Regenerative Energiesysteme

Der Begriff Energie ist uns sehr geläufig, ohne dass wir uns darüber noch Gedanken machen. Dabei wird er in den unterschiedlichsten Zusammenhängen verwendet. So spricht man von der Lebensenergie oder im Sinne von Tatkraft oder Temperament auch von einem Energiebündel.

Die Sonne ist die mit Abstand größte regenerative Energiequelle. Erdwärme und die Planetenanziehung sind, wie in Kapitel 1 bereits erläutert, im Vergleich zur Energie der Sonne unbedeutend. Die Sonnenstrahlung kann direkt durch solarthermische oder photovoltaische Anlagen genutzt werden. Auch die Windkraft und Wasserkraft basieren letztendlich auf der Energie der Sonne und können auch als indirekte Sonnenenergie bezeichnet werden. Da die genaue Kenntnis der Sonnenstrahlung für die Berechnung und Simulation vieler regenerativer Energiesysteme von Bedeutung ist, ist dieses Kapitel dem Themengebiet Solarstrahlung gewidmet. Es umfasst hauptsächlich Berechnungen aus dem Bereich der Photometrie. Die wichtigsten photometrischen Größen sind in Tabelle 2.1 dargestellt, wobei bei der Nutzung der Sonnenenergie hauptsächlich die strahlungsphysikalischen Größen von Bedeutung sind. Die lichttechnischen Größen beziehen sich lediglich auf den sichtbaren Anteil des Lichtes, wohingegen Solaranlagen auch den nicht sichtbaren ultravioletten und infraroten Anteil ausnutzen können.

Die Solarthermie spielt bei der Nutzung der Sonnenenergie eine besonders wichtige Rolle. Die Geschichte der Solarthermie reicht sehr weit zurück. So brachte bereits 214 v. Chr. Archimedes Wasser mit Hilfe eines Hohlspiegels zum Kochen.

Die Arbeitstemperaturen von nicht konzentrierenden Kollektoren sind begrenzt. Mit guten Vakuumröhren lassen sich zwar durchaus Temperaturen von über 200 °C erreichen, wie in Kapitel 3 gezeigt wurde. Höhere Temperaturen sind jedoch kaum möglich und der Wirkungsgrad nimmt aufgrund der stark steigenden Wärmeverluste bei Temperaturen über 100 °C rapide ab. Im Bereich der Prozesswärme oder der Stromerzeugung über thermische Kreisprozesse sind deutlich höhere Temperaturen nötig. Diese lassen sich bei guten Wirkungsgraden nur über die Konzentration der Solarstrahlung erreichen.

Der Begriff Photovoltaik wird aus den Wörtern Photo und Volta gebildet. Photo (griechisch phõs, photós: Licht) steht für das Licht und Volta (Graf Volta, 1745-1827, italienischer Physiker) für die Einheit der elektrischen Spannung. Das heißt Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. Seit der Rechtschreibereform ist auch die Schreibweise Fotovoltaik zulässig.

Die Windenergie ist im Gegensatz zu der bisher erläuterten direkten Sonnenenergie eine indirekte Art der Sonnenenergie. Durch den Einfluss der Sonne kommt es zu Temperaturunterschieden auf der Erde, wodurch der Wind entsteht. Dieser kann dann technisch genutzt werden. Der Wind erreicht deutlich höhere Leistungsdichten als die eintreffende Sonnenenergie. Im Gegensatz zur maximalen solaren Bestrahlungsstärke von etwa 1 kW/m² auf der Erde werden beim Wind bei einem schweren Sturm Leistungsdichten von 10 kW/m² und bei Orkanstärke sogar bis über 25 kW/m² erreicht. Tornados und Hurricans kommen sogar auf über 100 kW/m². Ein durchschnittlicher Wind mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s verfügt hingegen nur über eine geringe Leistungsdichte von 0,075 kW/m².

Die Anzahl der Wasserkraftanlagen in der Welt oder in Europa ist heute deutlich geringer als zur Blütezeit Ende des 18. Jahrhunderts. Damals drehten sich 500 000 bis 600 000 Wassermühlen allein in Europa [Kön99]. Die Hauptnutzung fand in Frankreich statt, aber auch in anderen europäischen Ländern liefen tausende von Anlagen. Nicht nur Mühlen, sondern auch eine Vielzahl anderer Arbeits- oder Werkzeugmaschinen wurden durch Wasserräder angetrieben. Entlang von Wasserläufen war das Bild durch Wassermühlen mit Kehrrädern von bis zu 18 Metern Durchmesser geprägt. Die durchschnittliche Leistung der damaligen Wasserräder war mit 3 bis 5 kW eher bescheiden, auch wenn bei größeren Rädern Spitzenwerte von über 40 kW erreicht wurden.

Auch wenn es im Winter bei frostigen Temperaturen kaum vorstellbar ist: Die Erde ist ein heißer Planet. 99 % der Erde sind wärmer als 1000 ^°C. Durch radioaktive Zerfallsprozesse im Inneren unseres Planeten entstehen Temperaturen von 6500 ^°C, das ist höher als auf der Oberfläche der Sonne. Das Innerste der Erde entzieht sich jedoch weitgehend den Möglichkeiten des Menschen zur technischen Nutzung. Nur wenn zum Beispiel ein Vulkanausbruch Teile des Erdinneren unkontrolliert an die Erdoberfläche befördert, wird uns die innere Struktur unseres Planeten wieder bewusst.

Unter Biomasse werden Stoffe organischer Herkunft, in der Natur lebende oder wachsende Materie und Abfallstoffe von lebenden und toten Lebewesen verstanden. Fossile Energieträger, die durch Umwandlungsprozesse auch aus Biomasse entstanden sind, werden im Allgemeinen nicht als Biomasse bezeichnet.

Wasserstoff und Brennstoffzellen haben in der Öffentlichkeit ein sehr positives Image. Deshalb investierten große Konzerne enorme Geldsummen in die Entwicklung von Brennstoffzellen im Transportbereich und Haussektor. Die Frage, mit welchem Brennstoff diese Brennstoffzellen betrieben werden sollen, ist dabei jedoch noch offen. Regenerativ erzeugter Wasserstoff ist derzeit faktisch nicht verfügbar. Eine wirtschaftliche Produktion erscheint auch in den nächsten Jahren wenig wahrscheinlich. Darum werden die ersten kommerziellen Brennstoffzellen erst einmal auf Erdgasbasis arbeiten.

Die Frage der Wirtschaftlichkeit spielt bei der Anwendung erneuerbarer Energien eine Schlüsselrolle, denn die Wirtschaftlichkeit ist eines der Hauptargumente, das den Einsatz erneuerbarer Energien oftmals verhindert. Bei der Planung und Durchführung von Projekten steht meist nicht im Vordergrund, wie das Projekt technisch oder ökologisch optimal durchgeführt werden kann, sondern es wird die Lösung bevorzugt, die aus Sicht der Betriebswirtschaft optimal ist. Volkswirtschaftlich gesehen hat diese Handlungsweise jedoch häufig negative Auswirkungen, und die Folgen für die Umwelt werden nicht ausreichend berücksichtigt. Deshalb werden im zweiten Teil dieses Kapitels die herkömmlichen betriebswirtschaftlichen Bewertungskriterien einer kritischen Betrachtung unterzogen.

Programme zur Simulation und Berechnung von regenerativen Energiesystemen haben in der Vergangenheit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Oftmals werden Programme zur Vorhersage des Energieertrags, zur Dimensionierung von Anlagen oder zur Wirtschaftlichkeitsanalyse eingesetzt. Darüber hinaus erweisen sich Simulationsprogramme bei der Entwicklung neuartiger Anlagenkonzepte als sehr nützlich. Durch vorherige Berechnung und Simulation können Fehler vermieden werden, die sich sonst erst bei Anlagenprototypen zeigen würden. Somit kann die Simulation zu erheblichen Kosten- und Zeiteinsparungen bei der Entwicklung beitragen.