Hybridkraftwerk

Energie aus dem Schulgarten - das war die Idee hinter dem zdi-Wettbewerb, der erstmals im Jahr 2016 ausgerufen wurde. Schnell war für uns klar, dass wir ein autarkes Gewächshaus im Schulgarten bauen wollen. 

In einem ersten Planungsschritt wurden Arten der Energieerzeugung (Sonne, Wind, Erdwärme, Wasserkraft, Biogas), Energiespeicherung (klassische Akkus, Wasserstoff/ Brennstoffzelle) und Energieverwendung (Beleuchtung, Handy- bzw. Laptop-Aufladung, Gartenbewässerung) intensiv diskutiert. Leitfrage war dabei: Welche (regenerativen) Energieformen können in einem Hybridkraftwerk der Schule erzeugt und wie kann die erzeugte Energie ökologisch, nachhaltig und technisch raffiniert genutzt werden? Schwierig erwiesen dabei folgende Aspekte: 1) Energiebilanz, um z.B. Beleuchtungen oder Ladevorgänge von Akkus in Handys oder Lap¬tops realisieren zu können, 2) Einbezug des Schulgebäudes (Bestehende Infrastruktur, Genehmigungen des Schulträgers, viele Vorschriften) und 3) Kosten und Ressourcen, was die Größenordnung und Realisierbarkeit betrifft. Schließlich wurde folgendes, in hohem Maße fächerübergreifendes (siehe Anlage „Vernetzung der Fächer“) Projektziel entwickelt: Aufbau und Bepflanzung eines Gewächshauses auf dem Außengelände des Schulgartens mit einem Hybridkraftwerk zur Erzeugung von Strom aus Sonne, Wind und Biogas, einer Energiespeicherung in Akkus und Wasserstoff (Elektrolyse) sowie eine Nutzung der Energie zur Überwachung und Steuerung der Wachstumsparameter (z.B. Bewässerung, Temperaturkontrolle) für das Pflanzenwachstum im Gewächshaus.

Energieerzeugung

Um den Energiebedarf der geplanten Verbraucher abdecken zu können, soll auf mehrere Quellen gesetzt werden: 1) Sonnenenergie, 2) Windenergie, 3) Biogas. Solar- und Windkraftanlagen liefern in der Regel eine Nennspannung von 12V oder 24V. Zum Einsatz kommt hier eine Anlage mit 24 V. Dies bedeutet, dass bei gleicher Leistungsaufnahme der Verbraucher nur die halbe Stromstärke im Vergleich zu einem 12 V-System benötigt wird. Damit sind geringere Leitungsquerschnitte möglich (Kostenersparnis). Zur Nutzung der Sonnenenergie wird ein Wagner Solarmodul M72 mit einer Leistung von 200Wp eingesetzt. Um eine effiziente Wandlung der höheren Solarspannung (ca. 35V) auf die Ladespannung der Akkus (24V) zu erzielen, wird ein Solarladeregler TriStar TS-45 verwendet. Dieser Laderegler speist zwei in Serie geschaltete 12V-AGM-Akkus mit einer Kapazität von je 38Ah. Der Laderegler übernimmt die Spannungswandlung (Leistungswandler) und den effizienten, akku¬schonenden Ladevorgang über einen vierstufigen Ladevorgang. Er verfügt zudem über eine serielle Modbus-Schnittstelle, welche mittels eines USB/Seriell-Wandlers mit einem Raspberry Pi 3-Minicomputer verbunden ist. Auf diese Weise wird die aktuelle Akkuspannung, der Ladezustand sowie die eingespeiste Solarleistung überwacht und protokolliert. Die erforderliche Datenanbindung erfolgt über ein selbstgeschriebenes Programm über die pymodbus-Bibliothek. Über die Kenntnis des Ladezustands wird zunächst eine Akku-Schutzmaßnahme realisiert. Wenn der Ladezustand des Akkus zu gering ist, erfolgt kein Betrieb der Pumpe, der Magnetventile und des Ventilators. Mittelfristig sollen der Zeitpunkt, die Zeitdauer und die Art der Verbraucher so gesteuert werden, dass der Akku-Ladezustand möglichst auf einem hohen Niveau gehalten wird. Um die Entladung der Akkumulatoren über Nacht oder an sonnenarmen Tagen durch den permanent laufenden Raspberry Pi 3 abzumildern, ist zusätzlich eine Energy Eco M300 Windturbine mit 24V/100W zur Ladung der Akkus vorhanden. Diese Windturbine enthält einen eigenen Laderegler und wird parallel zum Solarladeregler direkt mit den Akkumulatoren verbunden. Als Schutzmaßnahme vor Kurzschlüssen oder Überlast werden die beiden Akkumulatoren über einen Sicherungslasttrenner LT100 abgesichert. Zusätzlich wird über einen simplen Solarladeregler „Solsum 6.6F“, der hier nur als Tiefentladeschutz betrieben wird, eine komplette Zwangsab¬trennung aller Verbraucher im Falle einer zu niedrigen Akkuspannung realisiert. Die Biogasanlage besteht aus einem Fermenter, einer Speichervorrichtung, einem Gasmotor und einem Generator. Der Fermenter ist ein 220 Liter großes Kunststoff-deckelfass mit Spannring. In diesem werden Bioabfälle, im Moment Grasschnitt, mit Hilfe von hochkonzentriertem Dünger durch Fermentation zu Biogas zersetzt. Das entstandene Biogas besteht zu ca. 50% aus Methan. Auf dem Weg in die Speicher-vorrichtung wird das Gas durch einen Filter aus Eisenwolle geleitet, um es zu ent-schwefeln. Die Speichervorrichtung besteht aus zwei ineinander gesteckten Fässern, das größere ist mit Wasser gefüllt, das kleinere Fass speichert das Gas und kann sich im größeren Fass je nach Druck des Gases nach oben bzw. unten bewegen (Gasometer-Prinzip). Diese Speichervorrichtung arbeitet gleichzeitig als Überdruckventil, da überschüssiges Gas aus dem Wasser am Rand des Fasses entweichen kann. Das entstandene Gas wird in den Gasmotor geleitet, welcher mit ca. 2800rpm läuft. Der Gasmotor treibt einen Generator an, welcher aus einem ehemaligen Bioheizkraftwerk stammt. Die so erzeugte elektrische Energie wird in das System eingespeist. Darüber hinaus werden die freigesetzten warmen Abgase mit Hilfe von Schläuchen durch den Fermenter geleitet, um diesen zu beheizen und die Fermentation weiter anzuregen.

Energiebedarf

Für einen erfolgversprechenden Betrieb des Gewächshauses sind insbesondere eine Belüftung sowie eine Bewässerungsvorrichtung erforderlich. Diese Einrichtungen benötigen, wenn auch jeweils nur für einen begrenzten Zeitraum, die meiste Energie. Für die Bewässerung werden Fluttische mit den Maßen 100cm x 200cm verwendet, d. h. es kommt ein Ebbe-Flut-System zum Einsatz: Ist das Pflanzsubstrat zu trocken, so wird der Tisch unter Verwendung einer Pumpe (24V, ca. 25W), die das Wasser einem Vorratsbehälter entnimmt, geflutet. Die Pumpenleistung ist so gewählt, dass sich die mechanische Reduzierung von Wasserdruck und Fördermenge erübrigt, hier also keine zusätzlichen Energieverluste auftreten. Nach einer gewissen noch experimentell zu bestimmenden Flutdauer wird das Wasser wieder in den Vorratsbehälter abgelassen. Hier kommt ein stromlos geschlossenes 24V Magnetventil zum Einsatz. Zur Minimierung des Energiebedarfs werden pumpenseitig Schläuche mit möglichst großem Querschnitt verwendet um eine Reduzierung von Reibungsverlusten zu ge¬währleisten. Ferner ist der Vorratsbehälter möglichst hoch unter dem Tisch angebracht, um die Hubarbeit zu verringern (Prinzip einer Sparschleuse). Bei dem gerin¬gen Höhenunterschied und der damit verbundenen geringen Druckdifferenz erscheint der Einsatz einer Turbine zur Rückgewinnung der Lageenergie beim Ablassen des Wassers nicht angebracht. Bei sommerlichen Temperaturen steigt durch das Flutsystem die Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus auf Werte, die für einige Pflanzen schädlich sein können. Hier sorgt ein fest in eine Seitenscheibe eingebauter Comex-Ventilator (24V, 100W) bei geöff-neten Fenstern für einen Luftaustausch. Anzumerken ist, dass sich die Fenster des Gewächshauses momentan noch mit Hilfe von Gasdruckfedern bei entsprechenden Temperaturen öffnen bzw. schließen. Eine Umrüstung auf ein System mit Elektromotoren soll zum Zweck einer gezielteren Steuerung in nächster Zeit erfolgen. Neben der Belüftung und Bewässerung sind zudem noch kontinuierlich arbeitende Verbraucher mit allerdings geringem Energiebedarf (Grundlast) zu berücksichtigen. Hierzu gehören neben einer Wetterstation sowie Sensoren im Gewächshaus auch der Mini-Computer, der die Messwerte erfasst, protokolliert und die Steuerung von Fensteröffnung, Pumpen und Lüftung übernimmt. Im Falle des Ver¬sagens einer Komponente ist ein Benachrichtigungssystem zu installieren. Es wird Tage geben, an denen mehr Energie zur Verfügung steht als die oben auf-geführten Komponenten benötigen. Ein sinnvoller Einsatz dieses Überschusses ist noch zu erörtern.

Mögliche Ansätze sind:

a) Heizung der Biogas-Anlage. Die Anlage arbeitet erst bei höheren Temperaturen effektiv. Es ließe sich hiermit letztendlich ein Energievorrat erwirtschaften.

b) Elektrolyse zur Brennstoffgewinnung für Brennstoffzellen.

Energiespeicherung

Die Anforderungen an den primären Energiespeicher sind weitgehende Wartungs-freiheit, Langlebigkeit, möglichst geringe Kosten (pro kWh), Ladung und Entladung mit Stromstärken von einigen Ampere, kurzzeitige Verfügbarkeit der gespeicherten Energie und Möglichkeit der Überwachung der gespeicherten Energie (Ladezustand). Aufgrund der Vorgaben eignen sich hierbei Akkus als Energiespeicher. Für Solar- und Windenergieanlagen werden von den Fachhändlern sowohl Blei-Akkus als auch Akkus auf Lithium-Ionen-Basis angeboten. Aufgrund der finanziellen Herausforderungen bei der Realisierung des Projektes und da die Lebenszykluskosten bei beiden Akkutypen gleich sind, waren letztendlich die Anschaffungskosten entscheidend. Somit werden in der aktuellen Variante Blei-Akkus eingesetzt. In der aktuellen Ausbaustufe unseres Hybridkraftwerkes hat die Energiespeicherung durch Biogaserzeugung und Wasserstoffelektrolyse zum Teil nur exemplarischen Charakter. Auch ist die großtechnische Entwicklung noch nicht so weit fortgeschritten, dass es hier Lösungen, insbesondere im kleineren Rahmen, gibt. Fazit: Alle Beteiligten waren von der Dynamik und Schaffenskraft, die so ein innerschulisches Projekt freisetzt, überwältigt. Das Engagement und die klassen- bzw. jahrgangsübergreifende Zusammenarbeit, insbesondere auch im handwerklichen Bereich, sowie die fächerübergreifenden Interessen, die hier vielfältig eingesetzt wurden, haben eine hohe positive Wirkung innerhalb der Schulgemeinschaft als auch sehr viel Interesse und Zuspruch in der Elternschaft und interessierten Öffentlichkeit der Schule entfaltet. Es wurde bei „Null“ gestartet, es gab keine unmittelbaren Anknüpfungspunkte. Die Größenordnung unserer Projektidee war und ist für schulische Verhältnisse und unter dem Zeitfaktor des Wettbewerbs ausgesprochen ambitioniert: Erhebliche Vorarbeiten waren nötig, Genehmigungsfragen mussten geklärt, Lieferfristen und bauliche (wetterabhängige) Maßnahmen als Voraussetzung für die (eigentliche) technische Umsetzung mussten bedacht werden. Maßgeblich wollten unsere Schüler/-innen von Beginn an etwas nachhaltig Beständiges schaffen, das in den kommenden Jahren in unterschiedlichen Fächern und Aufgabenbereichen über den eigentlichen Wettbewerb hinaus weiter entwickelt werden kann.