Siggenthal mit 40% Solarenergie. 7 Siggenthal mit 40% Solarenergie

Siggenthal mit 40% Solarenergie 7 Siggenthal mit 40% Solarenergie Verfasser: N. Büttler Erstelldatum: Änderungsdatum: 14.07.2012 06.09.2012 Kapit...
Author: Axel Berger
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Siggenthal mit 40% Solarenergie

7 Siggenthal mit 40% Solarenergie

Verfasser: N. Büttler

Erstelldatum: Änderungsdatum:

14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 1

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Inhaltsverzeichnis 7.1

Einleitung ..................................................................................................................................... 3

7.2

Lastgänge ..................................................................................................................................... 3

7.2.1

Auswahl der Tage ................................................................................................................ 4

7.2.2

Bruttolastgangsumme EGS Gebiet ...................................................................................... 4

7.2.2.1

Rundsteuerung ................................................................................................................ 4

7.2.2.2

Saisonale Unterschiede ................................................................................................... 5

7.2.3

Lastgang Erzeugung ............................................................................................................. 8

7.2.4

Referenzanlage Flory ........................................................................................................... 8

7.2.4.1

Technische Daten ............................................................................................................ 9

7.2.4.2

Lastgänge der Referenzanlage Flory ............................................................................... 9

7.2.5

Zusätzlich Erzeugungseinheiten im Siggenthal.................................................................. 14

7.3

Meteodaten ............................................................................................................................... 15

7.4

Berechnung ............................................................................................................................... 16

7.4.1

Bereits bestehende Anlagen ............................................................................................. 16

7.4.2

Zusätzliche FV-Anlagen...................................................................................................... 18

7.4.3

Zusätzlich FV-Anlagen im Sommerhalbjahr ....................................................................... 22

7.4.4

Zusätzliche FV-Anlagen im Winterhalbjahr ....................................................................... 24

7.4.5

Benötigte Fläche ................................................................................................................ 26

7.4.5.1

Benötigte Fläche im Sommerhalbjahr ........................................................................... 27

7.4.5.2

Benötigte Fläche im Winterhalbjahr ............................................................................. 27

7.4.5.3

Bebaute Gemeindefläche .............................................................................................. 27

7.4.6

Geeignete Dachflächen im Siggenthal............................................................................... 28

7.4.7

Bereits bebaute Dachfläche im Siggenthal........................................................................ 29

7.5

Extremwerte .............................................................................................................................. 30

7.5.1

Extremwerte der Anwendung ........................................................................................... 30

7.5.2

Extremwerte der Produktion............................................................................................. 32

7.6

Geordnete Lastkurven ............................................................................................................... 33

7.7

Regelenergie und –leistung ....................................................................................................... 37

7.7.1

Geschwindigkeit der Regelenergie und –leistung ............................................................. 41

7.7.2

Fehler in den Berechnungen ............................................................................................. 41

7.8

Fazit ........................................................................................................................................... 42

7.9

Literaturverzeichnis ................................................................................................................... 43

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 2

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.1 Einleitung Mit dem Ausstieg aus der Kernenergie im Dezember 2011 hat die Schweizer Regierung auf die tragischen Zwischenfälle in mehreren Kernreaktoren in Japan regiert. Mit dieser Entscheidung, ist der Weg frei für neue Technologien. Ein wichtiger Teil der Strategie des Bundes zur Umsetzung der Energiewende besteht im Zubau der erneuerbaren Energien. Die lokale Elektrizitätsversorgerin vom Siggenthal, die Elektrizitäts-Genossenschaft Siggenthal, beschäftigt sich bereits mit den energietechnischen Herausforderungen der vermehrten Einspeisung von Solarenergie. Die EGS und die Bevölkerung interessieren sich für die Anzahl der zusätzlich benötigten Fotovoltaikanlagen im Siggenthal, die notwendig wäre, um die Energie aus den Kernkraftwerken mit Solarenergie zu ersetzen. Die Berechnung der zusätzlich benötigten Anlagen führt mehrere zusätzliche Themen mit sich, welche auch im Zusammenhang stehen mit der vermehrten Solarenergienutzung. Um das Verhalten der Erzeugung und der Anwendung zu analysieren, müssen die Leistungen von typischen Tagen im 15 min Mittelwerten herangezogen werden. Im EGS Gebiet sind heute schon 21 Fotovoltaikanlagen, welche Solarenergie ins Netz speisen. Diese Anlagen haben installierte Leistungen von 1.3 bis 180 kW, letztere befindet sich auf einem abgelegenen Bauernhof in Untersiggenthal.

7.2 Lastgänge Ein Lastgang ist gleichbedeutend mit den Begriffen Lastprofil oder Lastkurve. Mit Hilfe von Lastgängen werden in der Energietechnik die zeitlichen Verläufe von Leistungen grafisch dargestellt. Üblicherweise werden auf der Y-Achse die Leistungen und auf der X-Achse die Zeiten aufgetragen, so können Tages- oder Jahresgänge einheitlich aufgezeichnet werden. An die Lastgänge des EGS Netzes kommen wir mit Hilfe einer Internetplattform. Diese Encontrol Oberfläche benutzt die EGS täglich. Wir Studenten bekamen für unsere Semesterarbeit beschränkten Zugriff auf diese Oberfläche. Wir können von der Encontrol Oberfläche aus die Lastgänge der Anwendungen im EGS Gebiet, sowie diejenigen der Produktion einer FV-Anlage einsehen. Zudem haben wir die Möglichkeit diese Daten für die Weiterverarbeitung zu exportieren. Alle Daten haben wir ins Excel exportiert und dann einheitlich dargestellt oder für Berechnungen verwendet.

Abbildung 7.2-1 Screenshot der Encontrol Oberfläche

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 3

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.2.1 Auswahl der Tage Für die Auswahl der Tage stützen wir uns auf die Empfehlung von Herrn G. Friedrich. Er teilte uns mit, dass in den meisten bisherigen Studien immer die dritten Mittwoche und die darauffolgenden Sonntage für eine genauere Untersuchung herangezogen wurden. Wir haben uns auf die Jahre 2010 und 2011 beschränkt, da von diesen beiden Jahren die vollständigen Daten der von uns ausgewählten Fotovoltaikanlage besitzen. In dieser Dokumentation werden wir uns auf einzelne Tage beschränken, die Kurven zu den weiteren Tagen werden im Anhang festgehalten.

7.2.2 Bruttolastgangsumme EGS Gebiet Mit dem beschränkten Zugriff auf die Encontrol Oberfläche haben wir die Möglichkeit die totale Anwendung im EGS Gebiet zu exportieren. Mit der Bruttolastgangsumme stellen wir die Summe der Lastgänge im EGS Gebiet dar. Bereits bei den ersten Auswertungen der Bruttolastgangsummen, haben wir festgestellt, dass die Kurven keine Mittags- und Abendspitzen aufzeigen. Mit Hilfe der Rundsteuerung können die Spitzen im EGS Lastgang sehr gut gebrochen werden. Um die Rundsteuerung besser kennenzulernen, konnten wir einen Termin mit Herrn Burkhardt, dem zuständigen Person für die Rundsteuerung bei der EGS, vereinbaren. Das Sitzungsprotokoll befindet sich im Anhang. 7.2.2.1 Rundsteuerung1 Die Rundsteuerung der EGS sendet ihre Signale von dem Hauptgebäude in Nussbaumen aus. Mit der Rundsteuerung lassen sich Anwendungen ferngesteuert ein- oder ausschalten. Die Lasten, welche mit der Rundsteuerung geschaltet werden sind Boiler und Wärmepumpen. So können bei einem grossen Leistungsbezug im Netz, Lastabwürfe vollzogen werden. Die Signale gelangen übers Netz mit einer überlagerten Frequenz an die Last. Einen Teil der an die Rundsteuerung angeschlossenen Lasten wird jeden Tag gleich geschaltet. Das Programm für das Schalten dieser Lasten wurde über längere Zeit getestet und ständig optimiert. Der weitere Teil der Lasten, welche angesteuert werden kann, unterliegt einer Regelung. Diese Regelung ist in der Lage einen Spanungssollwert zu halten, indem sie Lasten ein- und ausschaltet. Die Regelung stellt zudem sicher, dass alle Lasten gleichmässig von den Abschaltungen betroffen sind. Die Rundsteuerung der EGS ist sehr gut abgestimmt, was in den Bruttolastgangsummen deutlich ersichtlich ist. In einem Lastgang der Anwendungen im EGS Gebiet lässt sich deutlich erkennen zu welcher Zeit sie Rundsteuerung die Boiler zuschaltet. Diese Zuschaltung geschieht um 21 Uhr. Die Rundsteuerung der EGS wird in einem späteren Kapitel im Zusammenhang für mögliche Anpassungen noch genauer betrachtet.

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Kapitel 7 - 4

Siggenthal mit 40% Solarenergie 7.2.2.2 Saisonale Unterschiede Die Lastgänge verhalten sich im Sommer nicht gleich wie im Winter. Das Heizen an kalten Wintertagen ist in den Kurven gut ersichtlich. Neben den Heizungen sind weitere Anwendungen im Winter mehr im Betrieb als im Sommer. Die Form der Kurven verändert sich vom Sommer in den Winter nur geringfügig, aufgrund der Rundsteuerung. Einen Unterschied in der Kurvenform ist bei unserem Vergleich zwischen einem Wochentag und einem Sonntag sehr gut zu erkennen. An einem Sonntag sind weniger industrielle Lasten am Netz und die Zuschaltung der Haushaltsgeräte erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt, da die Bevölkerung später aufsteht.

Lastgänge Mittwoch 9000 8000

Leistung in kW

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit 19.01.2011

20.04.2011

15.06.2011

19.10.2011

Leistung KKW

Abbildung 7.2-2 Lastgänge Mittwoch, in 15 min Mittelwerten

Im Vergleich von vier einzelnen Mittwochen ist die Ähnlichkeit der Kurvenform deutlich zu erkennen. Die einzelnen Lastgänge stellen typische Tage aus jeder Jahreszeit dar. Die Unterschiede sind lediglich in der Position der Kurven zu erkennen. Bei einer genaueren Betrachtung stellt man fest, dass die Leistungen an einem Wintertag auch in der Nacht nicht so stark einbrechen wie zu den restlichen Jahreszeiten. Dies ist auf den vermehrten Betrieb von Wärmepumpen zurückzuführen. An einem Sommertag während der Nacht zwischen 3 und 6 Uhr kommt fast die komplett Leistung, welche im Siggenthal angewandt wird, von den Kernkraftwerken.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 5

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Lastgänge Sonntag 10000 9000

Leistung in kW

8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit 23.01.2011

24.04.2011

19.06.2011

23.10.2011

Leistung KKW

Abbildung 7.2-3 Lastgänge Sonntag, in 15 min Mittelwerten

Die Lastgänge der Sonntage weisen in ihrer Positionierung dieselben Effekte auf, wie die Lastgänge der Mittwoche. Zu erkennen ist, dass die einzelnen Kurven zu einem späteren Zeitpunkt abfallen und auch nicht mit einer solchen Steilheit ansteigen wie während den Wochentagen.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 6

Siggenthal mit 40% Solarenergie

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 00:00

Leistung in kW

Vergleich Mittwoch - Sonntag

Zeit Mittwoch 19.1.2011

Sonntag 23.1.2011

Mittwoch 15.6.2011

Sonntag 19.6.2011

Abbildung 7.2-4 Lastgänge zum Vergleich zwischen Mittwoch und Sonntag im Sommer und Winter, in 15 min Mittelwerten

Interessant ist die Betrachtung eines Sommerwochentages und eines Sommersonntages in einem Diagramm. Zudem halten wir im gleichen Diagramm auch einen Vergleich eines Mittwochs und eines Sonntags im Winter fest. Der Mittelwert der Leistung an diesen beiden Sommertagen liegt bei 4.7 MW. Der Mittelwert der Wintertage liegt stark höher bei 7.2 MW. Die Differenz in der durchschnittlichen Leistung der beiden Tage beträgt 2.5 MW. Aus den Mittwoch- und Sonntagkurven können folgende Erkenntnisse gezogen werden:    

Im Winter ist die Anwendung am Sonntag während der Nacht höher Im Sommer gibt es nur kleine Differenzen in der Nacht Im Sommer und im Winter ist klar ersichtlich, dass die Bevölkerung am Sonntag später in den Tag startet Im Sommer sowie im Winter verlaufen die Kurven sehr ähnlich zwischen 12:00 und 23:00 Uhr

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 7

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.2.3 Lastgang Erzeugung Für die Untersuchung der Solarenergie im Siggenthal, sind wir von der folgenden Annahme ausgegangen: Die Energieerzeugungscharakterisik der Referenzanlage ist bei den zusätzliche FVA die gleiche. Mit dieser Annahme können wir für unsere Berechnungen von einer Anlage ausgehen und die übrigen Anlagen in ihrem Verhalten als gleich betrachten. Um die Komplexität unserer Berechnung zu verringern, haben wir vernachlässigt, dass nicht jede Anlage den gleichen Anstellwinkel sowie Ausrichtung besitzt. Durch das Verändern des Anstellwinkels und der Ausrichtung lassen sich die Leistungsspitzen verkleinern. Dieser Effekt soll bei einem Zubau von Fotovoltaikanlagen angestrebt werden.

7.2.4 Referenzanlage Flory Die von uns ausgewählte Fotovoltaikanlage befindet sich auf einem Neubau im Stroppelgebiet.

Abbildung 7.2-5 Punkt A: Standort der Referenzanlage an der Stroppelstrasse 9 in Untersiggenthal

Die Referenzanlage befindet sich auf einem Gebäude mit Pultdach an der Limmat. Es gibt keinerlei Schattenwürfe, welche die Produktion der Anlage beeinträchtigen könnten. Da sich die Anlage nahe an der Limmat befindet ist eine Beeinträchtigung der Produktivität aufgrund von Nebel als etwas höher einzustufen. Der Besitzer den Fotovoltaikanlage beteuert jedoch, dass der Nebel keinen negativen Einfluss hat. Der Nebel im Stroppelgebiet verzieht sich gleich schnell wie in den übrigen Gebieten der Gemeinde.

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Kapitel 7 - 8

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Abbildung 7.2-6 Referenzanlage Flory

7.2.4.1 Technische Daten Fläche 400m2 Dachwinkel 14° Ausrichtung Haus SW Leistung 51.8 kWp Inbetriebsetzung Oktober 2009 Modul Typ 3S Megaslate, monokristalin Leistung pro Modul 1060Wp Dimensionen Modul 130X82.5 cm Die Anlage von Besitzer Christoph Flory ist komplett ins Hausdach integriert. 7.2.4.2 Lastgänge der Referenzanlage Flory Lastgänge von einzelnen Tagen der Fotovoltaikanlage von Herrn Flory können wir über die Encontrol Oberfläche anschauen und auch exportieren. Sowie auch bei den Lastgängen der Anwendung, haben wir auch bei den Lastgängen der Produktion die gewünschten Lastgänge ins Excel exportiert. Im Excel sind wir in der Lage die Lastgänge übersichtlich darzustellen und die Daten auch weiter zu verarbeiten. Die Lastgänge der Anlage sehen wie erwartet von Tag zu Tag verschieden aus. Der Grund für die Verschiedenheit der Lastgänge liegt in den Wetterverhältnissen und den Jahreszeiten.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 9

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Lastgang Flory 15.5.2011 50 45 40 Leistung in kW

35 30 25 20 15

10 5 00:00 00:45 01:30 02:15 03:00 03:45 04:30 05:15 06:00 06:45 07:30 08:15 09:00 09:45 10:30 11:15 12:00 12:45 13:30 14:15 15:00 15:45 16:30 17:15 18:00 18:45 19:30 20:15 21:00 21:45 22:30 23:15

0

Zeit

Abbildung 7.2-7 Lastgang der Anlage Flory vom 15.5.2011, Leistungen in 15 min Mittelwerten

1 0.5 0 00:00 00:45 01:30 02:15 03:00 03:45 04:30 05:15 06:00 06:45 07:30 08:15 09:00 09:45 10:30 11:15 12:00 12:45 13:30 14:15 15:00 15:45 16:30 17:15 18:00 18:45 19:30 20:15 21:00 21:45 22:30 23:15

Leistung in kW

Lastgang Flory 9.1.2010

Zeit

Abbildung 7.2-8 Lastgang der Anlage Flory vom 9.1.2010, Leistungen in 15 min Mittelwerten

Die beiden dargestellten Tage zeigen deutlich auf, wie gross die Bandbreite der Leistungen der Anlage Flory sein können. Am 15.5.2011 wurde die höchste Leistung der Jahre 2010 und 2011 gemessen. Der 9.1.2010 ist ein typischer stark bewölkter Tag, an welchem möglicherweise sogar Schnee die Fotovoltaikanlage bedeckt und so eine Produktion verhindert. Im Jahre 2011 waren es drei Tage, an welchen nichts produziert wurde. Im Jahre 2010 waren es sogar 17 produktionslose Tage. Es ist jedoch festzuhalten, dass im Jahr 2010 am Umrichter der Anlage während etwa zwei Wochen Reparaturarbeiten durchgeführt werden mussten. Wenn diese 14 Tagen nicht berücksichtigt werden, dann waren es in den Jahren 2010 und 2011 je drei produktionslose Tage.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 10

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Lastgang Anlage Flory Mittwoch 40 35 Leistung in kW

30 25 20 15 10 5 00:00 00:45 01:30 02:15 03:00 03:45 04:30 05:15 06:00 06:45 07:30 08:15 09:00 09:45 10:30 11:15 12:00 12:45 13:30 14:15 15:00 15:45 16:30 17:15 18:00 18:45 19:30 20:15 21:00 21:45 22:30 23:15

0

Zeit 19.01.2011

20.04.2011

15.06.2011

19.10.2011

Abbildung 7.2-9 Lastgang von ausgewählten Tagen in 15 min Mittelwerten

Die Unterschiede in den Lastgängen der Anlage Flory sind alleine auf die verschiedenen Wetterlagen an den verschiedenen Tagen zurückzuführen. Die aufgezeigten Mittwoche und Sonntage sind diese Tage, zu welchen wir auch den Lastgang der Anwendung im EGS-Gebiet aufgezeigt haben.

Lastgang Anlage Flory Sonntag 45 40

Leistung in kW

35 30 25 20 15 10 5 00:00 00:45 01:30 02:15 03:00 03:45 04:30 05:15 06:00 06:45 07:30 08:15 09:00 09:45 10:30 11:15 12:00 12:45 13:30 14:15 15:00 15:45 16:30 17:15 18:00 18:45 19:30 20:15 21:00 21:45 22:30 23:15

0

Zeit 23.01.2011

24.04.2011

19.06.2011

23.10.2011

Abbildung 7.2-10 Lastgang von ausgewählten Tagen in 15 min Mittelwerten

Verfasser: N. Büttler

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14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 11

Siggenthal mit 40% Solarenergie Die Lastgänge zu einzelnen Tagen während Winter, Frühling, Sommer und Herbst referenzieren zu den Lastgängen der Anwendung, welche wir unter Punkt 7.2.2.2 aufzeigen. Folgende Erkenntnisse können daraus gezogen werden:   

Es ist auch im Frühling möglich nahe an die Leistungen eines Sommertages heranzukommen (20.4.2011 und 15.6.2011) Im Winter und Herbst sind grosse Unterschiede von Tag zu Tag möglich (19.1.2011, 19.10.2011, 23.1.2011 und 23.10.2011) Die starken Einbrüche in den Leistungen sind an vielen Tagen zu erkennen

Jahreskennlinie Flory 2010 14 12 Leistung in kW

10 8 6 4 2 0

Zeit

Abbildung 7.2-11 Lastgang der Anlage Flory vom Jahr 2010, Leistung in Tagesmittelwerten

Die Jahreskennlinie der Anlage Flory zeigt die Streuung der einzelnen Tage über ein ganzes Jahr auf. In dieser Darstellung sind Tagesmittelwerte festgehalten. Bei den Tagesmittelwerten fliessen auch die Nachtstunden in den Leistungsmittelwert ein. Die Tagesmittelwerte der Leistungen der Anlage Flory liegen zwischen 0 und 13 kW. Es ist zu erkennen, dass es im Jahre 2010 keine längere Schönwetterperiode gab. Die produktiven Tage werden immer wieder von weniger ergiebigen abgelöst. Dieser Effekt macht es schwierig die Energieerträge vorauszusagen. Die Solarenergie ist eine fluktuative Energiequelle und ist dadurch schwer zu handhaben.

Verfasser: N. Büttler

Erstelldatum: Änderungsdatum:

14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 12

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Jahreskennlinie Flory 2011 14

Leistung in kW

12 10 8

6 4 2 0

Zeit

Abbildung 7.2-12 Lastgang der Anlage Flory vom Jahr 2011, Leistung in Tagesmittelwerten

Die Jahreskennlinie des Jahres 2011 sieht der Kennlinie des Jahres 2010 sehr ähnlich. Es ist davon auszugehen, dass auch die folgenden Jahre die gleiche Kennlinienform aufzeigen werden. Auch im Jahr 2011 liegen die Tagesmittelwerte der Leistungen zwischen 0 und 13 kW. Für weitere Berechnungen haben wir auch die Jahreskennlinie der Anlage Flory gemittelt. Indem wir aus den Tagesmittelwerten der Leistungen der Jahre 2010 und 2011 den Mittelwert gebildet haben.

Mittelwert 2010 + 2011 14 12

Leistung in kW

10 8 6 4 2

1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361

0 Anzahl Tage

Abbildung 7.2-13 Jahresgang der Anlage Flory im Mittelwert der Jahre 2010 und 2011, in Tagesmittelwerten

Verfasser: N. Büttler

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14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 13

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.2.5 Zusätzlich Erzeugungseinheiten im Siggenthal Im Siggenthal besteht neben der Fotovoltaik noch eine andere lokale Erzeugung. An der Limmat in Untersiggenthal steht das Laufwasserkraftwerk Stroppel. Das Kleinwasserkraftwerk Stroppel hat eine Leistung von 800 kW und produziert eine Jahresenergie von 3.5 GWh. Die schottische Firma Coats Stroppel AG errichtete das Kraftwerk 1908 in der heutigen Form. Der Textilbetrieb wechselte in den achtziger Jahren in den Handel mit Faden und stellte das Wasserkraftwerke still. 1995 wurde das Kraftwerk wieder in Betrieb genommen und mit einer dritten Turbine ergänzt. Das Kraftwerk steht im mitten des Naturschutzgebietes des Wasserschlosses.2

Abbildung 7.2-14 Wasserkraftwerk Stroppel

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 14

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.3 Meteodaten

W/m^2

Globalstrahlung 2010 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Zeit

Abbildung 7.3-1 Globalstrahlung im Jahre 2010, in Tagesmittelwerten

W/m^2

Globalstrahlung 2011 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Zeit

Abbildung 7.3-2 Globalstrahlung im Jahre 2011, in Tagesmittelwerten

Die Messdaten stammen aus der Messstation in Buchs. Diese Messstation ist die nächstgelegene von Meteo Schweiz, welche die Globalstrahlungen zur Verfügung stellt. Wenn man die Kurve der Globalstrahlung in Tagesmittelwerten mit der Jahreskennlinie der Anlage Flory vergleicht, ist die Ähnlichkeit der beiden Kurven deutlich zu erkennen. Es steht fest, dass die erzeugten Leistungen einer Fotovoltaikanlage proportional zur Globalstrahlung stehen. Wir sind nach dieser Erkenntnis nicht mehr stärker auf die Meteodaten und deren Einflüsse auf die Produktion einer Fotovoltaikanlage eingegangen.

Verfasser: N. Büttler

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14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 15

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.4 Berechnung 7.4.1 Bereits bestehende Anlagen Im ganzen EGS Gebiet sind bis jetzt 21 Fotovoltaikanlagen am Netz. Total ist eine Peak-Leistung von 518 kW installiert. Eine Zusammenstellung all dieser Anlagen befindet sich im Anhang. Mit den Angaben von der totalen installierten Leistung im Siggenthal und der installierten Leistung der Anlage Flory, sind wir in der Lage den Faktor zu berechnen, mit welchem wir den Lastgang der Anlage Flory multiplizieren müssen, um auf den gesamten Lastgang aller Fotovoltaikanlagen im EGS Gebiet zu kommen.

Für die Berechnung der Lastgänge der Produktion sowie der Anwendung sind wir wie folgt vorgegangen: 1. Die Lastgänge in 15 min Mittelwerten aller dritten Mittwoche eines Monates der Jahre 2010 und 2011 exportiert. 24 Lastgänge in 15 min Mittelwerten 2. Die Lastgänge in Winterhalbjahr (Januar bis März und Oktober bis Dezember) und Sommerhalbjahr (April bis September) unterteilt. Je 12 Lastgänge 3. Für Sommer- und Winterhalbjahr den Mittelwert der 12 Lastgänge gebildet. Für Sommer- und Winterhalbjahr je einen Lastgang, welcher einen mittleren Tag darstellt. Die berechneten mittlernen Lastgänge der Produktion der Anlage Flory haben wir mit dem Faktor 12 multipliziert, und kommen so auf den Lastgang eines Sommer- und Winterhalbjahrtages aller bereits angeschlossenen Fotovoltaikanlagen im Siggenthal. Anhand von den errechneten Lastgängen, können wir eine Höchstleistung von 107 kW an einem Winterhalbjahrestag und 281 kW an einem Sommerhalbjahrestag herauslesen. Mit der zurzeit installierten Solarleistung können an einem Sommerhalbjahrestag um die Mittagszeit etwa 10% der KKW-Leistung am Netz im Siggenthal ersetzt werden. Wie aus den nachfolgenden Diagrammen ersichtlich ist, trägt die Solarenergie heute noch nicht viel zum Strommix im Siggenthal bei. Unter den bereits bestehenden Anlagen im Siggenthal befindet sich eine Anlage, die grösser ist als unsere Referenzanlage, alle weiteren Anlagen haben eine kleinere Fläche und somit auch kleinere installierte Leistung. Die grösste Anlage im EGS-Gebiet ist die Fotovoltaikanlage von Herrn Bieri. Diese befindet sich auf dem Dach eines Bauernhofes und hat eine Peak-Leistung von 180 kW.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 16

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Winterhalbjahrestag 9000 8000

Leistung in kW

7000

6000 5000 4000 3000 2000 1000

22:00

23:00

22:00

23:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit Leistung AKW

Anwendung

Produktion FV

Abbildung 7.4-1 Lastgang eines Winterhalbjahrtages, in 15 min Mittelwerten

An einem typischen Wintertag ist die Solarproduktion im Siggenthal fast nicht ersichtlich.

Sommerhalbjahrestag 7000

Leistung in kW

6000 5000 4000 3000 2000 1000 21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit Leistung AKW

Anwendung

Produktion FV

Abbildung 7.4-2 Lastgang eines Sommerhalbjahrtages, in 15 min Mittelwerten

An einem Sommertag kann die Solarenergie zur Mittagszeit einen kleinen Teil der Anwendungen abdecken.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 17

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.4.2 Zusätzliche FV-Anlagen Wenn die 40% der Energie, welche zurzeit von den Kernkraftwerken produziert wird, durch Solarenergie ersetzt werden soll, ist es unumgänglich die Anzahl der zusätzlich benötigten Fotovoltaikanlagen im Siggenthal zu berechnen. Wir haben die zusätzlichen Anlagen über die Energie unserer Referenzanlage berechnet. In einem zweiten Schritt haben wir die zusätzlichen Anlagen berechnet für das Sommer- und Winterhalbjahr. In diesen zweiten Berechnungen halten wir den Fakt fest, dass im Winterhalbjahr nicht so hohe Leistungen erzielt werden können, wie im Sommerhalbjahr. Wenn davon ausgegangen wird, dass die überschüssige Energie vom Sommerhalbjahr nicht bis zu einem halben Jahr gespeichert werden kann, sind im Winterhalbjahr zusätzliche Fotovoltaikanlagen nötig, um die nötige Energie zu erzeugen, welche die KKW Energie ersetzt. Berechnung: ∑

(



)

Um die 22 GWh Kernenergie pro Jahr zu ersetzen, sind rund 466 Anlagen, analog zur Referenzanlage, nötig. Diese 466 Anlagen produzieren über das ganze Jahr gesehen 22 GWh Energie. Wie wir bei den Untersuchungen der Lastgänge der Anlage Flory festgestellt haben, sind die Sommermonate viel ertragreicher als die Wintermonate. Dies hat zur Folge, dass ein grosser Anteil der zu ersetzenden 22GWh während des Sommers produziert wird. Die Kernenergie, welche es zu ersetzen gilt, ist unabhängig von Jahreszeiten und Wettereinflüssen und produziert über das ganze Jahr gleichmässig Energie. Es ist davon auszugehen, dass nicht 466 identische Anlagen gebaut werden können, da die von uns gewählte Referenzanlage eine beachtliche Fläche von 400 m2 aufweist. Wenn von allen bereits bestehenden Anlagen im Siggenthal der Mittelwert gezogen wird, ist eine durchschnittliche Anlage etwa halb so gross wie die Anlage Flory. Basierend auf dieser Erkenntnis, muss festgehalten werden, dass mit grosser Wahrscheinlichkeit mehr Anlagen nötig wären. Um 22 GWh pro Jahr mit durchschnittlichen Fotovoltaikanlagen zu ersetzen, wären 932 Anlagen nötig. Eine durchschnittliche Fotovoltaikanlage im Siggenthal hat eine Fläche von 200 m2 und eine installierte Leistung von 25 kW. Diese durchschnittliche Anlage entspricht ziemlich genau der der Hälfte unserer Referenzanage.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 18

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Mittwoch 15.6.2011 16000 14000 Leistung in kW

12000 10000 8000 6000 4000 2000 23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit Anwendung

Produktion FV

Produktion KKW

Abbildung 7.4-3 Lastgang vom 15.6.2011 mit extrapolierter FV Produktion, in 15 min Mittelwerten

An einem Sommertag wie dem 15.5.2011 produzieren die 466 Fotovoltaikanlagen im Siggenthal mehr Energie, als angewendet wird. Die Leistungsspitzen der Produktion sind in den Mittagsstunden doppelt so hoch wie die der Anwendung. Diese überschüssig produzierte Energie kann nicht angewendet jedoch gespeichert werden.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 19

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Mittwoch 19.1.2011 9000 8000

Leistung in kW

7000

6000 5000 4000 3000 2000 1000 23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit Anwendung

Produktion FV

Produktion KKW

Abbildung 7.4-4 Lastgang vom 19.1.2011 mit extrapolierte FV Produktion, in 15 min Mittelwerten

An einem Wintertag wie der 19.1.2011 kann die Produktion der 466 Fotovoltaikanlagen nicht an die Anwendungskurve herankommen. In den Mittagsstunden werden nur für kurze Zeiten Einspeiseleistungen erreichte, welche der Leistung der Kernkraftwerke entsprechen oder grösser sind.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 20

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Sommerhalbjahrestag 12000

Leistung in kW

10000

8000 6000 4000 2000

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

17:00

18:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit Anwendung

Produktion KKW

Produktion FV

Abbildung 7.4-5 Lastgang an einem durchschnittlichen Sommertag, in 15 min Mittelwerten

Winterhalbjahrestag 9000 8000

Leistung in kW

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit Anwendung

Produktion KKW

Produktion FV

Abbildung 7.4-6 Lastgang an einem durchschnittlichen Wintertag, in 15 min Mittelwerten

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 21

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.4.3 Zusätzlich FV-Anlagen im Sommerhalbjahr Die zusätzlichen Anlagen für das Sommerhalbjahr haben wir berechnet, indem wir die gemittelte Jahresganglinie in Sommer- und Winterhalbjahr aufgeteilt haben. Anschliessend haben wir den Mittelwert der Tagesleistungen der jeweiligen Halbjahre berechnet. ∑

Sommerhalbjahr 14 12

Leistung in kW

10 8 6

4 2

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 109 115 121 127 133 139 145 151 157 163 169 175 181

0 Anzahl Tage

Abbildung 7.4-7 gemittelte Jahreskennlinie über das Sommerhalbjahr, in Tagesmittelwerten

Weiter berechneten wir die Energie über das Sommerhalbjahr:

Für die Berechnung der zusätzlichen Anlagen im Sommerhalbjahr sind wir davon ausgegangen, dass genau die Hälfte der Kernenergie im Sommer angewendet wird:

Um die Kernenergie nur während des Sommerhalbjahres komplett mit Solarenergie zu ersetzen, sind 308 zusätzliche Anlagen analog zur Referenzanlage nötig.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 22

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Sommerhalbjahrestag 12000

10000

Leistung in kW

8000

6000

4000

2000

00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30 06:00 06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30

0

Zeit Produktion FV 466

Produktion FV 308

Produktion KKW

Anwendung

Abbildung 7.4-8 Lastgang an einem typischen Sommertag, Blau 308 Anlagen, Gelb 466 Anlagen, in 15 min Mittelwerten

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 23

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.4.4 Zusätzliche FV-Anlagen im Winterhalbjahr Wie im Sommerhalbjahr, haben wir auch im Winterhalbjahr zuerst den Leistungsmittelwert an einem Wintertag berechnet: ∑

Winterhalbjahr 12



Januar bis März



Oktober bis Dezember

Leistung in kW

10 8 6 4 2

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 109 115 121 127 133 139 145 151 157 163 169 175 181

0 Anzahl Tage

Abbildung 7.4-9 gemittelte Jahreskennlinie über das Winterhalbjahr, in Tagesmittelwerten

Die Energie im Winterhalbjahr haben wir wie folgt berechnet:

Wie im Sommerhalbjahr, wird auch im Winter 11 GWh Kernenergie im Siggenthal angewendet:

Im Winter sind 956 zusätzlich Anlagen analog zur Referenzanlage nötig um die Kernenergie zu ersetzen.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 24

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Winterhalbjahrestag 10000 9000 8000

Leistung in kW

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000

00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30 06:00 06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30

0

Zeit Produktion FV 466

Produktion FV 956

Produktion KKW

Anwendung

Abbildung 7.4-10 Lastgang an einem typischen Wintertag, Blau 956 Anlagen, Gelb 466 Anlagen, in 15 min Mittelwerten

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 25

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.4.5 Benötigte Fläche Mit den folgenden Annahmen haben wir die benötigte Fläche für die zusätzlichen Fotovoltaikanlagen berechnet3: von bis 2 Für 1kWp benötigte Fläche 7m 10 m2 Mittlere Sonnenscheindauer 950 h 1050 h Energie pro Jahr 950 kWh 1050 kWh Zu ersetzende Energie pro Jahr 22000000 kWh 22000000 kWh Die benötigten Flächen für 1 kWp, sowie der Jahresenergieertrag, können nicht mit einem festen Wert angegeben werden. Die Spannbreite dieser Werte ist damit zu begründen, dass es sich um gesamtschweizerische Werte handelt. Es wird davon ausgegangen, dass nicht alle Anlagen dieselben Eigenschaften haben. Die einzelnen Eigenschaften, welche sich auf den Energieertrag einer Fotovoltaikanlage auswirken, wie zum Beispiel Qualität der gesamten Anlage, Anstellwinkel, Ausrichtung oder Standort, sind unterschiedlich. Berechnung der benötigten Fläche für 22 GWh/a:

Um die Kernenergie von 22 GWh pro Jahr zu ersetzen, müssten zwischen 146667 m2 und 231579 m2 mit Fotovoltaikzellen verbaut werden. Für weitere Berechnungen gehen wir von einem Mittelwert von 187469 m2 aus. Um die Berechnung zu überprüfen, haben wir zusätzlich die benötigte Fläche über die Fläche der Anlage Flory berechnet:

Es ist jedoch nicht davon auszugehen, dass alle zusätzlichen Anlagen die genau gleichen Eigenschaften, wie die Anlage Flory aufweisen werden. Aus diesem Grund gehen wir vom Mittelwert der Berechnung mit den gesamtschweizerischen Zahlen aus.

Verfasser: N. Büttler

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14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 26

Siggenthal mit 40% Solarenergie 7.4.5.1 Benötigte Fläche im Sommerhalbjahr Basierend auf den zusätzlich benötigten Anlagen für das Sommerhalbjahr, haben wir die dafür benötigte Fläche berechnet. Wie im vorherigen Kapitel berechnet, werden im Sommerhalbjahr 308 zusätzliche Anlagen analog zur Referenzanlage benötigt.

7.4.5.2 Benötigte Fläche im Winterhalbjahr Im Winterhalbjahr wird erwartungsgemäss eine viel grössere Fläche benötigt im Vergleich zum Sommerhalbjahr. Im Winterhalbjahr müssten 988 zusätzliche Anlagen im Siggenthal das Netz unterstützen, um die Energie der Kernkraftwerke zu ersetzen.

7.4.5.3 Bebaute Gemeindefläche Um die Verhältnisse aufzuzeigen, in welchen die Flächen für Fotovoltaikanlagen zum Rest des Siggenthals stehen, haben wir zusätzliche Flächen berechnet. Die Fläche des Siggenthals beträgt 16669000 m2. Es wird in der Schweiz davon ausgegangen, dass pro Person 400m2 Siedlungsfläche zur Verfügung stehen.

Das Bundesamt für Energie hat ein Fallbeispiel vom Kanton Freiburg durchgeführt.4 Basierend auf den Erkenntnissen in diesem Fallbeispiel berechneten wir Kennzahlen für das Siggenthal.

Wenn die benötigte Fläche an Fotovoltaikanlagen, um die Kernenergie von 22 GWh/a im Siggenthal zu ersetzen, wären pro Gebäude ein Fläche von 31 m2 zu bebauen. Zur bebauten Fläche eines Gebäudes würden die Fotovoltaikzellen 16% der Fläche bedecken. Wobei die Fotovoltaikzellen auf dem Dach montiert werden und keine oder nur geringe Beeinträchtigung der Wohnfläche als Folge haben.

Verfasser: N. Büttler

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14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 27

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.4.6 Geeignete Dachflächen im Siggenthal5 Das Bundesamt für Energie geht von geeigneten Dachflächen für Fotovoltaikanlagen von insgesamt 100 km2 in der Schweiz aus. Wir treffen die Annahme, dass sich die verfügbare Dachfläche für Fotovoltaikanlagen proportional verhält zur Einwohnerzahl. Der Unterschied der verfügbaren Flächen zwischen Landgebiet und Stadtgebiet hebt sich im Siggenthal auf.

In einem zweiten Schritt, sind wir von der Faustregel ausgegangen, dass pro Einwohner 10 m2 geeignete Dachfläche besteht.

Sowie bei der benötigten Fläche für die 22 GWh pro Jahr zu ersetzen, bilden wir auch bei den geeigneten Flächen den Mittelwert der beiden Ergebnisse:

Dachflächen für verschiedene Szenarien

400000

Dachfläche in m^2

350000 300000

250000 200000 150000 100000 50000 0 geeignete Dachfläche

benötigte Dachfläche

benötigte Dachfläche Sommer

benötigte Dachfläche Winter

Abbildung 7.4-11 Verhältnis der Dachflächen zueinander, alle Werte in m

2

Es ist deutlich zu erkennen, dass im Sommer genügend geeignete Dachflächen im Siggenthal zur Verfügung stehen könnten. Das Gegenteil ist der Fall für das Winterszenario, in welchem 956 zusätzliche Anlagen gebaut würden. Interessant ist die Situation, in welcher die Energie der Kernkraftwerke über das ganze Jahr mit 466 zusätzlichen Anlagen ersetzt würde: Um dieses Szenario zu realisieren, wäre nur wenig zusätzliche Fläche zu bebauen. Mit dem bebauen aller geeigneten Dachflächen kann schon ein grosser Teil abgedeckt werden.

Verfasser: N. Büttler

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14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 28

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.4.7 Bereits bebaute Dachfläche im Siggenthal Die installierte Leistung aller Fotovoltaikanlagen, welche im EGS Gebiet bereits in Betrieb sind, beträgt 518 kWp6. Mit der Annahme, dass sich alle Anlagen im Siggenthal im schweizerischen Durchschnitt7 befinden, können wir die bereits bebaute Fläche berechnen:

Die Gesamtfläche aller Anlagen im Siggenthal beträgt 4402 m2. Diese Fläche wird auf 21 Anlagen aufgeteilt. Die Leistungen der Anlagen liegen zwischen 1.3 und 180 kW. Leider ist es uns nicht möglich die Fläche jeder einzelnen Anlage anzufragen, aus diesem Grund wurde die bebaute Fläche rechnerisch ermittelt. Im Siggenthal ist erst ein kleiner Teil der geeigneten Dachfläche bebaut.

Geeignete Dachflächen im Siggenthal

geeignete Dachfläche 97%

3%

Abbildung 7.4-12 Geeignete Dachflächen im Siggenthal, 3% der Fläche ist bereits bebaut

Das Kuchendiagramm zeigt deutlich das Potenzial der Solarenergie auf. Es sei jedoch angemerkt, dass die geeigneten Flächen nicht danach beurteilt wurden, ob eine Bebauung dieser Flächen überhaupt noch ins Dorfbild passen würde und ob ein solcher Zubau technisch machbar ist. Zudem kommt der Kostenpunkt. Im Falle von Herrn Flory kostete die komplette Anlage im Jahre 2009 450000 CHF. Laut den Recherchen und Nachfragen von Herrn Flory, wäre seine Anlage heute zum Preis von 202500 CHF zu haben.8

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 29

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.5 Extremwerte 7.5.1 Extremwerte der Anwendung An einer Besprechung bei der EGS hat uns Herr Burkhardt darauf aufmerksam gemacht, dass es über das ganze Jahr einige Tage gibt mit sehr unterschiedlichen Anwendungslastgängen. Beispielsweise sind die Anwendungen während den Sommerferien am geringsten. Hingegen im Winter um die Weihnachtszeit steigen die Anwendungen stark an.

Extremwerte 2010 extrapoliert 18000 16000 Leistung in kW

14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit Produktion FV 15.12.2010

Anwendung 15.12.2010

Produktion FV 18.7.2010

Anwendung 18.7.2010

Produktion KKW

Abbildung 7.5-1 Extremwerte der Anwendung im Jahre 2010 mit extrapolierter FV Produktion, in 15 min Mittelwerten, Leistungen in kW

Die in blau und rot dargestellten Anwendungskurven liegen weit auseinander. Die geringe Anwendung am 18.7.2010 ist zurückzuführen auf die Sommerferien. Grosse Teile der Bevölkerung sind nicht zu Hause, zudem sind Betriebsferien. Die Energie, welche am 15.12.2010 bezogen wurde, war die grösste des Jahres 2010. Am selben Tag würde die Produktion auch mit 466 zusätzlichen Anlagen sehr gering ausfallen. Das andere Extrem stellt der 18.7.2010 dar. An diesem Sommertag wird mit den 466 zusätzlichen Anlagen eine grosse überschüssige Energiemenge produziert. Die Energie der Kernkraftwerke ist an jedem Tag gleich gross.

Verfasser: N. Büttler

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14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 30

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Extremwerte 2011 extrapoliert 16000

14000

12000

Leistung in kW

10000

8000

6000

4000

2000

00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30 06:00 06:30 07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30

0

Zeit Produktion FV 1.2.2011

Anwendung 1.2.2011

Produktion KKW

Produktion FV 1.8.2012

Anwendung 1.8.2011

Abbildung 7.5-2 Extremwerte der Anwendung im Jahre 2011 mit extrapolierter FV Produktion, in 15 min Mittelwerten,

Verfasser: N. Büttler

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14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 31

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.5.2 Extremwerte der Produktion Die Extremwerte in der Produktion liegen auch sehr weit auseinander, da es an durchschnittlich drei Tagen im Jahr zu gar keiner Produktion kommt. Die höchsten Leistungen bis jetzt waren wie folgt: Jahr Leistung Datum

2009 36.9 kW 5.9.2009

2010 40.5 kW 31.5.2010

2011 45 kW 15.5.2011

2012 39.6 kW 11.6.2012

Lastgang vom 15.5.2011 25000

Leistung in kW

20000 15000 10000 5000

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit FV Produktion

Anwendung

Produktion KKW

Abbildung 7.5-3 Lastgang vom 15.5.2011 mit extrapolierter FV Produktion, in 15 min Mittelwerten

Am 15.5.2011 wurde die höchste Leistung seit der Inbetriebnahme der Anlage Flory gemessen. Die Leistungsspitze der extrapolierten FV Lastkurve ist viermal grösser als die Leistung der Anwendung zum gleichen Zeitpunkt. An diesem Tag ist auch deutlich zu erkennen, wie schnell die Leistung einer Fotovoltaikanlage zusammenbrechen kann. Diese Leistungseinbrüche sind auf Wettereinflüsse wie vorbeiziehende Wolken oder Gewitter zurückzuführen.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 32

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.6 Geordnete Lastkurven In einer geordneten Lastkurve lässt sich das Verhalten einer Anlage besser erkennen. Es werden alle Leistungen über einen gewünschten Zeitraum der Grösse nach geordnet und in einem Diagramm dargestellt.

Geordnete Lastkurve Flory 40 35

Leistung in kW

30



25 20

Schlechtes Wetter und Nacht

15 10 5 1 275 549 823 1097 1371 1645 1919 2193 2467 2741 3015 3289 3563 3837 4111 4385 4659 4933 5207 5481 5755 6029 6303 6577 6851 7125 7399 7673 7947 8221 8495

0

Zeit 2010

2011

Mittelwert

Abbildung 7.6-1 Geordnete Lastkurve der Anlage Flory, Stundenmittelwerte

Die geordnete Lastkurve der Anlage Flory haben wir in Stundenmittelwerten über die Jahre 2010 und 2011 dargestellt. Das bedeutet, wir haben alle 8760 Stundenmittelwerte der Jahre 2010 und 2011 sowie den Mittelwert der beiden Jahre der Grösse nach geordnet und dargestellt. Es ist zu erkennen, dass während der Hälfte eines Jahres keine Produktion stattfindet. Zu dieser Zeit ist Nacht oder schlechtes Wetter. In der geordneten Lastkurve der Anlage Flory ist zudem ersichtlich, dass das Jahr 2011 leicht besser ausgefallen ist wie das Jahr 2010. In beiden Jahren gibt es etwa während 250 Stunden Leistungen über 30 kW. Während 2500 Stunden werden Leistungen über 5 kW erzielt.

In einem zweiten Schritt haben wir den Mittelwert in Sommer- und Winterhalbjahr aufgeteilt und in einer geordneten Lastkurve dargestellt. Im Vergleich dieser beiden Kurven sieht man, dass es auch im Winterhalbjahr einzelne Stunden gibt, in welchen grosse Leistungen über 30 kW erzielt werden. Jedoch liegen im Winter während den meisten Stunden die Leistungen unter 10 kW. In mehr als der Hälfte der Winterstunden wir nichts produziert.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 33

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Geordnete Lastkurve Sommer / Winter 40 35 Leistung in kW

30 25 20 15 10 5 1 138 275 412 549 686 823 960 1097 1234 1371 1508 1645 1782 1919 2056 2193 2330 2467 2604 2741 2878 3015 3152 3289 3426 3563 3700 3837 3974 4111 4248

0

Zeit in h Winter

Sommer

Abbildung 7.6-2 Geordnete Lastkurve der Anlage Flory in Sommer- und Winterhalbjahr aufgeteilt, Stundenmittelwerte

geordnete Lastkurve EGS Mittelwert 25000

Leistungen in kW

20000 15000 10000 5000

1 1132 2263 3394 4525 5656 6787 7918 9049 10180 11311 12442 13573 14704 15835 16966 18097 19228 20359 21490 22621 23752 24883 26014 27145 28276 29407 30538 31669 32800 33931

0

Anzahl 15 min Mittelwerte Produktion FV

Anwendung

Produktion KKW

Abbildung 7.6-3 Geordnete Lastkurve der extrapolierten FV Produktion, der Anwendung und der KKW Produktion, 15 min Mittelwerte

Im Diagramm 7.6-3 haben wir die Anwendung, Produktion der Kernkraftwerke und die extrapolierte Produktion Fotovoltaik in einer geordneten Lastkurve dargestellt. Die Fläche unter der blauen Kurve ist deckungsgleich mit der Fläche unter der schwarzen Kurve. Die der Kernkraftwerke ist gleich gross wie die der Fotovoltaikanlagen. Die Energien werden jedoch nicht zu den gleichen Zeitpunkten produziert. Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 34

Siggenthal mit 40% Solarenergie Die nachfolgenden Kurven stellen die geordneten Tagesmittelwerte dar, aus diesem Grund fallen die Kurven nicht schon in der Hälfte auf null ab.

Geordnete Kurve der Globalstrahlung 400

350 300

W/m^2

250 200 150 100 50

1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361

0 Tage

Abbildung 7.6-4 Geodnete Kurve des Mittelwerts der Globalstrahlung der Jahre 2010 und 2011

Geordnete Lastkurve Flory 14 12

Leistung in kW

10 8 6 4 2

1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361

0 Tage

Abbildung 7.6-5 Geordnete Lastkurve der Mittelwerte der Jahre 2010 und 2011 der Anlage Flory

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 35

Siggenthal mit 40% Solarenergie

20 18

16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361

Leistung in kW / Globalstrahlung in W/m^2

Geordnete Kurven

Tage Flory

Globalstrahlung

Abbildung 7.6-6 Geordnete Kurven, Mittelwert der Globalstrahlung dividiert mit 20, Mittelwert der Anlage Flory

Um die Abhängigkeit der beiden Kurven aufzuzeigen haben wir die Globalstrahlung mit 20 dividiert und können so die geordnete Kurve der Globalstrahlung und die geordnete Lastkurve der Anlage Flory in einem Diagramm darstellen. Es ist festzustellen, dass, je kleiner die Globalstrahlung wird, desto mehr stimmen die beiden Kurven überein. Wir stellen zudem fest, dass grosse Werte an Globalstrahlung nicht so gut umgesetzt werden können. Daraus lässt sich schliessen, dass bei grösserer Globalstrahlung der Wirkungsgrad der Fotovoltaikanlage abfällt und noch verbessert werden könnte.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 36

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.7 Regelenergie und –leistung Wie in den Diagrammen von einem einzelnen Winter- und Sommertag gut ersichtlich ist, sind die Leistungen des theoretischen Fotovoltaikparks um die Mittagszeit grösser als die Leistung der Kernkraftwerke. Jedoch fehlen die Leistungen aus der Fotovoltaikproduktion in den Morgen- und Abendstunden. Eine geschickte Lösung wäre, wenn die überschüssige oder zusätzlich erzeugte Energie in den Mittagsstunden gespeichert und in der Nacht wieder aus dem Speicher herausgeholt werden könnte. Für die Abschätzung eines geeigneten Speichers und deren Dimensionierung ist es wichtig, dass diese zu speichernde Energie bekannt ist. Die Energie, welche an jedem produktiven Tag um die Mittagszeit gespeichert werden könnte, wird Regelenergie genannt. Für die Berechnung der Regelenergie und –leistung sind wir mit folgenden Schritten vorgegangen: 1. Lastgang der FV Produktion an einem Winter- und Sommertag zusammen mit dem Lastgang der Produktion der Kernkraftwerke darstellen. 2. Darstellen der Lastgänge für einen Winter- und Sommertag ausschliesslich mit den Leistungen, welche grösser sind als die Leistung der Kernkraftwerke. 3. Berechnung der Regelenergie für einen Winter- und Sommertag.

∑ ∑

4. Darstellen der fehlenden Energie an einem Winter- und Sommertag. 5. Berechnen der fehlenden bzw. überschüssigen Energie an einem Winter- und Sommertag.

6. Berechnung der Energie, welche an einem Winter- und Sommertag aus dem Speicher bezogen werden müsste. Die Energie welche aus dem Speicher bezogen werden müsste entspricht der Fläche unter der schwarzen und über der roten Linie in den Diagrammen 7.7-1 und 7.7-2.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 37

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Winterhalbjahrstag 4500 4000 Leistung in kW

3500 3000 2500 2000

1500 1000 500 23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit Produktion FV

Produktion KKW

Abbildung 7.7-1 Lastgang der Produktion FV und KKW an einem Wintertag, in 15 min Mittelwerten

An einem durchschnittlichen Wintertag werden kurzzeitig Leistungen grösser als 2.5 MW produziert. Die Fläche unter der roten und über der schwarzen Kurve stellt die zwischenzeitlich, überschüssige Energie dar.

Sommerhalbjahrestag 12000

Leistung in kW

10000 8000 6000 4000 2000

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit Produktion FV

Produktion KKW

Abbildung 7.7-2 Lastgang der Produktion FV und KKW an einem Sommertag, in 15 min Mittelwerten

An einem durchschnittlichen Sommertag ist die überschüssige Energie während des Tages deutlich grösser als an einem Wintertag. Diese Energie muss geregelt werden. Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 38

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Überschüssige Energie pro Winterhalbjahrtag 1800 1600

3522 kWh

Leistung in kW

1400 1200 1000 800 600 400 200

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit

Abbildung 7.7-3 Verlauf der Regelleistung an einem typischen Wintertag, in 15 min Mittelwerten

Die blaue Fläche stellt die Energie dar, welche an einem typischen Wintertag geregelt werden muss.

Überschüssige Energie pro Sommerhalbjahrtag 10000 9000 8000 Leistung in kW

7000

59212 kWh

6000 5000 4000 3000 2000 1000

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit

Abbildung 7.7-4 Verlauf der Regelleistung an einem typischen Sommertag, in 15 min Mittelwerten

Die zu regelnde Energie an einem typischen Sommertag beträgt 59212 kWh. Diese Energie muss gespeichert werden für die Nachtstunden und vor allem für die Wintermonate.

Verfasser: N. Büttler

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14.07.2012 06.09.2012

Kapitel 7 - 39

Siggenthal mit 40% Solarenergie

Energie aus Speicher pro Wintertag 3000

Leistung in kW

2500

42159 kWh

2000 1500 1000 500

20:00

21:00

22:00

23:00

20:00

21:00

22:00

23:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit

Energie aus Speicher pro Sommertag 3000

Leistung in kW

2500

29787 kWh

2000 1500 1000 500

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

0

Zeit

In den obigen Diagrammen stellen wir mit den blauen Flächen die Energie dar, welche zu diesen Zeiten nicht von den Fotovoltaikanagen produziert werden kann. Diese Energie müsste im Idealfall zu den nicht produktiven Stunden der Anlagen aus dem Speicher bezogen werden. Im Sommer fällt die Energie, welche aus dem Speicher bezogen werden müsste deutlich kleiner aus.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 40

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.7.1 Geschwindigkeit der Regelenergie und –leistung Da die Fotovoltaik eine stochastische Energiequelle ist, ist es durchaus möglich, dass die Leistungen der Anlagen innerhalb von Minuten von der Peak-Leistung auch Null fallen. Dieser Fall könnte auftreten an einem schönen Sommertag, an welchem eine Wolke sich zwischenzeitlich vor die Sonne schiebt und so die Solarproduktion verhindert. Mit der Encontrol Oberfläche ist die grösste Auflösung der Leistungen der 15 min Mittelwert. In den 15 min Mittewerten sind kurzzeitige Einbrüche in der Leistung nicht ersichtlich.

7.7.2 Fehler in den Berechnungen Aufgrund der von uns gewählten Mittelwerte entstehen Fehler in den Berechnungen der Regelenergie. Die von uns gewählten Tage für die Berechnung des Mittelwertes für einen Sommer- sowie Wintertag beschränken sich auf die jeweils dritten Mittwoche der Monate der Jahre 2010 und 2011. Die totale überschüssige Energie aus allen Sommer- und Wintertagen sollte gleich gross sein, wie die totale Energie, welche aus dem Speicher gezogen werden müsste. Die Abweichung in unseren Berechnungen begründen mit der nicht korrekten Wahl der mittleren Sommer- sowie Wintertages. Für eine korrekte Berechnung sowie Darstellung der Regelenergie reicht es nicht aus alleine den Mittelwert der dritten Mittwoche der Monate zu wählen. Abweichung:

Bei den von uns gewählten Mittelwerten entsteht eine Abweichung von 1.7 GWh über das ganze Jahr. Wenn wir diese Differenz zu ¼ in das Winterhalbjahr von unseren Berechnungen und zu ¾ in das Sommerhalbjahr von unseren Berechnungen verteilen, würden die Werte wie folgt aussehen: Produktion korrigierte Wintertag Produktion korrigierter Sommertag Fehlende Energie Wintertag korrigiert Überschüssige Energie Sommertag korrigiert

23940 kWh 96607 kWh 36334 kWh 36334 kWh

Alter Wert: Alter Wert: Alter Wert: Alter Wert:

21638 kWh 89699 kWh 42159 kWh 29425 kWh

Mit dem Einbezug der Differenz, welche entsteht durch den nicht korrekten Mittelwert, wird die produzierte Energie an einem Winter- sowie Sommertag grösser. Gleichzeitig wird an einem Wintertag die überschüssige Energie grösser und die Energie, welche an einem Wintertag aus dem Speicher benötigt wird, wird kleiner. Derselbe Effekt geschieht beim Sommertag: die überschüssig produzierte Energie wird grösser und die benötigte Energie aus einem Speicher pro Tag wird kleiner.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 41

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.8 Fazit Das Analysieren und das Auswerten der Lastgänge über die Encontrol Oberfläche war sehr interessant und eindrücklich. Durch das Auswerten von realen Lastgängen konnten wir einen tiefen Einblick in ein komplexes Thema gewinnen. Die Lastgänge der Anwendungen im EGS-Gebiet fallen je nach Jahreszeit unterschiedlich aus. Unterschiede festgestellten wie zwischen Werktagen und Sonntagen fest. Die Lastgänge der Produktion hingegen sind alleine abhängig von der Wettersituation. Die Unterschiede in der Produktivität können, über das ganze Jahr gesehen, weit auseinander liegen. So gibt es durchschnittlich jedes Jahr drei komplett produktionslose Tage. Die von uns gewählte Referenzanlage von welcher wir unsere Berechnungen ableiten, hat eine beeindruckende Fläche von 400 m2. Mit dem Besitzer der von uns untersuchten Anlage konnten wir ein interessantes Interview führen und daraus Erkenntnisse ziehen über die Herausforderungen beim Bau einer Fotovoltaikanlage. Um den Vorgaben unserer Aufgabenstellung gerecht zu werden, berechneten wir die zusätzlichen Fotovoltaikanlagen, welche notwendig wären um 22 GWh im Jahr zu erzeugen. Diese Energie entspricht der jährlich angewendeten Kernenergie im Siggenthal. In den von uns angestellten Berechnungen stützen wir uns auf die mittlere erzeugte Jahresenergie der Referenzanlage Flory. Den Mittelwert bildeten wir aus den Jahren 2010 und 2011, in welchen die Anlage ganzjährig am Netz war. Die gleiche Menge Energie im Jahr, wie die aus den Kernkraftwerken, könnte mit 466 Fotovoltaikanlagen analog zur gewählten Referenzanlage produziert werden. Wenn die einzelnen Lastgänge der Anlage Flory mit dem Faktor 466 extrapoliert werden, wird deutlich, dass der grösste Teil der 22 GWh im Sommer produziert wird. Die angewendete und die mit Fotovoltaikanlagen erzeugte Energie verhalten sich im Sommer sowie im Winter gegenläufig. An Wintertagen wird mehr Energie angewendet als an Sommertagen, an Sommertagen wird jedoch mehr Solarenergie produziert als an Wintertagen. Wenn die Kernenergie im Siggenthal auch Winterhalbjahr durch Fotovoltaikanlagen ersetzt werden müsste, wären eine grössere Anzahl zusätzlicher Anlagen (956) nötig. Einen so starken Zubau von Fotovoltaikanlagen ist im Siggenthal undenkbar. Den Bau von 466 Anlagen liegt bereits an der oberen Grenze des Möglichen, denn es müssten alle geeigneten Dachflächen im gesamten Siggenthal und einen Teil der Grünfläche bebaut werden. An einem Sommertag wird bereits ab 10 Uhr morgens mehr Energie produziert, als angewendet wird. Bei der Analyse der extrapolierten Lastgänge wird eines klar: Eine Speicherung oder Anpassung wird unumgänglich. Das Ziel muss sein, mit geschickten Anpassungen und Speicherungen die überschüssig produzierte Energie eines Sommertages in den Winter und in die Nachtstunden zu verlagern. Ob das lokale Verteilnetz für mögliche Peak-Leistungen von bis zu 20 MW ausgelegt ist, muss abgeklärt werden. Sicher ist jedoch, dass das Netz nicht als Speicher benützt werden kann. Die Herausforderungen beim Betrieb einer solch grossen Anzahl Fotovoltaikanlagen, welche nötig wären um 22 GWh im Jahr zu produzieren, werden beachtlich. Die Auswirkungen auf das lokale Verteilnetz müssen genau analysiert werden.

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 42

Siggenthal mit 40% Solarenergie

7.9 Literaturverzeichnis 1

http://de.wikipedia.org/wiki/Rundsteuertechnik http://www.axpo-kleinwasserkraft.ch/index.php?path=wissen/wasserkraftwerke/Stroppel 3 Vorlesung Elektrische Anlagen 4. Semester: EA Energiequellen Systematik von G. Friedrich 10.5.2012 4 Datei: Thema4Potenzial_LR.pdf http://admin.ch/bfe 5 http://www.bfe.admin.ch/php/modules/publikationen/stream.php?extlang=de&name=de_641855796.pdf&e ndung=Photovoltaik http://www.news.admin.ch/message/index.html?lang=de&msg-id=45493 http://www.obersiggenthal.ch/leben/portrait.html http://www.untersiggenthal.ch/leben/portrait-zahlen-fakten/bevoelkerung.html Datei: Thema4Potenzial_LR.pdf http://admin.ch/bfe 6 Datei EEA-Zusammenstellung von Herrn Abächerli 7 Vorlesung Elektrische Anlagen 4. Semester: EA Energiequellen Systematik von G. Friedrich 10.5.2012 8 Interview mit Herrn Flory vom 17.7.2012 2

Verfasser: N. Büttler

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Kapitel 7 - 43