Projekt 04038/88

Anlagen regenerativer Energien zu Demonstrationszwecken in der Umweltbildung in der Schule

Projektdurchführung

Berufskolleg ViersenSekundarstufe II
Heesstr. 95
41751 Viersen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Thema Regenerative Energien ist hoch aktuell. Anlagen solcher Art in der Schule ermöglichen der jungen Generation, sich erstmals praktisch mit dem Thema regenerativer Energiesysteme intensiver auseinander zu setzen. Die Anschaffung von erneuerbaren Energien eröffnet neue innovative Arbeitsprojekte für verschiedene Unterrichtsfächer. Praktische und theoretische Kenntnisvermittlung erlangt einen ganz neuen Stellenwert in der Ausbildung. Auch die Standardfertigkeiten lassen sich bei erneuerbaren Energien innovativ anwenden. Zukunftsweisende Ausbildung sichert neue Arbeitsplätze und bessere Vermittlungschancen auf dem Arbeitsmarkt und wirkt somit standortsichernd. Erneuerbare Energien geben den Initiatoren und Investoren die Möglichkeit, sich sinnvoll und effektiv für den Erhalt unserer Umwelt einzusetzen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie erste Stufe war die Erstellung der Photovoltaikanlage. Sie war betriebsbereit, bevor die weiteren regenerativen Energien in den folgenden Ausbaustufen erstellt wurden:
Thermo-Solaranlage.
Sie ist so konzipiert, dass Flachkollektoren und Vakuumröhren (je eine Einheit) umschaltbar (messtechnisch erfassbar am PC durch Messfühler, Flussmelder, etc.) für das Brauchwasser im Raum F203 genutzt werden. Alle wichtigen Anlagenteile sind zum besseren Verständnis und zur Demonstration übersichtlich im Raum F203 mit entsprechenden Messeinheiten angeordnet. Da selbst durch die zwei kleinen Einheiten überschüssige Energie erzeugt wird (speziell im Sommer), sorgt ein Absorber für funktionsfreies Arbeiten.
Erdwärme.
Es wird die Erdwärme durch Bohrungen ins Erdreich genutzt. In einem geschlossenen Rohrsystem in (6 x 22m tiefen) Bohrungen zirkuliert der Wärmeträger. Durch eine Wärmepumpe wird dem Wärmeträger (spezielles aufbereitetes Wasser) die Wärme entnommen und damit der Raum F203 beheizt.
Windkraftanlage.
Hier handelt es sich um eine 0,9 kW - Anlage als Demonstrationsanlage. Die Erträge der Windkraftanlage werden sichtbar durch eine Lampenleistungsanzeige dargestellt.
PC-Erfassung.
Alle Daten der verschiedenen regenerativen Energien werden im Raum F203 per PC erfasst, ausgewertet, verglichen, verarbeitet und entsprechend ausgegeben. Das Programm ist so erstellt worden, dass jederzeit Benutzer mit kleiner PC-Erfahrung die Gesamtanlage ohne Probleme steuern, regeln und damit arbeiten können. Wichtig ist, dass die vier Einzelanlagen als eine Gesamtanlage zusammengefasst werden und diese Anlage entsprechend so auch arbeitet.


Ergebnisse und Diskussion

Die Automationsanlage Regenerative Energien im Berufskolleg Viersen vereinigt die Energiearten:
Sonnenenergie in Form von Umwandlung in elektrische Energie; Wärmeenergie, aufgenommen über einen Flachkollektor, einen Vakuum-Röhrenkollektor sowie über einen Brunnen aus der Erde und einer Wärmepumpe; Windkraft, umgewandelt in elektrische Energie.
Alle Wärme-Energiequellen sind so verschaltet, dass sie gemeinsam auf die parallel geschalteten Verbraucher arbeiten. Das in elektrische Energie umgewandelte Sonnenlicht wird über einen netzgeführten Wechselrichter in das elektrische Energienetz des Berufskollegs eingespeist. Die vom Windrad auf-genommene mechanische Energie wird über einen Drehstromgenerator in elektrische Energie umgewandelt. Sie wird mit einem Akkumulator gepuffert und zum Betreiben einer Leuchtleiste benutzt. Die elektrische Steuerung erfolgt über zwei Schaltanlagen, eine für die Wärmeenergie und eine für die elektrische Energie. Alle Programme zum Steuern und Regeln der Anlage werden in einem PC ausgeführt. Zur Visualisierung und Bedienung des Prozesses dienen zwei Fließbilder, entsprechend den beiden Anlagenbereichen. Alle relevanten Daten werden bei Änderungen, mit einem Zeitstempel versehen, in einer Datenbank abgelegt. Aus dieser Datenbank können sie für beliebige Zeitfenster angerufen werden. Die Auswertung dieser abgerufenen Daten kann mit einem beliebigen Programm erfolgen, zum Beispiel mit MS-Excel.
Schematischer Aufbau der Anlage
Der wärmetechnische Teilbereich der Anlage ist in zwei logische Teile aufgeteilt. Dieses sind die Wärmeerzeuger und die Verbraucher, welche gruppenweise parallel geschaltet sind. Die Ausgangstemperatur der Wärmeerzeuger wird über das Regeln des Wasserdurchsatzes eingestellt. Als Stellglied dienen Proportionalventile. Die gemeinsame Mischtemperatur wird mit einem Regler durch das Belasten des Wärmekreislaufes mit einem Kühler eingeregelt.
Als Verbraucher sind die Heizung und die Warmwasseraufbereitung des Leersaales parallel geschaltet. Die Heizleistung der Heizung wird durch das Regeln des Wasserdurchsatzes durch den Wärmetauscher, welcher zur Entkopplung zwischen Wärmekreislauf und Heizungskreislauf dient, den Erfordernissen entsprechend geregelt. Das Aufheizen des Brauchwassers erfolgt durch das Ein- und Ausschalten des in den Wasserspeicher integrierten Wärmetauschers.
Der Anlagenteil mit den elektrischen Energieerzeugern besteht aus zwei unabhängigen Teilen. Während die elektrische Energie, gewonnen aus Sonnenlicht, direkt in das Energieversorgungsnetz eingespeist wird, wird die elektrische Energie, gewonnen aus Windkraft in einer stufig einstellbaren Listleiste verbraucht. Jede Schaltstufe entspricht 100W elektrischer Energie.
Möglichkeit der Nutzung der Anlage speziell für den Lehrbetrieb
Generelle Anwendung der Anlage im Berufsschulbereich:
Untersuchung der Anlage und Anlagenbestandteile, einzeln wie auch in Kombination, sowie Arbeiten in der Steuerungs- und Regelungstechnik
Speziell in der Installationstechnik (Theorie und Praxis)
Aufbau der Anlage, Verbindungstechnik, Verschaltung der Anlage, Dimensionierung der Geräte, Funktion der Teile der Anlage, Erstellen der Hydraulik, Einfache Wirtschaftlichkeitsberechnungen, Messtechnik
Speziell in der Elektroinstallation (Theorie und Praxis)
Schaltanlagenkonstruktion, Schaltanlagenbau und -montage, Schaltungsanalyse, Verdrahtung, Schaltpläne, Arbeiten mit Messwertgebern (Aktoren) und Stellgliedern (Reaktoren), Präsentationen der Daten, Einfache Wirtschaftlichkeitsberechnungen, Steuerungs- und Regelungstechnik, Messtechnik
Speziell für die Ausbildung in der Industrie
Funktionen der Anlage und Anlagenteile, Steuerungstechnik, Regelungstechnik, Programmierung (SPS), Visualisierung (Anzeige), Messtechnik
Speziell im IT-Bereich
Steuerungstechnik, Regelungstechnik, Programmierung, Visualisierung (Window-Programmierung Þ Prozessdatenbanken), Realzeitprogrammierung, Repräsentation der Daten, Messtechnik
Speziell im kaufmännischen Bereich
Erzeugte Prozessdaten analysieren, auswerten und Schlüsse daraus ziehen, Wirtschaftlichkeitsberechnungen
Berufliche Aus- und Fortbildung nach der Ausbildung (Techniker, Gesellen, Meister, Studenten)
Schaltanlagenbau, Konstruktion, Kybernetik, Datenverarbeitung, Betriebswirtschaft


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Diese Anlage soll der Öffentlichkeit - anderen Schulen, handwerklichen Betrieben und der VHS - zur Besichtigung, zur Demonstration und zur praktischen Weiter- und Ausbildung zugänglich sein. Da der Anlagenraum mittlerweile über einen Internetanschluss verfügt, ist es ein Leichtes, mit Partnerschulen in Europa (seit Jahren gemeinsame Projekte durch Commenius mit den technischen Schulen Västerviks Gymnasium in Schweden und Berufsschule St. Veith/ Klagenfurt in Österreich) regelmäßigen Datentausch via E-Mail oder Internet vorzunehmen. Es soll die Anlage, sie befindet sich zum Teil außerhalb der Schule, der Öffentlichkeit, den Elektrobetrieben, der Handwerkskammer, der Stadt, dem Kreis, der örtlichen Presse, etc. vorgestellt und den Schülern zum aktiven Gebrauch übergeben werden.


Fazit

Nach Baubeginn wurde schnell klar, dass die vier regenerativen Anlagen (Fotovoltaikanlage, Thermo-Solaranlage, Erdwärme, Windkraftanlage) nicht einzeln nebeneinander arbeiten sollen. Es mussten deshalb neue Überlegungen angestellt werden, wie man durch entsprechende Flussmengen-, Temperaturfühler, Regelungen, Steuerungen die vier erneuerbaren Energien in eine Gesamtanlage umfunktionieren kann. Außerdem muss eine große Display-Anzeige diese errechneten und aktuellen Daten bei Bedarf anzeigen. Sie kann so als Gesamtheit im Unterricht genutzt werden. Eine solche Anlage ist entwickelt worden und sie ist wohl an einem Berufskolleg einmalig. Da sie so einmalig ist, ist auch ein speziell für die Anlage zugeschnittenes Bearbeitungsprogramm mit Datenbank, Server geschrieben worden. Aus diesen Gründen und auch wegen der erheblichen Verteuerung ergibt sich die verspätete Fertigstellung.