Handbuch Regenerative Energietechnik

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1 Handbuch Regenerative Energietechnik

2 Viktor Wesselak Thomas Schabbach Thomas Link Joachim Fischer Handbuch Regenerative Energietechnik 3. Auflage

3 Viktor Wesselak Nordhausen, Deutschland Thomas Schabbach Nordhausen, Deutschland Thomas Link Nordhausen, Deutschland Joachim Fischer Nordhausen, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag GmbH Deutschland 2009, 2013, 2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Deutschland Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, Berlin, Germany

4 Vorwort Vor wenigen Tagen ist das Weltklimaabkommen, das auf der 21. UN-Klimakonferenz 2015 in Paris beschlossen wurde, in Kraft getreten. Das Abkommen verfolgt das Ziel, die Erderwärmung bis zum Jahr 2050 auf unter 2 Kelvin zu begrenzen. Dazu sollen die Netto-Treibhausgasemissionen zwischen 2045 und 2060 auf Null zurückgefahren werden. Das Zeitalter der fossilen Energien endet hier. Denkt man die vor uns liegende Entwicklung von diesem Ende her und mit etwas Glück, werden die Autoren dieses Buches das Jahr 2045 noch erleben so muss man den Blick vorrangig auf langlebige Investitionsgüter richten: wenn 2045 keine Kohlekraftwerke mehr am Netz sein sollen, dürfen heute keine mehr errichtet werden; wenn 2045 keine fossil befeuerten Heizungskessel mehr im Einsatz sein sollen, dürfen nach 2025 keine mehr eingebaut werden; wenn 2045 keine fossil angetriebenen Kraftfahrzeuge mehr im Verkehr sein sollen, dürfen nach 2030 keine mehr neu zugelassen werden. Die uns zur Verfügung stehenden Zeiträume für den Technologiewandel sind also sehr überschaubar. Der Entwicklungsstand der dafür notwendigen regenerativen Energietechniken ist unterschiedlich. Am weitesten fortgeschritten ist der Stromsektor sowohl technologisch als auch hinsichtlich des derzeitigen Anteils regenerativer Energien. Ganz anders sieht die Entwicklung im Wärme- und Mobilitätsbereich aus. Fehlende Anreizstrukturen und noch ausstehende technologische Richtungsentscheidungen führen einerseits zu einer Stagnation auf niedrigem Niveau und andererseits zu einer zunehmenden Fokussierung auf den Stromsektor. Dabei wird allerdings verkannt, dass der Wärmesektor zwar in der Lage ist, die Probleme des Stromsektors mit überschüssiger Energie zu lösen, der Stromsektor allerdings nicht alle Probleme des Wärmesektors lösen kann. In der dritte Auflage erfolgte eine Anpassung des Titels, um den Charakter eines Handbuchs für Studierende sowie Ingenieurinnen und Ingenieure der Energietechnik stärker zu betonen. Mehr als die Hälfte der Kapitel wurde vollständig überarbeitet, zahlreiche Ergänzungen und Aktualisierungen fanden Eingang in diese Auflage. Ein nicht unbedingt notwendiges, aber leider unvermeidliches Kapitel über Perpetua mobilia ist neu hinzugekommen. v

5 vi Vorwort Wir danken unseren Kolleginnen und Kollegen am Institut für Regenerative Energietechnik (in.ret) der Hochschule Nordhausen für ihre kontinuierliche Unterstützung dieses Projekts. Besonders verbunden sind wir Rainer Große und unserem Kollegen Wolfgang Eisenmann von der Hochschule Mannheim für ihre zahlreichen Anmerkungen und stete Diskussionsbereitschaft. Sebastian Voswinckel hat freundlicherweise das Kapitel zur Lebensdauer von Photovoltaikmodulen beigesteuert. Und schließlich bedanken wir uns bei unseren Familien und dem Springer-Verlag für ihre Unterstützung und Geduld. Nordhausen, November 2016 Viktor Wesselak, Thomas Schabbach Thomas Link, Joachim Fischer Vorwort zur 1. Auflage Die in den vergangenen Jahren erfolgte technische und ökonomische Entwicklung der Regenerativen Energien ist Bestandteil eines außerordentlichen Paradigmenwechsels in der Energietechnik. Angetrieben durch das sich abzeichnende Ende der fossilen Energieträger und in immer stärkerem Maß auch durch den Klimawandel sind Regenerative Energieträger heute der zentrale Baustein einer zukünftigen und nachhaltigen Energieversorgung. Diese Entwicklung war keineswegs selbstverständlich. Noch vor 20 Jahren setzten die Repräsentanten aus Politik und Energiewirtschaft überwiegend auf eine Forcierung des bestehenden Energiesystems durch den Ausbau von Kohle- und Kernkraft sowie die vage Hoffnung auf einen neuen Energieträger in Form der Kernfusion. Die Diskussionen zum Erhalt des deutschen Steinkohlebergbaus und zum Ausbau der Kernenergie sind vielen noch präsent. Studiengänge oder Ausbildungsberufe im Bereich der Erneuerbaren Energien suchte man vergebens, die für die Forschung zur Verfügung gestellten Mittel machten nur einen Bruchteil der Mittel für Kernenergie aus und die Aktivitäten der Industrie erschöpften sich oft in risikolosen Alibi -Projekten. In dieser Situation entstanden in den 80er Jahren eine Vielzahl kleiner Unternehmen, die teilweise von der Öffentlichkeit belächelt die Entwicklung neuer oder die Weiterentwicklung altbekannter Regenerativer Energiewandler vorantrieben. Sie wurden häufig von Menschen gegründet, die ihr umwelt- und gesellschaftspolitisches Engagement mit konkretem Handeln in technischen Fragen verbinden wollten. Viele dieser Firmen scheiterten an den Marktbedingungen, aber eine große Anzahl besteht bis heute sogar als Markt- und Technologieführer im Bereich der Windkraftanlagen, der Solarwechselrichter oder der thermischen Solaranlagen.

6 Vorwort vii Diese kurzen Vorbemerkungen zeigen bereits, dass unsere Energieversorgung nicht aus dem gesellschaftlichen Kontext herausgelöst betrachtet werden kann. Die Krise des globalen Energiesystems hat Auswirkungen auf energie-, umwelt- und forschungspolitische Rahmenbedingungen, die eine wichtige Grundlage für die technologischen Entwicklungen im Bereich der Regenerativen Energietechnik darstellen. Im ersten Kapitel dieses Buches werden daher zentrale Fragen der nationalen und internationalen Umwelt- und Energiepolitik vorgestellt und diskutiert. Ein überwiegend auf Regenerativen Energien aufbauendes Energiesystem kann sich nicht nur auf die Nutzung einzelner Energieträger beschränken. Vielmehr müssen alle energetischen Potentiale in den Sektoren Elektrizität, Wärme und Mobilität genutzt werden. Eine besondere Rolle kommt dabei den Maßnahmen zur Energieeffizienz zu, auf die anhand eines Anwendungsbeispiels im zweiten Kapitel eingegangen wird. Einen Überblick über Potenzial und Verfügbarkeit der wichtigsten Regenerativen Energieträger gibt das dritte Kapitel. Die Nutzung Regenerativer Energien erfolgt durch unterschiedliche Energiewandlungskonzepte: Photovoltaik, Solarthermie, Geothermie, Bioenergie, Wind- und Wasserkraft werden jeweils in eigenständigen Kapiteln behandelt, in denen ausgehend von den physikalischen Grundlagen die zentralen Komponenten, deren Verschaltung zu Systemen sowie konkrete Auslegungsbeispiele ausführlich dargestellt werden. Der Integration Regenerativer Energiewandler in die bestehenden Systeme für Elektrizität, Wärme und Mobilität ist jeweils ein eigenes Kapitel gewidmet, das insbesondere auch den rechtlichen Rahmen und die Förderinstrumente beleuchtet. Alle Energiewandlungsprozesse unterliegen den Gesetzen der Thermodynamik, die die theoretische Grundlage für alle energietechnischen Verfahren bildet. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, obere Grenzen für Umwandlungswirkungsgrade zu ermitteln und damit den erreichten Stand der Technik einzuordnen. In Kapitel 13 werden daher im Rahmen einer kurzen Einführung zunächst wichtige Begrifflichkeiten erklärt und schließlich die thermodynamischen Grenzen für unterschiedliche Energiewandler hergeleitet. Uns ist bewusst, dass auch bei sorgfältigster Erstellung von mehr als 500 Seiten vermutlich viele Fehler unentdeckt geblieben sind. Auch mussten Teilaspekte der Regenerativen Energietechnik außen vor bleiben, da sie sowohl den zeitlichen als auch den inhaltlichen Rahmen dieses Buches zu sprengen drohten. An dieser Stelle gilt unser Dank Frau Hestermann-Beyerle vom Springer Verlag, für die kontinuierliche Unterstützung unseres Projektes in allen Entwicklungsphasen. Wir bedanken uns bei allen Rechteinhabern der verwendeten Abbildungen auch bei den Wenigen, die wir nicht ermitteln konnten. Wenn Sie uns als Leser Hinweise zu Verbesserungen oder Fehlern geben möchten, senden Sie uns bitte direkt eine - Danke! Viele haben uns bei der Erstellung dieses Buches geholfen. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Instituts für Regenerative Energietechnik, allen voran Jutta Carow und Sebastian Voswinckel, haben uns mit Material, Anregungen und Kritik versorgt. Frank-Michael Dittes brachte die Strenge des theoretischen Physikers ein, wenn eine gewisse ingenieurtechnische Laxheit einzureißen drohte und Sandra Thomas wachte unerbittlich über die neue deutsche Rechtschreibung. Wir danken

7 viii Vorwort auch den Freunden und Kollegen, die Teile des Manuskripts kritisch gegenlasen und uns wertvolle Denkanstöße gaben. Es freut uns besonders, dass unsere neuberufenen Kollegen Thomas Link (Professor für Kraft- und Arbeitsmaschinen) und Joachim Fischer (Professor für Bioenergiesysteme) umfangreiche Beiträge aus ihren Fachgebieten beisteuerten, ohne dabei ihren Enthusiasmus zu verlieren. Und schließlich haben wir unseren Familien zu danken, die uns auch dann noch den Rücken frei hielten, als dieses Buchprojekt nicht mehr nur die Abendstunden, sondern auch noch sämtliche Wochenenden vereinnahmte. Nordhausen, Mai 2009 Viktor Wesselak Thomas Schabbach

8 Inhaltsverzeichnis 1 Kontext Energie Grundprobleme des globalen Energiesystems Begrenztheit der Ressourcen Gerechtigkeit der Verteilung Klimawandel Lösungsansätze Szenarien einer zukünftigen Entwicklung Energiepotentiale Szenarien und Prognosen Beispiel: Leitszenario Beispiel: Energiesystem D Exkurse Externe Kosten der Energieerzeugung Kernenergie Kernfusion CO 2 -Abtrennung Literaturverzeichnis Energieeffizienz Ansätze zur Energiebedarfsreduktion Energieeffizienz von Gebäuden Gesetzgeberische Maßnahmen Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnungsansätze Energieeffizienz der Wärmebereitstellung Sanierungsmaßnahmen Innovative Wärmebereitstellung Wärmeerzeugung in Kraft-Wärmekopplung Wirtschaftlichkeit von Energieeffizienzmaßnahmen Grundlagen der Investitionsrechnung ix

9 x Inhaltsverzeichnis Anwendungsbeispiele zur Wirtschaftlichkeit Anwendungsbeispiel für eine Energieeffizienzanalyse Literaturverzeichnis Regenerative Energiequellen Strahlungsangebot der Sonne Strahlung und Materie Strahlungsquelle Sonne Einfluss der Erdatmosphäre Direktstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche Global- und Diffusstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche Jahressumme der Globalstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche Auslegungshilfsmittel Sonnenstandsdiagramm Auslegungshilfsmittel Strahlungsatlas Messung der Einstrahlung Erdwärme Oberflächennahe Nutzung Tiefe Erdwärme Biomasse Biomassebereitstellung Biomasseproduktion Physikalische und chemische Charakterisierung von Bioenergieträgern Ökologie und Nachhaltigkeit Windenergie Windentstehung Leistung des Windes Grenzschicht Häufigkeitsverteilung Die Turbulenz der Windströmung Windklassen Messung der Windverhältnisse Wasserkraft Wasserkreislauf Nutzbarer Niederschlagsanteil Arbeitsvermögen des Wassers Weltweites Nutzungspotential Literaturverzeichnis Photovoltaik Geschichte der Photovoltaik Physikalische Grundlagen Einführung in die Halbleitertheorie

10 Inhaltsverzeichnis xi Generations- und Rekombinationsprozesse Die Solarzelle als p-n-übergang Modellbildung für eine reale Solarzelle Amorphe Halbleitermaterialien Komponenten und Technologien Herstellungsverfahren für kristalline Si-Solarzellen Herstellungsverfahren für Dünnschicht-Solarzellen Solarzellen der dritten Generation Solarmodule Aufständerung Stromrichter Systemtechnik Verschaltung von Solarzellen zu Solargeneratoren Regelung von Solargeneratoren Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen Photovoltaik-Inselanlagen Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Photovoltaikmodulen (Sebastian Voswinckel) Leistungsgarantie und Lebensdauer Degradation Auslegungsbeispiele Inselnetz Flanitzhütte PV-Kraftwerk Nentzelsrode Literaturverzeichnis Solarthermie Geschichte der solarthermischen Energienutzung Physikalische Grundlagen Strahlungsphysikalische Grundlagen Strahlungstransmission Absorption und Strahlungswandlung Strahlungskonzentration Wärmetransport im Kollektor Kenn- und Leistungsdaten von Solarkollektoren Komponenten Kollektoren Absorber Transparente Abdeckungen Kollektorkreis Speicher Weitere Komponenten Zukünftige Entwicklungslinien Systemtechnik Betriebsarten System-Kennwerte...386

11 xii Inhaltsverzeichnis Exkurs Trinkwassererwärmung und Hygiene Solare Trinkwassererwärmung im Ein- und Zweifamilienhaus Große Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung Solare Heizungsunterstützung Solare Prozesswärme Solares Kühlen Solare Fernwärme Solare Nahwärme Solare Kraftwerke Solarwirtschaft Der Markt für Solarthermie Gesetzliche Regelungen und Fördermaßnahmen Wirtschaftlichkeit Literaturverzeichnis Geothermie Geschichte der geothermischen Energienutzung Grundlagen Modellierung von Erdwärmesonden Thermodynamik der Wärmepumpen Thermodynamik der geothermischen Stromerzeugung Komponenten und Systemtechnik Erdwärmesonden Erdkollektoren Grundwasserbrunnen Wärmepumpen Wirtschaftlichkeit von Wärmepumenanlagen Auslegungsbeispiele Geothermische Beheizung eines Einfamilienhauses Geothermisches Kraftwerk Ribeira Grande, Azoren Literaturverzeichnis Biomasse Geschichte der energetischen Biomassenutzung Thermochemische Umwandlung Verbrennung Emissionen aus der Biomasseverbrennung Anwendungsbereiche und Technologien zur Wärme- und Stromerzeugung Verbrennung von Halmgut und Getreide Verbrennung von Rest- und Abfallstoffen Verbrennung von Biomasse in Großfeuerungsanlagen Kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom aus Biomasse

12 Inhaltsverzeichnis xiii Biomassevergasung: Grundlagen und Anwendung Biochemische Umwandlung Grundlagen der Biogaserzeugung Dimensionierung von Biogasanlagen Technik zur Erzeugung von Biogas Technik zur Nutzung von Biogas Flüssige Bioenergieträger: Biokraftstoffe Entwicklung des weltweiten Biokraftstoffmarkts Biokraftstoffe der 1. Generation: Pflanzenöle Biokraftstoffe der 1. Generation: Biodiesel Biokraftstoffe der 2. Generation: Hydrierte Planzenöle Erzeugung von Bioethanol Biokraftstoffe der 2. Generation: synthetische Biokraftstoffe Biokraftstoffe der 3. Generation Literaturverzeichnis Windkraftanlagen Geschichte der Windenergienutzung Physikalische Grundlagen Die Betzsche Theorie Schwingungsverhalten von Windenergieanlagen Komponenten Rotorblätter Getriebe Antriebsstrang Turm Generator Systemtechnik Anlagenkennlinie Regelungskonzepte Condition Monitoring Systeme Genehmigungsverfahren (Tanja Schabbach) Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen Auslegungsbeispiel Literaturverzeichnis Wasserkraftanlagen Einführung Typisierung und Aufbau Wasserturbinen Die Peltonturbine Die Francisturbine Die Kaplanturbine Die Eulersche Turbinenhauptgleichung Literaturverzeichnis...726

13 xiv Inhaltsverzeichnis 10 Energiespeicher Elektrische Speichertechnologien Mechanische Energiespeicher Elektrische Energiespeicher Elektrochemische Energiespeicher Thermische Speichertechnologien Sensible Speicher Latentwärmespeicher Thermochemische Speicher Chemische Speichertechnologien Power-to-Gas Power-to-Liquid Literaturverzeichnis Elektrische Energiesysteme Struktur des elektrischen Energieversorgungssystems Integration von Photovoltaikanlagen Integration von Windkraftanlagen Literaturverzeichnis Thermische Energiesysteme Struktur der thermischen Energieversorgung Integration von Kraft-Wärme-Kopplung, Biomasse und Geothermie in Nahwärmenetze Integration solarer Wärme in Nahwärmenetze Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz Anwendungsbeispiel Kommunale Fernwärme (Pascal Leibbrandt). 792 Literaturverzeichnis Mobilität Kraftstoffe Biokraftstoffe Wasserstoff Elektrofahrzeuge Batteriegespeiste Elektrofahrzeuge Brennstoffzellengespeiste Elektrofahrzeuge Literaturverzeichnis Thermodynamische Bewertung regenerativer Energiewandlungen Geschichte der Energiewandlung Die Energie Die Entropie Die Energie des Systems Gewollte und ungewollte Energiewandlungen Energiewandlung innerhalb des Systems Energietransport über die Systemgrenze

14 Inhaltsverzeichnis xv Ungewollte Energieumwandlungen (Dissipation) Energiebilanzen für geschlossene und offene Systeme Geschlossene Systeme Offene Systeme Exergie, Anergie, Wirkungs- und Nutzungsgrad Stoffeigenschaften Zustandsgleichungen Idealgas Reale Gase Ideale Flüssigkeiten und Feststoffe Reale Flüssigkeiten und Feststoffe Nassdampf Ideale Gasgemische Binäre Gemische Thermodynamische Maschinen und Komponenten Pumpen Verdichter Turbinen Wärmeübertrager Drosselventile Düse und Diffusor Wärmeerzeuger Kreisprozesse Bilanzierung des Kreisprozesses Kreisprozess-Varianten Thermodynamik der solaren Energiewandlung Thermodynamik der Strahlung Solarthermischer Umwandlungspfad Photovoltaischer Umwandlungspfad Literaturverzeichnis Apokryphen Historische Perpetua mobilia Erfinder Esoteriker Lösungen Literaturverzeichnis Sachverzeichnis...931