Embed Size (px)
Citation preview
Entwicklung und Feldtest der Compact
Energy Box (CEB) als hybrides „Plug and
Function“ System zur klimaneutralen,
autarken Stromversorgung der
Gleichwellenfunkstation St. Bartholomä und
einer Diensthütte der Bergwacht Bayern
Abschlussbericht über das Projekt, gefördert unter Az: 29405
von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
von
MSc Hubert Deubler und Stefan Meisl
Berchtesgaden im Juli 2014
Energie– u. Umwelttechnik Service– Hausgeräte– Sondermaschinenbau
Gartenau 23, 83471 Berchtesgaden
Tel.:08652/9649-66, Fax.:- 67 E-Mail: [email protected]
www.meisl.eu
Der Abschlussbericht sowie sämtliche Veröffentlichungen zum CEB können unter folgender Adresse bezogen werden: Elektro-Mechanik Meisl GmbH z.Hd. Herr Deubler Gartenau 23 D-83471 Berchtesgaden Tel.: 08650 / 98 47 34 Fax.: 08652 / 96 49 67 E-Mail.: [email protected]
Entwicklung und Feldtest der Compact
Energy Box (CEB) als hybrides „Plug and
Function“ System zur klimaneutralen,
autarken Stromversorgung der
Gleichwellenfunkstation St. Bartholomä und
einer Diensthütte der Bergwacht Bayern
Abschlussbericht über das Projekt, gefördert unter Az: 29405
von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
von
MSc Hubert Deubler und Stefan Meisl
Berchtesgaden im Juli 2014
1
06/02
1 Projektkennblatt der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt
Az 29405 Referat 24 Fördersumme 114.213 Antragstitel Entwicklung und Feldtest der Compact Energy Box (CEB) als hybrides
„Plug and Function“ System zur klimaneutralen, autarken
Stromversorgung der Gleichwellenfunkstation St. Bartholomä und einer
Diensthütte der Bergwacht Bayern Stichworte Off-Grid, hybride Stromversorgung, Funkanlage, kompakte
Stromversorgungseinheit, Berghütte, erneuerbare Energien
Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n)
23 23.05.2011 22.04.2013
verlängert bis 23.12.13
1
Zwischenberichte 4
Bewilligungsempfänger Elektro-Mechanik Meisl GmbH Tel 08652 / 964966
Gartenau 23; 83471 Berchtesgaden Fax 08652 / 964967
Projektleitung
Stefan Meisl
Bearbeiter
Hubert Deubler
Kooperationspartner Bergwacht Bayern, Am Sportpark 6, 83646 Bad Tölz
Schnoor Industrieelektronik, Fehmarnstrasse 6, 2782 Büdelsdorf
Zielsetzung und Anlaß des Vorhabens Das vorliegende Projekt hat das Ziel, für die Bergwacht Bayern eine energetisch optimierte
Gleichwellenfunkstation zu entwickeln und sowohl diese als auch eine Diensthütte der Bergwacht
unabhängig vom öffentlichen Stromnetz mit elektrischer Energie zu versorgen. Hierfür wird eine
PowerBox als kompakte Versorgungseinheit neu entwickelt und in einem Feldtest erprobt. Der Feldtest
wird wissenschaftlich begleitet und die Ergebnisse werden sowohl für die Optimierung der
Energieversorgungseinheiten verwendet, als auch der interessierten Öffentlichkeit präsentiert. Die
Konzeption der PowerBox wird so gestaltet, dass sie in Zukunft die Grundlage für den weiteren Ausbau
des analogen und digitalen Funknetzes der Bergwacht Bayern sowie der Stromversorgung von Hütten
und anderen Einrichtungen in netzfernen Gebieten bilden kann.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden In enger Abstimmung mit den Projektpartnern werden die Arbeiten im Rahmen des Projekts an der
praktischen Umsetzbarkeit der Projektergebnisse orientiert. Besonderer Wert wird dabei auf die
Umweltrelevanz und die nachhaltige Wirkung der Aktivitäten gelegt. Das Projekt wird wissenschaftlich
durch eine anwendungsorientierte Begleitforschung ergänzt.
Im Einzelnen werden folgende Arbeitsschritte durchgeführt: 1. Optimierung der Gleichwellenfunkanlage
der Bergwacht Bayern; 2. Entwicklung, Bau und Installation einer CEB mit integrierter
Gleichwellenfunkanlage der Bergwacht Bayern für den Standort St. Bartholomä; 3. Entwicklung, Bau und
Test einer CEB als hybrides „Plug and Function“ System als DC-AC Stromversorgungseinheit mit einer
elektrischen Leistung bis 3,5 kW; 4. Entwicklung eines Tools zur vereinfachten integralen Planung und
Auslegung einer autarken Energieversorgungsanlage mit Testanwendung; 5. Installation der
entsprechenden CEB zur Energieversorgung der gewählten Diensthütte; 6. Wissenschaftliche und
technische Betreuung und Analyse der im Rahmen dieses Projekts errichteten Anlagen; 7. Optimierung
der CEB auf Grundlage des Feldtest; 8. TÜV-Abnahme zur Zertifizierung der Anlage und Erlangung von
Schutzrechten zur Qualitätssicherung; 9. Mehrsprachige Dokumentation und Handbucherstellung; 10
Erstellen von Ergebnisberichten, wissenschaftlichen Begleitstudien (Diplomarbeiten),
Schulungsunterlagen und Veröffentlichungen zur Präsentation des durch die DBU geförderten Projekts
bei der interessierten Öffentlichkeit.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
2
Ergebnisse und Diskussion Auf Grund veränderter Rahmenbedingungen konnte die CEB am Standort St. Bartholomä nicht gebaut
werden. Stattdessen konnte zum Ende der Projektlaufzeit dank der Corporación Solano noch eine CEB-
Anlage im Amazonastiefland Kolumbiens, die ohne Fördermittel der DBU gebaut wurde, in die Testanalysen
mit aufgenommen werden. Mit wie geplant gebauten CEB-Anlage auf der Diensthütte der
Bergwachtbereitschaft Sachrang-Aschau am Geigelstein und der ersten Testanlage für ein Einfamilienhaus
in Berchtesgaden standen somit 3 Testanlagen für die Feldtests und den Betriebsanalysen bereit.
Der Schwerpunkt bei den Feldtests lag auf der Analyse des passiven Kühlungssystems, mit dem durch
geringe Betriebstemperaturen die Lebensdauer der Batterien erhöht werden sollte, sowie der Analyse der
Benutzerfreundlichkeit, dem einfachen Transport und der Flexibilität bei der Aufstellung sowie der
Eigenüberwachung der Anlage über ein Autoevaluierungstool zur Verhinderung einer zu starken
Beanspruchung der Batterien.
Zur Evaluierung des Kühlungssystems wurden auf verschiedenen Höhen in der Box, unter der Box und
außerhalb der Box Temperaturlogger installiert. Die Messdaten wurden dann zusammen mit den ebenfalls
aufgezeichneten Leistungsdaten der Anlagen ausgewertet. Die Temperaturmessungen wurden noch ergänzt
durch thermographische Fotografien der Box im laufenden Betrieb. Das Autoevaluierungstool wurde eigens
neu entwickelt, eingebaut und die protokollierten Daten ausgewertet. Alle Messungen wurden während dem
normalen Betrieb der Anlagen durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass durch das passive Kühlungssystem die Betriebstemperaturen der Batterien
signifikant niederer gehalten werden können. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die in die Entwicklung
des CEB gesetzten Erwartungen erfüllt wurden
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Das Projekt und die entwickelte CEB wurde sowohl auf der INTERSOLAR-Messe in München als auch
bei den wichtigsten internationalen Konferenzen zur netzfernen Stromversorgung vorgestellt. Auch in
der Region wurde über das Projekt in Veranstaltungen und Zeitungsreportagen berichtet.
Fazit Auch wenn der eigentlich vorgesehene Einsatz für die Stromversorgung der Funkanlagen der Bergwacht nicht weiter verfolgt werden konnte, hat das Projekt doch das hohe Potential der CEB gezeigt, sowohl in den Alpen als auch in netzfernen Gebieten wie z.B. in Kolumbien einen Beitrag zu einer nachhaltigen und einfachen Stromversorgung mit erneuerbaren Energien zu leisten. Bis auf die Verwendung des CEB für die Funkstationen der Bergwacht wurden die Projektziele erreicht wobei noch Projektfördermittel eingespart werden konnten. Dies wurde unter anderem erreicht, da die gesamten Arbeitsleistungen der Bergwacht Sachrang-Aschau als ehrenamtliche Arbeit nicht gefördert wurde und von der Firma Elektro-Mechanik Meisl sowie der Corporación Solano ebenfalls zusätzliche Arbeiten außerhalb der Förderung erbracht wurden. Die Entwicklung des CEB sollte jedoch unbedingt weitergehen, da vor allem die Kombination mit Lithium-Ionen-Speichern ein hohes Umsetzungspotential aber auch die Notwendigkeit von umsetzungsorientierter Forschung aufweist.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
3
I. Inhaltsverzeichnis
Projektkennblatt Az 29405……………………..……………………………………………1
I. Inhaltsverzeichnis ................................................................................................ 3
II. Abbildungsverzeichnis ......................................................................................... 4
II. Verzeichnis von Begriffen und Definitionen ......................................................... 5
III. Zusammenfassung .......................................................................................... 6
1 Einleitung und Ziel des Projekts .......................................................................... 7
1.1 Hintergrund und Motivation für das Projekt .................................................. 7
1.2 Zielsetzung des Projekts .............................................................................. 8
1.3 Änderungen an der Zielsetzung, Projektbudget und der Projektlaufzeit ..... 10
2 Projektumsetzung .............................................................................................. 11
2.1 Beschreibung der Projektaktivitäten ........................................................... 11
2.2 Information zur Diensthütte Geigelstein ..................................................... 16
2.3 Material und Methoden zur wissenschaftlichen Begleituntersuchung ........ 18
2.4 Ergebnisse ................................................................................................. 20
2.5 Öffentlichkeitsarbeit und Projektpräsentation ............................................. 23
3 Fazit und Ausblick ............................................................................................. 26
4 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 28
5 Anhang .............................................................................................................. 29
5.1 Anhang 1: Antrag auf Aufstellung CEB in St. Bartholomä .......................... 29
5.2 Anhang 2: CEB-Präsentation vor Lokalpolitikern in Marktschellenberg ...... 35
5.3 Anhang 3: Faltblatt zur Präsentation der Compact Energy Box CEB ......... 36
5.4 Anhang 4: CEB Präsentation mit Poster beim ISES Weltkongress, Kassel
2011 ................................................................................................................... 38
5.5 Anhang 5: CEB Präsentation mit Poster beim 7th Int. PV-Hybrid and Mini-
Grid Conference; April 10th – 11th, 2014; Bad Hersfeld, Germany ........................ 39
5.6 Anhang 6: Bericht in der DW (Deutsche Welle) zur Inbetriebnahme und
Übergabe der ersten CEB an die Gemeinde Solano im Amazonastiefland von
Kolumbien ............................................................................................................. 45
4
II. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Stromversorgungseinheiten in Containerlösungen, links ISET in Gambia, rechts reCUBE der Firma soleos ............................................... 8
Abbildung 2: CEB vor Verschickung zur Firma Schnoor , rechts Wärmebild mit Brennstoffzelle in Betrieb ........................................................................12
Abbildung 3: Funkanlage bei der Inbetriebnahme in Bad Tölz (links) und mit Spritzwasserschutz vor den Lüftungsöffnungen (rechts) .....................13
Abbildung 4: Ungeschützte Kontakte der Funkanlage in der Box ...............................14
Abbildung 5: Zertifizierungssiegel des TÜV Süd ..........................................................15
Abbildung 6: Luftbild der Diensthütte Geigelstein der Bergwacht Aschau-Sachrang ...................................................................................................................16
Abbildung 7: CEB zur Stromversorgung der Diensthütte der Bergwachtbereischaft Sachrang-Aschau .....................................................................................19
Abbildung 8: CEB im PV-Hybrid-System als Testanlage zur Stromversorgung eines Einfamilienhauses in den Berchtesgadener Alpen ................................19
Abbildung 9: Einweihung der CEB in der kolumbianischen Amazonas-Region, Solano, Caquetá (oben links); Transportmittel um den CEB ans Ziel zu bringen - mit Flugzeug DC3 dem „Dschungel-Taxi" und zum Schluss mit dem Boot ...........................................................................................................20
Abbildung 10: Thermografisches Bild der offenen CEB (links) mit Temperaturspektrum und Referenzbild CEB (rechts) ............................21
Abbildung 11: Temperaturverteilungsprofile der CEB im Betrieb .................................22
Abbildung 12: Verlaufskurve Ladezustand der Batterie und der AC-Inselwechselrichterleistung .....................................................................22
Abbildung 13: Projektpräsentation auf der INTERSOLAR 2011, München ...................23
Abbildung 14: Projektpräsentation CSU-Kreistagsfraktion Berchtesgadener Land ....24
Abbildung 15: Projektpräsentation auf der INTERSOLAR 2012, München ...................24
Abbildung 16: Planungsingenieur Hubert Deubler (links) in Solano Kolumbien ..........25
5
Verzeichnis von Begriffen und Definitionen
AC: Alternate current oder Wechselstrom
CEB: Compact Energy Box; Kompakte Stromversorgungseinheit in
Schaltschrankform, betriebsfertig montiert inklusive Leistungselektronik, Speicher
und Sicherheitspacket zum Plug an Play Anschluss von elektrischen Lasten und
verschiedenen Stromerzeugern
DC: Direct Current oder Gleichstrom.
Elektrische Leistung: Die elektrische Leistung gibt an, wie viel elektrische Energie
in einer Sekunde zum Verrichten von mechanischer Arbeit, zum Abgeben von
Wärme oder zur Abstrahlung von Licht genutzt wird. Einheit: W (Watt).
Energie: Energie beschreibt die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten. Dabei
kann zwischen mechanischer, thermischer, elektrischer und chemischer Energie
sowie Kern- und Strahlungsenergie unterschieden werden. In der Nutzung äußert
sich die Arbeitsfähigkeit in Form von Kraft, Wärme oder Licht. Nach dem Energie-
Erhaltungssatz kann Energie nicht erzeugt oder vernichtet werden. Energie kann nur
von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden.
Hybride Stromversorgungsanlage: In einer hybriden Stromversorgungsanlage wird
der Strom durch verschiedene Stromerzeuger unter Verwendung verschiedener
Energieträger erzeugt, zwischengespeichert und den Lasten zur Verfügung gestellt.
Inselanlage: Inselanlagen oder Off-grid-Systeme sind fest installierte Anlagen,
Geräte oder lokale Netze zur Stromversorgung, die ohne Anschluss an ein
landesweites öffentliches Stromnetz realisiert werden. Sie werden dort eingesetzt, wo
der Anschluss an das Stromnetz nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist. Ihr Betrieb
wird Inselbetrieb genannt.
Solare Deckungsrate Die solare Deckungsrate DS beschreibt das Verhältnis aus der
vom PV-Generator gelieferten elektrischen Energie zu der durch das gesamte
Energieversorgungssystem gewandelten elektrischen Energie einer Inselanlage.
6
II. Zusammenfassung
Das vorliegende Projekt hatte das Ziel, eine kompakte Stromversorgungseinheit
„Compact Energy Box, CEB“ zu entwickeln, in Feldtests auf ihre Einsatztauglichkeit
zu testen und der interessierten Öffentlichkeit bekannt zu machen. Sowohl ein CEB
mit einer eingebauten Funkanlage der Bergwacht Bayern am Standort St.
Bartholomä als auch ein CEB zur Stromversorgung für eine Diensthütte der
Bergwacht am Geigelstein sollten installiert und ihr Betrieb analysiert werden. Auf
Grund veränderter Rahmenbedingungen konnte die CEB am Standort St.
Bartholomä nicht gebaut werden. Stattdessen konnte zum Ende der Projektlaufzeit
dank der Corporación Solano noch eine CEB-Anlage im Amazonastiefland
Kolumbiens, die ohne Fördermittel der DBU gebaut wurde, in die Testanalysen mit
aufgenommen werden. Mit der ersten Testanlage für ein Einfamilienhaus in
Berchtesgaden standen somit 3 Testanlagen für die Feldtests und den
Betriebsanalysen bereit.
Der Schwerpunkt bei den Feldtests lag auf der Analyse des passiven
Kühlungssystems, mit dem durch geringe Betriebstemperaturen die Lebensdauer der
Batterien erhöht werden sollte, sowie der Analyse der Benutzerfreundlichkeit, dem
einfachen Transport und der Flexibilität bei der Aufstellung sowie der
Eigenüberwachung der Anlage über ein Autoevaluierungstool zur Verhinderung einer
zu starken Beanspruchung der Batterien.
Zur Evaluierung des Kühlungssystems wurden auf verschiedenen Höhen in der Box,
unter der Box und außerhalb der Box Temperaturlogger installiert. Die Messdaten
wurden dann zusammen mit den ebenfalls aufgezeichneten Leistungsdaten der
Anlagen ausgewertet. Die Temperaturmessungen wurden noch ergänzt durch
thermographische Fotografien der Box im laufenden Betrieb. Das
Autoevaluierungstool wurde eigens neu entwickelt, eingebaut und die protokollierten
Daten ausgewertet. Alle Messungen wurden während dem normalen Betrieb der
Anlagen durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass durch das passive Kühlungssystem die
Betriebstemperaturen der Batterien signifikant niederer gehalten werden können.
Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die in die Entwicklung des CEB gesetzten
Erwartungen erfüllt wurden. Auch wenn der eigentlich vorgesehene Einsatz für die
Stromversorgung der Funkanlagen der Bergwacht nicht weiter verfolgt werden
konnte, hat das Projekt doch das hohe Potential der CEB gezeigt, sowohl in den
Alpen als auch in netzfernen Gebieten wie z.B. in Kolumbien einen Beitrag zu einer
nachhaltigen und einfachen Stromversorgung mit erneuerbaren Energien zu leisten.
7
1 Einleitung und Ziel des Projekts
1.1 Hintergrund und Motivation für das Projekt
2011 war die Bergwacht Bayern dabei ihr analoges Funksystem für die
Kommunikation während ihrer Notfalleinsätze zu optimieren und auszubauen. Für die
damals in Bayern geplanten 43 neue Gleichwellenfunkstationen wurden die
Standorte der neuen Anlagen so gewählt, dass mit akzeptablem Aufwand ein
Anschluss ans öffentliche Stromnetz erfolgen kann Dies war notwendig, da die
Standardanlage einen relativ hohen Strombedarf von 200 W bei Funkbetrieb bzw.
100 W im Leerlauf sowie zusätzlich bei Bedarf für eine Heizung und eine Belüftung
der Funkanlage mit jeweils Pel = 60 W hat. Im Bereich von St. Bartholomä am
Königsee in der Kernzone des Nationalparks Berchtesgaden konnte ein Anschluss
an das öffentliche Stromnetz, auf Grund der notwendigen Eingriffe in die Umwelt
nicht genehmigt werden. Deshalb musste dort eine autarke Stromversorgung geplant
werden, die einen möglichst geringen Eingriff in die Umwelt und die touristisch
genutzte Umgebung verursacht. Gleichzeitig musste eine Lösung gefunden werden,
mit der der hohe Energiebedarf der Funkstationen reduziert werden kann und somit
wirtschaftliche Off-Grid Lösungen auch für viele weitere notwendige Standorte
angeboten werden können.
In Deutschland und Mitteleuropa gibt es unzählige kleine Waldhütten, Almen,
Bergwachthütten, Ferien- und Gartenhäuser die nicht an das öffentliche Stromnetz
angeschlossen werden können. Ihr Strombedarf wird in der Regel durch
Notstromaggregate gedeckt, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Die
Folgen sind hohe Emissionen (CO2, Lärm, Gestank), hohes Risiko bei Transport und
Lagerung des Brennstoffs, hohe Betriebskosten und unsichere Versorgung. In den
letzten Jahren wurde sehr erfolgreich, unter anderem durch die Unterstützung der
DBU, an der Optimierung der Energieversorgungsanlagen auf Schutzhütten der
Alpenvereine geforscht und Demonstrationsanlagen aufgebaut. Mittlerweile wurde für
diese Anwendungen ein sehr guter Standard erreicht (vergleiche „Endbericht –
Projekt „Integrale Evaluierung der Ver- und Entsorgungsanlagen bei Berg- und
Schutzhütten“ (IEVEBS)“, Thalgau, 2010). Diese Anlagen sind jedoch durch ihre
Komplexität sowie den hohen Planungs-, Installations- und Wartungsaufwand aus
Kostengründen für die kleineren Anlagen nicht geeignet.
Die Vielzahl an Geräten und Konzepten aus dem Outdoor- und Campingbereich mit
wenigen Watt elektrischer Leistung, die zu Projektbeginn auf dem Markt vorhanden
waren, sind auf der anderen Seite zu klein und nur bedingt tauglich, die
Anforderungen von Bergwachthütten, Almen, Ferienhäusern oder Funkumsetzern zu
8
erfüllen. Kombinierte Lösungen mit einer ausreichenden Leistung waren als
vormontiere Einheiten auf dem Markt lediglich in Form von großen und teuren
Containern vorhanden, die nur schwer transportiert werden können. Beispiele hierfür
sind eine Entwicklung vom ISET für die Stromversorgung einer Gesundheitsstation in
Gambia und der reCUBE von der Firma soleos (vgl. Abbildung 1). Daher war es
bisher notwendig entsprechende Stromversorgungsanlagen individuell und damit
kostenintensiv vor Ort durch Spezialisten aufzubauen.
Abbildung 1: Stromversorgungseinheiten in Containerlösungen, links ISET in Gambia, rechts reCUBE der Firma soleos
Auf dem Weltmarkt waren zu Projektbeginn keine kompakten, standardisierten,
kostengünstigen und einfachen Systeme vorhanden, um einen Bedarf von ca. 200 W
bis ca. 8 kW elektrische Leistung in netzfernen Gebieten klimaverträglich und
effizient mit überwiegend erneuerbaren Energien zu bedienen.
Diese Angebotslücke sollte, die im Rahmen dieses Projekts zu entwickelnde und am
Beispiel einer Funkstation und einer Hütte zu testende Compact Energy Box (CEB)
schließen.
1.2 Zielsetzung des Projekts
Das vorliegende Projekt hatte das Ziel, für die Bergwacht Bayern eine energetisch
optimierte Gleichwellenfunkstation zu entwickeln und sowohl diese als auch eine
Diensthütte der Bergwacht unabhängig vom öffentlichen Stromnetz mit elektrischer
Energie zu versorgen. Hierfür sollte eine PowerBox als kompakte Versorgungseinheit
neu entwickelt und in einem Feldtest erprobt werden. Der Feldtest sollte
wissenschaftlich begleitet und die Ergebnisse sowohl für die Optimierung der
Energieversorgungseinheiten verwendet, als auch der interessierten Öffentlichkeit
präsentiert werden. Die Konzeption der CEB sollte so gestaltet werden, dass sie in
Zukunft die Grundlage für den weiteren Ausbau des analogen und digitalen
9
Funknetzes der Bergwacht Bayern sowie der Stromversorgung von Hütten und
anderen Einrichtungen in netzfernen Gebieten bilden kann.
Das übergeordnete Ziel des Projekts war, die Stromversorgung von netzfernen
Einrichtungen, Hütten und Gebäuden hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Qualität zu
verbessern und gleichzeitig die dabei verursachte Umweltbelastung auf ein Minimum
zu reduzieren.
Durch folgende Maßnahmen sollte dieses Ziel erreicht werden:
Arbeitspaket 1: Optimierung der Gleichwellenfunkanlage der Bergwacht Bayern zur
Reduktion des Strombedarfs um mindestens 50% und der Kosten
für die Stromversorgung ebenfalls um ca. 50%.
Arbeitspaket 2: Entwicklung, Bau und Installation einer Compact Energy Box CEB
mit integrierter Gleichwellenfunkanlage der Bergwacht Bayern für
den Standort St. Bartholomä als 24 V Gleichstromsystem mit
Brennstoffzelle und PV-Generator als Stromerzeuger.
Arbeitspaket 3: Entwicklung, Bau und Test einer kompakten CEB als hybrides „Plug
and Function“ System als DC-AC Stromversorgungseinheit mit einer
elektrischen Leistung bis 3,5 kW mit PV-Generator,
Kleinwindkraftanlage und Notstromaggregat.
Arbeitspaket 4: Entwicklung eines Tools zur vereinfachten integralen Planung und
Auslegung einer autarken Energieversorgungsanlage mit der
Testanwendung zur Erstellung eines beispielhaften
Energieversorgungskonzepts einer ausgewählten Diensthütte der
Bergwacht Bayern.
Arbeitspaket 5: Installation der entsprechenden CEBaus Arbeitspacket 3 zur
Energieversorgung der gewählten Diensthütte der Bergwacht
Bayern.
Arbeitspaket 6: Wissenschaftliche und technische Betreuung und Analyse der im
Rahmen dieses Projekts errichteten Anlagen.
Arbeitspaket 7: Optimierung der CEB auf Grundlage des Feldtest als Funkstation
des Bergwachtfunks und zur Energieversorgung einer Diensthütte
der Bergwacht Bayern.
Arbeitspaket 8: TÜV-Abnahme zur Zertifizierung der Anlage und Erlangung von
Schutzrechten zur Qualitätssicherung
Arbeitspaket 9: Mehrsprachige Dokumentation und Handbucherstellung zur
selbsterklärenden Nutzung der PowerBox als
Gleichwellenfunkstation bzw. zur Energieversorgung.
Arbeitspaket 10: Erstellen von Ergebnisberichten, wissenschaftlichen Begleitstudien
(Diplomarbeiten), Schulungsunterlagen und Veröffentlichungen zur
10
Präsentation des durch die DBU geförderten Projekts bei der
interessierten Öffentlichkeit.
Projektbeginn war am 23.05.2011. Der Abschluss des Projekts war für den
22.04.2013 vorgesehen.
1.3 Änderungen an der Zielsetzung, dem Projektbudget und der Projektlaufzeit
Auf Grund von unerwarteten Veränderungen an den Rahmenbedingungen des
Projekts sowie Veränderungen bei der Motivation einzelner Projektpartner musste
Anfang 2012 die Zielsetzung und die Laufzeit des Projekts angepasst werden. Die
Hintergründe und Ursachen der notwendigen Veränderungen sind im Punkt 2
Projektumsetzung ausführlich beschrieben. Durch diese Veränderungen wurde
außerdem das Projektbudget deutlich reduziert. Im Einzelnen waren folgende
Anpassungen nötig:
Die für Oktober 2011 geplante Aufstellung der CEB mit integrierter
Funkanlage für den Standort St. Bartholomä (Arbeitspacket 2) entfällt. Die
Arbeiten zur energetischen Effizienzverbesserung der Funkanlage und die
Weiterentwicklung der CEB als Stromversorgung und Träger der Funkanlage
werden nicht fortgeführt
Der zweite CEB wird wie geplant in den nächsten Monaten aufgebaut,
getestet und an die Bergwacht übergeben. So weit als möglich wird hierfür das
bereits verwendete Material der CEB für die Funkstation St. Bartholomä
wiederverwendet. Dadurch ergibt sich eine Reduktion der Sachausgaben des
Projekts in den Arbeitspaketen 2 und 3
Das Teilziel für die Bergwacht Bayern eine energetisch optimierte
Gleichwellenfunkstation am Standort St. Bartholomä zu entwickeln und diese
unabhängig vom öffentlichen Stromnetz mit elektrischer Energie zu versorgen
kann auf Grund der bereits genannten Punkte nicht mehr erreicht werden und
muss deshalb aus der Projektplanung gestrichen werden.
Auf Grund der Windbedingungen am gewählten Aufstellungsort des zweiten
CEB auf der Diensthütte der Bergwacht unterhalb vom Geigelstein wurde die
Kleinwindkraftanlage als Stromerzeuger für diesen CEB gestrichen.
Stattdessen wurde die bereits angeschaffte Brennstoffzelle aus dem CEB für
St. Bartholomä als BackUp Stromerzeuger zur PV-Anlage eingebaut
Das Projektziel musste deshalb wie folgt verändert werden:
„Das vorliegende Projekt hat das Ziel, eine Diensthütte der Bergwacht Bayern
unabhängig vom öffentlichen Stromnetz mit elektrischer Energie zu versorgen.
11
Hierfür wird eine PowerBox als kompakte Versorgungseinheit neu entwickelt und in
einem Feldtest erprobt. Der Feldtest wird wissenschaftlich begleitet und die
Ergebnisse werden sowohl für die Optimierung der Energieversorgungseinheiten
verwendet, als auch der interessierten Öffentlichkeit präsentiert. Die Konzeption der
PowerBox wird so gestaltet, dass sie in Zukunft die Grundlage für die
Stromversorgung von Hütten und anderen Einrichtungen in netzfernen Gebieten
bilden kann“.
Auf Grund der Problematik der Aufstellung der Funk-CEB-Anlage in St. Bartholomä
hat sich auch der Aufbau der CEB zur Stromversorgung einer Bergwachthütte bis
Ende Oktober 2012 verzögert. Auf Grund der fehlenden Testergebnisse aus St.
Bartholomä mussten die Testreihen der Anlage am Geigelstein erweitert und vor
allem über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden. Ein Abschluss des
Projekts wie geplant bis zum 22.04.2013 war deshalb nicht möglich. Die
Projektlaufzeit musste aus diesen Gründen bis 23.12.2013 verlängert werden.
2 Projektumsetzung
2.1 Beschreibung der Projektaktivitäten
Nach Übergabe der Projektförderung am 26.05.2011 Projekt wurden sofort die
Details für die Herstellung des ersten Prototyps der Compact Energy Box (CEB)
festgelegt, sodass dieser Prototyp nach gemeinsamer Anstrengung bereits vom 08.
bis 10.06.2011 auf einer Sonderschau zur netzfernen Stromversorgung auf der
Messe Intersolar in München präsentiert werden konnte. Die Reaktionen der sehr
zahlreichen Interessenten sowohl Wissenschaftler als auch potentielle Nutzer
zeigten, dass für dieses innovative Produkt ein großer Bedarf besteht.
Zurück von der Messe wurde der Prototyp sofort in Betrieb genommen und einer
umfangreichen Feldtestfase unterworfen. Neben den allgemeinen Funktionstests lag
der Schwerpunkt bei der Analyse des thermischen Verhaltens der Box im Betrieb.
Die ersten Ergebnisse dieser Untersuchungen konnten bereits auf dem ISES
Weltkongress in Kassel vom 29.08. bis 02.09.2011 vorgestellt werden.
Aber auch in der Region ist ein großes Interesse am Projekt entstanden. Sowohl die
Kreistagsfraktion der CSU als auch der Gemeinderat von Marktschellenberg
besuchten im August die Firma Elektro-Mechanik Meisl GmbH um sich aus erster
Hand über das Projekt zu informieren.
12
Als erstes Hindernis zur Umsetzung des Projekts erwies sich die Genehmigung der
Installation des CEB als Rettungsfunkanlage der Bergwacht durch den Nationalpark
Berchtesgaden und dem Landratsamt Berchtesgaden Land. Nachdem die Bergwacht
einen negativen Bescheid erhalten hatte, konnte durch das Engagement der Firma
Meisl doch noch eine Genehmigung erreicht werden. Entscheidend für den
Meinungswandel war die detaillierte Information, Visualisierung und offene
Diskussion zur geplanten Installation (vgl. Anhang 1 – Genehmigungsantrag).
Um die Qualität und die entsprechende spätere Zertifizierung des CEB sicher zu
stellen, wurde vom TÜV Süd während dem Feldtest bereits erfolgreich eine
Einzelabnahme des Prototypen durchgeführt und die Zertifizierung vorbereitet.
Die Ergebnisse des ersten Feldtests sind sofort in die Produktion der zwei CEB
eingeflossen, die im Rahmen des Projekt mit der Bergwacht aufgebaut werden.
Anfang September wurde der erste CEB für den Einsatz in St. Bartholomä bei der
Firma Meisl vorinstalliert (vgl. Abbildung 2). Leider konnte die Funkanlage nicht
umgehend vor Ort eingebaut werden, da die Firma Schnoor darauf bestand dies
selbst in ihrer Werkstatt auszuführen. Deshalb wurde der CEB am 16.09.2011 zur
Firma Schnoor geschickt.
Abbildung 2: CEB vor Verschickung zur Firma Schnoor , rechts Wärmebild mit Brennstoffzelle in Betrieb
Da der Einbau der Funkanlage nicht wie geplant nach zwei Wochen sondern erst
Ende Dezember fertig gestellt wurde, musste deshalb die geplante Installation des
CEB am Standort St. Bartholomä auf Anfang 2012 verschoben werden. Zur
geplanten Einweihung hatte bereits der bayerische Umweltminister sein Interesse an
13
einer Teilnahme bekundet. Entgegen der ursprünglichen Absprachen war die Firma
Schnoor nicht bereit gemeinsam mit den Projektpartnern innovative Strategien
hinsichtlich der Effizienzverbesserung beim Strombedarf bzw. der Art des Einbaus in
die Box umzusetzen.
In der Zwischenzeit konnte bis Mitte Dezember 2011 die Entwicklung und
Programmierung des Tools zur Autoevaluierung des Betriebsverhaltens der CEB
fertig gestellt werden. Dieses Tool dient dazu, die Anlage vor einer falschen oder zu
starken Nutzung zu schützen und dadurch vor allem eine lange Lebensdauer der
Batterien zu ermöglichen. Sobald der CEB von der Firma Schnoor zurück ist, wird
dieses Tool eingebaut und in einer umfangreichen Testreihe auf Herz und Nieren
geprüft.
Ursprünglich war geplant das Tool zur Autoevaluierung und Funktionskontrolle des
CEB gemeinsam mit der Firma SMA durch eine Erweiterung der Betriebssoftware
der Inselwechselrichter und der Integration entsprechender zusätzlicher Sensor zu
verwirklichen. Dies war auf Grund von den zu dieser Zeit reduzierten
Entwicklungsmöglichkeiten bei SMA nicht möglich. Seit Ende 2013 wurde von SMA
die im CEB bereits umgesetzte Belastungskontrolle der Batterien durch protokollieren
der Ladezyklen zum Teil ebenfalls umgesetzt.
Auf Wunsch der Bergwacht wurde der CEB nach Rückkehr von der Firma Schnoor
zu Testzwecken erst provisorisch vor dem Hauptsitz der Bergwacht Bayern in Bad
Tölz aufgebaut (vgl. Abbildung 3). Es zeigte sich, dass der ungeschützte Einbau der
Funkanlage in die CEB für die Aufstellung im Freien unter extremen Bedingungen in
den Alpen Probleme bereiten kann (vgl. Abbildung 4). Für die geplante Aufstellung
im Futterstadel in St. Bartholomä wäre die CEB mit Funkanlage jedoch
uneingeschränkt einsatzfähig gewesen.
Abbildung 3: Funkanlage bei der Inbetriebnahme in Bad Tölz (links) und mit Spritzwasserschutz vor den Lüftungsöffnungen (rechts)
14
Abbildung 4: Ungeschützte Kontakte der Funkanlage in der Box
Entgegen den früheren Aussagen zu Projektbeginn, wurde von den verantwortlichen
Stellen Anfang 2012 doch noch die Verlegung einer 500 m langen Erdleitung zur
Stromversorgung aus dem öffentlichen Netz am geplanten Standort der Funkstation
in St. Bartholomä genehmigt. Dadurch entfiel die Notwendigkeit der autarken
Stromversorgung der Station
Nach der Entscheidung die CEB mit integrierter Funkanlage in St. Bartholomä nicht
aufzustellen, wurde die zu Testzwecken bei der Bergwacht in Bad Tölz aufgebaute
Anlage am 25.05.2012 abgebaut. Die Funkanlage verblieb bei der Bergwacht
während das restliche Material zur Firma Elektro-Mechanik Meisl GmbH
zurücktransportiert wurde. Um die Projektkosten zu reduzieren, wurden alle
wiederverwertbaren Teile der Box ausgebaut und in der Konstruktion der zweiten
CEB wiederverwendet.
Gemeinsam mit der Bergwacht wurde entschieden, die Diensthütte Geigelstein der
Bergwacht Aschau - Sachrang mit der im Projekt vorgesehenen Energieversorgung
durch eine CEB auszustatten. Details zur Diensthütte Geigelstein und der geplanten
Stromversorgung sind im Punkt 2.2 zusammengestellt. Anfang Oktober wurden
während eines Besuchs der Verantwortlichen der Bergwacht Sachrang bei der Firma
Meisl die letzten Details zum Aufbau der CEB auf ihrer Bergwachthütte besprochen
Das bereits Mitte Dezember 2011 fertiggestellt Tool zur Autoevaluierung des
Betriebsverhaltens der CEB konnte in der Funk-CEB St. Bartholomä nicht mehr im
Dauerbetrieb getestet werden. Dies wurde in der CEB Bergwachthütte nachgeholt.
Nachdem die CEB gemäß den Wünschen und Notwendigkeiten der Bergwacht
Sachrang bei der Firma Meisl zusammengebaut wurde, konnte sie Mitte Oktober auf
15
die Hütte transportiert und eingebaut werden. Gleichzeitig wurde die PV-Anlage an
der Hütte installiert und die Stromverteilung der Hütte angepasst. Für den Aufbau der
CEB konnten einige Komponenten aus der Funkanlage St. Bartholomä
wiederverwendet werden. Im Einzelnen konnten die Brennstoffzelle, ein Teil der PV-
Module, die Batterien und teilweise die Überwachungselektronik im neuen CEB
eingebaut werden. Die Box selbst konnte nicht wieder verwendet werden, da sie
spezielle Einbauten und Bohrungen für die Funkanlage erhalten hat, die nicht mehr
rückgängig gemacht werden können. Dadurch war seine Funktionsfähigkeit für eine
neue Verwendung nicht mehr gegeben. Am 26.10.2012 wurde schließlich die
Gesamtanlage in Betrieb genommen und getestet
Im Dezember 2012 wurde die Anlage erstmalig überprüft und die aufgezeichneten
Leistungsdaten ausgelesen. Seither läuft die Anlage weitgehend störungsfrei.
Probleme sind lediglich im Winter bei der Methanolversorgung der Brennstoffzelle
aufgetreten. Entgegen den Empfehlungen des Herstellers wurde vom Betreiber
versucht, die leeren Methanoltanks wieder aufzufüllen umd die teure Anschaffung
von neuen Tanks zu vermeiden und vorhandene Methanolvorräte zu nutzen. Leider
zeigte sich, dass die Tanks danach nicht mehr voll funktionsfähig waren, sodass die
Brennstoffzelle mehrmals wegen fehlender Brennstoffzufuhr trotz vollem
Methanoltank ausgefallen ist.
Als Teilziel der Zertifizierung und Qualitätssicherung der
CEB Produktion wurde die Einführung eines
Qualitätsmanagements und die Zertifizierung des Betriebs
nach ISO 9001 im Mai 2012 abgeschlossen (vgl. Abbildung
5). In Verbindung mit der bereits vom TÜV Süd während
dem Feldtest erfolgten Einzelabnahme des Prototypen sind
nun die Voraussetzungen geschaffen, eine zertifizierte
Produktion der CEB anzubieten.
Abbildung 5: Zertifizierungssiegel des TÜV Süd
16
2.2 Information zur Diensthütte Geigelstein
Lage: unterhalb des Geigelsteins in der Nähe der Priener Hütte des
DAV
Höhe: ca. 1464 müNN
Versorgung: die Hütte liegt in Insellage; es besteht auf Grund der großen
Entfernungen kein Verbund mit benachbarten Alm- bzw. DAV-
Hütten
Dienststärke normal: 6 - 10 Personen
Dienststärke maximal: ca. 25 Personen
Dienstzeiten: ganzjährig, wöchentlich mindestens Samstag 9:00 Uhr bis
Sonntag 17:00 Uhr
Hütteneigner: Bergwachtbereitschaft Aschau – Sachrang
Grüner Weg 23
83229 Aschau im Chimgau
Tel: 08057 480
Bereitschaftsleitung: Johann Feistl
Abbildung 6: Luftbild der Diensthütte Geigelstein der Bergwacht Aschau-Sachrang
Notwendigkeit einer neuen Stromversorgung für die Diensthütte
Die Hütte verfügt bisher lediglich über ein PV-Modul zur direkten Batterieladung von
Funkgeräten und zur Versorgung von zwei Campingleuchten zur provisorischen
Beleuchtung in einem Raum der Hütte. Zusätzlicher Strombedarf wird zeitweise durch ein
mit Benzin betriebenes Notstromaggregat abgedeckt.
17
Die Trinkwasserversorgung erfolgt derzeit durch Fassung einer Hangquelle. Eine
Aufbereitung bzw. Desinfektion des Quellwassers findet nicht statt. Durch das staatliche
Gesundheitsamt Rosenheim wurde 2011 eine Untersuchung der Trinkwasserqualität
angeordnet. Die Befunde attestierten eine Überschreitung der gesetzlich definierten
Grenzwerte gemäß Trinkwasserverordnung. Gerade auf einer Bergwachthütte ist jedoch
eine sichere Trinkwasserversorgung für den Dienstbetrieb und eventuelle
Notversorgungen unerlässlich.
Es ist deshalb notwendig die Hütte mit einer Wasseraufbereitungsanlage zur
Sicherstellung der Trinkwasserqualität nachzurüsten. Unter den gegebenen
Bedingungen wurde von den Experten eine zertifizierte UV-Anlage mit entsprechenden
Vorfiltern und einer Sicherungsabschaltung durch ein Magnetventil ausgewählt.
Die Wasseraufbereitungsanlage setzt jedoch eine qualitativ hochwertige und sichere
Stromversorgung voraus. Deshalb wurde von der Bergwacht Bayern vorgeschlagen die
CEB aus gegenständlichem Projekt auf der Diensthütte Geigelstein einzusetzen.
Ziel der Maßnahme:
Folgende Ziele werden mit der Installation der CEB verfolgt:
Bereitstellung einer Stromversorgung für die Diensthütte Geigelstein mit folgendem Charakter:
o permanente Stromversorgung o ganzjährig ausreichend o qualitativ hochwertig (auch für empfindliche elektronische Geräte geeignet) o ausfallsicher o betriebssicher und möglichst wartungsfrei (auch für den Betrieb durch Laien
geeignet) o Ersatz des Notstromaggregats und Vermeidung von fossilen Brennstoffen
Test und Nachweis, ob die CEB als Stromversorgung für vergleichbare Hütten und vor allem für den Betrieb einer UV-Wasseraufbereitungsanlage geeignet ist.
Aufbau der Stromversorgung der CEB
Am Standort der Bergwachthütte Geigelstein ist auf Grund der windgeschützten Lage der
Einsatz einer Kleinwindenergieanlage nicht sinnvoll. Als Ergänzung der am Standort gut
einsetzbaren Photovoltaikanlage wird deshalb die CEB mit der Brennstoffzelle
ausgerüstet, die für die CEB mit Funkanlage am Standort St. Bartholomä vorgesehen
war. Zur Sicherheit wird außerdem eine Anschlussmöglichkeit eines Notstromaggregats
geschaffen.
Installation der Stromversorgungsanlage mit der CEB
Die meiste Arbeit bei der Installation wurde von den ehrenamtlichen Mitarbeitern der
Bergwacht Aschau-Sachrang geleistet. Insgesamt 16 Bergwachtler (Bereitschaftsleiter,
18
Zimmerer, Schreiner, Schlosser, Energieversorgungsfachkraft, Industriemechaniker,
Elektriker, Elektrotechniker und Hilfskräfte) haben 234 Stunden Arbeit geleistet, um das
gesamte Material auf die Hütte zu schaffen, die PV-Anlage zu montieren, die
Elektroinstallation der gesamten Hütte anzupassen und die CEB aufzustellen und
anzuschließen. Leider wurde diese Leistung der Bergwachtler von Seiten der DBU als
nicht förderfähig erachtet, weshalb im Gegensatz zu Arbeiten der Bergwachtangestellten,
die ehrenamtliche Arbeit nicht gefördert wurde.
Besondere Herausforderung der Anlage
Die Kombination aus Photovoltaik und Brennstoffzelle in einer kompakten
Stromversorgungseinheit mit Batterien und Inselwechselrichter stellt ein Novum für die
Berghüttenversorgung in Extremlage dar. Deshalb ist eine ausführliche und ausreichend
lange Testreihe unter realen Betriebsbedingungen auf der Bergwachthütte unverzichtbar.
2.3 Material und Methoden zur wissenschaftlichen Begleituntersuchung
Seit Juli 2011 wurden mehrere CEB unter verschiedenen Anwendungen und
Umgebungsbedingungen getestet. Um wirklich relevante und praktische
Testergebnisse zu erhalten, wurde besonderes Augenmerk auf die Pflanzen unter
repräsentativen Feldbedingungen zu testen.
Um die notwendigen Informationen zu erhalten, wurden die CEB mit Datenloggern
für alle relevanten Leistungs- und Betriebsdaten ausgestattet. Ergänzt wurde das
Messsystem mit Sensoren und Temperaturdatenloggern für folgende Temperaturen:
Temperatur der Batterie
Wechselrichter Sunny Island
Lufttemperatur am Boden unterhalb der CEB
Lufttemperatur im oberen Teil des CEB-unter dem Dach
Lufttemperatur der Außenluft
Die CEB wurden außerdem standartmäßig mit dem eigens entwickelten
Autoevaluierungstool zur Dokumentation und Überwachung der Batteriebelastung
und der Ladezyklen ausgestattet. Zusätzlich wurden Bilder der CEB mit einer
Thermokamera zu bestimmten Zeiten und unter bestimmten Betriebsbedingungen für
die Auswertung gemacht.
Für dieses Projekt wurden folgende Anwendungen von drei verschiedenen CEB in
unterschiedlichen klimatischen Bedingungen analysiert:
19
1. Diensthütte der Bergwacht Bayern in den deutschen Alpen (1500 m ü. NN.) -
CEB mit AC-Nennleistung 2,2 kW, DC-gekoppelte PV 735 Wp und Direct
Methanol Fuel Cell (vgl. Abbildung 7).
2. Einfamilienhaus im Südosten von Deutschland (500 m ü.NN.) -. CEB mit AC-
Nennleistung 5 kW, AC-gekoppelte PV 2,76 kWp und manuellem
Notstromgenerator (vgl. Abbildung 8).
3. Büro eines Projekts zur Bekämpfung des Klimawandels im kolumbianischen
Amazonastiefland (200 m ü NN) -. CEB mit AC-Nennleistung 4,5 kW, DC-
gekoppelte PV 1,47 kWp (vgl. Abbildung 9).
Abbildung 7: CEB zur Stromversorgung der Diensthütte der Bergwachtbereischaft Sachrang-Aschau
Abbildung 8: CEB im PV-Hybrid-System als Testanlage zur Stromversorgung eines Einfamilienhauses in den Berchtesgadener Alpen
20
2.4 Ergebnisse
In den drei untersuchten Anwendungen hat die CEB nachweislich gezeigt, dass die
Probleme durch mangelhafte Installation, mangelhafter Anlagenbetrieb und
reduzierte Lebensdauer der Batterien aufgrund der hohen Batterietemperatur und
unzureichendem Lademanagement deutlich reduziert werden konnten. Aufgrund der
kompakten Abmessungen kann die Handhabung und den Transport von CEB
problemlos durchgeführt werden. Dies zeigt besonders der Transport eines CEB
nach Solano in Kolumbien (vgl. Abbildung 9). In Solano wurde die CEB von einem
kolumbianischen Elektriker ohne spezifische Erfahrung installiert und in Betrieb
genommen. Dies zeigt, dass die CEB als „Plug-and-Play“-System eingesetzt werden
kann.
Bisher laufen die 3 verschiedenen CEB in Gegenden mit unterschiedlichsten
klimatischen Bedingungen von extremer Kälte in der Diensthütte der Bergwacht
Sachrang in den Alpen bis zu einem extrem heißen und feuchten Ort im
Amazonastiefland von Kolumbien ohne Probleme.
Abbildung 9: Einweihung der CEB in der kolumbianischen Amazonas-Region, Solano, Caquetá (oben links); Transportmittel um den CEB ans Ziel zu bringen - mit Flugzeug DC3 dem „Dschungel-Taxi" und zum Schluss mit dem Boot
21
Im Folgenden werden die Ergebnisse zum optimierten passiven Kühlsystem
detaillierter zusammengestellt.
Das Bild der offenen Box in Abbildung 10 zeigt deutlich, dass die Batterien im
unteren Teil der Box auch im Betrieb kühl bleiben. Demgegenüber sind die
Wechselrichter, die im den oberen Teil der Box angebracht sind bereits bis über 32
Grad Celsius erhitzt. Direkt unter dem Dach der Box ist die Temperatur wieder etwas
niederer als die Wechselrichtertemperatur. Dies zeigt, dass die warme Luft
ausreichend durch die oberen Lüftungsschlitze der CEB, wie gewünscht. ausströmen
kann. Dadurch wird ein ständiger Luftstrom in der Box erzeugt, indem permanent
kühle Luft über den Boden unter der Box eingesaugt wird und nach Erwärmung an
den oberen Schlitzen wieder austritt.
Abbildung 10: Thermografisches Bild der offenen CEB (links) mit Temperaturspektrum und Referenzbild CEB (rechts)
Um genaue Daten bereitzustellen, wurde die Temperatur auf vier verschiedenen
Ebenen innerhalb der CEB und zum Vergleich auch außerhalb der CEB
kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet. Abbildung 11 zeigt den
Temperaturverlauf an den verschiedenen Messstellen. Es ist deutlich erkennbar,
dass die Batterietemperatur niedriger als die Temperatur unter dem Dach der Box
und sogar niedriger als die Außenlufttemperatur bleibt. Das selbe Verhalten zeigen
auch die Temperaturkurven des CEB in Solano in Kolumbien unter deutlicher
wärmeren Bedingungen.
22
Diese Ergebnisse zeigen, dass das passive Kühlungskonzept der CEB effizient und
zufriedenstellend funktioniert. Die Batterien bleiben auf einer günstigen
Betriebstemperatur, obwohl sie in eine geschlossene Box zusammen mit starken
Wärmeemittenten wie den Wechselrichtern installiert werden. Somit trägt die
Konstruktion der CEB zu einer langen Lebensdauer des Systems und insbesondere
der Batterien nachweislich bei.
Abbildung 12: Verlaufskurve Ladezustand der Batterie und der AC-Inselwechselrichterleistung1
1 Negative Leistung zeigt die Ladleistung in die Batterie, positive Leistung zeigt die Stromabgabe an
die elektrischen Verbraucher
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
05
. 07
:12
05
. 09
:36
05
. 12
:00
05
. 14
:24
05
. 16
:48
05
. 19
:12
05
. 21
:36
06
. 00
:00
06
. 02
:24
06
. 04
:48
06
. 07
:12
06
. 09
:36
06
. 12
:00
06
. 14
:24
06
. 16
:48
06
. 19
:12
06
. 21
:36
07
. 00
:00
Tem
pera
tur
[°C
]
unterm Dach InselwechselrichterBoden unter der Box Ausentemperatur (im Schatten) Batterietemperatur
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
05
. 07
:12
05
. 09
:36
05
. 12
:00
05
. 14
:24
05
. 16
:48
05
. 19
:12
05
. 21
:36
06
. 00
:00
06
. 02
:24
06
. 04
:48
06
. 07
:12
06
. 09
:36
06
. 12
:00
06
. 14
:24
06
. 16
:48
06
. 19
:12
06
. 21
:36
07
. 00
:00
Leis
tun
g [
kW
]
Batt
eri
ela
dezu
sta
nd
[%
]
Batterieladezustand Leistung Inselwechselrichter
Abbildung 11: Temperaturverteilungsprofile der CEB im Betrieb
23
Die Anstrengungen eine verbesserte Überwachungsmöglichkeit für die Intensität der
Batterienutzung zu entwickeln hat sich ausgezahlt. Dieses Tool ermöglicht rechtzeitig
festzustellen ob die Batterie mit mehr als den geplanten Ladezyklen belastet wird,
sodass
Gegenmaßnahmen rechtzeitig ergriffen werden könnten, bevor die Batterie schwer
geschädigt wird. Inzwischen hat auch die Firma SMA als ein führender Hersteller von
Wechselrichtern die Möglichkeit der Kontrolle der Ladezyklen übernommen.
2.5 Öffentlichkeitsarbeit und Projektpräsentation
Der erste Prototyp der im Rahmen des Projekts entwickelten Compact Energy Box,
CEB wurde bereits kurz nach Projektstart auf der Weltleitmesse zur Solarenergie
INTERSOLAR 2011 in München präsentiert. Der CEB wurde auf dem Sonderstand
„Special Exhibition Rural Electrification“ des Bundesverbands Solarwirtschaft BSW
ausgestellt. Im Rahmenprogramm wurde auf dem Stand ebenfalls eine Vortragsreihe
angeboten, in der die CEB im Vortrag „Plug and Play hybrid powerbox for off-grid
energy supply“ von Herrn Deubler vorgestellt wurde (vgl. Abbildung 13).
Abbildung 13: Projektpräsentation auf der INTERSOLAR 2011, München
Die ersten Ergebnisse aus der ersten Feldtestphase konnten bereits auf dem ISES
Weltkongress in Kassel vom 29.08. bis 02.09.2011 vorgestellt werden (vgl. Poster im
Anhang 4).
Aber auch in der Region ist ein großes Interesse am Projekt entstanden. Sowohl die
Kreistagsfraktion der CSU als auch der Gemeinderat von Marktschellenberg
besuchten im August die Firma Elektro-Mechanik Meisl GmbH um sich aus erster
Hand über das Projekt zu informieren (vgl. Abbildung 14).
24
Abbildung 14: Projektpräsentation CSU-Kreistagsfraktion Berchtesgadener Land
Um ausführlich über die CEB informieren zu können, wurde ein Faltblatt in englischer
und deutscher Sprache erstellt (vgl. Anhang 3).
Auf der INTERSOLAR 2012 am 13.06.2012 konnte bereits der weiterentwickelte
CEB ausgestellt werden. In diesem CEB wurden Verbesserungen auf Grundlage der
Ergebnisse der ersten Feldtestphase des Projekts umgesetzt. Außerdem konnte zum
ersten Mal das neu entwickelte Tool zur Autoevaluierung des Betriebs der CEB
vorgestellt werden (vgl.Abbildung 15).
Ergänzt wurde die Ausstellung des CEB durch einen Vortrag im Rahmen der
Vortragsreihe des BSW auf dem Sonderstand „Rural Electrification“ in spansicher
Sprache durch Herrn Deubler mit dem Thema: „Sistemas PV-Híbridos
Estandarizados con Baterías de Ion de Litio para Aplicaciones Off-Grid y Backup“
Abbildung 15: Projektpräsentation auf der INTERSOLAR 2012, München
Neben den Präsentationen auf der Intersolar und dem ISES Weltkongress sind in
folgenden Zeitungen Berichte über das Projekt und den CEB erschienen:
25
- VDI Nachrichten – Technik Wirtschaft Gesellschaft am 17.07.2011;
- Berchtesgadener Anzeiger vom 24.09.2011
- Wochenblatt Magazin vom 28.09.2011
- Reichenhaller Tagblatt vom 07.10.2011 (vgl. Anhang 2)
Zur Inbetriebnahme und Übergabe der ersten CEB an die Gemeinde Solano im
Amazonastiefland wurde außer in kolumbianischen Zeitungen auch ein Bericht in der
DW (Deutsche Welle) veröffentlicht mit dem Titel (vgl. Anhang 6):
„Deutsche Solarenergie für kolumbianische Dörfer“
Startschuss für das erste deutsch-kolumbianische Klimaschutzprojekt: In der Gemeinde Solano im Departament Caquetá liefert eine deutsche Energiebox sauberen Strom. (http://www.dw.de/deutsche-solarenergie-für-kolumbianische-dörfer/a-17025416)
Abbildung 16: Planungsingenieur Hubert Deubler (links) in Solano Kolumbien
Zum Abschluss des Projekts konnten die Gesamtergebnisse in Form einer
Veröffentlichung in der Konferenzdokumentation, einem Poster und eines
Kurzreferats auf der „7th Int. PV-Hybrid and Mini-Grid Conference” vom 10. – 11.
April 2014 in Bad Hersfeld vorgestellt werden. In dieser Präsentation sind auch die
Ergebnisse aus der zusätzlich zur eigentlichen Projektplanung durchgeführten
Funktionsdatenanalysen am CEB im Amazonastiefland von Kolumbien mit
eingeflossen (vgl. Konferenzbeitrag im Anhang 5).
26
3 Fazit und Ausblick
Durch das optimierte passive Kühlungssystem für eine längere
Akkulebenserwartung, dem nutzerfreundlichen Design und dem einfachen Transport
zeigt die CEB ihr enormes Potenzial für eine Vielzahl von nachhaltigen
Stromversorgungslösungen in netzfernen Regionen unter den verschiedensten
klimatischen Bedingungen. Als vielversprechendes Beispiel ist unter anderem die
geplante Installation von mehreren CEB in Kolumbien als Ladestationen für
Elektroaußenbordmotoren für Boote auf den Zuflüssen des Amazonas zu sehen.
Dadurch können nicht nur enorme Umweltgefahren durch die Benzinmotoren
vermieden werden, sondern die Transportkosten für ländliche Bevölkerung können
signifikant reduziert werden, sodass sie zukünftig einen besseren Marktzugang und
Möglichkeiten der Vermarktung ihrer Produkte haben.
Dennoch können die automatische Funktionsweise und der optimierte Aufbau der
Anlage die Kontrolle und den angepassten und bewussten Umgang des Betreibers
mit der CEB nicht komplett ersetzen. Daher muss auch der Einsatz einer CEB immer
in Verbindung mit einem partizipativen Planungsansatz sowie Schulung und
Bewusstseinskampagne mit den Betreibern und Nutzern der Anlage kombiniert
werden. Vor allem müssen die Verantwortlichkeiten, Zuständigkeiten und
Refinanzierungsvarianten klar geregelt und festgelegt sein. Denn nur so kann eine
Übernutzung vermieden, notwendige Maßnahmen zum Schutz der Anlage umgesetzt
und anfallende Reparaturen bzw. Ersatzinvestitionen z.B. für die Batterien
sichergestellt werden.
Bisher wurde die CEB ausschließlich mit Blei-Gel-Akkus ausgestattet. Auf Grund der
beengten Platzverhältnisse im Batteriefach ist die Batteriespeicherkapazität ein
begrenzender Faktor. Die CEB wurde jedoch so konzipiert, dass sie zukünftig auch in
Kombination mit Lithium-Ionen-Batterien als Speicher aufgebaut werden kann.
Dadurch kann die nutzbare Speicherkapazität der CEB bei gleicher Größe und
geringerem Gewicht mindestens verdoppelt werden.
Aktuell liegen die Kosten für erprobte und eigensichere Lithium-Ionen-Batterien wie
z.B. den LiFePo Batterien von Sony noch beim fast vierfachen Preis im Vergleich zu
einer guten Blei-Gel-Batterie. Wird die Batterie bei Temperaturen unter 20° C
betrieben, so liegt die Wirtschaftlichkeit der beiden Batterietypen nahezu gleich auf,
obwohl der geringere Platzbedarf, das geringere Gewicht und der kleinere
ökologische Fußabdruck bezogen auf 20 Jahre Betrieb schon jetzt für die Lithium-
Ionen-Batterie spricht. Auf Grund der zu erwartenden deutlichen Preisreduktionen bei
27
der Litihium-Ionen-Batterie wird sich relativ schnell auch die reine Wirtschaftlichkeit
deutlich zu Gunsten der Lithium-Ionen-Batterien neigen.
Wird eine CEB bei Betriebstemperaturen der Batterien von z.B. 30° und mehr
eingesetzt, dann stellt die Speicheroption mit Lithium-Ionen-Batterien schon heute
die deutlich wirtschaftlichere Lösung dar. Im Vergleich zu 20° C reduziert sich die
Lebensdauer einer Blei-Batterie in einer vergleichbaren Anwendung bei einer
Betriebstemperatur von 30° C von 10 auf 5 Jahren, während die Lithium-Ionen-
Batterie nur 2 bis 3 Jahre ihrer Lebensdauer von 20 Jahren verliert. Für
Anwendungen wie in Kolumbien getestet sollten deshalb schon heute trotz der
höheren Investitionskosten Lithium-Batterien eingesetzt werden, vorausgesetzt es
sind qualitativ hochwertige Batterien die nachweislich in Off-Grid-Systemen eine
sichere und langlebige Funktionalität bieten.
28
4 Literaturverzeichnis
[1] J. Schmid, M. Landau, Standardisierungskonzept für Photovoltaikanlagen,
ISET, Kassel, 1999
[2] G. Bopp, H. Gabler, G. Hille, H. Puls, M. Rehm, D. Sauer, M. Schulz, P.
Schweizer-Ries, Qualitätssicherung von photovoltaischen Energieversor-
gungssystemen, Abschlussbericht des ISE, Freiburg, 2000
[3] G. Bopp, K. Kiefer, D. Sauer, Planungsleitfaden für Energiekonzepte von
Berghütten, ISE, Freiburg, 2002
[4] H. Deubler, M. Landau, 11 Jahre Betriebserfahrungen mit dem hybriden
Energieversorgungssystem der Starkenburger Hütte, 8. Internationales
Fachseminar: Umweltgerechte Konzepte für Berg- und Schutzhütten –
Innovative Projekte im Alpenraum, Benediktbeuern, 2008
[5] M. Landau, H. Deubler, 2008 10 Years Hybrid System as an Energy Supply
for a Remote Alpine Lodge - Operating experience with the energy supply for
the Starkenburger Hütte. 4th European Conference PV-Hybrid and Mini-Grid,
Athens, Greece
[6] G. Steinbacher, H. Deubler, Endbericht – Projekt „Integrale Evaluierung der
Ver- und Entsorgungsanlagen bei Berg- und Schutzhütten“ (IEVEBS),
Thalgau, 2010
[7] Deubler, H., Aschauer, C., Steinbacher, G., Weber, P., 2010. Integral
evaluation of energy supply systems at mountain refuges, in: OTTI, 5th
European Conference PV-Hybrid and Mini-Grid, Tarragona, Spain, pp. 213-
220
29
5 Anhang
5.1 Anhang 1: Antrag auf Aufstellung CEB in St. Bartholomä
Antrag zur Aufstellung einer
Gleichwellenfunkanlage der
Bergwacht Bayern in der Futterhütte
bei St. Bartholomä mit einer PV-
Anlage zur umweltgerechten
Stromversorgung
Für die Projektbeteiligten:
Stefan Meisl und Hubert Deubler
Elektro-Mechanik Meisl GmbH
Berchtesgaden, den 12.09.2011
Energie- & Umwelttechnik Elektromechanik Meisl GmbH
30
Ausgangssituation:
Die Bergwacht Bayern muss gegenwärtig ihr analoges Funksystem für die
Kommunikation während ihrer Notfalleinsätze optimieren und ausbauen. Hierfür
werden in Bayern 43 neue Gleichwellenfunkstationen aufgebaut. Die Standardanlage
hat einen relativ hohen Strombedarf von 200 W bei Funkbetrieb bzw. 100 W im
Leerlauf. Zusätzlich muss bei Bedarf eine Heizung und eine Belüftung der
Funkanlage mit jeweils Pel = 60 W mit Strom versorgt werden. Deshalb wurden die
Standorte der neuen Anlagen so gewählt, dass mit akzeptablem Aufwand ein
Anschluss ans öffentliche Stromnetz erfolgen kann. Um jedoch die Brennpunkte der
Bergrettung ausreichend mit einer sicheren Kommunikation abdecken zu können, ist
es unerlässlich auch einige Funkstationen in Gegenden aufzustellen, an denen kein
Stromanschluss zur Verfügung steht. Eine autarke Stromversorgung war bisher
jedoch sehr aufwändig und kostenintensiv und häufig mit einer merklichen Belastung
der Umwelt unter anderem durch Abgase verbunden.
Ein wichtiger Standort für eine neue Funkanlage liegt im Bereich von St. Bartholomä
am Königsee im Nationalpark Berchtesgaden. Die Station hat den Zweck, die
Bereiche Watzmann Ostwand und vor allem den Bereich des Steinernen Meers
abzudecken, in denen bisher ein Funkloch die Rettungsarbeiten sehr stark
behinderte. Damit die Funkverbindung zum nächstliegenden Umsetzer am
Kehlsteinhaus sicher gestellt werden kann, muss die Funkanlage im Bereich der
Freifläche der Wildtierfütterung nordöstlich von St. Bartholomä aufgestellt werden.
Um die Belastung im Nationalpark und die Störung des Tourismus im Bereich St.
Bartholomä so weit als möglich zu minimieren, wurde gemeinsam von der Bergwacht
Bayern, der Firma Elektro-Mechanik Meisl GmbH und der Deutschen Bundesstiftung
Umwelt (DBU) folgendes Projekt aus der Taufe gehoben:
„Entwicklung und Feldtest der Compact Energy Box (CEB) als hybrides „Plug
and Function“ System zur klimaneutralen, autarken Stromversorgung der
Gleichwellenfunkstation St. Bartholomä und einer Diensthütte der Bergwacht
Bayern“
(Förderprojekt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), Aktenzeichen 29405)
Zielsetzung des Projekts
Das Projekt hat das Ziel, für die Bergwacht Bayern eine energetisch optimierte
Gleichwellenfunkstation zu entwickeln, am Standort St. Bartholmä aufzustellen und
diese unabhängig vom öffentlichen Stromnetz umweltverträglich mit elektrischer
Energie zu versorgen. Hierfür wird eine Compact Energy Box als kompakte
Versorgungseinheit neu entwickelt und in einem Feldtest erprobt. Der Feldtest wird
wissenschaftlich begleitet und die Ergebnisse werden sowohl für die Optimierung der
Energie- & Umwelttechnik Elektromechanik Meisl GmbH
31
Energieversorgungseinheiten verwendet, als auch der interessierten Öffentlichkeit
präsentiert. Die Konzeption der Compact Energy Box wird so gestaltet, dass sie in
Zukunft die Grundlage für den weiteren Ausbau des analogen und digitalen
Funknetzes der Bergwacht Bayern sowie der Stromversorgung von Hütten und
anderen Einrichtungen in netzfernen und ökologisch sensiblen Gebieten bilden kann.
Beschreibung der Gleichwellenfunkanlage inklusive Stromversorgung
Die Gesamtanlage besteht aus einer Compact Energy Box (vgl. Abbildung 1), der
Funkantenne und einer PV-Anlage bestehend aus 4 Modulen. Die CEB ist allseitig
geschlossen und abschließbar und sämtliche Anschlüsse erfolgen geschützt in der
Box (im Gegensatz zum Bild kein Bedienfeld auf der Außenseite). Sie hat eine Größe
in cm von 120 / 62 / 150 – b/t/h und ein Gewicht von ca. 250 kg)
In der CEB sind folgende Komponenten
eingebaut:
1. Stromverbrauchsoptimierte Funkanlage
2. Blei-Gel-Speicherbatterien
3. Leistungselektronik und
Schutzeinrichtung
4. Brennstoffzelle mit Tankpatrone
Zu 1. Die verbesserte Funkanlage hat in
Zukunft einen deutlichen geringeren
Strombedarf wodurch die gesamte Anlage
deutlich kleiner ausgelegt werden kann.
Dadurch ist kein zweiter Schaltschrank
notwendig. Die gesamte Anlage findet
ausreichend Platz in der CEB.
Zu 2. Zur Speicherung der elektrischen
Energie bei einem Stromüberschuss bei
Sonnenschein werden Blei-Gel-Akkumulatoren eingesetzt. Durch die Gelstruktur
in der Batterie kann auch bei Beschädigung z.B. beim Transport keine
Schwefelsäure austreten wodurch für die Aufstellung der Batterien kein spezieller
Schutzraum notwendig ist. Eine Belastung oder Verseuchung der Umwelt kann
ausgeschlossen werden.
Zu 4. Die direkt Methanol Brennstoffzelle fungiert als Reserve, falls die
Stromerzeugung der PV-Anlage nicht ausreichen sollte. Sie wird bei einer zu
geringen Batteriekapazität automatisch zugeschaltet. Die eingesetzten
Tankpatronen sind auslaufsicher und gegen unsachgemäße Nutzung geschützt.
Abbildung 1: Compact Energy Box
Energie- & Umwelttechnik Elektromechanik Meisl GmbH
32
Beim Betrieb der Brennstoffzelle entsteht als Abgas lediglich eine sehr geringe
Menge Wasser.
Die PV-Anlage besteht aus 4 schwarzen Modulen mit schwarzen Rahmen und
entspiegeltem Glas. Dadurch sind sie sehr unauffällig und erzeugen keine
Reflexionen. Das Einzelmodul hat eine Größe von ca. 162 / 81 cm.
Aufstellung der Anlage am Standort St. Bartholomä
Bei der Aufstellung der Anlage ist zu berücksichtigen, dass das natürliche Bild im
Bereich der Futterstelle möglichst wenig gestört wird und die Funkanlage möglichst
wenig auffällt. Deshalb sollte die Compact Energy Box mit der gesamten Elektronik
innerhalb der Futterhütte aufgestellt werden. Durch ihre kompakte Größe ist der
Platzbedarf relativ gering (vgl. Abbildung 1).
Die PV-Module sollten auf dem Dach der Futterhütte nahe am First montiert werden.
Zusätzlich muss lediglich die Funkantenne mit einer Höhe von ca. 1,5 m auf dem
Dachfirst installiert werden. In Abbildung 2 sind sowohl die PV-Module als auch der
Funkmast auf dem Hüttendach dargestellt. Vom Weg, der an der Wiese vorbei führt,
ist die Anlage durch die umstehenden Bäume fast immer verdeckt (vgl. Abbildung 3).
Abbildung 2: Darstellung der PV-Module und der Antenne auf dem Hüttendach
Energie- & Umwelttechnik Elektromechanik Meisl GmbH
33
Abbildung 3: Blick auf das Hüttendach aus größerer Entfernung, wobei die Bäume die Anlage
fast ganz verdecken.
Kennzeichnung der Anlage
An der Futterhütte sollte bei Bedarf eine Informationstafel angebracht werden, um
über die Bedeutung der Funkanlage der Bergwacht für die Rettungseinsätze im
Gebiet zu informieren. Des weiteren sollte auf die umweltverträgliche
Stromversorgung durch Solarenergie und die Unterstützung der Installation der
Anlage durch die DBU und den Nationalpark Berchtesgaden hingewiesen werden.
Antrag auf Genehmigung
Hiermit wird beantragt, dass die Gleichwellenfunkanlage der Bergwacht Bayern, wie
in dem vorliegenden Dokument beschrieben, am Standort St. Bartholomä aufgebaut
und mit einer PV-Anlage umweltverträglich mit Strom versorgt werden kann. In
Abbildung 4 ist der geplante Standort der Anlage im Luftbild markiert. Die Aufstellung
der Anlage soll voraussichtlich noch im Herbst 2011 erfolgen.
Energie- & Umwelttechnik Elektromechanik Meisl GmbH
34
Abbildung 4: Standort der geplanten Gleichwellenfunkanlage der Bergwacht Bayern bei St. Bartholomä
Energie- & Umwelttechnik Elektromechanik Meisl GmbH
35
5.2 Anhang 2: CEB-Präsentation vor Lokalpolitikern in Marktschellenberg
Energie- & Umwelttechnik Elektromechanik Meisl GmbH
36
5.3 Anhang 3: Faltblatt zur Präsentation der Compact Energy Box CEB
Energie- & Umwelttechnik Elektromechanik Meisl GmbH
37
38
5.4 Anhang 4: CEB Präsentation mit Poster beim ISES Weltkongress, Kassel 2011
39
5.5 Anhang 5: CEB Präsentation mit Poster beim 7th Int. PV-Hybrid and Mini-Grid Conference; April 10th – 11th, 2014; Bad Hersfeld, Germany
POTENTIAL AND LIMITATION OF THE STANARDIZED POWER
SUPPLY SYSTEM “COMPACT ENERGY BOX; CEB”
Hubert Deubler1, Stefan Meisl2 1Consultant Renewable Energy, Elektro-Mechanik Meisl GmbH, Alpenstarsse 60,
83487 Marktschellenberg, Germany, +49 8650 984734, [email protected], 2Elektro-Mechanik Meisl GmbH, Gartenau 23, 83471 Berchtesgaden, Germany,
www.meisl.eu
Introduction
About 1.5 million people worldwide still don’t have access to electricity. Even in
Germany and Central Europe, there are countless small forest and alpine huts,
holiday and garden houses, that cannot be connected to the public grid. Gasoline-
driven generators usually cover their power demand. The consequences are high
emissions (CO2, noise, and exhaust gas pollution), high risk during transportation and
storage of fuel, high operating costs and unreliable supply.
Although the technical equipment for off grid power supply systems achieved in the
meanwhile a very good standard, problems in running systems are rising frequently.
Most of them are caused by inadequate planning and design, inadequate installation
and lack of maintenance of the power supply system (Deubler at all. 2010,
http://www.IEVEBS.com).
Figure 1: Problem areas causing failures of the energy-supply systems (Deubler et al., 2010)
In particular, the reduced battery lifetime is one of the main constraints. The following
causes could be identified:
High operating temperature of the batteries (an increase from 30 to 40 degrees Celsius of the operating temperature leads to a reduction of lifetime of 50%)
Adaption of the
single
components of
the power plant
12%
Installation
12%
Planing,
Dimensioning
Power Plant
16%
Operation and
Maintanance
11%Technical
Problems
11%
Integral Planing,
Energy Concept
38%
40
Inadequate battery management (charge and discharge) due to excessive demand, frequent deep discharge or lack of frequent full charge
Lack of monitoring and visualization of the cycle numbers
Objective
To resolve the mentioned problems the concept of a standardized off-grid power
supply unit was developed and the Compact Energy Box “CEB” was constructed.
Particular attention was paid to count on the following characteristics:
Easy handling and transport of the Compact Energy Box “CEB” (compact dimension and low weight)
User-friendly (plug and play), easy to handle and maintenance free
Data monitoring function for control and fault detection and control of the cycle numbers of the battery (including alarm system e.g. in case of over-use)
No specialized electrician needed for the on-site installation and commissioning
Resisting a wide range of climatic conditions, even tropic conditions
Possibility of subsequent integration into the public grid or stabilizing an existing public grid with strong fluctuation of frequency or voltage
The aim of this study is to proof, if the CEB has reached the objectives and therefore
has the potential to overcome the most severe constraints for smaller off grid
systems in an AC output power range from 2 to 8 kW and to analyze its limitations.
Material and Methods
Since July 2011, several CEB were tested under different applications and ambient
conditions. To obtain really relevant and practical testing results, special attention
was paid to test the plants under representative field conditions.
To obtain the necessary information, the CEB were equipped with data loggers for all
relevant power and performance data as well as with loggers for the temperature of
battery, inverters, air below the CEB, in the upper part of the CEB and outside air.
They were also equipped with a data logger specially developed for the CEB, which
is supposed to monitor the load on the battery and with means of a specially written
software calculate, store and visualize the number of charge cycles of the battery. In
addition, pictures of the CEB were taken with a thermal camera at certain times and
under defined operating conditions for evaluation
For this study the following applications of three different CEB in different climatic
conditions have been analyzed:
1. Hut of the Bavarian Mountain Rescue Service in the German Alps (1500 m above sea level) – CEB with nominal AC output 2.2 kW, DC-coupled PV 735 Wp and Direct Methanol Fuel Cell (see Fig. 2)
41
2. Office of a Project to Combat Climate Change in the Colombian Amazon basin (200 m) – CEB with nominal AC output 4.5 kW, DC-coupled PV 1,47 kWp (see Fig. 3)
3. One family house in southeast Germany (500 m) – CEB with nominal AC output 5 kW, AC-coupled PV 2.76 kWp and emergency motor generator (see Fig. 4)
Figure 2: CEB as a power supply system in a mountain hut in the Alps
Figure 3: Inauguration of the CEB in the Colombian amazon region, Solano, Caquetá; ways of transport to get to the final destination with airplane DC3 “the jungle taxi” and river boot.
42
Results
Regarding the three analyzed applications, the CEB has proven to reduce
significantly the problems caused by insufficient installation, system managing and
reduced lifetime of the batteries due to high battery temperature and insufficient load
management. Due to the compact dimension, the handling and transport of CEB
could be done easily, which could be proven with the transport of a CEB to Solano in
Colombia (see Fig. 3). In Solano the CEB was installed and put in service by a
Colombian electrician without specific experience, which prove the plug and play
design of the system.
Figure 4: PV-hybrid-CEB system supplying power for the one family house in the German Alps that can be seen in the background
Actually different CEB are working
perfectly under all different conditions
from the extreme cold in the mountain
hut in the Alps to the extreme hot and
humid in the Amazon region of
Colombia.
As an example the test of the optimized
passive cooling system for extended
battery life expectancy even in the tropics will be presented more in detail here after.
The picture of the open box in Figure 5 shows clearly that the batteries in the bottom
part of the box remain cool. In contrast, the inverters installed in the upper part of the
box were already heated up to more than 32 degrees Celsius. Directly beneath the
roof of the box the temperature is again lower than the inverter temperature. That
indicates that the hot air can sufficiently stream out through the ventilation slots of the
CEB, as desired.
Fig. 5: Thermo graphical picture of the open CEB (left), temperature spectrum and reference picture (right)
To provide more
specific data, the
temperature is
measured and
logged continuously
at four different levels
inside the CEB and
for comparison also
outside the CEB. Fig.
6 shows an excerpt of the temperature development. It is clearly visible, that the
43
battery temperature remains lower than the temperature beneath the roof of the
box and even lower than the outside air temperature. It can be observed, that the
hot air emitted by the inverters can sufficiently stream out.
These results show that the passive cooling concept applied on the CEB is
working efficiently and satisfying. Therefore the batteries remain on a favourable
operation temperature, even while installed in a closed box together with strong
heat emitters like the inverters. It is for this reason, the CEB has proven to
guarantee a long lifetime of the system and especially of the batteries.
Fig. 6: Temperature distribution profiles of the CEB during operation
Fig. 7: Gradient of State of Charge of the Batteries and AC Inverter Power2 of the CEB during operation
The effort to develop an improved monitoring capability of the intensity of battery
usage has paid off well. This tool facilitates to detected at all moments if the battery is
stressed with more discharge cycles than allowed, so countermeasures could be
taken in time before the battery suffer severe damage. Meanwhile, even a leading
manufacturer of island inverters has adopted this monitoring option in their software.
2 Negative power reflects the charging of the battery, positive power shows the power demand by the resident
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
05.
07:12
05.
09:36
05.
12:00
05.
14:24
05.
16:48
05.
19:12
05.
21:36
06.
00:00
06.
02:24
06.
04:48
06.
07:12
06.
09:36
06.
12:00
06.
14:24
06.
16:48
06.
19:12
06.
21:36
07.
00:00
Tem
pera
ture
[°C
]
below the roof inverter ground below the box outside temperatre (shadow) battery temperature
44
Evaluation of the potential and the limitation for the CEB
Due to the optimized passive cooling system for extended battery life expectancy, the
user friendly design and easy transport has shown its enormous potential for a
sustainable power supply solution in off-grid regions under all kind of climatic
conditions. As a promising example can be seen the planned installation of a few
CEB in Colombia as charging stations for electric outboard motors for boats on the
tributary waters of the Amazon river. By that enormous environmental hazards can
be avoided and the cost of transport for the people will be reduced sustainably, so
that they have better opportunities for the commercialization of their products in the
future.
Nevertheless the automatic functioning and optimized design cannot substitute
completely the system control and the adjusted and sensible handling of the system
by the user. Therefore even the application of the CEB, always has to be combined
with a participatory planning approach, training and awareness campaign with the
end-user community.
Up to now the CEB was equipped only with Lead-Gel-Batteries. Thus, due to the
limited space in the battery compartment, the battery storage capacity is limited. But
the design of the CEB was developed to host also Lithium Battery technology which
presents an alternative with enormous potential as soon as the costs will come down
to an economic level. Due to the higher energy density and combined with the
appropriate design it is possible to achieve at least the double storage capacity.
Acknowledgement The development of the Compact Energy Box was supported by funding of the DBU
(Deutsche Bundesstiftung Umwelt) for this project. The testing opportunity in the
Colombian amazon basin is supported by the Project “Proyecto Demostrativo para el
Desarrollo Sostenible de la Amazonia en Colaboración entre Solano y la Comarca
Renana de Neuss como aporte para la Protección del Clima y para la Conservación
de la Biodiversidad” and its executing agency CorpSolano.
References
[1] Deubler, H., Aschauer, C., Steinbacher, G., Weber, P., 2010. Integral evaluation of energy supply systems at mountain refuges, in: OTTI, 5th European Conference PV-Hybrid and Mini-Grid, Tarragona, Spain, pp. 213-220
[2] M. Landau, H. Deubler, 2008 10 Years Hybrid System as an Energy Supply for a Remote Alpine Lodge - Operating experience with the energy supply for the Starkenburger Hütte. 4th European Conference PV-Hybrid and Mini-Grid, Athens, Greece
45
5.6 Anhang 6: Bericht in der DW (Deutsche Welle) zur
Inbetriebnahme und Übergabe der ersten CEB an die Gemeinde Solano im Amazonastiefland von Kolumbien
Deutsche Solarenergie für kolumbianische Dörfer
Startschuss für das erste deutsch-kolumbianische Klimaschutzprojekt: In der Gemeinde
Solano im Departament Caquetá liefert eine deutsche Energiebox sauberen Strom.
Planungsingenieur Hubert Deubler (links) in Solano Kolumbien
Es gibt keine Straße in Solano. Den Strom erzeugt ein stinkender Dieselgenerator, und das
auch nur vier Stunden täglich, von 18 bis 22 Uhr. Der Alltag der Menschen in der Gemeinde
Solano im südkolumbianischen Departement Caquetá ist mühsam. Auf einer Fläche so groß
wie Dänemark leben hier nur 20.000 Menschen. Bewaffnete Guerillagruppen haben bislang
verhindert, dass Solano ans Stromnetz angeschlossen wurde. Sie befürchten, dass auch eine
Luftwaffenbasis in der Nachbarschaft davon profitieren könnte. Leidtragende sind die
Menschen vor Ort.
Genau hier wird die erste deutsch-kolumbianische Klimaschutz-Partnerschaft mit Leben
erfüllt. Eine Delegation des Rhein-Kreises Neuss aus Nordrhein-Westfalen hat jetzt die erste
"Energiebox" an die Verwaltung der Gemeinde übergeben. "Solano ist weit abgelegen und
findet auch in der Vorstellung der Menschen in den großen Städten in Kolumbien parktisch
nicht statt. Auf dem Landweg ist die Gemeinde nicht erreichbar. Die Elektrifizierung ist
unzureichend. Hier müssen einfachste Bedürfnisse gedeckt werden", sagt Jürgen Steinmetz,
stellvertretender Landrat des Rhein-Kreises Neuss während seines Besuches in dem
südamerikanischen Land. "Deswegen wollen wir die Menschen vor Ort mit unseren
Kompetenzen und Erfahrungen unterstützten."
46
Technologie aus Deutschland: Solarstrom für Solano
Steinmetz Heimatkommune verfügt seit Jahren über gute Kontakte nach Kolumbien. Der
Rhein-Kreis gilt als einer der führenden Energiestandorte Deutschlands. Deswegen wurde der
Kreis als ausführende Kommune vom Bundesministerium für wirtschaftliche
Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ) für das Projekt ausgesucht. Rund 500.000 Euro
investiert das BMZ in das Klimaschutz-Projekt.
Energiebox liefert sofort Strom
Das Konzept ist denkbar einfach: Eine rund zwei Meter hohe, aus Solarenergie gespeiste
Energiebox liefert sofort Strom und hilft dabei die Engpässe in der Gemeinde zu beseitigen.
"Wir haben die Box gemeinsam mit den Kolumbianern aufgebaut. Die Menschen vor Ort
haben auf diese Weise die Technik bereits kennengelernt. Zum Konzept gehört auch ein
Technologietransfer, denn es ist nicht damit getan, die Box nur aufzustellen. Die Menschen
vor Ort müssen sich auch warten und reparieren können", so Steinmetz. Der Erfolg ist gleich
zu Beginn sichtbar: Die neue Energiebox lieferte Licht und Strom für die Eröffnungsfeier.
Kommunale Unterstützung
Jürgen Steinmetz und Eliseo Murillo Criollo vor dem Umweltministerium in Bogotá
47
"Das Projekt in Solano hat die Besonderheit, dass Menschen auf Gemeindeebene in
Deutschland und Kolumbien zusammengekommen sind, um eine Klimapartnerschaft zu
bilden", erklärt Hubert Deubler, Planungsingenieur für erneuerbare Energien. "Das Ziel ist,
gemeinsam an der Verbesserung der Lebensbedingungen der Bevölkerung hier in den
kolumbianischen Gemeinden zu arbeiten."
Der Experte für netzferne Stromversorgung ist normalerweise in den Hochalpen unterwegs,
um dort die Hütten der Bergwacht, die weitab des Stromnetzes liegen, mit Elektrizität zu
versorgen. Genau diese Erfahrungen helfen nun dabei, die Kommune in dem
südamerikanischen Land bei ihrem Vorhaben zu unterstützen. "Dies geschieht nicht auf
Kosten, sondern im Einklang mit der Biodiversität. Wir wollen mit unserem Konzept eine
nachhaltige und naturverträgliche Entwicklung im kolumbianischen Amazonastiefland
fördern", erklärt Deubler die Grundlagen des Projektes. Das Interesse vor Ort an dem Projekt
ist riesig. Bis zu vier Tage waren einige Bewohner Solanos unterwegs, um bei der Aufstellung
der ersten Energiebox dabei zu sein.
Solanos Bürgermeister Eliseo Murillo Criollo glaubt fest an die Nachhaltigkeit der
Partnerschaft: "Die Umwelt ist unser Reichtum, deshalb wollen wir sie schützen und
bewahren. Die Energiebox hilft uns dabei, unsere Umwelt nicht mit fossilen Brennstoffen
oder anderen Substanzen zu verunreinigen."
Beide Seiten wollen die Partnerschaft nun vertiefen. "Wir möchten Solano dabei unterstützen,
Stück für Stück diesen Weg weiter zu gehen", sagt Steinmetz. "Wir können in Deutschland
viel für den Klimaschutz tun. Wir müssen aber auch international dafür Sorge tragen, dass
sich die Situation in anderen Ländern verbessert. Sonst können unsere eigenen Anstrengungen
nicht die volle Wirkung entfalten.“
Datum 04.01.2014
Autorin/Autor Tobias Käufer
Redaktion Mirjam Gehrke
Themenseiten Energiewende
Schlagwörter Kolumbien, Klimaschutz, Solaranlage, Solano, Rhein-Kreis Neuss
