PDP-Arbeit SS2009 - Fachhochschule Bielefeld

Dossier zur PDP-Arbeit
Systembewertung und -auswahl:
Nutzung regenerativ erzeugter Energie mit
Hilfe der Wasserstofftechnologie
Lehreinheit Maschinenbau
Wilhelm-Bertelsmann-Straße 10
33602 Bielefeld
Bearbeitet von:
Henning Föste
Till van Lück
Pascal Reinkensmeier
Betreut von:
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Weber
26. Juni 2009

Inhalt
1. Einleitung……………........................……………………......………….....2-4
2. Aufgabenstellung..............................................................................................4
3. Beschreibung des Soll-Zustand.....................................................................5-6
4. Beschreibung des Ist-Zustand......................................................................6-10
5. Auswahlverfahren
5.1 Firmenliste.....................................................................................11-12
5.2 Bewertung angebotener Systeme...................................................13-26
6. Ausgewähltes System
6.1 Angebot für Komplettsystem.........................................................27-30
6.2 Datenblätter der Systemkomponenten...........................................31-37
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1. Einleitung
„(Oldenburg) Das Projekt HyWindBalance will Windstrom künftig in Form von Wasserstoff
speichern. Fünf kleine Unternehmen, allesamt Spin-Offs der Hochschule, haben das Projekt
gemeinsam mit Forschern aus dem "Energielabor" der Universität Oldenburg erdacht - mit
von der Partie sind Ingenieure, Physiker aber auch Wirtschaftsexperten. Strom aus Wind ist
eigentlich eine feine Sache. Er schont Ressourcen wie Kohle und Erdgas und erspart der
Atmosphäre Kohlendioxid. Da sind sich wohl alle einig. Dumm nur, dass das Lüftchen unstet
weht. Für Kritiker ist die Öko-Energie damit seit eh und je unkalkulierbar und inakzeptabel.
Das Windstromangebot sei wechselhaft wie das Wetter, heißt es. Doch das könnte sich in
Zukunft ändern. Die Zukunft beginnt in einer kalten, zugigen Kammer an der Universität
Oldenburg. Der Raum mit den nackten Betonwänden ähnelt eher einem ausgedienten
Fahrradstand, als einem Labor. Drei Stahlschränke thronen darin. In ihnen wandelt sich
Wind in Wasserstoff - die Energiewährung der Visionäre. Anfang Dezember wurde die
Anlage in Betrieb genommen und das Projekt HyWindBalance offiziell gestartet. Es soll dem
Windstrom das Schwanken austreiben und ihn so regelbar wie ein schnurrendes
Kohlekraftwerk machen. Für gewöhnlich lässt sich elektrischer Strom nicht speichern -
zumindest nicht in großen Mengen. Er muss deshalb direkt und sofort ins Netz eingespeist
werden. HyWindBalance will einen anderen Weg gehen. Der Windstrom wird genutzt, um in
einem Elektrolyseur Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die
Anlage pumpt den Wasserstoff anschließend in 24 knallrote mannshohe Stahlflaschen. Bei
Bedarf versorgt dieser Speicher eine Brennstoffzelle. Die wandelt den Wasserstoff zurück in
Strom. "Nach diesem Prinzip kann man Windstrom künftig in Form von Wasserstoff speichern,
wenn er an windigen Tagen im Überfluss vorhanden ist", sagt Projektleiter Igor Waldl von
der Firma Overspeed in Oldenburg. Bei Flaute schaltet sich die Brennstoffzelle ein - und
gleicht den Windenergiemangel aus.“
Die Elektrolyse stellt die sinnvollste und günstigste Wandlungstechnik dar, um mit
regenerativer Primarenergie Wasserstoff herzustellen. Da regenerativer Wasserstoff als
Energieträger weniger effizient und zudem kostspieliger als regenerativer Strom bereitgestellt
werden kann, lässt sich hieraus eine entscheidende Konsequenz für den Einsatz von
Wasserstoff ableiten: Wasserstoff kann in der Energiewirtschaft nur dann von Bedeutung sein,
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wenn er energetisch und ökonomisch sinnvolle Einsatzgebiete neben dem aus Nutzersicht
universell einsetzbaren Energieträger Elektrizität findet oder Bereiche bedienen kann, die für
regenerativen Strom nicht oder nur sehr aufwendig zugänglich sind.
Die Einsatzgebiete für Wasserstoff lassen sich aus den Nachteilen der regenerativen
Energieumwandlung in Bezug auf eine zuverlässige Energiebereitstellung ableiten.
So ist ihre Energiedichte begrenzt und stark von den geographischen Gegebenheiten abhängig.
Das Angebot fluktuiert stark (Strahlung, Wind) oder ist an bestimmte Orte gebunden
(Wasserkraft, Geothermie). Die Primärenergie selbst ist, bis auf Biomasse, nicht
transportierbar und nicht oder nur wenig speicherbar.
Daher benötigt eine regenerative Energieversorgung, speziell in Form von Solarstrahlung und
Wind entweder die Unterstützung der konventionellen, fossilen Energieversorgung zum
Ausgleich der genannten Nachteile oder aus regenerativer Energie hergestellte
Sekundärenergieträger mit gleichen oder ähnlichen Eigenschaften wie die speicher- und
transportierbaren fossilen Energieträger Öl, Erdgas und Kohle. Hier käme hauptsächlich
Wasserstoff in Frage. Die energiewirtschaftliche Bedeutung von Wasserstoff oder daraus
abgeleiteten Energieträgern liegt also in der Möglichkeit, die Nutzungsgrenzen von
regenerativen Energien zu erweitern und ihr großes Angebotspotenzial möglichst weitgehend
zu erschließen. Aus den energetischen Funktionen von Wasserstoff, der Speicher- und
Transportfähigkeit lassen sich verschiedene Einsatzfelder ableiten, die von Wasserstoff
besetzt werden können. Sehr wesentliche Einsatzgebiete, in denen Wasserstoff vermutlich die
günstigste Lösung darstellt oder möglicherweise sogar unverzichtbar ist, sind:
1.) Die Speicherung großer Mengen fluktuierenden Solar- und Windstromes sowohl in
Inselsystemen als auch im Gesamtsystem, wenn ein hoher Anteil an regenerativer Energie
vorhanden ist
2.) Die Nutzung des großen Solarenergieangebots in Äquatornähe und der damit verbundene
Transport dieser Energie in verbrauchstarke Industrienationen der Nordhalbkugel
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3.) Die Nutzung regenerativer Energie in für Strom nur schwer zugänglichen Bereichen, wie
Verkehr (speziell Luftverkehr) und industrieller Hochtemperaturbedarf
In allen drei Einsatzgebieten sind Konkurrenztechnologien bzw. andere Optionen vorhanden,
welche die erforderlichen Funktionen erfüllen.
Alternative zu 1.
Die Speicherung regenerativen Stroms kann bis zu Anteile von regenerativen Energien am
Energieverbrauch um 50% ersetzt werden. Hierfür ist der Ausgleich über große Verbundnetze,
die Kombination verschiedener regenerativer Primärenergien, sowie ein Lastmanagement
beim Verbraucher mit einer gewissen Anpassung von Lastprofilen an das regenerative
Energieangebot nötig. Auch die thermische Speicherung von Sonnenenergie und damit die
kontinuierliche Bereitstellung von elektrischer Energie durch solarthermische Kraftwerke
stellt eine sinnvolle Ergänzung dar.
Alternative zu 2.
Bei dem Transport solaren Stromes über große überseeische Entfernungen, ist der Transport
von Wasserstoff über Pipelines oder mit Tankern die günstigste Lösung. Sind jedoch nur
interkontinentale Entfernungen zu überbrücken, stellt der Transport mittels Hochspannungs-
Gleichstrom-Übertragung die günstigere Lösung dar.
Alternative zu 3.
Im Verkehrssektor könnten mittelfristig die verbleibenden fossilen Energieträger genutzt
werden, wenn in den anderen Bereichen bereits ein hoher regenerativer Anteil vorhanden ist
und deutlich effizientere Fahrzeuge vorausgesetzt werden. Auch Biokraftstoffe stellen für
eine absehbare Zeit eine Konkurrenz für regenerativen Wasserstoff dar.
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2. Aufgabenstellung
Entwerfen eines Systems zur kontinuierlichen Bereitstellung elektrischer Leistung im
Kilowattbereich aus zeitlich schwankend von einer Windkraftanlage und einer
Photovoltaikanlage zur Verfügung gestellter elektrischer Leistung mit Hilfe der
Wasserstofftechnik.
Anschließende Kosten-/Kostenvergleichsrechnung für ein oder mehrere Angebote
zum oben beschriebenen Konzept.
Da die Brennstoffzelle in der zukünftigen Energiewirtschaft als Kraft-Wärme-
Kopplung dienen soll muss der von der Brennstoffzelle abgegebene Wärmestrom
ausgekoppelt werden können.
3. Soll-Zustand
(Auszug aus: PDP-Arbeit „Systembewertung regenerativ erzeugter Energie mit Hilfe der
Wasserstofftechnologie“ Kapitel 3)
Die Haupteigenschaft, die das neue System auszeichnet, die gleichzeitig die wichtigste
Anforderung an das neue System ist (s. Aufgabenstellung 3.1), dass die regenerativ erzeugte,
elektrische Energie mithilfe der Wasserstoffwirtschaft gespeichert werden muss.
Den dafür benötigten Wasserstoff erhält man, indem man durch Zufuhr von elektrischer
Energie Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Dieses Verfahren bezeichnet
man als Elektrolyse von Wasser. Das Aggregat, in welchem dieser Prozess abläuft, trägt daher
den Namen Elektrolyseur. Bei der hierfür benötigten elektrischen Energie, handelt es sich
sinnvollerweise, um den in der Photovoltaikanlage und in der Windkraftanlage erzeugten
Strom. [...]
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Da das Hauptproblem der regenerativ erzeugten Energie in ihrer Speicherung liegt, muss der
im Elektrolyseur aus Wasser erzeugte Energieträger Wasserstoff nun gespeichert werden. Es
gibt unterschiedliche Typen von Wasserstoffspeichern. Für das zu entwerfende System
werden Metallhydridspeicher gewählt, da ihre volumetrische Dichte (der Platzbedarf) und die
Wasserstoffverluste im Vergleich zu den anderen Speichertypen am geringsten sind. Ein
weiterer Vorteil ist, dass der Wasserstoff hier bei niedrigen Drücken gespeichert werden kann
– bei den angebotenen Systemen im Bereich von 10 bis 30 bar Überdruck. Daher wird kein
zusätzlicher Verdichter benötigt wird, da der im Elektrolyseur herrschende Wasserstoffdruck
bereits zwischen null und 30 bar (je nach angebotenem Elektrolyseur) liegt. Der Nachteil des
hohen Gewichts hat bei dem hier vorliegenden, stationären Einsatz keine negativen
Auswirkungen.
Um den gespeicherten Wasserstoff je nach Bedarf wieder in elektrische Energie umwandeln
zu können, wird eine Brennstoffzelle benötigt. In dieser reagiert der aus den
Metallhydridspeichern zugeführte Wasserstoff mit Luftsauerstoff zu Wasser unter Abgabe
elektrischer Energie und Wärme. Diese elektrische Energie ist die ursprünglich in der
Windkraftanlage und in der Photovoltaikanlage erzeugte Energie, verringert um die
Leitungsverluste und alle Verluste in den oben beschriebenen Systemkomponenten.
Daraus wird geschlussfolgert, dass das neue System also aus den folgenden fünf
Hauptkomponenten bestehen muss (sortiert in Richtung des Energieflusses):
1. Windkraftanlage und Photovoltaikanlage
2. Elektrolyseur
3. Metallhydridspeicher
4. Brennstoffzelle
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4. Beschreibung des Ist-Zustand
(Auszug aus: PDP-Arbeit „Systembewertung regenerativ erzeugter Energie mit Hilfe der
Wasserstofftechnologie“ Kapitel 3)
Wie in der Aufgabenbeschreibung erwähnt, besteht das gewünschte Gesamtsystem aus
mehreren Komponenten. Ein Teil dieser Komponenten steht bereits zur Verfügung. Eine
Photovoltaikanlage und eine Windkraftanlage sind am Standort Wilhelm-Bertelsmann-Strasse
der Fachhochschule Bielefeld installiert und sollen im Folgenden kurz beschrieben werden.
Windkraftanlage AeroCraft AC 500
Die AC 500 ist auf dem Dach der mechanischen Werkstatt (Raum 44) der Fachhochschule
Bielefeld montiert. Ihr vorheriger Standort war das Dach über den Laboratorien für
Energiewirtschaft und Regenerative Energien (Raum 27), Automatisierungstechnik (Raum 4)
und Auto Lab (Raum 6). Da die durch Körperschall übertragenen Schwingungen der
Windkraftanlage dort bei der (Konzentration erfordernden) Arbeit als störend empfunden
wurde, wurde entschieden die AC 500 zu versetzen. Weil in der mechanischen Werkstatt ein
ohnehin erhöhter Lautstärkepegel herrscht, wurde das Dach oberhalb der Werkstatt als neuer
Standort ausgewählt. Von diesem neuen Standort aus wurde ein ca. 40 m langes Kabel über
das Dach und durch eine Kabelführung in das Labor für Energiewirtschaft und Regenerative
Energien (Raum 27) verlegt. Dort gibt es allerdings momentan keine weitere Verwendung für
die Windkraftanlage, so dass das Kabel dort endet.
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Die AC 500 gehört zur Leistungsklasse der Kleinwindkraftanlagen und wird hauptsächlich
zur Batterieladung und im Inselbetrieb eingesetzt. Sie kann aber auch zur Netzeinspeisung
verwendet werden. Die AC 500 dient z.B. als Stromversorgung von folgenden Systemen:
• Mess-Stationen (Off-shore Plattformen)
• Verkehrsleitsysteme an Autobahnen
• Telekommunikation, Verkehrs-Datenerfassung und -Übermittlung
• Scheunen, Pumpsysteme, Elektrozäune auf Almen
• Warmwasserbereitung- Heizung. 1
Um sich an die gegebenen Windgeschwindigkeiten anpassen zu können, verfügt die AC 500
über eine fliehkraftgesteuerte Blattverstellung, die gleichzeitig als Sicherheitssystem zur
Vermeidung von Beschädigungen durch zu hohe Drehzahlen, hervorgerufen durch zu große
Windgeschwindigkeiten z.B. bei Sturm, dient. Diese Steuerung kann in drei Stufen, abhängig
vom Betriebszustand unterteilt werden:
Stufe Betriebszustand Steuerung
1 Anlauf Die Rotorblätter werden Steil angestellt – niedriger
Anstellwinkel – .
→ Ermöglichen des Anlaufens bei niedrigen
2 Leistung
Windgeschwindigkeiten
Der Anstellwinkel der Rotorblätter wird der
Windgeschwindigkeit angepasst, um einen möglichst
guten Wirkungsgrad zu erhalten.
3 Sicherheit Der Pitchwinkel der Rotorblätter wird soweit
verringert – Vergrößerung des Anstellwinkels – , dass
durch den dabei auftretenden Stall-Effekt die Drehzahl
auf 600 U/min begrenzt wird. 2
1 Vgl. AeroCraft Energietechnik GmbH, http://www.aerocraft.de/ac502.html, zugegriffen am 22. April 2009.
2 AeroCraft Energietechnik GmbH, Produktinformation AC 500.
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In Abb. 3.1 erkennt man den dreiblättrigen Rotor der AC 500, der die im Wind enthaltene
kinetische Energie in Rotationsenergie des Rotors umformt. Die Verbindung zwischen den
Rotorblättern und der Nabe stellt die oben beschriebene Blattverstellung dar. Die
Blattsteuerung wird auch als Pitchsteuerung bezeichnet (Englisch: pitch, der Anstellwinkel).
Die Windnachführung übernimmt die Windfahne. In der Windkraftbranche wird für die
Windnachführung auch der Begriff Azimutverstellung verwendet. Wenn sich die
Windrichtung ändert, führt das zu einer Schräganströmung der Windfahne. Die daraus
resultierende Kraft dreht die Windfahne wieder in den Wind zurück. Daher wird kein
elektrischer oder hydraulischer Pitch- bzw. Azimutantrieb in der Windkraftanlage benötigt,
was den Wartungsaufwand und die Anfälligkeit verringert.
Abb. 3.1 AeroCraft AC 500, im Bild zu sehen sind: Rotorblätter,
Generatorgehäuse, Rotornabe, Pitchverstellung, Mast, Windfahne
In dem Generatorgehäuse verbirgt sich der permanent erregte 16-polige, getriebelose
Hochleistungs-Drehstromgenerator 3 , der die Rotationsenergie des Rotors in elektrische
3 Vgl. AeroCraft Energietechnik GmbH, Datenblatt AeroCraft-Generator 500/750 Watt.
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Energie umwandelt. Der dort erzeugte Drehstrom wird mittels eines drei-poligen Kabels
abgeleitet. Für die Auslegung bzw. Auswahl eines Ladereglers mit integriertem Gleichrichter
ist der vom Generator abgegebene Leistungsbereich interessant.
Photovoltaikanlage
Die Photovoltaikanlage befindet sich auf dem Dach des Laborgebäudes der Fachhochschule
Bielefeld über dem Labor für Leistungselektronik (Raum 8/8a). Die Anlage setzt sich aus
neun Photovolaikmodulen zusammen, die auf einer verschraubten Trägerkonstruktion
montiert wurden. Der Winkel der Trägerkonstruktion, bezogen auf die Horizontale, ist über
ein Lochbild in den Profilen einstellbar, um die Modulausrichtung optimal an den
Einstrahlungswinkel der Sonne in den verschiedenen Jahreszeiten anzupassen.
In Abb. 3.2 ist die Anordnung der sechs unterschiedlichen Modultypen, die
Einstrahlungssensoren und die Trägerkonstruktion zu erkennen. [...]
Einstrahlungssensor 1
Tessag ASE 30 Semi
Tessag AST 100
Trägerkonstruktion
Einstrahlungssensor 1
Tessag ASE 30 Opak
Siemens ST 40
Siemens SM 110
Webasto Solarflex
Abb. 3.2 Die Photovoltaikanlage bestehend aus neun Photovoltaikmodulen; oben:
die Einstrahlungssensoren, unten: die Trägerkonstruktion
[...] Summiert man die Leistungen der einzelnen Module, so erhält man als Maximalleistung
der Photovoltaikanlage PPVA,Nenn = 509 W.
Jeweils zwei gleiche 12-Volt-Modultypen sind – wie oben beschrieben – in Reihe zu 24-Volt-
Modulen geschaltet. Es gibt also zusammen mit den drei 24-Volt-Einzelmodulen sechs 24-
Volt-Module. Diese sind einzeln, zusammen mit dem Signalkabel des
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Einstrahlungssensors 1(oben links in Abb. 3.2), durch eine Kabeldurchführung in das Labor
für Energiewirtschaft und regenerative Energien verlegt. Dort enden sie an einer Schalttafel
für Praktikumsversuche. An der Tafel werden die Einstrahlung E, die Spannung U und die
Stromstärke I über Displays ausgegeben. Die sechs 24-Volt-Module können einzeln zu- und
abgeschaltet werden, so dass in den Praktikumsversuchen die Spannung U, die Stromstärke I
und damit die Leistungen W der verschiedenen Modultypen unter den in dem Moment
herrschenden Bedingungen (Einstrahlung E) verglichen werden können.
5. Auswahlverfahren
5.1 Firmenliste
Brennstoffzellenhersteller
Die Schunk-Gruppe besteht aus vier Divisionen. Eine davon, Schunk Materials beschäftigt
sich mit der Produktion von Komponenten aus Kohlenstoff, Graphit, Kohlenstoff-
Composites, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid und Quarz für die unterschiedlichsten
Industriezweige.Im Bereich Brennstoffzelle bietet Schunk einzelne Bipolarplatten sowie
komplette Stack-Systeme an. Das Basismodul FC-42/HLC besteht aus 42 Zellen, wird mit
Wasserstoff und Flüßigkeitskühlung betrieben und gibt eine Leistung von 360 Watt ab.
Maximal kann man vier dieser Basismodule in Reihe schalten und so eine Leistung von bis zu
1,44 Kilowatt erreichen.
Die Heliocentris Fuel Cells AG ist ein Kooperationspartner für die Vermarktung.
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Vertriebsunternehmen und Systemanbieter
QuinTech mit Sitz in Göppingen beschäftigt sich mit dem Vertrieb von Brennstoffzellen,
Brennstoffzellentestsystemen, Brennstoffzellenkomponenten und Zubehör mit 450 Produkten
und 26 Zulieferern aus der ganzen Welt. QuinTech ist seit 2000 der europäische
Vertriebspartner für die amerikanische Firma Electro Chem Inc., die in Forschung und
Produktion tätig ist. Die Produktpalette umfasst alles rund im die
Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC).Die Produktpalette umfasst:
Brennstoffzellenkomponenten wir Membranen, Katalysatoren, Backings, Elektroden,
Elektrolyt- und Teflonlösungen, Membranelektroden, Brennstoffzellen-Stacks von 10 W - 2
kW, Testsysteme bis zu 4 kW mit Befeuchter, Hardware, PC und windowsbasierter Software.
Highlight ist die Powerstation Ultima, mit der gleichzeitig bis zu fünf Brennstoffzellen
charakterisiert werden können. Auch weiteres Testequipment so wie kundenspezifische als
auch Standardequipment können angeboten werden.
Gegründet wurde die Heliocentris Energiesysteme GmbH 1998 in Berlin und unterstützt
Ausbilder, Entwickler und industrielle Partner weltweit, wasserstoffbasierte
Brennstoffzellentechnik als Bestandteil moderner Energiesysteme zu etablieren.Heliocentris
bietet Brennstoffzellen Systemprogramme mit einer Leistung von 50W bis 16kW für
stationäre als auch mobile Applikationen an. Um die Integration der Brennstoffzellen zu
ermöglichen, wird auch ein breites Spektrum von speziell auf die Brennstoffzellen
vorqualifizierte Komponenten angeboten (Gleichspannungswandler, Wechselrichter, etc.).
Passende Wasserstofflösungen sind ebenfalls im Programm erhältlich.
Ein für unsere Anwendung interessantes Produkt wird von Heliocentris in Zusammenarbeit
mit der oben genannten Firma Schunk unter dem Namen FC-42 EVALUATION Kit
angeboten.
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5.2 Bewertung angebotener Systeme
(Auszug aus: PDP-Arbeit „Systembewertung regenerativ erzeugter Energie mit Hilfe der
Wasserstofftechnologie“ Kapitel 3)
F Anforderungen nach Analyse des bestehenden Systems
W (des Ist-Zustandes)
Das System muss regenerative - von einer Windkraftanlage und einer
F 1 Photovoltaikanlage - erzeugte Energie in Form von Wasserstoff speichern und diese
kontinuierlich zur Verfügung stellen können.
Das System muss über eine Wärmeauskopplung verfügen, durch welche der abgegebene
F 2
Wärmestrom der Brennstoffzelle gemessen wird.
F 3 Thermische Brennstoffzellenmaximalleistung-Maximalleistung PBZ, th, ab ≥ 0,5 kW.
F 4 Elektrische Brennstoffzellen-Maximalleistung P BZ, el, ab ≥ 0,5 kW.
F 5 Das System muss modular aufgebaut und erweiterbar sein.
F 6 Speichergröße des Wasserstoffspeichers (Abkürzung: H2-Sp) V H2-Sp ≥ 1500 ln. Elektrische Leistungsaufnhame des Elektrolyseurs (Abkürzung: H2-Gen) muss größer
F 7 sein, als die von PVA und WKA gelieferte elektrische Durchschnittsleistung P H2-Gen ≥
75 W.
Es sollte eine Netzsimulation mit dem System durchführbar sein. Das System sollte
W 1 dabei über eine energiertragsoptimierende (wirkungsgradvergrößernde) Regelung
verfügen.
W 2 Elektrische Leistungsaufnhame des Elektrolyseurs (Abkürzung: H 2-Gen) P H2-Gen
≥ 300 W.
W 3 Geringe Systemkosten (Investitionskosten).
Den Lieferanten des Systems / der Komponenten sollte große Kompetenz und guten
W 4
Service auszeichnen.
F…Festforderung, W…Wunsch
Abb. 3.1 Anforderungsliste
3.7 Systembewertung
Es wurden zwei Angebote der Firma Quintech und Heliocentris eingeholt. In diesem Kapitel
sollen die beiden angebotenen Systeme bewertet und verglichen werden. Dazu werden
zunächst die Bewertungskriterien hergeleitet (s. Kapitel 3.7.2) und anschließend vergleichend
bewertet. Auf eine Beschreibung der Angebote wird verzichtet, da diese bereits
lieferantenseitig detailliert im Angebot bzw. in ergänzenden Dokumenten zu den Angeboten
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eschrieben sind. Beide Systeme werden nach jedem Vergleichskriterium bewertet. Als
Schema wird dabei die Bewertungsskala nach VDI 2225 verwendet.
Die Skala ist in Abb. 3.18 abgebildet. Die Bedeutung der Punkte (0 bis 4) wird für jedes
Vergleichskriterium genauer definiert (s. Kapitel 3.7.2). Es ist ersichtlich, dass die einzelnen
Kriterien unterschiedlich wichtig für das Wasserstoffsystem sind, daher werden diese in
Kapitel 3.7.3 gewichtet.
3.7.1 Systemkosten
Bewertungsskala nach VDI 2225
Punkte Bedeutung
0 Unbefriedigent
1 Gerade noch tragbar
2 Ausreichend
3 Gut
4 Sehr gut (ideal)
Formel: ∑(Punkte x Gewichtung) = Auswertung
Abb. 3.2 Bewertungsskala nach VDI 2225, allgemein
[Vgl. Ralf Hörstmeier, PDP Vorlesungscharts, Fh Bielefeld, PDP
SS 07, Chart-Nr: 16]
Da die Komponenten der beiden angebotenen Systeme teilweise unterschiedlich gut
ausgestattet sind bzw. unterschiedliche Leistungen haben, können die Angebotspreise nicht
direkt verglichen werden. Derartige Kostenvergleiche können nur dann ausgeübt werden,
wenn die angebotenen Komponenten, abgesehen vom Preis, technisch gleichwertig sind. Da
die Kosten dennoch unbedingt in den Vergleich mit einbezogen werden sollen, wurde
folgendes Vorgehen entwickelt:
Es werden nicht direkt die Systemkosten verglichen, sondern eine Vergleichsgröße k, die den
„technische Wert“ des angebotenen Systems berücksichtigt. k wird definiert als Quotient aus
den Systemkosten K und der Auswertung (Punktzahl, „technischer Wert“) Q* aus der
vorausgegangenen Bewertung:
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K
k =
Q *
Es wird dabei folgendermaßen vorgegangen:
Es werden die Gewichtung der Vergleichskriterien (s. Kapitel 3.7.3) und die Auswertung
(s. Kapitel 3.7.4) zunächst ohne Berücksichtigung der Systemkosten durchgeführt
(Kennzeichnung: *).
Die Systemkosten K werden zunächst auf die Auswertung Q* (Gesamtpunktzahl, die das
jeweilige System in der ersten Auswertung erreicht hat) bezogen.. Diese bezogene Größe k
kann dann verglichen werden. Anschließend wird die Gewichtung der Vergleichskriterien
(s. Kapitel 3.7.3) und die Auswertung (s. Kapitel 3.7.4) für beide Systeme, diesmal unter
Berücksichtigung der relativen Systemkosten k, neu durchgeführt. Das Ergebnis ist die
endgültige Auswertung Q.
3.7.2 Bewertungskriterien
Die Bewertungskriterien werden sinnvollerweise in Anlehnung an die Systemanforderungen
entwickelt. Es sei vorab bemerkt, wieso einige der Anforderungen im Folgenden nicht unter
den Berwertungskriterien zu finden sind:
Beide angebotenen Systeme setzen sich aus den vorher beschriebenen Hauptkomponenten
zusammen, daher wird die Festforderung F 1 von beiden Systemen erfüllt und entfällt daher
als Vergleichskriterium.
Ebenfalls kommen beide Systeme der Forderung nach einem modularen Aufbau nach. Dieser
Teilaspekt der Anforderung F 5 wird daher in der Bewertung nicht weiter betrachtet.
Desweiteren haben die angebotenen Elektrolyseure beider Systeme eine Leistungsaufnahme
die deutlich größer ist als die Festforderung F 7 PH2-Gen,el,zu,durchschn = 75 W. Diese ist daher
ebenfalls kein Vergleichskriterium.
Der umgekehrte Fall tritt bei dem Wunsch W 1 ein: Beide Lieferanten konnten die
gewünschte Regelung nicht anbieten, auch dieser Punkt erübrigt sich daher als
Vergleichseigenschaft.
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Nun zu den Bewertungskriterien:
1. Wärmeauskopplung (Vgl. Festforderung F 2)
Es wird das Systems zur Wärmeauskopplung bzw., falls dieses nicht angeboten
werden kann, der Aufwand des Implementierens eines solchen Systems verglichen.
Punkte Bedeutung
0 Wärmeauskopplung nicht angeboten, Implementieren nicht möglich.
1 Wärmeauskopplung nicht angeboten, Implementieren möglich.
2 Wärmeauskopplung nicht angeboten, System wird für Sekundärkühlkreislauf vorbereitet.
3 Wärmeauskopplung kann angeboten werden.
4 Wärmeauskopplung ist vorgesehen.
Abb. 3.3 Wärmeauskopplung, Bewertungsskala, spezifisch
2. Höhere Brennstoffzellenleistung und -wirkungsgrad
(Vgl. Festforderungen F 3 und F 4)
a) Erhöhen der Brennstoffzellenleistung (Elektrisch) führt bei gleichbleibendem
Wirkungsgrad ebenfalls zu einer Erhöhung der thermischen Leistung und
verbessert damit die Durchführbarkeit der Wärmeauskopplung. In Anlehnung
an die Festforderungen F 3 und F 4 wurde nach eigenem Ermessen die
Bedeutungsspalte in Abb. 3.18 eingeteilt.
Punkte Bedeutung
0 P BZ,el,ab < 400 W
1 400 W ≤ P BZ,el,ab < 600 W
2 600 W ≤ P BZ,el,ab < 800 W
3 800 W ≤ P BZ,el,ab < 1000 W
4 P BZ,el,ab ≥ 1000 W
Abb. 3.4 Brennstoffzellenleistung, Bewertungsskala, spezifisch
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) Eine Wirkungsgradsteigerung vergrößert den elektrischen
Gesamtwirkungsgrad des Systems und die eigentliche Aufgabe des hier zu
entwerfenden Wasserstoffsystems ist ja gerade die Speicherung elektrischer
Energie. Für den Brennstoffzellenwirkungsgrad wird ein Bereich von 30 % bis
50 % festgesetzt. 4
Punkte Bedeutung
0 η BZ,el < 30 %
1 30 % ≤ η BZ,el < 37 %
2 37 % ≤ η BZ,el < 43 %
3 43 % ≤ η BZ,el < 50 %
4 η BZ,el ≥ 50 %
Abb. 3.3 Brennstoffzellenwirkungsgrad (elektrisch), Bewertungsskala, spezifisch
3. Erweiterbarkeit
Es ist wahrscheinlich, das System auf längere Sicht zu vergrößern, also z.B. Module
der großen Photovoltaikanlage als regenerativen Energielieferanten hinzu zuschalten.
Hierfür müsste dann hauptsächlich die Elektrolyseurleistung und die Speichergröße
gesteigert werden. Ebenfalls ist es denkbar, dass die Brennstoffzellenleistung und die
Speichergröße erhöht werden sollen, um den interessanten Leistungsbereichen von
Ein- oder Mehrfamilienhäusern näher zu kommen. Daher sollen die
Hauptkomponenten des Systems erweiterbar sein.
Die Bewertung dieser Eigenschaft ist schwer in Punkte einzuteilen. Die
Bewertungsskala nach VDI 2225 wird für diese Eigenschaft daher auf drei Punkte
reduziert.
Punkte Bedeutung
0 Erweiterung nicht möglich.
2 Erweiterung möglich.
4 Erweiterung vorgesehen, z.B. Master-Slave-Prinzip.
Abb. 3.4 Erweiterbarkeit einer Hauptkomponente, Bewertungsskala, spezifisch
4 Vgl. Eichlseder, Klell, Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, 1. Auflage, Wiesbaden, 2008, S. 146.
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Es wird bei der Bewertung so vorgegangen, dass die Hauptkomponenten nach obiger
Tabelle Abb. 3.18bewertet werden und anschließend der Mittelwert aus den
Punktzahlen ermittelt wird.
4. Höheres Speichervolumen
Ein höheres Speichervolumen als das in Festforderung F 6 geforderte, erhöht die
Sicherheit, dass drei Praktikumsversuche gefahren werden können. Des Weiteren kann
mehr elektrische Energie im Wasserstoffsystem gespeichert werden, sollte längere
Zeit kein Verbraucher zur Verfügung stehen (≙ keine Praktikumsversuche
durchgeführt werden). Windkraft- und Photovoltaikanlage müssen erst später
abgeschaltet werden. Der genutzte Energieertrag steigt. Der Bereich für die Bewertung
erstreckt sich von der Mindestspeichergröße nach Festforderung F 6 (VH2-Sp ≥ 1500 ln)
bis zur doppelten Speichergröße (VH2-Sp ≥ 3000 ln).
Punkte Bedeutung
0 V H2-Sp < 1500 l n
1 1500 l n ≤ V H2-Sp < 2000 l n
2 2000 l n ≤ V H2-Sp < 2500 l n
3 2500 l n ≤ V H2-Sp < 3000 l n
4 V H2-Sp ≥ 3000 l n
Abb. 3.5 Wasserstoffspeichervolumen, Bewertungsskala, spezifisch
5. Höhere Leistungsaufnahme Elektrolyseur
Angenommen es werde in einem bestimmten Zeitraum keine Leistung benötigt (kein
Verbraucher -> kein Praktikum) und die Puffer-Akkumulatoren seien bereits
vollgeladen. Je größer nun die Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs ist, desto
weniger müssen Windkraft- und Photovoltaikanlage „gebremst“ werden (Für den
Betriebsfall, dass die von Windkraft- und Photovoltaikanlage erzeugte Leistung größer
ist als die Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs: PH2-Gen,el,zu > PH2-Gen). Der
Energieertrag steigt. Die untere Grenze für die Elektrolyseurleistung ist nach
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Festforderung F 7 PH2-Gen ≥ 75 W. Die obere Grenze ist PH2-Gen ≥ 1000 W, da dies die
Maximalleistung von Windkraft- und Photovoltaikanlage zusammen ist. Oberhalb
dieser Leistung könnte der Puffer entfallen.
Punkte Bedeutung
0 P H2-Gen < 75 W
1 75 W ≤ P H2-Gen < 300 W
2 300 W ≤ P H2-Gen < 650 W
3 650 W ≤ P H2-Gen < 1000 W
4 P H2-Gen ≥ 1000 W
Abb. 3.6 Leistungsaufnahme Elektrolyseur, Bewertungsskala, spezifisch
6. Geringe Systemkosten (s. Kapitel 3.7.1)
Punkte Bedeutung
0 P H2-Gen > 100000 € / 4 Punkte
1 100000 € / 4 Punkte ≥ k > 82500 € / 4 Punkte
2 82500 € / 4 Punkte ≥ k > 65000 € / 4 Punkte
3 65000 € / 4 Punkte ≥ k > 50000 € / 4 Punkte
4 P H2-Gen ≤ 50000 € / 4 Punkte
Abb. 3.7 Systemkosten, Bewertungsskala, spezifisch
7. Service und Kompetenz des Lieferanten
Siehe Wunsch W 4.
Es wird hier keine spezifische Bewertungsskala erstellt, da sich die in Wunsch W 4
beschriebenen Charakteristika nicht in Zahlen und Bereiche einteilen lassen. Die drei
Verfasser bewerten diesen Gesichtspunkt daher nach den bisher gesammelten
Erfahrungen mit den beiden Lieferanten mithilfe der allgemeinen Formulierungen der
Bewertungsskala nach VDI 2225 (s.o.).
8. Komponentenlebensdauer
Die Lebensdauer aller Komponenten sollte natürlich möglichst hoch sein. Für die
Metallhydridspeicher konnten lieferantenseitig keine vergleichbaren Angaben
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gemacht werden, so dass diese Komponente hier nicht berücksichtigt werden kann.
Als Faustregel für die Lebensdauer von Zentralheizungen wird 15 Jahre 5 angegeben.
Bei ca. 1800 h Betrieb jährlich 6 , beträgt die Lebensdauer L einer Zentralheizung in
Betriebsstunden etwa:
h
L ≈ 1800 ⋅15
Jahre = 27000 h
Jahr
An diesen Wert angelehnt, wird daher festgelegt, dass eine Komponentenlebensdauer,
welche den Wert L = 30000 h erreicht oder übersteigt, die Höchstpunktzahl erreicht.
Als Untergrenze wird 1000 h definiert. Daraus ergibt sich die Bewertungsskala
in 3.10.
Punkte Bedeutung
0 L < 1000 h
1 1000 h ≤ L < 10000 h
2 10000 h ≤ L < 20000 h
3 20000 h ≤ L < 30000 h
4 L ≥ 30000 h
Abb. 3.8 Komponentenlebensdauer, Bewertungsskala, spezifisch
9. Vollständigkeit des Systems
Eine hohe Anzahl an Lieferanten erhöht den Arbeits- und Verwaltungsaufwand. Es ist
in der Regel einfacher, wenn man z.B. bei Lieferproblemen, Defekten oder Wartungen
einen einzigen Ansprechpartner hat. Außerdem ist bei einem einzigen Lieferanten die
Kompatibilität der Komponenten zueinander gewährleistet. Daher soll der Lieferant
möglichst alle zusätzlichen Komponenten – neben den Hauptkomponenten:
Elektrolyseur, Wasserstoffspeicher und Brennstoffzelle – anbieten. Dazu gehören z.B.
die Regelung, die Verschlauchung und evtl. benötigte Wandler.
5 Wikimedia Foundation Inc., http://de.wikipedia.org/wiki/Zentralheizung, zugegriffen am 07. Juni 2009.
6 Wikimedia Foundation Inc., http://de.wikipedia.org/wiki/Zentralheizung, zugegriffen am 07. Juni 2009.
24

Punkte Bedeutung
0 Mehr als 3 Komponenten fehlen.
1 3 Komponenten fehlen.
2 2 Komponenten fehlen.
3 1 Komponente fehlt.
4 Vollständiges System.
Abb. 3.9 Vollständigkeit des Systems, Bewertungsskala, spezifisch
Abb. 3.10 Ungewichtete Bewertung der Vergleichskriterien, beide Systeme
3.7.3 Gewichtung der Vergleichskriterien 7
Wie bereits bemerkt, müssen die einzelnen Kriterien gewichtet werden, da sie für das
Gesamtsystem unterschiedlich entscheidend sind.
7 Vgl. Ralf Hörstmeier, PDP Vorlesungscharts, Fh Bielefeld, PDP SS 07, Chart-Nr: 19.
25

Es wird zunächst eine Entscheidungsmatrix entwickelt, in der alle Vergleichskriterien in der
obersten Zeile und in der linken Spalte aufgelistet sind. Eine solche Entscheidungsmatrix ist
in Abb. 3.18 dargestellt. Es werden nur die gelben Felder rechts neben der grauen Diagonalen
ausgefüllt. Man arbeitet sich nun zeilenweise durch die Tabelle: In jeder Zelle vergleicht man
das Kriterium, das in der entsprechenden Zeile steht (linke Spalte) mit dem Kriterium, das in
der entsprechende Spalte steht (oberste Zeile). Nun entscheidet man welches dieser beiden
Kriterien wichtiger erscheint. Erscheint das Kriterium der entsprechenden Zeile wichtiger als
das der entsprechenden Spalte, setzt man „1“ in die betrachtete Zelle, andernfalls setzt man
„-1“ ein. Bei Gleichgewicht wird „0“ eingesetzt. Die Zellen links neben der grauen
Diagonalen werden automatisch, spiegelbildlich mit umgekehrten Vorzeichen ausgefüllt.
Anweisung: Bewertung der Spalten mit den Zeilen: Zeile wichtiger als Spalte: 1 einsetzen; Zeile unwichtiger als Spalte: -1 einsetzen; Bei Gleichgewicht 0 einsetzen!
Nur die Zellen rechts neben der ausgegrauten Diagonalen ausfüllen!
Wärmeauskopplung [F_2] Erweiterbarkeit [F_5]
Höhere
Brennstoffzellenleistung
und -wirkungsgrad
(elektrisch) [F_4]
Höhere
Leisungsaufnahme und
Wirkungsgrad
Elektrolyseur (elektrisch)
[F_7]
Höheres Speichervolumen
des Wasserstoffspeichers
[F_6]
Vollständigkeit des
Systems
Service und Kompetenz
des Lieferanten [W_4]
Anzahl der
Kriterien:
Geringe Systemkosten Komponentenlebensdauer Summe Umrechnung Gewichtung (Anteil)
Wärmeauskopplung [F_2] 1 1 1 1 1 1 1 1 8 16 0.22222 0.22
Erweiterbarkeit [F_5] -1 1 1 1 -1 1 1 1 4 12 0.16667 0.17
Höhere
Brennstoffzellenleistung
und -wirkungsgrad
(elektrisch) [F_4]
Höhere
Leisungsaufnahme und
Wirkungsgrad
Elektrolyseur (elektrisch)
[F_7]
Höheres Speichervolumen
des Wasserstoffspeichers
[F_6]
-1 -1 1 1 -1 1 0 -1 -1 7 0.09722 0.10
-1 -1 -1 1 -1 1 0 -1 -3 5 0.06944 0.07
-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -8 0 0.00000 0.00
Vollständigkeit des
Systems -1 1 1 1 1 1 0 0 4 12 0.16667 0.17
Service und Kompetenz
des Lieferanten [W_4] -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -6 2 0.02778 0.03
Geringe Systemkosten -1 -1 0 0 1 0 1 1 1 9 0.12500 0.13
Komponentenlebensdauer -1 -1 1 1 1 0 1 -1 1 9 0.12500 0.13
Abb. 3.11 Entscheidungsmatrix
In der ersten Spalte rechts neben den gelben Zellen werden die Punkte für jedes Kriterium
aufsummiert. In der zweiten Spalte werden diese umgerechnet, so dass nur noch positive
Werte auftreten.
u = n −1
+ s
8
i
8 Vgl. Ralf Hörstmeier, PDP Vorlesungscharts, Fh Bielefeld, PDP SS 07, Chart-Nr: 19.
i
9
Gewichtung (Anteil)
- gerundet -
26

mit: ui…umgerechneter Wert ( ≥ 0)
n…Anzahl der Vergleichskriterien
s i...Wert
aus der Spalte „Summe“
Die Gewichtung G – die umgerechnete Punktzahl des Kriteriums
bezogen auf die
umgerechnete Gesamtpunktzahl aller Kriterien – erhält man aus der Formel:
G =
u
i
n
∑ ui
i=
1
Diese werden in der letzten Spalte auf zwei Nachkommastellen gerundet.
3.7.4
Auswertung
3.7.4.1 Gewichtung
Jeder der drei Verfasser
füllt nun gemäß Kapitel 3.7.3 jeweils eine Tabelle mit
Berücksichtigung der Systemkosten und eine Tabelle ohne Berücksichtigung der
Systemkosten aus[...]
Dieses
Vorgehen wurde gewählt, um herauszufinden, ob die Verfasser die Vergleichskriterien
stark unterschiedlich gewichten.
Vergleich der Gewichtungen der Vergleichskriterien - OHNE Berücksichtigung
der SYSTEMKOSTEN
Vergleichskriterium
Gewichtung (Anteil)
Mittelwert (gerundet)
Wärmeauskopplung [F_2] 0.21
Erweiterbarkeit [F_5] 0.15
Höhere Brennstoffzellenleistung und -wirkungsgrad (elektrisch) [F_4] 0.07
Höhere Leisungsaufnahme und Wirkungsgrad Elektrolyseur (elektrisch) [F_7] 0.05
Höheres Speichervolumen des Wasserstoffspeichers [F_6] 0.01
Vollständigkeit des Systems 0.21
Service und Kompetenz des Lieferanten [W_4] 0.11
Komponentenlebensdauer 0.19
Überprüfung: ∑Gewichtungen = 1 1.00
Abb. 3.12 Gemittelte Gewichtungen der Vergleichskriterien
27

Vergleich der Gewichtungen der Vergleichskriterien - MIT Berücksichtigung
der SYSTEMKOSTEN
Vergleichskriterium
Gewichtung (Anteil)
Mittelwert (gerundet)
Wärmeauskopplung [F_2] 0.18
Erweiterbarkeit [F_5] 0.14
Höhere Brennstoffzellenleistung und -wirkungsgrad (elektrisch) [F_4] 0.06
Höhere Leisungsaufnahme und Wirkungsgrad Elektrolyseur (elektrisch) [F_7] 0.05
Höheres Speichervolumen des Wasserstoffspeichers [F_6] 0.00
Vollständigkeit des Systems 0.19
Service und Kompetenz des Lieferanten [W_4] 0.09
Geringe Systemkosten 0.13
Komponentenlebensdauer 0.16
Überprüfung: ∑Gewichtungen = 1 1.00
Abb. 3.13 Gemittelte Gewichtungen der Vergleichskriterien
Abb. 3.14 Graphische Darstellung der Einzelgewichtung der Vergleichskriterien und des Mittelwertes
(OHNE Berücksichtigung der SYSTEMKOSTEN)
28

Abb. 3.15 Graphische Darstellung der Einzelgewichtung der Vergleichskriterien und des Mittelwertes
(MIT Berücksichtigung der SYSTEMKOSTEN)
Abb. 3.16 Graphische Darstellungen der ermittelten Gewichtungen (Mittelwerte) (MIT
Berücksichtigung der SYSTEMKOSTEN)
29

Auswertung
Abb. 3.17 Gewichtete Bewertung der Vergleichskriterien, beide Systeme
Vergleichskriterium Gewichtung
Punkte
Quintech Heliocentris
Ungewichtet Gewichtet Ungewichtet Gewichtet
Wärmeauskopplung [F_2] 0.18 2.0 0.36 0.5 0.09
Erweiterbarkeit [F_5] 0.14 3.3 0.46 3.7 0.52
Höhere Brennstoffzellenleistung und -wirkungsgrad (elektrisch) [F_4] 0.06 3.0 0.18 2.0 0.12
Höhere Leisungsaufnahme und Wirkungsgrad Elektrolyseur (elektrisch) [F_7] 0.05 1.5 0.08 1.0 0.05
Höheres Speichervolumen des Wasserstoffspeichers [F_6] 0.00 4.0 0.00 2.0 0.00
Vollständigkeit des Systems 0.19 3.0 0.57 3.0 0.57
Service und Kompetenz des Lieferanten [W_4] 0.09 0.0 0.00 4.0 0.36
Geringe Systemkosten 0.13 0.0 0.00 3.0 0.39
Komponentenlebensdauer 0.16 1.3 0.21 1.3 0.21
Gesamtpunktzahl - Gewichtet (4.00 Punkte maximal erreichbar) 1.86 2.31
" in Prozent (4.00 Punkte ≙ 100 %) 46.4 57.7
Abb. 3.18 Endauswertung
Aufgrund der höheren Punktzahl wird das Angebot der Firma Heliocentris GmbH bevorzugt.
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