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In IEC 61312-2 equations for the assessment of the magnetic fields inside structures due to a direct lightning strike are given. These equations are based on computer simulations for shields consisting of a single-layer steel grid of a given mesh width. Real constructions, however, contain at least two layers of reinforcement steel grids. The objective of this study was to experimentally determine the additional shielding effectiveness of a second reinforcement layer compared to a single-layer grid. To this end, simulated structures were set up in the high current laboratory. The structures consisted of cubic cages of 2 m side length with one or with two reinforcement grids, respectively. The structures were exposed to direct lightning currents representing the variety of anticipated lightning current waveforms. The magnetic fields and their derivatives at several positions inside the structure as well as the voltage between “floor” and “roof” in the center were determined for different current injection points. From these data the improvement of the shielding caused by a second reinforcement layer is derived.
Lightning protection design of a renewable energy hybrid-system without power mains connection
(2001)
In the year 2000 a direct lightning strike to the hybridsystem without power mains connection VATALI on the Greek island Crete results in the destruction and damage of some mechanical and electrical components. The hybrid-system VATALI was not lightning protected at that time. The hardware damage costs are approx. 60,000 €. The exposed site of the hybrid-system on top of a mountain was and still is the reason for a high risk of lightning strikes. Also in the future further lightning strikes have to be taken into consideration. In the paper a fundamental lightning protection design concept for renewable energy hybrid-systems without power mains connection and protection measures against direct strikes and overvoltages are shown in detail. The design concept was realized exemplarily for the hybrid-system VATALI. The hardware costs for the protection measures were about 15,000 €. About 50% of the costs are due to protection measures against direct strikes, 50% are due to overvoltage protection. Future extensions, new installations, or modifications have to be included into the lightning protection design concept of the hybrid-system.
In the paper the results obtained from experiments at a modelled reinforced building in case of a direct lightning strike are compared with calculations. The comparison includes peak values of the magnetic field Hmax, its derivative (dH/dt)max and of induced voltages umax in typical cable routings. The experiments are performed at a 1:6 scaled building and the results are extrapolated using the similarity relations theory. The calculations are based on the approximate formulae given in IEC 62305-4 and have to be supplemented by a rough estimation of the additional shielding effect of a second reinforcement layer. The comparison shows, that the measured peak values of the magnetic field and its derivative are mostly lower than the calculated. The induced voltages are in good agreement. Hence, calculations of the induced voltages based on IEC 62305-4 are a good method for lightning protection studies of buildings, where the reinforcement is used as a grid-like electromagnetic shield.
For the application of the concept of Lightning Protection Zones (LPZ), the knowledge of the magnetic fields and induced voltages inside a structure is necessary. Laboratory experiments have been conducted at a downscaled model of a building (scale factor 1:6) to determine these electromagnetic quantities in case of a direct strike to the structure. The model (3 m x 2 m x 2 m) represented a small industrial building using the reinforcement of the concrete as electromagnetic shield. The magnetic fields and magnetic field derivatives were measured at several location inside the scaled model. Further, the voltages induced on three typical cable routes inside the model was determined. The influence of the lightning current waveshape, point-of-strike, bonding of the cable routes, and bridging of an expansion joint in the middle of the building on these quantities was studied.
Previous studies optimized the dimensions of coaxial heat exchangers using constant mass fow rates as a boundary condition. They show a thermal optimal circular ring width of nearly zero. Hydraulically optimal is an inner to outer pipe radius ratio of 0.65 for turbulent and 0.68 for laminar fow types. In contrast, in this study, fow conditions in the circular ring are kept constant (a set of fxed Reynolds numbers) during optimization. This approach ensures fxed fow conditions and prevents inappropriately high or low mass fow rates. The optimization is carried out for three objectives: Maximum energy gain, minimum hydraulic efort and eventually optimum net-exergy balance. The optimization changes the inner pipe radius and mass fow rate but not the Reynolds number of the circular ring. The thermal calculations base on Hellström’s borehole resistance and the hydraulic optimization on individually calculated linear loss of head coefcients. Increasing the inner pipe radius results in decreased hydraulic losses in the inner pipe but increased losses in the circular ring. The net-exergy diference is a key performance indicator and combines thermal and hydraulic calculations. It is the difference between thermal exergy fux and hydraulic efort. The Reynolds number in the circular ring is instead of the mass fow rate constant during all optimizations. The result from a thermal perspective is an optimal width of the circular ring of nearly zero. The hydraulically optimal inner pipe radius is 54% of the outer pipe radius for laminar fow and 60% for turbulent fow scenarios. Net-exergetic optimization shows a predominant infuence of hydraulic losses, especially for small temperature gains. The exact result depends on the earth’s thermal properties and the fow type. Conclusively, coaxial geothermal probes’ design should focus on the hydraulic optimum and take the thermal optimum as a secondary criterion due to the dominating hydraulics.
Im Rahmen eines modernen Blitzschutzsystems für Stahlbeton-Bauten bietet es sich an, die Betonbewehrung zu benutzen: - Sie kann die Funktionen der Ableitungseinrichtungen und des Blitzschutz- Potentialausgleichs bei einem klassischen Gebäude-Blitzschutz übernehmen [1]; - Sie kann, ggf. bei entsprechender Ergänzung, als ein geschlossener Käfig ausgebildet werden und damit eine deutliche Reduzierung der Belastung elektrischer / elektronischer Systeme durch blitzinduzierte elektromagnetische Felder erbringen (LEMP-Schutz [2]). Die Nutzung der Bewehrung ist dabei grundsätzlich gleichermaßen bei Neubauten wie auch bei Ertüchtigungen möglich und sinnvoll. So stellt die Nutzung der Bewehrung beispielsweise im Bereich von Großkraftwerken eine wesentliche Ertüchtigungsmaßnahme für den Blitzschutz elektrischer und elektronischer Einrichtungen dar: - Einerseits wird der Blitzschutz-Potentialausgleich durch den Anschluss metallener Einrichtungen wie Elektronik-Schränke, Kabeltrag-Konstruktionen, Rohrleitungen, etc. an die Bewehrung deutlich verbessert. - Andererseits kann bei größeren Gebäuden die elektromagnetische Schirmwirkung durch die elektrische Überbrückung von vorhandenen Dehnfugen bei Stahlbetonbauten optimiert werden. Diese Dehnfugen sind teilweise nur unzureichend überbrückt, so dass bei Blitzeinschlag in das betreffende oder ein benachbartes Gebäude an Kabelstrecken, die über die Dehnfuge hinwegführen, rel. hohe Spannungen induziert werden können [2, 3]. Die sich um das gesamte Gebäude herumziehende oder zwischen zwei Gebäuden befindliche Dehnfuge muss deshalb im Abstand von maximal einigen Metern überbrückt werden. Im Falle von Blitzschutz-Ertüchtigungen in vorhandenen Gebäuden wird bisher an jeder geplanten Anschlussstelle die Bewehrung großflächig (∅ wenige 10 cm) freigelegt, dort ein elektrischer Anschluss zu dem Bewehrungsstab hergestellt, z.B. mittels eines Erdungsfestpunkts, und dann die Betonoberfläche wieder geschlossen. Je nach prognostizierter Strombelastung wird teilweise versucht, den über den Anschluss fließenden Strom bereits auf mehrere Bewehrungsstäbe zu verteilen. Dazu sind entweder die kreuzenden Stäbe zu verschweißen oder es sind direkt Anschlüsse an zwei Bewehrungsstäbe herzustellen. All dieses bedeutet einen hohen Aufwand bei der Freilegung der Bewehrung und auch wieder bei der Schließung der entstandenen Betonlöcher. Es soll deshalb hier untersucht werden, ob es beispielsweise zum Zwecke des Blitzschutz-Potentialausgleichs und auch zur Überbrückung von Dehnfugen ausreichend ist, den Anschluss an die Bewehrung nach einfachen Verfahren nur jeweils an einen Bewehrungsstab herzustellen. Damit würde der finanzielle und administrative Aufwand an Betonarbeiten deutlich reduziert. Die hier dargestellten Verfahren sind dabei insbesondere für den Einsatz bei Blitzschutz-Ertüchtigungen in bestehenden Gebäuden vorgesehen. Abschließend sollen deshalb die Möglichkeiten zur Prüfung korrekter Anschlüsse, die Grenzen der Verfahren sowie auch die Grenzen der Anwendbarkeit bei Neuanlagen diskutiert werden.
The Ministry of Science and Research in North Rhine-Westphalia created eight platforms of excellence, one in the research area „Energy and Environment“ in 2002 at ACUAS. This platform concentrates the research and development of 13 professors in Jülich and Aachen and of two scientific institutes with different topics: – NOWUM-Energy with emphasis on efficient and economic energy conversion – The Solar Institute Jülich – SIJ – being the largest research institute in the field of renewables at a University of Applied Sciences in Germany With this platform each possible energy conversion – nuclear, fossil, renewable- can be dealt with to help solving the two most important problems of mankind, energy and potable water. At the CSE are presented the historical development, some research results and the combined master studies in „Energy Systems“ and „Nuclear Applications“
In the presented paper data collected from the field related to damage statistics of electrical and electronic apparatus in household are reported and investigated. These damages (total number approx. 74000 cases), registered by five German insurance companies in 2005 and 2006, were adviced by customers as caused by lightning overvoltages. With the use of stochastical methods it is possible, to reasses the collected data and to distinguish between cases, which are with high probability caused by lightning overvoltages, and those, which are not. If there was an indication for a direct strike, this case was excluded, so the focus was only on indirect lightning flashes, i.e. only flashes to ground near the structure and flashes to or nearby an incoming service line were investigated. The data from the field contain the location of damaged apparatus (residence of the policy holder) and the distances of the nearest cloud-to-ground stroke to the location of the damage registered by the German lightning location network BLIDS at the date of damage. The statistical data along with some complementary numerical simulations allow to verify the correspondence of the Standards rules used for IEC 62305-2 with the field data and to define some correction needs. The results could lead to a better understanding whether a damage reported to an insurance company is really caused by indirect lightning, or not.
Alle Unternehmen sind vielfältigen Risiken ausgesetzt, die Finanz- und Betriebsbereiche einschließlich Dienstleistungen betreffen können. Die Firmen müssen üblicherweise Risiken eingehen, um im Wettbewerb bestehen zu können. Entscheidend ist, dass man sich über die Risiken bewusst ist, diese einschätzen und kontrollieren kann. Falsche Einschätzungen, Versäumnisse und Fehlentscheidungen können empfindliche finanzielle Schäden bis hin zum Totalverlust nach sich ziehen. Ein effektives Risikomanagement ist heute als wichtiger Sicherheitsfaktor anzusehen und sollte zur strategischen Unternehmensführung gehören. Ein vorausschauendes Risikomanagement beinhaltet, Risiken für das Unternehmen zu kalkulieren. Es liefert Entscheidungsgrundlagen, um diese Risiken zu begrenzen und es macht transparent, welche Risiken sinnvollerweise über Versicherungen abgedeckt werden sollten. Beim Versicherungsmanagement ist jedoch zu bedenken, dass zur Erreichung bestimmter Ziele Versicherungen nicht geeignet sind (z.B. Erhaltung der Lieferfähigkeit). Eintrittswahrscheinlichkeiten bestimmter Risiken lassen sich durch Versicherungen nicht verändern. Bei Unternehmen, die mit umfangreichen elektronischen Einrichtungen produzieren oder Dienstleistungen erbringen (und das sind heutzutage wohl die meisten), muss auch das Risiko durch Blitzeinwirkungen besondere Berücksichtigung finden. Dabei ist zu beachten, dass der Schaden aufgrund der Nicht-Verfügbarkeit der elektronischen Einrichtungen und damit der Produktion bzw. der Dienstleistung und ggf. der Verlust von Daten den Hardware-Schaden an der betroffenen Anlage oft bei weitem übersteigt. Im Blitzschutz gewinnt innovatives Denken in Schadensrisiken langsam an Bedeutung. Risikoanalysen haben die Objektivierung und Quantifizierung der Gefährdung von baulichen Anlagen und ihrer Inhalte durch direkte und indirekte Blitzeinschläge zum Ziel. Seinen Niederschlag hat dieses neue Denken in der neuen deutschen Norm DIN V 0185-2 VDE V 0185 Teil 2 gefunden. Die hier vorgegebene Risikoanalyse gewährleistet, dass ein für alle Beteiligten nachvollziehbares Blitzschutz-Konzept erstellt werden kann, das technisch und wirtschaftlich optimiert ist, d.h. bei möglichst geringem Aufwand den notwendigen Schutz gewährleisten kann. Die sich aus der Risikoanalyse ergebenden Schutzmaßnahmen sind dann in den weiteren Normenteilen der neuen Reihe VDE V 0185 detailliert beschrieben.
Ein vorausschauendes Risikomanagement beinhaltet, Risiken zu kalkulieren. Es liefert Entscheidungsgrundlagen, um diese Risiken zu begrenzen und es macht transparent,welche Risiken sinnvoll über Versicherungen abgedeckt werden sollten. Bei Unternehmen, die mit umfangreichen elektronischenEinrichtungen produzieren oder Dienstleistungen erbringen (und das sind heutzutage wohl die meisten), muss auch das Risiko durch Blitzeinwirkungen besondere Berücksichtigung finden. Dabei ist zu beachten, dass der Schaden aufgrund der Nichtverfügbarkeit der elektronischen Einrichtungen und damit derProduktion bzw. der Dienstleistung und ggf. der Verlust von Daten den Hardwareschaden an der betroffenen Anlage oft bei weitem übersteigt.
Die neue Vornorm VDE V 0185 Teil 2 „Risikomanagement: Abschätzung des Schadensrisikos für bauliche Anlagen“ [1] ist seit November 2002 gültig. Sie ermöglicht nicht nur die Ermittlung der Schutzklasse eines Blitzschutzsystems, sondern auch die Untersuchung zur Notwendigkeit anderer Schutzmaßnahmen gegen Blitzeinwirkungen (Überspannungsschutzgeräte in Unterverteilern und/oder an Endgeräten, Schirmung des Gebäudes und/oder interner Räume, Potentialsteuerung, Brandmelde- und Feuerlöscheinrichtungen, etc.) nach objektiven Kriterien und damit in einer für alle Beteiligten grundsätzlich nachvollziehbaren Art und Weise. Dass eine solche Analyse rel. komplex sein muss und der intensiven Beschäftigung bedarf, ist deshalb nicht verwunderlich. Die Komplexität des Verfahrens sollte allerdings nicht dazu führen, die Vornorm als Ganzes abzulehnen. Die Vornorm beruht auf dem Stand der Diskussion im internationalen Normengremium IEC TC81 WG9 Ende des Jahres 2000. Integriert wurden einige nationale Besonderheiten, die aus Sicht des zuständigen Normenkomitees DKE K251 erforderlich erschienen. In Deutschland konnten und können nun erste breite Erfahrungen in der Anwendung dieser Risikoanalyse gesammelt werden; in anderen Ländern ist dies noch nicht möglich. Diese Erfahrungen können dann, nach Diskussion im nationalen Rahmen, in die internationale Normenarbeit eingebracht werden. Im folgenden Beitrag sollen einige, seit Erscheinen der Vornorm oft wiederkehrende Fragen dargestellt und Lösungsvorschläge vorgestellt werden. Dabei wird auch auf die Tendenzen im internationalen Normengremium IEC TC81 WG9 eingegangen, d.h. auf den aktuellen Entwurf zur IEC 62305-2 [3]. Die Lösungsvorschläge werden begründet, sind allerdings weitestgehend subjektive Meinung des Autors. Für übliche bauliche Anlagen ist die Anwendung der Vornorm rel. einfach möglich. Auch für spezielle Fälle können die darin festgelegten Verfahren herangezogen werden; allerdings sind dann einige weiterführende Überlegungen notwendig, die der Planer von Blitzschutzsystemen durchführen muss. Anhand zweier Beispiele soll die Anwendung der VDE V 0185 Teil 2 auf solche speziellen Fälle dargestellt werden.
8. VDE/ABB-Blitzschutztagung, 29. - 30. Oktober 2009 in Neu-Ulm. Blitzschutztagung <8, 2009, Neu-Ulm> Berlin : VDE Verl. 2009 Großkraftwerke können durch Blitzentladungen mit potentiellen Auswirkungen auf deren Verfügbarkeit und Sicherheit gefährdet werden. Ein sehr spezielles Szenario, welches aus aktuellem Anlass zu untersuchen war, betrifft den kraftwerksnahen Blitzeinschlag in die Hochspannungs-Freileitung am Netzanschluss der Anlage. Wird nun noch ein sogenannter Schirmfehler unterstellt, d.h. der direkte Blitzeinschlag erfolgt in ein Leiterseil des Hoch- bzw. Höchstspannungsnetzes und nicht in das darüber gespannte Erdseil, so bedeutet dies eine extreme elektromagnetische Einwirkung. Der vorliegende Beitrag befasst sich mit der Simulation eines solchen Blitzeinschlages und dessen Auswirkungen auf den Netzanschluss und die Komponenten der elektrischen Eigenbedarfsanlagen eines Kraftwerks auf den unterlagerten Spannungsebenen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich ohne Einschränkungen auf Industrieanlagen mit Mittelspannungs-Netzanschluss und ohne eigener Stromversorgung übertragen.
Speicheroptimierung
(2011)
In dieser Lektion wurden beginnend mit der Darstellung des fundamentalen Wandels
des Gasmarktes die daraus folgenden Implikationen für die Einsatzweise von
Gasspeichern abgeleitet. Anschließend wurden zwei Bewertungs- und Steuerungsverfahren für einen Gasspeicher an den beiden Marktstufen Termin- und Spotmarkt methodisch vorgestellt und anhand von Beispielrechnungen illustriert.
Das Verfahren zur Bewertung und Steuerung im Terminmarkt stellt ein sehr
robustes und methodisch einfaches Verfahren dar. Hierbei wird die Saisonalität
der Forwardkurve bzw. deren Veränderungen arbitragefrei mithilfe des Speichers
ausgenutzt. Dieses Verfahren kann nicht den gesamten Zeitwert des Speichers
ausweisen. Es zieht in jedem Zeitpunkt nur die aktuellen Informationen der Forwardkurve zur Entscheidung heran. Es bildet aber keine bedingte Erwartung über
zukünftige Erträge und deren Beeinflussung durch die aktuelle Speicherfahrweise,
um hieraus eine optimale Entscheidung zu formulieren.
Bei der Bewertung gegenüber dem Spotmarkt mithilfe der Least-Squares-Monte-
Carlo-Simulation wird in einer stochastischen Optimierung dagegen der volle Zeitwert des Speichers und damit der gesamte Zusatznutzen der Flexibilität ermittelt. Hierdurch leiten sich auch wesentlich andere Hedging-Empfehlungen als im ersten Verfahren ab, um diesen zu sichern. Der Einsatz der beiden Verfahren im Alltag zur Bewirtschaftung des Speichers hängt insbesondere vom Know-how, den Speicherparametern und der Risikobereitschaft des Handels ab. Beide Strategien liefern hierzu Hedging-Empfehlungen ab, mit welchem der zugrunde liegende Wert gesichert werden kann. Risikoaverse Händler, die einen Großteil des inneren Wertes sichern wollen, könnten im Terminmarkt einen Großteil des Speichers mithilfe des „Intrinsic Rolling“-Verfahrens bewirtschaften. Sie würden hierdurch den saisonalen Spread in der Forwardkurve rollierend sichern. Gleichzeitig kann ein kleinerer Anteil mithilfe der stochastischen Optimierung und den damit verbundenen Ausübungsgrenzen gegenüber dem Spotmarkt bewirtschaftet werden.
In einem liquiden vollständigen Markt wird eine Steuerung des Speichers allein
gegenüber den vorhandenen Marktstufen vorgenommen und der Wert für alle
Marktteilnehmer objektiv messbar. Für den Fall, dass der Markt illiquide ist und
hierdurch z. B. eine Kundenlast nicht allein am Termin- und Spotmarkt jederzeit
gedeckt werden kann, erscheint es notwendig, den Speicher im Kontext einer Portfoliooptimierung zu bewerten. Dies wird in der nächsten Lektion vorgenommen.
Hierbei ist aber zu beachten, dass der Speicher dadurch eine individualisierte Wertkomponente erhält, die von der konkreten Ausgestaltung des jeweiligen Portfolios abhängt.
One of the most important parameters in a burning chamber - in power stations, in waste to energy plants - is the temperature. This temperature is in the range of 700-1500 °C - one of the most advanced measuring methods being the acoustic pyrometry with the possibility of producing temperature mapping in one level of the burning chamber - comparable to computer tomography. The results of these measurements discussed in the presentation can be used - to fulfil the legal requirements in the FRG or in the EU - to equalise the temperature in one level of the burning chamber to optimise the steam production (better efficiency of the plant) and to minimise the production of temperature controlled flue gas components (NO, CO a. o.) - to control the SNCR-process if used.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Specklereduktion bei der Infrarotlaser-gestützten abbildenden Ferndetektion von TNT-Oberflächenkontaminationen. Für die Detektion wird die Probenoberfläche mit einem abstimmbaren Quantenkaskadenlaser bei verschiedenen Wellenzahlen im Spektralbereich von 1340cm-1 bis 1380cm-1 bestrahlt, während eine Infrarot-Kamera Bilder der bestrahlten Fläche aufzeichnet. Diese Bilder werden dann so verarbeitet, dass im Ausgabebild die chemisch spezifische TNT-Absorption durch eine Änderung der Helligkeit örtlich aufgelöst erkennbar werden. Da kohärente Strahlung, welche beispielsweise an optisch rauen Oberflächen reflektiert wird, aufgrund der stochastischen Verteilung der Oberflächenrautiefe mit der einfallenden Strahlung lateral unterschiedlich interferiert, entsteht ein „Rauschen“ in der aufgezeichneten Strahlungsleistungsverteilung, das sog. Speckle-Phänomen. Die Empfindlichkeit der oben skizzierten Lasergestützten Messtechnik wird im Wesentlichen durch diesen Effekt limitiert. Um die durch Laserspeckles verursachten Rauschanteile zu reduzieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Durch Reduktion von zeitlicher und räumlicher Kohärenz der Strahlung wird deren Interferenzfähigkeit reduziert und durch Variieren des Specklemusters während einer Bildaufzeichnung führen Mittelungen unkorrelierter Rauschanteile zu einer Specklekontrastreduktion. Letztere Möglichkeit resultiert daraus, dass Laserspeckles statistisch durch die Familie der Gammaverteilungen beschrieben werden können. Demnach verbessert sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit der Anzahl gemittelter, unkorrelierter Rauschmuster proportional zur Wurzel dieser Anzahl. Ein im MIR-Spektralbereich umsetzbarer Ansatz, der all diese Möglichkeiten berücksichtigt, wurde bereits 1971 von Lowenthal und Joyeaux vorgeschlagen und im Rahmen der vorliegenden Arbeit für den infraroten Spektralbereich adaptiert. Dazu wird die Strahlung mit zwei CVD-Diamant-Wafern moduliert; ein Wafer ist dabei stationär und der andere rotiert mit ca. 70Hz. In der vorliegenden Arbeit konnte mit diesem Ansatz eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses in der betrachteten Strahlungsleistungs¬verteilung von ursprünglich 3 auf etwa 45 erzielt werden. So konnten erstmals TNT-Kontaminationen von bis zu 10µg/cm² in einem Abstand von 5m abbildend nachgewiesen werden. Dies entspricht der Kontamination durch einen mit TNT leicht verunreinigten Fingerabdruck.
Ausgangslage, Funktionsprinzip des virtuellen Kraftwerkes, Energiemanagementsysteme (EMS), Einsatzgebiete, Anlagesysteme eines VKW's, Einsatzbereich der verschiedenen dezentralen Energieanlagen, Vorteile des virtuellen Kraftwerkes, Auswirkungen auf das elektrische Netz, Wirtschaftliche Aspekte, Beispielprojekte
Dem Blitzschutz von Anlagen der regenerativen Energien kommt in Zukunft eine steigende Bedeutung zu. Dabei ist es notwendig zu berücksichtigen, dass die Schutzmaßnahmen technisch/wirtschaftlich ausgewogen sind. Erbauer, Besitzer oder Benutzer von netzautarken Hybridanlagen haben zu entscheiden, ob die Anlage einen Schutz braucht oder nicht. Um diese Entscheidung zu fällen, ist eine Risikoanalyse als erster Schritt sinnvoll. Diese muss dabei die für die Hybridanlage relevanten Schadenarten und spezifischen Parameter, Werte und Randbedingungen mit einbeziehen. Dazu ist die Hilfe eines Blitzschutzexperten sehr hilfreich.