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Ausblick auf das Wintersemester 2019/20

Im kommenden Wintersemester 2019/20 biete ich am Institut für Betriebs- und Technologiemanagment (IBT) des Umwelt-Campus wieder zahlreiche Projektarbeiten und Abschlussarbeiten in den Forschungsbereichen der Energiesystemtechnik und der Produktionstechnologie an. Die Angebote richten sich insbesondere an Studierende aus den Bachelorstudiengängen Angewandte Informatik, Erneuerbare Energien, Maschinenbau, Sustainable Business and Technology, Umwelt- und Wirtschaftsinformatik sowie Wirtschaftsingenieurwesen/Umweltplanung und aus den Masterstudiengängen Angewandte Informatik, Business Administration and Engineering, International Material Flow Management, Digitale Produktentwicklung sowie Umweltorientierte Energietechnik.

Photovoltaikfreiflächenanlage als Strichzeichnung
Strichzeichnung einer PV-Freiflächenanlage

Des Weiteren biete ich im Wintersemester folgende Veranstaltungen an:

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Reisebericht Porto

Die portugiesische Stadt Porto mit ihren rund 240.000 Einwohnern liegt im Norden des Landes. Die Stadt wird vom Rio Douro durchflossen, der bei Porto in den Atlantik mündet.

Blick auf die Altstadt von Porto über den Rio Douro.

Um sich in Porto fortzubewegen, lassen sich, neben der Erkundung zu Fuß, die Metro bzw. der Bus nutzen. Die Metro fährt zwar mit mehreren Linien, die jedoch in der Stadt auf einer gemeinsamen Route fahren. Erst etwas außerhalb der Innenstadt teilen sich die Linien auf. Die Busse fahren sämtliche Routen in der Stadt ab und sind ideal, um bei der Fahrt Porto kennenzulernen. Die Nutzung der öffentlichen Verkehrsmittel ist relativ einfach – an den Metrostationen gibt es Ticketautomaten, um sich eine wiederaufladbares Ticket zu kaufen. Dieses Ticket wird bei der Metro vor dem Betreten der Gleise bzw. in den Bussen vorne beim Busfahrer eingestempelt, sodass der (recht günstige) Betrag für die Fahrt abgebucht wird. Vom Flughafen Porto fährt die Linie E (violett) direkt nach Porto.

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Python-Skripte zur Berechnung der Sonneneinstrahlung in die geneigte Ebene

Einführung

Die Kenntnis der Sonneneinstrahlung am Standort einer Photovoltaikanlage ist von entscheidender Bedeutung, um daraus den Stromertrag berechnen bzw. abschätzen zu können und um die Performance Ratio (PR) als Qualitätskennzahl einer PV-Anlage zu berechnen.

In der Regel liegen Einstrahlungsdaten am Standort der PV-Anlage nicht vor, da kein geeignetes Messsystem vorhanden ist. Wettermessstationen befinden sich nicht in unmittelbarer Nähe zur Anlage, sodass die Einstrahlungsmessdaten ggf. sehr ungenau sind, wenn diese auf den Standort der PV-Anlage umgerechnet werden. Flächendeckend liegen nur Messdaten der Sonneneinstrahlung auf Satellitenbasis vor, welche die Dichte der Wolkendecke bestimmen und daraus die Einstrahlungsdaten am Boden berechnen.

Die Einstrahlungsmessdaten liegen meistens für die Horizontale vor, d.h. wie groß die Strahlungsleistung bzw. eingestrahlte Energie pro Quadratmeter auf die horizontale Ebene ist. Da die PV-Module eine Neigung aufweisen (abhängig vom Standort und den äußeren Umständen wie z.B. die Orientierung und Neigung eines Satteldachs), muss die horizontale Einstrahlung in die geneigte Ebene umgerechnet werden. Hierzu müssen der direkte und diffuse Anteil der Horizontalstrahlung bekannt sein, um daraus die drei Einstrahlungsanteile direkt, diffus und reflektiert in die geneigte Modulebene zu ermitteln.

Im Folgenden wird zunächst erläutert, wie der Zugriff auf horizontale Strahlungsdaten für Standorte in Europa über den CAMS Radiation Service des COPERNICUS Erdbeobachtungsprogramms der EU erfolgt. Anschließend wird ein Skript zur Berechnung der Einstrahlung in die geneigte Ebene auf Basis des isotropen Himmelsmodells für diffuse Strahlung vorgestellt. Schließlich wird dargestellt, wie die Python-Bibliothek pvlib der PVPerformance Modeling Collaborative der Sandia National Laboratories genutzt werden kann, um die Einstrahlungsumrechnung durchzuführen.

Die zugehörige Jupyter-Notebook-Datei kann unter folgendem Link heruntergeladen werden:
https://www.umwelt-campus.de/ucb/fileadmin/users/176_h.teheesen/script/irradiance/calc_tilted_irradiance.ipynb (Download durch Rechtsklick und „Speichern unter …“)

Die folgenden Ausführungen inkl. des Python-Codes sind aus der Jupter-Notebook-Datei entnommen und in HTML übertragen worden.

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Visualisierung des steigenden Meeresspiegels mit Google Earth [Update]

Mithilfe von Google Earth lässt sich der Effekt des steigenden Meeresspiegels und den sich daraus ergebenden Folgen für die Küstenlinie darstellen.

  1. Zunächst sollten alle Layer entfernt werden, um eine vollkommen leere Ansicht zu bekommen.
  2. Danach sollten die Grenzen sowie die 3D-Gebäude aktiviert werden, um später eine schöne Ansicht des gestiegenen Meeresspiegels zu erhalten. Zudem muss unter Layer der Menüpunkt „Terrain“ aktiviert werden, damit das Gelände- und Höhenprofil dargestellt wird.
  3. Nun muss der virtuelle Meeresspiegel eingefügt werden. Hierzu kann das farbiges Quadrat als jpg-Datei heruntergeladen werden. In Google Earth muss ein neuer Layer erzeugt werden.
    sealevel_3
    Dem Layer wird eine sinnvolle Bezeichnung gegeben. Anschließend wird das farbige Quadrat mit dem Layer verlinkt.
    sealevel_4
  4. Unter dem Karteireiter Location müssen folgende Daten eingetragen werden, damit sich der Layer über die gesamte Erdkugel erstreckt:
    Nord: 90°      Ost: 180°
    Süd: -90°      West: -180°
    sealevel_5
  5. Danach muss die absolute Höhe des virtuellen Meeresspiegels eingetragen werden. In dem Pulldown-Menü muss hierzu „absolute“ ausgewählt werden. Darüber hinaus muss die Transparenz des Layers so eingestellt werden, dass durch den Layer hindurch die Erdoberfläche zu erkennen ist.
    sealevel_6
  6. Anschließend lassen sich in Google Earth die Auswirkungen eines gestiegenen Meeresspiegels beobachten. Unter „My Place“ lassen sich die Parameter des Layers, insbesondere die absolute Höhe, variieren.

Bei einem Anstieg des Meeresspiegels um 10 m ergäbe sich in Norddeutschland folgendes Bild: Die Inseln Sylt und Amrum wären in der Nordsee verschwunden, ähnlich wie weite Teile Schleswig-Holsteins. Der Anstieg des Meeresspiegels hätte sogar zur Folge, das Teile der Hamburger Innenstadt überflutet wären.Norddeutschland bei 10m gestiegenem Meeresspiegel. Blick nach Süden

Update 08.08.2018: In Google Earth gibt es nun einen Layer-Menüpunkt, um das Terrain ein- und auszublenden. Punkt 2 der Anleitung wurde dahingehend aktualisiert.

Ertragsdaten von PV-Dachanlagen für 2014 und 2015

Ertragskarten für 2014 und 2015

Nachdem wir für die Jahre 2016 und 2017 die Erträge von Photovoltaikdachanlagen in Deutschland auf Basis von Fernüberwachungsmessdaten publiziert haben, haben wir nun die Erträge dieser PV-Anlagenklasse auch für die Jahre 2014 und 2015 analysiert und die Ertragsdaten veröffentlicht. Da die Datenanalyse im Mittelpunkt steht, haben wir auf eine ausführliche Beschreibung der Daten verzichtet. Die beiden Dokumente mit der Datenanalyse sind zu finden unter:

https://www.umwelt-campus.de/ucb/index.php?id=ertragsstudie

Durch diese Ertragsanalysen konnten wir die bisher bestehende zeitliche Lücke schließen, sodass nun fortlaufend von 2012 bis 2017 die ausgewerteten Ertragsdaten vorliegen. Die Studien für 2012 und 2013 schließen noch größere PV-Anlagen ein, ab 2014 konzentrieren sich die Untersuchungen auf PV-Dachanlagen bis zu einer Nennleistung von rund 30 kWp.

Festplattenspeicherplatz auf dem Mac freigeben

Mit dem Dateisystem APFS auf dem Mac mit High Sierra (Version 10.13) kann es passieren, dass die Festplatte voll erscheint, obwohl noch ausreichend Speicherplatz verfügbar ist. Im Englischen wird dieser Speicher, der die Festplatte belegt, als „Purgeable“ (freisetzbar) bezeichnet. Um diesen freisetzbaren Speicherplatz zu entfernen, öffnet man zunächst die Konsole (z. B. CMD + Space drücken und dann Terminal eintippen). Dort gibt man den Befehl

df -h

ein, um den tatsächlich freien Speicher angezeigt zu bekommen (angegeben unter Avail). Anschließend tippt man in der Konsole den Befehl:

dd if=/dev/zero of=~/foo.bar

Mit diesem Befehl beginnt der Mac nun die Datei foo.bar im Home-Verzeichnis anzulegen, die mit der Zeit immer größer wird; in einer zweiten Konsole kann man durch ls -lh ~  sehen, wie die Dateigröße zunimmt. Nach gewisser Zeit (das kann einige Minuten dauern) kommt vom System eine Meldung im Fenster, dass die Festplatte voll ist. Diese Meldung kann man ignorieren und die Datei weiter wachsen lassen. Noch später bricht der Befehl im Terminal ab, da die Festplatte tatsächlich voll ist. Mac OS hat nun den freisetzbaren Speicher vollständig freigegeben. Man kann die Datei nun in der Konsole löschen

rm ~/foo.bar

und auf dem Mac ist nun mehr Speicherplatz frei.

Weitere Infos finden sich unter:

https://www.jackenhack.com/mac-os-remove-purgeable-high-sierra/
https://www.jackenhack.com/mac-os-purgeable-remove-clear-space/

Energieverbrauch des Bitcoin-Netzwerks

In einer aktuellen Publikation im Journal Joule zeigt de Vries, dass der Strombedarf für das Bitcoin-Netzwerk stark angewachsen ist und weiter steigt. Derzeit beträgt die Stromleistung, die weltweit für das Bitcoin-Netzwerk benötigt wird, 2,55 GW. De Vries geht weiter davon aus, das bereits zum Ende des Jahres 2018 die Last auf 7,67 GW ansteigen kann.

Da das Bitcoin-Netzwerk dies Stromlast permanent benötigt, ergibt sich daraus ein jährlicher Strombedarf von 22,3  TWh bei aktueller Last bzw. 67,2 TWh bei der prognostizierter Last zum Jahresende. Der aktuelle Strombedarf für das Bitcoin-Netzwerk beträgt damit dem Jahresstromverbrauch in Nigeria (24 TWh/a) und könnte bis Ende 2018 auf den Bedarf von Österreich (69,8 TWh/a) steigen. Für die Bereitstellung der Bitcoin-Stromlast müsste in Deutschland das Braunkohlekraftwerk Boxberg permanent Strom produzieren. Eine Grundlast von 7,67 GW könnte durch sämtliche noch in Deutschland im Betrieb befindlichen Kernkraftwerke bereitgestellt werden.

 

PV-Ertragsstudie 2017

Wir haben auch in diesem Jahr wieder die Ertragsdaten von mehr als 23.000 Photovoltaikkleinanlagen mit einer Nennleistung bis 30 kWp in Deutschland für das Kalenderjahr 2017. Hierzu haben wir Tagesertragsdaten inklusive der Konfiguration der PV-Anlagen verwendet und die Ertragsdaten auf monatliche Werte aggregiert. Die Daten sind durch einen zweistufigen Algorithmus bereinigt worden, um nur PV-Anlagen ohne Fehlfunktion zu betrachten.

2017 war in weiten Teilen Deutschlands ein eher unterdurchschnittliches Ertragsjahr für Photovoltaikanlagen mit einem Minderertrag von rund drei Prozent, verglichen mit dem Referenzzeitraum 2012 bis 2016. Lediglich im Juni lagen die Erträge in 2017 über dem langjährigen Mittel, die übrigen Monate reihen sich im unteren Drittel der Monatserträge ein.

Im Südwesten Deutschlands konnten 2017 die höchsten spezifischen Erträge von über 1.100 kWh/kWp ermittelt werden. Hingegen betragen die spezifischen Erträge der Photovoltaikanlagen im Nordwesten lediglich 900 bis 950 kWh/kWp. Die regionale Spreizung der Erträge ist im Vergleich zu den Vorjahren relativ groß.

Die Auswertungen in dieser Studie basieren auf rein statistischen Methoden und Algorithmen. Daher sind die Ergebnisse objektiv nachprüfbar und weisen keinen subjektiven Einfluss auf. Die Signifikanzanalyse zeigt, dass bei einer hinreichend großen Zahl auswertbarer PV-Anlagen die statistischen Ergebnisse die wahren Erträge der Solaranlagen sehr gut widerspiegeln.

Weiterführende Informationen zur Studie, zur Forschung im Bereich der Ertragsanalyse von Photovoltaikanlagen sowie Kontaktdaten sind zu finden unter:
https://www.umwelt-campus.de/ucb/index.php?id=ertragsstudie

Neues Wahlpflichtfach: Energieinformatik

Im laufenden Wintersemester biete ich für Bachelor- und Masterstudierende ein neues Wahlpflichtmodul „Energieinformatik“ an.

Folgende Inhalte werden in den Modul vermittelt:

Um Energiesysteme unter Berücksichtigung volatiler, regenerativer Energiequellen modellieren, simulieren und optimieren zu können, müssen die Erzeugungs- und Verbrauchssysteme in einer Region digital erfasst und parametrisiert werden, sodass aus diesem System unter anderem Rückschlüsse auf Potenziale zur Energieeinsparung sowie Prognosen zur künftigen Entwicklung abgeleitet werden können. Hierzu werden die Studierenden folgende Punkte erarbeiten:

  • Auswahl eines regionalen Energiesystems (Energieholon, Quartier, Energiewabe)
  • Aufbau einer Datenbankstruktur
  • Programmierung von Skripten zur Modellierung des Energiesystems
  • Optimierung des Energiesystems
  • Visualisierung des Energiesystems

Die Veranstaltung findet immer donnerstags, 9:00-12:10 Uhr, in Raum 9924-027 statt und beginnt am 12. Oktober. Bitte bringen Sie Ihr Notebook zum Seminar mit. Die Verwaltung des Kurses erfolgt in OLAT.

AfD: Die Energie- und Klimapolitik im Wahlprogramm 2017

Im Wahlprogramm 2017 der AfD spielen Energie- und Klimapolitik, ähnlich wie bei der FDP, eine untergeordnete Rolle. Beide Themenfelder werden in Kapitel 13 und teilweise auch noch in Kapitel 14 (von insgesamt 15 Kapiteln) auf lediglich drei Seiten abgehandelt. Damit wird der geringe Stellenwert der Energie- und Klimapolitik bereits im inhaltlichen Aufbau des Wahlprogramms deutlich.

Energiewende

Die AfD positioniert sich kritisch gegenüber der seit vielen Jahren laufenden Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Quellen. Dabei sind die Aussagen der AfD an zahlreichen Stellen des Wahlprogramms falsch und widerlegt. So ist die Behauptung, dass „[die Strompreise] mit jedem Zubau weiterer Wind- und Sonnenstromanlagen und dem Netzausbau zwangsläufig weiter steigen„, nicht richtig, da die Stromgestehungskosten von Windenergieanlagen an Land und PV-Anlagen mittlerweile genauso groß wie von konventionellen Kraftwerken sind. Auch die Aussage, dass die Energiewende zu einen „zunehmendes Risiko für Stromausfälle“ wird, ist falsch, da die Prognosegüte der Wind- und PV-Einspeisung in der gleichen Größenordnung wie bei konventionellen Kraftwerken liegt.

Die AfD fordert, dass „EEG ersatzlos zu streichen„, wobei die Vergütungszahlungen für die Bestandsanlagen weiterlaufen würden, sodass die finanzielle Belastung für die Stromkunden erst ab dem Jahr 2028 mit Auslaufen des Vergütungszeitraums signifikant sinken wird. Auch will die AfD „auf die Nutzung moderner Gas- und Kohlekraftwerke […] auf absehbare Zeit nicht verzichten […]„, sodass ein wirkungsvoller Klimaschutz mit der AfD nicht zu erwarten ist. Schließlich will die AfD den Ausbau der Windenergie durch unterschiedliche Maßnahmen und Auflagen quasi beenden, wobei die Argumente der AfD (z. B. „Gravierend sind auch die gesundheitlichen Schadwirkungen auf den Menschen durch Schattenschlag und Lärmemission.„) falsch sind oder bereits durch geltende gesetzliche Bestimmungen abgedeckt werden.

Eine Verkehrswende wird sich mit der AfD nicht durchsetzen, da die AfD will, dass „die Elektromobilität […] sich wie jede Technik auf marktwirtschaftlicher Basis entwickeln [muss].“ Da neue Technologien in der Regel Anschubfinanzierungen in unterschiedlicher Form benötigen, um Marktreife zu erlangen, wird sich die (Batterie-)Speichertechnik unter den von der AfD geforderten Voraussetzungen nicht durchsetzen können.

Klima

In Bezug auf den Klimawandel nimmt die AfD eine wissenschaftlich umfassend widerlegte Position ein, da aus Sicht der AfD „die Aussagen des Weltklimarats (IPCC), dass Klimaänderungen vorwiegend menschengemacht seien, […] wissenschaftlich nicht gesichert [sind].“ Auch die Behauptung, dass „[die Aussagen] allein auf Rechenmodellen [basieren], die weder das vergangene noch das aktuelle Klima korrekt beschreiben können„, ist falsch. Schließlich ist die Ansicht, dass „[es] schon vor der Industrialisierung […] Warm- und Kaltperioden [gab], die sich nicht durch die zugehörige CO2-Konzentration der Luft erklären lassen„, wissenschaftlich als falsch belegt.

Persönliches Fazit

Von der AfD wird man keine Impulse hinsichtlich einer Fortführung der Energiewende erwarten dürfen. Durch das Leugnen von wissenschaftlichen Fakten hinsichtlich des anthropogenen Klimawandels wird der Status Quo der fossilen Energieerzeugung eher ausgebaut als zurückgefahren. Ein Interesse der AfD zur nachhaltigen Entwicklung innovativer Technologien in Deutschland gibt es nicht.