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Über dieses Buch

Die Autoren beschreiben praxisnah die wichtigsten Formen der technischen Nutzung regenerativer Energieträger. Sie stellen deren Potentiale unter Berücksichtigung der globalen Energieprobleme und der thermodynamischen Grenzen von Energiewandlungsprozessen dar und diskutieren ihren Beitrag zu einem nachhaltigen Energiesystem.

Das Buch behandelt Photovoltaik, Solar- und Geothermie, Biomasse, Wind- und Wasserkraft und berücksichtigt damit sowohl Systeme zur Elektrizitäts- als auch zur Wärmebereitstellung. In den einzelnen Kapiteln werden - ausgehend von den natur- und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen - die Funktionsweise der zentralen Komponenten sowie deren Verknüpfung zu Systemen dargestellt. Konkrete Planungs- und Auslegungsbeispiele verbinden die theoretischen Grundlagen mit einer handlungsorientierten Lehre. Der Integration regenerativer Energieanlagen in die bereits vorhandenen Systeme für Elektrizität, Wärme und Transport ist jeweils ein eigenes Kapitel gewidmet.

Der Inhalt

Einleitung.- Kontext.- Energieeffizienz.- Regenerative Energiequellen.- Photovoltaik.- Solarthermie.- Geothermie.- Biomasse.- Windkraftanlagen.- Wasserkraftanlagen.- Energiespeicher.- Elektrische Energiesysteme.- Thermische Energiesysteme.- Mobilität.- Thermodynamische Bewertung Regenerativer Energieumwandlungen.- Apokryphen.

Die Zielgruppen

Das Buch richtet sich an Ingenieure und Praktiker auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien und an Studierende der Energietechnik.

Die Autoren

Prof. Dr.-Ing. Viktor Wesselak, Lehrgebiet Regenerative Energiesysteme

Prof. Dr.-Ing. Thomas Schabbach, Lehrgebiet Thermische Energiesysteme <

Prof. Dr.-Ing. Thomas Link, Lehrgebiet Kraft- und Arbeitsmaschinen

Prof. Dr.-Ing. Joachim Fischer, Lehrgebiet Bioenergiesysteme

Institut für Regenerative Energiesysteme (in.RET), Hochschule Nordhausen

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Chapter 1. Kontext

Zusammenfassung
Energie ist eine zentrale Notwendigkeit menschlicher Existenz. Der Nutzen, den der Mensch aus Energie bezieht, lässt sich vordergründig in vier Bereiche einteilen: Nahrung, Wärme, Arbeit und Mobilität. Der erste Bereich stellt die unmittelbare Energienutzung dar: Dem menschlichen Stoffwechsel wird chemische Energie in Form von organischen Verbindungen zugeführt. Der Aufbau dieser Energie erfolgt durch die Umwandlung von Sonnenenergie mittels der Photosynthese der Pflanzen bzw. den Stoffwechsel der Tiere. Der zweite Bereich ist die Wärme; sie dient einerseits der Nahrungszubereitung und damit einem verbesserten energetischen Aufschluss.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 2. Energieeffizienz

Zusammenfassung
Der Begriff der Energieeffizienz bezeichnet die rationelle Verwendung von Energie. Ziel von Energieeffizienzmaßnahmen ist die Reduktion des Gesamtenergiebedarfs von Prozessen durch Herabsetzung der quantitativen und qualitativen Verluste, die bei derWandlung, dem Transport oder der Speicherung von Energie auftreten. Energieeffizienz umfasst alle Maßnahmen, um einen vorgegebenen (energetischen) Nutzen bei sinkendem Primär- bzw. Endenergieeinsatz zu erreichen. Rationelle Energieverwendung ist notwendig, weil die Energienutzung die Umwelt belastet, die (fossilen) Energievorräte begrenzt sind und Energie nicht umsonst nutzbar ist.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 3. Regenerative Energiequellen

Zusammenfassung
Primärenergieträger bezeichnet man als „regenerativ“, wenn sie sich von selbst und innerhalb menschlicher Zeitmaßstäbe erneuern. Regenerative Energieträger stehen damit im Gegensatz zu den fossilen und nuklearen Energieträgern, die sich über geologische Prozesse in Jahrmillionen gebildet haben und deren Nutzung zu einer stetigen Abnahme führt. Die größte Bedeutung kommt der Solarstrahlung, d.h. dem Strahlungsangebot der Sonne zu, auf das sich die meisten Regenerativen Energieträger zurückführen lassen: die mechanische Energie von Wind und Wasser, die in Biomasse gespeicherte chemische Energie und natürlich die Energie der elektromagnetischen Strahlung selbst.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 4. Photovoltaik

Zusammenfassung
Photovoltaik bezeichnet die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Begriff Photovoltaik ist ein um 1920 aufgekommenes Kunstwort, das aus dem griechischen Wortstamm für Licht und der Einheit für die elektrische Spannung zusammengesetzt wurde.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 5. Solarthermie

Zusammenfassung
Die Solarthermie umfasst alle Aspekte der thermischen Nutzung von solarer Strahlung. Das Anwendungsspektrum reicht von der einfachen Absorbermatte aus Kunststoff zur Erwärmung des Beckenwassers eines Schwimmbads über die solare Trinkwassererwärmung, Heizungsunterstützung und Prozesswärmebereitstellung bis hin zu den großen solarthermischen Kraftwerken im Megawatt- Leistungsbereich. Diese gewinnen mit Hilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses mechanische Energie und über einen nachgeschalteten Generator elektrischen Strom.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 6. Geothermie

Zusammenfassung
Geothermie ist die Nutzung der im Untergrund gespeicherten thermischen Energie zur Beheizung von Gebäuden, zur Trinkwassererwärmung und als Prozesswärme für gewerbliche oder industrielle Zwecke. Durch Zwischenschaltung eines thermodynamischen Kraft-Wärme-Prozesses kann die Geothermie auch zur Stromerzeugung genutzt werden.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 7. Biomasse

Zusammenfassung
Biomasse kann durch technische Prozesse in vielfältiger Form in feste, flüssige oder gasförmige Energieträger umgewandelt werden (vgl. Abb. 7.1), so dass es zahlreiche Nutzungsmöglichkeiten gibt.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 8. Windkraftanlagen

Zusammenfassung
Die Nutzung der Windenergie hat in Deutschland in den letzten Jahrzehnten zu einem stetig steigenden Anteil regenerativen Energieeinsatzes in der Stromproduktion geführt. Wie aus Abb. 8.1 hervorgeht, machte der aus Windenergie gewonnene Strom im Jahr 2015 etwa 45 % der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien aus, bei einem Gesamtanteil des regenerativ erzeugten Stroms am Bruttostromverbrauch Deutschlands von 32,7 Prozent [23].
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 9. Wasserkraftanlagen

Zusammenfassung
Wasserkraft trägt weltweit mit gut 16 Prozent der gesamten erzeugten elektrischen Energie zur Stromversorgung bei und ist somit der bedeutendste Regenerative Energieträger in der Stromproduktion [3]. In Deutschland schwankte der Anteil der Stromerzeugung ausWasserkraftanlagen in den letzten zwei Jahrzehnten hauptsächlich aufgrund des meteorologisch bedingten unterschiedlichenWasserangebots. Die installierte elektrische Leistung von Lauf- oder Speicherkraftwerken änderte sich in diesem Zeitraum kaum.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 10. Energiespeicher

Zusammenfassung
In Energieversorgungssystemen kommt der Speicherung von Energie eine zentrale Bedeutung zu. Der wachsende Anteil erneuerbarer Energien erhöht auf Grund des volatilen bzw. saisonalen Angebots den Bedarf an Energiespeichern innerhalb der Systeme zur Strom- und Wärmebereitstellung. Im Bereich der Mobilität legt der Energiespeicher sogar wesentliche Eigenschaften des Fortbewegungsmittels fest. Energiespeicher ermöglichen eine zeitliche und räumliche Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch; sie erhöhen damit die Elastizität des Energiesystems.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 11. Elektrische Energiesysteme

Zusammenfassung
In den vergangenen Jahren ist der Anteil regenerativer Energien an der Stromerzeugung kontinuierlich angestiegen. Dennoch ist dies nach den in Kap. 1.2.4 beschriebenen energiepolitischen Zielen der deutschen Bundesregierung erst der Beginn eines nachhaltigen und umweltverträglichen Umbaus des elektrischen Energiesystems (vgl. Abb. 11.1). Der gesetzliche Rahmen wurde bisher vor allem durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gebildet, das als Markteinführungsprogramm zunächst von einer vollständigen Aufnahme der durch regenerativen Energieträger bereitgestellten elektrischen Energie durch das Verbundnetz ausgegangen ist.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 12. Thermische Energiesysteme

Zusammenfassung
Der Anteil regenerativer Energieträger am Endenergieverbrauch für Wärme (Kühlenergie, Raum- und Prozesswärme sowieWarmwasser) hat sich in den vergangenen Jahren zwar schrittweise erhöht (Abb. 12.1), blieb dabei aber hinter dem Wachstum der regenerativen Energien im Strombereich zurück. Um das Ausbauziel der deutschen Bundesregierung von 14 Prozent im Jahr 2020 zu erreichen, wurde 2016 das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) novelliert und mit dem Erneuerbare- Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) versucht, eine Anreizstruktur im Neubaubereich zu schaffen. Auf diese Maßnahmen wird im folgenden Kapitel weiter eingegangen.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 13. Mobilität

Zusammenfassung
Bei der Frage nach der Zukunft der Mobilität konkurrieren derzeit Konzepte, die auf Verbrennungsmotoren basieren, aber veränderte Kraftstoffstrategien verfolgen und Konzepte, die auf Elektromotoren basieren und unterschiedliche Speichertechnologien verfolgen. Von der Automobilindustrie werden diese sehr verschiedenen Ansätze weitgehend parallel verfolgt. Auch eine förderpolitischer Festlegung in dieser konzeptionellen Vielfalt ist zur Zeit noch nicht erkennbar.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 14. Thermodynamische Bewertung regenerativer Energiewandlungen

Zusammenfassung
Die Thermodynamik befasst sich als allgemeine Energielehre mit den Gesetzmäßigkeiten zur Umwandlung verschiedener Energieformen ineinander. Zur Energiewandlung werden Maschinen wie Turbinen, Motoren und technische Apparate benötigt, deren Funktion undWirkungsweise von der Thermodynamik zu abstrahieren und in thermodynamischen Modellen zu beschreiben sind. Aussagen über die Güte von Energiewandlungen werden in der Regel anhand von Wirkungsgradangaben getroffen.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 15. Apokryphen

Zusammenfassung
Die vorangehenden Kapitel haben gezeigt, dass die Bereitstellung von Energie in der jeweils benötigten Menge und Qualität technisch aufwändig ist. Dies hat immer schon Menschen dazu angeregt, auch abseits der physikalisch abgesicherten Pfade nach Lösungen zu suchen. Die Idee des Perpetuum mobile – einer Maschine, die Arbeit aus einer ewigen Bewegung heraus verrichtet – begleitet die Technikgeschichte der Menschheit.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Backmatter

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