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Über dieses Buch

Kurz und prägant werden die Energieumwandlungsprozesse dargestellt. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energieverteilung und zum Kyoto-Protokoll. Zu allen Kapiteln gibt es Aufgaben mit vollständigen Lösungen im Anhang. In der aktuellen Auflage sind die Grundlagen der Energiewandlung deutlich um verfügbare Energiequellen, Energieträger und den globalen Energiebedarf erweitert. Das Kapitel 19 wurde von seinem neuen Autor grundlegend neu gefasst und heißt nun „Marktliberalisierung und Energiewende“. Alle Kapitel wurden aktualisiert und die Inhalte didaktisch noch verständlicher dargestellt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

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.
Die natürlich vorkommenden Energieträger und der Energiebedarf sind global ungleich verteilt. Industrialisierte Länder haben einen ungleich höheren personenspezifischen Bedarf als Dritte‐Welt‐Länder. Der Energiebedarf korreliert mit der Wirtschaftskraft bzw. dem Bruttosozialprodukt.
Ebenso zeigt sich ein Zusammenhang zwischen Energiebedarf bzw. Bruttosozialprodukt und Lebenserwartung, Kindersterblichkeit, Analphabetentum und Kinderanzahl. Als Maß für den Energieverbrauch ist international durchaus noch die Öleinheit ÖE oder Rohöleinheit gebräuchlich, die auf dem Heizwert von einem Kilogramm Erdöl beruht: 1 ÖE = 42.000 kJ. Analog gilt für die Steinkohleneinheit SKE: 1 SKE = 29.307,6 kJ ≈ 0,7 ÖE.
Richard Zahoransky

2. Energietechnische Grundlagen

Kap. 2 stellt kurz die verschiedenen Energieformen mechanisch, thermisch, chemisch etc. vor und das Prinzip von der Erhaltung der (Gesamt‑)Energie. Die Möglichkeit zur Umwandlung von thermischer Energie in nutzbare mechanische Energie durch Kreisprozesse, mit dem theoretischen Carnot‐Prozess als Obergrenze des Umwandlungswirkungsgrades, wird erläutert. Die Angabe der Größenordnung des regenerativen Energieangebots und des anthropogenen Umsatzes und die Unterscheidung zwischen Primär‑ und Sekundärenergien schließen das Kapitel ab.
Udo Schelling

3. Überblick, Energiequellen und Energiebedarf

Die Energietechnik wandelt natürliche Energievorkommen in für den Menschen nutzbare Formen um. Die in vier Klassen einteilbaren Energieformen lassen sich alle umwandeln.
Zwar führen Energieumwandlungen zu keinen Energieverlusten, jedoch entstehen meist auch unerwünschte, nicht nutzbare Energieformen. Der Umwandlungswirkungsgrad ηUm ist definiert zu
$$ \upeta _{\text{Um}} = \text{E}_{\text{i}}/\text{E}_{\text{ges}} $$
(3.1)
mit EGes: Gesamter Energieinhalt und Ei: Energieinhalt der Energieform, in die umgewandelt werden soll.
Die derzeit maximal erreichbaren Umwandlungswirkungsgrade einiger energetisch interessierender Prozesse sind aufgeführt. Es sind Anhaltswerte, die je nach angewandter Technik und Investitionsaufwand stark variieren. Der Umwandlungswirkungsgrad ist nur einer von vielen Parametern, nach denen ein technischer Prozess für einen Anwendungsfall ausgewählt wird. So sind Wirtschaftlichkeit, Leistungsgröße, Akzeptanz der Bevölkerung, Ökologie, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der umzuwandelnden Energieform Grundlage von Investitionsentscheidungen.
Ein hoher Umwandlungsgrad ist nicht gleichbedeutend mit hoher Wirtschaftlichkeit. Brennstoffzellen und Kombinationskraftwerke, die bei der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie den höchsten Wirkungsgrad aufweisen, benötigen Erdgas, das deutlich teurer als der Festbrennstoff Kohle ist.
Richard Zahoransky

4. Konventionelle Dampfkraftwerke

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.
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts erreichte die elektrische Energie den Verbraucher, wobei zunächst die Wasserkraft genutzt wurde. Mit der Kolbendampfmaschine beginnt im 18. Jahrhundert die Nutzung thermischer Prozesse. Anfang des 20. Jahrhunderts setzten sich Dampfturbinen durch. Zwischen 1965 und 1985 erfolgten in Deutschland vor allem Investitionen in Kernkraftwerke. Der heutige Zubau konzentriert sich auf Kombikraftwerke von Gasturbinen und Dampfkraftwerken. Mit thermischen Kraftwerken lässt sich nicht nur elektrische Energie erzeugen, sondern auch die Kraft‐Wärme‐Kopplung realisieren.
Bei der Erzeugung elektrischer Energie dominieren weltweit die Dampfkraftwerke. Dieses Kapitel behandelt die fossilen Energieträger als wirtschaftlich bedeutendste und verbreitetste Wärmequelle für Dampfkraftwerke. Die anderen Wärmequellen wie Kernspaltung, Müll, Biomasse und Solarenergie sind separaten Kapiteln vorbehalten.
Richard Zahoransky

5. Kernkraftwerke

In diesem Kapitel sollen die physikalisch‐technischen Grundlagen der Kernspaltung und deren konkrete Umsetzung in Kraftwerken vermittelt werden. Daher beinhaltet der erste Teil des Kapitels die naturwissenschaftlichen Grundlagen der Reaktorphysik, in der die Thematik auf die allerwichtigsten Fakten beschränkt wurde. Der zweite Teil des Kapitels befasst sich mit dem Aufbau von Brennelementen und dem Reaktor selbst für die einzelnen Reaktortypen, so dass der Leser mit diesem Hintergrundwissen die Ausführungen zur Reaktorsicherheit, insbesondere zum Unfall im japanischen Kernkraftwerk Fukushima Daiichi 2011 nachvollziehen kann.
Weiterhin werden die Themenbereiche Entsorgung, Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brennelementen und deren Transport aufgegriffen. Abschließend wird auf das Gegenstück zu den klassischen Kernkraftwerken, die geplanten Fusionskraftwerke, eingegangen.
Mit diesem Kapitel wird nicht angestrebt, alle in einem Kernkraftwerk ablaufenden Prozesse und alle Konzepte detailliert darzustellen. Vielmehr werden in einem ersten Abriss die kerntechnischen Grundlagen zum Verständnis dieser ingenieurstechnisch höchst anspruchsvollen Technologie vorgestellt und die wichtigen Informationen für die Energiewirtschaft vermittelt. Wer weitergehendes Detailwissen anstrebt, möge sich des Literaturverzeichnisses bedienen.
Hans-Josef Allelein

6. Gasturbinen-Kraftwerke

Stationäre Gasturbinen‐Kraftwerke zur Stromerzeugung wurden zuerst von Holzwarth Anfang des 20. Jahrhunderts zur kommerziellen Reife entwickelt und bis zum 2. Weltkrieg hergestellt. Hierbei handelte es sich um Verpuffungs‐Gasturbinen mit isochorer Wärmezufuhr. 1939 präsentierte die Firma BBC auf der Zürcher Landesausstellung die erste stationäre Gasturbine mit isobarer Wärmezufuhr, nach deren Prinzip die heutigen Gasturbinen aufgebaut sind. Diese 4 MW Maschine ist noch heute in Neuchâtel betriebsbereit. Friedrich Stolze gilt als Erfinder dieser Gasturbinen‐Bauweise. Seine erste, schon 1904 bei BBC gebaute Anlage, erbrachte jedoch wegen zu geringer Maschinenwirkungsgrade und zu geringer Turbineneintrittstemperatur keine Nutzleistung.
Stationäre Gasturbinen dienen in der Energieversorgung als Spitzenlastanlage, zur Kraft‐Wärmekopplung und als integrierter Bestandteil von Kombinationskraftwerken mit einem nachgeschalteten Dampfkraftwerk (siehe Kap. 7). Das Arbeitsmedium üblicher offener Gasturbinen ist Luft und Rauchgas. Das Wort Gasturbine rührt nicht vom Brennstoff her, der gasförmig, flüssig oder sogar fest sein kann, sondern vom gasförmigen Arbeitsmedium. Der Brennstoff wird – von Ausnahmen abgesehen – dem angesaugten Arbeitsmedium Luft zugeführt, so dass eine innere Verbrennung stattfindet. Das Abgas wird in die Atmosphäre abgegeben.
Richard Zahoransky

7. Kombinationskraftwerke

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:
  • höchste thermische Wirkungsgrade bis 60 %,
  • geringe CO2‐Emission,
  • geringe Brennstoffkosten trotz Einsatz der hochwertigen fluiden Brennstoffe Erdgas oder Heizöl,
  • geringe spezifische Investitionskosten,
  • kurze Bauzeiten,
  • Leistungseinheiten von ca. 50 MW bis über 1000 MW,
  • hohe Flexibilität,
  • geringe Schadstoff‑ und Lärmemissionen,
  • hohe Akzeptanz bei der Bevölkerung.
Bei Dampfkraftwerken ist das obere Temperaturniveau derzeit aus wirtschaftlichen und thermodynamischen Gründen auf etwa 550 °C bis 600 °C beschränkt. Demgegenüber erreichen moderne stationäre Gasturbinenanlagen Turbineneintrittstemperaturen von deutlich über 1000 °C, was Abgastemperaturen über 500 °C ergibt. Es bietet sich an, mit dem Abgasstrom der Gasturbine einen Dampfkraftwerksprozess mittels eines Abhitzekessels zu „beheizen“.
Ein derartiges Kombikraftwerk vereinigt den thermodynamischen Vorteil der Gasturbine, d. h. Wärmezufuhr bei hoher Temperatur, mit dem des Dampfkraftwerks, also Wärmeabfuhr bei niedriger Temperatur. Der wärmeabgebende Prozess wird im angelsächsischen Sprachraum mit Topping Cycle und der wärmeaufnehmende mit Bottoming Cycle bezeichnet.
Richard Zahoransky

8. Stationäre Kolbenmotoren für energetischen Einsatz

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, 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.
Richard Zahoransky

9. Brennstoffzellen

Kap. 9 beginnt mit einer kurzen historischen Einführung und beschreibt dann nach einer ersten Klassifizierung das Funktionsprinzip und die thermodynamischen Grundlagen der direkten Umwandlung chemischer in elektrische Energie. Es folgen die verschiedenen Wirkungsgraddefinitionen und Verlustursachen und das sich daraus ergebende typische Betriebsverhalten einer Brennstoffzelle mit höherem Wirkungsgrad im Teillastbereich. Es werden die Anwendungsgebiete, die notwendigen Grundkomponenten und der Stand der Entwicklung der verschiedenen Typen AFC, PEFC, PAFC, MCFC und SOFC besprochen, Vor‑ und Nachteile diskutiert und einige ausgeführte Anlagen vorgestellt.
Udo Schelling

10. Blockheiz-Kraftwerke BHKW, Kälteanlagen,Wärmepumpen und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Die thermischen Wirkungsgrade von Kraftwerken zur Stromerzeugung sind relativ gering. Beispielsweise erreichen moderne Kohlekraftwerke heute bis etwa 45 %, Gasturbinen maximal 40 % und Diesel‐Motoren nicht über 50 %. Kombinations‐Kraftwerke, d.h. Gas‑ und Dampfturbinen‐Prozesse, können an die 60 % thermischer 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 Heizzwecke genügt eine Temperatur der Abwärme von 60 bis 80 °C, während die Erzeugung von Industriedampf deutlich höhere Temperaturen voraussetzt.
Wird neben der mechanischen Energie auch Wärme als Nutzen angesehen, so reicht der thermische Wirkungsgrad \( \upeta_{\text{th}}=\text{P}_{\text{mech}}/ {{\dot{\text{Q}}}_{\text{zu}}}\) nicht mehr zur Beschreibung der Prozessgüte aus. Zweckmäßig ist der Brennstoffnutzungsgrad ηBst, der den Nutzwärmestrom \( {{\dot{\text{Q}}}_{\text{Nutz}}}\) gleichwertig zur elektrischen bzw. mechanischen Leistung setzt:
$$ \upeta _{\text{Bst}} = ({{\dot{\text{Q}}}_{\text{Nutz}}}+ \text{P}_{\text{el}})/{{\dot{\text{Q}}}_{\text{zu}}} $$
(10.1)
$$ \text{bzw. } \upeta _{\text{Bst}} = ({{\dot{\text{Q}}}_{\text{Nutz}}}+ \text{P}_{\text{mech}})/{{\dot{\text{Q}}}_{\text{zu}}} $$
(10.2)
Die Temperatur und der Aggregatzustand (flüssiger oder dampfförmiger Wärmeträger) charakterisieren die Qualität der Nutzwärme. Eine Nutzwärme bei hoher Temperatur kann auch für verfahrenstechnische Prozesse, die oft eine hohe Temperatur benötigen, genutzt werden. Für Nutzwärme mit hoher Temperatur lassen sich deshalb höhere Preise erlösen. Deshalb ist die Nutzwärme‐Temperatur eine weitere Kenngröße.
Richard Zahoransky

11. Wasserkraftwerke

Die Wasserkraft ist global die bedeutendste erneuerbare Energiequelle. Sie hat in Deutschland einen stagnierenden Anteil von ca. 3,5 % der gesamten Stromerzeugung. In Deutschland wurde die Wasserkraft bei der regenerativen Stromerzeugung durch die Windkraft, Photovoltaik und der Biomassevergasung (inklusive biogener Anteil in Müllkraftwerken) überholt. Die Wasserkraft ist andererseits eine gut berechenbare Energiequelle und unterliegt nicht den nur kurzfristig vorhersehbaren Schwankungen der Wind‑ und Solarenergien.
In Norwegen und in Island, beispielsweise, basiert die Stromerzeugung ausschließlich auf der Wasserkraft. In Industrieländern sind Speicher‑ oder Pumpspeicherkraftwerke als Regel‑ und Spitzenlastkraftwerke und Laufwasserkraftwerke für die Grundlast im Einsatz. Die Nutzung der Wasserkräfte lässt sich noch in Asien, Südamerika und Afrika nennenswert ausbauen. Dem Ausbau stehen Naturschutzbedenken entgegen. Bestehende Stauseen genießen andererseits ökologische Wertschätzung und werden als Naherholungsgebiete genutzt.
In den USA wurden als Beschäftigungsprogramm in der Wirtschaftsdepression der dreißiger Jahre große Wasserkraftwerke angelegt, die bekanntesten am Colorado‐River. Obwohl keine Brennstoffkosten anfallen, ist nicht immer die Wirtschaftlichkeit gegeben, da die Investitionskosten der Wasserbauten hoch sind. Die Mischkalkulation in Kombination mit der Schiffbarmachung, Verhinderung von Überschwemmungen, Anlegen von Trinkwasserreservoirs verbessert die Konkurrenzfähigkeit.
Richard Zahoransky

12. Solartechnik

Die Sonne stellt der Erde ausreichend Energie in Form von Strahlung zur Verfügung. Diese Energie treibt von jeher eine Vielzahl natürlicher Prozesse auf der Erde an. Das Kap. 12 Solartechnik erläutert die Qualität der Solarstrahlung und liefert Zahlen zur Leistung und Energie der Solarstrahlung. Im Abschnitt 12.3 Solarthermische Nutzung wird das Prinzip der Energieumwandlung in Sonnenkollektoren und deren Charakterisierung dargestellt. Solarthermische Systeme schließen diesen Themenbereich ab. Im Kapitel Photovoltaik wird sowohl das Umwandlungsprinzip als auch der Aufbau von PV‐Generatoren erläutert. Abschließend wird ein Überblick über die Technologie solarthermischer Kraftwerke gegeben.
Elmar Bollin

13. Windenergie

Die Griechen bauten wahrscheinlich schon im ersten Jahrhundert unserer Zeitrechnung Windmühlen. Ab dem Jahr 600 n. Chr. sind sie mit vertikalen Drehachsen in Persien bekannt. Weit früher wurde die Windenergie zum Antrieb von Schiffen verwendet. Die Niederlande nutzten im 17. und 18. Jahrhundert Windmühlen, um ihre Landflächen durch Leerpumpen eingedeichter Flächen zu vergrößern.
In Deutschland bewirkte das EEG einen enormen Zuwachs an Windanlagen, da es die in das öffentliche Netz eingespeiste elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen hoch vergütet.
Richard Zahoransky

14. Energetische Verwertung von Biomasse

Etwa 0,1 % der Solarenergie wandeln sich durch Photosynthese aus dem Kohlendioxid der Luft in Biomasse um. Die Biomassen sind als Festbrennstoff nutzbar oder zu gasförmigen Brennstoffen weiterverarbeitbar. Zwei Arten von Biomassen sind zu unterscheiden:
  • Anfallende Biomasse
  • Angebaute Biomasse.
Als anfallende Biomassen gelten Hölzer der Forstwirtschaft und holzverarbeitenden Industrie sowie landwirtschaftliche Abfall‑ und Nebenprodukte wie Stroh und Fäkalien. Langfristige Projekte propagieren den Anbau von Energiepflanzen, die als Festbrennstoff oder als Ausgangsmaterial für flüssige und gasförmige Brennstoffe dienen. Als angebaute Biomassen kommen schnellwachsende Gräser (C4‐Pflanzen), Raps und Miscanthus infrage. Anfallende Biomasse, also Abfallbiomasse, ist deutlich preisgünstiger als angebaute Biomasse. Das Kapitel gibt den Überblick zur energetischen Nutzung von Biomasse.
Wegen des geringen volumenbezogenen Heizwertes der Biomassen sind Transportwege zu minimieren. Nur kleine, dezentrale Anlagen am Ort des Biomassenanfalls sind sinnvoll, die Leistungen bis in den unteren Megawattbereich aufweisen.
Richard Zahoransky

15. Nutzung geothermischer Energie

Mit zunehmender Tiefe nimmt die Erdtemperatur zu. Im flüssigen inneren Erdkern herrschen Temperaturen von 3000 bis 6000 K. Durch Wärmeleitung entsteht ein Wärmestrom zur kalten Erdoberfläche. Nur an wenigen Stellen in der oberen Erdkruste wird Erdwärme durch Wasser‑ und Dampfströmungen an die Oberfläche befördert. Die vom Erdkern abgegebene Wärme wird zu etwa 60 % durch den im Kern ablaufenden radioaktiven Zerfall, im Wesentlichen der Elemente Kalium K‐40, Thorium Th‑232, Uran U‐235 und U‑238, gespeist. Der Rest der Wärme zählt zur Ursprungswärme, die einmal bei der Erdentstehung entstand und zum anderen durch umgewandelte kinetische Energie großer Meteoriteneinschläge sowie permanent durch die Erstarrung des Erdkernmaterials in der Übergangszone vom flüssigen zum festen Kern freigesetzt wird. Die Erstarrung setzt Kristallisationswärme (Latentwärme) frei. Die Geothermie ist für menschliche Zeitvorstellungen unerschöpflich, obwohl sich langfristig die Erde abkühlt.
Die Geothermie ist eine stetig verfügbare, von Witterungseinflüssen, Tages‑ und Jahreszeiten unabhängige Energiequelle, was sie von anderen unerschöpflichen Energien unterscheidet.
Richard Zahoransky

16. Energetische Müllverwertung

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). Die Gesetzeslage zwingt in Deutschland zur Verbrennung des Mülls, um schädliche Auswirkungen auf Boden und Grundwasser zu minimieren. Müllverbrennungsanlagen sind mit aufwändiger Rauchgasreinigung ausgerüstet. Diese Anlagen dienen meist dazu, mittels eines Dampfkreislaufs neben Nutzwärme auch elektrische Energie zu erzeugen. Auf Mülldeponien werden die entstehenden Gase abgesaugt, die abgefackelt werden oder dem Betrieb von Gasmotoren dienen.
Richard Zahoransky

17. Energieverteilung

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.
Zur vergleichenden Beurteilung des Energietransports dienen folgende spezifische Kenngrößen:
  • Transportkapazität; förderbarer Energiestrom pro Leitung in kW.
  • Entfernungsspezifischer Wirkungsgrad; abnehmerseitig nutzbare Energie (eingespeiste Energie abzüglich Transportenergie) bezogen auf die eingespeiste Energie und Entfernungseinheit, z. B. in %/km.
  • Spezifische Förderkosten; Kosten bezogen auf transportierte Energie und Entfernung in Euro/(kJ · m). Diese spezifischen Förderkosten lassen sich in spezifische Investitions‑ und Betriebskosten aufschlüsseln.
  • Spezifische Investitionskosten; Baukosten bezogen auf transportierbare bzw. transportierte Energie und Länge in Euro/(kJ · m).
  • Spezifische Betriebskosten; Kosten des Betriebs (Unterhalt, Wartung, Reparatur, Messung, Energieverluste beim Transport, …) bezogen auf transportierte Energie und Länge in Euro/(kJ · m).
Nachfolgend wird zuerst das Elektro‐Energiesystems vorgestellt und danach einige Erläuterungen zu Transporttechniken für Wärme und andere Energieträger gegeben.
Harald Schwarz

18. Energiespeicherung

Im Zuge der 2011 in Deutschland politisch beschlossenen „Energiewende“ kommt der Speicherung von Energie eine zentrale Bedeutung zu. Energiespeicher sind notwendig, um das Zusammenspiel von Angebot und Nachfrage zu koordinieren, um somit ein stabiles Gleichgewicht herzustellen. Zu den Energiespeichern zählen Speicher elektrischer Energie, Brennstoffspeicher sowie Wärmespeicher. Elektrizität ist eine der wenigen Energieformen, die nicht an einen Stoff gebunden ist und nur durch das elektrische Feld eines Kondensators, durch das elektromagnetische Feld einer Spule oder durch Umwandlung in eine andere Energieform speicherbar ist.
Speicher für elektrische Energie sind heute sowohl aus ökonomischen als auch aus technischen Gründen unabdingbare Bestandteile der Stromversorgung. In den Industrieländern wird die störungsfreie Versorgung mit elektrischer Energie als selbstverständlich angesehen. Zur Sicherstellung einer störungsfreien Stromversorgung als auch zur Gewährleistung einer hohen Versorgungssicherheit müssen Ungleichgewichte zwischen Angebot und Nachfrage zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen werden. Durch den Einsatz von Speichern erfolgt eine teilweise Entkopplung der Stromerzeugung vom Stromverbrauch. Die Einsatzbereiche elektrischer Speicher sind vielfältig. Sie bestehen sowohl im Tages‑, Wochen‑ und Jahreslastausgleich als auch in der unterbrechungsfreien Stromversorgung und der Bereitstellung einer Wirkleistungssekundenreserve.
Richard Zahoransky, Hans-Josef Allelein

19. Marktliberalisierung und Energiewende

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.
Das Ziel dieses Kapitels besteht darin, die gesetzlichen Rahmenbedingungen in Deutschland zur Liberalisierung des Strom‑ und Gasmarktes sowie zur Förderung der erneuerbaren Energien im Zeitablauf zu skizzieren. Ferner werden für den Strommarkt die Preisentwicklung und die Wettbewerbsentwicklung dargestellt. Wenngleich der Fokus auf dem Strommarkt liegt, wird bei der Liberalisierung im letzten Abschnitt die Marktöffnung und Wettbewerbsentfaltung des Gasmarkts beschrieben und bei der Energiewende auch auf die Sektoren Wärme und Verkehr eingegangen.
Dominik Wörsdörfer

20. Kyoto-Protokoll

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) angewandt.
Die 16 Länder mit dem absolut größten CO2‐Ausstoß sind gelistet. Die Länder sind nach Pro‐Kopf‐Emissionen aufgeführt. Zwar hat China die USA bei den absoluten Emissionen überholt, doch weisen die USA weiterhin die höchste Pro‐Kopf‐Erzeugung aus. Trotz relativ geringem Bruttosozialprodukt emittiert Russland pro Kopf erstaunlich viel CO2. Dies rührt noch von der ineffizienten Energieversorgung, der maroden Haustechnik und veralteter Industrie aus kommunistischer Planwirtschaft her.
Richard Zahoransky

21. Lösungen der Übungsaufgaben

Am Ende jeden Kapitels sind Übungsaufgaben zum Selbststudium gelistet. In diesem abschließenden Kapitel sind die Lösungen ausführlich mit Zwischenschritten dargestellt.
Richard Zahoransky

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