Erneuerbare Energien

Table of Contents

1. Frontmatter

2. Erneuerbare Energien in Mitteleuropa

   1. Frontmatter

   2. 1. Einführung und Aufbau

      Martin Kaltschmitt, Lucas Sens, Wolfgang Streicher

      Zusammenfassung

      Ziel der Ausführungen dieses Buches ist es, die Möglichkeiten und Grenzen einer Nutzung des regenerativen oder erneuerbaren Energieangebots umfassend darzustellen und vertieft zu diskutieren. Deshalb werden sowohl die physikalischen und technischen Grundlagen dargestellt als auch unterschiedliche Kenngrößen erarbeitet, die eine umfassende Einordnung dieser Optionen in das Energiesystem ermöglichen. Um dem Anspruch einer einfachen, verständlichen und transparenten Darstellung der z. T. sehr verschiedenartigen Möglichkeiten zur Nutzung regenerativer Energien möglichst nahe zu kommen, sind die einzelnen Kapitel, in denen die unterschiedlichen Varianten erläutert werden, vergleichbar aufgebaut – soweit dies möglich und sinnvoll ist.

   3. 2. Grundlagen des regenerativen Energieangebots

      Beate Geyer, Klaus Jorde, Martin Kaltschmitt, Iris Lewandowski, Ben Norden, Wolfgang Streicher, Andreas Wiese

      Zusammenfassung

      Die Energieströme auf der Erde speisen sich aus verschiedenen Quellen, die im Folgenden zunächst dargestellt werden. Dabei hat aber an der gesamten auf der Erde umgesetzten Energie die Sonnenenergie einen Anteil von nahezu 100%; d.h. sie dominiert eindeutig das „Energiesystem Erde“. Dabei trägt die Solarenergie nicht nur direkt, sondern in vielerlei Hinsicht auch indirekt zum globalen Energiesystem bei; beispielsweise wird die von der Sonne auf die Erde eingestrahlte Energie innerhalb der Atmosphäre geschwächt und dabei teilweise in andere Energieformen (z.B. Wind, Wasserkraft) umgewandelt. Deshalb wird im Folgenden auf den Aufbau und die wesentlichen Eigenschaften der Erdatmosphäre ebenfalls näher eingegangen. Diesem schließt sich die Bilanzierung der globalen Energieströme an, bevor die einzelnen potenziell von der Menschheit nutzbaren Energieströme bzw. regenerativen Energien im Detail dargestellt werden. Dabei wird jeweils auf die entsprechenden Grundlagen eingegangen, bevor die räumliche und zeitliche Variationsbreite dargestellt wird, die letztlich die jeweilige technische Nutzung (mit-)bestimmt.

   4. 3. Passive Sonnenenergienutzung

      Martin Kaltschmitt, Marina Stegelmeier, Wolfgang Streicher

      Zusammenfassung

      Die Bezeichnung „Passive Solarenergienutzung“ hat sich in den 1970er Jahren eingebürgert. Mit Hilfe des Kriteriums „zugeführte Hilfsenergie“ sollte eine klare Abgrenzung zu den anlagentechnischen (aktiven) Systemen zur Nutzung der Sonnenenergie zur Wärmebereistellung erreicht werden. Beim Einsatz von Hilfsaggregaten (z.B. Ventilatoren) wurden die Systeme als Hybridsysteme bezeichnet. Der Übergang zwischen passiven und aktiven Systemen wurde dadurch jedoch unscharf, denn beispielsweise ist ein Fenster mit automatisch betriebener Verschattung gleichfalls passiv wie hybrid.

   5. 4. Solarthermische Wärmenutzung

      Martin Kaltschmitt, Agis Papadopoulos, Lucas Sens, Wolfgang Streicher

      Zusammenfassung

      Ein Teil der von der Sonne eingestrahlten Strahlungsenergie kann mit Hilfe von Absorbern in Wärme umgewandelt werden. Zusammen mit anderen notwendigen Komponenten bilden diese Absorber die thermische Solaranlage. Thermische Solaranlagen sind damit also Anlagen, die Solarstrahlung in Wärme wandeln und sie dadurch für eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen nutzbar machen (z. B. Schwimmbadwassererwärmung, Trinkwarmwasserbereitung, Raumwärmenachfragedeckung, Prozesswärmebereitstellung, Verfügbarmachung von Antriebswärme für solare Kühlung). Im Folgenden werden die dafür wesentlichen physikalischen Grundlagen der Energiewandlung dargestellt.

   6. 5. Photovoltaische Stromerzeugung

      Roland Bründlinger, Daniel Christ, Hubert Fechner, Martin Kaltschmitt, Jörg Müller, Gerhard Peharz, Detlef Schulz, Lucas Sens

      Zusammenfassung

      Neben der solarthermischen Wärmegewinnung ist die photovoltaische Stromerzeugung eine weitere Form der direkten Nutzung solarer Strahlungsenergie. Im Unterschied zur Solarthermie wird aber hier die Energie der solaren Strahlung direkt in elektrische Energie gewandelt. Im Folgenden werden zunächst wesentliche physikalische Grundlagen dieser Energiewandlungsoption dargestellt und diskutiert. Anschließend wird auf die entsprechende Technik sowohl der Solar- oder Photovoltaikzellen und -module als auch die gesamter Photovoltaik-Stromerzeugungssysteme eingegangen. Ausgehend davon werden ausgewählte Systeme aus ökonomischer und ökologischer Sicht analysiert und zusätzlich die vorhandenen Potenziale und die derzeitige Nutzung diskutiert.

   7. 6. Stromerzeugung aus Windenergie

      Martin Kaltschmitt, Burcu Özdirik, Britta Reimers, Michael Schlüter, Detlef Schulz, Lucas Sens

      Zusammenfassung

      Windkraftanlagen (WKA) machen die in den strömenden Luftmassen enthaltene Bewegungsenergie technisch nutzbar. Die dieser Wandlung der kinetischen in mechanische Energie zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge werden im Folgenden dargestellt. Nicht behandelt werden die Grundlagen der Windenergienutzung, wie sie z.B. bei Segelbooten oder Drachen realisiert wird.

   8. 7. Stromerzeugung aus Wasserkraft

      Markus Aufleger, Franz Joos, Klaus Jorde, Martin Kaltschmitt, Anne Rödl, Michael Schlüter, Lucas Sens

      Zusammenfassung

      Lauf- und Speicherwasserkraftanlagen werden eingesetzt, um die ursprünglich aus der Sonnenenergie kommende und mithilfe des globalen Wasserkreislaufs (Kapitel 2) im Wasser gespeicherte potenzielle und kinetische Energie zur Bereitstellung mechanischer und/oder elektrischer Energie nutzbar zu machen. Dazu werden nachfolgend zunächst die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge, wie sie an einem Wasserkraftanlagenstandort gegeben sind, diskutiert. Im Anschluss daran wird auf wesentliche auftretende Verlustmechanismen eingegangen.

   9. 8. Nutzung von Umgebungswärme

      Martin Kaltschmitt, Lucas Sens, Wolfgang Streicher, Felix Ziegler

      Zusammenfassung

      Unter dem Begriff „Umgebungswärme“ wird der Energieinhalt der Umgebungsluft, des oberflächennahen Erdreichs, von Grundwässern (Aquiferen) oder auch von fließenden oder stehenden Oberflächengewässern verstanden. Diese in unserer unmittelbaren Umgebung enthaltene thermische Energie ist im Sinne der Energietechnik und nach menschlichen Maßstäben erneuerbar und damit unerschöpflich; d.h. es ist regenerative, klimaneutrale Energie. Aufgrund des typischerweise geringen Temperaturniveaus ist aber diese thermische Energie nicht unmittelbar zur Deckung der Wärmenachfrage für den Menschen nutzbar; zur technisch sinnvollen Nutzbarmachung wird deshalb i. Allg. eine weitere Systemkomponente, eine sogenannte Wärmepumpe, benötigt.

   10. 9. Nutzung tiefer geothermischer Systeme

       Sebastian Janczik, Martin Kaltschmitt, Ben Norden, Lucas Sens

       Zusammenfassung

       Neben der Sonnenenergie und der aus der Massenanziehung und Bewegung von Himmelskörpern resultierenden Energie zählt auch die im Erdinneren gespeicherte Wärme zu den regenerativen Energiequellen. Diese geothermische Energie kann mit Hilfe offener und geschlossener Systeme nutzbar gemacht werden.

   11. 10. Zusammenfassender Vergleich

       Martin Kaltschmitt, Lucas Sens

       Zusammenfassung

       In den Kapiteln 3–9 werden verschiedene Möglichkeiten zur Wärme- und/oder Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien detailliert diskutiert; dabei werden jeweils die physikalischen Grundlagen und die Technik bzw. Systemtechnik umfassend dargestellt sowie ausgewählte ökonomische und ökologische sowie weitere Energiesystem-relevante Zusammenhänge und Kenngrößen ermittelt. Damit ist noch keine Aussage darüber getroffen, wie die einzelnen Techniken für die Nutzbarmachung erneuerbarer Energien untereinander und im Vergleich zu den jeweiligen Möglichkeiten zur Nutzung fossiler Energieträger – im Hinblick auf die Erfüllung einer bestimmten Versorgungsaufgabe – zu bewerten sind. Daher werden im Folgenden einzelne der hier untersuchten Möglichkeiten zur Nutzung erneuerbarer und fossiler Energien kursorisch gegenübergestellt. Dabei können aber immer nur Systeme bzw. Techniken sinnvoll miteinander verglichen werden, welche die gleiche End- bzw. Nutzenergie bereitstellen (d.h. Strom, Wärme). Deshalb wird bei der folgenden Gegenüberstellung im Wesentlichen unterschieden zwischen den Möglichkeiten zur Stromerzeugung, ggf. auch im Rahmen einer Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), und einer Wärmebereitstellung.

3. Erneuerbare Energien und Energiesystemkomponenten

   1. Frontmatter

   2. 11. Solarthermische Stromerzeugung

      Tobias Hirsch, Martin Kaltschmitt, Matti Lubkoll, Gerhard Weinrebe

      Zusammenfassung

      Unter dem Begriff „solarthermische Kraftwerke“ werden hier Anlagen zusammengefasst,

      - die Solarstrahlung zunächst in Wärme wandeln, dann

      - diese Wärme mittels eines weiteren Prozesses (üblicherweise ein „klassischer“ Wärme-Kraft-Prozess; nur beim Aufwindkraftwerk wird dieser Prozess durch das Auftriebsprinzip ersetzt, wobei aber der Auftrieb ebenfalls wärmeinduziert erzeugt wird) in

      Rotations- bzw. mechanische Energie umwandeln und dann

      - durch eine mechanisch-elektrische Wandlung schließlich elektrische Energie bereitstellen.

   3. 12. Nutzung der Energien des Meeres

      Jochen Bard, Kai-Uwe Graw, Martin Kaltschmitt

      Zusammenfassung

      Die Nutzung der Meeresenergie umfasst sehr verschiedenartige Ressourcen im Meer, die in unterschiedlichen Energieformen (mechanisch, thermisch und chemisch) auftreten können. Demzufolge sind auch die jeweiligen Technologien zur Nutzung dieser Ressourcen sehr unterschiedlich. Dies umfasst neben Anlagen zur Nutzung der Gezeiten, der Meereswellen und der Meeresströmungen auch Systeme, welche die Differenz im Salzgehalt von Süßwasser und Meerwasser nutzen sowie Anlagen, welche die Temperaturdifferenz zwischen dem warmen Oberflächenwasser und dem kalten Tiefenwasser beispielsweise zur Breitstellung elektrischer Energie ausnutzen. Nachfolgend werden die jeweiligen Nutzungsprinzipien bzw. -konzepte dieser Optionen dargestellt.

   4. 13. Energetische Nutzung von Biomasse

      Martin Kaltschmitt

      Zusammenfassung

      Unter dem Begriff „Biomasse“ werden Stoffe organischer Herkunft (d. h. kohlenstoffhaltige Materie) zusammengefasst. Biomasse beinhaltet damit

      - die in der Natur lebende Phyto- und Zoomasse (Pflanzen und Tiere),

      - die daraus resultierenden Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle (z.B. tierische Exkremente),

      - abgestorbene (aber noch nicht fossile) Phyto- und Zoomasse (z.B. Stroh) und

      - im weiteren Sinne alle Stoffe, die beispielsweise durch eine technische Umwandlung und/oder eine stoffliche Nutzung entstanden sind bzw. anfallen (z.B. Papier und Zellstoff, Schlachthofabfälle, organische Hausmüllfraktion, Pflanzenöl, Alkohol).

   5. 14. Speicher

      Jerrit Hilgedieck, Martin Kaltschmitt, Jelto Lange, Wolfgang Streicher

      Zusammenfassung

      Energiespeicher sind bereits seit langem etablierte und oft auch zwingend notwendige Bestandteile von Energieversorgungsstrukturen. Sie werden unabhängig von der Art der Energiebereitstellung in Energiesystemen standardmäßig eingesetzt, um beispielsweise angebotsorientiert bereitgestellte elektrische Energie von lastschwachen in laststarke Zeiten zu verschieben (z.B. durch Pumpspeicherkraftwerke) oder die durch eine Ein-Aus- Fahrweise bereitgestellte Wärme zur sicheren Deckung der Wärmenachfrage zwischen zu speichern (z.B. durch einen Warmwasserspeicher).

   6. 15. Stromnetze

      Christian Becker

      Zusammenfassung

      Die folgenden Ausführungen befassen sich mit den technischen Grundlagen, Komponenten und Wirkungsweisen elektrischer Energienetze. Zunächst werden einführende physikalische Grundlagen erläutert, bevor daran anschließend alle wichtigen Komponenten für Drehstromnetze vorgestellt werden. Darin werden auch leistungselektronische Stromrichter beschrieben, die insbesondere zur Netzanbindung erneuerbarer Energieumwandlungsanlagen, aber auch in Netzreglern und gleichstromübertragenden Netzelementen eingesetzt werden. Nach der Darstellung wichtiger Netzstrukturen werden der Begriff des Leistungsflusses sowie die Netzberechnung eingeführt. Abschließend werden elementare Zusammenhänge zu Leistungsbilanzen in elektrischen Energienetzen im Hinblick auf das systemische Zusammenwirken der Netzkomponenten grundlegend erläutert.

   7. 16. Wärmenetze

      Ingo Weidlich

      Zusammenfassung

      Wärmenetze dienen der leitungsgebundenen Verteilung von thermischer Energie. Sie verbinden Wärmequellen mit Wärmeabnehmern. Diese Wärmeverteilung erfolgt vorrangig mit dem Ziel der Deckung der Nachfrage nach Raumwärme und für industrielle Anwendungen. Im Vergleich zu individuellen, dezentralen Lösungen ergeben sich für Wärmenetze immer dann Vorteile, wenn hohe Wärmenachfragedichten vorliegen und/oder lokal/regional „überschüssige“ Wärme vorhanden ist; darunter ist beispielsweise Abwärme aus Kraft-Wärme-Kopplungs-Prozessen (KWK-Prozessen) zu verstehen, die am Standort der Konversionsanlage nicht energiewirtschaftlich genutzt werden kann und deshalb als „Abfall“ oder ggf. als „Nebenprodukt“ anzusehen ist. Hohe Wärmenachfragedichten, die eine Nutzung dieser Abwärme ökonomisch vielversprechend erscheinen lassen, finden sich beispielsweise in stark besiedelten Siedlungsgebieten und in Industriegebieten; deshalb sind in den großen europäischen Städten bzw. in den entsprechenden Metropolregionen in der Regel derartige Wärmenetze vorhanden [16.1].

4. Backmatter