlung
[RG ] = J/m2
a:
Koeffizient (monatsabhängig)
[a] = −
b:
Koeffizient (monatsabhängig)
[b] = −
S:
Sonnenscheindauer
[S] = h/d
S0 :
Maximale Sonnenscheindauer
[S0 ] = h/d
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
a
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
b
0,59
0,62
0,63
0,63
0,63
0,61
0,61
0,60
0,60
0,59
0,53
0,56
Tabelle 1: Koeffizienten a und b zur Berechnung der Globalstrahlung als aus Gleichung (4)
nach [3].
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
599
1108
1911
2812
3530
3857
3684
3071
2226
1367
730
465
Tabelle 2: Rayleigh-Strahlung RR . Mittelwert des jeweiligen Monats in J/(cm2 · d) [3].
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2.2
Berechnung der Wasserverdunstung
2
BERECHNUNGSGRUNDLAGEN
2.2.2. Sättigungsdampfdruck
Um den Sättigungsdampfdruck zu berechnen, benötigt man die Wasseroberflächentemperatur des betrachteten Gewässers. Liegt die durchschnittliche Wassertemperatur über
0 ◦ C, ist Gleichung (5) zu verwenden. Für Temperaturen, welche kleiner oder gleich
0 ◦ C sind, ist Gleichung (6) zu nutzen [3].
17.62·Tw0 )
es = 6.11 · e (243.12+Tw0 )
(5)
(22.46·Tw0 )
(272.62+Tw0 )
(6)
es = 6.11 · e
darin ist:
es :
Sättigungsdampfdruck
Tw0 :
Wasseroberflächentemperatur
[es ] = hPa
[Tw0 ] = ℃
2.2.3. Wasseroberflächentemperatur
Wenn für die Wasseroberflächentemperatur keine Messwerte vorliegen, kann sie näherungsweise berechnet werden. Benötigt werden hierzu die Lufttemperatur und die
beiden Konstanten p und q. Für die Monate April bis Dezember ist Gleichung (7) zu
verwenden, für Januar bis März Gleichung (8). Dies ist durch das Berechnungsverfahren
so vorgegeben [3].
Tw0 = p · Ts + q
(7)
Tw0 = 0.98 · Ts − 0.12
(8)
darin ist:
Tw0 :
Wasseroberflächentemperatur
Ts :
Lufttemperatur in 2 m Höhe
p:
Konstante für Seen bis 3 m Tiefe. p = 1,17
[p] = −
q:
Konstante für Seen bis 3 m Tiefe. q = 0,35
[q] = −
[Tw0 ] = ℃
[Ts ] = ℃
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2.3
Potentielle Energie
2
BERECHNUNGSGRUNDLAGEN
2.3. Potentielle Energie
Die potentielle Energie berechnet sich nach Gleichung (9). Diese ist abhängig von der
Dichte der betrachteten Masse, der Normalfallbeschleunigung und der Höhenänderung
[4].
Epot = V · ρ · g · ∆h
(9)
darin ist:
Epot :
Potentielle Energie
ρ:
Dichte der Masse
[ρ] = kg/m3
g:
∆h :
Normalfallbeschleunigung (9,81)
Höhendifferenz
[g] = m/s2
[h] = m
[Epot ] = Ws
2.4. Berechnung des Windenergieertrags
Die Berechnung des Energieertrages aus Wind wird in einzelne Schritte aufgeteilt.
Zunächst wird die Verteilung der Windgeschwindigkeiten über einen Monat bzw.
ein Jahr mit Hilfe der Rayleigh-Verteilung und dem entsprechenden Mittelwert der
gemessenen Windgeschwindigkeiten ermittelt. Es folgt die Berechnung der Leistung,
die aus dem Wind entnommen werden kann. Abschließend werden die Berechnungen
zusammengeführt und der zu erwartende Energieertrag kann ermittelt werden.
Die dafür nötige Theorie und die benutzten Gleichungen sind in diesem Abschnitt
dargestellt und erläutert.
2.4.1. Rayleigh-Verteilung
Um das Angebot an Windenergie für einen bestimmten Standort zu ermitteln, werden Windgeschwindigkeitsverteilungen verwendet. Diese werden Vergleichsmessungen
bestimmt. Die Verteilung wird dann tabellarisch und durch statistische Funktionen
beschrieben.
Die relative Häufigkeitsverteilung gibt an, wie oft die entsprechende Windgeschwindigkeit auftritt. Bei der Ermittlung der Häufigkeitsverteilungen kann das jeweilige
Messintervall ein Problem darstellen. Aus technischen Gründen wird ein Mittelwert
gebildet, der mehrere Stunden umfasst. Da die Energie des Windes nicht linear von
der Windgeschwindigkeit abhängt (s. Abschnitt 2.4.2), würde dies zu Verfälschungen
in den Berechnungen führen. Hohe Windgeschwindigkeiten, die nur kurzzeitig auftreten, werden herausgemittelt. Aus den gewonnenen Werten lässt sich die mittlere
Windgeschwindigkeit eines Standortes ermitteln.
Seite | 10
2.4
Berechnung des Windenergieertrags
2
BERECHNUNGSGRUNDLAGEN
Eine bessere Aussage über die Windverhältnisse des Standorts lässt sich mit der
Rayleigh-Verteilung erzielen, die als statistische Funktion gegeben ist. Sie wird durch
Gleichung (10) abgebildet [8].
fRayleigh (vW ) = vbin ·
π vW
· 2 · exp
2 v̄W
2
−π vW
· 2
4 v̄W
(10)
darin ist:
vW
Windgeschwindigkeit
vbin
Windgeschwindigkeitsintervall
v̄W
mittlere Windgeschwindigkeit
[vW ] = m/s
[vbin ] = 1
[v¯W ] = m/s
2.4.2. Leistungsberechnung nach Betz
Gleichung (11) beschreibt die absolut im Wind enthaltene Leistung.
PW =
1
3
· ρ L · AW · v W
2
(11)
darin ist:
PW
Windleistung
ρL
Dichte der Luft
AW
Durchströmte Windfläche
[AW ] = m2
vW
Windgeschwindigkeit
[vW ] = m/s
[PW ] = W
[ρL ] = kg/m3
Das Verhältnis der dem Wind entnommenen Leistung PN zu der im Wind enthaltenen
Leistung PW wird als Leistungsbeiwert cP bezeichnet und berechnet sich zu
cP =
PN
PW
(12)
Der maximale Leistungsbeiwert wurde von Betz ermittelt und wird auch als idealer
oder Betz’scher Leistungsbeiwert cP,Betz bezeichnet.
cP,Betz =
PN,max
16
=
≈ 0, 593
PW
27
(13)
Seite | 11
2.4
Berechnung des Windenergieertrags
2
BERECHNUNGSGRUNDLAGEN
Wird der Wind mit der ursprünglichen Windgeschwindigkeit v1 durch eine Windturbine
auf ein Drittel dieser Windgeschwindigkeit hinter der Turbine (v2 = 13 · v1 ) abgebremst,
lässt sich theoretisch die maximale Leistung entnehmen. Dies sind etwa 60 % der im
Wind enthaltenen Leistung.
Der Wirkungsgrad η für die dem Wind entnommene Leistung kann über das Verhältnis
aus dem Leistungsbeiwert der genutzten Leistung zu dem Betz’schen Leistungsbeiwert
berechnet werden.
η=
cP
cP,Betz
⇐⇒ cP = η · cP,Betz
(14)
Die Angabe der verfügbaren Leistung wird auf 1 m2 normiert und die maximale
Leistungsausbeute mit cP,Betz bzw. η = 100 % verwendet. Somit ist die Leistung nur
noch von der Windgeschwindigkeit vW abhängig [8].
PN,max
1
3
(vW ) = PNor (vW ) = cP,Betz · · ρL · vW
AW
2
(15)
darin ist:
PNor
max. entnehmbare Windleistung normiert
auf 1 m2 durchströmte Windfläche
[PNor ] = W/m2
2.4.3. Energieertrag
Der Energieertrag wird monatlich berechnet. Dazu wird zunächst die Anzahl der
Stunden pro Windgeschwindigkeit in einem Monat ermittelt und dabei eine über alle
Monate konstante Stundenanzahl angenommen.
hM =
8.760 h/a
12 m/a
= 730 h/m
Über die Rayleigh-Verteilung wird die Anzahl der Monatsstunden auf die angegebenen
Windgeschwindigkeiten vW im Abstand vbin aufgeteilt.
hvW = fRayleigh (vW ) · hM
Anschließend kann für jede Windgeschwindigkeit der über den Monat erwartete Energieertrag berechnet werden. Die Summe der einzelnen Energieerträge über die Anzahl
der gewählten Intervalle ergibt den zu erwartenden Monatsertrag an Windenergie [9].
Seite | 12
2.4
Berechnung des Windenergieertrags
EM =
X
[EvW ] =
2
X
BERECHNUNGSGRUNDLAGEN
[hvW · PNor (vW )]
(16)
darin ist:
[hM ] = h/m
hM
Monatsstunden
hvW
Monatsstunden pro Wingeschwindigkeit
[hvW ] = h/m
EvW
Energieertrag pro Windgeschwindigkeit und Monat
[EvW ] = Wh/m·vW
EM
Windenergieertrag pro Monat
[EM ] = Wh/m
Seite | 13
3
STANDORT
3. Standort
Bei dem betrachteten Standort handelt es sich um das Neubaugebiet Schellenpark in
Tarp (Schleswig-Holstein). Die maximale Bauhöhe beträgt nach dem Bebauungsplan
12,0 m Der geplante Teich hat eine Fläche von 7.000 m2 und eine Wassertiefe von 1 m.
Die Teichsohle liegt 0,5 ... 2,2 m oberhalb des Grundwasserspiegels.
Im folgenden Abschnitt werden die für den Standort relevanten Niederschläge sowie
die Versickerungs- und Verdunstungsmengen berechnet. Des Weiteren wird das zur
Verfügung stehende Energieangebot aus Wind- und Sonnenenergie ermittelt. Die verwendeten Wetterdaten stammen vom DWD für den Standort Schleswig. Die Winddaten
sind für 15,0 m Höhe angegeben.
Stationsname
Schleswig
Stations_ID
4466
Stationskennung
10035
Stationshöhe üNN
43 m
Windgeberhöhe über Grund
15 m
Tabelle 3: Daten der Wetterstation Schleswig [2].
3.1. Wasserkreislauf und benötigte Fördermengen
Im Wasserkreislauf des Teiches versickert und verdunstet Wasser. Durch Niederschläge
kommt jedoch wieder welches hinzu. Über die Darstellung von verschiedenen Maximal-,
Minimal- und Durchschnittswerten wird im Folgenden die Situation vor Ort aufgezeigt.
Die verwendeten Daten stammen vom DWD für den Standort Schleswig (SchleswigHolstein). Der betrachtete Zeitraum liegt zwischen dem 01.01.1951 und 01.12.2011.
3.1.1. Versickerung
Über den Boden des Teiches versickert kontinuierlich Wasser. Dieser Wasserabfluss
wird als konstant über den Jahresverlauf angenommen. Leichte Schwankungen werden
vernachlässigt. Somit liegt die Versickerungsrate nach Gleichung (2) bei 680 m3 pro
Monat (siehe Tabelle 4).
3.1.2. Niederschlag
Die Werte des Niederschlages sind in den Daten des DWD als Tageswerte hinterlegt.
Aus diesen wurden die Maximal-, Minimal und Durchschnittswerte für jeden Monat
Seite | 14
3.1
Wasserkreislauf und benötigte Fördermengen
Qs
AS,W
3
m
m
680, 4
kf
2
vf,u
m/s
5 · 10
7.000
3
m/s
−8
−8
3, 75 · 10
STANDORT
IS
z
m
m
0.5
1
Tabelle 4: Versickerungsmenge Qs pro Monat, berechnet nach Gleichung (2).
im Jahr über den Betrachtungszeitraum berechnet. Die Ergebnisse sind in Abbildung
2 zu sehen. Zu erkennen ist, dass die durchschnittliche Niederschlagsmenge über
alle Monate eines Jahres gesehen zwischen 50 mm und 100 mm liegt. Die höchsten
Niederschlagsmengen werden zwischen Juli und Januar erreicht, die niedrigsten zwischen
Februar und Mai. Die größte Niederschlagsmenge im betrachteten Zeitraum wurde im
November gemessen (275,4 mm), die niedrigste im Januar (1,3 mm). Zu beachten ist,
dass erhebliche Unterschiede zwischen den Maximal- und Minimalwerten aller Monate
liegen. So wurde im August, welcher im Durchschnitt die höchste Niederschlagsmenge
(95,4 mm) hat, der zweithöchste (247,9 mm) aber auch der drittniedrigste Wert gemessen
(3,3 mm).
300
Maximum
Durchschnitt
Minimum
Niederschlag in mm
250
200
150
100
50
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 2: Niederschlagsmenge pro Monat in mm.
Seite | 15
3.1
Wasserkreislauf und benötigte Fördermengen
3
STANDORT
3.1.3. Verdunstung
Die Verdunstungsmenge wird mit Gleichung (3) berechnet. Die benötigten Klimadaten
stammen aus den Daten des DWD. In Abbildung 3 sind die Maximal-, Minimalund Durchschnittswerte für jeden Monat dargestellt. Hierzu wurden die Daten des
gesamten Betrachtungszeitraumes ausgewertet. Die Verdunstung ist abhängig von den
Wetterbedingungen. So spielt die aktuelle Temperatur, der Dampfdruck der Luft und
die Sonneneinstrahlung bzw. -dauer eine wichtige Rolle. In der Abbildung 3 ist zu
erkennen, dass die Verdunstungsmenge von Januar bis Juli kontinuierlich ansteigt und
anschließend wieder abfällt. Das durchschnittliche Maximum wird so im Juli (107 mm)
und das Minimum im Januar (6 mm) erreicht. Der über den Zeitraum höchste Wert
wurde im Juli mit 181 mm und der niedrigste im Dezember mit weniger als 1 mm
ermittelt. Es ist zu beachten, dass mit zunehmender Verdunstungsmenge auch die
Differenz zwischen den Maximal- und Minimalwerten eines Monats erheblich steigt. So
beträgt im Januar diese Differenz rund 9 mm, im Juli dagegen rund 106 mm.
200
Maximum
Durchschnitt
Minimum
180
Verdunstung in mm
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 3: Verdunstungsmenge pro Monat in mm. Berechnet nach Gleichung (3).
Seite | 16
3.1
Wasserkreislauf und benötigte Fördermengen
3
STANDORT
3.1.4. Benötigte Fördermenge
Die benötigte Fördermenge errechnet sich, indem man vom Wasserangebot durch Niederschlag die Verluste durch Verdunstung und Versickerung subtrahiert. In Abbildung
4 ist dargestellt, wie hoch die maximale, die durchschnittliche und die kleinstmögliche Fördermenge ist. Bei der maximalen Fördermenge wird davon ausgegangen, dass
pro Monat die kleinste gemessene Niederschlags- und die höchste Verdunstungsmenge erreicht werden. Bei der kleinstmöglichen Fördermenge wird mit den höchsten
Niederschlagsmengen und den kleinsten Verdunstungsraten gerechnet. Die Werte für
den Durchschnitt ergeben sich aus den Durchschnittswerten für Niederschlag und
Verdunstung. Eine negative Grundwassermenge bedeutet, dass ein Wasserüberschuss
vorhanden ist und somit kein Grundwasser in den Teich befördert werden muss. Es
ist zu erkennen, dass der durchschnittliche Bedarf an Grundwasser kontinuierlich von
Dezember (167 m3 ) bis Juni (880 m3) steigt und dann wieder abfällt. Das absolute
Maximum wird im Juli (1.843 m3) und das Minimum im November (-1.192 m3) erreicht.
Die Differenz zwischen der maximal und minimal benötigten Grundwassermenge ist
dabei erheblich. So wird z.B. im August maximal eine Menge von 2.260 m3 benötigt,
es kann jedoch auch passieren, dass ein Wasserüberschuss von 581 m3 anfällt. Dies
entspricht einer Differenz von 2.260 m3.
2000
Maximum
Durchschnitt
Minimum
Grundwasserbedarf in m³
1500
1000
500
0
−500
−1000
−1500
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 4: Benötigte Fördermenge an Grundwasser pro Monat in m3.
Seite | 17
3.1
Wasserkreislauf und benötigte Fördermengen
3
STANDORT
3.1.5. Energiebedarf
Um den Wasserverlust über Versickerung und Verdunstung auszugleichen, wird Grundwasser aus einem Brunnen gefördert. Der Energiebedarf, welcher nötig ist, um die
in Abschnitt 3.1.4 berechneten Fördermengen um fünf Meter anzuheben, errechnet
sich nach Gleichung (9). Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 zu sehen. Hierbei werden
keine Verluste berücksichtigt. Der durchschnittliche Energiebedarf ist proportional
zur Fördermenge und steigt somit kontinuierlich von Dezember (2,3 kWh) bis Juni
(12,0 kWh). Anschließend fällt er wieder ab. Die Maximalwerte liegen zwischen dem
zwei- und vierfachen der Durchschnittswerte, wobei der höchste Wert im Juli erreicht
wird (25,1 kWh). Die Minimalwerte liegen von Juli bis April bei 0 kWh. Im Juni wird der
höchste Minimalwert mit im 2 kWh erreicht. Gelangt also durch Niederschlag genügend
Wasser in den Teich, ist es nicht notwendig, Wasser in diesen zu pumpen.
ρ
g
kg/m
h
m/s
3
1.000
2
9, 81
m
5
Tabelle 5: Parameter zur Berechnung der potentielle Energie nach Gleichung (9).
30
Maximum
Durchschnitt
Minimum
Energiebedarf in kWh
25
20
15
10
5
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 5: Benötigter Energiebedarf zur Förderung der berechneten Mengen aus Abschnitt
3.1.4 mit den Parametern aus Tabelle 5 in kWh pro Monat.
Seite | 18
3.2
Windenergie
3
STANDORT
3.2. Windenergie
Ein möglicher Energielieferant am Standort ist der Wind. Die Windverteilung und
der daraus resultierende Energieertrag werden in diesem Abschnitt aufbereitet und
dargestellt. Die für die mittleren Windgeschwindigkeiten herangezogenen Daten sind
Messwerte aus einem Zeitraum von 12 Jahren (01.01.2000 ... 31.12.2011). Diese wurden
in einer Höhe von 15,0 m erhoben. Die Gebäudehöhen sind im Baugebiet auf 12,0 m
begrenzt. Die WEA muss etwas höher als die Gebäude ausgelegt werden. Daher passt
die Geberhöhe zur geplanten Nabenhöhe der WEA.
3.2.1. Windverteilung nach Rayleigh
Die Windverteilung am Standort Tarp wird mit Gleichung (10) berechnet. Das Windgeschwindigkeitsintervall (v-bin) wurde für eine höhere Genauigkeit mit vbin = 0, 5 km/h
gewählt. Das Ergebnis der Verteilung ist in Abbildung 6 dargestellt.
0.12
Häufigkeitsverteilung
0.10
0.08
August (min)
Jahr
Januar (max)
0.06
0.04
0.02
0.00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Windgeschwindigkeit in m/s
11
12
13
14
15
Abbildung 6: Rayleighverteilung über das gesamte Jahr und die Rayleighverteilungen des
windschwächsten und windstärksten Monats.
Die am häufigsten vorkommenden Windgeschwindigkeiten über ein Jahr liegen im
Bereich v = (3, 0 ± 1, 0) m/s . Dies schwankt allerdings monatlich. Die wärmeren Monate
von April bis Oktober weisen im Durchschnitt geringere Windgeschwindigkeiten auf
als die Monate von November bis März (s. Abbildung 7). Die Verteilungen für die
Monate mit dem höchsten und dem niedrigsten Mittelwert der Windgeschwindigkeiten
sind in Abbildung 6 als relative Häufigkeitsverteilung nach Rayleigh dargestellt. Hier
Seite | 19
3.2
Windenergie
3
STANDORT
verschieben sich die Maxima der relativen Häufigkeiten entsprechend zu den größeren
bzw. kleineren Windgeschwindigkeiten.
8.0
mittlere Windgeschwindigkeit in m/s
7.0
6.0
5.0
4.0
4.7
4.5
4.5
4.0
3.9
3.9
3.6
3.4
3.6
3.7
4.2
4.2
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Jahresmittelwert
3.0
2.0
1.0
0.0
Jan
Feb
Mrz
Abbildung 7: Mittlere Monatswindgeschwindigkeiten.
3.2.2. Windenergieertrag
Die relative Windverteilung wurde bestimmt. Aus diesen Werten lassen sich die zu
erwartenden Energieerträge nach Betz errechnen. Die Ergebnisse sind vorerst allgemein
gehalten und auf eine Windfläche von A = 1, 0 m2 normiert. Die Dichte der Luft geht
konstant mit ρLuft = 1, 230 kg/m3 in das Ergebnis ein. In Abbildung 8 sind die zu
erwartenden Energieerträge dargestellt. Die Wintermonate weisen hier aufgrund der
höheren mittleren Windgeschwindigkeiten auch die höheren Erträge auf. Das Maximum
ist im Januar eines Jahres mit 51 kWh/m2 zu erwarten, während das Minimum im August
lediglich 20 kWh/m2 beträgt.
Legt man die Rayleigh-Verteilung über die Verteilung des Energieertrags bezüglich der
Windgeschwindigkeitsintervalle wie in Abbildung 9, so lässt sich erkennen, dass die
Kurven zueinander verschoben sind. Obwohl die Anteile der Windgeschwindigkeiten
v = (7, 0 ± 1, 5) m/s deutlich geringer sind als die Anteile von v = (3, 0 ± 1, 0) m/s,
werden hier die deutlich größeren Anteile der Gesamtenergie erzeugt (Normiert sind die
Diagramme auf den jeweiligen Maximalwert als 100 %). Ursache hierfür ist der Eingang
der Windgeschwindigkeit in die Gleichung (15) mit der dritten Potenz.
Seite | 20
3.2
Windenergie
3
STANDORT
70
Energieangebot in kWh/m²
60
50
40
Jahresmittelwert
30
20
10
0
51
47
47
32
31
30
23
20
23
26
36
38
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 8: Monatliches Energieangebot aus Windenergie pro m2 Windfläche.
1.0
rel. Anteil zum Maximalwert (h)
0.9
0.8
0.7
0.6
h(kWh/m²)/v−Bin
h(v)/v−Bin
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Windgeschwindigkeit in m/s (v−Bin)
11
12
13
14
15
Abbildung 9: Jahresenergie verteilt auf die Windgeschwindigkeiten.
Seite | 21
3.3
Strahlungsenergie
3
STANDORT
3.3. Strahlungsenergie
Der zweite mögliche Energielieferant am Standort ist die Energie der Sonneneinstrahlung. Die Verteilung des zu erwartenden Energieertrags ist in Abbildung 10
aufbereitet und dargestellt. Die herangezogenen Daten sind Messwerte aus einer Globalstrahlungskarte des DWD (vgl. A.1 im Anhang) für einem Zeitraum von 30 Jahren
(01.01.1981 ... 31.12.2010).
180
Strahlungsenergie in kWh/m²
160
140
120
100
80
Jahresmittelwert
60
40
20
0
11
26
Jan
Feb
66 111 156 156 156 131
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
81
46
16
11
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 10: Durchschnittliche Monatserträge der Strahlungsenergie pro m2 [2].
Die höchsten Einstrahlungswerte sind in den Monaten von Mai bis Juli eines Jahres
zu erwarten. Maximal werden hier monatlich 160 kWh/m2 erreicht. Die Wintermonate November bis Februar bieten dagegen jedoch nur Energieerträge von maximal
15 ... 30 kWh/m2 .
Seite | 22
4
AUSWERTUNG
4. Auswertung
Windenergie steht am betrachteten Standort zur Verfügung. Die Nutzbarkeit ist jedoch
eingeschränkt. Das Angebot schwankt und ist abhängig von der Jahreszeit. Auch ist die
Nutzung dieser Energie stets mit Verlusten verbunden, welche sich je nach Anlagentyp
und Art der Umwandlung unterscheiden können. Im folgenden Abschnitt wird auf die
Nutzbarkeit der verwendeten Daten eingegangen, es wird das Energieangebot dem
-bedarf gegenübergestellt und konkrete Anlagen zur Nutzung von regenerativer Energie
bzw. der Förderung von Grundwasser betrachtet.
4.1. Nutzbarkeit der Klimadaten
Die Übertragung der Klimadaten aus Schleswig auf den Standort Tarp ist mit guter
Näherung möglich. Als Entscheidungshilfe herangezogen wurde zum einen die Entfernung der Standorte zueinander sowie zum Meer, und zum anderen die Höhenlage
üNN (über Normal Null). Wie in Abbildung 11 zu erkennen ist, ist die Entfernung der
Standorte zueinander 18,0 km Luftlinie. Der Lageunterschied in Nord-Süd-Richtung ist
dabei größer als der Unterschied in Ost-West-Richtung. Keiner der beiden Standorte
liegt dicht an Nord- oder Ostsee. Hieraus kann abgeleitet werden, dass die gemessenen
Klimadaten auf Tarp übertragbar sind. Die Hauptwindrichtung wird mit West angegeben. Im Höhenprofil liegt Tarp in etwa sieben Meter niedriger als die Wetterstation
in Schleswig. Die Höhe des Gebers zur Messung der Windgeschwindigkeit und die
maximal zulässige Höhe einer WEA im Baugebiet in Tarp sind mit 15 m identisch.
Abbildung 11: Abstand und Höhenprofil zwischen Tarp und der Wetterstation Schleswig [6].
Seite | 23
4.2
Energieangebot und -bedarf im Vergleich
4
AUSWERTUNG
4.2. Energieangebot und -bedarf im Vergleich
Das Energieangebot am betrachteten Standort wurde in Abschnitt 3 ermittelt. Eine
Gegenüberstellung zwischen diesem Angebot und dem Energiebedarf ist in Abbildung
12 dargestellt.
Zu sehen ist das monatliche Windenergieangebot, hier bezogen auf eine Fläche von
einem Quadratmeter, und der maximale ermittelte Energiebedarf zur Förderung von
Grundwasser. In der Darstellung wurden keine Verluste berücksichtigt. Bei dem Ertrag
aus Windenergie handelt es sich um die Energie, welche laut Betz maximal nutzbar
ist.
Das Angebot aus Windenergie ist in den Wintermonaten höher als in den Sommermonaten. So steht in den Wintermonaten, wo wenig Hebeenergie benötigt wird, viel
Windenergie zur Verfügung. Im Sommer nimmt das Angebot ab, der Bedarf jedoch
zu. Das Angebot verhält sich also genau entgegengesetzt dem Bedarf. Es ist auch zu
erkennen, dass die Energie aus einer Rotorfläche von einem Quadratmeter ausreichen
würde, um den nötigen Energiebedarf zu decken. Anhand der Grafik lässt also grundsätzlich feststellen, dass die Nutzung von regenerativer Energie für das Fördern von
Grundwasser in Betracht kommt. Im Idealfall, wie hier in der Grafik dargestellt, würde
eine Nutzungsfläche von einem Quadratmeter ausreichen. Kommen jedoch Verluste
hinzu, welche in realen Anlagen stets vorhanden sind, reicht diese Fläche nicht aus. Es
wird also eine Fläche benötigt, welche größer als 1 m2 ist.
60
Windenergie pro m²
Energiebedarf (max)
Energie in kWh
50
40
30
20
10
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 12: Energieangebot im Vergleich zum -bedarf ohne Berücksichtigung von Verlusten.
Seite | 24
4.3
Nutzbarkeit der Windenergie in realen WEA
4
AUSWERTUNG
4.3. Nutzbarkeit der Windenergie in realen WEA
In Abbildung 13 ist das Energieangebot pro Monat von drei WEA im Vergleich zum
maximalen Energiebedarf dargestellt. Es handelt es sich um die elektrische Energie,
welche theoretisch zur Verfügung steht, wenn man die Windenergie zwischen 0 m/s
und 15 m/s voll ausnutzt. Weitere Verluste (z.B. durch eine Pumpe) werden nicht
berücksichtigt.
Hersteller
Bezeichnung
Nennleistung
Rotorfläche
kW
m2
Braun
Antaris 2.5 kW
2,50
7,1
AeroCraft
AC752
0,75
4,5
AeroCraft
AC240
0,42
2,1
Tabelle 6: Vergleich der Daten von verschiedenen WEA (siehe auch A.2.1)
Betrachtet man also das reine Energieangebot an elektrischer Energie, liegt dieses
bei allen Anlagen über dem Bedarf an Hebeenergie. Folglich ist es möglich, an den
WEA zusätzliche verlustbehaftete Verbraucher, wie z.B. Pumpen, anzuschließen. Hierzu
werden in den nächsten Abschnitten Konzepte dargestellt.
250
Braun Antaris 2.5kW
AeroCraft AC752
AeroCraft AC240
Energiebedarf (max)
Energie in kWh
200
150
100
50
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 13: Theoretisches Energieangebot aus Windkraft am Beispiel verschiedener WEA
(siehe Tabelle 6) im Vergleich zum maximalen Energiebedarf.
Seite | 25
4.4
Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
4.4. Anlagenkonzepte
Die Berechnungen der verfügbaren Windenergie und der verfügbaren Leistung führen
zu drei möglichen Konzepten der Wasserförderung. Zu diesen wird hier das Prinzip, der
schematische Aufbau und die erwarteten Fördermengen erläutert. Zusätzlich werden
die Vor- und Nachteile der einzelnen Varianten dargestellt.
• Variante 1 - WEA in Direktbetrieb
• Variante 2 - WEA mit Zwischenspeicher
• Variante 3 - mechanische Windpumpe
4.4.1. Variante 1 - WEA in Direktbetrieb
Pumpe
elektr.
WEA
Abbildung 14: Elektrischer Direktantrieb einer Pumpe durch eine WEA.
Die in Abbildung 14 schematisch dargestellte Variante zeigt den elektrischen Direktantrieb der Wasserpumpe. Hierbei wird die aktuell erzeugte Windleistung direkt an die
Pumpe weitergegeben. Weht kein Wind, wird auch kein Grundwasser gefördert. Weht
dagegen der Wind sehr stark, kann bis zum maximalen Leistungseingang der Pumpe
entsprechend viel Wasser in den Teich gepumpt werden.
Vorteilhaft bei einer solchen Lösung sind die geringen elektrischen Verluste. Die WEA
arbeiten meist mit einer fixen Spannung und variieren je nach Windstärke den dazugehörigen Strom, um die entsprechende Windleistung an den elektrischen Verbraucher
weiterzugeben. Voraussetzung dafür ist eine konstante Drehzahl des Rotors oder eine
interne Leistungselektronik der WEA, welche das geforderte Spannungsniveau einstellt.
Die modernen WEA haben in diesen Bereichen weitestgehend sehr gute Wirkungsgrade.
Zusätzliche Verluste durch Wandlung der Spannung bzw. des Stroms oder eines aufwendigen Ladereglers für Akkumulatoren fallen hier nicht an. Zudem kann die Pumpe
unabhängig von der WEA aufgestellt werden. Kabelwege sind leicht zu realisieren
und Leitungsverluste können bei entsprechender Auslegung der Leitungsstärken auf
ein Minimum reduziert werden. Der technische Aufwand für eine solche Lösung ist
gering.
Seite | 26
4.4
Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
Nachteilig bei einem elektrischen Direktantrieb ist die direkte Abhängigkeit vom Wind.
Weht der Wind sehr schwach, kann die bereitgestellte Leistung nicht ausreichen, um
die Pumpe in Betrieb zu nehmen. Verluste im System und die Ansaughöhe würden
den Pumpbetrieb nicht möglich machen. Der Pumpenwirkungsgrad verhält sich nicht
proportional zur geförderten Menge bei konstanter Förderhöhe. Die hier ausgewählte
Pumpe weist bei geringen Fördermengen einen sehr niedrigen Wirkungsgrad auf (s.
Anhang A.3.1). Das führt dazu, dass im niedrigen Leistungsbereich hohe Verluste
entstehen. Abschließend ist noch zu erwähnen, dass entsprechend leistungsstarke WEA
und die passenden Grundwasserpumpen verhältnismäßig hohe Anschaffungskosten
haben.
Vorteile
Nachteile
geringe elektrische Verluste
Pumpe startet erst ab einer
Mindestleistung
Ortsunabhängigkeit von WEA und
Pumpe
schlechter Pumpenwirkungsgrad bei
variablen Arbeitspunkten
geringer technischer Aufwand
Tabelle 7: Überblick der Vor- und Nachteile von Variante 1.
Variante 1 - Berechnung der Fördermengen
In Abbildung 15 wird anhand der Leistungskurve einer Wasserpumpe (Grundfos
SQF8A-3) die Fördermenge von Grundwasser mit zwei WEA berechnet. Die Grundfos
SQF8A-3 ist in gewählter Ausführung eine Kreiselpumpe. Dieses Prinzip ist besonders
geeignet für die Förderung aus geringen Tiefen und für große Fördermengen. Die
Pumpe ist speziell für den Antrieb durch regenerative Energiequellen ausgelegt. Sie
kann entweder mit 30 ... 300 Volt Gleichstrom oder mit 90 ... 240 Volt Wechselstrom
betrieben werden. Nach Herstellerangaben ist sie leicht zu installieren und durch die
Bauart nahezu wartungsfrei (s. auch A.3.1).
Zu sehen ist, dass in den Wintermonaten mehr Wasser gefördert werden kann als im
Sommer. Die Anlage von Braun deckt dabei den Wasserbedarf vollständig das ganze
Jahr über. Die Anlage von AeroCraft schafft die maximal benötigte Fördermenge
in den Monaten von Juli bis September nicht ganz. Der Abstand zwischen dem Wasserbedarf und -angebot hat sich im Vergleich zum Energiebedarf und -angebot aus
Abbildung 13 deutlich verkleinert. Dies zeigt, dass die Verluste in der Pumpe nicht
unerheblich sind. Auch ist zu beachten, dass die Pumpe mindestens eine bestimmte
elektrische Leistung aufnehmen muss, bevor sie anläuft. Diese Leistung liegt bei der
betrachteten Pumpe bei 50 W. Um sie zu erreichen, benötigt die Anlage von AeroCraft ca. 4 m/s die Anlage von Braun 3 m/s. Gerade im Sommer treten jedoch häufig
niedrige Windgeschwindigkeiten auf, welche somit praktisch ungenutzt bleiben.
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4.4
Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
4500
Braun Antaris 2.5kW
AeroCraft AC752
Grundwasser (max)
4000
Fördermenge in m³
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 15: Variante 1 - Fördermenge mit der Pumpe Grundfos SQF8A-3 und verschiedenen WEA im Vergleich zur maximal nötigen Grundwassermenge in den
verschieden Monaten.
4.4.2. Variante 2 - WEA mit Zwischenspeicher
In Abbildung 16 ist die zweite Möglichkeit schematisch dargestellt. Hier wird dem
Direktantrieb ein Akkusystem zwischengeschaltet. Diese Variante ermöglicht es, die
Pumpe immer im optimalen Arbeitspunkt zu betreiben und so den bestmöglichen
Wirkungsgrad der Pumpe auszunutzen. Die beim elektrischen Direktantrieb, aufgrund
der Mindestleistung zum Anlauf der Pumpe, nicht nutzbare Leistung bei niedrigen
Windgeschwindigkeiten kann im Akku gespeichert werden. Es wird davon ausgegangen,
dass der Akku die gesamte von der WEA eingespeiste Energie so aufnehmen kann,
dass die Pumpe bspw. in einem Zyklus von 3 ... 6 Stunden den Akku wieder bis zur
Entladegrenze entlädt. Die Energie bleibt so nutzbar. Weiterhin können bei dieser
Variante die Aufstellungsorte der Komponenten ebenfalls variieren. Abstände können
leicht durch entsprechende Kabelwege überbrückt werden.
Völlig frei wählbar ist der Aufstellungsort der Akkus allerdings nicht. Sie müssen
mindestens frostfrei gelagert werden. Bleiakkus sollten bei einer Temperatur von 25 °C
gelagert und betrieben werden, um eine optimale Speicherfähigkeit zu gewährleisten.
Zusätzliche Verluste bei diesem System entstehen beim Laden und Entladen der Akkus.
Diese werden mit dem Ladewirkungsgrad (Ladeenergie –> Entladeenergie) angegeben,
welcher im schlechtesten Fall bei 60 % liegt. Der Wirkungsgrad beinhaltet dabei auch
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4.4
Anlagenkonzepte
4
Pumpe
Akkusystem
elektr.
AUSWERTUNG
elektr.
WEA
Abbildung 16: WEA mit elektrischer Pumpe und Speicher
bereits Verluste beim Transport der Energie von der WEA zum Speicher, bei der
Wandlung von Wechsel- auf Gleichstrom und für einen Laderegler [8].
Bei realen Speichersystemen werden in der Praxis heute für die Speicherung großer
Energiemengen hauptsächlich Bleiakkumulatoren eingesetzt. Sie sind im Verhältnis zu
anderen Systemen durch die Massenfertigung in der Automobilindustrie sehr preisgünstig und damit die wirtschaftlichste Variante [8].
In der WEA wird normalerweise eine Wechselspannung erzeugt. Für die Speicherung
in Akkus wird dagegen eine Gleichspannung benötigt. Dies erfordert es, dass Leistungselektronik im Akkusystem zum Einsatz kommen muss, welche ebenfalls verlustbehaftet
ist. Pumpen gibt es in Wechselstrom- und auch in Gleichstromvarianten. Grundsätzlich
ist die gesamte Technik für eine solche Lösung deutlich komplexer.
Vorteile
Nachteile
Pumpenbetrieb im optimalen
Arbeitspunkt
hoher Platzbedarf (mindestens
frostfrei)
hoher Wirkungsgrad an der Pumpe
Verluste durch Ladewirkungsgrad des
Akkusystems
kleine Windleistungen gehen nicht
verloren
evtl. Wandler nötig (AC/DC, DC/AC)
Ortsunabhängigkeit von WEA, Akku
und Pumpe
komplexere Technik
Tabelle 8: Überblick der Vor- und Nachteile von Variante 2.
Variante 2 - Berechnung der Fördermengen
In dieser Variante wird ebenfalls die Pumpe Grundfos SQF8A-3 in den Berechnungen
verwendet. Zusätzlich ist die Verwendung eines Akkusystems im Konzept vorgesehen.
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4.4
Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
Dieses wird aber nicht in der Kapazität ausgelegt. Es wird davon ausgegangen, dass
die gesamte Energie in dem Akkusystem gespeichert werden kann.
Die Pumpe weist über den möglichen Betriebsbereich einen stark variierenden Wirkungsgrad auf. Hier existiert zu gegebener Pumphöhe und Volumenstrom genau ein
optimaler Arbeitspunkt (oAP) mit maximalem Wirkungsgrad. In Tabelle 9 sind die
Eckdaten für den oAP dargestellt. Der Wirkungsgrad erreicht in diesem Fall ca. 42 %.
Dieser wurde in den vorliegenden Berechnungen verwendet.
Volumenstrom
Q = 5, 01 m /h
Pumphöhe
H = 5, 0 m
Leistungsaufnahme
P = 0, 162 kW
Wirkungsgrad
η ≈ 42 %
3
Tabelle 9: Daten zum optimalen Arbeitspunkt der Pumpe Grundfos SQF8A-3 laut Datenblatt (s. Anhang A.3.1)
Die resultierenden Fördermengen sind in Abbildung 9 für die WEA im Vergleich zum
maximalen Grundwasserbedarf dargestellt.
4500
Braun Antaris 2.5kW
4000
AeroCraft AC752
Fördermenge in m³
3500
Grundwasser (max)
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 17: Fördermengen in Variante 2 im optimalen Arbeitspunkt bei Akkubetrieb.
Die Berechnungen zeigen, dass die WEA Antaris mit einer Nennleistung von 2,5 kW
den maximalen Grundwasserbedarf in den Winter- sowie in den Sommermonaten decken
kann. Bei der kleineren Anlage von AeroCraft mit 0,75 kW Nennleistung würden
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4.4
Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
dagegen in den Sommermonaten möglicherweise die geförderten Mengen nicht ganz
ausreichen. Wird aber von durchschnittlichen Werten bei Niederschlag, Verdunstung
und Versickerung ausgegangen, kann auch diese Anlage den Bedarf mit der gewählten
Pumpe abdecken.
4.4.3. Variante 3 - mechanische Windpumpe
Pumpe
mech.
WEA
Abbildung 18: Mechanischer Direktantrieb von WEA zur Pumpe
Die dritte Variante ist in Abbildung 18 dargestellt. Sie kommt komplett ohne elektrische
oder elektronische Komponenten aus und treibt die Pumpe über mehrere Wellen und
gegebenenfalls über Getriebe direkt an. Hierdurch entstehen lediglich mechanische
Verluste, die je nach Bauart und Typ der Anlage schwanken können. Die Systeme sind
relativ einfach gehalten und können daher auch unkompliziert aufgestellt werden.
Nachteilig zeigt sich dieses System bei der Bindung an den Einsatzort der Pumpe.
Dadurch, dass es eine Einheit darstellt, fehlt die Flexibilität, das Windrad an einer
günstigeren Stelle im Wind zu platzieren. Lange Wassertransportwege machen diese
Lösung ansonsten unwirtschaftlich und kompliziert.
Die wasserführenden Komponenten der Pumpe sind in den Wintermonaten durch
einsetzenden Frost gefährdet. Das Wasser kann einfrieren und dadurch die Pumpe und
Wasserleitungen beschädigen oder sogar ganz zerstören.
Vorteile
Nachteile
keine elektrischen Verluste
ortsgebunden
geringer technischer Aufwand
schlechter Pumpenwirkungsgrad bei
variablen Arbeitspunkten
bedingt frostsicher
Tabelle 10: Überblick der Vor- und Nachteile von Variante 3.
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4.4
Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
Variante 3 - Berechnung der Fördermengen
Bei dieser Variante wird mit einer rein mechanischen Windpumpe gerechnet. Der
Hersteller des Systems ist die Windtechnik Nord GmbH. Die Typenbezeichnung
lautet „Windpumpe Typ 04T“ (s. Datenblatt A.2.4). Weitere Hersteller existieren. Die
Fa. Molzan z.B. bietet voraussichtlich passende mechanische Gesamtsysteme an, jedoch
liegen zu deren Produkten keine Berechnungsinformationen vor.
2000
Pumpleistung
Bedarf (max)
Bedarf (mittel)
1800
Fördermenge in m³
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 19: Fördermengen mit Variante 3
Die Berechnungen zeigen (s. Abbildung 19), dass es die Windpumpe in den Sommermonaten nicht schafft, den errechneten Maximalbedarf an Wasser zu decken. Dargestellt ist
zusätzlich noch eine rote Kurve mit den Monatsmittelwerten des Bedarfs. Dieser kann
wiederum annähernd gedeckt werden. In den Wintermonaten ist stets genügend Kapazität vorhanden. Anzumerken ist bei dieser errechneten Variante, dass die Nabenhöhe
der Windpumpe nach Herstellerangaben lediglich bei 6,0 m liegt. Die Windmessdaten
stammen aber aus einer Höhe von 15,0 m. Daher kann davon ausgegangen werden, dass
die hier dargestellten Leistungen nicht erreicht werden. Eine Erhöhung der Anlage bzw.
die Wahl einer höheren Alternative ist dadurch unumgänglich. Aufgrund der knappen
Kapazitäten wäre eine weitere Alternative, mehrere dieser Windpumpen um den Teich
aufzustellen. Laut Lageplan stehen zwei Aktionspunkte dafür zur Verfügung.
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4.4
Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
4.4.4. Zwischenfazit
In den letzten Abschnitten wurden drei erarbeitete Konzepte zur Wasserförderung
mit Hilfe von Windenergie dargestellt und erläutert. Die Vor- und Nachteile wurden
beschrieben und die Berechnungen der erwarteten Fördermengen dem Bedarf gegenübergestellt. Anhand dieser Daten lassen sich Aussagen darüber treffen, welche der
Varianten am Standort sinnvoll eingesetzt werden können.
Grundsätzlich fällt auf, dass alle drei Varianten in den windreichen Wintermonaten
(Okt. bis April) einen deutlichen Überschuss an Energie liefern. Die so förderbaren
Wassermengen werden in diesem Teil des Jahres nicht benötigt und müssten über den
Überlauf abgeführt werden. Im Sommer dagegen (Mai bis Sep.) können die Varianten
1 und 2 mit der WEA von Braun jeweils gerade den Maximalbedarf an Wasser
decken. Die WEA von AeroCraft wäre in äußerst trockenen Jahren schon nicht
mehr in der Lage, den Wasserspiegel zu halten. Das gleiche gilt für die in Variante 3
angegebene mechanische Windpumpe. Auch hier lassen sich selbst mit zwei Anlagen
nur die durchschnittlichen Jahre abdecken. Dazu kommt noch die unzureichende Höhe
der Rotoren. Es sollte hier auf einen anderen Hersteller zurückgegriffen werden, welcher
mindestens Nabenhöhen von 15,0 m erreicht.
Beim Vergleich der beiden Varianten 1 und 2 lässt sich erkennen, dass sich die geleisteten
Fördermengen der beiden Systeme nicht deutlich voneinander unterscheiden. Dies hat
verschiedene Gründe.
Beim direkten elektrischen Antrieb der Pumpe fallen sehr niedrige Windgeschwindigkeiten raus, da die Pumpe erst ab ca. 50 W anläuft. Bei einer elektrischen Leistung von
1,2 kW dagegen ist die Maximalleistung der Pumpe erreicht und Leistungsüberschuss
müsste ungenutzt abgeführt werden. Dies beides schmälert bereits die förderbare Wassermenge. Der ausschlaggebende Punkt ist aber, dass die Leistung der Pumpe direkt
abhängig ist von der Windgeschwindigkeit. Hierdurch variiert auch der Wirkungsgrad
bei konstanter Pumphöhe deutlich und hohe Verluste entstehen.
Bei der Variante 2, die den Akku als Puffer beinhaltet, soll die Energie, die in Variante 1
verloren geht oder gar nicht erst nutzbar ist, der Pumpe in ihrem optimalen Arbeitspunkt
zugeführt werden. Die Verluste der Pumpe werden so minimiert. Allerdings kommt
bei diesem System der Ladewirkungsgrad des Bleiakku-Systems hinzu, welcher mit ca.
60 % wiederum sehr niedrig ist. Somit wird der Vorteil durch die zunächst gewonnene
Energie weitestgehend wieder ausgeglichen. Im Winter bleibt der Überschuss deutlich
bestehen, im Sommer reduziert sich die Differenz zwischen maximalem Bedarf und
Fördermenge nur unwesentlich.
Vergleicht man die drei Varianten direkt miteinander, so bietet Variante 2 gegenüber
Variante 1 keine deutlichen Leistungsvorteile. Sie fällt durch die höhere Komplexität
und die nötige Unterbringung der Akkus raus. Die dritte Variante mit mechanischem
Antrieb ist im Allgemeinen eine einfache und solide Lösung. Allerdings ist die Anlage,
zu der Daten vorliegen, zu klein und könnte alleine den Bedarf im Sommer nicht decken.
Es bleibt als Empfehlung die erste Variante mit elektrischem Direktantrieb.
Seite | 33
4.5
Alternative Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
4.5. Alternative Anlagenkonzepte
In den letzten Abschnitten wurden drei Konzepte zur Wasserförderung mit Hilfe von
Windenergie betrachtet. Im Folgenden wird das Prinzip und der schematische Aufbau
von drei alternativen Konzepten erläutert und deren Vor- und Nachteile dargestellt.
Dabei spielt die Sonnenenergie eine wichtige Rolle.
• Alternative 1 - PV-Anlage mit Zwischenspeicher
• Alternative 2 - Hybridsystem (Wind + PV)
• Alternative 3 - Netzanschluss mit Öko-Strom
4.5.1. Alternative 1 - PV-Anlage mit Zwischenspeicher
Pumpe
Akkusystem
elektr.
elektr.
Abbildung 20: Photovoltaikanlage mit Speicher und Pumpe.
Die in Abbildung 20 dargestellte erste Alternative zu den rein windgetriebenen Konzepten stützt sich, anstatt auf die Kraft des Windes, auf die Sonneneinstrahlung. Hier wird
über Photovoltaikmodule die Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt und
in Akkus zwischengespeichert. Das Prinzip ist ab hier das gleiche wie es in Abschnitt
4.4.2 (WEA mit Zwischenspeicher, Variante 2) bereits erläutert wurde.
Ein großer Vorteil dieser Variante ist, dass in den Sommermonaten die meiste Energie
zur Verfügung steht. Diese Tatsache korreliert mit dem ebenfalls höheren Bedarf an
Grundwasser in diesem Zeitraum des Jahres. Die Pumpe kann hier, wie auch bereits in
Variante 2, im optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Ein weiterer Vorteil ist die
leicht erweiterbare Modulfläche und damit die Erhöhung der Leistung der PV-Anlage.
Der Betrieb der Anlage erfolgt im Gegensatz zu den Windrädern lautlos und es besteht
keine Gefahr von Schattenwurf auf benachbarte Gebäude und Grundstücke.
Nachteilig wirkt sich der erhöhte Platzbedarf gegenüber dem Aufbau einer WEA aus.
Der Platzbedarf für die Akkus ist zu beachten und die Unterbringung möglichst frostfrei
zu halten.
Seite | 34
4.5
Alternative Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
Vorteile
Nachteile
Energieangebot und -bedarf korrelieren
Akkus sollten frostfrei gelagert werden
Pumpenbetrieb im optimalen
Arbeitspunkt (geringe el. Verluste)
hoher Platzbedarf für die Module und
die Akkus
Ortsunabhängigkeit von PV und
Pumpe
sehr geringes Energieangebot im
Winter
Modulfläche bei Bedarf leicht
erweiterbar
teilweise Totalausfall im Winter bei
Schneefall
lautloser Betrieb
Tabelle 11: Überblick der Vor- und Nachteile von Alternative 1.
Alternative 1 - Berechnung der Fördermengen
8000
Solarenergie (20 m²)
Grundwasser (max)
7000
Fördermenge in m³
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 21: Grundwasserfördermenge mit einer PV-Anlage und einem Akkusystem im
Vergleich zur benötigten Grundwassermenge. (Nutzungsgrad PV: 13 % [10]
Nutzungsgrad Ladung: 60 % [8])
In Abbildung 21 wurde davon ausgegangen, dass eine PV-Anlage mit einer Fläche von
20 m2 genutzt wird. Diese verfügt über einen Akkusystem und wird mit der Pumpe
Grundfos SQF8A-3 betrieben. Im Gegensatz zur reinen Nutzung der Windenergie,
Seite | 35
4.5
Alternative Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
muss hierbei die Fläche der PV-Anlage auf die Wintermonte ausgelegt werden, da dort
das geringste Energieangebot zur Verfügung steht. Aufgrund dessen ergibt sich ein
deutliches Überangebot in den Sommermonaten. In den Wintermonaten dagegen kann
der Bedarf nur ganz knapp gedeckt werden.
4.5.2. Alternative 2 - Hybridsystem
Pumpe
Akkusystem
elektr.
elektr.
WEA
elektr.
Abbildung 22: WEA und Photovoltaik als Hybridsystem mit Speicher und Pumpe.
Die zweite Alternative, dargestellt in Abbildung 22, ist ein hybrides Konzept. Dabei
werden sowohl die Windenergie als auch die Sonnenenergie parallel genutzt, um die
Förderung des Grundwassers zu realisieren. Es können so die Vorteile beider Systeme
miteinander verbunden werden und es lassen sich eventuelle Nachteile kompensieren.
Grundsätzlich speisen sowohl die WEA als auch die PV-Anlage die Energie in den
Akku ein. Dies geschieht unabhängig voneinander und kann aufgrund entsprechender Leistungselektronik auch in verschiedenen Spannungsstufen und -arten (AC/DC)
geschehen.
Entscheidender Vorteil in diesem Konzept ist die gleichmäßig nutzbare Energiemenge
über ein gesamtes Jahr. In den Wintermonaten steht mehr als genug Wind zur Verfügung.
In den Sommermonaten käme dagegen die Energie vermehrt aus der Sonneneinstrahlung
und somit über die PV-Anlage. Entsprechend müssten die einzelnen Komponenten
nicht mehr überdimensioniert werden, um auch in wind- bzw. strahlungsschwächeren
Monaten des Jahres noch den Bedarf zu decken. Die Nachteile dieser Alternative
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4.5
Alternative Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
sind der hohe Platzbedarf für die gesamte Technik und die steigende Komplexität der
Gesamtanlage.
Vorteile
Nachteile
gleichmäßig hohe Energieausbeute im
Jahresverlauf
hoher Platzbedarf (WEA, PV-Module,
Akkus frostfrei)
kleinere Dimensionierung der WEA
und PV möglich
komplexe Technik
Pumpenbetrieb im optimalen
Arbeitspunkt
Ortsunabhängigkeit von WEA, PV und
Pumpe
Tabelle 12: Überblick der Vor- und Nachteile von Alternative 2.
Alternative 2 - Berechnung der Fördermengen
2500
AeroCraft AC240
Solarenergie (4 m²)
Grundwasser (max)
Fördermenge in m³
2000
1500
1000
500
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 23: Fördermenge einer PV Anlage kombiniert mit einer WEA, der Pumpe Grundfos SQF8A-3 und einem Akkusystem im Vergleich zur nötigen Grundwassermenge.(Nutzungsgrad PV: 13 % [10] Nutzungsgrad Ladung: 60 % [8])
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4.5
Alternative Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
In Abbildung 23 ist eine mögliche Kombination dargestellt. Hierbei betreiben eine
PV-Anlage und eine WEA über einen Akkusystem die Pumpe. Die verwendete WEA
besitzt eine Rotorfläche von 2 m2, bei der PV-Anlage werden 4 m2 verwendet. Mit
dieser Anlagenkombination wird der Wasserbedarf über das ganze Jahr gedeckt. Bei
der Variante kann also eine kleinere WEA und eine kleinere PV-Anlage im Vergleich
zu den anderen Varianten gewählt werden. Der Grund hierfür ist, dass sich die Anlagen
in ihrem Energieangebot ergänzen.
4.5.3. Alternative 3 - Netzanschluss mit Öko-Strom
elektr.
Abbildung 24: Netzanschluss mit Öko-Strom
Die dritte Alternative (Abbildung 24) stellt die einfachste Methode dar, die Grundwasserförderung aus regenerativen Energiequellen zu speisen. Die Pumpe wird über
das öffentliche Stromnetz mit Energie versorgt. Über einen Öko-Strom-Tarif wird
gewährleistet, das lediglich für regenerative Stromerzeuger gezahlt wird.
Vorteile sind die sehr hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Die Energiezufuhr ist
unabhängig vom Wetter. Der technische Aufwand für die Installation ist ebenso wie
die Wartung gering.
Um die Pumpe mit el. Energie aus dem öffentlichen Netz zu speisen, muss die nötige
Infrastruktur an den Einsatzort gelegt werden. Dazu zählt unter anderem ein eigener
Stromzähler. Um einen unnötigen Dauerbetrieb der Pumpe zu vermeiden, sind Sensoren
im Teich erforderlich, die den aktuellen Wasserstand messen und anhand der Daten die
Pumpe entsprechend steuern.
Vorteile
Nachteile
sehr hohe Verfügbarkeit und
Zuverlässigkeit
Anschluss an die öffentliche
Infrastruktur nötig inkl. Stromzähler
wetterunabhängig
Es fallen Stromkosten an
geringer technischer Aufwand
Überwachung des Wasserstandes im
Teich erforderlich
minimale Wartung
Tabelle 13: Überblick der Vor- und Nachteile von Alternative 3.
Seite | 38
4.5
Alternative Anlagenkonzepte
4
AUSWERTUNG
Alternative 3 - Berechnung des Energiebedarfs
In Abbildung 25 sind zum einen der maximale Nettoenergiebedarf zum Fördern des
Wassers und zum anderen der elektrische Energiebedarf der Pumpe dargestellt. Der
Wirkungsgrad der Pumpe liegt hier im optimalen Arbeitspunkt bei ca. 42 %. Dazu
kämen noch weitere Verluste im Bereich des Rohrsystems. Da aber keine weiten Strecken
zurückgelegt werden müssen, sind diese Verluste hier zu vernachlässigen. Im gesamten
Jahr würden so für den Maximalbedarf 455 kWh elektrische Energie zum Fördern des
Wassers benötigt werden.
70
Bruttobedarf (max)
Nettobedarf (max)
60
Energie in kWh
50
40
30
20
10
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Monat
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Abbildung 25: Energiebedarf für Alternative 3.
Seite | 39
4.6
Weitere beachtenswerte Punkte
4
AUSWERTUNG
4.6. Weitere beachtenswerte Punkte
In dieser Ausarbeitung werden verschiedenen Möglichkeiten zur Wasserförderung mit
Hilfe von regenerativen Energien betrachtet. Wird eines dieser Konzepte umgesetzt, sind
jedoch weitere Punkte zu beachten, welche hier nicht primär berücksichtigt werden.
Für eine WEA ist eine freie Windfläche nötig. Behindern Bäume oder Häuser den Wind,
ist dessen Nutzung nur sehr eingeschränkt möglich. Es es ist außerdem sicherzustellen,
dass der Untergrund für die Aufstellung einer WEA geeignet ist. Bei der Nutzung
von Windkraft kann es zu Geräuschentwicklungen und Schattenwurf kommen. Es
muss deshalb sichergestellt werden, dass die Anwohner nicht gestört werden. Bei
der Nutzung von PV dürfen die PV-Module nicht abgeschattet werden. Es wäre zu
gewährleisten, dass diese auf einer möglichst freien Fläche, in Südrichtung und mit
einem passenden Aufstellwinkel aufgebaut werden. Die vorgestellten Konzepte sind
alle sehr wartungsarm, jedoch nicht wartungsfrei. Die Anlagen müssen stets überwacht
werden, um ein Leerlaufen des Teiches zu verhindern. Hierzu muss der Brunnen stets
die nötige Wassermenge vorhalten können. Im Bauplan ist ein Überlauf vorgesehen,
welcher für die Abfuhr des überschüssigen Wassers unerlässlich ist. Um Leben im Teich
zu ermöglichen, ist die Grundwasserqualität zu prüfen.
Seite | 40
4.7
Empfehlung
4
AUSWERTUNG
4.7. Empfehlung
In den vorherigen Abschnitten wurden verschiedene Anlagenkonzepte dargestellt. Hierbei werden sowohl die Windenergie als auch die Sonnenenergie mit einbezogen. Die
Kosten und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlagen werden nicht betrachtet. Diese
Ausarbeitung stützt sich auf Herstellerangaben zu den hier mit einbezogenen Teilsystemen. Die tatsächlichen Einsatzbedingungen haben einen sehr großen Einfluss auf das
Betriebsverhalten. Dadurch können die realen Leistungen von den Herstellerangaben
abweichen.
Ein Vergleich der verschiedenen Konzepte, welche ausschließlich Windenergie nutzen,
wurde im Zwischenfazit (Abschnitt 4.4.4) angestellt. Hierbei hat sich gezeigt, dass
das Anlagenkonzept mit direktem elektrischen Antrieb das sinnvollste ist. Ein rein
mechanischer Antrieb scheint auch ein gutes Konzept zu sein. Die verfügbaren Anlagen
sind jedoch meist zu klein. Für größere Anlagen liegen zur näheren Berechnung nicht
genügend Daten vor.
Weicht man vom reinen Windkonzept ab und betrachtet zusätzlich alternative Anlagenkonzepte, zeigt sich, dass eine Kombination aus WEA und PV eine sinnvolle Lösung
wäre. Bei dieser Variante folgt des Energieangebot dem -bedarf über das Jahr. Hierdurch
werden die windschwachen Sommermonate durch die Energie der Sonne ergänzt und im
Winter die schwache Sonneneinstrahlung durch das hohe Windaufkommen ausgeglichen.
Die jeweiligen Teilanlagen müssen so durch die gegenseitige Unterstützung nicht mehr
überdimensioniert werden, was bei der jeweiligen Einzelnutzung einer Energiequelle
der Fall wäre.
Voraussetzung für alle Varianten ist jedoch, dass die WEA möglichst frei stehen
müssen. Verwirbelungen, aufgrund von Hindernissen, würden die Energieausbeute
deutlich beeinträchtigen. Aus jetziger Sicht kann nicht beurteilt werden, in wieweit die
Bebauung in der näheren Umgebung Einfluss auf den Energieertrag hat. Die maximale
Bauhöhe im Neubaugebiet Schellenpark ist mit 12,0 m angegeben. Daher ist ist zu
empfehlen, eine WEA mit mindestens 15,0 m Nabenhöhe zu errichten. Sollten 15,0 m
nicht möglich sein, sollte ggf. geprüft werden, ob die Anlage auf einer freien Fläche
außerhalb des Schellenparks aufgestellt werden könnte. Bei der Nutzung von PV muss
eine Abschattung der Module vermieden werden. Um keine zusätzlichen Aufstellflächen
zu benötigen, könnten in der Nähe liegende öffentliche Gebäude als Modulträger in
Betracht gezogen werden.
Aufgrund der in dieser Ausarbeitung gewonnenen Erkenntnisse hat sich gezeigt, dass
die alleinige Nutzung der Windenergie zwar möglich aber nicht sinnvoll wäre. Deshalb
wird aus energetischer Sicht empfohlen, ein Hybridsystem zu verwenden.
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5
ZUSAMMENFASSUNG
5. Zusammenfassung
Im Neubaugebiet Schellenpark Tarp sollen Teiche angelegt werden. Im Rahmen des
Planungsprozesses hat sich herausgestellt, dass aufgrund des Niederschlagangebotes,
der Lage des Grundwasserspiegels und der Verdungstungsraten hydraulische Hebevorrichtungen notwendig sein werden. In der Ausarbeitung soll untersucht werden, ob das
örtliche Windenergieangebot ausreicht, ein Pumpensystem ganzjährig damit zu betreiben. Als Datenbasis werden Klimadaten des DWD vom Standort Schleswig benutzt.
Es wird zunächst der Wasserkreislauf betrachtet und anschließend das Energieangebot
aus Wind berechnet und dargestellt. Daraus leiten sich mögliche Anlagenkonzepte zur
Grundwasserförderung ab. Alternativ werden auch Konzepte betrachtet, welche die
Sonnenenergie nutzen. Mit Hilfe von konkreten Anlagendaten werden voraussichtliche
Fördermengen berechnet und dem Bedarf gegenübergestellt. Es stellt sich dabei heraus,
dass das Windangebot am Standort grundsätzlich ausreicht. Aus energetischer Sicht ist
aber eine Hybridlösung zur Nutzung von Wind- und Sonnenenergie am sinnvollsten.
Seite | 42
Literatur
Literatur
Literatur
[1] M. Barjenbruch. Niederschlagswasserentsorgung (Teil 2) - Möglichkeiten zur
Regenwasserversickerung -. TU Berlin, 2012.
[2] Deutscher Wetterdienst. www.dwd.de. Stand: Oktober 2012.
[3] C Deyhle, G. Glugla, W. Golf, J. v. Hoyningen-Huene, H. Kalweit, H. Olbrisch,
D. Richter, U. Wendling, G. Wessolek, and H. Wittenberg. DVWK Merkblaetter
238/1996. Ermittlung der Verdunstung von Land- und Wasserflächen. Deutscher
Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. (DVWK), 1996.
[4] K.F. Fischer and W. Bernstein. Taschenbuch der technischen Formeln. Fachbuchverl. Leipzig im Carl-Hanser-Verlag, 1999.
[5] Gemeinde Tarp. www.schellenpark.com. Stand: Oktober 2012.
[6] Google. Google Earth. Stand: Oktober 2012.
[7] Land Schleswig-Holstein. www.schleswig-holstein.de. Stand: Oktober 2012.
[8] V. Quaschning. Regenerative Energiesysteme: Technologie- Berechnung- Simulation.
Hanser Fachbuchverlag, 2009.
[9] Dr. Hermann van Radecke. Skript Windenergietechnik. 2011.
[10] H. Watter. Regenerative Energiesysteme: Grundlagen, Systemtechnik und Anwendungsbeispiele aus der Praxis. Vieweg+Teubner Verlag, 2011.
Seite | 43
A
ANHANG
A. Anhang
A.1. DWD Globalstrahlungskarte
Globalstrahlung in der Bundesrepublik Deutschland
Mittlere Jahressummen, Zeitraum: 1981 - 2010
7°E
8°E
9°E
10°E
11°E
12°E
0
Flensburg
13°E
50
14°E
100
150
15°E
200
1:3.750.000
Kiel
Greifswald
Rostock
54°N
250
Kilometer
54°N
6°E
Lübeck
Schwerin
Hamburg
Emden
53°N
Jahressumme
kWh/m²
Wittenberge
Meppen
Berlin
Potsdam
Hannover
Frankfurt / O.
52°N
Wittenberg
Detmold
Dortmund
Essen
Nordhausen
51°N
Düsseldorf
Aachen
Halle
Kassel
Köln
Siegen
Bonn
52°N
Magdeburg
Münster
Marburg
Cottbus
Leipzig
Dresden
Erfurt
Gera
Görlitz
Chemnitz
Fulda
Koblenz
50°N
Wiesbaden Frankfurt/M.
Mainz
Trier
statistische Werte:
abs. Max. 1257 kWh/m²
Mittel 1055 kWh/m²
abs. Min. 951 kWh/m²
Bayreuth
Würzburg
Mannheim
Nürnberg
49°N
49°N
Saarbrücken
Regensburg
Karlsruhe
> 1500
1481-1500
1461-1480
1441-1460
1421-1440
1401-1420
1381-1400
1361-1380
1341-1360
1321-1340
1301-1320
1281-1300
1261-1280
1241-1260
1221-1240
1201-1220
1181-1200
1161-1180
1141-1160
1121-1140
1101-1120
1081-1100
1061-1080
1041-1060
1021-1040
1001-1020
981-1000
961-980
941-960
921-940
901-920
881-900
861-880
841-860
821-840
801-820
781-800
761-780
741-760
721-740
701-720
< 701
51°N
Uelzen
50°N
Bremen
53°N
Neubrandenburg
Ingolstadt
Stuttgart
Passau
Ulm
Augsburg
48°N
München
48°N
Freiburg
Konstanz
7°E
Wissenschaftliche Bearbeitung:
8°E
9°E
Kempten
10°E
11°E
12°E
13°E
14°E
DWD, Abt. Klima- und Umweltberatung, Pf 30 11 90, 20304 Hamburg
Tel.: 040 / 66 90-19 22; eMail: [email protected]
10.02.2012 / DN
Seite | 44
A.2
Daten Windenergieanlagen
A
ANHANG
A.2. Daten Windenergieanlagen
A.2.1. Vergleich der Daten von verschiedenen WEA
Hersteller
Bezeichnung
Nennleistung
Rotorfläche
kW
m2
Airvvin
AVR3
6,00
18,0
Neuhäuser
Vata H5
5,00
17,2
Braun
Antaris 2.5 kW
2,50
7,1
AeroCraft
AC752
0,75
4,5
AeroCraft
AC240
0,42
2,1
HomeEnergy
EBV100
1,0
7
Airvvin AVR3
6
Neuhäuser Vata H5
Braun Antaris 2.5 kW
el. Leistung in kW
5
AeroCraft AC752
AeroCraft AC240
HomeEnergy EBV100
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Windgeschwindigkeit in m/s
11
12
13
14
15
Seite | 45
A.2
Daten Windenergieanlagen
A
ANHANG
A.2.2. AeroCraft AC240
AeroCraft AC 240
Haupteinsatzgebiet: Inselsysteme, Batterieladung
Gödecke Energie- u. Antriebstechnik
Am Bahnhof 12
27365 Rotenburg / Wümme
Tel. 04261 / 9439-10
Fax.04261 / 9439-19
Email: [email protected]
Web : www.aerocraft.de
Seite | 46
A.2
Daten Windenergieanlagen
A
ANHANG
A.2.3. AeroCraft AC752
AeroCraft AC 752
Haupteinsatzgebiet: Inselsysteme, Batterieladung
Gödecke Energie- u. Antriebstechnik
Am Bahnhof 12
27365 Rotenburg / Wümme
Tel. 04261 / 9439-10
Fax.04261 / 9439-19
Email: [email protected]
Web : www.aerocraft.de
Seite | 47
A.2
Daten Windenergieanlagen
A
ANHANG
A.2.4. Braun ANTARIS 2.5 kW
Generator
• Permanentmagnetrotor, bürstenlos, getriebelos, wartungsfrei
• hoher Wirkungsgrad durch extrem starke Dauermagnete
• (NdFeBo-Permanentmagnete, bis 150° temperaturbeständig)
• 3-Phasen-Drehstrom
• Separater Gleichrichter
• Drehrichtung beliebig
• Spannung 0-400 V
• Einspeisebeginn bei ca. 125 rpm
• Leistung: 2.700 Watt bei 380 rpm u. 330 VDC
• gleichmäßg ansteigende Leistungskurve
• Gewicht: 30kg
• Aluminiumgehäuse, Oberflächenkühlung, Fußbefestigung
• Gondelgehäuse aus GFK
Rotor
• Nabenanschluss mit Auminiumflansch und Andruckscheibe
• Edelstahlschraubverbindungen mit Sicherungsmuttern
• 3 Rotorblätter aus Glasfaser- / Kohlefaserlaminat
• Computerunterstütztes aerodynamisches Profil
• Geräuschminimierung durch Winglets an den Blattspitzen
• ca. 3.00 m Durchmesser
• Einzelblattgewicht: ca. 3,2kg
• dynamisch ausgewuchtet
• Drehrichtung vorne links"
• Drehzahl max 410 rpm.
• GFK Spinnerkappe
• Rotorfarbe nach Kundenwunsch
• Tragelement
Seite | 48
A.2
Daten Windenergieanlagen
A
ANHANG
• Windfahne (witterungsbeständiges HDPE naturweiß, leicht transparent)
• Edelstahlrohr Vierkant als Tragelement
• alle Schraubverbindungen in Edelstahl und
• mit Sicherungsmuttern versehen
• Stahlkonsohle als Tragelement für Generator, vorgesehen als
• Seckverbindung mit Azimutlager, komplett verzinkt
• patentierte Helikoptersicherung
• Mastadapter mit Flanschanschluß (Rohr 114,3mm)Sturmsicherung
• Helikopterstellung
• Spannungsüberwachung mit Bremswiderstand
• Generatorkurzschluss
Steuerschrank
• Steuerung mit 3-phasiger Spannungsüberwachung
• 1-phasiger Netzparallelbetrieb (1 x Windy Boy 1700)
• Regelelektronik zur Turbinensteuerung
• verpolungssichere Anschlüsse / Steckverbindungen
• Überwachung der Generatorphasen im Turbinenbetrieb
• Notauschalter
• Resetschalter mit Schlüssel (abziehbar)
• Gleichrichter, Analoganzeige, ...
• 3.0 kW Bremswiderstand
Seite | 49
A.2
Daten Windenergieanlagen
A
ANHANG
A.2.5. Windtechnik Nord 04T
Seite | 50
Daten Windenergieanlagen
A
ANHANG
Förderleistung / Output - Mod 4 T
Wind m/s
wind m/s
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Leistung m³
Output m³
Drehzahl rpm
Speed rpm
0
7
13
20
26
34
41
48
55
62
68
72
73
70
65
60
53
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,9
3,3
3,7
4,0
4,3
4,3
4,1
3,9
3,5
3,1
Förderleistung / Output
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
m³/h
A.2
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Wind m/s
1 von 1
Berechnung_04T.xls
04.12.2012
Seite | 51
A.3
Wasserpumpen
A
ANHANG
A.3. Wasserpumpen
A.3.1. Pumpenkennlinien
20
18
Fördermenge in m³/h
16
14
12
SQF5A−3
SQF8A−3
10
SQF11A−3
8
CRIF10−2
6
4
2
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6 0.7 0.8 0.9
el. Leistung in kW
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Seite | 52
A.3
Wasserpumpen
A
ANHANG
A.3.2. Grundfos SQF8A-3
95027344 SQF 8A-3 50 Hz
Q
[m³/h]
SQF 8A-3
eta
[%]
Q = 5.01 m³/h
H=5m
P1 = 0.162 kW
Fördermedium = Wasser
Medientemperatur = 20 °C
Dichte = 1000 kg/m³
20
2
18
5
16
10
14
70
15 m
12
60
10
50
8
40
6
30
4
20
2
10
0
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Ausdruck von Grundfos CAPS [2013.01.071]
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
P1 [kw]
1/2
Seite | 53
Wasserpumpen
A
Beschreibung
Daten
Produktbezeichnung:
Produktnummer:
EAN Nummer:
SQF 8A-3
95027344
5700834760334
Technische Daten:
Prüfkennzeichen auf dem
Motortypenschild:
Produktnummer Pumpe o. Motor:
Anzahl der Stufen:
Rückschlagklappe:
Werkstoffe:
Material für Pumpe:
Laufrad:
Rotor:
Stator:
Q
[m³/h]
ANHANG
SQF 8A-3
20
2
CE,CTICK,TR_MARK
18
5
95027396
3
mit Rückschlagventil
16
10
14
70
15 m
12
Nichtrostender Stahl
DIN W.-Nr. 1.4301
AISI 304
Edelstahl
DIN W.-Nr. 1.4301
AISI 304
DIN W.-Nr. 1.4301
AISI 304
DIN W.-Nr. 1.4301
AISI 304
50
8
40
6
30
4
20
2
10
0
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Rp 2
0,1
0,8
0,9
1,0
1,1 P1 [kw]
101
0
15 bar
Rp 2
102 mm
60
10
0
Installation:
Maximaler Umgebungsdruck:
Anschluss Druckstutzen:
Minimaler Brunnendurchmesser:
eta
[%]
Q = 5.01 m³/h
H=5m
P1 = 0.162 kW
Fördermedium = Wasser
Medientemperatur = 20 °C
Dichte = 1000 kg/m³
Fördermedium:
Maximale Medientemperatur:
Medientemperatur:
Dichte:
Kinematische Viskosität:
Wasser
40 °C
20 °C
1000 kg/m³
1 mm²/s
Elektrische Daten:
Bauart des Motors:
Leistungsaufnahme P1:
Nennspannung ac:
Nennspannung dc:
Einschaltart:
Nennstrom:
Leistungsfaktor:
Nenn-Drehzahl:
Schutzart (IEC 34-5):
Isolationsklasse (IEC 85):
Motorschutz:
Temperaturschutz:
Kabellänge:
Motor - Produktnummer:
MSF3
1.4 kW
1 x 90-240 V
30-300 V
Direkt
8.4 A
1,0
500-3600 1/min
IP68
F
Ja
intern
2m
96275336
Sonstiges:
Minimum efficiency index, MEI ≥:
Nettogewicht:
Bruttogewicht:
Versandvolumen:
Verkaufsregion:
0.14
9.5 kg
11 kg
0.028 m³
Europe/South America/Japan
Ausdruck von Grundfos CAPS [2013.01.071]
N L
920
A.3
2/2
Seite | 54
A.4
Herstellerlinks im Internet
A
ANHANG
A.4. Herstellerlinks im Internet
Windpumpen:
• http://www.windtechniknord.de/
Die Daten dieser Anlagen werden in der Ausarbeitung verwendet.
• http://www.molzan-windkraftanlagen.de/
Hersteller hat keine Kennlinien von seinen Anlagen. Es werden jedoch viele
Anlagen in verschiedenen Ausführungen angeboten. Der Hersteller gibt an, dass
vor Ort geprüft werden muss, welche Anlagen in Frage kommen. Laut telefonischer
Auskunft existiert eine Anlage, die bei Windstärke 4 eine Fördermenge von 5,0 m3/h
erreicht. Der Hersteller ist sehr zuversichtlich, dass er eine passende Lösung findet.
• http://www.haustechnik-toskana.com/modelle.html
Hersteller hat auf Anfrage nicht reagiert. Bietet auf der Homepage jedoch ein
interessantes Konzept an.
• http://www.solarlink.de/windpumpen.htm
Die Anlagen schaffen nur ca. 600 l/h und sind deshalb etwas zu klein.
Herstellerseiten für Windenergieanlagen (elektrisch), welche in der Ausarbeitung betrachtet wurden:
• http://www.aerocraft.de/aerocraft.html
• http://www.braun-windturbinen.com/antaris25.html
Herstellerseite für verwendete Wasserpumpe:
• http://www.grundfos.de/
weiterführend kann nach Grundfos SQFlex gesucht werden. Hier ist auch ein
Hybridsystem, wie es empfohlen wird, zu finden.
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