Gamechanger Photovoltaik-Membrantragwerke?

Abstrakt: Die Photovoltaik

ist  zusammen mit der Windkraft die wichtigste Quelle für 100% Erneuerbare Energie. PV benötigt für die weitere Penetration insbesondere über Verkehrsflächen und für weit ausladende Agri-PV besser geeignete Technologien neben der heute vorherrschenden Aufständerung mit Metallprofilen. Dazu schlägt der Aufsatz Photovoltaik-Membrantragwerke vor. Sie haben beim Materialeinsatz den Vorteil, dass hängende Bauwerke weniger Material brauchen als Tragwerke mit Balken auf Zug- und Druckbelastung. 

Meilensteine der Membrantragwerke sind https://www.archdaily.com/623689/ad-classics-german-pavilion-expo-67-frei-otto-and-rolf-gutbrod und das Olympiadach in München.

Membrantragwerke bieten für die Architektur bei der Agri-Photovoltaik, über Verkehrsflächen aller Art und bei Freiflächen größere Gestaltungsmöglichkeiten bis hin zu einer akzeptablen Landschaftsarchitektur mit PV. 

Die Grundlagen für PV-Membrantragwerke werden skizziert. Dabei wird die seit der Expo 67 als Element genutzte kleinste Maschenweite der Seile im Bereich von 50 cm für eine gerüstlose Montage durch zu den Abmessungen der PV-Module passende Größen ersetzt. Soweit es die Rahmen und Glassflächen der PV-Module erlauben werden sie in das Membrantragwerk einbezogen.

Eine eigene Klasse werden Seil-Tragwerke mit schrägen PV-Modulen beschrieben.

Als Besonderheit wird die handwerkliche Technologie der invernaderos, der viele Quadratkilometer großen mediterranen Gewächshäuser bei Membrantragwerken angeführt. 

Im Ausblick wird das überwältigende Potential der mit Membrantragwerken für PV erschließbaren angesprochen.

Eine Windkraftanlage mit einem loopenden Multicopterautorotation-Kite

Kite-Windkraft wird seit Jahren als Schiffsantrieb und Alternative zu Windrädern auf festem Fuß demonstriert. Der jüngste Versuch in dieser Richtung ist der Demonstrator von Kitekraft bei YouTube, der ein Hybrid von Kitefunktionen zum gesteuerten Fliegen mit einer Anordnung von Windturbinen beschreibt. Aber, dies ist nur der erste Eindruck. Der Kite ist hier eine Tragfläche, welche aus einem Multicopter in Autorotation besteht. Und um die gewünschte hohe Anströmgeschwindigkeit der Tragfläche zu erreichen wird sie wie ein Kite in Achten geflogen, loops.

Die dabei benutze Tragfläche führt Energie ab durch

Autorotation wie bei Drehflügelflugzeugen 

https://de.m.wikipedia.org/wiki/Autorotation

Das erlaubt einen kompakten Aufbau mit Rotoren, elektrischen Generatoren bzw Motoren, dem Stromrichter und der Elektronik. Der Multicopter-Kite wird zum Erzeugen von Windenergie über zugeführte elektrische Energie gestartet und in seine Arbeitsbereich mit gutem Wind gelenkt. Dort wird er dann in den Zustand der Autorotation überführt und liefert Energie über die Leitung. Wenn erforderlich wird er wieder im angetriebenen Hubschraubermodus gelandet.

https://de.m.wikipedia.org/wiki/Multicopter

Dieses Prinzip verspricht einen sehr geringen Materialaufwand je Leistung und verdient einen erfolgreichen Start https://www.kitekraft.de/de/home . Seine Nachteile? Im Vergleich zu ihm sind Windräder statisch. Der Multicopterautorotation-Kite, der Achten fliegt ist hoch dynamisch, mehr Software als Hardware, braucht mindestens ein Jahrzehnt für Entwicklung und Skalierung von kW heute zu MW. Dabei wird auch das Betriebsprinzip auf den Prüfstand kommen. Bleibt es beim Helikopterstart zum Betrieb und Andocken bei schwachem Wind? Oder wird ein mehr statischer Betrieb mit Überbrücken durch Helikopterbetrieb mit Stromzufuhr? Dazu gilt es auch noch viele konstruktive Fragen zu lösen: gibt es einen 2 Leitungs HGÜ- Betrieb?

Ein ganz anderer Aspekt ist das Testgelände. Ich könnte mir vorstellen, dass ein nach den langfristigen Windprognosen ausgesuchtes Testgelände mit Infrastruktur und Temperaturen zum guten Arbeiten im freien mit seltenem Docking einen besseren Wirkungsgrad für die Entwicklungskosten bringt.

Hängende Lamellen-Photovoltaik

Worum geht es hier? Befreit die Photovoltaik-Module von ihren kurzen, starren Beinen und Ständern. Gebt ihnen Flügel oder hängt sie an so etwas wie Bäume, dass sie sich über Äckern haushoch und mit fußballfeld-weiten Spannen erheben, dass sie sich mit einer leichten Technologie über wüste Verkehrsflächen spannen, die zehntausend Kilometer Photovoltaik-Brache der Autobahn vom Tempel der fossilen Verbrennung zur Quelle für erneuerbare Energie von der Sonne wandeln. Und dies mit nachhaltigen Materialien wie eine elektrische Freileitung, wie eine filigrane Hängebrücke. Ja, selbst ohne klumpige Betonfüße, sondern mit Metallsandalen und Schrauben im Boden. Heute konstruierbar, berechenbar, finanzierbar. Darum geht es hier. Auf geht's, down to earth.

Die derzeit dominierende Anordnung der Photovoltaik-Module bei Freiflächen- und Agri-PV lässt sich als Lamellenanordnung klassifizieren. Sie wurden im Post "Klassen von PV-Membran-Tragwerken, ein Versuch" vom 5. November 2023 als eigene Klasse "Lamellen" aufgeführt. Mit diesem Post sind sie als eine Art  Flachdach mit einer Doppelmembran aus zwei Netzen einzuordnen. Der im Post Klassen aufgeführte Vorteil von Lamellen der Drehbarkeit der Lamellen lässt sich dabei weiter implementieren.

Stichproben mit Recherchen nach Bildern im Internet quantifizieren diesen Ansatz mit Lamellen als Klasse. Sucht man nach Freiflächen-PV, so lassen sich im Beispiel 92% von 95 Anlagen als Lamellenanordnungen klassifizieren. Bei einer Stichprobe mit 107 Bildern von Agri-PV sind 80% Lamellen, etwas weniger als bei Freiflächen, da bei Agri-PV auch vertikale Anordnungen wegen der besseren Verträglichkeit für die Landwirtschaft mit hohen und breiten Maschinen bieten. Lösungen wie im Bild sind beispielsweise für Gartenbau wohl akzeptiert, für die allgemeine Landwirtschaft jedoch nicht.

Gegenüberstellung der vorgeschlagenen hängenden PV -Lamellen mit der aufgeständerten Agri-PV aus dem vom Fraunhofer ise herausgegebenen Leitfaden https://www.ise.fraunhofer.de/de/leitthemen/integrierte-photovoltaik/agri-photovoltaik-agri-pv.html

Bei Freiflächen-PV sind nur schmale Gänge für Montage und Wartung erforderlich.

Die Stichproben der beiden Internet Recherchen zeigen auch, dass derzeit beinahe ausschließlich eine Aufständerung mit Metallträgern für den Aufbau angewandt wird. Bei Freiflächen-PV ist diese Technologie unangefochten. Bei Agri-PV ist es mit  Balken Tragwerken aufwendig, die gewünschten Spannweiten von 30m und mehr und Höhen über 5m zu bauen. Dies gilt wohl auch für PV-Anlagen über Verkehrsflächen wie Straßen und Autobahnen, weniger über Parkplätzen zu. Als Beispiel seien die Spannweiten bei Autobahnen angeführt, die mit 3,5m je Fahrspur, 4m Mittelstreifen und Standspuren bis über 40m bei 8 Spuren betragen. Dafür gilt es eine geeignete Tragwerk-Technologie zu entwickeln, um die Branche der Autobahnen unter dem Aspekt der PV zu erschließen. Damit können die Anforderungen der Verkehrs- und Energieinfrastruktur gebündelt werden ohne dass unberührte Landschaft wie bei Freiflächen "verbraucht" wird. Auch für die Agri-PV gibt Argumente mit dem Doppelnutzen für Gartenbau, Obstanbau und Acker https://www.ise.fraunhofer.de/de/leitthemen/integrierte-photovoltaik/agri-photovoltaik-agri-pv.html

 PV-Dachanlagen haben ein eigenes Set von Anforderungen und werden daher hier nicht behandelt.

Die hängende Lamellen-PV wird im folgenden minimalistisch entwickelt.. Das Seiltragwerk besteht aus einem  großmaschigen oberen Netz, wie es im folgenden Bild zwischen den Tragsäulen dargestellt ist:

Spannseile zwischen den Tragsäulen, zwischen denen die Tragseilen durchhängen, ein Koppelseil verhindert ihr Schwingen. Darunter befindet sich ein ähnliches Netz, dessen Tragseile so angeordnet sind, dass sie die PV-Module in Lamellen mit der gewünschten Ausrichtung zur Sonne mit Befestigungen oben und unten tragen können.

 Damit entsteht ein "Doppelmembran"-Tragwerk, wobei die Moduln zwischen dem oberen und dem unteren Netz montiert sind und die beiden Netze verbinden. Jedes der beiden Netze weist zwischen den Spannseilen Trageseile auf, die das Gewicht der Module aufnehmen, und (mindestens) ein Koppelseil orthogonal dazu auf, welches das durchhängende Tagwerk stabilisiert. Weitere Koppelseile und Versteifungen(an den Modulen) sind gegebenenfalls für die Windlast vorzusehen, die ein formstabiles, hängendes Tragwerk mit PV -Lamellen bilden. 

So könnte das Doppelmembran-Tragwerk mit einigen beispielhaften PV-Moduln für die Lamellen über einem Parkplatz aussehen. Im Bild ist dies der Rathaus Parkplatz in Unterhaching.

Work in Progress

Klassen von PV -Membran-Tragwerken, ein Versuch.

Das Prinzip der Membrantragwerke bringt vielen Photovoltaik- Anwendungen eine Reihe von Vorteilen. Dies ist mein Postulat. Die Freiheit bei der Gestaltung gegenüber einer Aufständerung mit einem Metall-Balkentragwerk nach dem Stand der Technik ist evident. Mit hängenden Konstruktionen lassen sich durch die Beanspruchung des Materials auf Zug ultra große Spannweiten mit wenigen störenden Stützen erzielen. Für die Nutzung der versiegelten Verkehrsflächen von Parkplätzen bis hin zur Autobahn sind standardisierte Konstruktionen vorteilhaft. Für die Agri-PV wird eine besonders geeignete Konstruktion mit beweglichen Lamellen angeführt. 

Mit diesen standardisierten Konstruktionen sind Kosten, Bau, Wartung, Zuverlässigkeit beziehungsweise Sicherheit 

 im Sinne einer Erfahrungskurve zu entwickeln und nutzbar. Dies ist der entscheidende Punkt: die Membran-PV braucht noch viel Forschung und Entwicklung. Sie braucht kleine Pilotprojekte, die sich zu immer Größeren skalieren lassen. Eine Fokussierung auf einige Konstruktionsprinzipien ist dabei nötig.

Dafür werden im folgenden drei Konstruktionen behandelt:

1. PV -Flachdach,

2. PV- Satteldach und 

3. PV- Lamellen. 

Sie werden als reine Membran-Tragwerke beschrieben, bei denen nur die PV-Module und Stützen steif sind. Hybride, beispielsweise mit fest verbundenen PV -Modulreihen, werden ausgespart, obgleich sie im Einzelfall Vorteile bieten können.

Im Folgenden je ein Bild von einem quick and dirty Modell.

1. PV Flachdach

Bei diesem Beispiel wurde die Fläche architektonisch durch unterschiedlich hohe Stützen in dein hyperbolisches Paraboloid modifiziert. Weitere naheliegende Modifikationen sind ein Kissenförmiger Durchhang oder ein Tonnen-Durchhang wie in ersten Bild skizziert.

2. PV-Satteldach

Dieses Modell zeigt am oberen und unteren Bildrand ein Satteldach über der Autobahn, das über den Auffahrten durch Spannseile aufgeweitet ist. Das Satteldach ist durch ein Firstseil/Pfette und Spannseile anstelle der unteren Pfetten charakterisiert. Dazwischen Sparrenseilen und schließlich Lattenseile, an denen die PV-Module befestigt sind.

3. PV-Lamellen

Die PV -Lamellen sind zur Sonne geneigt zwischen zwei Trageseilen im Modell links, in der Mitte und rechts von den Fahrbahnen. Die PV-Lamellen,  schwarze Bänder im Modell, bestehen aus PV-Modulen, die zwischen zwei Quer-Trageseilen hängen.

Die PV-Lamellen werden vorteilhaft nach Süden ausgerichtet über langem Strecken der Autobahn so angebracht, das keine streifenförmige Beschattung der Fahrbahnen stört.

Eine für die Agri -PV vorteilhafte Anordnung macht die Lamellen drehbar für die jeweils gewünschte Nutzung der Sonne für die Pflanzen oder PV. Dazu werden sie über eines oder beide Trageseile, die in Zugrichtung beweglich sind, ausgerichtet.

Der wesentliche Unterschied der von mir konzipierten Lamellen vom Tragwerk her ist, dass es als Hängewerk in zwei Ebenen, jeweils eine über und eine unter den Lamellen aufgebaut ist. Dieses Tragwerk ist ein Körper, im einfachsten Fall ein "Quader" mit 4 Stützen. Er besteht aus bis zu 8 Spannseilen an den Kanten außen. Die Lamellen werden in ihm parallel oder schräg hängend an Trageseilen zwischen den Spannseilen angeordnet. Natürlich hängen Spannseile und Trageseile durch. Von der Statik und der Dynamik her verhält sich dieser Körper ganz anders als ein dünnes, einlagiges Membran-Tragwerk. Der Körper um die Lamellen kann vielfältig gestaltet werden um beispielsweise eine ästhetische Wirkung zu erzielen. Auch hier werden hyperbolische Paraboloide als Beispiel erwähnt.

Work in progress

SW-defined funktionales Gebäude: Paternoster für eAutos

Ein Paternoster bietet sich an, auf engsten Raum Autos zu parken und auch zu laden. Da sich die Systeme für das Laden/Autorisieren bis hin zu vehicle to grid(v2g) und die Sicherheitssysteme stetig weiter entwickeln, bietet sich dieses System an, als Software defined mit Upgrades aller Funktionen vom Entwurf an ausgeführt zu werden. Im Kern steht dann ein hoch zuverlässiger zentraler Rechner im Gebäude, der von mehreren Entwicklern und Betreuern der Funktionen über das Netz angesprochen und mit Updates versehen werden. Er bedient in Gebäude alle nur möglichen, unterschiedlichen Sensoren und Aktoren bis hin zu einem bidirektionalen (v2g) eAuto Anschluss. Damit ist das bauliche, mechanische und elektrische Investment mit einem Minimum an Wartung über seinen Jahrzehnte dauernden Life Time cycle mit den aktuellsten Funktionen nutzbar.

https://www.electrive.net/2022/06/24/haltern-am-see-e-parktower-mit-paternoster-aufzug-und-ladepunkten/

Work in progress

Bringen Photovoltaik-Membrantragwerke einen Schub zum Ausbau der Erneuerbaren Energie?

Auf dem Weg zu 100%RE [ Breyer, C. et al, On the History and Future of 100% Renewable Energy System Research, IEEE Access, Vol. 10,1922, p 78176 ff  ] hat die Photvoltaik eine gigantische Aufgabe. Sie muss zusamen mit der Windkraft den weitaus grössten Teil der Energie ernten. Seit Beginn der technisch-wirtschaftlichen Entwicklung der PV mit einem exponentiellen Wachstum des Marktes haben Forschung und Entwicklung zu Materialien, Zellen und Modulen beträchtlihe Fortschritte erzielt. Dies gilt auch für die Stromrichter mit Leistungshalbleitern. Weniger augenfällig sind die Fortschritte bei Aufstellung der PV-Module auf freien Flächen und auf Gebäuden: Dazu behandelt der Vortrag die Technologie der Membrantragwerk-PV, bei der ein spezifisches Drahtseil-Netzwerk die PV-Module trägt und anschliesst.

Die Idee der PV-Membrantragwerke geht auf die 1980er-Jahre zurück [ Europäische Patentanmeldung EP 273 234  ] und lehnt sich konstrutiv an das ikonische Olympiadach von Behnisch et al. in München an, anfang der 1970er war dies ein Experiment. Die Statik dieser Technologie wird heute sehr gut beherrscht. Allein, der springende Punkt bei den PV-Membrantragwerken ist, sie brauchen noch eine Menge F&E, bis sie für abgesicherte Investitionen, die mehr als 30 Jahre Wind und Wetter standhalten, einsatzbereit sind. Das Konzept der Membrantragwerk--PV wird im Vortrag beschrieben. Anhand des aktuellen Solar-Katasters der Gemeinde Unterhaching [ https://www.unterhaching.de/1333 ] werden die im Vergleich zur konventionellen Technologie abschätzbaren enormen Potentiale dieser Technologie über Verkehrsflächen, Freiflächen und landwirtschaftlichen Flächen skizziert. Daraus ausgewählte Beispiele aus einem Gewerbegebiet mit Parkflächen, Autobahnauffahrten und Autobahnstücke werden exemplarisch beschrieben. Als Ausblick werden die Potentiale der PV-Membrantragwerke über den deutschen Autobahnen abgeschätzt und deren Schubwirkung für den Ausbau der EE umrissen.

Photovoltaik auf Natursteinsockeln

Größere Photovoltaik-Anlagen werden meist in Freiflächenanlagen mit Moduln auf Ständern erstellt. https://www.photovoltaik.org/beispiele/freiflaechenanlage 

Dabei wird meist keine besondere Ästhetik erzielt. Flaches Gelände und dominante Aufständerungen sind in der Regel Schuld daran. Daher werden Freiflächenanlagen häufig nicht akzeptiert.

Ein Mittel zur Förderung der Akzeptanz kann die Einbeziehung der natürlichen Bodenform bei der Gestaltung von großen Anlagen sein.

 Das Ziel der hier vorgeschlagenen Photovoltaik auf Natursteinsockeln ist ein Ansatz, durch die Einbeziehung von möglichst ortsnahen und auch möglichst unbearbeiteten Natursteinen für eine minimalistische Halterung der PV -Module eine verbesserte Ästhetik und damit auch Akzeptanz zu erzielen.

Der Grundgedanke einer Naturstein -Photovoltaik-Anlage ist einfach: man befestigt die PV-Module möglichst unauffällig auf unregelmäßigen Natursteinen über dem oberen Bereich des natürlichen Bewuchs der Fläche. Um eine einfache Wartung zu ermöglichen werden die Moduln in Einzel-oder Doppelreihen zwischen Wartungsflächen  angeordnet. Die unterschiedliche Höhe der unbearbeiteten Natursteine wird dabei genutzt, die Module mit geringen unterschiedlichen Lagen in der Ausrichtung und eventuell auch Höhe zu befestigen. Damit sind die Minderungen des Ertrags überschaubar zu halten; das meiste dürfte die flache Auslegung in Mittel-und Nordeuropa vor allem im Winter bei flachem Gelände ausmachen. Damit ist die Naturstein-PV vor allem für Hanglagen und sonnenreiche Regionen geeignet.

Für die Natursteine spielen die Verfügbarkeit, Brauchbarkeit und die Kosten wohl die entscheidende Rolle. Eine stabile Lagerung auf dem möglichst wenig bearbeiteten Grund und eine schonende Befestigung der Module gehören dazu. Anstelle eines aggressiven Anbohrens, Dübeln und Schraubens sind daher auch Drähte und Bänder aus rostfreiem Material vorzusehen. Die reihenförmige Anordnung der Module ist bei der Betrachtung der Festigkeit einzubeziehen.

Der Vollständigkeit halber möchte ich geeignete Steinkörbe oder Gabionen trotz meiner Bedenken zur Ästhetik,  Mode und Kosten erwähnen. Dabei denke ich natürlich nicht an meterhohe Gebilde mit Betonsockel, sondern an niedrige, breite, die auf nicht zu weichem Grund selbst stehen, gegebenenfalls auch in Kegelform.

Work in progress