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2016 | OriginalPaper | Buchkapitel

1. Technologien

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Zusammenfassung

Der Übergang zu einer regenerativen Energieversorgung entspringt keineswegs einer ökologisch‐romantischen Vorstellung, sondern ist von sachlichen Notwendigkeiten geprägt.
Interessanterweise gehen technische und soziale Aspekte dabei Hand in Hand: Das Ausbeuten endlicher Vorräte an Energieträgern führt zwangsläufig zur Anreicherung von Abgasen in der Atmosphäre und nichtflüchtigen Abfallstoffen im Meer. Beide Vorgänge finden langsam und schleichend statt, sodass sie nach menschlichem Empfinden kaum wahrzunehmen sind. Auch die Folgen für Klima und Landnutzung, Nahrungsketten und Gesundheit sind nur auf langen Zeitskalen zu beobachten.
Doch gerade das schleichende Fortschreiten birgt die Gefahr, dass die an sich bekannten Bedrohungen gegenüber der Tagespolitik und kurzatmigen Schlagzeilen ins Hintertreffen geraten. Am Beispiel der Energieklippe (Abschn. 2.2.4) wird deutlich, wie ein allmählicher Prozess abrupt in eine Katastrophe münden kann – technisch wie sozial.
Fußnoten
1
Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik erlaubt eine 100 %ige Effizienz, die durch reale Maschinen jedoch nicht erreicht werden kann. Das Prinzip der Entropie führt zu einer Entwertung von Energie in Anergie.
 
2
U. a. EU‐Richtlinie 2012/27/EU zur Energieeffizienz, EU‐Richtlinie 2009/28/EG zur Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen, sowie zahlreiche Ausnahmeregelungen in der novellierten EnEV 2014.
 
3
Steuersätze für Energieerzeugnisse nach § 2 Abs. 1 EnergieStG.
 
4
Eigene Berechnungen.
 
5
Steuersatz für Strom nach § 3 StromStG.
 
6
Eigene Berechnungen.
 
7
Das Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG) bezieht sich ausschließlich auf die Stromerzeugung aus regenerativen Energien.
 
8
Der Begriff Petroleum wird in der angelsächsischen Literatur mit einer anderen Bedeutung belegt und steht dort für Erdöl. Der in den USA gebräuchliche Terminus für Petroleum ist Kerosene, nicht zu verwechseln mit dem Treibstoff für Flugzeugturbinen Kerosin (dt.). Im britischen Englisch wird der Name Paraffine Oil verwendet.
 
9
Diesel ist ein börsennotierter Rohstoff; Wertpapierkennnummer COM064.
 
10
Mit geringen Modifikationen kann jeder Benzinmotor auch mit Erdgas betrieben werden.
 
11
Bei nuklearen Technologien ist die Maßeinheit für den Abbrand der Kernbrennelemente bzw. die freigesetzte Wärmeenergie GWd/t. In der Regel bezieht sich die Massenangabe auf das spaltbare Material. 1 GWd/t = 24 MWh/kg.
 
12
Ein Vergleich ist an dieser Stelle problematisch, da bei der Kernspaltung nur ein Teil des Brennelements aus spaltbarem Material besteht. Der Anteil des spaltbaren Materials hängt vom Grad der Anreicherung ab (3,5–4,5 %). Der tatsächliche Abbrand betrifft dann wiederum nur einen Teil des spaltbaren Materials. Abgebrannte Brennelemente verfügen noch über 1,5 % spaltbares Material [26]. Im Gegensatz dazu zielt die Kernfusion auf eine vollständige Umsetzung des Brennstoffs. Das Verhältnis 1:3 bezieht sich auf die Massen des spaltbaren Materials bzw. des Fusionsbrennstoffs. Bezogen auf das komplette Brennelement läge der Faktor in der Größenordnung 100.
 
13
Die Reaktorhülle und sämtliche darin enthaltenen Aggregate und Armaturen sind während des Betriebs harter Neutronenstrahlung ausgesetzt. Es ist daher, wie bei Reaktoren zur Kernspaltung, davon auszugehen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Isotope entsteht. Ein Rückbau ist daher ähnlich aufwendig.
 
14
Ohne Industriekraftwerke.
 
15
Ohne Berücksichtigung des Ölkoks sinkt das Verhältnis auf 1:3.
 
16
Ein Betrieb wie beispielsweise im Kraftfahrzeug mit zahlreichen Lastwechseln, Leerlauf‐ und Teillastphasen reduziert den Wirkungsgrad auf 12–15 %.
 
17
Aufgrund der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe hat sich in der angelsächsischen Literatur der Begriff tar sand etabliert – in deutschsprachigen Quellen wird synonym der Begriff Ölsand verwendet.
 
18
Weiterführende Informationen in [28].
 
19
Die in Tab. 1.5 genannten Werte sind Bruttoerträge, der Energieaufwand für Anbau und Verarbeitung der Substrate ist darin nicht enthalten.
 
20
Volllaststunden sind eine rechnerische Größe zur Energiebereitstellung durch Kraftmaschinen. Die gesamte erbrachte Nutzenergie wird auf die Nennleistung normiert. Läuft die Maschine ununterbrochen mit Nennlast, werden pro Jahr 8750 Volllaststunden geliefert.
 
21
Im Fall einer kontinuierlichen Zunahme des globalen Energiebedarfs würde – je nach Wachstumsrate – der globale Energiebedarf in einigen Jahrhunderten sogar die solare Einstrahlung übersteigen [41]. Damit wird die Relevanz von Effizienz und Suffizienz (Abschn. 3.​1) deutlich.
 
22
Im Original: Frank Shumann planned to build more of these solar reflector plants, conditional on the availability of enough Nile River water in a 20,250 square miles expanse of the Sahara Desert. His vision was to provide the world “in perpetuity the 270 million horsepower per year required to equal all the fuel (in form of coal) mined in 1909”.
Korrekt müsste die Leistungseinheit Pferdestärke mit der Zeitspanne (hier: ein Jahr) multipliziert und nicht durch diese dividiert werden, um eine Energiegröße zu erhalten.
 
23
Tatsächlich ist die Wirkung der Atmosphäre auch in wesentlich höheren Schichten – bis zur Homopause in ca. 100 km über der Erdoberfläche – noch nachweisbar. Dabei nimmt die Dichte der höher gelegenen atmosphärischen Schichten exponentiell ab. Für das hier vorgestellte Rechenverfahren wird von einer konstanten Dichte der Atmosphäre ausgegangen und daher der Skalenwert 8,4 km eingeführt.
 
24
Die Einheiten sind für die Grafik in Abb. 1.21 ungewöhnlich gewählt. Anstelle von meist gebräuchlichen jährlichen Mittelwerten werden Tageswerte im jährlichen Mittel angegeben. Bezogen auf Jahreswerte reicht die Skala von 1100 bis 2550 kWh/m2 a.
 
25
Ähnlich einem Brennglas; mehr dazu im Abschn. 1.3.1.8.6.
 
26
Die Maßeinheit 1 Bq für radioaktive Aktivität gibt die Anzahl der Zerfallsprozesse pro Sekunde an. Sie ist nach Antoine Henri Becquerel, dem Sohn von Alexandre Edmond Becquerel, benannt.
 
27
Hier zeichnet die ursprüngliche Nutzung von Solarzellen vor allem für Anwendungen im Weltraum verantwortlich. Halbleitermaterial vom p‐Typ erwies sich unter den Einsatzbedingungen im All, wo es harter UV‐Bestrahlung ausgesetzt ist, als alterungsbeständiger. Seit dem Jahr 2000 werden verstärkt n‐Typ‐Zellen erforscht, da sie höhere Wirkungsgrade versprechen [46]. Der Marktanteil (in 2014) ist mit 6 % noch sehr gering [47].
 
28
Hierzu reicht ein ebenso einfaches wie effektives Prinzip: Der Arbeitspunkt (die Spannung) wird geringfügig verschoben – vergrößert sich die Ausgangsleistung daraufhin, wird beim nächsten Messintervall in dieselbe Richtung weiterverfahren – ansonsten wird das Vorzeichen der Spannungsänderung invertiert.
 
29
Für konzentrierende Systeme findet sich eine vergleichbare Kalkulation im Abschn. 1.3.1.8.8.
 
30
Die Absorbertemperatur lässt sich messtechnisch nicht immer direkt erfassen. Durch Temperaturmessungen des Wärmeträgermediums kann auf die Absorbertemperatur jedoch zurückgerechnet werden.
 
31
Wärmeenergie aus Wärmestrahlung spielt bei den hier betrachten Beispielen nur eine untergeordnete Rolle. Wie aus Abb. 1.69, 1.70 und 1.71 hervorgeht, sinkt die spektrale Energiedichte bei Temperaturen im Bereich einiger Hundert Kelvin stark ab. Wärmestrahlung kommt daher nur bei Hochtemperatursystemen zur Wärmeübertragung infrage.
 
32
Der Index \( p \) deutet auf eine Größe für Systeme konstanten Drucks (pressure, p) hin. In der Thermodynamik wird zwischen Systemen konstanten Drucks und konstanten Volumens (volume, v) unterschieden. Für eine Umgebung in offener Atmosphäre gilt in guter Näherung konstanter Druck.
 
33
Die dargestellten Werte sind exemplarisch und variieren je nach eingesetztem Frostschutzmittel. Die Werte sind aus dem Datenblatt [59] entnommen.
 
34
Dies entspricht dem typischen Volumen von Öltanks im Gebäudebestand von Einfamilienhäusern.
 
35
Durch Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen und Geschirrspüler mit separatem Warmwasserzulauf kann der Strombedarf dieser Geräte wesentlich reduziert werden, da das elektrische Aufheizen des kalten Wassers für den größten Teil des Strombedarfs verantwortlich ist. Folgerichtig kann durch den Anschluss dieser Geräte an eine solarthermische Warmwasserbereitung ein hohes Effizienzpotenzial beim Stromverbrauch erschlossen werden.
 
36
Eine alternative Wärmenutzung, die sich insbesondere im Bereich mediterraner und subtropischer Wärmegürtel anbietet, wären solarthermisch angetriebene Sorptionskältemaschinen. Anders als bei Kompressionskältemaschinen wird nur ein geringer Teil der Antriebsenergie in Form von elektrischer Energie benötigt (Größenordnung: 5–10 %); der überwiegende Teil ist thermische Energie auf einem Temperaturniveau von 120–150 °C.
 
37
Die materialaufwendige Fertigung von dreidimensionalen Linsensystemen steht einer Nutzung für flächenmäßig weit ausgedehnte Konzentratoren von solarthermischen Kraftwerken (Größenordnung von 25 MW/km2 Gesamtfläche) deutlich entgegen.
 
38
Ein Konzentrationseffekt von 1:50 erfordert bei einem Absorberrohrdurchmesser von 10 cm eine Apertur von 5 m. Sammellinsen mit einer Brennweite von wenigen Metern hätten bei gängigem Brechungsindex des Linsenmaterials \( n = 1{,}3 \ldots 2{,}4 \) eine erhebliche Materialstärke.
 
39
Die Beziehung ergibt sich aus dem Étendue eines Strahlenbündels und dessen Erhaltung beim Durchgang durch ein optisches System [61].
 
40
Geringfügig abweichende Werte in der Literatur rühren in der Regel aus der Varianz von Tabellenwerten zur mittleren Entfernung zwischen Erde und Sonne und dem Sonnenradius.
 
41
Wie vor.
 
42
Für die Strahlungsdichte wird auch das Formelzeichen \( \dot{G }\) verwendet.
 
43
Der Absorber ist aus Gründen der geringeren Wärmeleitung in der Regel von einem evakuierten Glasrohr ummantelt. Entsprechend ist für die Konvektionsverluste anstelle der Absorbertemperatur die Temperatur des Glasmantels anzusetzen.
 
44
Hier heiße Luft, da nur für den Nachtbetrieb oder Nachheizzwecke ein Brennstoff erforderlich ist.
 
45
Die Berechnungen von Betz gelten für frei angeströmte Rotoren, mehr dazu im folgenden Abschnitt zur Nutzung der Windenergie.
 
46
Eine Trübung im Bodenbereich ist weniger problematisch, da diese zur Absorption der Strahlung in der gewünschten Wasserschicht führt. Eine weitere Ursache für Trübungen kann Algenbildung sein.
 
47
Dieser Effekt wird durch die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser mit \( c _{p,\mathrm{w a s s e r} }= 4{,}18\,\text{kJ/kg K}\) geprägt. Sand verfügt lediglich über eine spezifische Wärmekapazität von \( c _{p,\mathrm{s a n d} }= 0{,}84\,\text{kJ/kg K}\). Auch unter Berücksichtigung der deutlich höheren Dichte ist das volumetrische Wärmespeichervermögen von Wasser mehr als dreimal so hoch wie das von Sand (Tab. 1.16).
 
48
In älterer Literatur wird häufig der Begriff Rauigkeit verwendet.
 
49
Hier gilt analog wie für die IEC Turbulenzintensität: Innerhalb des Messintervalls können kurzfristig deutlich höhere Windgeschwindigkeiten auftreten.
 
50
Dies ist die typische Nabenhöhe der aktuell (2015) installierten Windenergieanlagen.
 
51
Die spezifischen Brennstoffkosten in [€/kWh] sind für (Stein‐)Kohle deutlich niedriger als für Erdöl und Erdgas (Abb. 3.​6). Die Brennstoffkosten bei Dieselaggregaten im Leistungsbereich 1–5 MWel machen 80–90 % der Gesamtkosten aus – mit weiter steigender Tendenz.
 
52
Erst in Bereichen \( v\geq 100\,\text{m/s}\) ist Luft kompressibel. Die Schallgeschwindigkeit in trockener Luft liegt bei \( v_{\mathrm{s c h a l l }}= 343\,\text{m/s}\).
 
53
Die Kennlinie des Auftriebskoeffizienten für das Tragflächenprofil NACA 8412 ist für eine Reynoldszahl von \( \textit{Re}=10^{5}\) bestimmt. Diese Größenordnung kann für typische Größenordnungen von Windenergieanlagenrotoren und der kinematischen Viskosität von Luft als charakteristisch angesehen werden. Für Flugzeuge wäre, insbesondere wegen des höheren Geschwindigkeitsbereichs, mit \( \textit{Re}=10^{7}\) zu rechnen.
 
54
Analog zur Auflösung der Anlagenkennlinie kann die Windgeschwindigkeit nur innerhalb dieser Intervalle betrachtet werden. Bei statistischen Winddaten ist die Weibullverteilung in entsprechenden Intervall‐Schritten zu bestimmen.
 
55
Weitere Beiträge in [87] und in [88].
 
56
Bei einer mittleren Fließgeschwindigkeit von 1 m/s werden pro Tag rund 86 km überwunden.
 
57
Dieses Konzept wurde bereits bei mittelschlächtigen Wasserrädern umgesetzt.
 
58
Hier wird nur die Antriebsleistung des Volumenstroms betrachtet. Für die Anlagenleistung wäre gemäß Gl. 1.140 eine Korrekturgröße (Leistungskoeffizient) für die hydrodynamischen Anlagen einzuführen.
 
59
Die den Druckstollen gerade passierenden Wassermengen werden vor dem Eintritt in die Turbine gestoppt. Wird diese Wassermasse durch einen Absperrschieber schlagartig abgebremst, entsteht vor dem Schieber ein sehr hoher Druck. Der Druckstoß wird am Absperrschieber reflektiert und wandert durch die Fallleitung beziehungsweise den Druckstollen zurück und kann dabei am Stollen beziehungsweise den Druckrohren erhebliche Schäden anrichten.
 
60
Das Kernkraftwerk Unterweser ging 1978 ans Netz und ist im Nachgang des Nuklearunfalls in Fukushima Dai‐ichi (Japan) im Jahre 2011 zunächst abgeschaltet und kurz darauf endgültig stillgelegt worden.
 
61
Die Abkühlung erfolgt bis auf 50 °C.
 
62
Technisch ist ein derartiges Szenario jedoch nicht möglich, da die Leistung der Pumpspeicher auf vorgenannte 6,6 GW begrenzt ist. Demgegenüber beträgt die Netzlast zur Schwachlastzeit rund 40 GW und zur Hochlastzeit bis zu 80 GW.
 
63
Umgekehrt sind auch die Anlagen dem Bewuchs durch Algen, Muscheln, etc. ausgesetzt. Spezielle Beschichtungen oder Anstriche (anti‐fouling) sollen das Wachstum verringern, haben jedoch ihrerseits auch Rückwirkungen auf die submarine Fauna.
 
64
Die Dichte von Meerwasser beträgt abhängig vom Salzgehalt \( \rho = 1020 \ldots 1030\,\text{kg/m}^{3}\).
 
65
Die Gravitationsbeschleunigung beträgt je nach geografischer Breite \( g = 9{,}780 \ldots 9{,}832 \,\text{m/s}^{2}\); aufgrund der Zentrifugalkraft ist die Erde keine Kugel, sondern an den Polen gegenüber dem Äquator um rund 0,3 % abgeplattet. Entsprechend ist die Gravitationsbeschleunigung an den Polen höher.
 
66
In einer früheren Publikation des Autors Nihous [113] wird eine von der Struktur identische Formel vorgestellt, lediglich der Parameter γ wird durch einen anderen Parameter η ersetzt, der als der Kehrwert von γ definiert wird: \( \gamma = \dot{V }_{\text{w} }/ \dot{V }_{\text{k} }\) (2013); \( \eta = \dot{V }_{\text{k} }/ \dot{V }_{\text{w}}\) (2005). Dies führt aufgrund des Terms \( \gamma / ( 1 + \gamma ) \) in Gl. 1.214 zwangsläufig zu einem abweichenden Ergebnis; einzige Ausnahme: \( \gamma = \eta = 1 \).
 
67
Durch das 1989 in Kraft getretene Protokoll von Montreal ist die Produktion von Stoffen verboten, die die Ozonschicht schädigen. Hierzu zählen vor allem halogenierte Kohlenwasserstoffe, Fluorchlorkohlenwasserstoffe und bromierte Kohlenwasserstoffe. Diese häufig als Kältemittel genutzten Substanzen verfügen über einen niedrigen Siedepunkt und eignen sich damit für den Betrieb von Niedertemperatur‐Dampfturbinen.
Das atmosphärische Ozon absorbiert kurzwellige UV‐Strahlung und begrenzt so den UV‐Anteil des Sonnenlichts (Abschn. 1.3.1.4).
 
68
Hier spielt die politische Reaktion auf die erste Ölkrise 1973 eine auslösende Rolle: Mit Fördergeldern sollten alternative Technologien einen Anschub für mehr Unabhängigkeit vom Erdöl erhalten.
 
69
Gasturbinen und Braunkohlekraftwerke verkörpern den best case und den worst case bei fossil gefeuerten Kraftwerken. Die Werte zeigen damit die Spannbreite konventioneller Anlagen auf.
 
70
Claus Bohling von der Industrieberatung Umwelt aus Wistedt im Interview mit dem Hamburger Abendblatt [122].
 
71
Vorangegangen war eine Bundestagswahl im Herbst 2005, bei der die vorherige Koalition von SPD und Grünen durch eine große Koalition aus CDU und SPD abgelöst wurde.
 
72
Als primordial werden Radionuklide bezeichnet, die aufgrund ihrer sehr langen Halbwertszeit bereits bei der Entstehung der Erde vorhanden waren und in der Zwischenzeit nicht (vollständig) zerfallen sind. Neben mehr als 250 stabilen Isotopen existieren 32 primordiale Radionuklide.
 
73
Beim Volumenstrom beträgt der Faktor 3400.
 
Metadaten
Titel
Technologien
verfasst von
Christian Synwoldt
Copyright-Jahr
2016
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-13047-3_1