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1995 | Book

Erneuerbare Energien

Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte

Editors: Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt, Dr.-Ing. Andreas Wiese

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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About this book

Die Nutzung regenerativer Energien zur Energieversorgung ist nicht neu; in der Geschichte der Menschheit waren erneuerbare Energien sehr lange Zeit die primär genutzte Möglichkeit zur Energiebereitstellung. Dies änderte sich erst mit der industriellen Revolution, in der Steinkohle und damit fossile Energieträger zuneh­ mend an Bedeutung gewannen. Später kam das Erdöl hinzu, das aufgrund seiner Vorteile bezüglich Transport und Verarbeitung zum heute primär eingesetzten Energieträger wurde. Mit dem zunehmenden Einsatz der fossilen Energieträger zur Energieversorgung ging - zumindest in den Industriestaaten - der Einsatz regenera­ tiver Energien zurück; bezogen auf das Gesamtenergieaufkommen und abgesehen von wenigen Ausnahmen sind sie heute fast bedeutungslos. Jedoch ist die Nutzung fossiler Energieträger mit einer Reihe von Nachteilen verbunden; sie werden von einer bezüglich möglicher Umwelt- und Klimagefahren sowie anderer negativer Folgen zunehmend sensibilisierten Industriegesellschaft am Ende des 20. Jahrhunderts immer weniger toleriert. Der sauere Regen und das Ozonloch zählen ebenso zu diesen Gefahren wie der Treibhauseffekt. Deshalb gewinnt die Suche nach um weit- und klimaverträglichen sowie allgemein akzeptier­ baren Alternativen zur gegenwärtigen Form der Energiebereitstellung zunehmend an Bedeutung. Hier werden in die vielfältigen Möglichkeiten zur Nutzung regenera­ tiver Energien von weiten Teilen der Bevölkerung insbesondere in der Bundes­ republik Deutschland große Hoffnungen und Erwartungen gesetzt.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Unser gegenwärtig hoher Lebensstandard ist ohne einen entsprechenden Energieeinsatz nicht möglich. Dabei ist aber die Deckung der korrespondierenden Energienachfrage bzw. die Bereitstellung der daraus resultierenden Energiedienstleistung (z. B. warmer Raum, Information, Mobilität) mit einer Reihe von Umweltfolgen verbunden, die von der bundesdeutschen Gesellschaft am Ende des 20. Jahrhunderts immer weniger toleriert werden. Deshalb war und ist dieses „Energieproblem“ — im Zusammenspiel mit dem ursächlich damit zusammenhängenden “Umweltproblem“ — in den energietechnischen und -politischen Diskussionen in Deutschland eines der bestimmenden Themen. Daran wird sich auch in übersehbarer Zukunft nichts ändern, wie sich an der Kontroverse um die möglichen Gefahren des anthropogenen Treibhauseffekts zeigt. Eher ist mit steigendem Wissensstand und fortschreitendem Erkenntnisprozeß von einer zunehmenden Problematisierung der mit der Energienutzung im weitesten Sinne zusammenhängenden Effekte auszugehen.
Martin Kaltschmitt, Andreas Wiese
2. Grundlagen des regenerativen Energieangebots
Zusammenfassung
Die Energieströme, die auf der Erde genutzt werden können, speisen sich aus verschiedenen Quellen. Diese werden im folgenden zunächst dargestellt. An der gesamten auf der Erde umgesetzten Energie hat dabei die Sonnenenergie einen Anteil von über 99,9 %. Die von der Sonne auf die Erde eingestrahlte Energie wird innerhalb der Atmosphäre geschwächt und teilweise in andere Energieformen (z. B. Wind, Wasserkraft) umgewandelt. Deshalb wird auf den Aufbau und die wesentlichen Eigenschaften der Erdatmosphäre ebenfalls näher eingegangen. Diesem schließt sich die Bilanzierung der globalen Energieströme an.
Martin Kaltschmitt, Andreas Wiese
3. Solarthermische Wärmenutzung
Zusammenfassung
Ein Teil der solaren Strahlungsenergie kann mit Hilfe von Absorbern (z. B. Sonnenkollektoren, Wände, Fußböden) in Wärme umgewandelt werden. Zusammen mit den anderen notwendigen Komponenten bilden die Absorber die Solaranlage. Solaranlagen sind also Anlagen, die Solarstrahlung in Wärme wandeln und sie für Anwendungen wie beispielsweise Schwimmbadwassererwärmung, Warmwasserbereitung oder Raumwärmenachfragedeckung nutzbar machen. Dabei spricht man von passiver Solarenergienutzung, wenn das Gebäude oder Teile davon selbst die Funktion der Solarenergieaufnahme, Wandlung und Speicherung übernehmen. Dies ist z. B. bei Wintergärten oder bei bewußter Südausrichtung von Gebäuden der Fall. Alle anderen thermischen Solarenergiesysteme werden als aktiv bezeichnet. Im folgenden werden zunächst für beide Nutzungsmöglichkeiten die wesentlichen physikalischen Grundlagen der Energiewandlung dargestellt (vgl. /3-1, 3-2, 3-3/).
Martin Kaltschmitt, Andreas Wiese
4. Photovoltaische Stromerzeugung
Zusammenfassung
Neben der solarthermischen Wärmegewinnung stellt die photovoltaische Stromerzeugung eine weitere Form der direkten Nutzung solarer Strahlungsenergie dar. Im Unterschied zur Solarthermie wird hier die solare Energie allerdings direkt in elektrischen Strom gewandelt. Im folgenden werden die wesentlichen physikalischen Grundlagen dieser Energiewandlungstechnik dargestellt (vgl. /4-1, 4-9, 4-18, 4-36, 4-37, 4-38, 4-39/).
Martin Kaltschmitt, Andreas Wiese
5. Stromerzeugung aus Windenergie
Zusammenfassung
Mit Hilfe von Windkraftkonvertern kann die in den strömenden Luftmassen enthaltene kinetische Energie nutzbar gemacht werden. Die dazu notwendigen physikalischen Grundlagen werden im folgenden dargestellt und diskutiert.
Martin Kaltschmitt, Andreas Wiese
6. Stromerzeugung aus Wasserkraft
Zusammenfassung
Eine Wasserkraftanlage dient dazu, die potentielle Energie des Wassers nutzbar zu machen. Die theoretische im Wasser enthaltene Leistung P wa,th zwischen zwei bestimmten Stellen im Fluß kann dabei nach Gleichung (6.1) berechnet werden (vgl. Kapitel 2.4.1).
Martin Kaltschmitt, Andreas Wiese
7. Erdwärmenutzung
Zusammenfassung
In den oberflächennahen Erdschichten wird die Temperatur maßgeblich durch die solare Einstrahlung und Abstrahlung, Niederschläge, Grundwasser und Wärmeleitung im Gestein beeinflußt. Aufgrund der Temperatur oberflächennaher Erdschichten, die in Tiefen von einigen Zentimetern in etwa der jeweiligen Außentemperatur und in Tiefen von 10 bis 20 m etwa der Jahresmitteltemperatur entspricht, ist eine direkte Wärmenutzung nicht möglich. Erst unterhalb von 10 bis 20 m Tiefe beginnt der Temperaturanstieg gemäß dem geothermischen Gradienten, der im Mittel etwa 3 K pro 100 m Tiefenzunahme beträgt (vgl. Kapitel 2). Die durch geeignete Wärmetauscher den oberflächennahen Schichten entzogene Wärme muß deshalb mittels einer Wärmepumpe auf ein für die Wärmenutzung geeignetes Temperaturniveau angehoben werden.
Martin Kaltschmitt, Andreas Wiese
8. Zusammenfassender Vergleich
Zusammenfassung
In den bisherigen Ausführungen werden die verschiedenen Nutzungsmöglichkeiten erneuerbarer Energien einzeln behandelt. Ausgewählte technische, wirtschaftliche und umweltrelevante Kenngrößen werden ermittelt und den jeweiligen Größen der entsprechenden konventionellen Techniken gegenübergestellt. Damit ist noch keine Aussage darüber getroffen, wie die einzelnen Techniken für die Nutzbarmachung erneuerbarer Energien untereinander zu bewerten sind. Daher wird im folgenden eine entsprechende Gegenüberstellung durchgeführt. Dabei können immer nur Techniken verglichen werden, die die gleiche Endenergie bereitstellen (d. h. Stromerzeugungsoptionen und Wärmebereitstellungsysteme). Ein vollständiger Vergleich auf der Primärenergieseite und hinsichtlich technischer, ökonomischer und umweltrelevanter Größen kann dabei nur für die photovoltaische, die windtechnische und die wassertechnische Stromerzeugung durchgeführt werden; für diese Optionen werden in den einzelnen Kapiteln alle Kennzahlen vergleichbar ermittelt. Ein Vergleich der Wärmebereitstellungsmöglichkeiten (d. h. der solarthermischen und der geothermischen Wärmebereitstellung) kann jedoch aufgrund des sehr unterschiedlichen Kenntnisstandes bei diesen beiden Techniken nur anhand weniger ausgewählter Größen erfolgen.
Martin Kaltschmitt, Andreas Wiese
Backmatter
Metadata
Title
Erneuerbare Energien
Editors
Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt
Dr.-Ing. Andreas Wiese
Copyright Year
1995
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-07118-2
Print ISBN
978-3-540-59362-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-07118-2