Der Energie auf der Spur Eine Broschüre zum Thema Energie im Raum Dinkelsbühl

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1 Der Energie auf der Spur Eine Broschüre zum Thema Energie im Raum Dinkelsbühl Zusammengestellt vom PSeminar Physik Exkursionen und Informationen Gymnasium Dinkelsbühl

2 Vorwort Das PSeminar Physik in der Qualifikationsstufe des Gymnasiums Dinkelsbühl startete mit 11 Teilnehmern unter dem Motto Der Energie auf der Spur. Gerade in einer Zeit, in der Begriffe wie Energiewende oder Erneuerbare Energien in aller Munde sind, ist dieses Thema aktuell und wichtig. Zunächst setzten sich die Seminarteilnehmer mit den physikalischen Grundlagen der Energietechnik auseinander. Dabei wurden Begriffe wie Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad, Energiewandler oder innere Energie aus dem Lehrstoff der Mittelstufe wiederholt und vertieft. In physikalischen Experimenten konnten praktische Erfahrungen mit verschiedenen Aspekten der Energieerzeugung und versorgung gemacht werden. Ein mehrteiliger Vortrag von Dipl.Ing. FriedrichWilhelm Berger behandelte das Thema elektrische Energieversorgung. Ein zentraler Punkt des Seminars waren verschiedene Exkursionen zum Thema Energie in der näheren und weiteren Umgebung von Dinkelsbühl. Dabei bekamen die Teilnehmer vor Ort interessante Einblicke in die jeweilige Anlage und erhielten von kompetenten Experten detaillierte Informationen über die Funktionsweise und die Besonderheiten der technischen Vorrichtungen. Die Exkursionen einschließlich Terminabsprachen und Anfahrt wurden jeweils von einem Seminarteilnehmer organisiert. Die folgenden Einrichtungen haben wir besichtigt. Diese werden auch in dieser Broschüre beschrieben. Weitere interessante Ziele in der Region sind im Internet unter zu finden. Blockheizkraftwerk im Hallenbad Dinkelsbühl (Stadtwerke Dinkelsbühl) Biomassenheizwerk Dinkelsbühl (Stadtwerke Dinkelsbühl) Windenergieanlage in Mögersbronn Private Photovoltaikanlage in Dinkelsbühl Biogasanlage (Fa. Ruf, Wilburgstetten) Laufwasserkraftwerk an der Wörnitz (Schmalzmühle) Energiespaziergang in Nürnberg (NErgie) Februar 2013 Seminarleiter Wolfgang Horlacher PSeminar Physik Gymnasium Dinkelsbühl

3 Inhaltsverzeichnis Seite 2: Biomasseheizwerk Seite 3: Blockheizkraftwerk Seite 4: Passivhaus Seite 5: Photovoltaik Seite 6: Solarthermie Seite 7: Stromnetz Seite 8: Wasserkraft Seite 9: Windenergie Seite 10: Biogasanlage 1 Autor: Karl Wiedemann

4 Biomasseheizwerk Dinkelsbühl Dieses hochmoderne Heizwerk versorgt über 20 Gebäude mit Fernwärme (z.b. Grund und Hauptschule mit Turnhalle, Hallenbad, Gymnasium, Wirtschafts, Förderschule, Krankenhaus, Altenheim, betreutes Wohnen, Kindergarten, Turnhalle). Die Grundlast der Wärmeerzeugung übernehmen zwei Biomassekessel mit 400 kw und kw Leistung. Die Wärmeverteilung erfolgt über ein ca m langes Wärmenetz aus doppelt isolierten Rohren. Hier ersetzen die örtlichen Holzlieferanten mit ca Tonnen Hackschnitzeln jedes Jahr an die Liter Heizöl. Holzhackschnitzel: Technik: Günstige Randbedingungen: Kenndaten der Anlage: 2 Holzhackschnitzel werden mit Hilfe eines Hackers aus Rest und Schwachholz produziert, zum Beispiel aus den Teilen eines Baumes, die sich nicht für die Nutzholzproduktion eignen. Auch Landschaftspflegeholz, das von den Kommunen entsorgt werden müsste, ist geeignet. Voraussetzung für den problemlosen Einsatz in den Heizanlagen ist eine möglichst einheitliche Größe und ein geringer Wassergehalt der Hackschnitzel. Fremdstoffe wie Metallteile, Steine oder andere Verunreinigungen sollten in den Hackschnitzeln nicht vorhanden sein, da sie sowohl die Zuführvorrichtung in den Brennraum als auch Bestandteile der Brennkammer beschädigen könnten. Die Hackschnitzel werden mittels Schubboden vom Vorratsbunker zum Kessel befördert. Auf einem bewegten Rost erfolgen Trocknung und Vergasung der Hackschnitzel. Am Ende des Rosts wird die Holzkohle ausgebrannt. Die Asche bleibt übrig und wird mit einer Schnecke zum Aschebehälter ausgetragen. Über den Rost erfolgt die Oxidation der brennenden Gase bei Zuleitung von Primär und Sekundärluft. Im Wärmetauscher geben die Rauschgase ihre Wärme an das Heizungswasser des Pufferspeichers ab. Die großen Abnahmemengen an Wärmeenergie waren bei der hier vorgestellten Anlage ein wichtiges Argument für das Konzept der Wärmeversorgung mit Biomasse. Das Heizwerk wird von den Stadtwerken Dinkelsbühl betrieben und versorgt mehr als 20 Gebäude mit Fernwärme. Inbetriebnahme der Anlage: September 2003 zu deckender Wärmbedarf: MWh pro Jahr Leistung Kessel: 400 kw und kw Fassungsvermögen Vorratsbunker: ca. 82,5 t bzw. 330 m³ Hackschnitzel Fassungsvermögen Lagerhalle: ca. 225 bzw. 900 m³ Hackschnitzel Jährlicher Verbrauch: rund t bzw m³ Hackschnitzel Kontaktdaten: Stadtwerke Dinkelsbühl Biomasseheizwerk Rudolf Schmidt Str Dinkelsbühl Tel.: Weitere Infos im Internet Autor: Florian Waldsauer

5 Blockheizkraftwerk Allgemeines: ortsnahe Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie und Wärme übliche Leistung eines BHKWModule zwischen 5 kw und 5 MW man spricht von MiniBHKW bei einer Leistung unter 50 kw von MikroBHKW spricht man bei einer Leistung unter 15 kw elektrischer Wirkungsgrad von 25% 50%, gekoppelt mit Wärme durchschnittlicher Wirkungsgrad von 90% 95% vorwiegend fossile Kraftstoffe wie Heizöl, Biodiesel oder Erdgas, aber auch regenerative Energien wie Pflanzenöl oder Holzpellets Technik: Motor treibt durch die Verbrennung des Brennstoff Luftgemischs einen Generator an, der die elektrische Energie erzeugt die erzeugte Abwärme wird durch einen Wärmetauscher in den Kühlkreislauf abgegeben Wirtschaftlichkeit: wesentlich für Wirtschaftlichkeit ist eine lange jährliche Laufzeit (ca Vollaststunden pro Jahr) sehr hoher Anschaffungspreis, rentiert sich nur über Jahre Blockheizkraftwerk im Hallenbad Dinkelsbühl: Dauerleistung von 197 kw Anschaffungspreis ca Euro Wirkungsgrad von 90% 95% 4Takt Motor Ansprechpartner: Stadtwerke Dinkelsbühl RudolfSchmidtStraße 7 D91550 Tel.: 09851/ stadtwerke@dinkelsbühl.de Autoren: Marco Schürrle André Binder 3

6 Passivhaus der Firma Stümpfig Kenndaten des Hauses: Ein Passivhaus verbraucht im Jahr nur noch ein Zehntel der Heizenergie, die herkömmlich gebaute Gebäude benötigen. Das sind nur noch 15 kwh (z.b. 1,5 Liter Heizöl) pro m² Wohnfläche und Jahr. Möglich wird dieser Standard durch optimale Dämmung an Wand und Dach, sowie hochwertigen Fenstern mit Dreifachverglasung. Die großzügige Südverglasung des Hauses sorgt für hohe Wärmegewinne durch die passive Nutzung der Sonne im Winter. Die Wärmeverluste des Gebäudes sind bei einem Passivhaus so stark verringert, dass während der Heizperiode im Wesentlichen die passive Nutzung der Sonneneinstrahlung durch die Fenster sowie die Wärmeabgabe von Geräten und Bewohnern ausreicht, um eine angenehme Innentemperatur zu erreichen. Die geringe noch notwendige Restheizung kann im Prinzip mit allen gängigen Beheizungsmöglichkeiten erfolgen. Die Heizenergieeinsparung gegenüber dem durchschnittlichen Verbrauch von Wohngebäuden liegt bei über 90%. Die Wohnqualität in einem Passivhaus zeichnet sich durch angenehme Raum und Oberflächentemperaturen von Wänden, Dach, Fußboden und Fenstern, sowie durch von der Lüftungsanlage kontinuierlich zugeführte frische Raumluft aus. Die Mehrkosten bei der Erstellung für diesen extrem niedrigen Energieverbrauch liegen mit 6 8% nur geringfügig über denen eines herkömmlichen Einfamilienhauses. Heizung, Lüftung: Ein Kompaktgerät mit integrierter Wärmepumpe beheizt und belüftet das Gebäude. Die durch den Erdwärmetauscher vorgewärmte Luft wird von der Wärmepumpe und dem Kreuzstromwärmetauscher (Wärmerückgewinnung aus der Abluft) auf Raumtemperatur gebracht. An sonnenarmen Tagen, wenn die Wärme der Solaranlage (9 m²) für die Beheizung des 400Liter Warmwasserspeichers nicht ausreicht, übernimmt die Wärmepumpe die Nacherwärmung. An sehr kalten Wintertagen sorgt ein elektrischer Heizstab für die noch notwendige Restwärme. Im Wohnzimmer und in Ablufträumen (Küche, Bad, Flur) sind Marmorplatten angebracht, die bei Unterschreitung der Solltemperatur die elektrisch gesteuerte Zusatzheizung übernehmen. 4 Fertigstellung: Wohnfläche: 2 x 168 m² Konstruktion: Massivbauweise Dämmwert Außenwand: u = 0,17 W/m²K Dämmwert Bodenplatte: u = 0,147 W/m²K Dämmwert Dach: u = 0,121 W/m²K berechneter Heizwärmebedarf: 14,3 kwh/m² und Jahr tatsächlicher Heizwärmebedarf: 14,00 kwh/m² (im ersten Jahr) Baukosten: 1360 /m² inkl. Garage und Grundstück Einsparung: Das Haus unterschreitet den gesetzlich geforderten Standard von ca. 80 kwh/m²a um 66 kwh/m²a und vermindert dadurch den jährlichen CO2 Ausstoß um ca. 12,8 t bzw m³. Ansprechpartner: Feuchtwangen Lauerhecke 1 + 1a Herr Wolfram Badewitz Tel.: Firma Stümpfig Herr Gerhard Stümpfig Tel.: Feuchtwangen Autor: Josef Schoger

7 5 4 Photovoltaik Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Bei der Umwandlung wird der photoelektrische Effekt ausgenutzt. In Photovoltaikanlagen findet die Energiewandlung mithilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, statt. Die Nutzung der erzeugten Elektrizität kann vor Ort erfolgen, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird aufgrund der von den Solarzellen erzeugten Gleichspannung ein Wechselrichter zur Umwandlung benötigt. Damit wird daraus die übliche Netzwechselspannung mit 230 V und 50 Hz erzeugt. Funktionsweise Photovoltaikanlagen bzw. Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuss (p leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuss (n leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann. Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p nübergang. An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äußere Kreis geschlossen, das heißt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom. Photovoltaische Energiewandlung ist derzeit in Deutschland wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich kostspieliger, primär aufgrund der höheren Anschaffungskosten. Trotzdem haben mitunter aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzes das Stromeinspeisungsgesetz und insbesondere das Erneuerbare EnergienGesetz zu einem Boom bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen in Deutschland geführt. Autor : Jonas Präg

8 6 4 Solarthermie Thermische Solaranlagen liefern aus Sonnenlicht Wärme, welche im Haushalt z.b. zum Baden, Duschen, Putzen oder zur Heizungsunterstützung gebraucht werden kann. Eine thermische Solaranlage kann einen wesentlichen Anteil zur Brauchwassererwärmung im Haushalt leisten. Typisch ist ein Anteil von ca. 60% der Solarthermie am Gesamtenergieaufwand für die Trinkwassererwärmung. Pro Tag liefert die Sonne ca Watt pro m². Dies entspricht der Energie von ca. einem KohleBrikett pro m² pro Tag. Durch Streuung (das Licht geht z. B. durch eine Wolkendecke), die Neigung der Erde und Reflektion (jede Oberfläche reflektiert / spiegelt eine bestimmte Menge Licht) sinkt jedoch die tatsächliche Energie, welche auf der Erdoberfläche ankommt. In Deutschland strahlt die Sonne pro Jahr ca. 950 bis kwh (Kilowattstunden) Solarwärme auf jeden Quadratmeter. Funktion: 1. Der Kollektor ist ein Bauteil, das auf dem Dach befestigt wird man erkennt ihn als große schwarze Fläche. Im Kollektor wird der sogenannte Wärmeträger (ein flüssiges Frostschutzmittel) erwärmt. 2. Die kalte Flüssigkeit (hier blau) wird im Kollektor durch die Sonnenenergie erhitzt und von der Pumpe weiterbefördert, bis sie zum Wärmetauscher gelangt. 3. Der Wärmetauscher sorgt kurz gesagt dafür, die Wärme des nun erhitzten Frostschutzmittels (bzw. Wärmeträgers auch wenn es Frostschutz heißt, kann es doch auch Hitze befördern) auf das Trinkwasser im Speicher zu übertragen 4. Der Speicher übernimmt hier die Aufgabe einer Thermoskanne hält also die erzeugte Wärme auf lange Zeit im Behälter. 5. Reicht die Sonnenwärme nicht aus, wird im oberen Teil des Behälters das Wasser durch einen weiteren Wärmetauscher (der an den Heizkessel angeschlossen ist) auf die nötige Temperatur gebracht. 6. Wird es tatsächlich einmal zu heiß im Speicher, so sorgt ein Überdruckventil für die nötige Sicherheit. Kontaktdaten: Limesfreibad Mönchsroth Römerstraße Mönchsroth Tel: 09853/ 1309 Autor: Ufuk Bahar

9 Stromspaziergang Nürnberg Stromnetz allgemein: Begriff: Energieverbundnetz, Lichtnetz, Stromverbundnetz, Elektroenergienetz, Energieversorgungsnetz, Stromversorgungsnetz, Elektrizitätsnetz und Kraftnetz Aufgabe: Elektrische Energie mit Niederspannung zum Verbraucher bringen Technik: Verschiedene Spannungsebenen (Einteilung nach Spannung): Höchstspannung: 220 bis 380 kv in Deutschland Hochspannung: 60 bis 150 kv Mittelspannung: 1 bis 30 kv Niederspannungsnetze: 230 bis 400 V Je höher die Spannung, desto niedriger der Energieverlust Funktionen der Netze: Übertragungsnetz: Verteilung der erzeugten Energie von Kraftwerken an Leistungstransformatoren; außerdem Anschluss an internationales Verbundnetz Verteilnetz: Grobverteilung der elektrischen Energie in verschiedene Regionen und zu deren Umspannwerken Mittelspannungsnetz: Verteilung an die regionalen Transformatorenstationen Niederspannungsnetze: Feinverteilung Versorgung privater Haushalte, kleinere Industriebetriebe, Gewerbe und Verwaltungen Verbindung der Stromnetze erfolgt über Transformatoren in Umspannanlagen Allgemein: Während einer Führung über 3 Stationen wird den Interessenten der Weg des Stroms aufgezeigt. Station 1: Umspannwerk am Hornecker Weg Station 2: Umspannwerk am Rathenauplatz Station 3: Umspannwerk bei der Lorenzkirche Daten zur Stromversorgung Nürnberg: 110 Kilometer Kabel im 110 kvnetz 16 Umspannwerke 2803 Kilometer Kabel im 20 kvnetz 1800 Trafostationen Kilometer Kabel im 400 VNetz 6000 Kabelverteilerschränke Ansprechpartner: NERGIE Aktiengesellschaft Schulinformation Claudia Jordan Am Plärrer Nürnberg Telefon: Telefax: schulinformation@nergie.de 7 4 Autor: Ludwig Schneider

10 Wasserkraft Schmalzmühle Energie aus Wasser wird mithilfe von Turbinen gewonnen. Weit verbreitete Turbinenarten sind die Francis, die Kaplanund die Freistrahlturbine. Die FrancisTurbine, wie sie auch in der Schmalzmühle zu finden ist, wird bei Speicher und Laufwasserkraftwerken mit mittleren Durchflussmengen und mittleren Fallhöhen (von bis zu 500 m) eingesetzt. Sie funktioniert als Überdruckturbine. Das Wasser strömt durch ein schneckenförmiges Rohr oder einen Schacht, gelenkt durch verstellbare Leitschaufeln, in das Laufrad mit gegengekrümmten Schaufeln. Der Abfluss erfolgt in das Unterwasser. Der Wirkungsgrad von FrancisTurbinen liegt bei Werten von bis zu 90% bei einer Leistung von 10 kw bis zu 770 MW, je nach den Standortbedingungen. Längsschnitt einer Francisturbine in der Schmalzmühle Laufräder zweier Francisturbinen Vorteile: zeitlich immer verfügbar, unerschöpflich hoher Wirkungsgrad Turbine mit rotem Laufrad und gelben Leitschaufeln zum Regulieren der Wasserdurchflussmenge Nachteile: Probleme für Mensch und Natur lokal begrenzte Verfügbarkeit Daten der beiden Francis Turbinen in der Schmalzmühle: Hersteller: vermutlich Fa. Voith, Heidenheim, 1908 Fallhöhe: 1,25 m Wasserdurchfluss: je 1,6 m³/sek Drehzahl: je 55 Umdrehungen pro Minute Anlagenleistung: je 28,5 kw, gesamt 57 kw Jahresleistung (je nach Wassermenge): ca kwh/a Restaurierung der Anlage: 2013 Leitschaufeln verdecken das Laufrad einer Francisturbine in der Schmalzmühle 8 Besichtigung der Schmalzmühle Kontaktdaten: Fam. Friedrich König Schmalzmühle Röckingen Tel.: koenig@schmalzmuehle.de Autor: Florian König

11 Windenergie Eine erneuerbare Energie Windenergie bietet die Möglichkeit, ohne Schadstoffausstoß Energie zu erzeugen. Wind ist unverbrauchbar und kann relativ simpel genutzt werden. Außerdem bietet die Windenergie keine großen Risiken und andere Nebenwirkungen wie zum Beispiel die Atomkraft. Allerdings kann die durch Wind erzeugte Energie noch nicht gespeichert werden. Windenergie ist neben der Wasserkraft eine der günstigsten Energiequellen wurden durch erneuerbare Energien 9,1 Mrd. Euro an externen Kosten eingespart wurden 8 % des nationalen Bruttostromverbrauchs mit Windenergie abgedeckt. In Deutschland gibt es momentan ca Windkraftanlagen. Die meisten stehen in Niedersachsen (5501 Anlagen), wo 7039 MW an Leistung produziert werden, dies deckt jedoch nur 25% des Stromverbrauchs. In SachsenAnhalt (2352 Anlagen) werden mit nur 3642 MW 48,1% des Stromverbrauchs mit Windenergie gedeckt. Die geringsten Beiträge von Windenergie zum Strom Verbrauch findet man in Berlin (0,0%) und Hamburg (0,7%). Die OffshoreAnlagen in der Nord und Ostsee erzeugen noch keinen Strom, da sie noch nicht angeschlossen wurden. Durchschnittlich deckten die deutschen Bundesländer 9,9% des nationalen Stromverbrauchs wurde aus Windenergie erzeugte und ins Stromnetz eingespeiste Energie mit 9,2 ct/kwh vergütet. Wer Betreiber einer Windenergieanlage ist, kann auf mehrere Subventionen zurückgreifen (z.b.: Steuerbefreiungen, Kreditverbilligungen, etc...) 9 4 Autor: Johannes Drexler

12 Die Biogasanlage Die Funktion einer Biogasanlage durchläuft vier Phasen, bis aus Biogas Strom und Wärme wird. Am Anfang steht die Organisation und Aufbereitung des verwendeten Substrats, bevor es im Gärbehälter vergoren wird. Im Anschluss wird das entstandene Gas entweder aufbereitet und eingespeist oder im Blockheizkraftwerk zur Strom und Wärmeerzeugung verbrannt. Die Gärreste werden zwischengelagert und als hochwertiger Dünger oder Kompost wiederverwertet. 1. Phase: Substratmanagement Lagern und Aufbereiten des Substrats in der Vorgrube Je nach Art des verwendeten Substrats und je nach Funktionsweise der Vergärung (Nassfermentation oder Trockenfermentation) leistet die Vorgrube der Biogasanlage als Lagereinrichtung wichtige Vorarbeit. Um den Mikroorganismen genügend Zugang zu den Nährstoffen zu bieten, wird Biogas Substrat wird durch Schredder, Mühlen, Quetschen oder Wellen zerkleinert. 2. Phase: Biogasgewinnung Biogas wird im Fermenter gewonnen Physikalisches Zusammenspiel zwischen Substrat, Temperatur und dem Einfluss von Mikroorganismen Voraussetzungen für eine optimale Funktionsweise: 1. der Fermenter muss gas, wasserdicht und lichtundurchlässig sein 2. ein effektives Rührwerk dient optimalen Durchmischung 3. konstante Temperaturen durch ein internes oder externes Heizsystem 4. eine effektive Wärmedämmung ermöglicht die optimale Funktion 3. Phase: Lagerung des vergorenen Substrats Gärreste werden im Gärrestlager zwischengelagert (in einer Halle oder in einem geschlossen System Nachgärbehälter muss im Prinzip die gleichen Bedingungen wie der Fermenter erfüllen Gärreste dienen als wertvoller und natürlicher Dünger 4. Phase: Speicherung & Verbrennung des Biogases Je besser die Fermentation, desto höher ist die Gasausbeute und desto mehr Energie kann über die Verbrennung im Blockheizkraftwerk der Biogasanlage erzeugt werden entstandenes Biogas wird in internen oder externen Biogasspeichern zwischengespeichert 10 4 Daten der Anlage: Abwärme heizt die Härtekammern auf rund 50 Celsius Heizwassersystems heizt das Wasser auf 80 Celsius vor liegt direkt neben dem Betonwerk, von Feldern, Wald umgeben Gesamtwirkungsgrad: >80 % vergoren wird: Mist, Grasschnitt und nachwachsende Rohstoffe Kontaktdaten: RUF Baustoffe KarlRufStraße Wilburgstetten 09853/339 Autor: Fabian Seng