Physikalische Grundlagen der Energietechnik

Dr. Norbert Pucker ist Professor für Theoretische Physik an der Karl-Franzens-Universität Graz mit den Schwerpunkten Energie und Umwelt.

I. Vom Wesen der Energie.- I.1. Auf dem Weg zu einem immer tieferen Verständnis des Energiebegriffes.- I.1.1. Die mechanische Energie.- I.1.2. Die Wärmekraftmaschinen und das Verständnis der Wärme.- I.1.3. Das mechanische Wärmeäquivalent.- I.1.4. Der Satz von der Erhaltung der Energie.- I.1.5. Die Äquivalenz von Masse und Energie.- I.1.6. Die Wertigkeit der Energie: Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre und die Entropie.- I.2. Mechanische Arbeit; die verschiedenen Energieformen; Wärmeströmung als Form des Energieaustausches.- I.2.1. Mechanische Arbeit.- I.2.2. Beispiele für die Übertragung mechanischer Energie.- I.2.3. Energieform Wärme; weitere Energieformen.- II. Thermodynamische Grundlagen der Energietechnik.- II.1. Erster Hauptsatz der Thermodynamik für geschlossene und offene Systeme.- II.2. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik; Reversibilität und Irreversibilität; Entropie.- II.2.1. Der zweite Hauptsatz.- II.2.2. Reversibilität und Irreversibilität.- II.2.3. Die Entropie.- II.2.4. Anwendungen des zweiten Hauptsatzes; Erzeugung von Entropie.- II.2.4.1. Temperaturausgleich.- II.2.4.2. Gay-Lussacscher Drosselversuch.- II.2.4.3. Der Carnotsche Wirkungsgrad ?c als Maximalgröße.- II.3. Die Exergie als Mittel zur Bewertung thermodynamischer Prozesse.- II.3.1. Energetische und thermodynamische Bewertung von Energieumsetzungen.- II.3.2. Exergie und verfügbare Arbeit.- II.3.3. Beispiele zur Bestimmung der Exergie; Folgerungen.- II.3.3.1. Exergie eines elektrisch geheizten Durchlauferhitzers.- II.3.3.2. Raumheizung durch elektrische Widerstandsheizung oder eine Carnotsche Wärmepumpe.- II. 3.3.3. Dampfkraftwerk, Verbrennungsprozeß, "energy cascading".- II. 4. Wärmepumpe, Wärmetransformator.- II.4.1. Kompressionswärmepumpe.- II.4.2. Absorptionswärmepumpe, Wärmetransformator.- II.4.3. Einsatz neuer Mehrstoff-Systeme.- II.4.4. Wärmequellen.- II.5. Versuche zur Bereitstellung mechanischer Energie mit Hilfe von Niedertemperaturwärme; Energieerntefaktor.- II.5.1. Bereitstellung von mechanischer Energie mit Hilfe von Niedertemperaturwärme.- II.5.1.1. Stirling-Motor für sehr kleine Temperaturdifferenzen.- II.5.1.2. Der Curie-Motor.- II.5.2. Der Energieerntefaktor.- II.6. Grundlagen der Wärmeleitung; bauphysikalische Anwendungen.- III. Grundlagen zur Nutzung der Windenergie.- III.1. Primärenergieform Wind.- III.1.1. Allgemeine Grundlagen.- III.1.2. Strömungsmechanische Grundlagen.- III.1.2.1. Beschreibung von Orts- und Zeitverhalten eines Fluids.- III.1.2.2. Stromlinie, Stromröhre, Stromfaden.- III.1.2.3. Kontinuitätsgleichung, Eulersche und Bernoullische Gleichung.- III.2. Energieumsetzungen an Windrädern.- III.2.1. Einfache Theorie des Windrades.- III.2.2. Analyse der Vorgänge am Windradflügel; Schnell-und Langsamläufer.- III.3. Windenergieanlagen.- IV. Strahlungsenergie der Sonne.- IV.1. Verfügbare Strahlungsenergie.- IV.1.1. Die Solarkonstante; astronomische Berechnungsgrundlagen.- IV.1.2. Einfluß der Atmosphäre auf die Sonneneinstrahlung.- IV.1.2.1. Die relative optische Dicke der Atmosphäre.- IV.1.2.2. Streu- und Absorptionsprozesse in der Atmosphäre.- IV.2. Festkörperphysikalische Grundlagen für thermische und photovoltaische Nutzung der Strahlungsenergie der Sonne.- IV.2.1. Beschreibung der Wechselwirkung von Strahlungsfeld und Materie mit Hilfe der frequenzabhängigen Dielektrizitätskonstante.- IV.2.2. Die Quantennatur des Festkörpers.- IV.2.3. Optische Absorptionsprozesse in Festkörpern.- IV.2.3.1. Übersicht.- IV.2.3.2. Joulesche Wärme, Absorption durch freie Ladungsträger.- IV.2.3.3. Interbandabsorption. Direkte und indirekte Übergänge.- IV.2.3.4. Gitterabsorption.- IV.2.3.5. Emission von Wärmestrahlung.- IV.2.3.6. Optische Selektivität.- IV.3. Photothermische Energieumwandlung.- IV.3.1. Flachkollektoren.- IV.3.2. Konzentrierende Kollektoren.- IV.3.2.1. Fokussierende Systeme.- IV.3.2.2. Elemente parabolischer zylindrischer Konzentratoren.- IV.3.2.3. Nichtabbildende konzentrierende Systeme.- IV.3.2.4. Nachführung von Kollektoren.- IV.4. Photovoltaische Energieumwandlung.- IV.4.1. Solarzellen.- IV.4.1.1. Der p-n-Übergang im Gleichgewicht.- IV.4.1.2. Der bestrahlte p-n-Übergang; die Photospannung.- IV.4.1.3. Photostrom und Wirkungsgrad einer Photozelle.- IV.5. Solaranlagen: Stand und Entwicklungstendenzen.- IV.5.1. Anlagen zur Bereitstellung von Niedertemperaturwärme.- IV.5.2. Anlagen zur Bereitstellung von Prozeßwärme bzw. elektrischer Energie.- IV.5.2.1. Kraftwerk nach dem Farmkonzept in Almeria, Spanien.- IV.5.2.2. Kraftwerk nach dem Turmkonzept in Almeria, Spanien.- IV.5.2.3. Solar One: US-Demonstrationskraftwerk in Barstow, Kalifornien.- IV.5.2.4. Entwicklungstendenzen bei solarthermischen Anlagen.- IV. 5.3. Anlagen zur Bereitstellung elektrischer Energie mit Hilfe photovoltaischer Energieumwandlung.- V. Energie aus dem Atomkern.- V.1. Einführung.- V.2. Kernphysikalische Grundlagen.- V.2.1. Bindungsenergie des Atomkerns; Energiebilanz bei Spaltung und Fusion.- V.2.2. Kernphysik thermischer und schneller Reaktoren; Konversion und Brüten.- V.3. Energieabfuhr aus dem Reaktorkernverschiedene Arten der Kernkühlung.- V.4. Elemente der Reaktorregelung.- V.5. Sicherheitsfragen; Risikoüberlegungen.- V.6. Der Kernbrennstoffkreislauf.- V.7. Wege zur Fusionsenergie.- V.7.1. Mittlerer Energiegewinn aus Fusionsreaktionen.- V.7.2. Zündtemperatur, Zündkriterium und Lawson-Kriterium.- V.7.3. Magnetischer Einschluß des Plasmas.- V.7.4. Trägheitseinschluß des Plasmas.- V.7.5. Zur Technologie zukünftiger Fusionsreaktoren.- V.7.6. Synergetische Systeme zur Nutzung der Kernenergie.- VI. Zusammenfassung.- VII. Anhang.- Literatur.