Energie-Autarkes-Heizen

Autarkie
Sonnenbatterie
Sonnenbatterie
Inselbetrieb
Solare%20Inselstromversorgung

USV

Solarpark
Solarpark
USV
Mini-Wasserkraftwerke
Kleinstwasserkraftwerk
Kleinwindkraftwerk

Windkraft-pumpen

Windpark
Windkraftpumpen
Air%20Well
Notstromaggregat
Klein-Brennstoffzelle
Kleinkraftwerk
Energie-Autarkie
Der Trend zu einer unabhängigen Versorgung (Energie-Autarkie), nicht nur bei der Stromversorgung, sondern auch bei der Heiztechnik und Wasserversorgung, nimmt immer mehr zu.
Unter Energieautarkie versteht man das Bestreben, ein Haus, eine Wohnsiedlung, Gemeinde oder Region bei der Energieversorgung in den Bereichen Wärme und Strom in eigener Regie weitgehend von fossiler Energie unabhängig zu machen. Hierbei wird eine optimale und effiziente Nutzung der vorhanden lokalen Potentiale und Ressourcen an erneuerbaren Energien angestrebt.
Um Energieautark zu werden, ist zuerst auf das Bauen im Niedrigenergiehaus-/Passivhaus-Standard und/oder auf eine thermische Sanierung der vorhandenen Gebäude zu achten, um den Energieverbrauch zu reduzieren. Auch Informationen über einen energiesparenden Umgang mit der Energie sollte gefördert werden.
Als zweiter Schritt ist das Einbinden von regionaler erneuerbarer Energien, so z. B. Windkraft (Kleinwindkraftanlagen), Photovoltaik, Wasserkraft (Mini-Wasserkraftwerke), Biogas, Biomasse (Holz, Hackschnitzel und thermischer Solaranlagen), einzuplanen.
Immer mehr Industriebetriebe bereiten sich schon seit Jahren auf die "atomstromlose" Zeit vor. Diese Betriebe erzeugen ihren Strom und die industrielle Wärme (Dampf) für die Produktion, der Heizung und Kühlung in eigener Regie. Diese autarken Lösungen nehmen immer mehr zu, um unabhängig von öffentlichen Anbietern zu sein. So deckt z. B. die Firma BASF in Ludwigshafen mit dem GuD-System (Gas- und Dampf-Kraftwerk) ihren eigenen Energiebedarf (zu 100 %) und die Firma Pfizer in Freiburg deckt ihren eigenen Energiebedarf (z. Zt. 93 %) aus regenerativen Quellen (Photovoltaik, Geothermie, Wasserkraft und Biomasse). Erst durch diese Lösungen wurden auch alle Potentiale der Energieeinsparungen in der Produktion und Heizung bzw. Kühlung ausgeschöpft. Dies beiden praktizierten Systeme sind weltweit beachtete Beispiele.

Industrie ohne Atomstrom - Alternative Energien für die Produktion - DRadio
Aus Ionisationsenergie - elektrischer Energie - wird thermische Energie freigesetzt

Energieerhaltung
Das Prinzip der Energieerhaltung beschreibt der Energieerhaltungssatz >Energie kann nicht verschwinden oder aus dem Nichts entstehen<. Die Energie1 kann lediglich von einer Form in eine andere umgewandelt werden. In einem geschlossenen System bleibt die Gesamtmenge von Energie erhalten. Die Gesamtenergie ist eine Erhaltungsgröße. Bei einem offenen System entspricht die Zunahme der Gesamtenergie der Differenz der von außen zuströmenden und der nach außen abfließenden Energie.
1Wichtige Energieformen sind z. B. die chemische Energie, thermische Energie, potenzielle Energie und kinetische Energie und die Energie, die in elektrischen und magnetischen Feldern gespeichert ist (Lichtenergie, elektrische Energie, magnetische Energie)

Energieverluste kann es nur in dem Sinne geben, dass Energie entweder einem offenen System entweicht, oder dass sie zum Teil unerwünscht in eine andere, nicht nutzbare Energieform umgewandelt wird.
Der Energieerhaltungssatz gilt in der Thermodynamik als der erste Hauptsatz. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bringt die zusätzlichen Einschränkungen, dass Prozesse, die zwar die Gesamtmenge an Energie erhalten, aber zu einer insgesamt sinkenden Entropie führen würden, sind physikalisch nicht möglich.

Die Energieerhaltung wird oft über das Prinzip eines Kugelstoßpendels erklärt. Da es aber bei allen auftretenden Stößen stets nur zu zentralen elastischen Stößen zwischen genau zwei Kugeln kommt, wird schon bei dem ersten Stoß Teile der Gesamtenergie durch Reibungsarbeit in thermische Energie umgewandelt. Es wird sich also im Laufe der Zeit die Energie abbauen und das Pendel wird zum Ruhestand zurückkehren. Wenn es nicht so wäre, dann hätte man ein Perpetuum Mobile.
Bei einem Kugelstoßpendel (Newton-Pendel, Newton-Wiege, Kugelpendel) sind die Kugeln gleicher Masse und Pendellänge hintereinander aufgehängt. Wenn man die am weitesten rechts hängende Kugel anhebt und gegen die andern prallen lässt, wird die am weitesten links hängende Kugel abgestossen. Hebt man zwei Kugeln an, fliegen auf der andern Seite zwei weg und so weiter. Hebt man mehr als die Hälfte der Kugel an, ist die Zahl der weggehenden Kugeln immer noch gleich der Zahl der aufprallenden. Die mittleren Kugeln gehören dann sowohl zu den aufprallenden als auch zu den abgestossenen. Im Extremfall ist anfänglich nur die Kugel ganz rechts in Ruhe und nach dem Stoss die ganz links positionierte.
Bei der Abfolge von elastische Stössen bleibt die kinetische Energie und der Impuls erhalten (Impulserhaltung).

Beispiele aus der Praxis:
Eine Wärmepumpe (Kältemaschine) entzieht einem Medium Wärme. Diese kann aber nicht einfach verschwinden; sie wird anderswo als Abwärme abgegeben. Auch die Antriebsenergie der Wärmepumpe muss vollständig als Wärme enden, da es keine andere Möglichkeit gäbe, die Gesamtenergie zu erhalten. Allenfalls könnte ein kleiner Teil der Energie in Form von Schall entweichen; dies macht jedoch in der Praxis sehr wenig aus.
Wenn ein Pumpspeicherkraftwerk eine bestimmte Wassermenge in das obere Reservoir pumpt und später dieselbe Wassermenge “turbiniert” (d. h. zur Stromerzeugung in einer Turbine nutzt), ist die Lageenergie des Wassers am Ende gleich wie vorher (unter Annahme, dass das Wasser am gleichen Ort landet, wo es entnommen wurde). Die Energieerhaltung besagt dann, dass die beim Turbinieren gewonnene Energiemenge gleich der zum Pumpen aufgewandten abzüglich aller Energieverluste z. B. in Pumpe, Turbine und Motor/Generator ist. Quelle: Dr. Rüdiger Paschotta - RP Photonics Consulting GmbH


Energie-Autarkes-Heizen
Quelle: Erdwärme-Forum Jens Schweikart

Energie-Autarkes-Heizen

Energie-Autarkes-Heizen - Jens Schweikart
Energieautark in die Zukunft -
Perpetum Mobile als Ziel für die Nachhaltigkeit

Rolf Disch SolarArchitektur

Sonnenbatterie

Wenn die Energiewende gelingen soll, dann werden kostengünstige, leistungsfähige Stromspeicher benötigt, die den aus erneuerbaren Energiequellen gewonnenen Strom dezentral speichern können und bei Bedarf wieder abgeben. Eine Möglichkeit, neben den zentralen Speichern (z. B. Pumpspeicherwerk), sind neuentwickelte Sonnenbatterien (Akkus). Mit diesen können der selbst erzeugte Strom aus Photovoltaik- oder Kleinwindkraftanlagen, BHKW's, Mini-Wasserkraft- oder Biogasanlagen gespeichert werden.


Sonnenbatterie
Quelle: PROSOL Invest Deutschland GmbH

 


Die Anlage kann in jedes Hausnetz mit 3-Phasen und 230 V Wechselspannung integrieren werden.
Sie basiert auf neuester Lithium-Technologie, die auch bei modernen Elektroautos zum Einsatz kommt. Alle Batteriezellen werden einzeln überwacht und gesteuert. Die Speicherkapazität der Sonnenbatterie reicht von 8 bis 17 kWh. Die zusätzliche Anreicherung mit Yttrium verlängert die Lebenszeit der Batteriezellen.
Die Firma Tesla will unter dem Namen "Powerwall" zwei Akku-Modelle mit Kapazitäten von sieben Kilowattstunden pro Tages- oder zehn Kilowattstunden pro Wochenzyklus anbieten. Die 18 Zentimeter dicken Stromspeicher können an der Hauswand installiert werden. Diese Batteriespeicher sind besonders für private Haushalte und mittelständische Unternehmen geeignet.
Mit den Akkus können nicht nur selbst erzeugter Solarstrom gespeichert, sondern es kann bei Tag- und Nachtstromtarifen oder auch bei variableren Preismodellen Strom zum Aufladen gekauft werden, wenn er besonders günstig ist. Solche Tarife sollen im Rahmen des Smart-Grids eingeführt werden.

Die Sonnenbatterie - Sonnenbatterie GmbH
Tesla hängt den Autoakku an die Hauswand

Inselversorgung / Inselbetrieb
Auch heutzutage gibt es noch Regionen, die keinen Anschluss an das öffentliche Stromnetz haben (abgelegene Häuser, Hütten, Boote, Campingplätze, Wohnwagen- oder Wohnmobile). Außerdem gibt es Gebiete, die des öfteren mit Stromausfälle rechnen müssen. Und dann gibt es Leute, die aus ökologischen Sinne eine eigene Stromversorgung wünschen bzw. diesen Strom in das öffentliche Netz einspeisen möchten.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine elektrische Energieversorgung mit 400V/50/60Hz 3~ bzw. 230V/50/60Hz für den Eigenbedarf, als netzunabhängige bzw. unterbrechungsfreie Inselstromversorgung (USV) oder zur Einspeisung ins Stromnetz aufzubauen.
Folgende Anlagenarten können miteinander kombiniert werden:

Das eigene Stromnetz - AC- und DC-Lösungen für Inselsysteme - SMA Solar Technology AG
Prinzip einer kleinen Inselstromversorgung
Prinzip einer großen Inselstromversorgung
Quelle: Solar Zeller Energiesysteme
Solare Inselstromversorgung
Die Solarmodule einer kleinen Anlage speisen den solaren Gleichstrom (12V oder 24V) über einen Laderegler in eine Solarbatterie ein. Der Laderegler sorgt für eine schonende Batterieladung und schützt die Batterie vor schädlicher Tiefentladung durch die Verbarucher. Ein Verbraucher (Beleuchtung, TV/Radio, Kühlgerät) kann von dem in der Batterie gelagerten Solarstrom versorgt werden.

Die Solarmodule der Großanlagen speisen den solaren Gleichstrom (12V / 24V / 48V) über einen Laderegler in eine Stationärbatterie ein. Die Verbraucher werden über einen speziellen Wechselrichter, der die Gleichspannung der Batterie in eine übliche 230V Wechselspannung umwandelt, versorgt. Dadurch können alle herkömmlichen Elektrogeräte verwendet werden. Die maximale Leistungsabgabe des Wechselrichter´s ist aber durch die Batteriekapazität und den Ladezustand begrenzt.

Diese Anlagen können mit Stromquellen aus der Windkraft, Wasserkraft oder BHKW ergänzt werden, um die Versorgungssicherheit besonders im Winter zu vergrößern
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Nachführung - Solar Tracking Systeme

Photovoltaikmodule (PV) oder thermische Solarkollektoren erzielen den besten Ertrag, wenn sie die optimale Stellung zur Sonne haben. Ein Tracking System (Nachführsystem) richtet die Solaranlage automatisch zur Sonne aus, damit die Sonneneinstrahlung optimal aufgefangen und die Effektivität der Anlage steigt. Die Ertragssteigerung kann bis zu 40 % gegenüber der starren Anordnung betragen. Bisher werden diese Systeme bei einer thermischen Solaranlage nicht bzw. selten eingesetzt, da sich eine Nachführung nicht "lohnt".


Vergleich starre Anordnung vs. Nachführsystem
Quelle: DEGERenergie GmbH& Co. KG


Einachsiges Nachführsystem mit
Aufständerung und
zweiachsiges Nachführsystem
Quelle: LINAK GmbH

DEGERtracker - Gebäudeintegriert
Quelle: DEGERenergie GmbH& Co. KG

Suntracker-EcoSystem
Quelle: TSS Solar GmbH

Ein überschüssiger Ertrag einer thermischen Solaranlage kann nicht über lange Zeit gespeichert werden, weil der Speicher meistens nicht groß genug ist bzw. die Wärme nicht verbraucht werden kann. Im Gegensatz dazu kann der überschüssige Ertrag einer Photovoltaikanlage direkt ins Stromnetz eingespeist werden und mit der Einspeisevergütung kann ein Gewinn erzielt werden.

Ein Nachführsystem ist ein Metallgestell, welches mithilfe eines Elektromotors und einer Steuerung über ein oder zwei Achsen schwenkbar ist.
Ein einachsiges Nachführsystem lässt sich vertikal schwenken und richtet die Solarmodule so in Richtung der Sonne aus.
Ein zweiachsiges Nachführsystem ist vertikal und horizontal schwenkbar und gleicht auch unterschiedliche Neigungswinkel zur Sonne aus.

Bei der Steuerung der PV-Tracker unterscheidet man zwischen einer astronomischen und sensorgesteuerten Anlage.
Bei der astronomischen Steuerung ist der Verlauf der Sonne an festgelegten Tagen im Jahr für den vorhandenen Standort fest in dem Zentralgerät eingespeichert. Die Nachführung folgt also nur dem vorgegebene Sonnenlauf, wobei die Umgebungsbedingungen (z. B. Wolken) nicht einbezogen werden.
Bei dem Sensorsteuerung richtet sich das die PV-Modul immer nach dem hellsten Punkt am Himmel aus. Aber das ist nicht immer der Punkt, an dem die Sonne steht. Z. B. werden die Sonnenstrahlen bei einem bewölkten Himmel an den Wolkenrändern reflektiert. Diesen hellsten Punkt sucht der Sensor heraus und richtet die Solarmodule danach aus. Bei einer vollständigen Wolkendecke richten sich die Module waagrecht aus und das restliche vorhandene Sonnenlicht (diffuse Strahlung), das durch die Wolken senkrecht auf die Module kommt. Hierdurch kann der Mehrertrag bis zu 70 % gegenüber einer starren Anlage betragen.

In Mittel- und Nordeuropa sollte grundsätzlich eine Sensorsteuerung eingesetzt werden. In den Mittelmeerländern ist eine astronomische Steuerung günstiger, weil die Sonne gleimäßiger scheint und der Himmel seltener bewölkt ist. Berücksichtigen sollte man auch, dass eine Sensorsteuerung komplizierter, und damit auch störanfälliger als eine astronomische Steuerung ist.
Freistehende auf einem Mast montierte Module benötigen auch einen Windsensor, damit das Modul bei zu hoher Windgeschwindigkeit aus dem Wind gedreht werden.

Solar Tracking - DEGERenergie GmbH& Co. KG
EcoChamp-Tracker - TSS Solar GmbH
Vor- und Nachteile verschiedener Nachführsysteme im Vergleich - DAA Deutsche Auftragsagentur GmbH

 


Komponenten im Ecochamp-Tracker-System
Quelle: TSS Solar GmbH


Bauteile mit einer PV-Trinkwasser-Regelung PVH C-1.05
Quelle: Nectar Sun

Solarelektrische Trinkwassererwärmung
Trinkwasser kann "kostenlos" und effizient mit Solarstrom erwärmt werden. Ein System besteht aus Photovoltaik-Solarmodulen, einer Regelung und einem Warmwasserspeicher mit Heizstab.
Die von den Solarmodulen gewonnene Energie wird bis zu 99 % über eine Regelung direkt mit dem Heizstab in nutzbare Wärme umgewandelt. Die MPPT-Funktion des Reglers (Maximum Power Point Tracking > Maximal-Leistungspunkt-Suche) sorgt dabei für einen maximalen Solarertrag. Die Energieübertragung von den Photovoltaikmodulen erfolgt über zwei normale 4 mm² Solarkabel mit wenigen Millimetern Durchmesser.
Der angeschlossene Heizstab erwärmt das Trinkwasser im Speicher bis zur eingestellten Solltemperatur. Um auch bei geringer Sonneneinstahlung eine konstante Trinkwassertemperatur zu gewährleisten, schaltet die Regelung den Heizstab automatisch auf den vorhandenen Netzstrom, bis die Sonne diese Aufgabe wieder übernimmt. Die Entscheidung, ab wann und bis zu welcher Temperatur das Netz genutzt werden soll, erfolgt komfortabel über das Display der Regelung.

Photovoltaik Trinkwasser Regelung PVH C-1.05 - Nectar Sun

Ein Bürgersolarpark fördert die Akzeptanz für Photovoltaikanlagen. Warum muss man auf jedes Haus eine eigene Anlage packen? Sinnvoller ist es, in einer Gemeinde bzw. Stadt eine große Solaranlage zu bauen. Hier kann sich jeder Bürger beteiligen, vor allen Dingen dann, wenn er kein geeignetes Dach zur Verfügung hat oder sich das Dach nicht verschandeln oder den Anblick den Nachbarn die spiegelnden Flächen nicht zumuten will. Die Nachteile einer PV-Anlage bezüglich des Brandschutzes (Blitzschutzanlage) oder bei einem Feuer (Brandlöschung) sind zunehmend in der Diskussion.
Solarpark

Jede Gemeinde hat Grundstücke für Photovoltaikfreiflächenanlagen (z. B. Schafweiden, Konversionsflächen, ehemaligen Mülldeponien), die z. B. in Form einer Energiegesellschaft (Genossenschaft oder GmbH & Co, KG) genutzt werden können. Außerdem sollte das "Kirchturmdenken" durch Kooperationen über die eigene Grundstücks- bzw. Gemeindegrenze hinaus stattfinden.

Gardinger Freiflächen-Anlage
USV - Unterbrechungsfreie Stromversorgung
Viele Einrichtungen in haustechnischen Anlagen sind auf eine störungsfreie Stromversorgung angewiesen. Hier stehen besonders Computersysteme für die Regelungstechnik im Vordergrund. Aber auch im Bereich der Eigenwasserversorgung und in Heizungsanlagen kann ein Stromausfall zu erheblichen Problemen führen.
Besonders in Anlagen mit festen Brennstoffen, so z. B. Holzvergaserkessel (HV) und Kamineinsätze mit Wassertaschen, ist eine ständige Wasserzirkulation notwendig, damit die Wärme abtransportiert werden kann, es nicht zur Überhitzung kommt und die thermische Ablaufsicherung (TAS) ansprechen muss.
HEIKONTROL 2000 (USV)
Quelle: Heizkontor
Wenn diese Anlagen nicht eigensicher (offene Anlage auf Schwerkraft) gebaut werden können und ein häufiger Stromausfall möglich ist, dann ist der Einbau von UVS-Systemen eine Möglichkeit, die Stromversorgung sicherzustellen. Ansonsten dürften diese Anlagen nicht gebaut werden.
UVS-Systeme gibt es in den verschiedensten Ausführungen.
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USV-Anlagen - Schorisch Systems GmbH

Notstrommodul
1. Solarmodule 2. Wechselrichter 3. Batterie 4. Netz 5. Geräte
Quelle: Solar Direct GmbH
Um den Betrieb wichtiger elektrischer Geräte (wie Funkgeräte oder medizinische Apparate und Messinstrumente) auch bei Stromausfällen sicherzustellen, sind Notstromsysteme auf der Basis von Solar- oder Windenergie oft die preiswerteste und effizienteste Lösung.
Notstromsysteme werden überall da eingesetzt, wo die Versorgung mit Netzstrom nicht zuverlässig gewährleistet ist. Eine Backupanlage übernimmt die Stromversorgung, wenn der Netzstrom ausfällt. Je nach Größe der Anlage können die nötigsten Geräte versorgt werden oder auch ein Kühlschrank und weitere Geräte. Für die Größe der Anlage ist auch die voraussichtliche Dauer eines Stromausfalls entscheidend. Quelle: Solar Direct GmbH
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Mini-Wasserkraftwerke (100 kW – 1.000 kW)
Anlagenschema
Quelle: Peter Maurer

Pico-Wasserkraftwerk selbst gebaut
Ob Sie Ihr Ferienhaus oder Alphütte elektrifizieren wollen oder ob einfach die Rechnung des Elektrizitätswerkes verkleinert werden sollte: Ein Wasserkraftwerk eignet sich für beides. Die Anlage wird jedoch unterschiedlich aussehen.
Wird eine alleinstehende Alphütte mit Elektrizität versorgt nennt man das Inselbetrieb. Wird jedoch der Strom ins öffentliche Netz zurück gespiesen, nennen wir es Netzbetrieb.
Im Inselbetrieb konkurriert das Wasserkraftwerk im Preis mit den Kosten einer Zuleitung vom öffentlichen Netz oder dem Preis für eine Solaranlage. Wenn jedoch die Wasserverhältnisse ausreichen, ist ein Picokraftwerk meistens die günstigste Möglichkeit.
Im Netzbetrieb spielt die Wirtschaftlichkeit eine zentrale Rolle. Interessant wird es vor allem, wenn die Leistung selber verbraucht wird. Dann kann man den Preis pro kWh in die Kalkulation einbeziehen, den man selber bezahlen müsste. > weiter

weitere Mini-Wasserkraftwerke

Kleinstwasserkraftwerk
Die Einsatzbereiche der Kleinstwasserkraftwerke sind Berghütten, Alphütten, Ferienhäuser und vom öffentlichen Stromnetz nicht erschlossenen Gebäude, welche aber mit Wasser versorgt sind, oder über eine Quelle mit ausreichender Wassermenge verfügen.
Die Turbinen (Pelton-Turbine, Ossberger-Turbine, Pico Hydro-Turbine, Harris-Turbine, Gilmartin-Patent) dieser Kraftwerke bieten sich für den Hybridbetrieb (Inselversorgung) mit Windkraftanlagen und Photovoltaik an.

Aus der Fallhöhe und der Wassermenge kann die theoretisch zur Verfügung stehende Leistung berechnet werden. Über die Formel

P (W) = Q (l/s) x H (m) x 9,81
lässt sich die theoretische Wasserenergie in Watt errechnen. Diese Formel bezieht sich auf 100 % Wirkungsgrad ohne Verluste. Je kleiner Nutzhöhe und Wassermenge und damit die Wasserkraftanlage wird, desto geringer wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage.
Beispiel:
Ein Gebirgsbach liefert eine nutzbare Wassermenge von 3 l/s bei einer Nutzhöhe von 40 m.
P = 3 l/s x 40m x 5,5 = 660 W = 15,8 kWh/Tag
Es können also dauerhaft 660 W elektrische Leistung erzeugt werden. Da aber einige elektrische Verbraucher wesentlich mehr als 660 W Leistung beziehen, muss die Kraftwerksleistung in Bleiakkumulatoren zwischengespeichert werden. Über einen Sinus-Wechselrichter kann dann die Speicherbatterie mit einer vielfach höheren Leistung als der Kraftwerksleistung belastet werden. Quelle: Kleinstwasserkraft Klopp

Pelton-Kompakt-Turbine II
Quelle: Kleinstwasserkraft Klopp

24 V Kleinstturbine
Quelle: Müller - Turbinen Wasserkraftwerke


Bild aus dem Gilmartin-Patent
Quelle: Achmed A. W. Khammas


tragbare Micro-Hydro Turbine
Quelle: Phocos AG


OSSBERGER-Turbine
Quelle: OSSBERGER GmbH + Co


Harris Hydro Turbine
Quelle: Homepower Equipment

Kleinwindkraftanlagen (KWKA)
Kleinwindkraftanlage für Netz- und Inselsysteme
Kleinwindkraftanlagen (max. 70 kW; Anlagen für private Haushalte leisten zwischen 0,4 bis 30 kW) für private und gewerbliche Zwecke zur Nutzung von Windkraft sind von vielen Herstellern schon in Betrieb bzw. in der Entwicklung. Hier wird eine einfache robuste Bauweise, die eine Lebensdauer von 20 Jahre und ein annehmbares Preis-/Leistungsverhältnis hat, angestrebt. Auch sollte die Amortisationszeit, je nach Standort, bei ca. 8 bis 12 Jahren liegen.
In der IEC-NORM 61400-2:2006 werden Klein-Windkraftanlagen nach folgenden Vorausetzungen festgelegt. Die Rotorfläche muss kleiner sein als 200 m² bei 350 W/m². Das bedeutet, dass die Kleinwindkraftanlagen eine maximale Leistung von 70 kW haben dürfen. Die Turmhöhe darf 20 m nicht überschreiten.
Die Kleinwindkraftanlagen sind im Gegensatz zu Photovoltaikanlagen zur Zeit für Privathaushalte noch eine Seltenheit. Diese Anlagen werden hauptsächlich für autarke Inselanlagen bei Ferien- und Wochendhäusern, in Kleingärten und auf Booten bzw. Schiffen eingesetzt. Eine Hybridanlage, die aus einer PV-Anlage und Windkraftanlage den Strom zur Eigennutzung bzw. Netzeinspeisung herstellt oder zum Laden eines großen Solarakkus genutzt werden kann. Durch die bivalente Lösung wird die Nutzungszeit verlängert, da dann auch bei bewölktem und stürmischem Wetter (auch in der Nacht) Strom erzeugt wird.
Da die Hochsaison für Kleinwindkraftanlagen im Winterhalbjahr liegt, sind sie eine ideale Ergänzung zur Photovoltaik bei einer Inselversorgung (Inselbetrieb).
Kleinwindkraftanlage
Quelle: ZACK Gesellschaft für innovative Heizungssysteme mbH
Vertikal-Windgeneratoren
Quelle: MITTRONIK GmbH
Das Hauptproblem wird wohl in der Akzeptanz der Nachbarn und Behörden liegen.
Grundsätzlich gibt es zwei Typen von Kleinwindkraftanlagen:
  •  Rotorblätter drehen sich um eine vertikale Achse
  •  Rotorblätter drehen sich um eine horizontale Achse
Jede Kleinwindanlage braucht einen Wechselrichter, der den erzeugten Strom in konstante 230 Volt und 50 Hertz umwandelt, damit er im Haus genutzt werden kann.
Vertikale Kleinwindkraftanlagen bestehen aus einem Getriebe und Generator, die in den meisten Fällen auf dem Boden befestigt sind. Zur Zeit ist die Windausbeute geringer als die der horizontale Kleinwindkraftanlagen.
Merkmale für vertikaler Kleinwindkraftanlagen:
  •  Stromerzeugung auch bei schwachem Wind
  •  Keine Abschaltung bei starkem Wind
  •  Unabhängig von der Windrichtung und somit keine Nachführung (Ausrichtung) notwendig
  •  Auch bei turbulenten Windströmungen einsetzbar
  •  Sehr leiser Betrieb
  •  Bei niedrigen Windgeschwindigkeit in Bodennähe ein schlechter Wirkungsgrad
  •  Wartungsaufwand relativ aufwendig (Auswechselung des Hauptlagers - Demontage der ganzen Kleinwindkraftanlage)
Horizontale Kleinwindkraftanlagen bestehen aus einer horizontalen Achse mit einem Rotor/Generator, Rahmen/Azimutlager und einer Windfahne.
Merkmale für horizontale Kleinwindkraftanlagen sind:
  •  Langlebigkeit durch Erfahrungen aus den Großwindkraftanlagen
  •  Guter Wirkungsgrad schon bei Windgeschwindigkeiten von 3 m/s
  •  Geräuschpegel je nach Windradtyp unterschiedlich
  •  Zur Zeit noch effizienter als vertikale Kleinwindkraftanlagen
  •  Abhängig von der Windrichtung, somit muss ist eine Nachführung (Ausrichtung) notwendig
Kleinwindkraftanlagen müssen genehmigt werden und den Vorschriften inbezug auf Lärm und Schattenwurf entsprechen. Leider entscheiden die regionale Behörden immer noch unterschiedlich. Die Bauämter können hier Auskünfte erteilen. In einigen Bundesländern sind Anlagen bis zu 10 m Höhe genehmigungsfrei, aber verzichten nicht auf ein statisches Gutachten.
Windrad auf Baumkrone
Architekt erfindet neue Technologie
Neue Ideen sind gefragt, wenn es um den Ausbau der erneuerbaren Energien geht. Ein Architekt aus Freiburg hat möglichweise einen Kompromiss gefunden, mit dem Gegner und Befürworter von Windrädern einverstanden sind. Er baut die Windräder direkt auf Baumspitzen.
Mit Windkraftanlagen auf Baumkronen greift der Freiburger Architekt Wolfgang Frey in die Diskussion um die Windkraft ein. Als Prototyp hat er in Freiamt im Kreis Emmendingen auf einer rund 30 Meter hohen Douglasie eine Windkraftanlage montiert. Eine Gesetzeslücke in den Genehmigungsvorschriften macht es möglich.
Windenergie Logger PCE-WL 2 mit Display
Quelle: PCE Deutschland GmbH

Um die Windsituation vor der Inbetriebnahme einer Windkraftanlage zu messen und zu analysieren wird ein Windenergie-Logger eingesetzt. Damit werden die Messwerte für Windgeschwindigkeit und Windrichtung auf einer SD-Karte gespeichert. Nach einer Messung können die Windenergiedaten an einem Computer ausgewerten werden.
Der Windsensor misst die Windgeschwindigkeit bis zu 40 m/s und die Windrichtung über einen Bereich von 2,5° bis 357,5°. Das Schalenkreuz ist mit verschleißarmen Reedrelais ausgestattet. Zusätzlich sind mit einem Display die Aufzeichnungstakte der gespeicherten Werte für Windrichtung und Windgeschwindigkeit abzulesen.

Windenergie Logger PCE-WL 2 - PCE Deutschland GmbH

 

Autarke Solarstrom-Inselanlagen ®
Landkarte mit Kleinwindkraftanlagen
Strom aus Klein-Windkraftanlagen von ÖKO-Energie ®
Zeichnungen und Dokumente von Kleinwindkraftanlagen
Ein Bürgerwindpark fördert die Akzeptanz für Windkraftanlagen, wenn diese von einer Gemeinde, einem Gemeindeverband bzw. einer Stadt gebaut wird und nicht von den großen Energieversorgern. Hier kann sich jeder Bürger beteiligen, denn Kleinwindkraftanlagen werden in den meisten Baugebieten nicht genehmigt. Außerdem sollte das "Kirchturmdenken" durch Kooperationen über die eigene Grundstücks- bzw. Gemeindegrenze hinaus stattfinden.
Windpark

Die hohe regionale Akzeptanz und Teilhabe an den Bürgerwindparks entstehen unter enger Zusammenarbeit zwischen den jeweiligen Initiatoren, die Personen aus der Region sind, mit den beteiligen Gemeinden und der ortsansässigen Bevölkerung.
In Nordfriesland sind die Bürgerwindparks bereits die Regel. Hier sind ca. 90 % aller Windparks unter Bürgerbeteiligung entstanden.
Jede Gemeinde hat Grundstücke, die als Aufstellflächen mit der geringsten Auswirkung durch Schall oder Schattenwurf ausgewählt werden können. Die Bürgerbeteiligung kann in Form einer Energiegesellschaft (Genossenschaft oder GmbH & Co, KG) aufgestellt werden.

Windkraftpumpen
Schon im 12. Jahrhundert wurden in Mitteleuropa Windmühlen eingesetzt. Bis Mitte des 18. Jahrhunderts waren dann 200.000 Windmühlen in Betrieb. Diese wurden nicht nur als Getreidemühlen, sondern auch als Pumpen zum Trockenlegen von Sumpfgebieten und Trockenhalten von den Niederungen (Polder, Koog, Groden) in Holland und an der Nordseeküste eingesetzt.
Sie wurden Anfang des 19. Jahrhunderts nach dem zunehmenden Einsatz der Dampfmaschinen stillgelegt. Im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts wurde die Windenergie zur Stromerzeugung, z. B. auch durch Kleinwindkraftanlagen, "wiederentdeckt". So werden inzwischen viele Landwirte zu Energiewirten.
Quelle: Dutch DNA
Windkraftpumpe
Quelle: Molzan Windkraftpumpen
Die Windkraftpumpen werden seit Jahrzehnten zur stromlosen Föderung von Wasser und Sauerstoff in der Fisch- und Landwirtschaft (z. B. aus Brunnen auf Viehweiden) eingesetzt.
Die Windkraftpumpe besteht aus einem feuerverzinkten freistehenden Mast, der das wartungsfreie Exentergetriebe, den ausgewuchteten Rotor und die Windfahne, die zur Steuerung und Abschaltung dient, sowie die Pumpenanlage. Das hohe Drehmoment des Rotors ermöglicht eine Wasser- sowie Sauerstoffförderung schon bei Windstärke 1 bis 2 Beaufort je nach Saughöhe, wobei schon bei Windstärke 4 bis 5 die Nennleistung erreicht ist. Die Windfahne dient auch zur Drehzahlbegrenzung des Rotors bei Starkwind und verhindert gleichzeitig eine Beschädigung der Windkraftanlage. Das Rotorkreuz und Windfahnengestänge sind feuerverzinkt, die Rotorflügel und Windfahnenbleche sind aus rostfreien Edelstahl.
Die Windkraftpumpen eignen sich für Be- und Entwässerung, für Weidetränken, zum Umpumpen, zur Bewässerung und zur Belüftung von Fischteichen. Quelle: Molzan Windkraftpumpen
Max-Water
Quelle: Water UN Limited
Funktion - Max-Water
Quelle: Water UN Limited
Air Well
Das Prinzip der "Air Wells" - (Luft-Quellen/Luftbrunnen) wurde inzwischen weiterentwickelt. So kann durch eine Windkraftanlage, die in der Atmosphäre vorhandene Feuchtigkeit durch Kondensation abgeschieden werden.
So hat z. B. die bahnbrechende Technologie Max-Air von Dr. Max Whisson (Vorbehalt Patentanmeldungen) hat das Potenzial, Wasser aus der Luft mit Hilfe einer Turbine mit Kältemittel zu produzieren. Diese Technologie ist in der Lage, ausreichende Mengen von Wasser für eine Vielzahl von Verwendungen zu liefern. Hierbei liefert die Windenergie den Strom für den Betrieb dieser Anlage.
Das System kann auch erhebliche Mengen von Wasser in Gebieten mit niedriger Luftfeuchtigkeit "ernten". Der Erfinder sagt, dass ein 4-Quadrat-Meter-Gerät durchschnittlich 7.500 Liter Wasser pro Tag extrahieren kann.
Bei dem Gerät kommt feuchte Luft in das System und wird durch einen Druckabfall hinter den Rotorblättern der Windenergieanlage gekühlt. Die Luft strömt in eine Kammer mit gekühlten Metallplatten aus nicht-benetzbaren Flächen und die kondensierten Wassertröpfchen laufen in eine Sammelstelle.
Für die Kondensation wird eine große Menge an Energie benötigt. Aber der Erfinder ist zuversichtlich, dass seine Windturbine effizient genug ist. Quelle: Anna Salleh
Ähnliche Anlagen sind in der Erprobung, damit auch in Trockengebieten Wasser "geerntet" werden kann.
Max-Air  -  Max Water  - Video
Ein Notstromaggregat wird zunehmend im industriellen, aber auch privaten, Bereich eingesetzt. Besonders in Gebäuden, die mit Strom beheizt werden, so z. B. Wärmepumpenanlagen, ändert sich die Risikobewertung. Im Prinzip ist jede moderne Anlage von der Stromversorgung abhängig. Notstromaggregate und Netzersatzanlagen sind für Krankenhäuser, Behörden, Rechenzentren und andere sensible Bereiche vorgeschrieben oder selbstverständlich.
Diese Stromaggregate gibt es als stationäre Einheiten (Industrie, Krankenhäuser) oder mobile Geräte (pivate Wohngebäude). Sie können mit Gas, Benzin oder Diesel betrieben werden.
Die mobilen (tragbaren) Geräte haben eine Leistung von 2 bis 30 kVA, die über mehrere 230 Volt Schutzkontakt-Steckdosen verfügen und darüber hinaus meist noch mit einem Kraftstrom-Anschluss ausgestattet sind.
Quelle: MITTRONIK GmbH
Inverter-Generatoren (-Stromerzeuger) sind Wechselrichter. (Gleichspannung in Wechselspannung bzw. Gleichstrom in Wechselstrom). Hier sind der Verbrennungsmotor und Generator elektrisch voneinander getrennt und sie laufen nicht mit der selben Frequenz. Der vom Generator erzeugte Strom wird von der nachgeschalteten Wechselrichterelektronik in 230 oder 400 Volt mit 50 Hz umgewandelt. So wird aus dem Eingangsstrom eine perfekte, saubere Sinusspannung mit einer optimalen Sinuskurve hergestellt.
Honda-Inverter-Stromerzeuger
Diesel-Inverter-Stromerzeuger
Quelle: MITTRONIK GmbH
Die Inverter-Generatoren können im Schwachlast- bzw. Teillastbetrieb ihre Drehzahl und dadurch nicht nur den Kraftstoffverbrauch, sondern auch die Geräuschentwicklung, reduzieren. Auch soll die Stromqualität besser sein, als der Strom aus der Haussteckdose.
Die Geräte sind nicht mehr an die bei der Stromerzeugung notwendige Drehzahl von 3000 min-1 gebunden. Dadurch können sie kompakter als konventionelle Generatoren gebaut werden, da mit weniger Hubraum gearbeitet werden kann. Statt eines Verbrennungsmotors mit 120 cm3 Hubraum und 3000 min-1 kann ein 50 cm3-Motor mit 6000 min-1 bei gleicher Leistung eingesetzt werden.
Die Inverter-Generatoren in der Leistungsklasse bis ca. 2 kVA sind so kompakt, dass sie ohne Probleme von einer Person transportiert werden können.
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Kaufberatung Stromerzeuger / Generator
Klein-Brennstoffzelle
Klein-Brennstoffzelle
Quelle: SFC Energy AG
Diese Brennstoffzelle wurden für eine zuverlässige alternative Stromversorgung von mobilen und portablen Anwendungen im Leistungsbereich bis 90 W entwickelt. Es gibt drei Modelle mit einer Ladekapazität von 600 bis 2160 Wh pro Tag. Bei einem höheren Bedarf können mehrer kombiniert werden.

In der Brennstoffzelle wird chemische Energie ohne Zwischenschritte, ohne bewegte Teile und ohne große Wirkungsgradverluste in elektrische Energie umgewandelt.

 
EFOY Brennstoffzellen - SFC Energy AG
Das Strom erzeugende Herzstück der Brennstoffzellen ist der Stack (engl. Stapel). Er besteht aus einzelnen Zellen, die jeweils aus Anode, Kathode und einer Membran aufgebaut sind, die als Elektrolyt Anode und Kathode voneinander trennt. Durch die Membran können positiv geladene elektrische Teilchen, die Protonen, diffundieren. Auf der Seite der Anode werden Wasser und Methanol zugeführt, auf der Seite der Kathode Sauerstoff aus der Umgebungsluft. In der Reaktion an der Anode entstehen H+-Ionen und freie Elektronen, sowie als Reaktionsprodukt Kohlendioxid (CO2). Die Protonen können die Membran durchqueren, die Elektronen müssen über einen angeschlossenen Stromkreis auf die Kathodenseite wandern und erzeugen dabei Strom. An der Kathode entsteht aus den H+-Ionen, dem Luftsauerstoff und den Elektronen Wasserdampf. Quelle: SFC Energy AG
Funktionsprinzip
Quelle: SFC Energy AG
Technologie der EFOY-Brennstoffzellen - SFC Energy AG
Thermodynamisches Kleinkraftwerk

Das "Thermodynamische Kleinkraftwerk" ist ein Kleinkraftwerk das seine Energie aus der Umgebung, in Form der darin gespeicherten Wärmeenergie, beziehen soll. Das Ziel ist die Entwicklung eines Kleinkraftwerk-Prototypen, der die Umgebungswärme in elektrische Energie wandelt und ca. 1 KW Überschussleistung bringt. Die Verwirklichung eines Kreisprozesses, der eine kontinuierliche und zuverlässige Energiekonversion ermöglicht.
Bei dem Projekt geht es um die Umwandlung von Umgebungswärme in kinetische Energie, um daraus elektrische Energie bereit stellen zu können. Das geschieht auf der Grundlage eines thermodynamischen Kreisprozesses.
Die Erkenntnisse, wie ein thermodynamischer Kreisprozess aussehen muss, der die Enthalpie der Luft in mechanische Energie umzuwandeln vermag, gehen bis ins 19. Jahrhundert zurück und wurden aktuell von einem Erfinder (Lazare und Sadi Carnot?) und über den Kontakt zu diesem, nun auch von uns aufgegriffen.
Das Arbeitsmedium des Kreisprozesses und somit der darin eingesetzten Kraftmaschine ist reines CO2 das optimale Betriebsbedingungen schafft. Damit wird eine Umgebungswärmenutzung bis unter - 20 °C möglich.
Der Prozess ist vergleichbar mit dem einer Wärmepumpe, die Wärmeenergie zum Heizen bereitstellt, nur mit dem Unterschied, dass hier anstelle von einem höheren Wärmeniveau verwertbare kinetische Energie resultiert.
Das System eignet sich besonders gut zur privaten Anwendung und zur dezentralen Energieversorgung.
Eine frei erhältliche Dokumentation mit Bauplänen und den nötigen Angaben soll erstellt werden und zur allgemeinen Verbreitung dieser Energielösung beitragen.

Vereinfachtes Schema zur Veranschaulichung des thermodynamischen Vorgangs
Quelle: Felix M. Hediger

Die Verwirklichung des Vorhabens stützt sich auf die Erfahrungen des Erfinders, der nach eigenen Angaben, ein auf diesen Prinzipien basierendes Funktionsmodell mit einer Überschussleistung von 200 W erfolgreich betreiben konnte.
Um die eigene Maschine mit einer Leistung von ca. 1000 W auslegen zu können, müssen Vorversuche durchgeführt werden.
Auf die Erkenntnisse aus diesen Versuchen ist die Auslegung der Kraftmaschine abzustützen und darauf hin deren Konstruktion festzulegen.
Um den besonderen Kreisprozess betreiben zu können sind weitere Eigenkonstruktionen nötig.
Eine Dokumentation zur Bereitstellung für die Allgemeinheit soll erarbeitet werden.
Quelle: Felix M. Hediger

Thermodynamisches Kleinkraftwerk -  Felix M. Hediger

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