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Über dieses Buch

Erneuerbare Energien und nachhaltige Energiesysteme stehen auf Grund der Klimaveränderungen im Mittelpunkt der gesellschaftlichen Diskussion. Das Ziel dieses Lehrbuches ist es, wesentliche Funktionsmechanismen wichtiger nachhaltiger Energiesysteme darzustellen, Einflussparameter zu erläutern und Potentiale durch Überschlagsrechnungen aufzuzeigen. Beispielanlagen aus der Praxis geben zuverlässige Informationen für die tägliche Arbeit, dabei liegt der Schwerpunkt auf kleinen, dezentralen Anlagen. Übungen mit Lösungen erleichtern den Zugang zu den verschiedenen Stoffgebieten. Die 5. Auflage enthält aktualisierte volkswirtschaftliche Energie- und Leistungsdaten der verschiedenen Energiesektoren, neue Abbildungen zu Aufbau und Funktion von Wasserturbinen, eine Berechnungsmethode zur Abschätzung der adiabaten Temperatur für die thermo-chemische Umwandlung, Beschreibungen zu aktuellen Projektbeispielen für „Power-to-Gas" und „Power-to-Liquid" sowie eine Einführung in die Grundlagen des Projektmanagements im Energiesektor.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

In der gesellschaftlichen Diskussion nehmen die „erneuerbaren Energien“ und die nachwachsenden Rohstoffe breiten Raum ein, weil sie als sinnvoller Beitrag zur Lösung des zukünftigen Energie- und Klimaproblems angesehen werden. Abbildung 1.1 bis 1.4 zeigen die derzeitigen Entwicklungen der nachhaltigen Energiesysteme auf dem Strom- und Wärmemarkt. Dank der politischen Rahmenbedingungen konnten hier kontinuierliche Steigerungsraten am Markt durchgesetzt werden.
Abbildung 1.1 zeigt den Stromanteil für die Segmente Wasserkraft, Windkraft, Photovoltaik, Biomasse, Biogas, Biokraftstoffe und Geothermie (2010: 16 % Erneuerbare Energie am Strommarkt). Der Anteil bei der Wärmeversorgung liegt mit 9,6 % (2010) deutlich darunter. Abbildung 1.2 zeigt die Anteile für Bioenergie, Solarthermie und Geothermie am Wärmemarkt.
Betrachtet man die üblichen Verbrauchsrelationen privater Haushalte in den Abschn. 15.1 und 15.2, so ist erkennbar, dass der elektrische Energieverbrauch im Bereich von 4000 bis 4500 kWh pro Jahr liegt; der Wärmeverbrauch (je nach Bau- und Isolationszustand) im Bereich von 15 bis 20 MWh (50…150 kWh/m\({}^{2}\) und Jahr). Hier liegen also ca. drei Zehnerpotenzen dazwischen, so dass gerade im Bereich der Wärmewirtschaft sehr große Einspar- und Energieeffizienzpotentiale gesehen werden.
Durch die Zumischung von Biokraftstoffen zu den konventionellen Kraftstoffen konnten ebenfalls mineralölbasische Produkte ersetzt und eingespart werden; Abb. 1.3.
Holger Watter, Holger Watter

2. Photovoltaik

Im Sonnenkern werden jeweils 4 Wasserstoffatome zu einem Heliumatom verschmolzen. Dabei ergibt sich ein Massendefekt, der nach der Gleichung \(E=m^{.}\) c \({}^{2}\) in Energie umgewandelt wird. Die Energie wird zum größeren Teil als elektromagnetische Strahlung (und überwiegend als sichtbares Licht) abgestrahlt. Ein kleinerer Teil der Energie wird als Materiestrahlung (Sonnenwind) abgestrahlt, der auf der Erde nur geringe Auswirkungen hat.
Leider ist das solare Energieangebot zeitlich und räumlich stark schwankend. Dies begründet sich durch das lokale Klima (Wolkenbildung) und die elliptische Erdumlaufbahn und die leicht geneigte Erdachse (vgl. Abb. 2.1).
Am oberen Rand der Erdatmosphäre kommen von der Strahlung der Sonne im Mittel etwa 1367 W/m\({}^{2}\) (so genannte Solarkonstante ) an, nämlich 1325 W/m\({}^{2}\) im Juli (größter Sonnenabstand) und 1420 W/m\({}^{2}\) im Januar (kleinster Sonnenabstand).
Neben dem Tag/Nacht-Rhythmus der Sonneneinstrahlung durch die Erdrotation ergibt sich durch Neigung der Erdachse um 23,5\({}^{\circ}\) und den jährlichen Umlauf der Erde um die Sonne ein starker jahreszeitlicher Einfluss. Da beispielsweise Hamburg etwa auf 53,5\({}^{\circ}\) nördlicher Breite und somit nördlich des Wendekreises liegt, steht hier die Sonne am Sommeranfang mit
$$90^{\circ}-(53,5^{\circ}-23,5^{\circ})=60^{\circ}\ \text{{\"u}ber dem Horizont}\> ,$$
zum Winteranfang hingegen nur mit
$$90^{\circ}-(53,5^{\circ}+23,5^{\circ})=13^{\circ}\> .$$
Die Strahlung fällt somit viel flacher ein und wird durch die Atmosphäre viel stärker abgeschwächt.
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3. Solarthermie

Solarthermische Anlagen können zur Brauch- und Trinkwassererwärmung und zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden. Da im Winter der größte Wärmebedarf aber das geringste solare Angebot vorhanden ist (vgl. Kap. 2), muss immer eine primäre Heizungsanlage vorhanden sein. Die Solaranlage spart hier Energie durch Anhebung der Rücklauftemperatur aus dem Heizungssystem.
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4. Windenergie

Windgeschwindigkeiten werden i. Allg. in m/s oder Beaufort (Bft) angegeben. Die Umrechnung kann im Bereich 2…7 Bft näherungsweise durch
$$c\approx 2\cdot\text{Bft}\quad\left[{\frac{\text{m}}{\text{s}}}\right]$$
erfolgen [1]. Zur Orientierung werden in Tab. 4.1 und 4.2 die Bft-Skala und dazugehörige phänomenologische Kriterien vorgestellt.
Windprognosen sind äußerst schwierig, da neben dem Wettereinfluss auch die Bodenverhältnisse (Gebäude, Bäume, Geländeprofile etc.) die Windverhältnisse beeinflussen. Auch hierzu gibt es im Internet ausreichend Prognosedaten für Jahresmittelwerte. Als Anhaltswerte können gelten [1]:
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5. Wasserkraft

Die Energiepotentiale aus Wasserkraft sind räumlich sehr unterschiedlich ausgeprägt. Hier kommen Wellen-, Meeres-, Gezeiten-, Fluss- und Speicherkraftwerke zur Anwendung. Grundlagen, Begrifflichkeiten und Leistungspotentiale werden nachfolgend ausführlich erörtert. Zum besseren Verständnis sollen zunächst die wichtigsten Grundlagen aus der Strömungslehre wiedergegeben werden.
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6. Erdwärme und Wärmepumpe

Unter dem Begriff „Erdwärme“ wird allgemein
• oberflächennahe Erdwärme und
• Wärme aus tiefen Erdschichten subsumiert.
Bei der oberflächennahen Erdwärme handelt es sich jedoch i. Allg. nicht um Wärme aus dem Erdinneren, vielmehr handelt es sich dabei um gespeicherte Sonnenenergie. Der Begriff ist also genau genommen an dieser Stelle irreführend, weil in Tiefen bis zu 100 m „nur“ ein gleichmäßiges Temperaturniveau von ca. 5 bis 15 \({}^{\circ}\text{C}\) vorherrscht. Diese Wärme kann in der Regel nur sinnvoll genutzt werden, wenn sie mit Hilfe einer Wärmepumpe auf ein angemessenes Temperaturniveau angehoben wird.
Höhere Temperaturen, die durch die Aktivitäten im Erdinnern „nachgespeist“ werden, beginnen in der Regel in Mitteleuropa ab Tiefen von (100…) 1000…2000 m. Regionen, in denen diese Aktivitäten bis nahe an die Erdoberfläche heranreichen, sind auf wenige, vulkanisch aktive Regionen begrenzt (z. B. Island, Lanzarote, Italien u. a.). Hier ist ein enormer geologischer, bohrtechnischer und finanzieller Aufwand mit einem beträchtlichen Risiko zu betreiben. Für derartige Konzepte zur Nahwärmeversorgung von Wohngebieten und zur geothermischen Stromerzeugung wird auf die einschlägige Literatur und Kap. 10 verwiesen.
Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich zunächst auf Systeme zur Nutzung der oberflächennahen Wärme in Verbindung mit einer Wärmepumpe für die Gebäudetechnik.
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7. Biomasse

Für die thermochemische Umsetzung von Biomasse zu Energie, Kraftstoffen oder Gasen sind einige biochemische und thermodynamische Grundkenntnisse erforderlich. Nachfolgend wird daher die wesentliche Nomenklatur kurz zusammengefasst:
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8. Biogas

Eine Biogasanlage dient zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse. Als Nebenprodukt wird Dünger produziert. In vielen Fällen wird das entstandene Gas zur Strom- und Wärmeerzeugung mittels Gasmotoren genutzt, man spricht von Kraft-Wärme-Koppelung (KWK) und Blockheizkraftwerken (BHKW).
Es werden verschiedene Rohstoffe, z. B. Bioabfall, Gülle, Klärschlamm, Fette oder Pflanzen in einen luftdicht verschlossenen Fermenter (Bioreaktor) eingebracht. Dort entsteht durch anaerobe Gär- oder Fäulnisprozesse das Biogas, das je nach Ausgangsstoff aus 40–75 % Methan, 25–55 % Kohlendioxid, bis zu 10 % Wasserdampf sowie darüber hinaus aus geringen Anteilen Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak (Harnstoff) und Schwefelwasserstoff \(\mathrm{H_{2}S}\) besteht.
Anschaulich gesprochen ist die Biogasanlage eine technische Verlängerung des Enddarms. Bakterien (Anaeroben), die im Darm die Nahrung zerlegen, werden bei körperspezifischen Temperaturen (30…40 \({}^{\circ}\text{C}\)) so gehalten, dass eine optimale Stoffumsetzung erfolgen kann.
Die Verfahren und Bakterientypen sind auch aus der Abwasseraufbereitung bekannt:
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9. Biokraftstoffe

Für die Synthese von Biokraftstoffen kommen verschiedene Verfahrenswege infrage, nachfolgend soll dazu ein kurzer Überblick gegeben werden (siehe Abb. 9.1).
Die aktuelle Diskussion um die Nachhaltigkeit und mögliche Verdrängungsmechanismen in Bezug auf die Lebensmittelindustrie wird hier ausdrücklich ausgeklammert. Vielmehr sollen nur die technischen Umsetzungs- und Realisierungsmöglichkeiten dargestellt werden.
Generell kann gesagt werden, dass der Einsatz von Biokraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen kein grundsätzliches Problem darstellt. Es sind lediglich einige Besonderheiten, wie
  • Zünd- und Verbrennungseigenschaften,
  • Dichtungs- und Lackverträglichkeit,
  • thermische Stabilität (Alterung) und
  • Rückwirkungen auf das tribologische System „Brennstoff-Brenngas-Schmierstoff-Oberflächenbeschaffenheit“
zu berücksichtigen. Diese Biokraftstoffe sollten daher nur nach Absprache mit dem Hersteller eingesetzt werden (vgl. auch Kap. 12).
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10. Geothermische Stromerzeugung

Die Geothermie oder Erdwärme bezieht sich hier auf die in tiefen Erdschichten gespeicherte und geologisch aktivierte Wärme. Sie kann für thermale Anwendungen (Thermalbad), zum Heizen (oder mittels Absorptionskälteanlage auch zum Kühlen) und bei ausreichend hohen Temperaturen auch zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden.
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11. Solare Kraftwerke

Solare Kraftwerke können entweder als Photovoltaik-Kraftwerke [1] oder als solar betriebener Carnot-Prozesse (mittels Dampf- oder Gasturbinen sowie Stirling-Motoren) konzipiert werden. Im Gegensatz zu Kap. 2 und 3 in denen einfache Anlagen zur Gebäudeversorgung behandelt wurden, sollen hier komplexe Anlagen zur Versorgung mit elektrischer Energie im Vordergrund stehen.
Thermische Solarkraftwerke bündeln das Sonnenlicht und erzeugen über einen Clausius-Rankine-Prozess elektrische Energie. Der Vorteil liegt in einem deutlich höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu Photovoltaikanlagen (vgl. Tab. Tab. 2.2 und 11.1 sowie Abb. Abb. 12.1). Das Leistungsvermögen wird bestimmt durch das solare Angebot und ist daher eher für südeuropäische Regionen geeignet. Zum Ausgleich der Tag- und Nachtschwankungen sind thermische Speicher ggf. auch eine Zusatzfeuerung für Spitzenzeiten sinnvoll.
Durch die konzentrierenden Spiegelflächen sollen in einem Brennpunkt möglichst hohe Temperaturen und Leistungen zur Verfügung stehen. Zur Energiebündelung stehen drei Systemvarianten zur Auswahl:
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12. Kraft-Wärme-Kopplung

Nachfolgend werden die wichtigsten Kraftmaschinen in Bezug auf nachhaltige Energiesysteme angesprochen. Zur Vertiefung sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Abbildung 12.1 gibt eine Übersicht zu den Leistungs- und Wirkungsgradpotentialen der wichtigsten Energiewandler. Dabei haben sich Dieselmotoren und kombinierte Gas-/Dampfturbinenprozesse in der Praxis bewährt. Neben den relativ guten Wirkungsgraden zeichnen sie sich durch hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit aus. Sie werden deshalb als betriebswirtschaftliche Lösungen in der Regel favorisiert. Die Brennstoffzellensysteme haben die Ebene der Laborversuche verlassen und werden z. Zt. in Feldversuchen erprobt. Die hier gezeigten Leistungs- und Wirkungsgradoptionen müssen sich in der Praxis noch bewähren.
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13. Wasserstoff als Energieträger

Für zukünftige Energieversorgungssysteme wird Wasserstoff als Energieträger favorisiert. Da Wasserstoff jedoch in der Natur nicht als Rohstoff vorkommt, erfolgt die Wasserstoffherstellung überwiegend aus thermochemischen Verfahren und (seltener) aus elektrochemischen Verfahren. Diese Verfahren sind sehr energieintensiv. Bei der ökologischen Bewertung ist deshalb die gesamte Energiekette von der Wasserstofferzeugung bis zur energetischen Nutzung zu betrachten. Dies wird leider oft jedoch nicht gemacht, sondern der Systemwirkungsgrad auf den relativ hohen Heizwert von Wasserstoff bezogen.
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14. Speichertechnologien

Wegen der räumlichen und zeitlichen Schwankungen von
  • (regenerative) Energieerzeugung und
  • Energieverbrauch (besser wäre Leistungsbereitstellung und Leistungsaufnahme)
kommen dem Netzausbau und den Speichermöglichkeiten besondere Bedeutung zu. Zusammenfassend kann den Speichern folgende Eigenschaften zugeordnet werden:
  • Speicher sind relativ teuer
  • die Speicherung ist verlustbehaftet.
Der nachfolgende Abschnitt gibt einen Überblick zu den Technologien und den Speicherpotentialen, teilweise kann auf Ausführungen in den Vorkapiteln verwiesen werden.
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15. Anhang

Die Aktivseite (Activa) wird unterteilt in Anlagevermögen und Umlaufvermögen. Das Anlagevermögen beinhaltet im Wesentlichen
1.
Immobilien (Grundstücke, Gebäude),
 
2.
Mobilien (Möbel, Fahrzeuge, technische Anlagen und Maschinen) sowie
 
3.
Finanzanlagen (Wertpapiere, Beteiligungen).
 
Zum Umlaufvermögen gehören
1.
Vorräte (Waren- und Materialbestände),
 
2.
Debitoren (Forderungen aus Lieferungen und Leistungen) und
 
3.
liquide Mittel (Kasse, Bankguthaben).
 
Die Auflistung erfolgt nach Verfügbarkeit, d. h. unflexible Vermögenswerte erscheinen bevorzugt an erster Stelle, flexible Finanzmittel zuletzt.
Die Passivseite (Passiva) ist in Eigen- und Fremdkapital aufgeteilt. Zum Eigenkapital zählt:
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