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2022 | Book

Energietechnik

Systeme zur konventionellen und erneuerbaren Energieumwandlung. Kompaktwissen für Studium und Beruf

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Dieses Lehrbuch vermittelt ein grundlegendes, dennoch kurz gefasstes Verständnis für die Zusammenhänge der Energieumwandlungsprozesse und umfasst dabei die gesamte Bandbreite der Energietechnik. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der konventionellen und vor allem nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energiespeicherung, Energieverteilung und abschließend zu einem Abriss der Globalen Erwärmung mit zugehöriger Klimapolitik.

In der aktuellen Auflage wurden mehrere Kapitel von neuen Autoren überarbeitet und teils grundlegend neu verfasst. Die aktuellen politischen Änderungen wurden u. a. in den verschiedenen Kapiteln der erneuerbaren Techniken, der Energieverteilung sowie der Marktliberalisierung und Energiewende durch sorgfältige Überarbeitungen eingebracht.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Mit der Beherrschung der Energie, zunächst des Feuers, schaffte sich die Menschheit die Basis zur technischen und wirtschaftlichen Entwicklung. Energie in ihren verschiedenen Erscheinungsformen ist zur Nahrungszubereitung, zum Wohnen, zum Transport, zur Kommunikation, in der Technik, Industrie und in der Freizeit unverzichtbar. Energie gehört zu den Grundbedürfnissen.
Richard Zahoransky
2. Energietechnische Grundlagen
Zusammenfassung
Die Energietechnik wandelt natürliche Energievorkommen in für den Menschen nutzbare Formen um. Die in vier Klassen einteilbaren Energieformen lassen sich alle umwandeln, wie Abb. 2.1 veranschaulicht.
Udo Schelling
3. Überblick, Energiequellen und Energiebedarf
Zusammenfassung
Unter fossilen Energieträgern verstehen sich energie- und kohlenstoffhaltige Stoffe, die in mehreren Millionen Jahren aus Biomassen unter dafür günstigen Bedingungen (Sauerstoffausschluss) gebildet wurden. Das geologische Alter von Steinkohle beträgt über 250 Millionen Jahre, das von Braunkohle ca. 50 Millionen. Derzeit werden deutlich mehr fossile Energieträger verbraucht als nachgebildet. Während in Deutschland die Stilllegung von Dampfkraftwerken, die mit Steinkohle befeuert werden, begonnen hat, steigt global der Verbrauch dieser Brennstoffe weiterhin an. Die Steinkohleförderung erreichte im Jahr 2019 weltweit den Wert von 7,3 Milliarden Tonnen, mit einer Steigerung von immerhin fast 3 % gegenüber dem Vorjahr 2018 nach [1]. Dieser Anstieg erfolgte hauptsächlich in China und Indonesien – in Deutschland ging der Kohleverbrauch in diesem Zeitraum zurück.
Richard Zahoransky
4. Konventionelle Dampfkraftwerke
Zusammenfassung
Das Dampfkraftwerk beruht als thermisches Kraftwerk auf einem thermodynamischen Kreisprozess, der Wärme in technische Arbeit umwandelt. Die Arbeit wird mittels Elektrogenerator als elektrische Energie abgegeben.
Richard Zahoransky
5. Kernkraftwerke
Zusammenfassung
Zunächst werden die physikalischen Grundlagen der Kernenergie ebenso wie der prinzipielle Aufbau eines Reaktors vorgestellt, wobei der Reaktorsicherheit besonderes Augenmerk gewidmet ist. Bei der Vorstellung von Reaktorkonzepten wird vertieft auf Druck- und Siedewasserreaktoren eingegangen, die weltweit mit ca. 370 von insgesamt etwa 440 nuklearen Kraftwerksblöcken den Hauptanteil stellen. Andere Konzepte mit Zukunftspotenzial werden ebenfalls vorgestellt.
Hans-Josef Allelein
6. Gasturbinen-Kraftwerke
Zusammenfassung
Das Wort Gasturbine rührt nicht vom Brennstoff her, der gasförmig, flüssig oder sogar fest sein kann, sondern vom gasförmigen Arbeitsmedium, das bei üblichen offenen Gasturbinen Luft und nach der inneren Verbrennung Luft-Rauchgas ist. Der Brennstoff wird dem angesaugten Arbeitsmedium Luft zugeführt, so dass eine innere Verbrennung stattfindet. Das Abgas wird bei den üblichen offenen Gasturbinen in die Atmosphäre abgegeben.
Richard Zahoransky
7. Kombinationskraftwerke
Zusammenfassung
Die Gründe, aus denen Energieversorgungsunternehmen zunehmend Kombinationskraftwerke aus Gasturbinen und Dampfkraftwerken (auch Kombikraftwerke oder Gas- und Dampfturbinen GuD genannt) beim Zubau von Kraftwerkskapazitäten bevorzugen, sind vielfältig.
Richard Zahoransky
8. Stationäre Kolbenmotoren für energetischen Einsatz
Zusammenfassung
Kolbenmotoren finden in der Energieversorgung vielfältig Verwendung als Notstromaggregate, als Antrieb für Pumpen in Großkraftwerken und in dezentralen Blockheizkraftwerken (BHKW). Motoren für Notstromaggregate und zum Antrieb von Arbeitsmaschinen werden meist mit Diesel-Kraftstoff betrieben. In BHKW dominieren Gasmotoren, wobei Erdgas, Bio-, Deponie- oder Klärgas bevorzugt sind. Die wesentliche Thermodynamik der Otto-, Diesel- und Stirling-Motoren wird in Kürze behandelt, während die Gasmotoren tiefere Behandlung finden. Die Motoren für die Energieversorgung stammen i. Allg. von mobilen Anwendungen ab und werden an die energietechnischen Anwendungen angepasst. Technische Details der Motoren sind in der Fachliteratur zu finden, z. B. [1]. Die Website [2] gibt einen umfassenden Überblick über Hersteller und deren Kolbenmotoren.
Maurice Kettner, Richard Zahoransky
9. Brennstoffzellen
Zusammenfassung
Brennstoffzellen, insbesondere mit Wasserstoff als Brennstoff, sind mit der Vision der Wasserstoffwirtschaft für eine klimaneutrale Gesellschaft in den Fokus der Mobilität und Energieversorgung gerückt. Dabei ist diese Vision nicht neu und Wasserstoff als zukünftiger Energieträger wurde bereits 1874 von Jules Verne (1828–1905) in seinem Buch Die geheimnisvolle Insel beschrieben. Im 19. Jahrhundert, schon vor dem Einsatz der Verbrennungskraftmaschinen und der Erfindung des elektrischen Generators, wurden die Grundlagen der Brennstoffzellentechnologie entdeckt und beschrieben.
David Degler, Udo Schelling, Frank Allmendinger
10. Blockheiz-Kraftwerke, Kälteanlagen, Wärmepumpen und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
Zusammenfassung
Die thermischen Wirkungsgrade von Kraftwerken zur Stromerzeugung sind relativ gering. Beispielsweise erreichen moderne Kohlekraftwerke heute bis etwa 45 %, Gasturbinen maximal 40 % sowie Diesel-und Gas-Motoren bis ca. 50 %. Kombinations-Kraftwerke, d. h. Gas- und Dampfturbinen-Prozesse, können über 60 % thermischen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der zugeführten Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie erzielen. Ein ähnlich hoher Wert wird in Zukunft von den Brennstoffzellen erwartet. Der nicht in Arbeit umgewandelte Anteil der zugeführten Wärme fällt als Abwärme an und geht ungenutzt in die Umgebung. Ein Teil dieser Abwärme lässt sich durch entsprechende Installationen bei allen Kraftwerksprozessen zur Wassererwärmung oder zur Dampferzeugung für industrielle Zwecke nutzen. Für Heiz- und Prozesswärme genügt eine Temperatur der Abwärme von 60 bis 80 °C, während die Erzeugung von Industriedampf deutlich höhere Temperaturen voraussetzt.
Richard Zahoransky, Maurice Kettner
11. Wasserkraftwerke
Zusammenfassung
Die Wasserkraft ist global die bedeutendste erneuerbare Energiequelle zur Stromerzeugung. Sie hat in Deutschland allerdings einen stagnierenden Anteil von nur ca. 3,5 % der gesamten Stromerzeugung. In Deutschland wurde die Wasserkraft bei der Stromerzeugung durch die Windkraft, Photovoltaik und sogar von der Biomassevergasung überholt. Die Wasserkraft ist allerdings eine gut berechenbare Energiequelle und unterliegt nicht den nur kurzfristig vorhersehbaren Schwankungen der Wind- und Solarenergien.
Richard Zahoransky
12. Solartechnik
Zusammenfassung
Die Erde ist ein Empfänger für kosmische Strahlungen. Sie empfängt nur einen winzigen Bruchteil der von der Sonne ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung. Dieser Bruchteil ist im Wesentlichen bestimmt durch den Abstand zwischen Sonne und Erde und durch das Verhältnis der Durchmesser von Erde und Sonne. Außerhalb der Erdatmosphäre, also extraterrestrisch, werden vom World Radiation Center WRC je Quadratmeter horizontaler Empfängerfläche 1,367 kW/m2 ± 1 % konstant über das gesamte Jahr gemessen.
Elmar Bollin
13. Windenergie
Zusammenfassung
Aktuell ist unsere Energieversorgung hauptsächlich auf fossilen Energieträgern (Kohlenwasserstoffen) aufgebaut, so dass CO2 in großem Maßstab emittiert wird. Es ist daher zwingend notwendig, den Transformationsprozess einzuleiten, um aus diesem fossilbasierten System auszusteigen (siehe Kap. 20). Mit der Energiewende wurde der erste Schritt getan. Hierzu leistet die Windenergie einen wichtigen Beitrag.
Carsten Fichter
14. Energetische Verwertung von Biomasse
Zusammenfassung
Etwa 0,1 % der Solarenergie wandeln sich durch Fotosynthese aus dem Kohlendioxid der Luft in Biomasse um. Die Biomassen sind als Festbrennstoff nutzbar oder zu gasförmigen Brennstoffen weiter verarbeitbar.
Richard Zahoransky
15. Nutzung geothermischer Energie
Zusammenfassung
Das Wort Geothermie kommt aus dem Griechischen und setzt sich aus „Geo“ = Erde und „Thermie“ = Wärme zusammen. Bei der Geothermie wird die Wärme des warmen Untergrunds genutzt. Geothermie ist eine regenerative (CO2 freie), stetig verfügbar, von Witterungseinflüssen, Tages- und Jahreszeiten unabhängige Energiequelle, was sie von anderen regenerativ/erneuerbaren Energien wie z. B. Wind und Photovoltaik unterscheidet. Tiefengeothermische Kraftwerke sind grundlastfähig und können andere CO2 intensive Grundlastkraftwerke wie Steinkohlekraftwerke ersetzen. Es wird die oberflächennahe (0–400 m) und die tiefe Geothermie (> 400 m) unterschieden. Oberflächennahe Geothermie wird zur Wärmeversorgung von Gebäuden eingesetzt. Tiefe Geothermie kommt zur Strom- und Wärmeerzeugung zum Einsatz.
Carsten Fichter, Richard Zahoransky
16. Energetische Müllverwertung
Zusammenfassung
In den 1970er-Jahren entstand in der Bundesrepublik Deutschland das Bewusstsein für die Problematik von Mülldeponien mit ihren Sickerwässern und entweichenden Gasen. Die lokalen Müllkippen wurden zugunsten weniger zentraler, überwachter Anlagen geschlossen (Faustregel: Eine Zentraldeponie pro Landkreis).
Richard Zahoransky
17. Energieverteilung
Zusammenfassung
Dem Verbraucher muss die Energie in Form von Primär- und Sekundärenergieträgern geliefert werden. Die Energieverteilung kann leitungsgeführt (Stromleitungen, Gas-, Öl- und Fernwärme-Pipelines) und nicht leitungsgebunden (Transport von Festbrennstoffen und Treibstoffen per Schiff, Bahn, LKW) erfolgen. Leitungsgebundene Energietransportsysteme sind an die geografische Lage der Energievorkommen und der Verbraucherschwerpunkte angepasst.
Harald Schwarz
18. Energiespeicherung
Zusammenfassung
Der Endverbraucher erwartet die Energielieferung direkt an den Verbrauchsort. Er unterhält für die elektrische Energie und das Erdgas keine Vorratshaltung, weshalb diese bedarfsgleich geliefert werden müssen. Energiespeicher entkoppeln die Primärenergiegewinnung, z. B. im Bergbau, und die Energieumwandlung beim Versorger einerseits und den Energieverbrauch mit seinen zeitlichen Variationen andererseits.
Richard Zahoransky, Carsten Fichter
19. Marktliberalisierung und Energiewende
Zusammenfassung
Zwei Entwicklungen kennzeichnen die Energiemärkte seit dem Ende der 1990er-Jahre. Dies ist zum einen die Marktliberalisierung, die einen Wettbewerb von Energielieferanten untereinander ermöglichen und die frühere Monopolisierung der Energiemärkte in den Bereichen Vertrieb, Handel und Erzeugung beenden sollte. Die Umsetzung der auf europäischer Ebene vorbereiteten Liberalisierungsschritte erfolgte in Deutschland im Energiewirtschaftsgesetz über mehrere Gesetzesnovellen. Zum anderen ist es der Ausbau der erneuerbaren Energien, um eine nachhaltige Energieversorgung bei gleichzeitig reduziertem Einsatz fossiler Energieträger zur Energiegewinnung zu erreichen. Im Zentrum steht dabei das Erneuerbare-Energien-Gesetz EEG, welches ebenfalls mehrfach novelliert wurde und häufig mit dem Begriff der Energiewende in Verbindung gebracht wird.
Dominik Wörsdörfer
20. Globale Erwärmung und Klimapolitik
Zusammenfassung
In den letzten 100 Jahren hat sich die mittlere Temperatur der Erdoberfläche um etwa 0,6 bis 0,8 °C erhöht. Diese Temperatur korreliert mit der Zunahme der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre. CO2 sowie verschiedene andere Gase erzeugen eine Erwärmung der Atmosphäre, da diese das sichtbare Licht (kurzwellige elektromagnetische Wellen) in Wärme umwandeln (längerwellige elektromagnetische Wellen, Infrarot-Strahlung), die weniger gut in das Weltall abgestrahlt wird und somit die Atmosphäre langfristig erwärmt. Dieser Effekt wird für die solare Erwärmung der Gewächshäuser bzw. Treibhäuser (Greenhouses) genutzt.
Richard Zahoransky
21. Lösungen der Übungsaufgaben
Zusammenfassung
Am Ende jeden Kapitels sind Übungsaufgaben zum Selbststudium gelistet. In diesem abschließenden Kapitel sind die Lösungen ausführlich mit Zwischenschritten dargestellt.((end of Zusammenfassung for SpringerLink))
Richard Zahoransky
Backmatter
Metadata
Title
Energietechnik
Editor
Prof. Dr. Richard Zahoransky
Copyright Year
2022
Electronic ISBN
978-3-658-34831-1
Print ISBN
978-3-658-34830-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-34831-1