Erforschung der Machbarkeit eines modularen PV-Panelsystems zur automatischen Fließmontage von PV-Kraftwerken im Gleis – RoboPV
Projektdurchführung
QINUM GmbH
Brüsseler Str. 85
50672 Köln
Zielsetzung
Klimawandel, CO2-Neutralität, umweltfreundliche Mobilität, steigender Strombedarfsanteil und die klimabewusste Flächennutzung sind besondere Herausforderungen unserer Zeit. Mit der Energiewende muss die Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen stark ausgebaut werden, was wiederum auch eine Beanspruchung von Umwelt und Ressourcen bedeutet.
Beim Ausbau regenerativ erzeugter Energie sind bevorzugt dezentrale Versorgungskonzepte mit einer hohen Integration in die Bestandsinfrastrukturen dicht besiedelter Räume anzustreben. Vor diesem Hintergrund bieten gerade verkehrswegeintegrierte Photovoltaiksysteme einen vielversprechenden Ansatz, da sie Flächen des Fahrwegs ohne relevanten baulichen Zusatzaufwand mitbenutzen und dezentral Energie z.B. direkt in ein Bahnstromnetz oder die anliegende Infrastruktur einspeisen könnten.
Dies hat zum einen den Vorteil, dass natur- und landwirtschaftliche Flächen, welche in den Flächennutzungsplänen selbst auch einen wichtigen Umweltbeitrag leisten, nicht unnötig überbaut werden. Zum anderen liegen Schienennetze oft nahe an Energienetzen, so dass Stromtransportkosten wie auch Übertragungsverluste niedrig gehalten werden können. Eine verbrauchernahe Energieerzeugung kann realisiert werden, denn der Strom wird dort produziert, wo er auch verwendet werden kann.
Das Vorhaben RoboPV soll deswegen die Machbarkeit eines modularen Photovoltaik-Kraftwerk-Systems erforschen, welches durch eine funktions- und montagerechte Ausgestaltung in einem Gleis unter Verwendung eines schienengebundenen Fließmontagesystems automatisiert verlegt und wieder entnommen werden kann. Technische Lösungsansätze sollen analysiert und Erkenntnisse zu deren Machbarkeit mittels Demonstratoren im technischen Labor gewonnen werden.
Die übergeordnete Gesamtvision des hier beantragten Projektes ist die Entwicklung eines effizienten technischen Verfahrens zur automatisierten, seriellen Herstellung von Photovoltaik (PV)-Kraftwerken im Gleisgitter.
Arbeitsschritte
Folgende Vorgehensweise wurde gewählt:
AP 1: Projektmanagement und Qualitätssicherung
Das AP1 sorgte für einen koordinierten Projektablauf und die projektbezogene Qualitätssicherung mittels gängiger PM-Werkzeuge.
AP 2: Analyse und Spezifikation der Anforderungen und Randbedingungen, Risikoanalyse
In AP2 werden die Anforderungen und Randbedingungen analysiert. Ermittelte Lastanforderungen werden spezifiziert bzw. quantifiziert. Zur Machbarkeit werden Auswirkungen und Risiken kritisch bewertet. Als Methode zur Ermittlung und Strukturierung von möglichen Einflussfaktoren und Anforderungen wird eine Objektweltanalyse durchgeführt.
AP 3: Entwicklung technisches Designkonzept und Konstruktionsmodelle
Unter Verwendung des Anforderungsprofils aus AP2 werden in AP3 die Gestaltungsoptionen für die zentralen Funktionselemente des PV-Kraftwerksystems entworfen und detailliert. Im Vordergrund stehen dabei die Baugruppen sowie die elektrische Verschaltung. Mit Hilfe von Kreativitätsmethoden werden Entwürfe erstellt, diese als funktionale Komponenten in CAD-Konstruktionen modelliert und schließlich auf Eignung bewertet, Funktionen werden teils auch durch kinetische Simulation validiert.
AP 4: Ableitung technischer Ausführungsvorgaben und Erstellung der Funktionsmuster und Demonstratoren
Anhand der Entwürfe und CAD-Konstruktionsmodelle aus AP3 werden die technischen Vorgaben für die Beschaffung und Herstellung der mechanischen und elektrischen Teile und Baugruppen abgeleitet. Demgemäß werden im technischen Labor des ifs die Teile und Baugruppen in Einzelteilfertigung hergestellt.
AP 5: Test der Demonstratoren im Labor und Evaluation der Machbarkeit
Zur Testdurchführung werden die Versuche und Aufbauten definiert. Danach werden die Versuchsaufbauten technisch umgesetzt. Die Versuche bzw. Versuchsreihen werden teils im technischen Labor und teils im Reallabor auf der Gleisanlage des ifs durchgeführt. Die Ergebnisse werden bewertet und für die Optimierung der Demonstratoren genutzt. Abschließend erfolgt eine Evaluation des Gesamtergebnisses.
Ergebnisse
Ausgehend von der Anforderungs- und Risikoanalyse konnten in diesem Projekt verschiedene Komponenten für ein gleisintegriertes PV-Kraftwerk erfolgreich entworfen, produziert und in einem ersten Demonstrator im Gleis getestet und evaluiert werden. Die Tests im Reallabor haben gezeigt, dass der Ansatz, ein PV-Kraftwerk integriert in einem Gleis zu betreiben, grundsätzlich machbar erscheint und funktioniert.
Bei konkreten Einsatzszenarien im Bahnumfeld sind regulatorische Anforderungen zu erfüllen, die weiter im Rahmen von Pilotprojekten nun ausgearbeitet werden können. Im Austausch mit den Bahn- und Netzbetreibern können diese Anwendungsfälle in nächsten Schritten geplant und umgesetzt werden.
Bei der Projektidee stehen vier ökologische Vorteile im Vordergrund:
1. Durch die Verlegung von PV-Modulen wird nachhaltig elektrische Energie erzeugt.
2. Durch die Zweitnutzung der bereits primär anderweitig genutzten Flächen wird der Forderung nach Vermeidung von Flächenkonkurrenz bei PV-Freiflächenanlagen Rechnung getragen.
3. Die Stromerzeugung findet direkt in der Nähe der Abnehmer statt. Dies hat den Vorteil, dass Kabel nicht über lange Strecken verlegt werden müssen. In der Bahnwelt gibt es hierfür konkrete Anwendungsfälle.
4. Die Belastung im Gleis durch Herbizide im Rahmen der Vegetationskontrolle kann aufgrund der Verschattung durch das System vermindert werden.
Öffentlichkeitsarbeit
Das vorläufige Ergebnis der Machbarkeit eines modularen PV-Kraftwerkes im Gleis wurde auf der Smarter E Europe vom 14.-16.07.2023 in München auf dem Stand der Deutschen Bundesstiftung Umwelt einem Publikum aus Fachleuten aber auch Privatleuten vorgestellt. Die Beteiligung an der Fachmesse wurde bei den Partnern wie auch bei der DBU beworben und durch Presseartikel und Veröffentlichungen in den sozialen Medien begleitet.
Fazit
Ziel des Projektes RoboPV war es, die Machbarkeit eines modular aufgebauten PV-Paneelsystems zur automatischen Fließmontage von PV-Kraftwerken im Gleis zu analysieren und zu bewerten.
In der Untersuchung wurde besonders die Frage untersucht, inwieweit PV-Module den robusten Lastanforderungen des Bahnsystems seitens Betrieb, Fahrzeug und Infrastruktur standhalten können. Die Lastsituation im Gleisbett war dabei durch vielfältige Anforderungen gekennzeichnet. Dies wurde im Rahmen der Machbarkeitsstudie auf breiter Basis analysiert und technisch bewertet. Es konnten bis dato keine Anforderungen oder Restriktionen ermittelt werden, die regulatorisch, technisch oder betriebswirtschaftlich als nicht lösbar erscheinen und damit den Ansatz prinzipiell in Frage stellen oder seine Attraktivität maßgeblich vermindern. Die übergeordnete Gesamtvision des bearbeiteten Projektes ist weiterhin die Entwicklung eines effizienten technischen Verfahrens zur automatisierten, seriellen Herstellung von PV-Kraftwerken im Gleis.
Nach erfolgreicher Umsetzung des Projektes, bei dem der Fokus zunächst auf der Gestaltung des PV-Kraftwerks lag, rücken nun die Fragen zum Herstellungsverfahren, der logistischen Bereitstellung und mechanisierten Verlegung im Gleis in den Vordergrund.