Regenerative Energiesysteme

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1 Volker Quaschning DVD inside Regenerative Energiesysteme Technologie Berechnung Simulation 7., aktualisierte Auflage

2 1 Energie und Klimaschutz 1.1 Der Begriff Energie Der Begriff Energie ist uns sehr geläufig, ohne dass wir uns darüber noch Gedanken machen. Dabei wird er in den unterschiedlichsten Zusammenhängen verwendet. So spricht man von der Lebensenergie oder im Sinne von Tatkraft oder Temperament auch von einem Energiebündel. In diesem Buch werden nur technisch nutzbare Energieformen und hiervon speziell regenerative Energien behandelt, zu deren Beschreibung physikalische Gesetze herangezogen werden. Fast untrennbar mit der Energie verbunden ist die Leistung. Da die Begriffe Energie und Leistung sehr oft verwechselt werden, soll am Anfang dieses Buches auf eine nähere Beschreibung dieser und damit zusammenhängender Größen eingegangen werden. Allgemein ist Energie die Fähigkeit eines Systems, äußere Wirkungen hervorzubringen, wie zum Beispiel eine Kraft entlang einer Strecke. Durch Zufuhr oder Abgabe von Arbeit kann die Energie eines Körpers verändert werden. Die Energie kann hierbei in zahlreichen unterschiedlichen Formen vorkommen. Dazu zählen die! mechanische Energie,! Lageenergie oder potenzielle Energie,! Bewegungsenergie oder kinetische Energie,! Wärme oder thermische Energie,! magnetische Energie,! Ruhe- oder Massenenergie,! elektrische Energie,! Strahlungsenergie,! chemische Energie. Ein Liter Benzin ist nach obiger Definition eine Art von gespeicherter Energie, denn durch seine Verbrennung kann zum Beispiel ein Auto, welches eine gewisse Masse besitzt, durch die Motorkraft eine bestimmte Strecke bewegt werden. Das Bewegen des Autos ist also eine Form von Arbeit. Auch Wärme ist eine Energieform. Dies kann zum Beispiel an einem Mobile beobachtet werden, bei dem sich durch die aufsteigende warme Luft einer brennenden Kerze ein Karussell dreht. Fürdie Drehung istauch eine Kraft notwendig.

3 14 1 Energie und Klimaschutz Im Wind ist ebenfalls Energie enthalten, die zum Beispiel in der Lage ist, die Flügel einer Windkraftanlage zu drehen. Durch die Sonnenstrahlung kann Wärme erzeugt werden. Auch Strahlung, speziell die Sonnenstrahlung,ist also eineform vonenergie. Die Leistung dw P W&== (1.1) d t ist durch die Ableitung der Arbeit W nach der Zeit t definiert. Sie gibt also an, in welcher Zeitspanne eine Arbeit verrichtet wird. Wenn zum Beispiel eine Person einen Sack Zement einen Meter hochhebt, ist dies eine Arbeit. Durch die verrichtete Arbeit wird die Lageenergie des Sacks vergrößert. Wird der Sack doppelt so schnell hochgehoben, ist die benötigte Zeit geringer, die Leistung ist doppelt so groß, auch wenn die Arbeit die gleiche bleibt. Die Einheit der Energie und der Arbeit ist, abgeleitet aus den geltenden SI-Einheiten, J (Joule), Ws (Wattsekunde) oder Nm (Newtonmeter). Die Leistung wird in W (Watt) gemessen. In Tabelle 1.1 sind Umrechnungsfaktoren für die wichtigsten heute gebräuchlichen Einheiten der Energietechnik zusammengefasst. Daneben existieren einige veraltete Energieeinheiten wie Kilopondmeter kpm (1 kpm = 2, kwh), erg (1 erg = 2, kwh), das in der Physik übliche Elektronvolt ev (1 ev = 4, kwh) sowie die in den USA gebräuchliche Einheit Btu (British Thermal Unit, 1 Btu = 1055,06 J = 0, kwh). Tabelle 1.1 Umrechnungsfaktoren zwischen verschiedenen Energieeinheiten kj kcal kwh kg SKE kg RÖE m³ Erdgas 1 Kilojoule (1 kj = 1000 Ws) 1 0,2388 0, , , , Kilocalorie (kcal) 4, , , ,0001 0, Kilowattstunde (kwh) ,123 0,086 0,113 1 kg Steinkohleeinheit (SKE) ,14 1 0,7 0,923 1 kg Rohöleinheit (RÖE) ,63 1, ,319 1m³ Erdgas ,816 1,083 0,758 1 Da viele physikalische Größen oftmals sehr kleine oder sehr große Werte aufweisen und die Exponentialschreibweise sehr unhandlich ist, wurden Vorsatzzeichen eingeführt, die in Tabelle 1.2 dargestellt sind. Tabelle 1.2 Vorsätze und Vorsatzzeichen Vorsatz Abkürzung Wert Vorsatz Abkürzung Wert Kilo k 10 3 (Tausend) Milli m 10 3 (Tausendstel) Mega M 10 6 (Million) Mikro µ 10 6 (Millionstel) Giga G 10 9 (Milliarde) Nano n 10 9 (Milliardstel) Tera T (Billion) Piko p (Billionstel) Peta P (Billiarde) Femto f (Billiardstel) Exa E (Trillion) Atto a (Trillionstel)

4 1.1 Der Begriff Energie 15 Vielfach werden bei der Verwendung der Begriffe Energie und Leistung sowie deren Einheiten Fehler gemacht, und nicht selten werden Einheiten und Größen durcheinandergebracht. Oft wird durch falschen Gebrauch von Größen der Sinn von Äußerungen verändert, oder es kommt zumindest zu Missverständnissen. Als Beispiel soll ein Zeitschriftenartikel aus den 1990er-Jahren über ein Solarhaus dienen. Er beschreibt eine Photovoltaikanlage mit einer Gesamtleistung von 2,2 kw. Später im Text beklagte der Autor, dass die damalige Vergütung pro kw bei der Einspeisung in das öffentliche Netz mit 0,087 äußerst gering war. Nach den Einheiten zu urteilen, wurde die Anlage nach Leistung (Einheit der Leistung = kw) vergütet, das wären für die gesamte Anlage dann 2,2 kw 0,087 /kw = 0,19. Sicher, Solarstrom wurde lange Zeit schlecht vergütet, doch mit knapp 20 Euro-Cents insgesamt musste sich wohl kein Anlagenbesitzer zufrieden geben. Der Autor hatte an dieser Stelle gemeint, dass die von der Solaranlage in das öffentliche Netz eingespeiste elektrische Energie pro Kilowattstunde (kwh) mit 0,087 vergütet wurde. Speiste die Anlage in einem Jahr 1650 kwh in das Netz ein, so erhielt der Betreiber mit 143,55 immerhin das 750fache. Ein Beispiel dafür, dass ein fehlendes kleines h große Unterschiede zur Folge haben kann. Energie kann im physikalischen Sinne weder erzeugt noch vernichtet werden oder gar verloren gehen. Dennoch spricht man oft von Energieverlusten oder der Energiegewinnung, obwohl in der Physik für die Energie der folgende Energieerhaltungssatz gilt: In einem abgeschlossenen System bleibt der Energieinhalt konstant. Energie kann weder vernichtet werden noch aus nichts entstehen; sie kann sich in verschiedene Formen umwandeln oder zwischen verschiedenen Teilen des Systems ausgetauscht werden. Es kann also nur Energie von einer Form in eine andere umgewandelt werden, wofür noch einmal das Benzin und das Auto als Beispiel dienen sollen. Benzin ist eine Art von gespeicherter chemischer Energie. Durch Verbrennung entsteht thermische Energie. Diese wird vom Motor in Bewegungsenergie umgesetzt und an das Auto weitergegeben. Ist das Benzin verbraucht, steht das Auto wieder. Die Energie ist dann jedoch nicht verschwunden, sondern wurde bei einem zurückgelegten Höhenunterschied in Lageenergie umgewandelt oder durch Abwärme des Motors sowie über die Reibung an den Reifen und mit der Luft als Wärme an die Umgebung abgegeben. Diese Umgebungswärme kann aber in der Regel von uns Menschen nicht weiter genutzt werden. Durch die Autofahrt wurde ein Großteil des nutzbaren Energiegehalts des Benzins in nicht mehr nutzbare Umgebungswärme überführt. Für uns ist diese Energie also verloren. Vernichtete oder verlorene Energie ist demnach Energie, die von einer höherwertigen Form in eine niederwertige, meist nicht mehr nutzbare Form umgewandelt wurde. Anders sieht es bei einer Photovoltaikanlage aus. Sie wandelt Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie um. Es wird auch davon gesprochen, dass eine Solaranlage Energie erzeugt. Physikalisch ist auch dies nicht korrekt. Genau genommen überführt die Photovoltaikanlage eine für uns schlecht nutzbare Energieform (Solarstrahlung) in eine höherwertige Energieform (Elektrizität). Bei der Umwandlung kann die Energie mit unterschiedlicher Effizienz genutzt werden. Dies soll im Folgenden am Beispiel des Wasserkochens verdeutlicht werden.

5 16 1 Energie und Klimaschutz Die Wärmeenergie Q, die nötig ist, um einen Liter Wasser (m = 1 kg) von der Temperatur ϑ1 = 15 C auf ϑ2 = 98 C zu erwärmen, berechnet sich mit der Wärmekapazität c von Wasser ch2o = 4,187 kj/(kg K) über Q = c m (ϑ2 ϑ1 ) (1.2) zu Q = 348 kj = 97 Wh. In einer Verbraucherzeitschrift wurden verschiedene Systeme zum Wasserkochen verglichen. Die Ergebnisse sind in Bild 1.1 dargestellt. Hierbei wurde neben verschiedenen elektrischen Geräten auch der Gasherd mit einbezogen. Aus der Grafik geht scheinbar hervor, dass der Gasherd, obwohl bei diesem die Energiekosten am geringsten sind, in punkto Energieverbrauch am schlechtesten abschneidet. Das lässt sich dadurch erklären, dass verschiedene Energiearten miteinander verglichen wurden. 280 Gasherd Elektroherd Mikrowelle Wasserboiler 168 Energiebedarf in Wh/Liter 109 Wasserkocher Kosten für l in Bild 1.1 So viel kostet kochendes Wasser aus dem Jahr 1994 [Sti94] Zum Erwärmen des Wassers benötigt der Elektroherd elektrische Energie. Diese kommt in der Natur außer zum Beispiel bei Gewittern oder beim Zitteraal, der seine Gegner durch Stromstöße betäubt, äußerst selten vor. Der elektrische Strom muss also vom Menschen aus einem Energieträger, wie zum Beispiel Kohle, technisch in einem Kraftwerk erzeugt werden. Hierbei fallen enorme Abwärmemengen an, die zum Großteil in die Umgebung abgegeben werden. Von dem Energieträger Kohle wird deshalb nur ein geringer Teil in elektrische Energie umgewandelt, der Rest geht als Abwärme verloren. Die Qualität der Umwandlung kann durch den Wirkungsgrad η beschrieben werden, der wie folgt definiert ist: Wirkungsgrad η = nutzbringend gewonnene Energie. aufgewende te Energie (1.3) Bei einem durchschnittlichen elektrischen Dampfkraftwerk in Deutschland lag in den 1990er-Jahren der Wirkungsgrad bei ca. 34 % [Hof95]. Bei modernen Kraftwerken ist der Wirkungsgrad geringfügig höher. Etwa zwei Drittel der aufgewendeten Energie gehen

6 1.1 Der Begriff Energie 17 dennoch als Abwärme verloren, nur ein gutes Drittel steht als elektrische Energie zur Verfügung. Bei der technischen Nutzung der Energie gibt es also verschiedene Stufen der Energiewandlung, die nach Tabelle 1.3 mit Primärenergie, Endenergie und Nutzenergie bezeichnet werden. Tabelle 1.3 Die Begriffe Primärenergie, Endenergie und Nutzenergie Begriff Definition Energieformen bzw. Energieträger Primärenergie Energie in ursprünglicher, noch nicht z.b. Rohöl, Kohle, Uran, technisch aufbereiteter Form Solarstrahlung, Wind Endenergie Nutzenergie Energie in der Form, wie sie dem Endverbraucher zugeführt wird Energie in der vom Endverbraucher genutzten Form z.b. Erdgas, Heizöl, Kraftstoffe, Elektrizität ( Strom ), Fernwärme z.b. Licht zur Beleuchtung, Wärme zur Heizung, Antriebsenergie für Maschinen und Fahrzeuge Die zuvor berechnete Wärmemenge stellt also die Nutzenergie dar und die Werte aus Bild 1.1 verkörpern die Endenergie. Der Vergleich der Energieausbeute von Gas und Elektrizität sollte sich jedoch auf die Primärenergie beziehen, da es sich bei ihnen um nur schwer vergleichbare Endenergieformen handelt. Elektroherd mit Kohlestrom Bei der Elektrizität sind dies im Kraftwerk eingesetzte Energieträger wie Kohle. Auch das Erdgas zum Wassererwärmen ist eine Endenergie. Beim Transport des Erdgases zum Ver- Primärenergie Endenergie Nutzenergie 156 g CO 2 Emissionen Strom 38 % Nutzenergie Kraftwerk (0,175 kwh) Kohle 100 % (0,460 kwh) Abwärme 62 % (0,285 kwh) Abwärme 17 % (0,078 kwh) Kochendes Wasser 21 % (0,097 kwh) 2,5 g CH ^ 4 = 58 g CO Naturgas 100 % (0,311 kwh) 2 Erdgas 90 % (0,280 kwh) 56 g CO 2 Nutzenergie Kochendes Wasser 31 % (0,097 kwh) Gasherd Transportverluste 10 % (0,031 kwh) Abwärme 59 % (0,183 kwh) Elektroherd mit grünem Strom 0gCO 2 Regenerativer Strom 100 % (0,175 kwh) Nutzenergie Abwärme 45 % (0,078 kwh) Kochendes Wasser 55 % (0,097 kwh) Bild 1.2 Energiewandlungskette, Verluste und Kohlendioxidemissionen beim Wasserkochen

7 Sachwortverzeichnis A Abfluss 300 Abschattung 73, 77, 196 Abschattungsgrad diffuser 76, 77 direkter 76 Abschattungsverluste 79 Abschattungswinkel 79 Absorber 106, 135, 157 Beschichtung 106, 135 Fläche 89 Rohr 143 selektiver 107 Temperatur 135 Absorption der Atmosphäre 55 Absorptionsgrad 102, 140 Absorptionskoeffizient 176 Absorptions-Wärmepumpe 325 Abzinsung 367 Adsorptions-Wärmepumpe 326 AFC (alkalische Brennstoffzelle) 351 Ah-Wirkungsgrad 213 Air Mass 56 Akkumulator 211 am Solargenerator 219 Arten 211 Blei 212 Daten 211 Kapazität 213 Lithium-Ionen 211, 217 NaNiCl 218 NaS 211, 218 NiCd 211 NiMH 211, 217 Systeme 218, 232 Akzeptor 172 Albedo 70 alkalische Brennstoffzelle 351 alkalische Elektrolyse 348 Alphateilchen 51 AM (Air Mass) 56 Andasol 156, 361 Anlagenkonzepte für Windkraftanlagen 284 Anlaufwindgeschwindigkeit 259 Annuitätsfaktor 368 Anstellwinkel 252 Anströmgeschwindigkeit 252 Antireflexionsschicht 179 Arbeitspunkt 203, 219 Asynchrongenerator 284, 290 Asynchronmaschine 277 Atomkraft siehe Kernenergie aufgeständerte Solaranlagen 78 Auftriebsbeiwert 251, 252 Auftriebskraft 251 Auftriebsläufer 251 Aufwindkraftwerk 131 Ausbauabfluss 300 Ausbaufallhöhe 300 Auslegungswindgeschwindigkeit 259 äußerer Photoeffekt 167 Ausstrahlung, spezifische 52 Azimutantrieb 262 B B2-Brückenschaltung 224, 226 B6-Brückenschaltung 226 Bandabstand 168, 191 verschiedener Halbleiter 169 Bändermodell 168 Batterie siehe Akkumulator Batteriekapazität 235 Beaufort-Skala 242 Beihilfen 375 Beschichtung, selektive 106 Bestrahlung 50 Bestrahlungsstärke 50, 53 diffuse 61, 68 direkte 61, 67 geneigte Ebene 67 horizontale 60 Messung 81, 83 Tagesgänge 58 Betriebskosten 359 Betz'scher Leistungsbeiwert 248

8 Sachwortverzeichnis 395 Beweglichkeit 170 Bioalkohole 338 Biodiesel 338 Bioenergieträger feste 333 flüssige 337 gasförmige 340 Bioethanol 338 Biogas 341 Biokraftstofferträge 343 Biomasse 331 Heizungen 343 Kraftwerke 346 Potenziale 332 Produktion 41 Vorkommen 331 Biomass-to-Liquid 339 Blatteinstellwinkel 252 Bleiakkumulator 212 Betriebszustände 215 Ladezustand 214 Blindleistung 268, 272 Blindleistungskompensation 286 Blindwiderstand 268 Blockingdiode 218, 221 Bodenreflexion 69 Bohr'sches Atommodell 166 Bohrturm 317 Boltzmann-Konstante 170 Bor 172 Brennstoffzelle 42, 350 Brückenschaltung 224 BtL-Brennstoffe 339 Bulb-Turbine 307 Bypassdioden 198 C C4-Pflanzen 332 Cadmiumtellurid 169, 182 Carnot-Prozess 147 CEC-Wirkungsgrad 229 Cermet 107 CIS-Solarzelle 182 Clausius-Rankine-Prozess 147 COP (Coefficient of Performance) 328 Coulomb-Kraft 166 CVD (Chemical Vapor Deposition) 177 D dachintegrierte Photovoltaikanlage 165 Dampfkraftwerke 147 Dampfreformierung 347 Dänisches Konzept 284 Darrieus-Rotor 256 Deckungsgrad, solarer 126 Defektelektronen 170 Deklination 64 DHÜ 162 Dichte der Luft 247 Dielektrizitätskonstante 166 Differenzierung der Globalstrahlung 62 diffuser Abschattungsgrad 77 diffuser Strahlungsanteil 63 Diffusionsspannung 172 Diffusstrahlung 61, 68 Diode 183 Diodendurchbruch 187 Diodenfaktor 183, 194 Diodensättigungsstrom 194 direkter Abschattungsgrad 76 Direktmethanol-Brennstoffzelle 352 Direktstrahlung 61, 67 Dish-Stirling-Anlagen 159 Distickstoffoxid 26 Divergenz 134 DMFC (Direktmethanol-Brennstoffzelle) 352 Donator 171 doppelte Abdeckung 103 dreckiges Silizium 177 Drehfeld 269, 270 Drehmoment 253 Asynchronmaschine 282 Synchronmaschine 276 Drehstrommaschinen 266 Drehstromwicklung 270 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 282 Dreieckschaltung 271 Druck-Receiver 158 Dünnschichtzellen 181 Durchström-Turbine 307 E EEG 239, 370, 375 Effektivwert 267 EFG-Verfahren 178 Eigenleitung 170 Einblattrotoren 257 Eindiodenmodell 184 Einfallswinkel 66, 139 Einfallswinkelkorrekturfaktor 111, 140 Einkreissystem 92 Eintakt-Sperrwandler 208 elektrische Feldkonstante 166 elektrische Leitfähigkeit 171 elektrische Maschinen 265 elektrische Wechselstromrechnung 266 elektrischer Widerstand 202 Elektroherd 16 Elektrolyse 348 Elektrolyt 212, 215, 353 Elektronendichte 170, 171 Elektronenmasse 166 elektrotechnische Größen 165 Elementarladung 166

9 396 Sachwortverzeichnis Elevation 63 Emissionsgrad 102, 123 empfehlenswerte Rohrdurchmesser 114 Empfindlichkeit, spektrale 175 Endenergie 17 Endenergieverbrauch 22 Endverluste 139 Energie Einheiten 14 Elektron 167 Energieerhaltungssatz 15 Gestehungskosten 360, 368 kinetische 247 Photon 167 Preise 373 Pumpspeicherkraftwerke 302 Wind 247 Energiebänder 167 Energiebedarf Deutschland 20 Entwicklung 18 Entwicklung weltweit 43 Welt 18 zukünftiger 43 Energiezustände 168 ENS 223 enthalpische Zellspannung 354 Entladestrom 215 Entladetiefe 214 Entropie 149 Erde Bestrahlungsstärke 53 Daten 51 Primärenergiebedarf 44 Primärenergieverbrauch 19 Erdgas 365 Erdgasspeicher 357 Erdkern 314 Erdkollektor 329 Erdöl 19, 365 Erdsonden 329 Erdwärmekollektor 329 Erfahrungskurve 371 Erfahrungswert 372 Erneuerbare-Energien-Gesetz 239, 370, 375 Erregerstrom 274 Erregerwicklung 273 Ersatzschaltbild Asynchronmaschine 280 Asynchronmaschine, vereinfachtes 281 Solarzelle, veinfachtes 183 Solarzelle, Zweidiodenmodell 187 Synchronmaschine 275 Ethanol 338 Euro-Wirkungsgrad 228 EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat) 180 externe Kosten 374, 378 externer Quantenwirkungsgrad 174 F FAME (Fettsäuremethylester) 338 Farbstoffzellen 182 Farbtöne 54 Feldeffekttransistor 220 Feldstärke, magnetische 269 feste Bioenergieträger 333 Festmeter 335 Fettsäuremethylester 338 Fischer-Tropsch-Synthese 340 Flächennutzungsgrad 78 Flachkollektor 101 Absorber 106 Frontscheibe 102 Kollektorgehäuse 103 Flasher 84 Flicker 292 flüssige Bioenergieträger 337 Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) 26 Flussdichte, magnetische 269 Forschung und Entwicklung 376 Fotovoltaik siehe Photovoltaik Fourier-Analyse 224 Francis-Turbine 307 Freileitungen 161 Fresnelkollektor 136 Frontscheibe 102 Füllfaktor 190 Fukushima 32 G Gallium-Arsenit 169 gasförmige Bioenergieträger 340 Gasherd 16 Gasturbine 150 Gasungsspannung 215 Generator 265 geostrophischer Wind 246 Geothermie 35, 314 Kosten 364 Geothermische Heizwerke 318 Geothermische Kraftwerke 319 Gesamtkosten 359 Geschichte derphotovoltaik 164 Geschichte der Windkraft 239 gespeicherte Wärme 117 Getriebe 263 getriebelose Windkraftanlage 289 Gezeitenkraftwerke 35, 310 Gibbs sches Potenzial 354 Giermotor 262 Gierwinkel 262 Gleichdruckturbine 305 Gleichspannungswandler 203 Gleitzahl 252 globale Bestrahlung 58 globale Zirkulation 241

10 Sachwortverzeichnis 397 Gondel 263 Grenzschichtprofil 245, 246 Gütegrad 328 H Hadley-Zelle 240 Halbleiter 168 direkt 176 indirekt 176 n-leitend 172 p-leitend 172 Halbleitersensor 81 harmonische Analyse 224 Harrisburg 32 Häufigkeitsverteilung 242 Heat Pipe 104 Heizwert Biomasse 332 Holz 334, 335 Heliostatenfelder 146 Hellmann, Potenzansatz 246 HGÜ 162 Himmelsklarheit 69 Himmelstemperatur 123 HIT-Zelle 180 Hochsetzsteller 207 Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragung 162 Holzbriketts 334 Holzfeuchte 334 Holzhackschnitzel 336 Holzpellets 334, 336 Preise 365 Horizonthelligkeitsindex 69 Hot-Dry-Rock-Verfahren 317 Hot-Spots 198 H-Rotor 256 I IAM siehe Einfallswinkelkorrekturfaktor innerer Photoeffekt 169 Inselnetzwechselrichter 227 Intergovernmental Panel on Climate Change 43 internationaler Klimaschutz 45, 47 interner Quantenwirkungsgrad 174 intrinsische Trägerdichte 170 invertierender Wandler 208 Investitionskosten 359 Ionisationsenergie 167, 171 IPCC 43 ISCCS-Kraftwerk 155 Isolator 168 Itaipu-Kraftwerk 301, 363 J Jahresarbeitszahl 328 Jahresdauerlinie 297 Joule-Prozess 150 K Käfigläufer 278 Kalina-Prozess 320 Kapazität (Akkumulator) 213 Kapitalvermehrung 380 Kapitalwert 367 Kaplan-Turbine 306 Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle 353 Kernenergie 29 Anteil an der Stromerzeugung 30 Entwicklungskosten 376 Kernfusion 33 Kernspaltung 29 Unfälle 32, 377 Uranvorkommen 24, 31 Kernfusion 33, 51 kinetische Energie 247 Kippmoment 277, 283 Kippschlupf 283 Klimaschutzvorgaben 29 Deutschland 29 Welt 29 Klimaveränderungen 27 Klirrfaktor 226 Kloss sche Formel 283 Klucher-Modell 68 Kohlendioxid 25, 348 Emissionen 46, 47 Konzentration 26, 45 Reduktionsziele 29 spezifische Emissionsfaktoren 45 Kohlepfennig 374 Kollektor 98, 137 Austrittstemperatur 113 Durchfluss 113 Durchsatz 113 Endverluste 139 Fläche, Pro-Kopf 37 Nutzleistung 108, 139 Stillstandstemperatur 109, 135 Wirkungsgrad 108, 109, 142 Kollektorkreisnutzungsgrad 127 Kommutierung 223 komplexe Wechselstromrechnung 267 Kompressions-Wärmepumpe 323 Konvektion 102, 104, 108, 122 Konversionsfaktor 109 Konzentrationsfaktor 134 konzentrierende Kollektoren 136 konzentrierende Solarthermie 133 konzentrierende solarthermische Anlagen 151 Kosten externe 374, 378 Forschung und Entwicklung 376 Geothermie 364 Holzpelletsheizung 365 konventionelle Energiesysteme 372

11 398 Sachwortverzeichnis Naturkatastrophen 378 Photovoltaik 362, 369 solartherm. Wassererwärmung 360,369 solarthermische Kraftwerke 361, 369 Wärmepumpe 364 Wasserkraft 363 Windkraft 362, 370 Kostensenkungen 371 Kreifrequenz 266 Kreisfrequenz, Elektron 166 Kristallgitter 170 künstliche Sonne 83 Kupfer-Indium-Diselenid 182 Kupferrohre 114 Kurzschlussstrom 188 Kværner-Verfahren 348 Kyoto-Protokoll 45, 46 L Laderegler 220 Ladewirkungsgrad 212 Ladezustandsbilanzierung 216 Lagerraumvolumen 345 Laminieren 181 Längenausdehnung 143 Längsregler 220 Laser Grooved Buried Contact 180 Latentwärmespeicherung 118 Läufer 273, 278 Laufwasserkraftwerke 299 Lee 245 Leeläufer 262 Leerlaufspannung 189, 192, 202, 355 Leistung 14, 247, 268, 291 Pumpspeicherkraftwerk 303 Turbine 309 Wasser 299 Wasserkraftwerk 300 Wind 247 Leistungsbeiwert 248, 254 Approximation 254 nach Betz 248 Schalenkreuzanemometer 250 Widerstandsläufer 251 Leistungsdichte des Windes 239 Leistungsfaktor 269 Leistungstransistoren 222 Leistungszahl 328 Leiter 168 Leitfähigkeit 168, 171 Leitungen 113, 218 Leitungsaufheizverluste 115 Leitungsband 168 Leitungsverluste 218 Leuchtdichte 50 LGBC (Laser Grooved Buried Contact) 180 lichttechnische Größen 50 Light-Trapping 176 Linienkollektoren 137 Linienkonzentratoren 136 Lithium-Ionen-Akkumulator 211, 217 Löcherdichte 170, 172 logarithmisches Grenzschichtprofil 245 Luftmassenstrom 247 Luftspaltleistung 282 Luftverschmutzung 377 Luv 245 Luvläufer 262 M magnetische Feldkonstante 269 magnetische Feldstärke 269 magnetische Induktion 269 Maschinen, elektrische 265 Massendefekt 30 Massenstrom 114, 247 Master-Slave-Wechselrichter 230 maximale Konzentration 134 Maximum Power Point 189 MCFC (Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle) 353 Meeresspiegel, Anstieg 28 Meeresströmungskraftwerke 311 Membran-Brennstoffzelle 352 Memory-Effekt 216 Methan 25 Methanisierung 356 Mie-Streuung 55 mikrokristalline Solarzelle 182 mikromorphe Solarzelle 182 mittlere Ortszeit 64 Modulwechselrichter 230 Momentanleistung 268 Momentenbeiwert 253 MOSFET 220 MPP (Maximum Power Point) 189 Regelung 209 Tracker 209, 219, 227 N Nachführung 70 Nachführungswinkel 143 NaNiCl-Akkumulator 218 Natrium-Schwefel-Akkumulator 211, 218 n-dotierung 172 Neigung 70, 71, 139 Neigungsgewinne 72 Nennwindgeschwindigkeit 259 Netzanschluss 292 Netzbetrieb 291 Netzfrequenz 271 netzgeführte Kommutierung 223 Nevada Solar One 156, 361 Newton-Verfahren 186 Nickel-Cadmium-Akkumulator 211, 216

12 Sachwortverzeichnis 399 Nickel-Metall-Hydrid-Akkumulator 211, 217 Niedertemperaturspeicher 118 Niedertemperaturwärme 42 Nuklidmassen 52 Nutzenergie 17 O Oberfläche, Kugelkappe 120 Oberschwingungen 225 offene Gasturbine 150 offener Receiver 157 Öffnungswinkel der Sonne 134 Ölkrise 18 Ölpreise 365, 373 optischer Wirkungsgrad 109, 140 ORC-Prozess 321 Ortszeit 64 Ossannakreis 281 Ossberger-Turbine 307 oxidkeramische Brennstoffzelle 353 Ozon 26 P PAFC (Phosphorsäure-Brennstoffzelle) 352 Parabolrinnenkraftwerke 151 Parabolschüssel 146 Parallelregler 220 Parallelschaltung von Solarzellen 200 Parallelwiderstand 184, 195 partielle Oxidation 347 Passatwind 240 p-dotierung 172 Pellets 336 Pelletslagerraum 345 Pelton-Turbine 308 PEM (Membran-Brennstoffzelle) 352 Perez-Modell 68 Performance Ratio 238 petrothermale Geothermie 322 Pfaffenhofen, Heizkraftwerk 346 Pflanzenöl 337 Phasenwinkel 266 Phosphor 171 Phosphorsäure-Brennstoffzelle 352 Photoeffekt 167 äußerer 167 innerer 169 Photostrom 175,183, 191 Photovoltaik 38, 164 Kosten 362, 369 Systeme 231 Pitch-Regelung 252, 261 Pitchwinkel 253 Planck sches Spektrum 55 Planck sches Wirkungsquantum 166 Planetenenergie 35 Plutonium 31 pn-übergang 172 Polpaarzahl 271 Polradspannung 274 Polradwinkel 274 Polteilung 271 polumschaltbare Generatoren 286 Potenzansatz nach Hellmann 246 Potenziale Photovoltaik 38 solarthermische Kraftwerke 37 Windkraft 41 Preisindex 359 Preissteigerungsrate 359 Primärenergie 17 Primärenergiebedarf 44 Primärenergieverbrauch 19 Deutschland 21 Entwicklung, weltweit 44 Progress Ratio 371 Pulsweitenmodulation 227 Pumparbeit 304 Pumpe 89, 93 Pumpspeicherkraftwerke 302 Punkt maximaler Leistung 189 Punktkonzentratoren 137, 146 PVC 106 p-v-diagramm 148 PWM (Pulsweitenmodulation) 227 Pyranometer 81 Pyrheliometer 83 Q Quantenwirkungsgrad 174 R Rankine-Prozess 147 Rapsölmethylester 338 Rauigkeitslänge 246 Raumladungszone 172, 173 Raummeter 335 Rayleigh-Streuung 55 Rayleigh-Verteilung 244 Receiver 133, 157 Rechteckwechselrichter 223 Reduktionsverpflichtungen 46 Reflexionsgrad 102, 140 Regelung MPP (Maximum Power Point) 209 Pitch 252, 261 Stall 260 Reichweite Erdags 23 Erdöl 23 fossile Energieträger 23 Kohle 23 Uran 24 Reihenabstand, optimaler 78

13 400 Sachwortverzeichnis Reihenschaltung von Solarzellen 195 Reihenverschattungen 144 relative Luftfeuchte 123 relative spektrale Empfindlichkeit 175 Reserven fossiler Energieträger 23 Resonanzwechselrichter 223 reversible Zellspannung 354 Rheinfelden 297, 363 RME (Rapsölmethylester) 338 Rohöleinheit 14 Rohölpreise 373 Rohrdurchmesser 114 Rohrleitungen 113 Rohr-Turbine 306 Rotorblattzahl 257 Rückflussdiode 218 Rückseitenkontaktzellen 180 rückseitige Wärmedämmung 103 Rundholz 334 S Sabatier-Prozess 356 Sahara 60 saisonaler Speicher 95 Salzkavernen 350 Sanftanlaufschaltung 284 Sättigungsdampfdruck 123 Sättigungsstrom 183, 191 Säuredichte 214 Savonius-Rotor 255 Schalenkreuzanemometer 250 Schattenball 83 schattentolerante Module 199 Scheinleistung 268, 272 Scheitholz 334 Scheitholzkessel 344 Schenkelpolläufer 273 Schichtenspeicher 95 Schleifringläufer 278 Schlupf 278, 285 schmutziges Silizium 177 Schnelllaufzahl 250, 252, 259 Schüttraummeter 335 Schwarzchrom 107 Schwerkraftsystem 91 Schwimmbadabdeckung 124 Schwimmbadabsorber 106 Schwimmbadbeheizung 88 Schwimmbecken 122 Sechspuls-Brückenschaltung 226 SEGS-Parabolrinnenkraftwerke 152 Selbstentladung 213 selbstgeführte Kommutierung 223 selektive Beschichtung 106, 135 Serienregler 220 Serienwiderstand 184, 195 Shottkydiode 218 Shuntregler 220 Siemens-Verfahren 177 Silan-Prozess 177 Silizium 170, 176 Abkürzungen 177 amorphes 181 metallurgisches 176 mikrokristallines 182 monokristallines 178 polykristallines 177 Simulationsprogramme 383 SOFC (oxidkeramischebrennstoffzelle) 353 Software 383 Solarchemie 160 solare Deckungsrate 128, 129 solare Heizung 95, 130 solare Nahwärme 96 solare Schwimmbadbeheizung 88 solare Trinkwassererwärmung 89, 127 solarer Deckungsgrad 126 solares Kühlen 97 Solargenerator 201, 202 Solarkollektoren 37, 98, 136 Solarkonstante 53 Solarmodul 180, 195 Abschattungen 196 Aufbau 180 technische Daten 202 Solarthermie 85 solarthermische Kraftwerke 37 Kosten 361, 369 solarthermische Systeme 88 solarthermische Wassererwärmung 85 Kosten 360, 369 Solarturmkraftwerke 156 Solarzelle 166 Dünnschicht 181 Eindiodenmodell 184 elektrische Beschreibung 183 Ersatzschaltbilder 183 Funktionsprinzip 169 Funktionsweise 166 Herstellung 176 I-U-Kennlinie 184 Kennlinie 189 Parameterbestimmung 194 Prinzip 173 Temperaturabhängigkeit 191 Vorgänge in 174 Zellparameter 188, 189 Zweidiodenmodell 186 Sonne Daten 51 Oberflächentemperatur 53 Position 63 spezifische Ausstrahlung 52 Strahlungsleistung 52 Sonnenazimut 63

14 Sachwortverzeichnis 401 Sonnenbahndiagramm 65, 75 Sonneneinfallswinkel 66, 139 Sonnenenergie 36 direkte 36 Energiemenge 36 indirekte 39 Sonnenhöhe 63 Sonnenofen 160 Sonnensimulator 84 Sonnenstand 57, 63 Sonnenstrahlung 50 Sparkassenformel 366 Speicher 117 Kollektor 99 Medien 118 Möglichkeiten 221 Parabolrinnenkraftwerk 154 saisonal 95 Schichten 95 Temperatur 121 Verluste 119, 121 Wasserkraftwerke 301 Zeitkonstante 121 speicherbare Wärmemenge 119 Speicherung sensibler Wärme 118 spektrale Empfindlichkeit 82, 175 Spektrum 56, 107 Spektrum AM0 55 Spektrum AM1,5g 56 spezifische Ausstrahlung 50, 52 Stall-Regelung 260 Standardtestbedingungen 190 Ständer 269, 273 STC (Standardtestbedingungen) 190 Stefan-Boltzmann-Gesetz 53 Steinkohleeinheit 14 Sternschaltung 271 Stirling-Prozess 151 Störstellenleitung 171 Strahldichte 50, 54, 55 Strahlungsgewinne 124 Strahlungsleistung 50, 52 strahlungsphysikalische Größen 50 Strangdiode 201, 230 Strangwechselrichter 230 String-Ribbon-Verfahren 178 Stromeinspeisegesetz 239 Stromimport 161 Stromortskurve 280 Stromrichterkaskade 290 Strömungsverlauf 248 Stundenwinkel 65 Subventionen 374 Synchrondrehzahl 271 Synchrongenerator 287 Synchronisation 277 Synchronisierbedingungen 277 Synchronmaschine 273 Synthesegas 340 T TapChan-Anlagen 312 Tastverhältnis 205, 209 Taupunkttemperatur 123 Tausend-Dächer-Programm 164 Technische Daten Asynchrongenerator 284 Dish-Stirling-Anlage 160 Itaipu-Kraftwerk 301 Parabolrinnenkollektoren 138 Parabolrinnenkraftwerke 153, 156 Solarkollektor 110 Solarmodule 202 Solarturmkraftwerke 157 Wechselrichter 231 tektonische Platten 315 Temperaturabhängigkeit bei Solarzellen 191 Temperaturanstieg 28 Temperaturen, Geothermie 316 Temperaturschichtung 122 Temperatursensor 92 Temperaturspannung 183, 191 thermische Verluste 109 thermischer Sensor 82 thermodynamische Größen 86 thermodynamischer Wirkungsgrad 354 Thermosiphonanlage 91 Tiefentladung 215 Tiefsetzsteller 204 Tiegelziehverfahren 178 Tinox 107 Totalverlust der Kapitalanlage 381 Transformator 279 Transmissionsgrad 102, 140 Transmissionsverluste 122 transparente Wärmedämmung 99 Treibhauseffekt 24 anthropogener 24 Indizien 27 natürlicher 24 Temperaturanstieg 28 Verursachergruppen 27 zukünftige Schäden 378 Treibhausgas Distickstoffoxid 26 Emissionen 46 FCKW 26 Kohlendioxid 25 Methan 25 Ozon 26 Pro-Kopf-CO 2 -Emissionen 27 Reduktionsziele für Kohlendioxid 29 Trinkwasserspeicher 118 Tschernobyl 21, 31, 32 T-S-Diagramm 149

15 402 Sachwortverzeichnis Turbine Dampfturbine 148 Francis 307 Gasturbine 150 Kaplan 306 ORC 320 Ossberger 307 Pelton 308 Pump 308 Rohr 306 Wind 247 Turbinenarten 305 Turboläufer 273 Turm 132, 156, 263 Turmwirkungsgrad 132 TWD (transparente Wärmedämmung) 99 U Überdruckturbinen 305 Übererregung 276 Überlebenswindgeschwindigkeit 160, 259 Übersetzungsverhältnis 208 übersynchrone Stromrichterkaskade 290 Umfangsgeschwindigkeit 250, 252 Umgebung, Beschreibung 73 Umrechnungsfaktoren für Energieeinheiten 14 Umrichter 203, 223 Untererregung 276 Uranabbau 30 Uranvorräte 24 V Vakuumflachkollektor 104 Vakuumröhrenkollektor 104 Valenzband 168 variabler Schlupf 285 verbotene Zone 168 Verbraucherpreisindex 359 Verdunstungsverluste 123 Verluste, Wasserstoffspeicherung 350 Verlustfaktor 300 Verschattungen 144 Verschmutzungen, Verluste 78 Verzerrungsfaktor 226 Vierquadrantenbetrieb 275 Vollpolläufer 273 Volumenstrom 114, 247 Vorsätze 14 Vorsatzzeichen 14 W Wafer 179 wahre Ortszeit 64 Wärme 85 Wärmeänderung 85 Wärmebedarf bei Freibädern 89 Wärmedurchgang 87 Wärmedurchgangskoeffizient 86, 87, 120 Wärmedurchgangszahl 86, 116, 119 Wärmeenergie 16 Wärmefluss 85, 86 Wärmegestehungskosten 361, 369 Wärmekapazität 16, 86 Wärmekraftmaschinen 147 Wärmeleitfähigkeit 86, 87 Wärmepumpe 42, 323, 328 Kosten 364 Wärmerohr 104 Wärmespeicher 91 Wärmestrahlung 102, 106, 108, 123 Wärmestrom 86, 87 Wärmetauscher 104, 119, 152, 154 Wärmeträgerdurchsatz 93 Wärmeübergangskoeffizient 86, 87,122, 141 Wärmeübergangszahl 116, 120 Wärmeverluste 119 Warmwasserbedarf 125 Wassergehalt 334 Wasserkochen 15 Wasserkraft 39, 294 Kosten 363 Wasserkraftanlagen 299 Wasserstoff 347 energetische Daten 347 Erzeugung 42 Speichertypen 349 Transport 350 Wasserturbinen 305 Watt-peak (Wp) 190 Wechselrichter 222 Daten 231 Master-Slave 230 Photovoltaik 227 Wirkungsgrad 228 Wechselspannung 266 Wechselstromrechnung 266 Weibull-Verteilung 243 Wellenkraftwerke 312 Wellenlängen 54 Weltenergieverbrauch 18 Western Mill 40 Wh-Wirkungsgrad 213 Widerstandsbeiwert 249 Widerstandskraft 249, 251 Widerstandslast 202 Widerstandsläufer 249 Wind Dargebot 240 Entstehung 240 geostrophischer 246 Geschwindigkeit 242 Geschwindigkeitsverteilungen 242 Leistung 247 Nachführung 262 Richtung 245

16 Sachwortverzeichnis 403 Stärke 241 Windkraft 40, 239 Windkraftanlagen 255 Anlagenaufbau 263 Energieertrag 363 Ertrag 291 getriebelose 289 horizontale Drehachse 256 in Deutschland 40 Komponenten 257 Kosten 362, 370 vertikale Drehachse 255 Wirkleistung 268, 272 Wirkungsgrad 16 Aufwindkraftwerk 132 Batterieladung 213 Biomasseproduktion 331 Brennstoffzelle 354 CEC (California Energy Commission) 229 Euro 228 Generator 309 Gleichspannungswandler 204 Kollektorkreis 127 konzentrierender Kollektor 142 Kraftwerke in Deutschland 16 optischer 109, 140 Pumpspeicherkraftwerk 304 Solarkollektor 109 Solarzelle 182, 191 Turbine 308 Wasserkraftwerk 300 Wechselrichter 228 Windkraftanlage 249 zusammengeschaltete Turbinen 310 Wirtschaftlichkeitsberechnung 358 Kritik 379 mit Kapitalverzinsung 366 ohne Kapitalverzinsung 359 Z ZEBRA-Batterie 218 Zeigerdiagramm 275 Zeitkonstante des Speichers 121 Zellspannung 195, 211, 354 Zenitwinkel 66 Zentrifugalkraft 166 Zirkulationsverluste 116 Zonenziehverfahren 178 zweiachsige Nachführung 71 Zweidiodenmodell 186, 187 Zweikreissystem 92, 93 Zweipuls-Brückenschaltung 224 Zweispeichersysteme 94