Volker Quaschning
Regenerative Energiesysteme
Technologie - Berechnung - Simulation
Vorwort
7
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
26
1.5 Kernenergie contra Treibhauseffekt
32
1.5.1 Kernspaltung
32
1.5.2 Kernfusion
35
1.6 Nutzung erneuerbarer Energien
36
1.6.1 Geothermische Energie
37
1.6.2 Planetenenergie
38
1.6.3 Sonnenenergie
38
1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie
39
1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie
42
1.7 Energiewende und Klimaschutz
46
1.7.1 Szenarien für den globalen Klimawandel
46
1.7.2 Internationaler Klimaschutz
50
1.7.3 Energiewende und Klimaschutz in Deutschland
52
1.7.3.1 Entwicklung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland
52
1.7.3.2 Regenerative Energieversorgung in Deutschland
54
1.7.3.3 Umbau der Energieversorgung
58
2 Sonnenstrahlung
60
2.1 Einleitung
60
2.2 Der Fusionsreaktor Sonne
61
2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde
65
2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen
71
2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel
74
2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene
78
2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene
78
2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene
79
2.6.3 Bodenreflexion
80
2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung
81
2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten
84
2.7.1 Aufnahme der Umgebung
84
2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades
86
2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades
87
2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen
88
2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen
89
2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren
93
2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke
93
2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke
95
2.8.3 Satellitenmessungen
95
2.8.4 Künstliche Sonnen
98
3 Nicht konzentrierende Solarthermie
99
3.1 Grundlagen
99
3.2 Solarthermische Systeme
102
3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung
102
3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung
103
3.2.2.1 Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen
105
3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf
106
3.2.3 Solare Heizungsunterstützung
109
3.2.4 Rein solare Heizung
110
3.2.5 Solare Nahwärmeversorgung
111
3.2.6 Solares Kühlen
112
3.3 Solarkollektoren
113
3.3.1 Speicherkollektoren
114
3.3.2 Flachkollektoren
116
3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren
119
3.4 Kollektorabsorber
120
3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad
123
3.6 Rohrleitungen
128
3.6.1 Leitungsaufheizverluste
131
3.6.2 Zirkulationsverluste
131
3.7 Speicher
133
3.7.1 Trinkwasserspeicher
134
3.7.2 Schwimmbecken
137
3.8 Anlagenauslegung
140
3.8.1 Nutzwärmebedarf
140
3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad
141
3.8.3 Solare Trinkwasseranlagen
143
3.8.4 Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung
144
3.8.5 Rein solare Heizung
146
3.9 Aufwindkraftwerke
146
4 Konzentrierende Solarthermie
149
4.1 Einleitung
149
4.2 Konzentration von Solarstrahlung
149
4.3 Konzentrierende Kollektoren
152
4.3.1 Linienkollektoren
153
4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie
153
4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad
155
4.3.1.3 Längenausdehnung
159
4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder
159
4.3.2 Punktkonzentratoren
162
4.4 Wärmekraftmaschinen
163
4.4.1 Carnot-Prozess
163
4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess
163
4.4.3 Joule-Prozess
166
4.4.4 Stirling-Prozess
167
4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen
167
4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke
167
4.5.2 Solarturmkraftwerke
172
4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver
173
4.5.2.2 Druck-Receiver
174
4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen
175
4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie
176
4.6 Stromimport
177
5 Photovoltaik
180
5.1 Einleitung
180
5.2 Funktionsweise von Solarzellen
182
5.2.1 Atommodell nach Bohr
182
5.2.2 Photoeffekt
183
5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle
185
5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen
192
5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium
192
5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen
197
5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium
198
5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien
199
5.3.5 Modultests und Qualitätskontrolle
201
5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen
202
5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild
202
5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell)
203
5.4.3 Zweidiodenmodell
206
5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm
206
5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter
208
5.4.6 Temperaturabhängigkeit
210
5.4.7 Parameterbestimmung
213
5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen
214
5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen
214
5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen
216
5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen
220
5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen
220
5.6 Solargenerator und Last
222
5.6.1 Widerstandslast
222
5.6.2 Gleichspannungswandler
223
5.6.3 Tiefsetzsteller
224
5.6.4 Hochsetzsteller
227
5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler
227
5.6.6 MPP-Tracker
228
5.7 Akkumulatoren
230
5.7.1 Akkumulatorarten
230
5.7.2 Bleiakkumulator
231
5.7.3 Andere Akkumulatortypen
236
5.7.4 Akkumulatorsysteme
237
5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten
241
5.8 Wechselrichter
241
5.8.1 Wechselrichtertechnologie
241
5.8.1.1 Rechteckwechselrichter
242
5.8.1.2 Moderne Wechselrichtertopologien
245
5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik
246
5.8.2.1 Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters
246
5.8.2.2 Wechselrichterwirkungsgrade
248
5.8.2.3 Anlagenkonzepte
251
5.9 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme
252
5.9.1 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Speicher
252
5.9.2 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Heizung
255
5.10 Planung und Auslegung
257
5.10.1 Inselnetzsysteme
257
5.10.2 Rein Netzgekoppelte Systeme
260
5.10.3 Eigenverbrauchssysteme
262
5.10.3.1 Eigenverbrauchssysteme ohne Speicher
262
5.10.3.2 Eigenverbrauchssysteme mit Batteriespeicher
267
6 Windkraft
274
6.1 Einleitung
274
6.2 Dargebot von Windenergie
275
6.2.1 Entstehung des Windes
275
6.2.2 Angabe der Windstärke
276
6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen
277
6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe
279
6.3 Nutzung der Windenergie
282
6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung
282
6.3.2 Widerstandsläufer
284
6.3.3 Auftriebsläufer
286
6.4 Bauformen von Windkraftanlagen
290
6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse
290
6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse
291
6.4.2.1 Anlagenaufbau
291
6.4.2.2 Rotorblätter
292
6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche
294
6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung
295
6.4.2.5 Windnachführung
297
6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator
298
6.4.2.7 Offshore-Windkraftanlagen
299
6.5 Elektrische Maschinen
300
6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung
301
6.5.2 Drehfeld
304
6.5.3 Synchronmaschine
308
6.5.3.1 Aufbau
308
6.5.3.2 Elektrische Beschreibung
309
6.5.3.3 Synchronisation
312
6.5.4 Asynchronmaschine
312
6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände
312
6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven
314
6.5.4.3 Leistungsbilanz
316
6.5.4.4 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten
317
6.6 Elektrische Anlagenkonzepte
319
6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung
319
6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung
322
6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis
323
6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren
325
6.6.5 Inselnetzanlagen
325
6.7 Netzbetrieb
326
6.7.1 Anlagenertrag
326
6.7.2 Netzanschluss
327
7 Wasserkraft
329
7.1 Einleitung
329
7.2 Dargebot der Wasserkraft
330
7.3 Wasserkraftwerke
334
7.3.1 Laufwasserkraftwerke
334
7.3.2 Speicherwasserkraftwerke
336
7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke
337
7.4 Wasserturbinen
340
7.4.1 Turbinenarten
340
7.4.1.1 Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine
341
7.4.1.2 Ossberger-Turbine
342
7.4.1.3 Francis-Turbine
342
7.4.1.4 Pelton-Turbine
343
7.4.2 Turbinenwirkungsgrad
343
7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung
345
7.5.1 Gezeitenkraftwerke
345
7.5.2 Meeresströmungskraftwerke
346
7.5.3 Wellenkraftwerke
347
8 Geothermie
349
8.1 Geothermievorkommen
349
8.2 Geothermische Heizwerke
353
8.3 Geothermische Stromerzeugung
354
8.3.1 Kraftwerksprozesse
354
8.3.2 Geothermische Kraftwerke
356
8.4 Wärmepumpen
358
8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen
358
8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen
360
8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen
361
8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung
362
9 Nutzung der Biomasse
367
9.1 Vorkommen an Biomasse
367
9.1.1 Feste Bioenergieträger
369
9.1.2 Flüssige Bioenergieträger
373
9.1.2.1 Pflanzenöl
373
9.1.2.2 Biodiesel
374
9.1.2.3 Bioalkohole
374
9.1.2.4 Biomass-to-Liquid (BtL)-Brennstoffe
375
9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger
376
9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz
378
9.2 Biomasseanlagen
379
9.2.1 Biomasseheizungen
379
9.2.2 Biomassekraftwerke
382
10 Wasserstofferzeugung, Brennstoffzellen und Methanisierung
383
10.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung
383
10.2 Brennstoffzellen
386
10.2.1 Einleitung
386
10.2.2 Brennstoffzellentypen
387
10.2.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten
390
10.3 Methanisierung und Untertagespeicherung
392
11 Wirtschaftlichkeitsberechnungen
396
11.1 Einleitung
396
11.2 Energiegestehungskosten
397
11.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung
397
11.2.1.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung
398
11.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke
399
11.2.1.3 Photovoltaikanlagen
400
11.2.1.4 Windkraftanlagen
400
11.2.1.5 Wasserkraftanlagen
401
11.2.1.6 Geothermieanlagen
402
11.2.1.7 Holzpelletsheizungen
403
11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung
404
11.2.2.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung
407
11.2.2.2 Solarthermische Kraftwerke
407
11.2.2.3 Photovoltaikanlagen
407
11.2.2.4 Windkraftanlagen
408
11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen
408
11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien
408
11.2.5 Kosten konventioneller Energiesysteme
411
11.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs
413
11.3.1 Subventionen im Energiemarkt
414
11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung
416
11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden
417
11.3.4 Sonstige externe Kosten
418
11.3.5 Internalisierung der externen Kosten
418
11.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen
420
11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung
420
11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals
421
12 Simulation und die DVD zum Buch
423
12.1 Allgemeines zur Simulation
423
12.2 Die DVD zum Buch
424
12.2.1 Start und Überblick
424
12.2.2 Abbildungen
425
12.2.3 Software
425
12.2.4 Vermischtes
426
Literaturverzeichnis
428
Sachwortverzeichnis
436
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