Projekt 07159/01

Entwicklung von mit Photovoltaik versorgten Notrufsäulen

Projektdurchführung

SoWiTecFrank Hummel
Grießstr. 26
72820 Sonnenbühl

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bisher werden Notrufsäulen entweder an das Stromnetz angeschlossen (was teilweise sehr teuer ist) oder die Energie wird über Batterien bereit gestellt. Diese Batterien werden jährlich ausgetauscht. Zusätzlich zu diesen Batteriekosten ergeben sich Kosten für das Personal und Kosten für die Entsorgung der Batterien. Das neue Konzept der Energieversorgung mit Sonnenenergie über Photovoltaikzellen bietet hier, bei entsprechender Konzeption und Auslegung, wesentliche Vorteile. Ein Austausch der Batterien wird nur noch etwa alle 5 Jahre notwendig, die Kosten für Personal und für die Batterien und deren Entsorgung sind dadurch wesentlich geringer. Die Batterie kann zudem kleiner ausgelegt werden. Das neue Konzept bietet daher betriebswirtschaftlich große Vorteile. Das System soll so ausgelegt werden, daß auch bestehende Säulen nachträglich damit ausgerüstet werden können. Die Auslegung des Systems muß, um den jederzeit sicheren Betrieb zu gewährleisten, sehr detailliert durchgeführt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Björn-Steiger-Stiftung ist an dem Einsatz der Photovoltaik zur Stromversorgung ihrer Notrufsäulen unter den Randbedingungen der technischen Zuverlässigkeit und der Einhaltung der wirtschaftlichen Vorgaben interessiert. Da die Wirtschaftlichkeit berechnet werden kann und nur abhängig von der gewählten Konfiguration ist, muß vorab der Nachweis der technischen Zuverlässigkeit erbracht werden. Dies wurde durch einen Feldtest mit zehn verschiedenen Systemkonfigurationen erbracht. Dabei wurden unter anderem verschiedene Photovoltaikmodule, Batterien und Montagetechniken erprobt. Die Systemauslegung erfolgte auf Basis eines speziell für diesen Anwendungsfall erstellten Simulationsprogrammes.
Das Energieversorgungssystem wurde mit einem Meßdatenerfassungssystem ausgerüstet, in dem alle relevanten Daten abgespeichert, regelmäßig ausgelesen und ausgewertet werden.
Der Feldtest wurde von Oktober 1996 bis Juni 1997 durchgeführt. Dadurch wurden die einstrahlungsärmsten und kältesten Monate für den Nachweis der technischen Zuverlässigkeit berücksichtigt. Zudem wird der Feldversuch noch durch spezielle Batterietests, welche vom Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg in Ulm durchgeführt wurden, ergänzt. In diesem Test wurde das Temperaturverhalten der Batterien untersucht.


Ergebnisse und Diskussion

Der Feldtest wurde mit verschiedenen Konfigurationen bezüglich Solargenerator, Batterie und der Montage- bzw. Integrationstechnik durchgeführt. Insgesamt 10 unterschiedliche photovoltaische Energieversorgungssysteme wurden in funktionsfähige Notrufsäulen integriert. Alle Systeme wurden mit Hilfe des Simulationsprogrammes so ausgelegt, daß über den kompletten Testzeitraum die Versorgungssicherheit gewährleistet sein sollte.
Die jederzeitige Versorgungssicherheit wurde nur mit 4 Systemen erreicht. Alle anderen Systeme konnten aus unterschiedlichen Gründen zeitweise den Energiebedarf nicht decken.
Mit den vorgegebenen Randbedingungen bezüglich Belastung und Spannung war die Systemauslegung korrekt und dazu geeignet, fast alle Anforderungen ohne Einschränkungen zu erfüllen. Lediglich einzelne Komponenten des Gesamtsystems zeigten während des Tests deutliche Mängel. Bei Einsatz anderer Bauteile wäre die Versorgungssicherheit auch während des Feldtests gegeben gewesen.
Eine allgemeine Systemoptimierung läßt sich durch Einsatz eines Ladereglers mit deutlich geringerem Eigenbedarf sowie durch Anpassung der Systemspannung an die in der Notrufsäule notwendige Spannung erreichen. Diese sollte Spannungen von 5 bis 7 V bzw. im ungünstigeren Fall (in dieser Spannungsklasse sind nur wenige Akkumulatoren erhältlich) von 7 bis 10 V zulassen.
Parallel sollte der Verbrauch der Notrufsäule weiter reduziert werden. Es zeigt sich aber, daß für das System Notrufsäule aufgrund der Belastungsart und dem Einsatz im Freien unter teilweise extremen Umgebungsbedingungen die einzelnen Komponenten eine Mindestgröße haben sollte. Die Batteriekapazität sollte 1 Ah und die Modulleistung 0,5 bis 1 W nicht unterschreiten. Speziell Module mit sehr geringer Leistung (Ausnahme amorphe Technik) sind nur aufwendig herzustellen und daher kaum preisgünstiger. Auch bezüglich der Qualität ist bei kleinen Leistungen mit einer Verschlechterung zu rechnen, auch in diesem Fall bilden amorphe Module eine Ausnahme. Die Kapazität der Batterie ist wiederum von der Größe des Verbrauches und der Modulleistung abhängig. Daher wird hier als Untergrenze 1 Ah empfohlen. Kleinere Akkumulatoren sind am Markt kaum erhältlich.
Der Montageort der Module an der Notrufsäule hat keinen merklichen Einfluß. Sowohl auf dem Dach als auch auf der Rückseite herrschen in etwa die selben Einstrahlungsverhältnisse. Dabei bietet die Rückseite sogar etwas günstigere Eigenschaften, da speziell in den Wintermonaten mit einer höheren Einstrahlung zu rechnen ist und Schnee die Module nicht bedeckt. Zudem erscheint hier eine Montage einfacher.
Der Feldtest hat gezeigt, daß sich Theorie und Praxis oft deutlich voneinander unterscheiden. Eigenarten einzelner Komponenten können über Rechenmodelle nicht erfaßt werden, da diese stets von normal arbeitenden Bauteilen ausgehen. Somit konnten durch den Feldtest zahlreiche wichtige und für den späteren Einsatz unerläßliche Erfahrungen gesammelt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Derzeit wird ein zweiter Feldversuch direkt an Bundesstraßen mit 10 Notrufsäulen mit einem photovoltaischen Energieversorgungssystem durchgeführt. Dieser soll die Ergebnisse des ersten Feldversuches bestätigen. Danach ist geplant das System in Serie zu bauen. Die Einführung des Systems wird über Pressemitteilung und Pressekonferenz erfolgen.


Fazit

Mit den Erkenntnissen des Feldversuches läßt sich nun für den Anwendungsfall der Notrufsäule eine ideale Konfiguration erstellen, welche auch zu besseren wirtschaftlichen Werten führen wird.
Die höheren Investitionskosten von 500 - 700 DM amortisieren sich im Vergleich zum reinen Batteriebetrieb innerhalb von 3 - 5 Jahren. Bei einer Betriebsdauer der Notrufsäule von 15 Jahren ergibt sich somit ein Kostenvorteil von etwa 1500.- bis 2000,- DM zugunsten des photovoltaischen Systems.
Als weiterer Vorteil ist die hohe Umweltverträglichkeit zu nennen. Wesentlich weniger Batterien sind zu entsorgen und deutlich geringerer Betreuungsaufwand mit den entsprechenden Anfahrtswegen ist notwendig.
Das Konzept wurde so gestaltet, daß die Funktionsfähigkeit und die Betriebssicherheit auch in anderen klimatischen Regionen (andere Einstrahlungswerte und Temperaturen) gewährleistet ist