NUTZUNG REGENERATIVER ENERGIE ALS TRÄGER MECHANISCHER LEISTUNG IN DER
IV. FALLSTUDIE LEHMSTEINPRESSE Eine Nutzungsmöglichkeit
regenerati-ver Energie bietet der Alternativantrieb einer manuellen Lehmsteinpresse.
Diese wird, wie anfangs erwähnt, auf Initiative des IT-Village und des DAZ e.V. für die Erweiterung und den Neu-bau von Schulgebäuden in Nordtogo genutzt. Mit der Lehmsteinpresse vom Typ Terstaram (Abb. 5) des belgischen Herstellers ApproTechno werden pro Stunde durchschnittlich 60 Lehmstei-ne gefertigt. Bei eiLehmstei-nem zehnstündigen Arbeitstag liegt die Tagesproduktion bei 600 Lehmsteinen.
Bewertungskriterien Windenergie Photovoltaik STK*** Biomasse Diesel -generator
technologisch G* B** G∙B - - - -
Energieverfügbarkeit 20 % 3 0,6 8 1,6 7 1,4 2 0,4 1 0,2
Wirkungsgrad (Primär) 15 % 8 1,2 4 0,6 5 0,75 2 0,3 2 0,3
Umweltverträglichkeit 10 % 9 0,9 8 0,8 8 0,8 3 0,3 1 0,1
Soziale Verträglichkeit 20 % 9 1,8 8 1,6 7 1,4 1 0,2 1 0,2
Entwicklungspotenzial** 10 % 9 0,9 9 0,9 4 0,4 2 0,2 1 0,1
wirtschaftlich - - - - - - - - -
Investitionskosten 5 % 7 0,35 5 0,25 1 0,05 8 0,4 8 0,4
Stromgestehungskosten 5 % 8 0,4 7 0,35 5 0,25 4 0,2 2 0,1
Wartungskosten 15 % 7 1,05 9 1,35 2 0,3 5 0,75 3 0,45
∑ - - 7,2 - 7,5 - 5,4 - 2,8 - 1,9
Erfüllungsgrad 100 % - 72 % - 75 % - 54 % - 28 % - 19 %
* Gewichtung ** Bewertung *** Eignung zur Schrittmachertechnologie **** Solarthermische Kraftwerke Tab. 1) Nutzwertanalytische Betrachtung der Energieträgersysteme im Vergleich zu Dieselgeneratoren
Abb. 5) Togoische Bauarbeiter bei der Bedienung einer manuellen Lehmsteinpresse vom Typ Appro-Techno Terstaram [DAZ e.V. 2013]
Für die Produktion der besagten Menge an Lehmsteinen müssen momentan in etwa 660 Wh körperlicher Arbeit aufgebracht werden. Diese Aussage beruft sich auf folgende überschlägige Berechnung. Es wird davon ausgegangen, dass wäh-rend des Pressvorgangs zwei Arbeiter mit einer Kraft F von jeweils 400 N die Hebel der Presse bedienen. Die Hebel haben eine Länge l von 0,7 m. Aus Gleichung (4) ergibt sich ein resultierendes Drehmoment M = 560 Nm (Abb. 6).
Die Drehbewegung erfolgt in einem Winkel von 270° und einer Drehzahl von n
= 10 1/min. Werden diese Parameter in Gleichung (5) übertragen, so ergibt sich eine Leistung von P = 587 W.
Bei 600 Pressvorgängen pro Tag mit einer Dauer von jeweils t = 4,5 s und der zu-vor bestimmten Leistung ergibt sich für die benötigte Energie ein Zusammenhang nach Gleichung (6) zu:
3
Für die Pressvorgänge ist somit eine Energie von EP = 0,44 kWh nötig. Bei der An-nahme, dass für das Lösen der Presse nur die Hälfte der Kraft nötig ist, ergibt sich bei analoger Vorgehensweise ein Energiebedarf von EL = 0,22 kWh.
4
In der Summe ist für die Produktion von 600 Lehmsteinen eine Gesamtenergie von EG = 0,66 kWh nötig. Soll das durch die Arbeiter bewirkte Drehmoment nun maschinell erzeugt werden, so müssen zusätzlich die Wirkungsgrade für Motor und Getriebe berücksichtig werden. Für das System Pressenantrieb ist demnach eine elektrische Eingangsleistung von Pel,p = 814 W bzw. Pel,l = 407 W. Für den maschinellen Antrieb der Presse wird somit eine Energie von Eel = 0,916 kWh be-nötigt (Gleichung (7):
5
Die Bereitstellung dieser Energiemenge soll durch ein Inselsystem auf Basis der Photovoltaiktechnologie gewährleistet werden. Zentrale Systemkomponenten sind hierbei PV-Generator und Akkumulator. Für die Dimensionierung dieser Komponenten mussten die Modulneigung und die täglich zur Verfügung stehen-den Strahlungssummen geklärt werstehen-den. Es zeigte sich jedoch, dass unter stehen-den gegebenen Umständen auf eine größere Neigung der Module verzichtet werden kann. Für das ungehinderte Ablaufen von Wasser bei Niederschlägen oder der Modulreinigung ist ein kleiner Modulanstellwinkel von 5 bis 15 Grad ausreichend.
Die erste überschlägige Berechnung der benötigten Leistung des PV-Generators erfolgt nach Gleichung (8) mit Parametern nach Tab. 2 [Mertens 2011].
6
Für den PV-Generator ist somit eine Modulleistung von insgesamt PPV = 475 Wp vorzusehen. Zur überschlägigen Bestimmung der Akkukapazität CN kommt Gleichung (9) zur Anwendung.
Die entsprechenden Parameter sind Tab. 3 zu entnehmen [Mertens 2011].
7
Die zuvor berechneten Werte für PPV und CN dienen als Orientierungs-grundlage, um eine Vorauswahl an verwendbaren PV-Modulen und Ak-kumulatoren zu treffen. Die exakte Dimensionierung des Systems erfolgt mit dem Auslegungsprogram PV*SOL Expert. In dessen Datenbank sind die Parameter der gängigsten PV-Module und Akkumulatoren hinterlegt. Mit Hilfe der Software können für die je-weils gewählte Komponentenkombi-nation entsprechende Szenarien simu-liert und verglichen werden. Je nach Zelltechnologie und Berechnungspa-rameter ist für die spätere Umsetzung des PV-Generators eine Fläche von 3,5 – 5 m² zu erwarten.
Da sich der Standort der Energiever-sorgungseinheit entsprechend der jeweiligen Baustelle ändert, muss die Mobilität des Systems gewährleistet sein. Hierfür wird der PV-Generator auf einen Anhänger montiert (Abb. 7).
Die Straßenverhältnisse in den nord-togoischen Regionen können als schlecht bezeichnet werden. Um die Verwindungen im PV-Generator mög-lichst gering zu halten, ist für das Trä-gersystem ein einachsiger Anhänger vorgesehen. Zusätzlich werden anstel-le weniger großer Moduanstel-le mehrere kleine und dadurch steifere Module verwendet. Zusätzlich müssen diese mit ausreichend Abstand zum Anhän-ger sowie zueinander montiert wer-den, um eine gute Hinterlüftung der Module zu ermöglichen. Da Wasser in der Region ein kostbares Gut ist, sind unterhalb des PV-Generators Rinnen vorgesehen. Auf diese Weise kann das zur Modulreinigung genutzte Wasser aufgefangen und als Brauchwasser genutzt werden. Für die Energiespei-cherung sind konventionelle Solarblei-akkumulatoren vorgesehen.
2 270°
0,7 m F
Abb. 6) Modell Pressenantrieb
BIOSYSTEMTECHNIK/ BIOINFORMATIKENERGIE- UND UMWELTMANAGEMENTINFORMATIONS- UND KOM.-TECHNOLOGIENLOGISTIKMATERIAL- UND PRODUKTIONSTECHNOLOGIE
Abb. 7) CAD-Modell der mobilen Photovoltaikanlage
Die Umwandlung und Übertragung der Energie zur Lehmsteinpresse er-folgt über einen Elektromotor und ein Getriebe. Die Einbindung dieser Kom-ponenten in das bisherige System der Lehmsteinpresse erfolgt unter der Vor-gabe, dass die Option zum manuellen Betrieb erhalten bleibt. Des Weitern ist das System so aufgebaut, dass einen Nutzung der PV-Anlage auch unab-hängig von der Lehmsteinpresse für andere Zwecke erfolgen kann.
V. AUSBLICK
Die Verfügbarkeit elektrischer Energie ist eines der wesentlichen Grundele-mente für wirtschaftliches Wachstum und humanitäre Lebensbedingungen.
In einer der ärmsten Regionen West-afrikas – in der Savannenregion Nord-togos – ist der zentrale Ausbau von Stromnetzen nicht erfolgt. Dezent-rale Lösungen auf Basis regenerati-ver Energieträgersysteme können hier Abhilfe schaffen und die Entwicklung der Region vorantreiben. In der vorliege-den Arbeit wurvorliege-den die verschievorliege-denen, regenerativen Energieträgersysteme auf ihren Einsatz in der Savannen-region Westafrikas hin untersucht.
Ausführend konnte das solartechni-sche Energieträgersystem im Einsatz
als Leistungslieferant im sekundären Wandlungsprozess zu mechanischer Leistung herangezogen werden. In der Folge ist ein Prototyp für eine Lehmsteinproduktionsmaschine kon-struktiv ausgelegt und ein digitales Mock-up erarbeitet worden. Gemein-sam mit den Partnern in Togo wird der Prototyp nunmehr aufgebaut und exemplarisch im Feld getestet. Erfah-rungen werden in Zusammenarbeit mit der Universität Lomé gesammelt und fließen in die Ausbildungsinhalte in Togo wie auch an der Technischen Hochschule Wildau [FH] mit ein. Hier-mit wird ein wesentlicher Beitrag zur Nutzbarmachung der Technologie am Standort sowie zur Verbessern der Lebensbedingungen in Westafrika geleistet.
LITERATUR
DAZ e.V. (2013): www.daz-eu.de. online: http://www.
daz-eu.de/index.php; Zugriff am 4. Dezember 2013 In-fo.org (2013): www.imf.org. online: http://www.
imf.org/external/pubs/ft/weo/2013/02/weodata/index.
aspx; Zugriff am 5. Dezember 2013
IT-Village (2013): www.it-village-togo.de. online: http://
www.it-village-togo.de/ohne%20Schule%20geht%20 es%20nicht.html; Zugriff am 4. Dezember 2013 Kaltschmitt, M. und Hartmann, H. (2001): Energie aus Biomasse. Berlin: Springer Verlag.
Klima.org (2013): http://www.klima.org/togo/klima-lome/. online: http://www.klima.org /togo/klima-lome/;
Zugriff am 6. September 2013
Kohnert, D. (2006): Togo. In: Africa Yearbook 2005 – Po-litics, economy and society South of the Sahara. Melber/
Mehler/Walraven (eds.), Brill, Leiden & Boston, in press Laing, D.; Schiel, W. und Heller, P. (2002): Solare Kraft-werke. Berlin: ForschungsVer-bund Sonnenenergie Löfken, J. O. (2011): Afrika entdeckt die Sonne. In: tr – Technology Review (2011) 6, S. 26-32
Mertens, K. (2011): Photovoltaik – Lehrbuch zu Grund-lagen, Technologie und Praxis. München: Carl Hanser Verlag.
nasa.gov (2013): https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/
sse/sse.cgi/. online: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/sse.cgi/; Zugriff am 23. August 2013
Pohl, B. und Kappel, R. (2012): Wie leistungsfähig sind die Ökonomien Afrikas. In: GIGAfokus (2012) 9, online:
<www.giga-hamburg.de/giga-focus/africa> ISSN 1862-3603
Quaschning, V. (2009): Regenerative Energiesysteme.
München: Carl Hanser Verlag
Quaschning, V. (2010): Erneuerbare Energie und Klima-schutz. München: Carl Hanser Verlag
AUTOREN
M. Eng. René von Lipinski
wissenschaftlicher Mitarbeiter Automatisierungstechnik Technische Hochschule Wildau [FH]
von_lipinski@th-wildau.de
Prof. Hon.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Reiff-Stephan Professur Automatisierungstechnik/Produktionstechnik Technische Hochschule Wildau [FH]
jrs@th-wildau.de
Benennung Wert Einheit
Energiebedarf W 916 Wh
Sonnenvolllaststunden NSonne 4,55 h
Korrekturfaktor KSchräg 1
-Korrekturfaktor KTemp 0,625
-Leitungsverlustfaktor VLeitung 0,94 -Umwandlungsverlustfaktor VUmwandlung 0,8 -Anpassungsverlustfaktor VAnpassung 0,9
-Benennung Wert Einheit
Energiebedarf W 916 Wh
Autonomietage NA 2
-Korrekturfaktor Entladeschwelle KEntl 0,5
-Systemspannung UN 24 V
Tab. 2) Technische Systemparameter I/II
Tab. 3) Technische Systemparameter II/III
BIOSYSTEMTECHNIK/ BIOINFORMATIKENERGIE- UND UMWELTMANAGEMENTINFORMATIONS- UND KOM.-TECHNOLOGIENLOGISTIKMATERIAL- UND PRODUKTIONSTECHNOLOGIE