Regenerative Energiesysteme

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

1 Energie und Klimaschutz

1.1 Der Begriff Energie

1.2 Entwicklung des Energiebedarfs

1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs

1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland

1.3 Reichweite konventioneller Energieträger

1.4 Der Treibhauseffekt

1.5 Kernenergie contra Treibhauseffekt

1.5.1 Kernspaltung

1.5.2 Kernfusion

1.6 Nutzung erneuerbarer Energien

1.6.1 Geothermische Energie

1.6.2 Planetenenergie

1.6.3 Sonnenenergie

1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie

1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie

1.7 Energiewende und Klimaschutz

1.7.1 Szenarien für den globalen Klimawandel

1.7.2 Internationaler Klimaschutz

1.7.3 Energiewende und Klimaschutz in Deutschland

1.7.3.1 Entwicklung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland

1.7.3.2 Regenerative Energieversorgung in Deutschland

1.7.3.3 Umbau der Energieversorgung

2 Sonnenstrahlung

2.1 Einleitung

2.2 Der Fusionsreaktor Sonne

2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde

2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen

2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel

2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene

2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene

2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene

2.6.3 Bodenreflexion

2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung

2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten

2.7.1 Aufnahme der Umgebung

2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades

2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades

2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen

2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen

2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren

2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke

2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke

2.8.3 Satellitenmessungen

2.8.4 Künstliche Sonnen

3 Nicht konzentrierende Solarthermie

3.1 Grundlagen

3.2 Solarthermische Systeme

3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung

3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung

3.2.2.1 Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen

3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf

3.2.3 Solare Heizungsunterstützung

3.2.4 Rein solare Heizung

3.2.5 Solare Nahwärmeversorgung

3.2.6 Solares Kühlen

3.3 Solarkollektoren

3.3.1 Speicherkollektoren

3.3.2 Flachkollektoren

3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren

3.4 Kollektorabsorber

3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad

3.6 Rohrleitungen

3.6.1 Leitungsaufheizverluste

3.6.2 Zirkulationsverluste

3.7 Speicher

3.7.1 Trinkwasserspeicher

3.7.2 Schwimmbecken

3.8 Anlagenauslegung

3.8.1 Nutzwärmebedarf

3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad

3.8.3 Solare Trinkwasseranlagen

3.8.4 Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung

3.8.5 Rein solare Heizung

3.9 Aufwindkraftwerke

4 Konzentrierende Solarthermie

4.1 Einleitung

4.2 Konzentration von Solarstrahlung

4.3 Konzentrierende Kollektoren

4.3.1 Linienkollektoren

4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie

4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad

4.3.1.3 Längenausdehnung

4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder

4.3.2 Punktkonzentratoren

4.4 Wärmekraftmaschinen

4.4.1 Carnot-Prozess

4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess

4.4.3 Joule-Prozess

4.4.4 Stirling-Prozess

4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen

4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke

4.5.2 Solarturmkraftwerke

4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver

4.5.2.2 Druck-Receiver

4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen

4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie

4.6 Stromimport

5 Photovoltaik

5.1 Einleitung

5.2 Funktionsweise von Solarzellen

5.2.1 Atommodell nach Bohr

5.2.2 Photoeffekt

5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle

5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen

5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium

5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen

5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium

5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien

5.3.5 Modultests und Qualitätskontrolle

5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen

5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild

5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell)

5.4.3 Zweidiodenmodell

5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm

5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter

5.4.6 Temperaturabhängigkeit

5.4.7 Parameterbestimmung

5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen

5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen

5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen

5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen

5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen

5.6 Solargenerator und Last

5.6.1 Widerstandslast

5.6.2 Gleichspannungswandler

5.6.3 Tiefsetzsteller

5.6.4 Hochsetzsteller

5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler

5.6.6 MPP-Tracker

5.7 Akkumulatoren

5.7.1 Akkumulatorarten

5.7.2 Bleiakkumulator

5.7.3 Andere Akkumulatortypen

5.7.4 Akkumulatorsysteme

5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten

5.8 Wechselrichter

5.8.1 Wechselrichtertechnologie

5.8.1.1 Rechteckwechselrichter

5.8.1.2 Moderne Wechselrichtertopologien

5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik

5.8.2.1 Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters

5.8.2.2 Wechselrichterwirkungsgrade

5.8.2.3 Anlagenkonzepte

5.9 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme

5.9.1 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Speicher

5.9.2 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Heizung

5.10 Planung und Auslegung

5.10.1 Inselnetzsysteme

5.10.2 Rein Netzgekoppelte Systeme

5.10.3 Eigenverbrauchssysteme

5.10.3.1 Eigenverbrauchssysteme ohne Speicher

5.10.3.2 Eigenverbrauchssysteme mit Batteriespeicher

6 Windkraft

6.1 Einleitung

6.2 Dargebot von Windenergie

6.2.1 Entstehung des Windes

6.2.2 Angabe der Windstärke

6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen

6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe

6.3 Nutzung der Windenergie

6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung

6.3.2 Widerstandsläufer

6.3.3 Auftriebsläufer

6.4 Bauformen von Windkraftanlagen

6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse

6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse

6.4.2.1 Anlagenaufbau

6.4.2.2 Rotorblätter

6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche

6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung

6.4.2.5 Windnachführung

6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator

6.4.2.7 Offshore-Windkraftanlagen

6.5 Elektrische Maschinen

6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung

6.5.2 Drehfeld

6.5.3 Synchronmaschine

6.5.3.1 Aufbau

6.5.3.2 Elektrische Beschreibung

6.5.3.3 Synchronisation

6.5.4 Asynchronmaschine

6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände

6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven

6.5.4.3 Leistungsbilanz

6.5.4.4 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten

6.6 Elektrische Anlagenkonzepte

6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung

6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung

6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis

6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren

6.6.5 Inselnetzanlagen

6.7 Netzbetrieb

6.7.1 Anlagenertrag

6.7.2 Netzanschluss

7 Wasserkraft

7.1 Einleitung

7.2 Dargebot der Wasserkraft

7.3 Wasserkraftwerke

7.3.1 Laufwasserkraftwerke

7.3.2 Speicherwasserkraftwerke

7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke

7.4 Wasserturbinen

7.4.1 Turbinenarten

7.4.1.1 Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine

7.4.1.2 Ossberger-Turbine

7.4.1.3 Francis-Turbine

7.4.1.4 Pelton-Turbine

7.4.2 Turbinenwirkungsgrad

7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung

7.5.1 Gezeitenkraftwerke

7.5.2 Meeresströmungskraftwerke

7.5.3 Wellenkraftwerke

8 Geothermie

8.1 Geothermievorkommen

8.2 Geothermische Heizwerke

8.3 Geothermische Stromerzeugung

8.3.1 Kraftwerksprozesse

8.3.2 Geothermische Kraftwerke

8.4 Wärmepumpen

8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen

8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen

8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen

8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung

9 Nutzung der Biomasse

9.1 Vorkommen an Biomasse

9.1.1 Feste Bioenergieträger

9.1.2 Flüssige Bioenergieträger

9.1.2.1 Pflanzenöl

9.1.2.2 Biodiesel

9.1.2.3 Bioalkohole

9.1.2.4 Biomass-to-Liquid (BtL)-Brennstoffe

9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger

9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz

9.2 Biomasseanlagen

9.2.1 Biomasseheizungen

9.2.2 Biomassekraftwerke

10 Wasserstofferzeugung, Brennstoffzellen und Methanisierung

10.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung

10.2 Brennstoffzellen

10.2.1 Einleitung

10.2.2 Brennstoffzellentypen

10.2.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten

10.3 Methanisierung und Untertagespeicherung

11 Wirtschaftlichkeitsberechnungen

11.1 Einleitung

11.2 Energiegestehungskosten

11.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung

11.2.1.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung

11.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke

11.2.1.3 Photovoltaikanlagen

11.2.1.4 Windkraftanlagen

11.2.1.5 Wasserkraftanlagen

11.2.1.6 Geothermieanlagen

11.2.1.7 Holzpelletsheizungen

11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung

11.2.2.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung

11.2.2.2 Solarthermische Kraftwerke

11.2.2.3 Photovoltaikanlagen

11.2.2.4 Windkraftanlagen

11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen

11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien

11.2.5 Kosten konventioneller Energiesysteme

11.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs

11.3.1 Subventionen im Energiemarkt

11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung

11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden

11.3.4 Sonstige externe Kosten

11.3.5 Internalisierung der externen Kosten

11.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen

11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung

11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals

12  Simulation und die DVD zum Buch

12.1 Allgemeines zur Simulation

12.2 Die DVD zum Buch

12.2.1 Start und Überblick

12.2.2 Abbildungen

12.2.3 Software

12.2.4 Vermischtes

Literaturverzeichnis

Sachwortverzeichnis