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2012 | Buch

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Elektrische Energieversorgung 2

Energiewirtschaft und Klimaschutz Elektrizitätswirtschaft, Liberalisierung Kraftwerktechnik und alternative Stromversorgung, chemische Energiespeicherung

verfasst von: Valentin Crastan

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Der zweite Band dieses umfassenden Lehr- und Nachschlagewerkes für Studenten und Ingenieure in der elektrischen Energietechnik wurde in dieser dritten Auflage wegen der vielen Erweiterungen in zwei Teile aufgespalten, die fortan als Band 2 und 3 erscheinen.

Die drei Bände der "elektrischen Energieversorgung" zeichnen sich durch die Synthese von theoretischer Fundierung und unmittelbarem Praxisbezug aus und unterstützen das Verständnis und den Lernerfolg mit Übungsaufgaben, Modellbeispielen und Simulationen. Die Autoren schöpfen inhaltlich aus ihrer langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet der Energieversorgung sowie didaktisch aus ihrer Lehrtätigkeit als Professoren.

Der vorliegende zweite Band behandelt in der dritten Auflage die Themen Energiewirtschaft und Klimaschutz, Elektrizitätswirtschaft und damit verbundenen Liberalisierungsfragen, Kraftwerktechnik, alternative Stromerzeugung und chemische Energiespeicherung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Energiewirtschaft, Elektrizitätswirtschaft

Frontmatter

Kapitel 1. Energiewirtschaft und Klimaschutz

Zusammenfassung

Abbildung 1.1 veranschaulicht die Struktur der Energiewirtschaft mit den heute verwendeten und den möglichen zukünftigen Energieträgern. Zu unterscheiden sind vier Energieumwandlungsstufen: Primärenergie, Sekundärenergie, Endenergie und Nutzenergie.

Valentin Crastan

Kapitel 2. Wirtschaftlichkeitsberechnungen

Zusammenfassung

Planung und Betrieb energiewirtschaftlicher Anlagen erfordern umfangreiche Analysen technischer und wirtschaftlicher Art. Die Analysen umfassen u. a. Energie-, Rohstoff-, Abwärme- und Ökobilanzen [2.3]. Bei der Planung sind auch politische Aspekte zu berücksichtigen, wie Fragen der Akzeptanz. Allgemeine Gesichtspunkte für die Behandlung energietechnischer Probleme sind in [2.2] zu finden, sowie in Band 3, Kap. 6. Für die Einbettung in die allgemeinen Grundlagen wirtschaftlichen Handelns bei Wettbewerb sei auch auf die Abschn. 3.6–3.8 verwiesen. Folgende technisch-wirtschaftliche Aspekte seien hier erwähnt:

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Kapitel 3. Elektrizitätswirtschaft, Liberalisierung

Zusammenfassung

Die Abschn. 3.1–3.4 befassen sich mit der Entwicklung des Verbrauchs und dessen klassische Deckung mit hydraulischen (Kap. 4) und thermischen Kraftwerken (Kap. 5), die heute den weit größten Teil der Elektrizität liefern. Andere Methoden der Stromerzeugung werden in Teil III behandelt.

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Kraftwerktechnik, Energieumwandlung

Frontmatter

Kapitel 4. Wasserkraftwerke

Zusammenfassung

Abbildung 4.1a zeigt das Einzugsgebiet des Beobachtungspunktes P eines Flusslaufs. Über die jährliche Wassermenge liegen i. d. R. langjährige Messungen vor, die eine statistische Beurteilung der oberirdischen Abflussverhältnisse erlauben. Sind keine Wassermengen-Messwerte vorhanden, wohl aber solche über die Niederschlagsmengen, kann für Vorstudien die mittlere jährliche Abflussmenge Q _ma mit folgender Formel geschätzt werden.

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Kapitel 5. Thermische Kraftwerke, Wärmepumpe

Zusammenfassung

Ausgehend von den thermodynamischen und energiewirtschaftlichen Grundlagen (Anhang I und Kap. 3), werden im Folgenden die Prozesse der wichtigsten ther-mischen Kraftwerke (fossil und nuklear) sowie deren Aufbau und Modellierung dargelegt. Für die Technologie s. auch [5.4, 5.15] sowie [5.8]. Auf Grund der Bedeutung der Wärmepumpe für eine nachhaltige Wärmenutzung (s. Kap. 1), evtl. in Verbindung mit der Wärmekraftkopplung und den Kombikraftwerken, wird dieser Prozess ebenfalls analysiert und modelliert (Abschn. 5.9).

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Alternative Stromerzeugung,chemische Energiespeicher

Frontmatter

Kapitel 6. Windkraftwerke

Zusammenfassung

Das Potential der Windenergie und die Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Nutzung wurden bereits in Abschn. 1.2.3 kurz erörtert. Im Folgenden werden die technischen und wirtschaftlichen Aspekte der Windenergienutzung näher behandelt.

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Kapitel 7. Photovoltaik

Zusammenfassung

Das Verhalten von Halbleitern und Isolatoren lässt sich durch das Energiebändermodell gut erklären [7.1, 7.10]. Für die photoelektrischen Effekte spielen lediglich das Valenzband mit oberer Energiekante W _V und das Leitungsband mit unterer Energiekante W _L eine Rolle (Abb. 7.1a). Die beiden Bänder sind durch eine Bandlücke DW = W _L − W _V getrennt, die z. B. beim Silizium 1,12 eV beträgt. Die Zustandsdichte Z(W) der Elektronenenergie W innerhalb der Bänder wird von einer Parabel beschrieben. Entsprechend dem Exklusionsprinzip von Pauli ergibt sich die Auftretenswahrscheinlichkeit eines Energiezustands durch Multiplikation mit der Fermi-Dirac-Statistik (Abb. 7.1b).

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Kapitel 8. Brennstoffzellen

Zusammenfassung

Mit Brennstoffzellen lassen sich Wasserstoff sowie Erdgas und andere Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzin, Methanol) oder Biogas elektrochemisch direkt in elektrische Energie umwandeln. Gegenüber Wärmekraftmaschinen, die den Umweg über die mechanische Energie nehmen, ergeben sich höhere Wirkungsgrade, und dies ohne rotierende Teile und entsprechende Lärmemissionen. Bereits für kleine Leistungen lassen sich Wirkungsgrade von 50–60 % erreichen, was mit konventioneller Technik nur mit Kombianlagen im 10–100 MW-Bereich möglich ist. Die Umweltbelastung bei Verwendung von Erdgas ist wegen des höheren Wirkungsgrads und der andersartigen Verbrennung (kein Ruß, keine Stickoxide, keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe) geringer als bei konventionellen thermischen Kraftwerken. Die CO₂ -Emissionen können durch Erhöhung des Wasserstoffanteils weiter reduziert werden.

Valentin Crastan

Kapitel 9. Chemische Energiespeicher

Zusammenfassung

Elektrochemische Elemente bestehen aus zwei Elektroden, die von den jeweiligen Prozesspartnern umgeben sind und über einen Ionenleiter voneinander separiert werden. Dieser sorgt dafür, dass die Prozesse der Reduktion und der Oxidation räumlich voneinander getrennt ablaufen. An der Anode findet der Oxidationsprozess statt, bei welchem diese aus dem Elektrolytraum Elektronen aufnimmt, während die Kathode Elektronen für den Reduktionsprozess an den Elektrolyt liefert. Die dabei entstehenden Ionen werden über den Elektrolyten ausgetauscht.

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Kapitel 10. Kernfusion

Zusammenfassung

Seit den fünfziger Jahren werden Forschungsanstrengungen unternommen, durch kontrollierte Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Helium Energie zu gewinnen. Obwohl große Fortschritte erzielt worden sind, ist die technische Realisierung noch in weiter Ferne, weshalb die wirtschaftliche Tragbarkeit der Kernfusion heute schwer zu beurteilen ist. Die internationale Gemeinschaft versucht dennoch, die Option Fusion für die Zukunft offen zu halten. Deren Bedeutung in Zusammenhang mit der in Kap. 1 dargelegten Klimaproblematik ist offensichtlich. Zusammen mit der Solarstrahlung ist die Kernfusion langfristig die einzige Energiequelle mit praktisch unbegrenztem Potential. Es ist jedoch kaum damit zu rechnen, dass vor Mitte des 21. Jh. die Fusion eine für die Energiewirtschaft nennenswerte Rolle spielen wird.

Valentin Crastan

Backmatter

Titel: Elektrische Energieversorgung 2
verfasst von: Valentin Crastan
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-19856-4
Print ISBN: 978-3-642-19855-7
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-19856-4