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2020 | Book

Einführung Read chapter Read first chapter

Alternative Energietechnik

Authors: Prof. Dr. Jochem Unger, Prof. Dr. Antonio Hurtado, Dr. Rafet Isler

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Dieses Lehrbuch vermittelt die technischen Grundlagen sowie wichtige Auslegungs- und Sicherheitskriterien für konventionelle, nukleare und regenerative Energiesysteme. Es zeigt die Auswirkungen des menschlichen Wirtschaftens, erklärt wie diese zu beurteilen und zu berücksichtigen sind. Es zeigt die möglichen Auswege auf, auch wenn umweltrelevante Entscheidungskriterien prinzipiell nicht quantifizierbar sind. Zusätzlich werden auch gesellschaftspolitische Aspekte angesprochen, die zu einem humanen volkswirtschaftlichen Prozess hinführen, der das ökologische Minimalprinzip gerade vollständig ausschöpft. Die anschauliche Darstellung der Sachverhalte mithilfe einfachster mathematischer Modelle setzt nur elementare Kenntnisse der Mathematik und der jeweils relevanten Fachdisziplinen voraus. Für Vertiefung und Übung sind zahlreiche Aufgaben mit den jeweiligen Lösungswegen beigefügt.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einführung
Zusammenfassung
Energiekultur für ein menschenwürdiges Leben (moralisch-ethisch-ökologische Aspekte). Energienutzung durch Umwandlung der Energieform (Energiehierarchie). Energie- und Massenerhaltung. Entropie als Maß zur Beschreibung von Veredelung und Entedelung. Masse- und Energiefluss bei Produktion und Konsum. Nebenprodukte, Abfälle und Schadstoffe. Recyclierbarkeit. Rückwirkungsmechanismen.
Ökologische Begrenzung der menschlichen Population. Energiewirtschaft in Abhängigkeit von der Bevölkerungsdichte. Realisierung eines humanen Optimierungsziel, um die bisherige darwinistische Lebensweise (Wachstumswahn und Überbevölkerung) überwinden zu können.
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
2. Energetische Beurteilungskriterien
Zusammenfassung
Die klassische ingenieurmäßige Beurteilung von Energiesystemen allein mit Hilfe des Wirkungsgrades η ist nicht hinreichend.
$$ \eta =\frac{P}{P_{zu}}=\frac{E}{E_{zu}} $$
Neben der mit dem Wirkungsgrad beschriebenen Prozessgüte der Energieumwandlung spielt auch die gesamte für diesen Prozess benötigte Infrastruktur eine entscheidende Rolle. Diese Infrastrukturgüte wird mit dem Energie­Erntefaktorε beschrieben, der anzeigt, ob der Energieaufwand zum Realisieren eines Energie-Wandlungs-Apparates einschließlich der dazugehörigen gesamten Infrastruktur auch gerechtfertigt ist.
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-3-658-27465-8_2/MediaObjects/298214_6_De_2_Equb_HTML.png
$$ \varepsilon =\frac{E}{E_{Infra}}\, =\, \frac{P\;T}{E_{Infra}} $$
Der Erntefaktor liefert im Grenzfall ε = 1 die anschauliche energetische Amortisationszeit TAM = EInfra/P.
Die Prozess- und Infrastrukturgüte lässt sich gesamtenergetisch mit dem Globalwirkungsgrad δ = δ ( η, ε) universell als harmonisches Mittel zwischen dem Wirkungsgrad η und dem Erntefaktor ε darstellen. Systeme sind nur dann energetisch innovativ, wenn sowohl dη > 0 als auch dε > 0 und damit auch dδ > 0 realisiert wird.
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-3-658-27465-8_2/MediaObjects/298214_6_De_2_Equd_HTML.png
$$ \delta =\frac{E}{E_{zu}+E{}_{Infra}}=\frac{\eta \cdot \varepsilon }{\eta +\varepsilon} $$
$$ \varepsilon <\, 1\, \to \, \mathrm{Verlust}\ \mathrm{der}\ \mathrm{Energieautarkie} $$
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
3. Umweltrelevante Beurteilungskriterien
Zusammenfassung
Die von den Aktivitäten der Menschen ausgehenden Umweltbeeinflussungen sind äußerst komplex. Auf diese anthropogenen Emissionen (Ursachen) reagiert das komplexe vernetzte System Umwelt mannigfaltig zurück (Rückwirkungen). Es sollten nur Emissionen freigesetzt werden, die der Mensch schon in seiner Vergangenheit ertragen hat, die sein Immunsystem geprägt haben. Die umweltrelevanten Beurteilungskriterien lassen sich prinzipiell nicht allgemein quantifizieren.
Das Dilemma der Nicht-Quantifizierbarkeit kann durch Selbstorganisationsprozesse beherrschbar gemacht werden, die aus Naturbeobachtungen (Systemeigenschaften) abgeleitet werden. Dazu wird das Naturverhalten (Chaos, natürliches Gleichgewicht, Totzeit- und Pufferprobleme, etc.) betrachtet und auf unsere menschlichen Probleme des Überlebens (inhärente Sicherheit, Dosisbelastung, Schwellenwert) übertragen.
Die Erkenntnis aus diesen Betrachtungen ist die Abkehr von den heute noch üblichen aktiven Sicherheiten hin zu naturgesetzlichen (inhärenten) Sicherheiten, da es eine 100 % sichere aktive Sicherheit nicht gibt.
In diesem Zusammenhang wird auch auf die unhaltbare Sicherheitsphilosophie von Rasmussen (USA) hingewiesen, die von Siemens (Druckwasserreaktoren), AEG (Siedewasserreaktoren) sowie der Gesellschaft für Reaktorsicherheit (GRS) und der Politik der 60er-Jahre wenig reflektiert übernommen wurde.
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
4. Ethik
Zusammenfassung
Die Diskussion der umweltrelevanten Beurteilungskriterien hat gezeigt, dass die Probleme allein quantitativ nicht zu meistern sind. Die aufgezeigten Auswege sind deshalb qualitativer Natur (naturgesetzliche Eigenschaften: inhärent sichere Systeme, Selbstorganisation, Minimalprinzip).
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
5. Ökonomisch-ökologisches Wirtschaften
Zusammenfassung
Der zur Befriedigung unserer Bedürfnisse erforderliche volkswirtschaftliche Prozess kann dauerhaft nur bei Beachtung der globalen ökonomisch-ökologischen Zusammenhänge betrieben werden. Die Zivilisation muss verträglich in die natürlichen Mechanismen eingebettet sein. Je besser alle anthropogenen Aktivitäten dem solar angetriebenen volkswirtschaftlichen Idealprozess (Bild 1.15, Abschn. 1.5) entsprechen, umso geringer sind die Rückwirkungen, die unter drastischer Abweichung vom Idealprozess zur ernsthaften Bedrohung der Zivilisation selbst anwachsen können. Die zulässigen Aktivitäten sind begrenzt durch das sich im Laufe der Evolution herausgebildete Schwellenverhalten, das letztlich menschliches Handeln legitimiert.
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
6. Energiewirtschaft
Zusammenfassung
Um konkrete Aussagen über sinnvolle Maßnahmen hin zu einer ökologisch geprägten Energiewirtschaft machen zu können, wird der energiewirtschaftliche Ausgangszustand im Nachkriegsdeutschland betrachtet. Dabei beschränken wir uns zunächst ganz bewusst auf die BRD (alte Bundesländer) als typisches Industrieland, das durch die Entwicklung neuer bzw. verbesserter Verfahren und Produkte im Rahmen des Welthandels bestehen konnte.
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
7. CO2-arme Technologien
Zusammenfassung
Die heute gegenüber den Fossilenergien gängigen CO 2 -armen Energien Photovoltaik, Wind, Wasser, Biomasse, Geothermie und die Kernenergieenergie zur Bereitstellung von Strom werden im Folgenden detailliert betrachtet.
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
8. Speicherung und Verteilung
Zusammenfassung
Die Erneuerbaren Energien und insbesondere die Photovoltaik und Windenergie sind wegen des vagabundierenden Angebots der Natur ohne eine Speicherung der geernteten Energie nicht grundlastfähig. Ohne Speicher kann eine Energiewende hin zu einer durch von Erneuerbaren Energien dominierten industriellen Energiewirtschaft nicht realisiert, nicht auf Schattenkraftwerke verzichtet werden. Ohne CO 2 -arme nukleare Kraftwerke kann nur auf fossile Schattenkraftwerke zurückgegriffen werden. Das Ziel einer CO 2 -armen Energiewirtschaft kann nicht erreicht werden. Die Größe der erforderlichen Speicher ist verknüpft mit der Verteilerstruktur. Wird die alte durch Großkraftwerke geprägte zentrale Struktur der Stromerzeugung und Verteilung nicht aufgegeben, sind bei einer dominanten Nutzung Erneuerbarer Energien gigantische Speicher zur Erhaltung einer permanenten Versorgungssicherheit erforderlich.
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
9. Mobilität
Zusammenfassung
Als Ersatz der fossilen Treibstoffe sind aus der Biomasse hergestellte flüssige und gasförmige Treibstoffe denkbar. Auch Strom kann direkt als Treibstoff eingesetzt werden. Die Entscheidung über die Art der zukünftigen Treibstoffe hängt von der Entscheidung für die zukünftigen Antriebssysteme ab. Für den gesamten erdgebundenen Verkehr ist eine weitgehende Elektrifizierung möglich, die wiederum mit der möglichen Speicherbarkeit elektrischer Energie verknüpft ist. Mit einer induktiven Aufladung direkt beim Fahren kann das Speicherproblem reduziert werden, das aber einen weitgehenden Umbau der Hauptstraßeninfrastrukturen voraussetzt
Ohne Verbesserungen in der Speichertechnik und einer neuen globalen Infrastruktur zur induktiven Fahraufladung sind Hybridsysteme eine Zwischenlösung (Antrieb elektrisch: Aufladen am Stromnetz beim Parken, Aufladen beim Fahren mit Hilfe eines stationär betriebenen Hilfsaggregats zur Stromerzeugung). Hier ist die Art des benötigten Zusatz-Treibstoffs abhängig von der Wahl des Hilfsaggregates zur Stromerzeugung. Das Hilfsaggregat kann ein Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle sein.
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
10. Energieautarkie
Zusammenfassung
Mit einer Maschine kann Energie nicht vermehrt werden. Die durch Umwandlung zur Verfügung stehende Nutzenergie ist stets kleiner oder maximal gleich der eingesetzten Energie.
Auch wenn eine Maschine zur Umwandlung der Energie in die gewünschte Nutzenergie funktioniert, ist noch nicht sichergestellt, dass diese auch dauerhaft funktioniert. Um Maschinen zur Bereitstellung von Nutzenergie dauerhaft betreiben zu können, muss auch der Energieaufwand für die dazu benötigte Infrastruktur beachtet werden.
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
11. Ökologische Verträglichkeit
Zusammenfassung
Die Erneuerbaren Energien (EE), die dezentral das Angebot der Natur durch Abschöpfung umweltfreundlich (Kap. 1) nutzen, sind auch zur dezentralen Nutzung erdacht worden. Das zentralistische Einsammeln von natürlichen Energien und die ebenso zentralistische Verteilung wie bei den bisher genutzten fossil-nuklearen Großkraftwerk-Strukturen stehen im Widerspruch zur Philosophie der Erneuerbaren Energien selbst. Erneuerbare Energie sollte nicht erst gesammelt und dann wieder verteilt, sondern dezentral am Ort der Abschöpfung genutzt werden. Dem effizienten Umgang mit Strom ist dabei die oberste Priorität einzuräumen.
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
12. Übungsaufgaben und Lösungen
Zusammenfassung
Aufgabe 1: Bei rein quantitativem Wachstum nimmt der Energiebedarf zur Trinkwasseraufarbeitung ständig zu. Welcher energetische Leistungsbedarf entsteht, wenn die Verschmutzungskonzentration S = S0 ea t exponentiell mit der Zeit t ansteigt, sich die aufzuwendende Energie/Zeiteinheit \( \dot{E} \) proportional zu S verhält und insgesamt ein Trinkwasservolumen/Zeiteinheit \( {\dot{V}}_0 \) benötigt wird? Nach welcher Zeit bricht die Wasseraufarbeitung zusammen, wenn maximal nur die Leistung \( {\dot{E}}_{\mathrm{max}} \) verfügbar ist? Nach welchem Zeitgesetz müsste sich der Technologiekoeffizient K des Verfahrens ändern, damit bei \( \dot{E}={\dot{E}}_{\mathrm{max}} \) die Versorgung möglichst lange gesichert bleibt? Wieso kommt es trotz Technikfortschritt nach einer Zeit TT zum Technikversagen?
Jochem Unger, Antonio Hurtado, Rafet Isler
Backmatter
Metadata
Title
Alternative Energietechnik
Authors
Prof. Dr. Jochem Unger
Prof. Dr. Antonio Hurtado
Dr. Rafet Isler
Copyright Year
2020
Electronic ISBN
978-3-658-27465-8
Print ISBN
978-3-658-27464-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-27465-8