Leistungssimulation und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zweier Inselsysteme (Solar u. Solar/Windkraft) zur autarken Stromversorgung an Bord eines Segelschiffes auf Grundlage historischer Wetterdaten

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist die Performance Analyse zweier Inselsysteme eines Segelschiffes zur autarken Stromversorgung in den Sommermonaten Juni bis September für den Standort der Mecklenburgischen Seenplatte. Anhand der Performance wird eine abschließende Empfehlung für die Auswahl des Systems für das gewählte Szenario gegeben. Nach der Komponenten Auslegung der Solarinselanlage und der Hybridanlage, welche Wind- und Solarenergie nutzt, folgt eine Anlagensimulation auf Grundlage historischer Wetterdaten der letzten zehn Jahre. Die Simulation von Tageswerten dient zur Bestimmung besonders kritischer Zeitperioden der letzten zehn Jahre, welche im Anschluss detaillierter mit einer stündlichen Simulation betrachtet werden. Im Monat September sind in beiden Inselsystemen durchschnittlich die geringsten Erträge zu verzeichnen. Während es bei dem PV-System an vier Tagen der Jahre 2012-2021 zu einem Verbraucherausfall kommt, ist an keinem der Tagen ein Ausfall im Hybridsystem zu beobachten. Es hat sich gezeigt, dass die Abschaltung des Verbraucherausgangs aufgrund einer entladenen Batterie die Ausnahme bildet und beide Systeme zu über 90 % der Zeit im Bereich von 75-100 % Ladezustand be-und entladen werden. Das in der Praxis der tatsächliche gewählte dreiwöchige Urlaubszeitraum mit einer energetisch extrem schlechten Zeitperiode zusammenfällt wird als unwahrscheinlich angesehen. Im Hinblick auf das Kosten-Leistungs-Verhältnis und zufriedenstellender Performance beider Systeme ist der Einsatz des PV-Inselsystems für das gewählte Szenario empfehlenswert, da die Investitionskosten der Kleinwindanlage der bereitgestellten Leistung nicht entsprechen. Grundsätzlich hat sich aber dennoch gezeigt, dass es für den Einsatz auf offener See durchaus Sinn ergibt eine Hybridanlage trotz der höheren Kosten zu nutzen. Auf Grund der Hybridanlage ist es möglich neben der Globalstrahlung mit dem Wind eine weitere unabhängige Energieressource zu nutzen. Einerseits können häufig ertragsfreie Zeitperioden des PVSystems durch die Windanlage abgeschwächt werden, andererseits ist bei dem Einsatz auf den Meeren mit einem vergleichsweise höheren Ertrag als auf den Seen zu rechnen, da dort der Wind konstanter und stärker vorhanden ist. Die Minderung der Realwindgeschwindigkeit in Oberflächennähe fällt auf der offenen See ebenfalls deutlich geringer aus.

The aim of this bachelor thesis is the performance analysis of two island systems of a sailing boat for self-sufficient power supply in the summer months June to September for the location of the Mecklenburg Lake District. Based on the performance, a final recommendation is made for the selection of the system for the chosen scenario. The calculation of components for the solar island system and the hybrid system, which uses wind and solar energy, is followed by a system simulation based on historical weather data from the last ten years. The simulation of daily values is used to determine particularly critical time periods of the last ten years, which are then examined in more detail with an hourly simulation. In the month of September, the lowest average energy outputs are recorded in both island systems. While there is a breakdown of electrical consumers in the PV system on four days in the period of 2012-2021, there is no breakdown in the hybrid system on any of the days. It has been shown that the consumer output shutdown due to a discharged battery is the exception and both systems are charged and discharged in the range of 75-100% state of charge more than 90 % of the time. It is considered unlikely that in practice the actual chosen three-week holiday period will coincide with an extremely poor energy period. With regard to the cost-performance ratio and the satisfactory performance of both systems, the use of the PV island system is recommended for the selected scenario, as the investment costs of the small wind turbine do not correspond to the power provided. In principle it makes sense to use a hybrid system for use on the open sea despite the higher costs. Because of the hybrid system, it is possible to use another independent energy resource in addition to global radiation. On the one hand, the wind system can mitigate periods of the PV system that are often without yields, and on the other hand, a comparatively higher energy output can be expected when used on the oceans than on the lakes, since the wind is more constant and stronger there. The reduction in real wind speed near the surface is also significantly lower on the open sea.