Ländliche Elektrifizierung – von Tansania bis zur eigenen Nachbarschaft (Teil 1)

Am 9. März 2020 veröffentlicht von Jekaterina Stael von Holstein

Hey Leute!

Heute möchte ich euch berichten, was ländliche Elektrifizierung ist und wofür die Begriffe in der Energiebranche stehen. Die Energiewende ist immer noch in aller Munde, deren Hauptthemen sind die Umstellung auf erneuerbare Energien, die Energieübertragung über Stromtrassen und der Ausgleich von Netzschwankungen. Das sind alles Begriffe, die leider wenig greifbar sind, die ich jedoch versuchen möchte, euch näher zu bringen. Als Beispiel wird uns eine Inselgruppe mitten im Viktoriasee in Tansania dienen.

Wieso möchte ich gerade über dieses Thema schreiben?
Am Ende des Bachelorstudiums in Energietechnologien war neben der Bachelorarbeit auch die Absolvierung eines Praktikums in der Industrie von zehn Wochen vorgesehen. In meinem Studium wurden viele Fächer zum Thema Energie behandelt: So haben wir uns u.a. neben Elektrotechnik auch in verschiedene Energiesysteme, Energietechnik und Energieelektronik vertieft und neben Thermodynamik und Kraftwerken wurden die Fächer Wärmeübertragung und Verbrennung unterrichtet. Da der Umstieg auf Erneuerbare Energien, weg von Atomkraft, schon damals ein sehr wichtiges politisches Thema war und ich mich sehr dafür interessierte, habe ich ein passendes Praktikum gesucht mit anschließender Möglichkeit eine Bachelorarbeit zu schreiben.

Die Firma INENSUS GmbH in Goslar ist ein Unternehmen, welches von drei ehemaligen Studenten der TU Clausthal gegründet wurde. Die ursprüngliche Idee war es, mittels kleinen, mobilen Windrädern Strom zu erzeugen und lokal zu verbrauchen. Es ging also um eine Nutzung wie die von Photovoltaikanlagen auf Hausdächern. Dieses Konzept entwickelte sich immer weiter zur Elektrifizierung in Entwicklungsländern, wo später, aufgrund des niedrigeren Preises, statt Windkraft, Photovoltaikanlagen genutzt wurden.

So bekam ich bei INENSUS während meines Praktikums, meiner Bachelorarbeit und später als Werkstudentin einen einjährigen Einblick, wie Netze konzipiert, ausgelegt und in Betrieb genommen werden. Die Arbeit hat sehr viel Spaß gemacht, ich bin sehr gerne zu meinem Arbeitsplatz gefahren und dank einer wunderbaren Betreuung konnte ich viel lernen. Das Wissen nutzte mir nicht nur für mein Masterstudium, es lehrte mich auch viel über Konzepterstellung und -umsetzung sowie die Berufswelt.

Ukara Insel in Tansania
Im tansanischen Teil des Viktoriasees gibt es mehrere Inselgruppen. In der Nähe von Mwanza befindet sich neben weiteren Inseln auch die Insel Ukara mit mehreren größeren Dörfern, in denen das Geschäftsleben stattfindet und größere Gebäude wie Krankenhaus und Kirche im Betrieb sind. Vor allem im Dorf Bwisya herrscht geselliges Leben mit Markt, Hotels und Handel. Die Haupteinnahmequellen der Dorfbewohner sind die Fischerei und die Viehzucht. So gibt es in manchen Häusern und in den meisten Geschäften Strom – doch dieser stammt von Dieselgeneratoren, die in den Häusern betrieben werden. Auch ein Mobilfunkturm in der Mitte der Insel wird über einen Dieselgenerator betrieben.

Da die Insel mitten im Viktoriasee liegt und die wirtschaftliche Kraft gering ist, lohnt es sich für die Region nicht, die Insel an das Hauptstromnetz, also an das Verbundnetz anzuschließen. Das hat natürlich für die Bewohner viele Nachteile: Diesel ist relativ teuer und muss vom Festland importiert werden. Die Dorfbewohner können schlecht mit dem Wettbewerb in der Region mithalten, da sie viele Produkte weder herstellen noch verwenden können. Außerdem richtet sich das gesamte Dorfleben nach den Tageszeiten aus: Es wird nur gearbeitet und gelernt, wenn es hell ist. Am Abend kommt das Dorfleben zum Erliegen: Alle Aufgaben müssen erledigt sein und die Kinder müssen ihre Hausaufgaben bereits gemacht haben, da es kein Licht zu Hause gibt. Ein solches Leben können wir uns heutzutage wohl kaum vorstellen und auch die Dorfbewohner wollten dies ändern.

Deshalb hat sich die Firma INENSUS GmbH der Sache angenommen. Sie hat in der Stromerzeugung auf Niederspannungsebene (bis 400 V) bereits viel Expertise bewiesen. Da die an der Steckdose anliegende Netzspannung 230 V beträgt, stellt es genau die Spannungsebene dar, auf die es bei der ländlichen Elektrifizierung ankommt. Der Auftrag bestand darin, möglichst alle Bewohner der Insel mit Strom zu versorgen und das kostengünstig und zum Vorteil aller.

Das Schöne an diesem Projekt war, dass ich bei der Planung dabei sein durfte und dieses Netz jetzt funktionsfähig eingesetzt ist. Zu sehen, dass eine Teamarbeit sehr gut funktioniert und sich die Bewohner der Insel darüber freuen, macht einen wirklich sehr stolz.

Wie elektrifiziert man eine Insel?
Zunächst einmal muss ermittelt werden, wie viele Verbraucher es gibt, die den Wunsch haben, für Strom zu bezahlen. Darüber hinaus muss die Position dieser Verbraucher bekannt sein, wenn man ein elektrisches Netz plant. Dies ist relativ einfach erledigt – einfach mit einem GPS-Gerät den Haushalt mit einer Bezeichnung auf der virtuellen Landkarte vermerken. Bei den Verbrauchern kann es sich um Haushalte, um Produktionsgebäude (z.B. Mühlen, Pumpen oder Schweißereien) oder um Gebäude mit besonderer Präferenz (z.B. Krankenhäuser, Kirchen, Moscheen oder Gemeindehäuser) handeln, für die also alle Bewohner aufkommen wollen und die auf jeden Fall angeschlossen werden müssen.

Jedem Bewohner und Verantwortlichen werden bei einem sogenannten Demand Assessment Fragen gestellt, welche elektrischen Verbraucher sie nutzen möchten. Dabei müssen die Bewohner nicht unbedingt einschätzen, wie viel Watt sie verbrauchen werden. Sie werden gefragt, wie viele Lampen, Fernseher, Ventilatoren usw. sie im Haushalt haben wollen. Aus den im Fragebogen verzeichneten Daten wird die nötige Leistung abgeschätzt. So verbraucht z.B. eine Energiesparlampe etwa 5 W, während ein kleiner LED-Fernseher einen Verbrauch von etwa 50 W hat. Gleichzeitig werden die Zeiten des Gebrauches gefragt, also von wann bis wann der potentielle Kunde zu Hause ist, wann der Ventilator angeschaltet wird, wann die Geschäftszeiten des Ladens sind usw. Daraus wird ein sogenanntes Standardlastprofil errechnet. Dieses gibt an, wie viel Leistung ein Haushalt, ein Bezirk oder ein Dorf zu welcher Uhrzeit braucht. Die Fläche unterhalb der Lastprofillinie kann durch die Integralrechnung errechnet werden. Sie gibt die benötigte Energie an.

Standartlastprofil

Figure 1: Beispiellastprofil eines normalen Werktages in einem kleinen Dorf. Am Abend wollen die Dorfbewohner Strom nutzen.

Eine weitere wichtige Information, die die Bewohner der Ukara Insel zur Verfügung stellen, ist, wie viel sie bereit sind für die Energie zu zahlen. Ein Lastprofil hilft ebenfalls dabei, die Kosten für die verbrauchte Energie auszurechnen. Meist reduzieren die Kunden die Angaben zu ihrem Verbrauch, nachdem sie die Kosten erfahren haben, um Geld zu sparen.

Basierend auf den sich ergebenden Daten kann die Größe und der Einsatz des Generators errechnet werden. Wie bereits erwähnt, werden als Energiequelle Photovoltaikzellen gewählt. Diese sind zu relativ günstigen Preisen auf dem Markt zu haben und, dank des meist sonnigen Wetters in Tansania, eignen sie sich perfekt, um viel Strom zu produzieren. Da sowohl die Grundlast (Fläche unterhalb der ersten Leistungs“berge“) als auch die Last am späten Abend ebenfalls zu versorgen sind und zu dieser Zeit keine Sonne scheint, werden in Reihe- und parallelgeschaltete Batterien als Puffer benutzt. Diese speichern die unverbrauchte Energie während der Tageszeit ab, welche wiederum zu sonnenfreien Stunden verbraucht werden kann.

Doch was tun, wenn die Regenzeit kommt und die Energie nicht über die Photovoltaikanlage generiert werden kann? Oder wenn während der Nacht mehr Energie verbraucht wird, weil eine große Dorffeier ansteht? Oder man die Spitzenlast, also die Hochpunkte des Lastprofils, nicht abdecken kann? Für diesen Fall muss zusätzlich ein großer Dieselgenerator eingesetzt werden, welcher bei Bedarf parallel zu den Batterien oder der Photovoltaikanlage betrieben werden kann. Dies wird als hybrider Betrieb bezeichnet, da mehrere Energiequellen für den Energiemix verantwortlich sind.

Ein intelligenter Wechselrichter entscheidet anhand der Höhe der Netzfrequenz, wann welche Energiequelle zu- oder abgeschaltet wird. Ein Wechselrichter wird in jedem Fall benötigt, da der erzeugte Strom sowohl von der Photovoltaikanlage als auch von den Batterien ein Gleichstrom ist, während der Dieselgenerator Wechselstrom erzeugt und alle Verbraucher Wechselstrom für den Betrieb brauchen. Außerdem fungiert ein Wechselrichter als Stabilisator für Spannung und Frequenz, was für eine Balance bei Zu- und Abschaltung von Lasten im Netz sorgt.

Was außerdem bei einem Elektrifizierungsprozess zu beachten ist und was Blackouts verursacht, erfahrt ihr im nächsten Teil des Beitrages.

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