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Erneuerbare Energien - so funktioniert's

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Regenerative Energien für eine nachhaltige Energiepolitik
Regenerative Energien für eine nachhaltige Energiepolitik (Bildquelle: Thinkstock)

Als erneuerbare Energien, regenerative oder alternative Energien werden Energieträger bezeichnet, die unerschöpflich zur Verfügung stehen bzw. sich verhältnismäßig kurzfristig erneuern wie z.B. Biomasse. Damit grenzen sich die erneuerbaren Energien von fossilen Energiequellen ab, die sich erst über einen Zeitraum von mehreren Millionen Jahren wieder regenerieren.

Die erneuerbaren Energien gelten als wesentliche Maßnahmen für eine nachhaltige Energiepolitik und zur Erreichung der Energiewende.
Zu den erneuerbaren Energien zählen Windenergie, Wasserkraft, Solarenergie, nachwachsende Rohstoffe (Bioenergie) und Geothermie.
Die Anlagen der erneuerbaren Energien bestehen im Wesentlichen aus Komponenten des Maschinen- und Anlagenbaus mit der einhergehenden Elektrifizierung.

Arbeiten an Erneuerbaren-Energien-Anlagen

Unter Beachtung der entsprechenden Vorschriften können für Arbeiten an Anlagen erneuerbarer Energien sowohl Elektrofachkräfte (EFK) als auch elektrotechnisch unterwiesene Personen (EuP) zum Einsatz kommen. In der Berufsgenossenschaftlichen Regel für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit DGUV Regel 103-011 ist der Geltungsbereich durch eine Einteilung der Tätigkeiten definiert. Diese BG-Regel konkretisiert die Forderungen des § 8 der DGUV Vorschrift 3 hinsichtlich der Schutzmaßnahmen gegen die Gefährdungen durch Körperdurchströmung und Lichtbögen bei Arbeiten an aktiven Teilen aller Spannungsebenen, deren spannungsfreier Zustand nicht sichergestellt ist.

Windenergie - eine regenerative Energiequelle

Windenergie ist eine regenerative Energiequelle. Dabei wird die kinetische Energie der bewegten Luftmassen der Atmosphäre technisch genutzt. Da sie kurzfristig durch die Einwirkung der Sonne nachgeliefert wird, zählt sie zu den erneuerbaren Energien. Windenergie wird in Windenergieanlagen (Windkraftanlagen) zur Erzeugung von Strom eingesetzt. In der Atmosphäre entstehen Luftbewegungen durch die unterschiedliche Intensität der Sonneneinstrahlung und durch die Rotation der Erde. Diese Luftbewegungen sind die Folge von Druckunterschieden, die sich nicht nur durch die Sonnenstrahlung, sondern auch durch Temperaturschwankungen an Land und im Wasser bilden.

Aufbau einer Windenergieanlage (WEA)

Eine Windenergieanlage besteht im Wesentlichen aus einem Rotor mit Nabe und Rotorblättern sowie einer Maschinengondel, die den Umrichter, Generator und häufig ein Getriebe beinhaltet. Bei Windenergieanlagen (WEA) ist der gesamte Anlagenbereich ein elektrischer Betriebsraum, oft beengt und in Arbeitshöhen von bis zu 150 m.

Abb. 1: Onshore-Windenergieanlagen nach dem derzeitigen Stand der Technik

Onshore-Windenergieanlagen

Die Gefährdungen durch die elektrischen Anlagen in Betriebsräumen von WEA sind abhängig vom Grad des Berührungs- und Lichtbogenschutzes sowie von der Bedienungssicherheit. Sowohl die gesamte Windenergieanlage als auch zugehörige Nebengebäude mit den darin enthaltenen elektrischen Anlagen sind deshalb als abgeschlossene elektrische Betriebsstätten zu betreiben. Die Zugangsberechtigung darf nur Elektrofachkräften (EFK) oder elektrotechnisch unterwiesenen Personen (EuP) erteilt werden.

Wasserkraft - eine effiziente Form der Energieerzeugung

Wasserkraft ist eine effiziente und etablierte Form der Energieerzeugung mit Vorteilen wie geringen Emissionen (diese fallen praktisch nur während der Errichtungsphase an), geringe Abfallmengen, wenigen Hilfs- und Betriebsstoffen, kein Primärenergieverbrauch und keine nennenswerte Abwärmeerzeugung. Die Technik unterscheidet sich vor allem in der Leistungsklasse der jeweiligen Generatoren. Durch regelmäßige elektrische Prüfungen werden sicherheitsrelevante Veränderungen an der technischen Anlage (z.B. Isolationsfehler) frühzeitig erkannt. Dabei sollten von der Elektrofachkraft die speziellen Sicherheitsanforderungen berücksichtigt werden.

Solarenergie

Die Solarenergie entsteht durch die technische Nutzung der von der Sonne auf die Erde abgestrahlten Energie. Dabei gibt es zwei Arten der Nutzung: Photovoltaik und Solarthermie. Die Sonne strahlt mit einer Leistung von ca. 1.000 W/m2 an wolkenlosen und minimal mit etwa 20 bis 30 W/m2 an bewölkten Tagen auf die Erdoberfläche.

Solarthermie - Erzeugung von Wärme

Bei der Solarthermie handelt es sich um die Erzeugung von Wärmeenergie, die mittels Kollektoren aus den Sonnenstrahlen gewonnen wird. Das erhitzte Medium gibt seine Wärme ständig an einen Wärmespeicher ab.

Photovoltaik - Erzeugung von elektrischem Strom

Bei der Photovoltaik wird mittels Solarzellen, die in Modulen zusammengeschaltet sind, elektrischer Strom erzeugt.

Abb. 2: Freifeld-Photovoltaik-Anlage mit einer installierten Leistung von 10 MWp

Freifeld-Photovoltaik-Anlage

Das Halbleitermaterial (meist Silizium) ist auf der einen Seite n-dotiert, d.h. mit Fremdatomen versetzt, die ein Valenzelektron mehr als die Siliziumatome aufweisen.
Auf der anderen Seite ist die Zelle mit Fremdatomen dotiert, die ein Valenzelektron weniger als die Siliziumatome haben. Dadurch dass die überzähligen Elektronen von der n-Seite auf die p-Seite wandern, bildet sich an der Grenze eine Raumladungszone aus. D.h., eine positive Ladung auf der n-Seite durch die Atomrümpfe der Fremdatome, denen nun Elektronen fehlen, und auf der p-Seite eine negative Ladung durch die Atome der p-Dotierung, die nun zusätzliche Elektronen bekommen haben.

Es entsteht ein inneres elektrisches Feld, welches die Elektronen auf der n-Seite daran hindert, weiter in die p-Seite zu wandern. In den Photovoltaiksystemen sind derzeit Gleichstromspannungen zwischen 400 V und 1 kV üblich. Hierbei können im Fehlerfall Lichtbögen entstehen, deren Löschung nicht trivial ist, da der Photovoltaikgenerator nicht ausgeschaltet werden kann. Hier müssen von der Elektrofachkraft die grundlegenden Vorgehensweisen laut DGUV Vorschrift 3 berücksichtigt werden.

Bioenergie - Energie aus Biomasse

Als Bioenergie bezeichnet man Energie, die aus Biomasse gewonnen wird. Dabei werden verschiedene Energieformen wie Wärme, elektrische Energie oder auch Kraftstoff für Verbrennungsmotoren eingeschlossen. Meist wird auch Biomasse, in der die Energie chemisch gespeichert ist, als Bioenergie bezeichnet. Als Hauptenergiequelle werden nachwachsende Rohstoffe verwendet. Bisher hat Holz als Festbrennstoff die größte Bedeutung, aber auch landwirtschaftliche Produkte (Agrarrohstoffe) und organische Reststoffe aus unterschiedlichen Bereichen spielen eine zunehmende Rolle. Dabei sollten von der Elektrofachkraft die speziellen Sicherheitsanforderungen an Bioenergieanlagen berücksichtigt werden.

Abb. 3: Industrielle Anlage zur Energieerzeugung aus Biomasse

Anlage zur Energieerzeugung aus Biomasse

Geothermie - in der Erdkruste gespeicherte Wärme

Die Geothermie ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt zu den regenerativen Energien. Sie kann sowohl direkt genutzt werden, etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt (Wärmepumpenheizung), als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom oder in einer Kraft-Wärme-Kopplung. Durch regelmäßige elektrische Prüfungen werden sicherheitsrelevante Veränderungen an der technischen Anlage (z.B. Isolationsfehler) frühzeitig erkannt. Dabei sollten von der Elektrofachkraft die speziellen Sicherheitsanforderungen der verbauten Komponenten bzw. der Systemtechnik berücksichtigt werden.

Autor: Dr.-Ing. Florian Krug

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