Handbuch Regenerative Energietechnik (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Viktor Wesselak, Lehrgebiet Regenerative Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Thomas Schabbach, Lehrgebiet Thermische Energiesysteme Prof. Dr.-Ing. Thomas Link, Lehrgebiet Kraft- und ArbeitsmaschinenProf. Dr.-Ing. Joachim Fischer, Lehrgebiet BioenergiesystemeInstitut für Regenerative Energiesysteme (in.RET), Hochschule Nordhausen

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 9
1Kontext 16
1.1 Energie 17
1.2 Grundprobleme des globalen Energiesystems 21
1.2.1 Begrenztheit der Ressourcen 22
1.2.2 Gerechtigkeit der Verteilung 23
1.2.3 Klimawandel 24
1.2.4 Lösungsansätze 26
1.3 Szenarien einer zukünftigen Entwicklung 31
1.3.1 Energiepotentiale 31
1.3.2 Szenarien und Prognosen 33
1.3.3 Beispiel: Leitszenario 36
1.3.4 Beispiel: Energiesystem D 41
1.4 Exkurse 43
1.4.1 Externe Kosten der Energieerzeugung 44
1.4.2 Kernenergie 47
1.4.3 Kernfusion 48
1.4.4 CO2-Abtrennung 49
Literaturverzeichnis 50
2Energieeffizienz 52
2.1 Ansätze zur Energiebedarfsreduktion 52
2.2 Energieeffizienz von Gebäuden 59
2.2.1 Gesetzgeberische Maßnahmen 59
2.2.2 Energetische Bewertung von Gebäuden 64
2.2.3 Berechnungsansätze 75
2.3 Energieeffizienz der Wärmebereitstellung 80
2.3.1 Sanierungsmaßnahmen 80
2.3.2 Innovative Wärmebereitstellung 84
2.3.3 Wärmeerzeugung in Kraft-Wärmekopplung 95
2.4 Wirtschaftlichkeit von Energieeffizienzmaßnahmen 104
2.4.1 Grundlagen der Investitionsrechnung 105
2.4.2 Anwendungsbeispiele zur Wirtschaftlichkeit 112
2.5 Anwendungsbeispiel für eine Energieeffizienzanalyse 114
Literaturverzeichnis 122
3Regenerative Energiequellen 126
3.1 Strahlungsangebot der Sonne 127
3.1.1 Strahlung und Materie 127
3.1.2 Strahlungsquelle Sonne 129
3.1.3 Einfluss der Erdatmosphäre 135
3.1.4 Direktstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche 140
3.1.5 Global- und Diffusstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche 145
3.1.6 Jahressumme der Globalstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche 147
3.1.7 Auslegungshilfsmittel Sonnenstandsdiagramm 149
3.1.8 Auslegungshilfsmittel Strahlungsatlas 150
3.1.9 Messung der Einstrahlung 152
3.2 Erdwärme 154
3.2.1 Oberflächennahe Nutzung 159
3.2.2 Tiefe Erdwärme 175
3.3 Biomasse 178
3.3.1 Biomassebereitstellung 179
3.3.2 Biomasseproduktion 180
3.3.3 Physikalische und chemische Charakterisierung von Bioenergieträgern 181
3.3.4 Ökologie und Nachhaltigkeit 184
3.4 Windenergie 187
3.4.1 Windentstehung 188
3.4.2 Leistung des Windes 188
3.4.3 Grenzschicht 190
3.4.4 Häufigkeitsverteilung 193
3.4.5 Die Turbulenz der Windströmung 198
3.4.6 Windklassen 199
3.4.7 Messung der Windverhältnisse 200
3.5 Wasserkraft 202
3.5.1 Wasserkreislauf 202
3.5.2 Nutzbarer Niederschlagsanteil 202
3.5.3 Arbeitsvermögen des Wassers 203
3.5.4 Weltweites Nutzungspotential 204
Literaturverzeichnis 205
4Photovoltaik 208
4.1 Geschichte der Photovoltaik 210
4.2 Physikalische Grundlagen 212
4.2.1 Einführung in die Halbleitertheorie 212
4.2.2 Generations- und Rekombinationsprozesse 219
4.2.3 Die Solarzelle als p-n-Übergang 222
4.2.4 Modellbildung für eine reale Solarzelle 229
4.2.5 Amorphe Halbleitermaterialien 234
4.3 Komponenten und Technologien 237
4.3.1 Herstellungsverfahren für kristalline Si-Solarzellen 237
4.3.2 Herstellungsverfahren für Dünnschicht-Solarzellen 240
4.3.3 Solarzellen der dritten Generation 244
4.3.4 Solarmodule 248
4.3.5 Aufständerung 249
4.3.6 Stromrichter 254
4.4 Systemtechnik 260
4.4.1 Verschaltung von Solarzellen zu Solargeneratoren 260
4.4.2 Regelung von Solargeneratoren 262
4.4.3 Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen 265
4.4.4 Photovoltaik-Inselanlagen 268
4.5 Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Photovoltaikmodulen 269
4.5.1 Leistungsgarantie und Lebensdauer 269
4.5.2 Degradation 275
4.6 Auslegungsbeispiele 289
4.6.1 Inselnetz Flanitzhütte 289
4.6.2 PV-Kraftwerk Nentzelsrode 291
Literaturverzeichnis 292
5Solarthermie 294
5.1 Geschichte der solarthermischen Energienutzung 295
5.2 Physikalische Grundlagen 298
5.2.1 Strahlungsphysikalische Grundlagen 299
5.2.2 Strahlungstransmission 302
5.2.3 Absorption und Strahlungswandlung 309
5.2.4 Strahlungskonzentration 313
5.2.5 Wärmetransport im Kollektor 318
5.2.6 Kenn- und Leistungsdaten von Solarkollektoren 334
5.3 Komponenten 344
5.3.1 Kollektoren 344
5.3.2 Absorber 359
5.3.3 Transparente Abdeckungen 370
5.3.4 Kollektorkreis 376
5.3.5 Speicher 381
5.3.6 Weitere Komponenten 388
5.3.7 Zukünftige Entwicklungslinien 395
5.4 Systemtechnik 397
5.4.1 Betriebsarten 398
5.4.2 System-Kennwerte 401
5.4.3 Exkurs – Trinkwassererwärmung und Hygiene 410
5.4.4 Solare Trinkwassererwärmung im Ein- und Zweifamilienhaus 411
5.4.5 Große Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung 412
5.4.6 Solare Heizungsunterstützung 420
5.4.7 Solare Prozesswärme 422
5.4.8 Solares Kühlen 430
5.4.9 Solare Fernwärme 434
5.4.10 Solare Nahwärme 435
5.4.11 Solare Kraftwerke 437
5.5 Solarwirtschaft 439
5.5.1 Der Markt für Solarthermie 439
5.5.2 Gesetzliche Regelungen und Fördermaßnahmen 442
5.5.3 Wirtschaftlichkeit 444
Literaturverzeichnis 453
6Geothermie 460
6.1 Geschichte der geothermischen Energienutzung 464
6.2 Grundlagen 466
6.2.1 Modellierung von Erdwärmesonden 467
6.2.2 Thermodynamik der Wärmepumpen 474
6.2.3 Thermodynamik der geothermischen Stromerzeugung 489
6.3 Komponenten und Systemtechnik 504
6.3.1 Erdwärmesonden 504
6.3.2 Erdkollektoren 516
6.3.3 Grundwasserbrunnen 521
6.3.4 Wärmepumpen 522
6.4 Wirtschaftlichkeit von Wärmepumenanlagen 526
6.5 Auslegungsbeispiele 529
6.5.1 Geothermische Beheizung eines Einfamilienhauses 529
6.5.2 Geothermisches Kraftwerk Ribeira Grande, Azoren 531
Literaturverzeichnis 534
7Biomasse 536
7.1 Geschichte der energetischen Biomassenutzung 537
7.2 Thermochemische Umwandlung 541
7.2.1 Verbrennung 541
7.2.2 Emissionen aus der Biomasseverbrennung 544
7.2.3 Anwendungsbereiche und Technologien zur Wärme- und Stromerzeugung 546
7.2.4 Verbrennung von Halmgut und Getreide 550
7.2.5 Verbrennung von Rest- und Abfallstoffen 551
7.2.6 Verbrennung von Biomasse in Großfeuerungsanlagen 552
7.2.7 Kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom aus Biomasse 555
7.2.8 Biomassevergasung: Grundlagen und Anwendung 559
7.3 Biochemische Umwandlung 565
7.3.1 Grundlagen der Biogaserzeugung 566
7.3.2 Dimensionierung von Biogasanlagen 574
7.3.3 Technik zur Erzeugung von Biogas 578
7.3.4 Technik zur Nutzung von Biogas 581
7.4 Flüssige Bioenergieträger: Biokraftstoffe 584
7.4.1 Entwicklung des weltweiten Biokraftstoffmarkts 586
7.4.2 Biokraftstoffe der 1. Generation: Pflanzenöle 587
7.4.3 Biokraftstoffe der 1. Generation: Biodiesel 594
7.4.4 Biokraftstoffe der 2. Generation: Hydrierte Planzenöle 597
7.4.5 Erzeugung von Bioethanol 600
7.4.6 Biokraftstoffe der 2. Generation: synthetische Biokraftstoffe 615
7.4.7 Biokraftstoffe der 3. Generation 627
Literaturverzeichnis 630
8Windkraftanlagen 634
8.1 Geschichte der Windenergienutzung 637
8.2 Physikalische Grundlagen 639
8.2.1 Die Betzsche Theorie 639
8.2.2 Schwingungsverhalten von Windenergieanlagen 657
8.3 Komponenten 669
8.3.1 Rotorblätter 669
8.3.2 Getriebe 682
8.3.3 Antriebsstrang 692
8.3.4 Turm 698
8.3.5 Generator 703
8.4 Systemtechnik 706
8.4.1 Anlagenkennlinie 706
8.4.2 Regelungskonzepte 707
8.4.3 Condition Monitoring Systeme 711
8.4.4 Genehmigungsverfahren für Errichtung und Betrieb 713
8.4.5 Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen 718
8.4.6 Auslegungsbeispiel 725
Literaturverzeichnis 728
9Wasserkraftanlagen 732
9.1 Einführung 732
9.2 Typisierung und Aufbau 733
9.3 Wasserturbinen 733
9.3.1 Die Peltonturbine 735
9.3.2 Die Francisturbine 737
9.3.3 Die Kaplanturbine 738
9.3.4 Die Eulersche Turbinenhauptgleichung 739
Literaturverzeichnis 741
10Energiespeicher 742
10.1 Elektrische Speichertechnologien 743
10.1.1 Mechanische Energiespeicher 744
10.1.2 Elektrische Energiespeicher 748
10.1.3 Elektrochemische Energiespeicher 750
10.2 Thermische Speichertechnologien 754
10.2.1 Sensible Speicher 755
10.2.2 Latentwärmespeicher 760
10.2.3 Thermochemische Speicher 769
10.3 Chemische Speichertechnologien 775
10.3.1 Power-to-Gas 775
10.3.2 Power-to-Liquid 781
Literaturverzeichnis 782
11Elektrische Energiesysteme 785
11.1 Struktur des elektrischen Energieversorgungssystems 786
11.2 Integration von Photovoltaikanlagen 792
11.3 Integration von Windkraftanlagen 795
Literaturverzeichnis 797
12Thermische Energiesysteme 799
12.1 Struktur der thermischen Energieversorgung 800
12.2 Integration von Kraft-Wärme-Kopplung, Biomasse und Geothermie in Nahwärmenetze 802
12.3 Integration solarer Wärme in Nahwärmenetze 803
12.4 Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz 805
12.5 Anwendungsbeispiel Kommunale Fernwärme 806
Literaturverzeichnis 810
13Mobilität 811
13.1 Kraftstoffe 812
13.1.1 Biokraftstoffe 812
13.1.2 Wasserstoff 818
13.2 Elektrofahrzeuge 818
13.2.1 Batteriegespeiste Elektrofahrzeuge 819
13.2.2 Brennstoffzellengespeiste Elektrofahrzeuge 820
Literaturverzeichnis 821
14Thermodynamische Bewertung regenerativer Energiewandlungen 822
14.1 Geschichte der Energiewandlung 823
14.2 Die Energie 826
14.3 Die Entropie 834
14.4 Die Energie des Systems 841
14.5 Gewollte und ungewollte Energiewandlungen 847
14.5.1 Energiewandlung innerhalb des Systems 847
14.5.2 Energietransport über die Systemgrenze 849
14.5.3 Ungewollte Energieumwandlungen (Dissipation) 857
14.6 Energiebilanzen für geschlossene und offene Systeme 863
14.6.1 Geschlossene Systeme 863
14.6.2 Offene Systeme 865
14.6.3 Exergie, Anergie, Wirkungs- und Nutzungsgrad 868
14.7 Stoffeigenschaften 876
14.7.1 Zustandsgleichungen 877
14.7.2 Idealgas 880
14.7.3 Reale Gase 882
14.7.4 Ideale Flüssigkeiten und Feststoffe 884
14.7.5 Reale Flüssigkeiten und Feststoffe 885
14.7.6 Nassdampf 886
14.7.7 Ideale Gasgemische 888
14.7.8 Binäre Gemische 895
14.8 Thermodynamische Maschinen und Komponenten 897
14.8.1 Pumpen 898
14.8.2 Verdichter 900
14.8.3 Turbinen 902
14.8.4 Wärmeübertrager 903
14.8.5 Drosselventile 906
14.8.6 Düse und Diffusor 907
14.8.7 Wärmeerzeuger 908
14.9 Kreisprozesse 910
14.9.1 Bilanzierung des Kreisprozesses 910
14.9.2 Kreisprozess-Varianten 915
14.10 Thermodynamik der solaren Energiewandlung 918
14.10.1 Thermodynamik der Strahlung 918
14.10.2 Solarthermischer Umwandlungspfad 921
14.10.3 Photovoltaischer Umwandlungspfad 925
Literaturverzeichnis 930
15Apokryphen 932
15.1 Historische Perpetua mobilia 932
15.2 Erfinder 935
15.3 Esoteriker 938
15.4 Lösungen 939
Literaturverzeichnis 942
Sachverzeichnis 944