Regenerative Energiesysteme (eBook)

Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Quaschning arbeitet seit vielen Jahren in verschiedenen Bereichen der regenerativen Energien im In- und Ausland. Heute lehrt und forscht er im Fachgebiet „Regenerative Energiesysteme“ an der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin.

Vorwort zur ersten Auflage 7
Vorwort zur zwölften Auflage 8
Inhaltsverzeichnis 9
1 Energie und Klimaschutz 15
1.1 Der Begriff Energie 15
1.2 Entwicklung des Energiebedarfs 20
1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs 20
1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland 22
1.3 Reichweite konventioneller Energieträger 25
1.4 Der Treibhauseffekt 27
1.5 Kernenergie contra Treibhauseffekt 33
1.5.1 Kernspaltung 33
1.5.2 Kernfusion 37
1.6 Nutzung erneuerbarer Energien 37
1.6.1 Geothermische Energie 39
1.6.2 Planetenenergie 39
1.6.3 Sonnenenergie 40
1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie 40
1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie 43
1.7 Energiewende und Klimaschutz 48
1.7.1 Szenarien für den globalen Klimawandel 48
1.7.2 Energiewende und Klimaschutz in Deutschland 54
1.7.2.1 Entwicklung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland 54
1.7.2.2 Regenerative Energieversorgung in Deutschland 56
1.7.2.3 Umbau der Energieversorgung 67
1.7.3 Internationaler Klimaschutz 70
2 Sonnenstrahlung 74
2.1 Einleitung 74
2.2 Der Fusionsreaktor Sonne 75
2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde 79
2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen 85
2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel 88
2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene 92
2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene 92
2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene 93
2.6.3 Bodenreflexion 94
2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung 95
2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten 98
2.7.1 Aufnahme der Umgebung 98
2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades 100
2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades 101
2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen 102
2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen 103
2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren 107
2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke 107
2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke 109
2.8.3 Satellitenmessungen 109
2.8.4 Künstliche Sonnen 112
3 Nicht konzentrierende Solarthermie 113
3.1 Grundlagen 113
3.2 Solarthermische Systeme 116
3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung 116
3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung 117
3.2.2.1 Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen 119
3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf 120
3.2.3 Solare Heizungsunterstützung 123
3.2.4 Rein solare Heizung 124
3.2.5 Solare Nahwärmeversorgung 125
3.2.6 Solares Kühlen 126
3.3 Solarkollektoren 127
3.3.1 Speicherkollektoren 128
3.3.2 Flachkollektoren 130
3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren 133
3.4 Kollektorabsorber 134
3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad 137
3.6 Rohrleitungen 142
3.6.1 Leitungsaufheizverluste 145
3.6.2 Zirkulationsverluste 145
3.7 Speicher 147
3.7.1 Trinkwasserspeicher 148
3.7.2 Schwimmbecken 151
3.8 Anlagenauslegung 154
3.8.1 Nutzwärmebedarf 154
3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad 155
3.8.3 Solare Trinkwasseranlagen 157
3.8.4 Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung 158
3.8.5 Rein solare Heizung 160
3.9 Aufwindkraftwerke 160
4 Konzentrierende Solarthermie 163
4.1 Einleitung 163
4.2 Konzentration von Solarstrahlung 163
4.3 Konzentrierende Kollektoren 166
4.3.1 Linienkollektoren 167
4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie 167
4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad 169
4.3.1.3 Längenausdehnung 173
4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder 173
4.3.2 Punktkonzentratoren 176
4.4 Wärmekraftmaschinen 177
4.4.1 Carnot-Prozess 177
4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess 177
4.4.3 Joule-Prozess 180
4.4.4 Stirling-Prozess 181
4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen 181
4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke 181
4.5.2 Solarturmkraftwerke 186
4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver 187
4.5.2.2 Druck-Receiver 188
4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen 189
4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie 190
4.6 Stromimport 191
5 Photovoltaik 194
5.1 Einleitung 194
5.2 Funktionsweise von Solarzellen 196
5.2.1 Atommodell nach Bohr 196
5.2.2 Photoeffekt 197
5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle 199
5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen 206
5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium 206
5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen 211
5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium 212
5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien 213
5.3.5 Modultests und Qualitätskontrolle 215
5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen 217
5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild 217
5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell) 218
5.4.3 Zweidiodenmodell 221
5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm 221
5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter 223
5.4.6 Temperaturabhängigkeit 225
5.4.7 Parameterbestimmung 228
5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen 229
5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen 229
5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen 231
5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen 236
5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen 236
5.6 Solargenerator und Last 237
5.6.1 Widerstandslast 237
5.6.2 Gleichspannungswandler 239
5.6.3 Tiefsetzsteller 240
5.6.4 Hochsetzsteller 242
5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler 243
5.6.6 MPP-Tracker 244
5.7 Akkumulatoren 246
5.7.1 Akkumulatorarten 246
5.7.2 Bleiakkumulator 247
5.7.3 Lithium-Ionen-Akkumulator 251
5.7.4 Andere Akkumulatortypen 255
5.7.5 Akkumulatorsysteme 256
5.7.6 Andere Speichermöglichkeiten 259
5.8 Wechselrichter 260
5.8.1 Wechselrichtertechnologie 260
5.8.1.1 Rechteckwechselrichter 261
5.8.1.2 Moderne Wechselrichtertopologien 264
5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik 265
5.8.2.1 Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters 265
5.8.2.2 Wechselrichterwirkungsgrade 267
5.8.2.3 Anlagenkonzepte 270
5.9 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme 271
5.9.1 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Speicher 271
5.9.2 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Heizung 275
5.10 Planung und Auslegung 277
5.10.1 Inselnetzsysteme 277
5.10.2 Rein netzgekoppelte Systeme 280
5.10.3 Eigenverbrauchssysteme 283
5.10.3.1 Eigenverbrauchssysteme ohne Speicher 283
5.10.3.2 Eigenverbrauchssysteme mit Batteriespeicher 287
5.10.3.3 Thermische Nutzung und Netzrückspeisung 294
6 Windkraft 296
6.1 Einleitung 296
6.2 Dargebot von Windenergie 297
6.2.1 Entstehung des Windes 297
6.2.2 Angabe der Windstärke 298
6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen 299
6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe 301
6.3 Nutzung der Windenergie 304
6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung 304
6.3.2 Widerstandsläufer 306
6.3.3 Auftriebsläufer 308
6.4 Bauformen von Windkraftanlagen 312
6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse 312
6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse 313
6.4.2.1 Anlagenaufbau 313
6.4.2.2 Rotorblätter 314
6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche 316
6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung 317
6.4.2.5 Windnachführung 319
6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator 320
6.4.2.7 Offshore-Windkraftanlagen 321
6.5 Elektrische Maschinen 322
6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung 323
6.5.2 Drehfeld 326
6.5.3 Synchronmaschine 330
6.5.3.1 Aufbau 330
6.5.3.2 Elektrische Beschreibung 331
6.5.3.3 Synchronisation 334
6.5.4 Asynchronmaschine 334
6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände 334
6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven 336
6.5.4.3 Leistungsbilanz 338
6.5.4.4 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten 339
6.6 Elektrische Anlagenkonzepte 341
6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung 341
6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung 344
6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis 345
6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren 347
6.6.5 Inselnetzanlagen 347
6.7 Netzbetrieb 348
6.7.1 Anlagenertrag 348
6.7.2 Netzanschluss 349
7 Wasserkraft 351
7.1 Einleitung 351
7.2 Dargebot der Wasserkraft 352
7.3 Wasserkraftwerke 356
7.3.1 Laufwasserkraftwerke 356
7.3.2 Speicherwasserkraftwerke 358
7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke 359
7.3.4 Betonkugelspeicher und Lageenergiespeicher 363
7.4 Wasserturbinen 365
7.4.1 Turbinenarten 365
7.4.1.1 Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine 366
7.4.1.2 Ossberger-Turbine 367
7.4.1.3 Francis-Turbine 367
7.4.1.4 Pelton-Turbine 367
7.4.2 Turbinenwirkungsgrad 369
7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung 370
7.5.1 Gezeitenkraftwerke 370
7.5.2 Meeresströmungskraftwerke 371
7.5.3 Wellenkraftwerke 372
8 Geothermie 374
8.1 Geothermievorkommen 374
8.2 Geothermische Heizwerke 378
8.3 Geothermische Stromerzeugung 379
8.3.1 Kraftwerksprozesse 379
8.3.2 Geothermische Kraftwerke 381
8.4 Wärmepumpen 383
8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen 383
8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen 386
8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen 387
8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung 387
9 Nutzung der Biomasse 394
9.1 Vorkommen an Biomasse 394
9.1.1 Feste Bioenergieträger 396
9.1.2 Flüssige Bioenergieträger 400
9.1.2.1 Pflanzenöl 400
9.1.2.2 Biodiesel 401
9.1.2.3 Bioalkohole 401
9.1.2.4 Biomass-to-Liquid- (BtL-)Brennstoffe 402
9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger 403
9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz 405
9.2 Biomasseanlagen 406
9.2.1 Biomasseheizungen 406
9.2.2 Biomassekraftwerke 409
10 Wasserstoffwirtschaft 410
10.1 Einleitung 410
10.2 Wasserstofferzeugung 411
10.3 Wasserstofftransport und Wasserstoffspeicherung 413
10.4 Wasserstoffbasierte Energieträger 416
10.4.1 Energieträger für den Transport 417
10.4.2 Methan als Speicher der Energiewende 418
10.4.3 E-Fuels 421
10.5 Brennstoffzellen 423
10.5.1 Einleitung 423
10.5.2 Brennstoffzellentypen 424
10.5.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten 427
11 Wirtschaftlichkeitsberechnungen 429
11.1 Einleitung 429
11.2 Energiegestehungskosten 430
11.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung 430
11.2.1.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung 431
11.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke 432
11.2.1.3 Photovoltaikanlagen 433
11.2.1.4 Windkraftanlagen 435
11.2.1.5 Wasserkraftanlagen 436
11.2.1.6 Geothermieanlagen 436
11.2.1.7 Holzpelletsheizungen 438
11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung 439
11.2.2.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung 442
11.2.2.2 Solarthermische Kraftwerke 442
11.2.2.3 Photovoltaikanlagen 442
11.2.2.4 Windkraftanlagen 443
11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen 443
11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien 444
11.2.5 Kosten konventioneller Energiesysteme 446
11.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs 448
11.3.1 Subventionen im Energiemarkt 449
11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung 451
11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden 452
11.3.4 Sonstige externe Kosten 453
11.3.5 Internalisierung der externen Kosten 453
11.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen 454
11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung 455
11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals 456
12 Simulation und Downloads zum Buch 458
12.1 Allgemeines zur Simulation 458
12.2 Der Downloadbereich zum Buch 459
12.2.1 Start und Überblick 459
12.2.2 Abbildungen und Software-Links 460
12.2.3 Vermischtes 462
Literaturverzeichnis 463
Sachwortverzeichnis 472