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2020 | Buch

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Erneuerbare Energien

Systemtechnik · Wirtschaftlichkeit · Umweltaspekte

herausgegeben von: Prof. Martin Kaltschmitt, Prof. Dr. Wolfgang Streicher, Prof. Dr. Andreas Wiese

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Standardwerk stellt die physikalisch-technischen Grundlagen und die aktuelle Systemtechnik für Anlagen und Systeme zur Nutzung regenerativer Energien zur Strom- und Wärmebereitstellung dar. Außerdem gibt es einen umfassenden Überblick über die Charakteristik des erneuerbaren Energieangebots. Ausgehend davon werden Kennzahlen für eine ökonomische und ökologische Bewertung zugänglich gemacht; außerdem werden die Potenziale der verschiedenen Optionen zur Nutzung regenerativer Energien und deren derzeitige Nutzung diskutiert. Im Einzelnen werden die folgenden Möglichkeiten zur Nutzung des regenerativen Energieangebots vertieft dargestellt:

- passive Solarenergienutzung,
- solarthermische Wärmebereitstellung,
- photovoltaische Stromerzeugung,
- Bereitstellung elektrischer Energie aus Lauf- und Speicherwasserkraft,
- Stromerzeugung aus einer Onshore- und Offshore-Windkraftnutzung,
- Wärmebereitstellung mithilfe von Wärmepumpen aus Umgebungswärme (d. h. Umgebungsluft und oberflächennaher Erdwärme),
- Strom- und Wärmebereitstellung aus der Energie des tiefen Untergrunds.

Zusätzlich werden die Möglichkeiten einer Nutzung der Meeresenergien und der solarthermischen Stromerzeugung dargestellt. Außerdem wird auf die Speicherung elektrischer und thermischer Energie sowie auf Strom- und Wärmenetze eingegangen. Nicht diskutiert wird dagegen die Energiegewinnung aus Biomasse.

Neben seiner Eignung für die universitäre und außeruniversitäre Lehre bietet das Buch Entscheidungsträgern in Energiewirtschaft, Politik, Verwaltung und Administration sowie Wissenschaftlern und Beratern eine fundierte, verlässliche und hochaktuelle Wissensbasis.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Erneuerbare Energien in Mitteleuropa

Frontmatter

1. Einführung und Aufbau

Zusammenfassung

Ziel der Ausführungen dieses Buches ist es, die Möglichkeiten und Grenzen einer Nutzung des regenerativen oder erneuerbaren Energieangebots umfassend darzustellen und vertieft zu diskutieren. Deshalb werden sowohl die physikalischen und technischen Grundlagen dargestellt als auch unterschiedliche Kenngrößen erarbeitet, die eine umfassende Einordnung dieser Optionen in das Energiesystem ermöglichen. Um dem Anspruch einer einfachen, verständlichen und transparenten Darstellung der z. T. sehr verschiedenartigen Möglichkeiten zur Nutzung regenerativer Energien möglichst nahe zu kommen, sind die einzelnen Kapitel, in denen die unterschiedlichen Varianten erläutert werden, vergleichbar aufgebaut – soweit dies möglich und sinnvoll ist.

Martin Kaltschmitt, Lucas Sens, Wolfgang Streicher

2. Grundlagen des regenerativen Energieangebots

Zusammenfassung

Die Energieströme auf der Erde speisen sich aus verschiedenen Quellen, die im Folgenden zunächst dargestellt werden. Dabei hat aber an der gesamten auf der Erde umgesetzten Energie die Sonnenenergie einen Anteil von nahezu 100%; d.h. sie dominiert eindeutig das „Energiesystem Erde“. Dabei trägt die Solarenergie nicht nur direkt, sondern in vielerlei Hinsicht auch indirekt zum globalen Energiesystem bei; beispielsweise wird die von der Sonne auf die Erde eingestrahlte Energie innerhalb der Atmosphäre geschwächt und dabei teilweise in andere Energieformen (z.B. Wind, Wasserkraft) umgewandelt. Deshalb wird im Folgenden auf den Aufbau und die wesentlichen Eigenschaften der Erdatmosphäre ebenfalls näher eingegangen. Diesem schließt sich die Bilanzierung der globalen Energieströme an, bevor die einzelnen potenziell von der Menschheit nutzbaren Energieströme bzw. regenerativen Energien im Detail dargestellt werden. Dabei wird jeweils auf die entsprechenden Grundlagen eingegangen, bevor die räumliche und zeitliche Variationsbreite dargestellt wird, die letztlich die jeweilige technische Nutzung (mit-)bestimmt.

Beate Geyer, Klaus Jorde, Martin Kaltschmitt, Iris Lewandowski, Ben Norden, Wolfgang Streicher, Andreas Wiese

3. Passive Sonnenenergienutzung

Zusammenfassung

Die Bezeichnung „Passive Solarenergienutzung“ hat sich in den 1970er Jahren eingebürgert. Mit Hilfe des Kriteriums „zugeführte Hilfsenergie“ sollte eine klare Abgrenzung zu den anlagentechnischen (aktiven) Systemen zur Nutzung der Sonnenenergie zur Wärmebereistellung erreicht werden. Beim Einsatz von Hilfsaggregaten (z.B. Ventilatoren) wurden die Systeme als Hybridsysteme bezeichnet. Der Übergang zwischen passiven und aktiven Systemen wurde dadurch jedoch unscharf, denn beispielsweise ist ein Fenster mit automatisch betriebener Verschattung gleichfalls passiv wie hybrid.

Martin Kaltschmitt, Marina Stegelmeier, Wolfgang Streicher

4. Solarthermische Wärmenutzung

Zusammenfassung

Ein Teil der von der Sonne eingestrahlten Strahlungsenergie kann mit Hilfe von Absorbern in Wärme umgewandelt werden. Zusammen mit anderen notwendigen Komponenten bilden diese Absorber die thermische Solaranlage. Thermische Solaranlagen sind damit also Anlagen, die Solarstrahlung in Wärme wandeln und sie dadurch für eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen nutzbar machen (z. B. Schwimmbadwassererwärmung, Trinkwarmwasserbereitung, Raumwärmenachfragedeckung, Prozesswärmebereitstellung, Verfügbarmachung von Antriebswärme für solare Kühlung). Im Folgenden werden die dafür wesentlichen physikalischen Grundlagen der Energiewandlung dargestellt.

Martin Kaltschmitt, Agis Papadopoulos, Lucas Sens, Wolfgang Streicher

5. Photovoltaische Stromerzeugung

Zusammenfassung

Neben der solarthermischen Wärmegewinnung ist die photovoltaische Stromerzeugung eine weitere Form der direkten Nutzung solarer Strahlungsenergie. Im Unterschied zur Solarthermie wird aber hier die Energie der solaren Strahlung direkt in elektrische Energie gewandelt. Im Folgenden werden zunächst wesentliche physikalische Grundlagen dieser Energiewandlungsoption dargestellt und diskutiert. Anschließend wird auf die entsprechende Technik sowohl der Solar- oder Photovoltaikzellen und -module als auch die gesamter Photovoltaik-Stromerzeugungssysteme eingegangen. Ausgehend davon werden ausgewählte Systeme aus ökonomischer und ökologischer Sicht analysiert und zusätzlich die vorhandenen Potenziale und die derzeitige Nutzung diskutiert.

Roland Bründlinger, Daniel Christ, Hubert Fechner, Martin Kaltschmitt, Jörg Müller, Gerhard Peharz, Detlef Schulz, Lucas Sens

6. Stromerzeugung aus Windenergie

Zusammenfassung

Windkraftanlagen (WKA) machen die in den strömenden Luftmassen enthaltene Bewegungsenergie technisch nutzbar. Die dieser Wandlung der kinetischen in mechanische Energie zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge werden im Folgenden dargestellt. Nicht behandelt werden die Grundlagen der Windenergienutzung, wie sie z.B. bei Segelbooten oder Drachen realisiert wird.

Martin Kaltschmitt, Burcu Özdirik, Britta Reimers, Michael Schlüter, Detlef Schulz, Lucas Sens

7. Stromerzeugung aus Wasserkraft

Zusammenfassung

Lauf- und Speicherwasserkraftanlagen werden eingesetzt, um die ursprünglich aus der Sonnenenergie kommende und mithilfe des globalen Wasserkreislaufs (Kapitel 2) im Wasser gespeicherte potenzielle und kinetische Energie zur Bereitstellung mechanischer und/oder elektrischer Energie nutzbar zu machen. Dazu werden nachfolgend zunächst die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge, wie sie an einem Wasserkraftanlagenstandort gegeben sind, diskutiert. Im Anschluss daran wird auf wesentliche auftretende Verlustmechanismen eingegangen.

Markus Aufleger, Franz Joos, Klaus Jorde, Martin Kaltschmitt, Anne Rödl, Michael Schlüter, Lucas Sens

8. Nutzung von Umgebungswärme

Zusammenfassung

Unter dem Begriff „Umgebungswärme“ wird der Energieinhalt der Umgebungsluft, des oberflächennahen Erdreichs, von Grundwässern (Aquiferen) oder auch von fließenden oder stehenden Oberflächengewässern verstanden. Diese in unserer unmittelbaren Umgebung enthaltene thermische Energie ist im Sinne der Energietechnik und nach menschlichen Maßstäben erneuerbar und damit unerschöpflich; d.h. es ist regenerative, klimaneutrale Energie. Aufgrund des typischerweise geringen Temperaturniveaus ist aber diese thermische Energie nicht unmittelbar zur Deckung der Wärmenachfrage für den Menschen nutzbar; zur technisch sinnvollen Nutzbarmachung wird deshalb i. Allg. eine weitere Systemkomponente, eine sogenannte Wärmepumpe, benötigt.

Martin Kaltschmitt, Lucas Sens, Wolfgang Streicher, Felix Ziegler

9. Nutzung tiefer geothermischer Systeme

Zusammenfassung

Neben der Sonnenenergie und der aus der Massenanziehung und Bewegung von Himmelskörpern resultierenden Energie zählt auch die im Erdinneren gespeicherte Wärme zu den regenerativen Energiequellen. Diese geothermische Energie kann mit Hilfe offener und geschlossener Systeme nutzbar gemacht werden.

Sebastian Janczik, Martin Kaltschmitt, Ben Norden, Lucas Sens

10. Zusammenfassender Vergleich

Zusammenfassung

In den Kapiteln 3–9 werden verschiedene Möglichkeiten zur Wärme- und/oder Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien detailliert diskutiert; dabei werden jeweils die physikalischen Grundlagen und die Technik bzw. Systemtechnik umfassend dargestellt sowie ausgewählte ökonomische und ökologische sowie weitere Energiesystem-relevante Zusammenhänge und Kenngrößen ermittelt. Damit ist noch keine Aussage darüber getroffen, wie die einzelnen Techniken für die Nutzbarmachung erneuerbarer Energien untereinander und im Vergleich zu den jeweiligen Möglichkeiten zur Nutzung fossiler Energieträger – im Hinblick auf die Erfüllung einer bestimmten Versorgungsaufgabe – zu bewerten sind. Daher werden im Folgenden einzelne der hier untersuchten Möglichkeiten zur Nutzung erneuerbarer und fossiler Energien kursorisch gegenübergestellt. Dabei können aber immer nur Systeme bzw. Techniken sinnvoll miteinander verglichen werden, welche die gleiche End- bzw. Nutzenergie bereitstellen (d.h. Strom, Wärme). Deshalb wird bei der folgenden Gegenüberstellung im Wesentlichen unterschieden zwischen den Möglichkeiten zur Stromerzeugung, ggf. auch im Rahmen einer Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), und einer Wärmebereitstellung.

Martin Kaltschmitt, Lucas Sens

Erneuerbare Energien und Energiesystemkomponenten

Frontmatter

11. Solarthermische Stromerzeugung

Zusammenfassung

Unter dem Begriff „solarthermische Kraftwerke“ werden hier Anlagen zusammengefasst,

- die Solarstrahlung zunächst in Wärme wandeln, dann

- diese Wärme mittels eines weiteren Prozesses (üblicherweise ein „klassischer“ Wärme-Kraft-Prozess; nur beim Aufwindkraftwerk wird dieser Prozess durch das Auftriebsprinzip ersetzt, wobei aber der Auftrieb ebenfalls wärmeinduziert erzeugt wird) in

Rotations- bzw. mechanische Energie umwandeln und dann

- durch eine mechanisch-elektrische Wandlung schließlich elektrische Energie bereitstellen.

Tobias Hirsch, Martin Kaltschmitt, Matti Lubkoll, Gerhard Weinrebe

12. Nutzung der Energien des Meeres

Zusammenfassung

Die Nutzung der Meeresenergie umfasst sehr verschiedenartige Ressourcen im Meer, die in unterschiedlichen Energieformen (mechanisch, thermisch und chemisch) auftreten können. Demzufolge sind auch die jeweiligen Technologien zur Nutzung dieser Ressourcen sehr unterschiedlich. Dies umfasst neben Anlagen zur Nutzung der Gezeiten, der Meereswellen und der Meeresströmungen auch Systeme, welche die Differenz im Salzgehalt von Süßwasser und Meerwasser nutzen sowie Anlagen, welche die Temperaturdifferenz zwischen dem warmen Oberflächenwasser und dem kalten Tiefenwasser beispielsweise zur Breitstellung elektrischer Energie ausnutzen. Nachfolgend werden die jeweiligen Nutzungsprinzipien bzw. -konzepte dieser Optionen dargestellt.

Jochen Bard, Kai-Uwe Graw, Martin Kaltschmitt

13. Energetische Nutzung von Biomasse

Zusammenfassung

Unter dem Begriff „Biomasse“ werden Stoffe organischer Herkunft (d. h. kohlenstoffhaltige Materie) zusammengefasst. Biomasse beinhaltet damit

- die in der Natur lebende Phyto- und Zoomasse (Pflanzen und Tiere),

- die daraus resultierenden Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle (z.B. tierische Exkremente),

- abgestorbene (aber noch nicht fossile) Phyto- und Zoomasse (z.B. Stroh) und

- im weiteren Sinne alle Stoffe, die beispielsweise durch eine technische Umwandlung und/oder eine stoffliche Nutzung entstanden sind bzw. anfallen (z.B. Papier und Zellstoff, Schlachthofabfälle, organische Hausmüllfraktion, Pflanzenöl, Alkohol).

Martin Kaltschmitt

14. Speicher

Zusammenfassung

Energiespeicher sind bereits seit langem etablierte und oft auch zwingend notwendige Bestandteile von Energieversorgungsstrukturen. Sie werden unabhängig von der Art der Energiebereitstellung in Energiesystemen standardmäßig eingesetzt, um beispielsweise angebotsorientiert bereitgestellte elektrische Energie von lastschwachen in laststarke Zeiten zu verschieben (z.B. durch Pumpspeicherkraftwerke) oder die durch eine Ein-Aus- Fahrweise bereitgestellte Wärme zur sicheren Deckung der Wärmenachfrage zwischen zu speichern (z.B. durch einen Warmwasserspeicher).

Jerrit Hilgedieck, Martin Kaltschmitt, Jelto Lange, Wolfgang Streicher

15. Stromnetze

Zusammenfassung

Die folgenden Ausführungen befassen sich mit den technischen Grundlagen, Komponenten und Wirkungsweisen elektrischer Energienetze. Zunächst werden einführende physikalische Grundlagen erläutert, bevor daran anschließend alle wichtigen Komponenten für Drehstromnetze vorgestellt werden. Darin werden auch leistungselektronische Stromrichter beschrieben, die insbesondere zur Netzanbindung erneuerbarer Energieumwandlungsanlagen, aber auch in Netzreglern und gleichstromübertragenden Netzelementen eingesetzt werden. Nach der Darstellung wichtiger Netzstrukturen werden der Begriff des Leistungsflusses sowie die Netzberechnung eingeführt. Abschließend werden elementare Zusammenhänge zu Leistungsbilanzen in elektrischen Energienetzen im Hinblick auf das systemische Zusammenwirken der Netzkomponenten grundlegend erläutert.

Christian Becker

16. Wärmenetze

Zusammenfassung

Wärmenetze dienen der leitungsgebundenen Verteilung von thermischer Energie. Sie verbinden Wärmequellen mit Wärmeabnehmern. Diese Wärmeverteilung erfolgt vorrangig mit dem Ziel der Deckung der Nachfrage nach Raumwärme und für industrielle Anwendungen. Im Vergleich zu individuellen, dezentralen Lösungen ergeben sich für Wärmenetze immer dann Vorteile, wenn hohe Wärmenachfragedichten vorliegen und/oder lokal/regional „überschüssige“ Wärme vorhanden ist; darunter ist beispielsweise Abwärme aus Kraft-Wärme-Kopplungs-Prozessen (KWK-Prozessen) zu verstehen, die am Standort der Konversionsanlage nicht energiewirtschaftlich genutzt werden kann und deshalb als „Abfall“ oder ggf. als „Nebenprodukt“ anzusehen ist. Hohe Wärmenachfragedichten, die eine Nutzung dieser Abwärme ökonomisch vielversprechend erscheinen lassen, finden sich beispielsweise in stark besiedelten Siedlungsgebieten und in Industriegebieten; deshalb sind in den großen europäischen Städten bzw. in den entsprechenden Metropolregionen in der Regel derartige Wärmenetze vorhanden [16.1].

Ingo Weidlich

Backmatter

Titel: Erneuerbare Energien
herausgegeben von: Prof. Martin Kaltschmitt
Prof. Dr. Wolfgang Streicher
Prof. Dr. Andreas Wiese
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-61190-6
Print ISBN: 978-3-662-61189-0
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-61190-6