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Über dieses Buch

Die Autoren der „Regenerativen Energietechnik" beschreiben praxisnah die wesentlichen Formen der technischen Nutzung regenerativer Energien. Dabei wird - ausgehend von den natur- und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen - die Funktionsweise der zentralen Komponenten sowie deren Verknüpfung zu Systemen dargestellt. Konkrete Planungs- und Auslegungsbeispiele ergänzen jedes Kapitel, so dass die theoretischen Grundlagen mit einer praktischen Lehre zum Handeln verbunden werden. Der Integration regenerativer Energieanlagen in die bereits vorhandenen Systeme für Elektrizität, Wärme und Transport ist jeweils ein eigenes Kapitel gewidmet. Das Buch steht im Spannungsfeld der globalen Energieprobleme und der thermodynamischen Grenzen von Energiewandlungsprozessen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Kontext

Zusammenfassung
Energie ist eine zentrale Notwendigkeit menschlicher Existenz. Der Nutzen, den der Mensch aus der Energie bezieht, lässt sich vordergründig in drei Bereiche einteilen: Nahrung, Wärme und Transport. 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. des Stoffwechsels der Tiere. Der zweite Bereich ist die Wärme; sie dient einerseits der Nahrungszubereitung und damit einem verbesserten energetischen Aufschluss. Andererseits ermöglicht sie eine Erwärmung von Wohnstätten und dadurch erst die Besiedlung eines Großteils der Landfläche. Der Bereich des Transports (oder der Mobilität) umfaßt den regionalen und überregionalen Austausch von Waren und Dienstleistungen und gleicht damit gegebene oder entstandene Ungleichgewichte der ersten beiden Bereiche aus.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

Kapitel 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 im Einzelnen bei der Wandlung, dem Transport und der Speicherung von Energie auftreten. Energieeffizienz umfasst alle Maßnahmen, um den gleichen (energetischen) Nutzen bei sinkendem Primärenergieeinsatz zu erreichen. Rationelle Energieverwendung ist notwendig, weil die Energienutzung die Umwelt belastet, weil die (fossilen) Energievorräte begrenzt sind und weil Energie nicht umsonst nutzbar ist.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

Kapitel 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 Energie-träger zurückführen lassen: die mechanische Energie von Wind und Wasser, die in Biomasse gespeicherte chemische Energie und natürlich die Energie der elektromagnetischen Strahlung selbst. Neben der Solarstrahlung stellt die innere Energie der Erde die zweite primäre regenerative Energiequelle dar. Sie wird in Form von Erdwärme genutzt. Mit einer deutlich geringeren technischen Bedeutung sind schließlich noch die Gravitationskräfte von Sonne und Mond zu berücksichtigen, die zur Meeresenergie in Form von Wellen und Gezeiten beitragen.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

Kapitel 4. Photovoltaik

Zusammenfassung
Photovoltaik bezeichnet die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrischeEnergie mittels Solarzellen. Die Solarzelle ist einer der elegantesten Energiewandler,den die Ingenieurwissenschaften hervorgebracht haben, da er die direkte Umwandlungder frei verfügbaren Sonnenstrahlung in eine hochwertige, in nahezu jedeandere Energieform umwandelbare Energie erlaubt. Weitere Vorteile sind die universelleEinsetzbarkeit, geringe Betriebskosten und eine lange Lebensdauer. Demstehen jedoch hohe Anschaffungskosten und die geringe Energiedichte der Sonnenstrahlunggegenüber.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

Kapitel 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 und Heizungsunterstützung bis hin zu den großen solarthermischen Kraftwerken im Megawatt- Leistungsbereich, die mit Hilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses mechanische Energie und über einen nachgeschalteten Generator elektrischen Strom gewinnen. Für jede dieser Anwendungen ist ein anderes Temperaturniveau vorgegeben und damit auch ein spezifisches Kollektordesign.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

Kapitel 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

Kapitel 7. Biomasse

Zusammenfassung
Biomasse stellt den ältesten von Menschen genutzten Energieträger dar. Die Entdeckung, dass Holz und Torf als Brennstoffe genutzt werden können, wurde bereits vor mehreren 100.000 Jahren gemacht. Mit diesen Energieträgern war es den Menschen erstmals möglich, Nahrung zu zubereiten und im Winter zumindest ein Mindestmaß an Behaglichkeit durch ein offenes Feuer zu erreichen. Letztlich bildete die Nutzung des Feuers díe Grundlage für unsere Zivilisation. So ermöglichte es das Holzfeuer, Metalle zu schmelzen und daraus Werkzeuge, Geräte und – wohl unvermeidlich – Waffen herzustellen. Im Laufe der Jahrtausende wurde die energetische Holznutzung immer wichtiger und die Technologien zur Nutzung entsprechend verfeinert. So wurde der Energiegehalt des Holzes durch die Holzkohleerzeugung in Köhlereien deutlich erhöht. Auf diese Weise erhielt man einen Sekundärenergieträger, der mit deutlich besseren Verbrennungseigenschaften höhere Temperaturen erreichte, die zur Verhüttung von Erz erforderlich waren. So war der Auf- und Ausbau des Bergbaus und der Hüttenindustrie, die beispielsweise im Harz bereits seit dem 11. Jahrhundert erfolgte, sehr eng mit der ausreichenden Verfügbarkeit des Baustoffs und Energieträgers Holz verbunden.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

Kapitel 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, macht der aus Windenergie gewonnene Strom mittlerweile knapp die Hälfte der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien aus, bei einem Gesamtanteil des regenerativ erzeugten Stroms am Bruttostromverbrauch Deutschlands von 14 Prozent im Jahr 2007.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

Kapitel 9. Wasserkraftanlagen

Zusammenfassung
Wasserkraft trägt weltweit mit etwa 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 aus Wasserkraftanlagen in den letzten zwei Jahrzehnten hauptsächlich aufgrund des meteorologisch bedingten unterschiedlichen Wasserangebots. Die installierte elektrische Leistung von Lauf- oder Speicherkraftwerken änderte sich in diesem Zeitraum kaum. Ein Zubau von Wasserkraftanlagen in Deutschland ist nur im Bereich von Kleinanlagen zu erwarten, wobei das jährliche Zubaupotenzial mit etwa 20 MW/a abgeschätzt wird. Bei einer installierten Leistung von 4 GW, bezogen auf das Jahr 2007, macht dies einen Zuwachs von 0,5 Prozent pro Jahr aus [5].
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

Kapitel 10. Elektrische Energiesysteme

Zusammenfassung
Der in den vergangenen Jahren stark zunehmende Anteil elektrischer Energie aus Regenerativen Energieträgern (vgl. Abb. 10.1) ist erst der Beginn eines nachhaltigen und umweltverträglichen Umbaus des elektrischen Energiesystems. Der gesetzliche Rahmen wird vor allem durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gebildet, das wie auch die Ausbauziele der deutschen Bundesregierung in Kap. 1.2.4 vorgestellt wurde.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

Kapitel 11. Thermische Energiesysteme

Zusammenfassung
Der Anteil Regenerativer Energieträger am Endenergieverbrauch für Wärme (Kühlenergie, Raum- und Prozesswärme sowie Warmwasser) hat sich in den vergangenen Jahren zwar schrittweise erhöht (Abb. 11.1), blieb dabei aber hinter dem Wachstum der Regenerativen Energien im Strom- und Kraftstoffbereich zurück. Um das Ausbauziel der deutschen Bundesregierung von 14 % im Jahr 2020 zu erreichen, wurde 2008 das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz 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

Kapitel 12. 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 unterschiedlichen Wege weitgehend parallel verfolgt. Ein technologischer Trend in dieser konzeptionellen Vielfalt ist zur Zeit noch nicht erkennbar.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

Kapitel 13. 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 und Wirkungsweise 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. Auf der Grundlage der thermodynamischen Modelle sowie der Hauptsätze der Thermodynamik können dafür zunächst allgemeine obere Grenzen angegeben werden. Diese theoretischen Grenzen gelten für ideale Anordnungen und erfordern keine detaillierte Kenntnis des Umwandlungsprozesses. Eine detaillierte Vorstellung führt immer zu Einschränkungen des allgemeinen Falls und damit zu Umwandlungswirkungsgraden, die i. A. unter den an der idealen Anordnung abgeleiteten Grenzwerten liegen. In diesem Kapitel wird das dazu nötige Wissen vorgestellt.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach

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