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Moderne Umweltschutztechnik bei Segelyachten. Wie effizient ist die Nutzung alternativer Energien?

Hausarbeit 2014 21 Seiten

Geowissenschaften / Geographie - Sonstiges

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungen

Tabellen

1 Einleitung

2 Der Stromverbrauch an Bord von Segelyachten
2.1 Problematik
2.2 Ermittlung des durchschnittlichen Stromverbrauchs

3 Alternative Energien
3.1 Solarenergie - Photovoltaik
3.1.1 Herstellung und Aufbau von Solarzellen
3.1.2 Umwandlungsvorgang
3.1.3 Wirkungsgrad
3.1.4 Solarzelltypen
3.1.5 Vor-und Nachteile verschiedener Modularten auf Segelyachten
3.1.6 Innovationen
3.2 Windkraftanlagen
3.2.1 Aufbau und Funktionsweise
3.2.2 Windkraft auf Segelbooten
3.2.3 Innovationen
3.3 Wasser- und Schleppgeneratoren
3.4 Brennstoffzellen
3.4.1 Grundaufbau und Funktionsweise
3.4.2 Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen
3.4.3 Brennstoffzellen auf Segelbooten - Innovationen
3.5 Elektromotoren

4 Vergleich alternativer Energiequellen auf Segelyachten

5 Fazit

Quellenverzeichnis

Abbildungen

Abb. 1: Funktionsweise einer Solarzelle

Abb. 2: Windgenerator von SilentWind

Abb. 3: Wasser- und Windgenerator Ampair Aquair 100

Abb. 4: Schema einer PEM-Brennstoffzelle

Tabellen

Tab. 1: Energiebilanz einer 10-Meter-Segelyacht in Fahrt

1 Einleitung

Die Nachfrage unserer Gesellschaft nach Energie nimmt stetig zu. Laufend werden neue technische Innovationen auf den Markt gebracht, die mit Strom betrieben werden. Doch dieser Trend bringt auch eine höhere Umweltbelastung mit sich. Begriffe, wie Klimawandel oder Energiewende, sind fast jedem bekannt. Und dennoch verleitet der menschliche Hang nach Luxus und Bequemlichkeit zur Anschaffung neuer technischer Geräte.

So nahm in den letzten Jahren auch der Stromverbrauch auf Segelyachten zu. Zusätzlich zu den zwingend erforderlichen Stromverbrauchern wie der Beleuchtung, kommen heut zu tage auch Navigationsgeräte wie GPS-Geräte, Windinstrumente und Echolote hinzu. Außerdem möchten viele Skipper den Luxus von zu Hause auch an Bord nutzen: immer häufiger werden auf Segelbooten Elektrogeräte, wie Kühlschränke, oder Elektroherde, verbaut. Doch das erfordert eine Menge Strom. Gerade auf hoher See kann dies zum Problem werden, wenn keine Häfen zum Aufladen der Batterien angelaufen werden können.

Egal ob auf See oder an Land – die Nachfrage nach elektrischer Energie steigt. Hierbei muss beachtet werden, dass bei elektrischen Geräten zwar lokal keine umweltbelastenden Emissionen entstehen, wohl aber bei der Erzeugung des Stroms. Bisher wurde dieser hauptsächlich durch die mittlerweile umstrittene Atomenergie gewonnen.

Da nun jedoch in Deutschland die Abkehr von der Energiegewinnung durch Atomkraftwerke beschlossen worden ist, müssen nun bis zum Ausstieg umweltfreundlichere Ersatzlösungen gefunden werden. Die Lösung liegt in der Nutzung alternativer Energien. Doch diese müssen eines Tages die zuverlässige Leistung der Atom- bzw. Kohlekraftwerke komplett und in gewohnter Stromqualität aufbringen können.

Diese Hausarbeit stellt verschiedene alternative Möglichkeiten und ihre Vor- und Nachteile vor, mit dem Ziel die effizienteste Energiequelle für Segelyachten zu ermitteln.

2 Der Stromverbrauch an Bord von Segelyachten

2.1 Problematik

Seit wenigen Jahren ist in fast jeder Marina Deutschlands ein im Seefahrerjargon „fünfter Festmacher“ genannter Landanschluss vorhanden. Mittels eines Stromkabels, das die Stromanschlüsse auf Steg und Boot miteinander verbindet, lassen sich so an Bord verschiedenste Elektrogeräte, sowie die Bordbatterien aufladen. Doch wird das Kabel eingeholt und fährt ein Segelboot auf See, muss die aufgeladene Energie gut eingeteilt werden. Auf kurzen Fahrten, bei denen abends ein Hafen angelaufen wird, stellt dies kein Problem dar. Doch verbringt man längere Zeit auf See, muss geplant werden, woher die nötige Energie für den Bordbedarf bezogen wird.

Eine Energiequelle ist hierbei der Motor, der während des Arbeitens mittels eines Generators die Bordbatterien auflädt. Davon sind stets mindestens zwei vorhanden: Die erste ist die Starterbatterie, die ausschließlich zum Anlassen des Motors verwendet wird. Die zweite wird Bordnetzbatterie genannt, die alle anderen stromverbrauchenden Endgeräte mit Energie versorgt. Durch diese Aufteilung wird das Starten des Motors stets gewährleistet (PALSTEK 2007:95f.).

Gelegentliches Motoren lädt also zwar die Bordbatterien auf, trägt aber auch zum Verschleiß des Motors hinzu und verbraucht vor allem Kraftstoff. Und mit diesem ist besonders auf langen Segelturns für den Notfall sparsam umzugehen. Zudem trägt das Motoren zur Umweltverschmutzung bei und steht dem Sinn und Anspruch des Segelns an sich entgegen. Als primäre Energiequelle taugt das Laufen unter Motor also nicht. Demnach muss entweder eine weitere oder größere Batterie eingebaut, oder auf alternative Energiequellen zurück-gegriffen werden.

2.2 Ermittlung des durchschnittlichen Stromverbrauchs

Um feststellen zu können, welche alternative Energiequelle sich am besten für die Stromerzeugung an Bord einer Segelyacht eignet, muss zunächst der durchschnittliche tägliche Stromverbrauch eines solchen ermittelt werden.

Geht man von einer Yacht von 10 Metern Länge, einer Besatzung von 4 Personen und einem Stromversorgungssystem von 12 Volt (V) aus, ergeben sich folgende Berechnungen pro Tag:

Die Stromversorgung der Navigationsgeräte zu sichern hat erste Priorität. Diese bestehen meist aus GPS-Gerät, Navigation, und Funkgerät. Wie in Tabelle 1 zu sehen, ergibt sich daraus bei sparsamem Umgang ein Stromverbrauch von 7 Amperestunden (Ah). Hinzu kommen die Positionslaternen Bug-, Heck-, und Toplicht, welche, sofern LED’s verwendet werden, mit etwa 4 Watt (W) Leistung arbeiten und weitere 3,2 Ah elektrischer Ladung verbrauchen. Die Verwendung eines Autopiloten entnimmt der Batterie bei einer 20 Stunden-Nutzung etwa weitere 20 Ah bei 60 Watt Leistung. Zählt man noch ein Radio mit 3 Ah, einen Kühlschrank mit 14,4 Ah, die Innenbeleuchtung mit 8,2 Ah und weitere Verbraucher mit 5 Ah hinzu, ergeben sich 66,2 Amperestunden bzw. 794,4 Wattstunden (Wh) pro Tag (PALSTEK 2009:69).

Wenn man nun davon ausgeht, dass die Batteriekapazität stets dem doppelten Tagesstrom-verbrauch entsprechen sollte, ergibt sich in diesem Beispiel eine Kapazität von 132,4 Ah. Hierbei muss beachtet werden, dass eine Batterie sich zu ihrem eigenen Schutz niemals bis zu einem Ladezustand von 100 Prozent auflädt und auch nicht komplett entlädt (PALSTEK 2007:95f.).

Werden also der Beispielbatterie 66,2 Ah täglich entnommen, hält eine einzige Batterieladung für die Stromversorgung an Bord weniger als zwei Tage an. Zudem muss der verbrauchte Strom der Batterie auch wieder zugeführt werden, um die wichtigen Navigationsgeräte zu versorgen (PALSTEK 2007:95f.). Wenn die Möglichkeit, Landstrom zu beziehen, nicht gegeben ist, muss diese Energie an Bord erzeugt werden.

Tab.1: 24 Stunden Energiebilanz einer 10-Meter-Segelyacht in Fahrt.

(Datenquelle: PALSTEK 2009:69)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Alternative Energien

3.1 Solarenergie - Photovoltaik

Die erste alternative Energiequelle, die hier erläutert werden soll, ist die Sonne. „Von der Sonne kommt Tag für Tag die 15000-fache Menge des täglichen Primärenergie-Bedarfs der gesamten Erdbevölkerung“ (GEITMANN 2004:92). Dementsprechend naheliegend ist ihre Nutzung als Energiequelle. Das entsprechende Verfahren wird Photovoltaik genannt, bei dem mit Hilfe von Solarzellen Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt wird (GEITMANN 2004:102).

3.1.1 Herstellung und Aufbau von Solarzellen

Die gängigen Solarzellen bestehen aufgrund ihrer Halbleitereigenschaft größtenteils aus hochreinen Silizium-Kristallen (SCHABBACH & WESSELAK 2012:71). Diese können ausschließlich unter hohem Energieeinsatz gewonnen werden, da sie in der Natur nur als Quarzgestein in verunreinigter Form vorkommen (GEITMANN 2004:102).

SCHABBACH & WESSELAK (2012:71f.) beschreiben das Herstellungsverfahren und die Funktionsweise von Solarzellen folgendermaßen:

Zunächst werden Siliziumkristalle mit positiv geladenen Bor-Atomen versetzt (dotiert). Damit wird das Silizium p-dotiert, also leitfähig gemacht. Anschließend werden die Siliziumkristalle in dünne Scheiben von meist 200-300µm Dicke gesägt. Die Oberseite der Scheiben wird für die n-Dotierung Phosphor-Atomen ausgesetzt. Wie in Abbildung 1 gut zu erkennen, entstehen dadurch zwei unterschiedliche Halbleiterschichten: In der p-dotierten Siliziumschicht dominieren negative Elektronen, in der n-dotierten Schicht positiv geladene Ladungsträger. Aufgrund dieses Ladungsunterschiedes baut sich an der Grenze dieser Schichten, dem sogenannten „pn-Übergang“ (BUCHAL et al. 2013:107), ein inneres elektrisches Feld auf (GEITMANN 2004:105).

3.1.2 Umwandlungsvorgang

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: Funktionsweise einer Solarzelle (BUCHAL et. al. 2013:108)

Fällt Sonnenlicht auf die Siliziumscheibe (Abb.1), absorbieren die Elektronen des p-dotierten Siliziums die Energie der Photonen (Lichtteilchen). Bei ausreichend hoher Ener-gie, lösen sie sich vom Atomkern und werden von dem elektrischen Feld eingefangen (GEITMANN 2004:104). Laut Buchal et al. (2013:108) kommt es so zu einer technisch nutzbaren Ladungstrennung, bei der sich elek-trische Spannung aufbaut. Diese wird an den Endkontakten der Solarzelle als Strom abgegriffen. Die abgreifbare Spannung beträgt dabei pro Zelle ca. 0,7 Volt.

3.1.3 Wirkungsgrad

Um möglichst effizient Sonnenenergie auffangen zu können und die Spannung zu erhöhen, werden Solarzellen miteinander zu Solarmodulen verschaltet. Durch die „Reihen-Parallel-Schaltung“ erhöht sich zusätzlich auch die Stromstärke (GEITMANN 2004:106).

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, zu welchem Anteil sie Sonnenenergie in elektrische Leistung umwandeln kann. Je höher der Wirkungsgrad, desto mehr elektrische Energie kann eine Solarzelle erzeugen. Ein Wirkungsgrad von 100%, bei dem also Sonnenenergie vollständig in Strom verwandelt wird, ist dabei physikalisch nicht möglich, weil Solarzellen bislang nicht das gesamte Strahlungsspektrum aufnehmen und umwandeln können (BUCHAL et al. 2013:108). Wirkungsgrade lassen sich einfach berechnen, indem man die Nennleistung eines Moduls in Watt mit der Leistung der Sonne, also 1000 W nach internationalen Testbedingungen vergleicht (HANUS 2007:92). Die elektrische Leistung P wiederum lässt sich laut HANUS (2007:111) durch die Multiplikation der elektrischer Spannung U und des elektrischen Stroms I berechnen, also:

P (in Watt) = U (in Volt) ∙ I (in Ampere)

Besitzt also beispielsweise ein 1m² großes Solarmodul eine Nennleistung von 120 W, so liegt sein Wirkungsgrad bei 12%, da 120 W zwölf Prozent von 1000 W/m² darstellen (HANUS 2007:92).

[...]

Details

Seiten
21
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783668106451
ISBN (Buch)
9783668106468
Dateigröße
568 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v311540
Institution / Hochschule
Universität Hildesheim (Stiftung) – Geographie
Note
1,3
Schlagworte
Segelyacht Umwelttechnik Erneuerbare Energien Umweltschutz Umweltschutztechnik Segelboot Brennstoffzelle Solarenergie Windkraft Windenergie Solarzelle Photovoltaik Generator

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Titel: Moderne Umweltschutztechnik bei Segelyachten. Wie effizient ist die Nutzung alternativer Energien?