Technik Erneuerbarer Energien

Prof. Dr. Andreas Ratka lehrt an der Fakultät Umweltingenieurwesen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in den Studiengängen Technologie Erneuerbarer Energien, Umweltsicherung und Wassertechnologie die naturwissenschaftlichen und ingenieurwissenschaftlichen sowie die vertiefenden Schwerpunkte rund um die Technik, Technologie und die Nutzung der erneuerbaren Energien. Neben der Tätigkeit in Lehre und Forschung bringt er seine Erfahrungen aus unterschiedlichen Themenfeldern der Praxis ein.

Prof. Dr. Sabine Homann-Wenig lehrt an der Fakultät Umweltingenieurwesen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in den Studiengängen Technologie Erneuerbarer Energien, Umweltsicherung und Wassertechnologie die wirtschaftswissenschaftlichen Grundlagen. Neben der Tätigkeit in Lehre und Forschung bringt er seine Erfahrungen aus unterschiedlichen Themenfeldern der Praxis ein.

Prof. Dr. Bruno Ehrmaier lehrt an der Fakultät Umweltingenieurwesen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in den Studiengängen Technologie Erneuerbarer Energien, Umweltsicherung und Wassertechnologie die naturwissenschaftlichen und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen sowie die vertiefenden Schwerpunkte rund um die Technik, Technologie und die Nutzung der erneuerbaren Energien. Neben der Tätigkeit in Lehre und Forschung bringt er seine Erfahrungen aus unterschiedlichen Themenfeldern der Praxis ein.

1 Einführung – Struktur des Energiebedarfs in Deutschland (A. Ratka)13
1.1 Energiebedarfsstruktur in Deutschland14
1.2 Gründe für die Nutzung erneuerbarer Energien17
1.3 Hindernisse bei der Nutzung erneuerbarer Energien26
1.4 Potentiale32
1.5 Wege zu einem Energieversorgungssystem basierend auf erneuerbaren Energien und Energieeffizienz33
Literatur41
Glossar42
2 Photovoltaik (B. Ehrmaier)44
2.1 Einleitung44
2.1.1 Energieformen von der Sonne44
2.1.2 Direkte Nutzung der Sonne durch Photovoltaik46
2.2 Funktionsprinzip einer Photovoltaikzelle53
2.2.1 Grundlagen der Halbleiterphysik der Diode53
2.2.2 pn-Übergang als Grundlage der Photovoltaikzelle53
2.2.3 Strom-Spannungskurve54
2.3 Relevante elektrische Kenndaten einer Photovoltaikzelle56
2.4 Funktionsweise und Aufbau eines Photovoltaiksystems59
2.4.1 Schematischer Aufbau einer Photovoltaikzelle59
2.4.2 Funktion und Aufbau eines Photovoltaikmoduls61
2.4.3 Umwandlung der elektrischen Energie mittels Wechselrichter63
2.5 Herstellung einer Photovoltaikzelle66
2.6 Schematischer Aufbau einer Photovoltaikdachanlage70
2.7 Wirkungsgrade im Bereich der Photovoltaik72
2.8 Zukunft der Photovoltaik74
2.9 Mehrfachnutzung von Photovoltaik75
Literatur76
3 Solarthermie (B. Ehrmaier, A. Ratka)78
3.1 Einführung78
3.2 Physikalische Grundlagen für die Solarthermie79
3.2.1 Hauptsätze der Wärmelehre79
3.2.2 Wärmetransportmechanismen80
3.3 Aufbau eines solarthermischen Kollektors84
3.4 Kollektortheorie87
3.5 Systemtechnik99
3.5.1 Übersicht über solarthermische Kollektoren99
3.5.2 Wärmeträgermedium100
3.5.3 Optimierungsmaßnahmen zur Erhöhung des Wirkungsgrades103
3.5.4 Aufbau einer solarthermischen Anlage103
3.5.5 Zentraler Pufferspeicher104
3.5.6 Wärmebedarf eines Gebäudes107
3.6 Solarthermische Kraftwerke108
3.7 Zukunft der Solarthermie111
Literatur113
4 Windenergie (W. Baur)115
4.1 Einführung115
4.1.1 Allgemeines115
4.1.2 Systematik der Windenergienutzung115
4.2 Physikalische Grundlagen117
4.3 Aerodynamik der Rotorblätter123
4.3.1 Allgemeines123
4.3.2 Tragflügelaerodynamik125
4.3.3 Rotorblattaerodynamik130
4.4 Kurzer Historischer Überblick134
4.5 Wind und Standortfragen136
4.6 Konstruktiver Aufbau moderner Windenergieanlagen139
4.6.1 Turm und Gondel140
4.6.2 Rotorblätter, Pitch- und Stallprinzipien141
4.6.3 Getriebe und Generator145
4.7 Leistungskennlinien und Ertragsberechnungen149
Literatur- und Quellenverzeichnis154
5 Geothermie/Thermogeologie (W. Pyka)156
5.1 Einführung156
5.2 Aufbau der Erde157
5.3 Thermische Verhältnisse160
5.3.1 Temperaturen, Wärmefluss und thermisches Potenzial160
5.3.2 Die oberflächennahe thermischen Verhältnisse163
5.4 Geologische Grundlagen163
5.4.1 Gesteine163
5.4.2 Thermische Eigenschaften von Gesteinen166
5.4.3 Lockergesteine und Böden167
5.4.4 Grundwasser170
5.4.5 Thermische Eigenschaften von Böden173
5.5 Möglichkeiten der Erdwärmenutzung175
5.5.1 Abgrenzung von oberflächennaher und tiefer Geothermie175
5.5.2 Tiefe Geothermie177
5.5.3 Oberflächennahe Geothermie180
Literatur187
Glossar188
6 Biogas (R. Schaidhauf)190
6.1 Einführung190
6.1.1 Allgemeines190
6.1.2 Aspekte der Biogasnutzung in Deutschland190
6.1.3 Aktuelle Nutzung von Biogas in Deutschland191
6.2 Biochemische Konversion193
6.2.1 Allgemeines193
6.2.2 Substrate193
6.2.3 Phasenmodell der Biogasentstehung194
6.2.4 Randbedingungen der Biogasgewinnung195
6.2.5 Betriebsbedingungen der Biogasgewinnung195
6.2.6 Stoffkreisläufe198
6.3 Technische Systeme zur Bio(erd)gasgewinnung198
6.3.1 Allgemeines198
6.3.2 Verfahren zur Biogasgewinnung199
6.3.3 Verfahren zur Bioerdgasgewinnung202
6.4 Technische Systeme zur Bio(erd)gasnutzung203
6.4.1 Allgemeines203
6.4.2 Charakteristika von Bio(erd)gas203
6.4.3 Verfahren zur energetischen Nutzung205
6.4.4 Systemintegration208
6.5 Weiterführende Literatur/Links209
Literatur210
Glossar211
7 Biogene Festbrennstoffe (R. Schaidhauf)212
7.1 Einführung212
7.1.1 Allgemeines212
7.1.2 Aspekte der Nutzung biogener Festbrennstoffe in Deutschland214
7.1.3 Aktuelle Nutzung von biogenen Festbrennstoffen in Deutschland215
7.2 Biogene Festbrennstoffe217
7.2.1 Allgemeines217
7.2.2 Arten und Quellen217
7.2.3 Bereitstellung und Aufbereitung219
7.2.4 Brennstoff-Charakteristika220
7.2.5 Ascheeigenschaften223
7.3 Thermochemische Konversion224
7.3.1 Allgemeines224
7.3.3 Pyrolyse226
7.3.4 Vergasung226
7.3.5 Verbrennung227
7.4 Nutzung von biogenen Festbrennstoffen228
7.4.1 Allgemeines228
7.4.2 Vergasungsanlagen230
7.4.3 Verbrennungsanlagen232
7.5 Weiterführende Literatur/Links233
Literatur233
Glossar234
8 Kraftstoffe auf Basis von Ölen und Fetten als regenerative Energieträger (H. Riepl, E. Remmele)236
8.1 Öle und Fette, Herkunft, Anbau236
8.2 Pflanzenölgewinnung238
8.3 Chemie der Pflanzenöle240
8.3.1 Triglyceride240
8.3.2 Gesättigte, ungesättigte, mehrfach ungesättigte Fettsäuren241
8.3.3 Umesterung243
8.3.4 Hydrierung, HVO-Produkte244
8.3.5 Begleitstoffe in Pflanzenölen (Phospholipide, Lecithine)244
8.4 Kraftstoffe aus Pflanzenölen244
8.4.1 Qualitätsmerkmale für Kraftstoffe aus Pflanzenölen – Kraftstoffnormen245
8.4.2 Kraftstoffspezifische Eigenschaften im Vergleich252
8.4.3 Verwendung252
Literatur254
9 Energie aus Abfall (G. Lautenschlager)256
9.1 Einleitung256
9.2 Definitionen und Daten zu Abfällen258
9.2.1 Abfallbegriff258
9.2.2 Abfallarten258
9.2.3 Europäisches Abfallverzeichnis260
9.2.4 Abfälle zur Verwertung/zur Beseitigung260
9.2.5 Eigenschaften von Abfällen262
9.2.6 Abfallaufkommen265
9.2.7 Nutzbares Energiepotential268
9.3 Thermische Abfallbehandlung271
9.3.1 Müllannahme und -zwischenlagerung271
9.3.2 Feuerung272
9.3. 3 Kesselanlage275
9.3.4 Wasser-Dampf-Kreislauf277
9.3.5 Rauchgasreinigung278
9.4 Energetische Abfallverwertung281
9.4.1 Energetische Abfallverwertung in Zementwerken281
9.4.2 Energetische Abfallverwertung im Hochofen285
9.4.3 Energetische Abfallverwertung in Kraftwerken286
9.4.4 Energetische Abfallverwertung in Ersatzbrennstoff-Kraftwerken287
9.5 Fazit289
Literatur289
10 Kraft-Wärme-Kopplung (N. Huber)292
10.1 Grundlagen292
10.1.1 Was wird unter Kraft-Wärme-Kopplung verstanden292
10.1.2 Bedeutung der KWK für erneuerbare Energien293
10.1.3 Physikalische Grundlagen der KWK294
10.1.4 Getrennte Erzeugung von Wärme und Strom298
10.1.5 Gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom300
10.1.6 Auslegen einer KWK-Anlage306
10.2 Anwendungen307
10.2.1 Mikro BHKW308
10.2.2 BHKW mit Nahwärmeversorgung310
10.2.3 Kraft-Wärme-Kopplung in den Sommermonaten313
Verwendete und weiterführende Literatur314
Glossar314
11 Thermische Energiespeicher (N. Huber)315
11.1 Grundlagen315
11.1. Notwendigkeit thermischer Energiespeicher bei Verwendung erneuerbarer Energien315
11.1.2 Physikalische Grundlagen thermischer Energiespeicherung318
11.1.3 Allgemeiner Aufbau thermischer Energiespeicher325
11.2 Thermische Energiespeicher mit Wasser329
11.2.1 Schichtenspeicher für Warmwasser und Heizungsanlagen330
11.2.2 Warmwasserspeicher für Nahwärmesysteme331
11.2.3 Saisonale Warmwasserspeicher331
11.3 Latentwärmespeicher332
11.4 Hochtemperaturspeicher334
11.5 Thermochemische Speicher335
Literatur337
Glossar338
12 Speicherung von elektrischer Energie (B. Ehrmaier)339
12.1 Einführung339
12.2 Physikalische Grundlagen für Energiespeicher340
12.3 Potentielle Energiespeicher für Erneuerbare Energien343
12.4 Mechanische Strom-Energiespeicher344
12.4.1 Rotationsspeicher345
12.4.2 Potentielle Energiespeicher (Pumpspeicherkraftwerke)346
12.4.3 Druckluftspeicher347
12.5 Elektrische und elektrochemische Energiespeicher348
12.5.1 Übersicht elektrischer und elektrochemischer Energiespeicher349
12.5.2 Elektrische Energiespeicher350
12.5.3 Elektrochemische Energiespeicher mit eingelagertem Speichermedium351
12.5.4 Elektrochemische Energiespeicher mit ausgelagertem Speichermedium357
12.5.5 Chemische Energiespeichersysteme361
12.6 Speicher-Netz-Wechselwirkung363
12.7 Fazit364
Literatur366
13 Kosten- und Wirtschaftlichkeitsberechnungen (S. Homann-Wenig)367
13.1 Auszahlungen bzw. Kosten im Rahmen von Errichtung und Betrieb von Erneuerbare-Energien-Projekten368
13.1.1 Die kapitalgebundenen Kosten368
13.1.2 Die betriebsgebundenen Kosten373
13.1.3 Die sonstigen Kosten374
13.1.4 Die verbrauchsgebundenen Kosten375
13.2 Die finanzielle Förderung von Strom aus dem Betrieb von Erneuerbare-Energien-Anlagen376
13.2.1 Strom aus Wasserkraft (§ 23 EEG)379
13.2.2 Strom aus Biomasse (§§ 27, 27a bis 27c EEG)380
13.2.3 Strom aus Geothermie (§ 28 EEG)382
13.2.4 Strom aus Windenergie (§§ 49 und 50 EEG)382
13.2.5 Strom aus solarer Strahlungsenergie (§ 51 EEG)385
13.3 Methodische Grundlagen der Investitionsrechnung386
13.3.1 Die Kapitalwertmethode386
13.3.2 Die Annuitätenmethode387
13.3.3 Die Ermittlung des Internen Zinsfußes388
13.3.4 Die mehrperiodische Amortisationsrechnung389
13.4 Die Ermittlung der Energiegestehungskosten und deren praktische Bedeutung389
Literatur392
Glossar392
14 CO2-Bilanzen in der Energiewirtschaft (S. Homann-Wenig)393
14.1 Die Ökobilanz als Instrument zur Bewertung von Umweltwirkungen393
14.2 Die Umweltwirkungen der Strom- und Wärme-Erzeugung397
Literatur404
Register405

Aus: ekz.bibliotheksservice- Rolf Raschka- 2016/07
[...] Einer informativen Einführung folgen von Fachleuten geschriebene, fein gegliederte Kapitel von Fotovoltaik über Energie aus Abfall und Speichermöglichkeiten bis zu Wirtschaftlichkeitsberechnungen. [...] Die Ausstattung mit vielen technischen Zeichnungen, Tabellen, ab und zu Übungen sowie speziellen Literaturangaben wirkt sorgfältig und durchdacht. Der Preis ist angemessen. [...]