Aktuell liegt der Fokus der meisten Menschen auf der CO₂-Reduzierung von Gebäuden im Bereich der permanenten Bauten. Es gibt hingegen nur wenige Studien zu Maßnahmen zur CO₂-Reduzierung bei temporären Bauten auf Baustellen. Projektabteilungen auf Baustellen mit einer Nutzungsdauer von weniger als fünf Jahren setzen in der Regel auf wiederverwendbare Modulhäuser. Dadurch werden Baustoffabfälle und somit CO₂-Emissionen reduziert.
Um die CO₂-Emissionen weiter zu reduzieren, entwickelt dieses Projekt ein drehbares, modulares Photovoltaiksystem für das Projekt „Turnaround Modular House“, das während des Betriebs saubere Energie liefert. Dasselbe System wird auch auf dem temporären Gebäude der Projektabteilung auf der Baustelle installiert. Die standardisierte Photovoltaik-Trägerkonstruktion und das Systemdesign sind modular aufgebaut. Durch die modulare Integration mit definierten Modulbausteinen entsteht ein integriertes, modulares, demontierbares und drehbares System. Dieses System verbessert die Energieeffizienz der Projektabteilung durch flexible Solarspeichertechnologie, reduziert die CO₂-Emissionen während des Betriebs der temporären Gebäude auf der Baustelle und leistet einen technischen Beitrag zur Realisierung des Ziels von nahezu klimaneutralen Gebäuden.
Dezentrale Energieversorgung ist eine Methode der Energieversorgung, die Energieerzeugung und -verbrauch verbrauchernah integriert und so Übertragungsverluste reduziert. Gebäude, als Hauptenergieverbraucher, nutzen ungenutzten Strom aus Photovoltaikanlagen auf ihren Dächern zur Eigenversorgung. Dies fördert die Entwicklung dezentraler Energiespeicher und trägt zur Erreichung der nationalen Klimaziele und der Vorgaben des 14. Fünfjahresplans bei. Die Eigenversorgung von Gebäuden mit Energie kann die Rolle der Gebäudebranche bei der Erreichung der nationalen Klimaziele stärken.
Diese Studie untersucht den Eigenverbrauchseffekt temporärer Photovoltaik-Anlagen auf Baustellen und erforscht das CO₂-Reduktionspotenzial modularer Photovoltaik-Technologie. Der Fokus liegt dabei auf der Projektierung von Modulhäusern auf Baustellen. Da es sich um temporäre Gebäude handelt, werden sie im Planungsprozess oft vernachlässigt. Der Energieverbrauch pro Flächeneinheit ist bei temporären Gebäuden in der Regel hoch. Durch eine optimierte Planung lassen sich die CO₂-Emissionen effektiv reduzieren. Zudem sind temporäre Gebäude und modulare Photovoltaik-Anlagen wiederverwendbar. Neben der Photovoltaik-Stromerzeugung trägt auch die Wiederverwendung von Baumaterialien erheblich zur CO₂-Reduzierung bei.
Die Technologie „Solarspeicherung, direkte Flexibilität“ ist ein wichtiges technisches Mittel und ein effektiver Weg, um Klimaneutralität in Gebäuden zu erreichen.
China passt derzeit aktiv seine Energiestruktur an und fördert eine kohlenstoffarme Entwicklung. Im September 2020 schlug Präsident Xi Jinping auf der 75. Generalversammlung der Vereinten Nationen ein duales Klimaziel vor: China will seine Kohlendioxidemissionen bis 2030 auf den Höhepunkt senken und bis 2060 Klimaneutralität erreichen. Die „Vorschläge des Zentralkomitees der Kommunistischen Partei Chinas zur Ausarbeitung des 14. Fünfjahresplans für die nationale wirtschaftliche und soziale Entwicklung und der langfristigen Ziele für 2035“ betonen die Notwendigkeit, die Energiewende voranzutreiben, die Kapazitäten für den Verbrauch und die Speicherung neuer Energien zu verbessern, die Förderung einer kohlenstoffarmen Entwicklung zu beschleunigen, umweltfreundliche Gebäude zu errichten und die Kohlenstoffemissionsintensität zu reduzieren. Mit Blick auf das duale Klimaziel der Klimaneutralität und die Empfehlungen des 14. Fünfjahresplans haben verschiedene Ministerien und Kommissionen sukzessive konkrete Fördermaßnahmen eingeführt, wobei dezentrale Energieversorgung und dezentrale Energiespeicherung zu den wichtigsten Entwicklungsrichtungen zählen.
Statistiken zufolge sind 22 % der gesamten CO₂-Emissionen des Landes auf den Gebäudebetrieb zurückzuführen. Der Energieverbrauch pro Flächeneinheit öffentlicher Gebäude ist in den letzten Jahren mit dem Bau großer, zentralisierter Gebäude in den Städten gestiegen. Daher ist die Klimaneutralität von Gebäuden ein wichtiger Baustein für das nationale Klimaschutzziel. Eine der zentralen Maßnahmen der Bauindustrie zur Umsetzung der nationalen Klimaneutralitätsstrategie ist der Aufbau eines neuen Stromversorgungssystems mit Photovoltaik, bidirektionaler Ladung, Gleichstrom und flexibler Steuerung (direkt flexible Photovoltaikspeicherung). Diese Technologie ermöglicht die umfassende Elektrifizierung des Energieverbrauchs im Baugewerbe. Schätzungen zufolge kann die direkt flexible Photovoltaikspeicherung die CO₂-Emissionen im Gebäudebetrieb um etwa 25 % reduzieren. Sie ist somit eine Schlüsseltechnologie zur Stabilisierung von Stromnetzschwankungen im Gebäudesektor, zur Gewinnung eines hohen Anteils erneuerbarer Energien und zur Verbesserung der Energieeffizienz zukünftiger Gebäude. Sie stellt ein wichtiges technisches Mittel und einen effektiven Weg zur Klimaneutralität von Gebäuden dar.
Modulares Photovoltaiksystem
Die temporären Gebäude auf der Baustelle bestehen größtenteils aus wiederverwendbaren Modulhäusern. Für diese Modulhäuser wurde ein modulares Photovoltaik-Modulsystem entwickelt, das sich auch drehen lässt. Dieses CO₂-neutrale Photovoltaik-Produkt für temporäre Bauten nutzt die Modularisierung zur Entwicklung standardisierter Photovoltaik-Träger und -Systeme. Es basiert auf zwei Ausführungen: Standardhaus (6×3×3) und Laufsteghaus (6×2×3). Die Photovoltaikanlage wird kachelartig auf dem Dach des Modulhauses verlegt. Auf jedem Standardcontainer befinden sich monokristalline Silizium-Photovoltaikmodule. Die Photovoltaikanlage wird auf dem darunterliegenden Photovoltaik-Träger montiert und bildet so eine integrierte Modulkomponente. Diese wird als Ganzes angehoben, um Transport und Umbau zu vereinfachen.
Das Photovoltaik-Stromerzeugungssystem besteht im Wesentlichen aus Photovoltaikmodulen, einem Wechselrichter und einem Batteriespeicher. Die Produktgruppe umfasst zwei Standardhäuser und ein Reihenhaus, die zusammen einen Gebäudekomplex bilden. Sechs dieser Komplexe werden zu verschiedenen Projektbereichen kombiniert, um sich an die räumliche Anordnung des jeweiligen Projekts anzupassen und einen vorgefertigten, klimaneutralen Projektplan zu realisieren. Die modularen Produkte sind flexibel und können an spezifische Projekte und Standorte angepasst werden. Durch den Einsatz von gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV) werden die CO₂-Emissionen des gesamten Gebäudeenergiesystems weiter reduziert. Dies ermöglicht es öffentlichen Gebäuden in verschiedenen Regionen und Klimazonen, Klimaneutralität zu erreichen. (Technischer Leitfaden als Referenz.)
1. Modulares Design
Die modulare, integrierte Bauweise mit Modulen der Abmessungen 6 m × 3 m und 6 m × 2 m ermöglicht eine einfache Umschlag- und Transportabwicklung. Dies gewährleistet eine schnelle Produktanlieferung, einen stabilen Betrieb, niedrige Betriebskosten und verkürzte Bauzeiten vor Ort. Die modulare Bauweise ermöglicht die Vorfertigung der gesamten Anlage, das Stapeln und Transportieren der Module sowie das Heben und Verriegeln der Verbindungen. Dadurch werden die Effizienz gesteigert, der Bauprozess vereinfacht, die Bauzeit verkürzt und die Auswirkungen auf die Baustelle minimiert.
Wichtigste modulare Technologien:
(1) Die Eckbeschläge, die mit dem Modulhaus kompatibel sind, eignen sich für die Verbindung der modularen Photovoltaik-Anlage mit dem darunter liegenden Modulhaus.
(2) Die Photovoltaik-Anordnung vermeidet den Raum oberhalb der Eckbeschläge, sodass die Photovoltaik-Halterungen zum Transport gestapelt werden können;
(3) Modularer Brückenrahmen, der für die standardisierte Verlegung von Photovoltaikkabeln geeignet ist;
(4) Die modulare Kombination 2A+B ermöglicht eine standardisierte Produktion und reduziert den Bedarf an kundenspezifischen Bauteilen.
(5) Sechs 2A+B-Module werden zu einer kleinen Einheit mit einem kleinen Wechselrichter kombiniert, und zwei kleine Einheiten werden zu einer großen Einheit mit einem größeren Wechselrichter kombiniert.
2. CO2-armes Design
Diese Forschungsarbeit basiert auf CO₂-neutraler Technologie und entwickelt temporäre Photovoltaik-Bauprodukte für Baustellen. Das modulare Design, die standardisierte Produktion und das integrierte Photovoltaiksystem umfassen die dazugehörige modulare Transformations- und Energiespeichertechnik. Dazu gehören Photovoltaikmodule, Wechselrichtermodule und Batteriemodule, die ein Photovoltaiksystem bilden, das während des gesamten Bauprozesses CO₂-neutral arbeitet. Die Photovoltaikmodule, Wechselrichtermodule und Batteriemodule lassen sich demontieren, kombinieren und umsetzen, was die Übergabe von Projekten zusammen mit dem Modulhaus erleichtert. Die modularen Produkte können durch Mengenänderungen an unterschiedliche Projektgrößen angepasst werden. Dieses Konzept der demontierbaren, kombinierbaren und modularen Bauweise steigert die Produktionseffizienz, reduziert CO₂-Emissionen und fördert die Erreichung der Klimaneutralitätsziele.
3. Auslegung eines Photovoltaik-Stromerzeugungssystems
Das Photovoltaik-Stromerzeugungssystem besteht im Wesentlichen aus Photovoltaikmodulen, einem Wechselrichter und einem Batteriespeicher. Die Photovoltaikmodule des Modulhauses sind dachziegelartig auf dem Dach verlegt. Jeder Standardcontainer ist mit acht monokristallinen Silizium-Photovoltaikmodulen der Größe 1924 × 1038 × 35 mm ausgestattet, jeder Gangcontainer mit fünf monokristallinen Silizium-Photovoltaikmodulen derselben Größe.
Tagsüber erzeugen Photovoltaikmodule Strom, der vom Regler und Wechselrichter in Wechselstrom für die Verbraucher umgewandelt wird. Das System priorisiert die Stromversorgung der Verbraucher. Übersteigt die von den Photovoltaikmodulen erzeugte elektrische Energie den Bedarf der Verbraucher, wird der Überschuss über den Lade- und Entladeregler in den Akku geladen. Bei schwachem Licht oder nachts erzeugen die Photovoltaikmodule keinen Strom, und der Akku wird über den Wechselrichter in Wechselstrom für die Verbraucher umgewandelt.
Zusammenfassung
Im Büro- und Wohnbereich der Projektabteilung auf der Baustelle der Gebäude 4 bis 6 im Pingshan New Energy Automobile Industrial Park in Shenzhen kommt modulare Photovoltaiktechnik zum Einsatz. Insgesamt 49 Einheiten sind in der Gruppe 2A+B angeordnet (siehe Abbildung 5) und mit 8 Wechselrichtern ausgestattet. Die installierte Gesamtleistung beträgt 421,89 kW, die durchschnittliche jährliche Stromerzeugung 427.000 kWh, die CO₂-Emissionen 0,3748 kg CO₂/kWh und die jährliche CO₂-Reduktion der Projektabteilung 160 t CO₂.
Modulare Photovoltaik-Technologie kann die CO₂-Emissionen auf Baustellen effektiv reduzieren und so die Vernachlässigung der CO₂-Reduzierung in der Bauphase ausgleichen. Modularisierung, Standardisierung, Integration und flexible Nutzung können den Materialverbrauch erheblich senken, die Nutzungseffizienz steigern und die CO₂-Emissionen reduzieren. Der Einsatz modularer Photovoltaik-Technologie in Projekten der Abteilung für neue Energien wird letztendlich einen Anteil von über 90 % dezentraler sauberer Energie im Gebäude, eine Erfüllung von über 90 % der Bedürfnisse der Nutzer und eine jährliche Reduzierung der CO₂-Emissionen der Projektabteilung um mehr als 20 % ermöglichen. Neben der Reduzierung der CO₂-Emissionen des gesamten Gebäudeenergiesystems bietet BIPV auch einen technischen Referenzweg für öffentliche Gebäude in verschiedenen Regionen und unter verschiedenen Klimabedingungen, um Klimaneutralität zu erreichen. Die rechtzeitige Durchführung entsprechender Forschung und die Nutzung dieser seltenen Chance können unserem Land eine Vorreiterrolle bei diesem revolutionären Wandel sichern.
Veröffentlichungsdatum: 17.07.2023