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Über dieses Buch

Dieses Standardwerk stellt die physikalisch-technischen Grundlagen und die aktuelle Systemtechnik für Anlagen zur Nutzung regenerativer Energien zur Strom- und Wärmebereitstellung dar. Außerdem gibt es einen umfassenden Überblick über die Charakteristik des erneuerbaren Energieangebots. Ausgehend davon werden Kennzahlen für eine ökonomische und ökologische Bewertung zugänglich gemacht und die Potenziale der regenerativen Energien und deren derzeitige Nutzung in Deutschland diskutiert. Im Einzelnen werden die folgenden Optionen zur Nutzung des regenerativen Energieangebots aufgezeigt:

- passive Solarenergienutzung,
- solarthermische Wärmebereitstellung,
- photovoltaische und solarthermische Stromerzeugung (u. a. Solarfarm- und Solarturmkraftwerke),
- Stromerzeugung aus Windenergie und Wasserkraft,
- Wärmebereitstellung mithilfe von Wärmepumpen aus Umgebungsluft und oberflächennaher Erdwärme,
- Strom- und Wärmebereitstellung aus der Energie des tiefen Untergrunds.

Zusätzlich werden kursorisch die Möglichkeiten einer Nutzung der Meeresenergien dargestellt. Nicht diskutiert wird dagegen die Energiegewinnung aus Biomasse.

Für die 5. Auflage wurden u. a. die photovoltaische Stromerzeugung vollständig aktualisiert, die passive und aktive solarthermische Wärmegewinnung umfassend überarbeitet, die Windkraftnutzung einschließlich der Offshore-Windstromerzeugung dem aktuellen Stand der Technik angepasst und die Möglichkeiten einer geothermischen Strom- und Wärmeerzeugung neu strukturiert dargestellt. Außerdem wurden die Grundlagen des regenerativen Energieangebots erweitert.

Neben seiner Eignung für die universitäre und außeruniversitäre Lehre bietet das Buch Entscheidungsträgern in Energiewirtschaft, Politik, Verwaltung und Administration sowie Wissenschaftlern und Beratern eine fundierte, verlässliche und hochaktuelle Wissensbasis.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung und Aufbau

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.
Martin Kaltschmitt, Marina Stegelmeier, Wolfgang Streicher, Jana Weinberg

2. Grundlagen des regenerativen Energieangebots

Zusammenfassung
Die Energieströme auf der Erde speisen sich aus verschiedenen Quellen, die im Folgenden zunächst dargestellt werden. 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.
Ernst Huenges, Klaus Jorde, Martin Kaltschmitt, Iris Lewandowski, Wolfgang Streicher, Andreas Wiese

3. Passive Sonnenenergienutzung

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.
Erst in jüngster Zeit erfassen Definitionen die passive Solarenergienutzung realitätsnäher und schärfer. Danach erfolgt die Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärme bei passiven Solarsystemen direkt durch die Gebäudestruktur, d. h. durch transparente Hüll- und massive Speicherbauteile [3.1]. Charakteristisch für die passive Solarenergienutzung (oft auch als passive Solararchitektur bezeichnet) ist damit die Nutzung der Gebäudehülle als Kollektor und die der Gebäudekonstruktion als Energiespeicher. Die Sonnenenergienutzung erfolgt dabei möglichst ohne zwischengeschaltete Wärmetransporteinrichtungen. Allerdings ist auch mit Hilfe dieser Definition die Zuordnung der Systeme zur aktiven oder passiven Solarenergienutzung nicht immer eindeutig. Ein Übergangsbereich mit einer unklaren Zuordnung zwischen beiden Optionen bleibt.
Martin Kaltschmitt, Marina Stegelmeier, Wolfgang Streicher

4. Solarthermische Wärmenutzung

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.
Martin Kaltschmitt, Marina Stegelmeier, Wolfgang Streicher

5. Solarthermische Stromerzeugung

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 durch das Auftriebsprinzip ersetzt, wobei der Auftrieb ebenfalls wärmeinduziert erzeugt wird) in Rotations- bzw. mechanische Energie umwandeln und dann
  • durch eine mechanisch-elektrische Wandlung schließlich elektrische Energie bereitstellen.
Hohe Temperaturen ermöglichen bei den Anlagen, die auf einem „klassischen“ Wärme-Kraft-Prozess aufbauen, in der Theorie einen hohen Wirkungsgrad (d. h. hohe nutzbare Temperaturdifferenz erlaubt nach Carnot hohe Wirkungsgrade). Derartige hohe Temperaturen werden durch eine Erhöhung der Flussdichte der auf einen Kollektor einfallenden Solarstrahlung erreicht; man spricht von konzentrierter Strahlung bzw. konzentrierenden Kollektoren. Als Alternative können aber auch niedrigere Temperaturen – und damit geringere Umwandlungswirkungsgrade – zur Anwendung kommen; dies setzt für entsprechende Leistungen allerdings großflächige und damit kostengünstig herstellbare Kollektoren voraus.
Martin Kaltschmitt, Gerhard Weinrebe, Christina Wulf

6. 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 Strahlungsenergie allerdings direkt in elektrische Energie gewandelt. Im Folgenden werden die wesentlichen physikalischen Grundlagen dieser Energiewandlungsoption dargestellt und diskutiert (u. a. [6.1–6.4]).
Neben den positiv geladenen Protonen und den nicht geladenen Neutronen im Kern besteht ein Atom aus negativ geladenen Elektronen. Sie nehmen dabei diskrete Energieniveaus („Schalen“ oder „Orbitale“) um den Kern ein. Die Anzahl der Elektronen, die ein bestimmtes Energieniveau besetzen können, ist beschränkt; nach dem sogenannten Pauli-Prinzip kann ein mögliches Energieniveau immer nur von höchstens zwei Elektronen besetzt werden, wobei sich diese durch einen antiparallelen „Spin“ (d. h. Eigendrehimpuls) unterscheiden müssen.
Martin Kaltschmitt, Kornelia Lippitsch, Jörg Müller, Stefan Reichert, Detlef Schulz, Simon Schwunk

7. Stromerzeugung aus Windenergie

Zusammenfassung
Windkraftanlagen (WKA) machen die in den strömenden Luftmassen enthaltene Bewegungsenergie technisch nutzbar. Die dieser Wandlung der kinetischen in mechanische Energie zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge werden im Folgenden dargestellt. Nicht behandelt wird die Windenergienutzung, wie sie z. B. bei Segelbooten oder Drachen realisiert wird.
Die aus dem Wind durch eine Windkraftanlage entnommene Energie bezieht sich i. Allg. auf eine bestimmte Zeitspanne bzw. einen definierten Zeitraum, in der sich die Wind- und Betriebsverhältnisse i. Allg. ständig verändern. Deshalb wird meist der „Augenblickswert der Energie“, also die Leistung, betrachtet und daraus der Betrag der Nutzenergie (Arbeit) durch eine zeitliche Aufsummierung (Integration) ermittelt.
Moderne Windenergiekonverter entziehen dem Wind die Energie mit Rotoren, welche aus einem oder mehreren Rotorblättern bestehen. Die entzogene Windleistung wird dadurch in eine Drehbewegung des Rotors und damit in eine mechanische Leistung an der Rotorwelle umgewandelt. Diese kann an der Welle als Moment – bei einer bestimmten Drehzahl – abgegriffen und an eine Arbeitsmaschine (z. B. Generator, Pumpe) übertragen werden.
Nachfolgend werden zunächst die Verhältnisse am idealisierten Rotor diskutiert, bevor anschließend näher auf die Gegebenheiten am realen Rotor einer Windkraftanlage eingegangen wird.
Martin Kaltschmitt, Michael Schlüter, Detlef Schulz, Martin Skiba, Burcu Özdirik

8. Stromerzeugung aus Wasserkraft

Zusammenfassung
Eine Wasserkraftanlage dient dazu, die potenzielle und kinetische Energie des Wassers nutzbar zu machen (Abb. 8.1). Die theoretisch nutzbare im Wasser enthaltene Leistung P Wa,th zwischen zwei bestimmten Stellen im Fluss kann dabei unter der Annahme, gleicher Zu- und Abströmgeschwindigkeiten nach Gleichung (8.1) berechnet werden (vgl. Kapitel 2.4.1).
$${P_{Wa,th}} = {\rho _{Wa}} \,g\, {\dot q_{Wa}} ({h_{OW}} - {h_{UW}})$$
(8.1)
Dabei ist ρ Wa die Dichte des Wassers, g die Gravitationskonstante, \(\dot q_{Wa}\) der Durchfluss durch die Wasserkraftanlage. h OW und h UW beschreiben die geodätischen Höhen von Ober- bzw. Unterwasserspiegel.
Aufgrund der physikalisch unvermeidbaren Umwandlungsverluste in der Wasserkraftanlage kann aber nur ein Teil dieser theoretischen Leistung nutzbar gemacht werden. Um dies zu veranschaulichen, wird die Bernoulli-Gleichung (vgl. Kapitel 2.4.1) so umgeformt, dass alle Terme die Einheit einer geometrischen Länge haben und dadurch grafisch darstellbar sind (Abb. 8.1).
Wird beispielsweise die Energiebilanz zwischen zwei Bilanzpunkten – vor und hinter einer Wasserkraftanlage – erstellt, kann die Bernoulli-Gleichung gemäß Gleichung (8.2) geschrieben werden.
$$\frac{{{p_1}}}{{{\rho _{Wa,1}} \, g}} + {h_1} + \frac{{v_{Wa,1}^2}}{{2 g}} = \frac{{{p_2}}}{{{\rho _{Wa,2}}\, g}} + {h_2} + \frac{{v_{Wa,2}^2}}{{2 g}} + \xi \frac{{v_{Wa,2}^2}}{{2 g}} = const.$$
(8.2)
Markus Aufleger, Franz Joos, Klaus Jorde, Martin Kaltschmitt, Kornelia Lippitsch

9. Nutzung von Umgebungsluft und oberflächennaher Erdwärme

Zusammenfassung
Ein typisches Kennzeichen der Wärme, die in der Umgebungsluft und im oberflächennahen Erdreich enthalten ist, ist die Tatsache, dass sie auf einem sehr niedrigen Temperaturniveau anfällt. Dabei stammt diese Wärme im Wesentlichen aus der von der Sonne eingestrahlten Energie (Kapitel 2). Dies gilt im Normalfall uneingeschränkt bei der Energie der Umgebungsluft. Bei der thermischen Energie, die sich im oberflächennahen Erdreich befindet (d. h. oberflächennahe Erdwärme), resultiert ein kleiner Teil, der i. Allg. mit zunehmender Tiefe unter der Erdoberfläche zunimmt, originär nicht von der Sonne, sondern aus dem geothermischen Wärmefluss (d. h. geothermische Energie aus dem tiefen Untergrund). Trotzdem wird hier – unabhängig davon, wo die im oberflächennahen Erdreich enthaltene Energie letztlich herkommt (d. h. aus der eingestrahlten Sonnenenergie und/oder aus der im tiefen Untergrund gespeicherten geothermischen Energie; Kapitel 2) – diese Energie per Definition als Erdwärme bezeichnet (Abb. 9.1).
Martin Kaltschmitt, Burkhard Sanner, Marina Stegelmeier, Wolfgang Streicher, Felix Ziegler

10. Nutzung tiefer Geothermie

Zusammenfassung
Neben der Sonnenenergie und der aus der Wechselwirkung von Planetengravitation und -bewegung resultierenden Energie zählt auch die im Erdinneren gespeicherte Wärme zu den regenerativen Energiequellen. Diese sogenannte geothermische Energie kann grundsätzlich mit Hilfe offener und geschlossener Systeme nutzbar gemacht werden.
  • Unter offenen Systemen sind Konzepte zu verstehen, mit denen die im tiefen Untergrund ggf. vorhandenen Tiefenwässer gefördert, als Energieträger genutzt (d. h. abgekühlt) und anschließend wieder in den Untergrund verpresst werden (d. h. das im Untergrund vorhandene Tiefenwasser dient als Wärmeträgermedium für den Transport der Wärme nach Übertage). Ist der Wassergehalt im Untergrund zu gering für eine aus techno-ökonomischer Sicht ausreichende Förderung, kann auch Oberflächenwasser in den Untergrund gepumpt und dort im Gestein erwärmt werden. Dabei vermischt es sich mit den im tiefen Untergrund bereits vorhandenen Wässern. Anschließend wird diese Mischung wieder nach Übertage gefördert. Voraussetzung für ein derartiges Konzept ist, dass das geothermische Speichergestein eine ausreichende Durchlässigkeit aufweist; dies muss ggf. zuvor durch entsprechende technische Maßnahmen (z. B. Fracen) sichergestellt werden. Charakteristisch für derartige Systeme ist immer, dass sie „offen“ sind bezüglich des Untergrunds und damit das geförderte Geofluid im direkten Kontakt mit dem Gestein bzw. den darin enthaltenen Poreninhaltsstoffen steht bzw. mit diesen identisch ist (d. h. Stoffaustausch).
  • Als geschlossene Systeme werden Konzepte bezeichnet, bei denen von Übertage ein Wärmeträgermedium (meist wie für den Einsatz in Fernwärmenetzen aufbereitetes Wasser (d. h. entionisiertes Wasser mit Korrosionsinhibitoren)) in einem geschlossenen Kreislauf durch die warmen oder heißen Gesteinsschichten des tiefen Untergrunds geleitet wird, sich dabei erwärmt und dadurch diese Wärme für eine übertägige technische Nutzung verfügbar macht. Hier kommt es im Unterschied zu den offenen Systemen nicht zu einem unmittelbaren Kontakt zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Gestein (d. h. Wärmeträgermedium und Poreninhaltsstoffe sind nicht identisch). Das eingesetzte Wärmeträgermedium dient nur dem Transport der geothermischen Wärme und steht nicht im Ausgleich mit den im Untergrund ggf. vorhandenen Tiefenwässern (d. h. kein Stoffaustausch).
Sebastian Janczik, Frank Kabus, Martin Kaltschmitt, Nils Kock, Peter Seibt

11. Zusammenfassender Vergleich

Zusammenfassung
In den Kapiteln 3 bis 10 werden verschiedene Möglichkeiten zur Wärme- und/oder Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien detailliert diskutiert; dabei werden jeweils die physikalischen Grundlagen und die Technik bzw. Systemtechnik dargestellt sowie ausgewählte ökonomische und ökologische sowie energiewirtschaftliche 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 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.
Martin Kaltschmitt, Britta Reimers

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