Skip to main content
main-content

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 wird - 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.

In der zweiten Auflage ist ein ein Kapitel über Energiespeicher, sowohl für thermische als auch elektrische Energie neu hinzugekommen. Vollständig überarbeitet wurden die Kapitel zur Energieeffizienz und zur Windkraft.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 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 Verkehr. 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.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

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 bei der Wandlung, dem Transport oder der Speicherung von Energie auftreten. Energieeffizienz umfasst alle Maßnahmen, um einen vorgegebenen (energetischen) Nutzen bei sinkendem Primär- bzw. Endenergieeinsatz zu erreichen.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

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.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Kapitel 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

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, Heizungsunterstützung und Prozesswärmebereitstellung 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.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

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, Thomas Link, Joachim Fischer

Kapitel 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. In den letzten Jahren wurden verstärkt Bioenergieträger zur partiellen Substitution fossiler Energieträger eingesetzt, so beispielsweise durch die Beimischung von Biokraftstoffen in Otto- und Dieselkraftstoff oder durch die Einspeisung von aufbereitetem Biogas in das Erdgasnetz.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

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 etwa ein Drittel der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien aus, bei einem Gesamtanteil des regenerativ erzeugten Stroms am Bruttostromverbrauch Deutschlands von 22,7 Prozent im Jahr 2012 [26].
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

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.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Kapitel 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.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Kapitel 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).
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Kapitel 12. 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. 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 2008 das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz novelliert und mit dem Erneuerbare-Energien- Wärmegesetz (EEWärmeG) versucht, eine Anreizstruktur im Neubaubereich zu schaffen.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Kapitel 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. Ein technologischer Trend in dieser konzeptionellen Vielfalt ist zur Zeit noch nicht erkennbar.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Kapitel 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 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.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Backmatter

Weitere Informationen