Technik Erneuerbarer Energien

1. Auflage 2015
ISBN: 978-3-8252-4343-2
Verlag: UTB GmbH

Buch, Deutsch, 406 Seiten, BC, Format (B × H): 152 mm x 216 mm, Gewicht: 607 g

Erneuerbare Energien - der Schlüssel zur Energiewirtschaft der Zukunft

Dieses Buch setzt sich mit den verschiedenen Formen der Nutzung erneuerbarer Energiequellen auseinander: Solarthermie, Photovoltaik, Biomasse, Windenergie, Geothermie.

Dabei werden auch Themen wie biogene Festbrennstoffe, Treibstoffe auf Pflanzenölbasis sowie Energie aus Abfall behandelt. Ziel dieses Buches ist es, neben Grundlagenwissen über die behandelten Energieformen und Technologien sowie deren wirtschaftliche und ökologische Aspekte aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung zu vermitteln.

Das Buch wendet sich in erster Linie an Studierende in den Studiengängen Technologie/ Technik Erneuerbarer Energien, Umweltingenieurwesen und verwandten Studiengängen sowie an einschlägig interessierte Studierende
der Studiengänge Maschinenbau, Elektrotechnik und Energiewirtschaft.

Zielgruppe

Erneuerbare Energien, Energieexperten, Ingenieure

Autoren/Hrsg.

Ratka, Andreas

Homann-Wenig, Sabine

Ehrmaier, Bruno

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Energietechnik | Elektrotechnik Solarenergie, Photovoltaik
• Technische Wissenschaften Energietechnik | Elektrotechnik Biogasanlagen, Energie aus Biomasse
• Technische Wissenschaften Energietechnik | Elektrotechnik Windkraftanlagen, Wasserkraftanlagen
• Technische Wissenschaften Energietechnik | Elektrotechnik Alternative und erneuerbare Energien

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung – Struktur des Energiebedarfs in Deutschland (A. Ratka) 13
1.1 Energiebedarfsstruktur in Deutschland 14
1.2 Gründe für die Nutzung erneuerbarer Energien 17
1.3 Hindernisse bei der Nutzung erneuerbarer Energien 26
1.4 Potentiale 32
1.5 Wege zu einem Energieversorgungssystem basierend auf erneuerbaren Energien und Energieeffizienz 33
Literatur 41
Glossar 42
2 Photovoltaik (B. Ehrmaier) 44
2.1 Einleitung 44
2.1.1 Energieformen von der Sonne 44
2.1.2 Direkte Nutzung der Sonne durch Photovoltaik 46
2.2 Funktionsprinzip einer Photovoltaikzelle 53
2.2.1 Grundlagen der Halbleiterphysik der Diode 53
2.2.2 pn-Übergang als Grundlage der Photovoltaikzelle 53
2.2.3 Strom-Spannungskurve 54
2.3 Relevante elektrische Kenndaten einer Photovoltaikzelle 56
2.4 Funktionsweise und Aufbau eines Photovoltaiksystems 59
2.4.1 Schematischer Aufbau einer Photovoltaikzelle 59
2.4.2 Funktion und Aufbau eines Photovoltaikmoduls 61
2.4.3 Umwandlung der elektrischen Energie mittels Wechselrichter 63
2.5 Herstellung einer Photovoltaikzelle 66
2.6 Schematischer Aufbau einer Photovoltaikdachanlage 70
2.7 Wirkungsgrade im Bereich der Photovoltaik 72
2.8 Zukunft der Photovoltaik 74
2.9 Mehrfachnutzung von Photovoltaik 75
Literatur 76
3 Solarthermie (B. Ehrmaier, A. Ratka) 78
3.1 Einführung 78
3.2 Physikalische Grundlagen für die Solarthermie 79
3.2.1 Hauptsätze der Wärmelehre 79
3.2.2 Wärmetransportmechanismen 80
3.3 Aufbau eines solarthermischen Kollektors 84
3.4 Kollektortheorie 87
3.5 Systemtechnik 99
3.5.1 Übersicht über solarthermische Kollektoren 99
3.5.2 Wärmeträgermedium 100
3.5.3 Optimierungsmaßnahmen zur Erhöhung des Wirkungsgrades 103
3.5.4 Aufbau einer solarthermischen Anlage 103
3.5.5 Zentraler Pufferspeicher 104
3.5.6 Wärmebedarf eines Gebäudes 107
3.6 Solarthermische Kraftwerke 108
3.7 Zukunft der Solarthermie 111
Literatur 113
4 Windenergie (W. Baur) 115
4.1 Einführung 115
4.1.1 Allgemeines 115
4.1.2 Systematik der Windenergienutzung 115
4.2 Physikalische Grundlagen 117
4.3 Aerodynamik der Rotorblätter 123
4.3.1 Allgemeines 123
4.3.2 Tragflügelaerodynamik 125
4.3.3 Rotorblattaerodynamik 130
4.4 Kurzer Historischer Überblick 134
4.5 Wind und Standortfragen 136
4.6 Konstruktiver Aufbau moderner Windenergieanlagen 139
4.6.1 Turm und Gondel 140
4.6.2 Rotorblätter, Pitch- und Stallprinzipien 141
4.6.3 Getriebe und Generator 145
4.7 Leistungskennlinien und Ertragsberechnungen 149
Literatur- und Quellenverzeichnis 154
5 Geothermie/Thermogeologie (W. Pyka) 156
5.1 Einführung 156
5.2 Aufbau der Erde 157
5.3 Thermische Verhältnisse 160
5.3.1 Temperaturen, Wärmefluss und thermisches Potenzial 160
5.3.2 Die oberflächennahe thermischen Verhältnisse 163
5.4 Geologische Grundlagen 163
5.4.1 Gesteine 163
5.4.2 Thermische Eigenschaften von Gesteinen 166
5.4.3 Lockergesteine und Böden 167
5.4.4 Grundwasser 170
5.4.5 Thermische Eigenschaften von Böden 173
5.5 Möglichkeiten der Erdwärmenutzung 175
5.5.1 Abgrenzung von oberflächennaher und tiefer Geothermie 175
5.5.2 Tiefe Geothermie 177
5.5.3 Oberflächennahe Geothermie 180
Literatur 187
Glossar 188
6 Biogas (R. Schaidhauf) 190
6.1 Einführung 190
6.1.1 Allgemeines 190
6.1.2 Aspekte der Biogasnutzung in Deutschland 190
6.1.3 Aktuelle Nutzung von Biogas in Deutschland 191
6.2 Biochemische Konversion 193
6.2.1 Allgemeines 193
6.2.2 Substrate 193
6.2.3 Phasenmodell der Biogasentstehung 194
6.2.4 Randbedingungen der Biogasgewinnung 195
6.2.5 Betriebsbedingungen der Biogasgewinnung 195
6.2.6 Stoffkreisläufe 198
6.3 Technische Systeme zur Bio(erd)gasgewinnung 198
6.3.1 Allgemeines 198
6.3.2 Verfahren zur Biogasgewinnung 199
6.3.3 Verfahren zur Bioerdgasgewinnung 202
6.4 Technische Systeme zur Bio(erd)gasnutzung 203
6.4.1 Allgemeines 203
6.4.2 Charakteristika von Bio(erd)gas 203
6.4.3 Verfahren zur energetischen Nutzung 205
6.4.4 Systemintegration 208
6.5 Weiterführende Literatur/Links 209
Literatur 210
Glossar 211
7 Biogene Festbrennstoffe (R. Schaidhauf) 212
7.1 Einführung 212
7.1.1 Allgemeines 212
7.1.2 Aspekte der Nutzung biogener Festbrennstoffe in Deutschland 214
7.1.3 Aktuelle Nutzung von biogenen Festbrennstoffen in Deutschland 215
7.2 Biogene Festbrennstoffe 217
7.2.1 Allgemeines 217
7.2.2 Arten und Quellen 217
7.2.3 Bereitstellung und Aufbereitung 219
7.2.4 Brennstoff-Charakteristika 220
7.2.5 Ascheeigenschaften 223
7.3 Thermochemische Konversion 224
7.3.1 Allgemeines 224
7.3.3 Pyrolyse 226
7.3.4 Vergasung 226
7.3.5 Verbrennung 227
7.4 Nutzung von biogenen Festbrennstoffen 228
7.4.1 Allgemeines 228
7.4.2 Vergasungsanlagen 230
7.4.3 Verbrennungsanlagen 232
7.5 Weiterführende Literatur/Links 233
Literatur 233
Glossar 234
8 Kraftstoffe auf Basis von Ölen und Fetten als regenerative Energieträger (H. Riepl, E. Remmele) 236
8.1 Öle und Fette, Herkunft, Anbau 236
8.2 Pflanzenölgewinnung 238
8.3 Chemie der Pflanzenöle 240
8.3.1 Triglyceride 240
8.3.2 Gesättigte, ungesättigte, mehrfach ungesättigte Fettsäuren 241
8.3.3 Umesterung 243
8.3.4 Hydrierung, HVO-Produkte 244
8.3.5 Begleitstoffe in Pflanzenölen (Phospholipide, Lecithine) 244
8.4 Kraftstoffe aus Pflanzenölen 244
8.4.1 Qualitätsmerkmale für Kraftstoffe aus Pflanzenölen – Kraftstoffnormen 245
8.4.2 Kraftstoffspezifische Eigenschaften im Vergleich 252
8.4.3 Verwendung 252
Literatur 254
9 Energie aus Abfall (G. Lautenschlager) 256
9.1 Einleitung 256
9.2 Definitionen und Daten zu Abfällen 258
9.2.1 Abfallbegriff 258
9.2.2 Abfallarten 258
9.2.3 Europäisches Abfallverzeichnis 260
9.2.4 Abfälle zur Verwertung/zur Beseitigung 260
9.2.5 Eigenschaften von Abfällen 262
9.2.6 Abfallaufkommen 265
9.2.7 Nutzbares Energiepotential 268
9.3 Thermische Abfallbehandlung 271
9.3.1 Müllannahme und -zwischenlagerung 271
9.3.2 Feuerung 272
9.3. 3 Kesselanlage 275
9.3.4 Wasser-Dampf-Kreislauf 277
9.3.5 Rauchgasreinigung 278
9.4 Energetische Abfallverwertung 281
9.4.1 Energetische Abfallverwertung in Zementwerken 281
9.4.2 Energetische Abfallverwertung im Hochofen 285
9.4.3 Energetische Abfallverwertung in Kraftwerken 286
9.4.4 Energetische Abfallverwertung in Ersatzbrennstoff-Kraftwerken 287
9.5 Fazit 289
Literatur 289
10 Kraft-Wärme-Kopplung (N. Huber) 292
10.1 Grundlagen 292
10.1.1 Was wird unter Kraft-Wärme-Kopplung verstanden 292
10.1.2 Bedeutung der KWK für erneuerbare Energien 293
10.1.3 Physikalische Grundlagen der KWK 294
10.1.4 Getrennte Erzeugung von Wärme und Strom 298
10.1.5 Gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom 300
10.1.6 Auslegen einer KWK-Anlage 306
10.2 Anwendungen 307
10.2.1 Mikro BHKW 308
10.2.2 BHKW mit Nahwärmeversorgung 310
10.2.3 Kraft-Wärme-Kopplung in den Sommermonaten 313
Verwendete und weiterführende Literatur 314
Glossar 314
11 Thermische Energiespeicher (N. Huber) 315
11.1 Grundlagen 315
11.1. Notwendigkeit thermischer Energiespeicher bei Verwendung erneuerbarer Energien 315
11.1.2 Physikalische Grundlagen thermischer Energiespeicherung 318
11.1.3 Allgemeiner Aufbau thermischer Energiespeicher 325
11.2 Thermische Energiespeicher mit Wasser 329
11.2.1 Schichtenspeicher für Warmwasser und Heizungsanlagen 330
11.2.2 Warmwasserspeicher für Nahwärmesysteme 331
11.2.3 Saisonale Warmwasserspeicher 331
11.3 Latentwärmespeicher 332
11.4 Hochtemperaturspeicher 334
11.5 Thermochemische Speicher 335
Literatur 337
Glossar 338
12 Speicherung von elektrischer Energie (B. Ehrmaier) 339
12.1 Einführung 339
12.2 Physikalische Grundlagen für Energiespeicher 340
12.3 Potentielle Energiespeicher für Erneuerbare Energien 343
12.4 Mechanische Strom-Energiespeicher 344
12.4.1 Rotationsspeicher 345
12.4.2 Potentielle Energiespeicher (Pumpspeicherkraftwerke) 346
12.4.3 Druckluftspeicher 347
12.5 Elektrische und elektrochemische Energiespeicher 348
12.5.1 Übersicht elektrischer und elektrochemischer Energiespeicher 349
12.5.2 Elektrische Energiespeicher 350
12.5.3 Elektrochemische Energiespeicher mit eingelagertem Speichermedium 351
12.5.4 Elektrochemische Energiespeicher mit ausgelagertem Speichermedium 357
12.5.5 Chemische Energiespeichersysteme 361
12.6 Speicher-Netz-Wechselwirkung 363
12.7 Fazit 364
Literatur 366
13 Kosten- und Wirtschaftlichkeitsberechnungen (S. Homann-Wenig) 367
13.1 Auszahlungen bzw. Kosten im Rahmen von Errichtung und Betrieb von Erneuerbare-Energien-Projekten 368
13.1.1 Die kapitalgebundenen Kosten 368
13.1.2 Die betriebsgebundenen Kosten 373
13.1.3 Die sonstigen Kosten 374
13.1.4 Die verbrauchsgebundenen Kosten 375
13.2 Die finanzielle Förderung von Strom aus dem Betrieb von Erneuerbare-Energien-Anlagen 376
13.2.1 Strom aus Wasserkraft (§ 23 EEG) 379
13.2.2 Strom aus Biomasse (§§ 27, 27a bis 27c EEG) 380
13.2.3 Strom aus Geothermie (§ 28 EEG) 382
13.2.4 Strom aus Windenergie (§§ 49 und 50 EEG) 382
13.2.5 Strom aus solarer Strahlungsenergie (§ 51 EEG) 385
13.3 Methodische Grundlagen der Investitionsrechnung 386
13.3.1 Die Kapitalwertmethode 386
13.3.2 Die Annuitätenmethode 387
13.3.3 Die Ermittlung des Internen Zinsfußes 388
13.3.4 Die mehrperiodische Amortisationsrechnung 389
13.4 Die Ermittlung der Energiegestehungskosten und deren praktische Bedeutung 389
Literatur 392
Glossar 392
14 CO2-Bilanzen in der Energiewirtschaft (S. Homann-Wenig) 393
14.1 Die Ökobilanz als Instrument zur Bewertung von Umweltwirkungen 393
14.2 Die Umweltwirkungen der Strom- und Wärme-Erzeugung 397
Literatur 404
Register 405

Über Autor(innen)

Ehrmaier, Bruno
Prof. Dr. Bruno Ehrmaier lehrt an der Fakultät Umweltingenieurwesen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in den Studiengängen Technologie Erneuerbarer Energien, Umweltsicherung und Wassertechnologie die naturwissenschaftlichen und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen sowie die vertiefenden Schwerpunkte rund um die Technik, Technologie und die Nutzung der erneuerbaren Energien. Neben der Tätigkeit in Lehre und Forschung bringt er seine Erfahrungen aus unterschiedlichen Themenfeldern der Praxis ein.

Ratka, Andreas
Prof. Dr. Andreas Ratka lehrt an der Fakultät Umweltingenieurwesen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in den Studiengängen Technologie Erneuerbarer Energien, Umweltsicherung und Wassertechnologie die naturwissenschaftlichen und ingenieurwissenschaftlichen sowie die vertiefenden Schwerpunkte rund um die Technik, Technologie und die Nutzung der erneuerbaren Energien. Neben der Tätigkeit in Lehre und Forschung bringt er seine Erfahrungen aus unterschiedlichen Themenfeldern der Praxis ein.

Homann-Wenig, Sabine
Prof. Dr. Sabine Homann-Wenig lehrt an der Fakultät Umweltingenieurwesen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in den Studiengängen Technologie Erneuerbarer Energien, Umweltsicherung und Wassertechnologie die wirtschaftswissenschaftlichen Grundlagen. Neben der Tätigkeit in Lehre und Forschung bringt er seine Erfahrungen aus unterschiedlichen Themenfeldern der Praxis ein.

Der Autor lehrt an der Fakultät Umweltingenieurwesen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in den Studiengängen Technologie Erneuerbarer Energien, Umweltsicherung und Wassertechnologie die naturwissenschaftlichen und ingenieurwissenschaftlichen sowie die vertiefenden Schwerpunkte rund um die Technik, Technologie und die Nutzung der erneuerbaren Energien. Neben der Tätigkeit in Lehre und Forschung bringt er seine Erfahrungen aus unterschiedlichen Themenfeldern der Praxis ein.

Die Autorin lehrt an der Fakultät Umweltingenieurwesen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in den Studiengängen Technologie Erneuerbarer Energien, Umweltsicherung und Wassertechnologie die wirtschaftswissenschaftlichen Grundlagen. Neben der Tätigkeit in Lehre und Forschung bringt er seine Erfahrungen aus unterschiedlichen Themenfeldern der Praxis ein.

Der Autor lehrt an der Fakultät Umweltingenieurwesen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf in den Studiengängen Technologie Erneuerbarer Energien, Umweltsicherung und Wassertechnologie die naturwissenschaftlichen und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen sowie die vertiefenden Schwerpunkte rund um die Technik, Technologie und die Nutzung der erneuerbaren Energien. Neben der Tätigkeit in Lehre und Forschung bringt er seine Erfahrungen aus unterschiedlichen Themenfeldern der Praxis ein.