Martin Kaltschmitt Wolfgang Streicher (Hrsg.) Regenerative Energien in Österreich

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1 Martin Kaltschmitt Wolfgang Streicher (Hrsg.) Regenerative Energien in Österreich

2 Martin Kaltschmitt Wolfgang Streicher (Hrsg.) Regenerative Energien in Österreich Grundlagen, Systemtechnik, Umweltaspekte, Kostenanalysen, Potenziale, Nutzung PRAXIS

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage 2009 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Ulrich Sandten Kerstin Hoffmann Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, 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 Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: STRAUSS GMBH, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

4 Vorwort Der materielle Wohlstand unserer westlichen Industriegesellschaften in seiner jetzigen Form konnte sich nur auf der Basis der scheinbar unbeschränkt zur Verfügung stehenden fossilen Energieträger entwickeln. Zwischenzeitlich werden jedoch die mit der Bereitstellung und Nutzung von Öl, Gas und Kohle verbundenen Auswirkungen auf die natürliche Umwelt zunehmend sichtbarer und lassen so die Suche nach umwelt- und klimaverträglicheren und damit nachhaltigeren Alternativen immer mehr an Bedeutung gewinnen. Neben einem möglichst effizienten und rationellen Einsatz der Energie wird dabei vor allem die Nutzung regenerativer (erneuerbarer) Energien als eine Möglichkeit angesehen, zum Aufbau einer zukünftig nachhaltigeren Energieversorgung beizutragen. Dies wird i. Allg. außer mit den geringen Umwelt- und Klimaeffekten mit einer Vielzahl weiterer positiver Effekte wie etwa der Unabhängigkeit von Energieimporten (d. h. Verbesserung der Versorgungssicherheit) und der Erhöhung der inländischen Wertschöpfung begründet. Deshalb streben auch viele Industriestaaten eine deutliche Ausweitung der Nutzung des erneuerbaren Energieangebots an. Dabei werden in Österreich aber heute schon beispielsweise im Vergleich zu vielen anderen EU-Mitgliedsstaaten erneuerbare Energien sehr weitgehend genutzt. Trotzdem sollen auch hier zukünftig die regenerativen Energien und das gilt grundsätzlich für alle Optionen zur Nutzung des erneuerbaren Energieangebots deutlich mehr zur Deckung der Energienachfrage beitragen. Entsprechend wurden bzw. werden die energiepolitischen Weichen gestellt. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, wie sich die technischen Möglichkeiten unter den in Österreich gegebenen Randbedingungen darstellen, welche Möglichkeiten zur Nutzung regenerativer Energien unter welchen Gegebenheiten mit welchen Energiegestehungskosten und welchen Umwelteffekten verbunden sind und welche Optionen welche Potenziale unter welchen Rahmenannahmen aufweisen. Das Ziel dieses Buches ist es deshalb, diese Informationen zur umfassenden Analyse und systemtechnischen Bewertung des regenerativen Energieangebots in Österreich zusammenzustellen, um so die notwendigen Grundlagen und Kriterien für zukünftige Entscheidungen über dessen weitergehende Nutzung bereitzustellen. Dazu werden alle in der Republik Österreich sinnvoll nutzbaren Möglichkeiten zur Nutz- bzw. Endenergiebereitstellung aus erneuerbaren Energien auf einer einheitlichen Grundlage bzw. auf der Basis der gleichen methodischen Vorgehensweise anhand wesentlicher energiewirtschaftlicher Kriterien (d. h. Umwelteffekte, Kosten, Potenziale, Nutzung) analysiert. Durch diese einheitliche Vorgehensweise können sich bei bestimmten regenerativen Energien Abweichungen zum bisher üblichen Vorgehen bei der Ermittlung energiewirtschaftlicher Kenngrößen ergeben bzw. können bestimmte Zahlenangaben (z. B. die Energiegestehungskosten) durchaus von anderen publizierten Angaben ab-

5 VI Vorwort weichen. Das gewählte Vorgehen hat jedoch den großen Vorteil, dass die einzelnen Optionen zur Nutzung regenerativer Energien problemlos untereinander und mit den jeweils substituierbaren Optionen zur Nutzung fossiler Energieträger vergleichbar sind, die auf der gleichen Basis analysiert werden. Damit wird eine einfache Analyse und Bewertung im energiewirtschaftlichen Gesamtzusammenhang der Republik Österreich ermöglicht. Allen Mitarbeitern, die durch ihr Fachwissen und ihren persönlichen Einsatz zum Gelingen des vorliegenden Buches beigetragen haben, möchten wir sehr herzlich danken. Unser ganz besonderer Dank gilt dabei auch der Energieforschungsgemeinschaft (EFG) im Verband der Elektrizitätsunternehmen Österreichs (VEÖ) für ihre Unterstützung bei der Realisierung dieses Buches. Weiters sei Frau Petra Bezdiak und Frau Barbara Eckhardt, beide TUHH, für ihre Unterstützung bei der Erstellung der Druckvorlage sehr herzlich gedankt. Hamburg und Graz im Juli 2009 Martin Kaltschmitt und Wolfgang Streicher

6 Liste der Mitarbeiter Dipl.-Ing. Dorit Baumann Technische Universität Graz, Institut für Wärmetechnik Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Rudolf Braun* Universität für Bodenkultur, Tulln Dipl.-Ing. Mag.(FH) Gerhard Christiner Verbund-APG, Wien Univ.-Prof. Dr. Johann Goldbrunner* Geoteam GmbH / Erzherzog-Johann-Universität Graz Mag. Stefan Hantsch* IG Windkraft, St. Pölten Dipl.-Ing.(FH) Katharina Hochmair* Verband der Elektrizitätsunternehmen Österreichs, Wien Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Hermann Hofbauer Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften, Technische Universität Wien Dr.-Ing. Roman Igelspacher* EVN, Maria Enzersdorf Dipl.-Ing. Sebastian Janczik Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft; Deutsches BiomasseForschungsZentrum, Leipzig Dipl.-Ing. Kornelia Lippitsch Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Dipl.-Ing. Verena Mohrig Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft; Deutsches BiomasseForschungsZentrum, Leipzig Dipl.-Wirt.Ing. Dr. Tomas Müller* Verband der Elektrizitätsunternehmen Österreichs, Wien Dipl.-Ing. Franziska Müller-Langer Deutsches BiomasseForschungsZentrum, Leipzig Prof. (FH) Dipl.-Ing. Dr. techn. Jürgen Neubarth Fachhochschule Kufstein Dipl.-Ing. Stephan Oblasser* TIWAG, Innsbruck Dipl.-Ing. Dr. Otto Pirker* Verbund AHP, Wien

7 VIII Liste der Mitarbeiter Dipl.-Ing. Herbert Popelka Verbund-APG, Wien Dipl.-Ing. Anne Scheuermann Leipziger Institut für Energie (IE) GmbH Dipl.-Ing. Gerd Schröder Leipziger Institut für Energie (IE) GmbH Dipl.-Ing.(FH) Kathrin Schult Leipziger Institut für Energie (IE) GmbH Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Wolfgang Streicher Technische Universität Graz, Institut für Wärmetechnik Ing. Mag. Johann Wachtler* Austrian Windpower, Eisenstadt Univ.-Lektor Dipl.-Ing. Heinrich Wilk Energie AG Kraftwerke GmbH, Linz Hofrat Dipl.-Ing. Manfred Wörgetter* BLT Josephinum, Wieselburg *Unterstützung bei der Erarbeitung der Inhalte

8 Inhaltsübersicht 1 Einführung und Aufbau Energiequellen und -ströme Energiesystem Österreich Aufbau und Vorgehen Konventionelle Vergleichssysteme Stromerzeugung aus Wasserkraft Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Ökologische und ökonomische Analyse Potenziale und Nutzung Passive Sonnenenergienutzung Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Potenziale und Nutzung Solarthermische Wärmenutzung Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Ökologische und ökonomische Analyse Potenziale und Nutzung Photovoltaische Stromerzeugung Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Ökologische und ökonomische Analyse Potenziale und Nutzung Stromerzeugung aus Windenergie Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Ökologische und ökonomische Analyse Potenziale und Nutzung

9 X Inhaltsübersicht 7 Nutzung von Umgebungswärme Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Ökonomische und ökologische Analyse Potenziale und Nutzung Nutzung der tiefen Erdwärme Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Ökologische und ökonomische Analyse Potenziale und Nutzung Energie aus Biomasse Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Ökologische und ökonomische Analyse Potenziale und Nutzung Zusammenfassender Vergleich und Ausblick Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Technische Analyse Ökologische und ökonomische Analyse Potenziale und Nutzung Szenarienanalyse

10 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung und Aufbau Energiequellen und -ströme Energiebegriffe Energiequellen... 4 Sonne 4; Erdwärme 6; Planetengravitation und -bewegung Bilanz der Energieströme Erneuerbare Energiequellen Energiesystem Österreich Primärenergieeinsatz End- und Nutzenergieeinsatz Endenergieeinsatz 12; Nutzenergieeinsatz Elektrische Energie Thermische Energie Raumwärme und Trinkwarmwasser 16; Prozesswärme Umwelteffekte Treibhausgasemissionen 18; Emissionen mit versauernder und eutrophierender Wirkung 19; Toxische Emissionen 20 (Schwefeldioxid 20, Stickstoffoxide 20) Stromerzeugungsmix Aufbau und Vorgehen Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Ökologische und ökonomische Analyse Referenzanlagen Wärmebereitstellung 25; Strombereitstellung 26; Kraftstofferzeugung Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse 27; Weitere Umwelteffekte Ökonomische Analyse Potenziale und Nutzung Konventionelle Vergleichssysteme Bereitstellung elektrischer Energie Systemtechnische Beschreibung Dampfkraftwerk 38; Gas- und Dampfturbinenkraftwerk 39

11 XII Inhaltsverzeichnis Ökologische und ökonomische Analyse Referenzanlagen 39; Ökologische Analyse 39 (Lebenszyklusanalyse 40, Weitere Umwelteffekte 40); Ökonomische Analyse 42 (Investitionen 42, Betriebskosten 42, Stromgestehungskosten 43) Bereitstellung thermischer Energie Systemtechnische Beschreibung Heizkessel und Brenner 44 (Niedertemperaturkessel 44, Brennwertkessel 44, Gasbrenner ohne Gebläse 45, Gasbrenner mit Gebläse 45, Ölbrenner mit Gebläse 45); Brennstoffversorgung/-lagerung 45; Warmwasserbereitung Ökologische und ökonomische Analyse Referenzanlagen 46; Ökologische Analyse 47 (Lebenszyklusanalyse 47, Weitere Umwelteffekte 49); Ökonomische Analyse 50 (Investitionen 50, Betriebskosten 51, Wärmegestehungskosten 51) Bereitstellung von Kraftstoffen Systemtechnische Beschreibung Ottokraftstoffe und Mineralöldiesel 54; Erdgas Ökologische und ökonomische Analyse Referenzanlagen 55, Ökologische Analyse 55 (Lebenszyklusanalyse 55, Weitere Umwelteffekte 56); Ökonomische Analyse 56 2 Stromerzeugung aus Wasserkraft Grundlagen des regenerativen Energieangebots Grundlagen des Wasserangebots Niederschlag 60; Vom Niederschlag zum Abfluss Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Niederschlagsverteilung 61; Flusssysteme 62; Abflussverhalten Systemtechnische Beschreibung Grundlagen der Energiewandlung Systemelemente von Wasserkraftanlagen Staubauwerk 65; Speicher 66; Einlaufbauwerk 66; Triebwasser-/ Druckrohrleitung 67; Turbine 67; Auslauf 70; Wellenkupplung und Getriebe 70; Generator 70; Regelung 70; Netzanbindung Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Anlagenkonzepte 71; Anwendungsbereiche Energiewandlungskette, Verluste und Leistungskennlinie Energiewandlungskette und Verluste 72; Leistungskennlinie Ökologische und ökonomische Analyse Referenzanlagen Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse... 79

12 Inhaltsverzeichnis XIII Weitere Umwelteffekte Herstellung 83; Normalbetrieb 83; Störfall 86; Stilllegung Ökonomische Analyse Investitionen 87; Betriebskosten 88; Stromgestehungskosten Potenziale und Nutzung Potenziale Theoretisches Potenzial 91; Technisches Angebotspotenzial 91; Technisches Nachfragepotenzial Nutzung Passive Sonnenenergienutzung Grundlagen des regenerativen Energieangebots Grundlagen des solaren Strahlungsangebots Optische Fenster 95; Strahlungsschwächung 95; Strahlungsarten Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Räumliche Strahlungsverteilung 97; Zeitliche Abhängigkeit Systemtechnische Beschreibung Grundlagen der Energiewandlung Definitionen Begriffe 102; Kennzahlen 102 (Transmissionskoeffizient 102, Sekundäre Wärmeabgabe 102, Energiedurchlassgrad (g-wert) 103, Diffuser Energiedurchlassgrad (diffuser g-wert) 103, Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) 103, Äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient (äquivalenter U-Wert) 103, Transmissions- und Lüftungsverluste 104) Systemelemente Transparente Abdeckungen 104; Verschattungseinrichtungen 107; Absorber und Speicher Funktionale Systeme Direktgewinnsysteme 112; Indirekte Gewinnsysteme 113; Abgekoppelte Systeme 114; Wintergärten Potenziale und Nutzung Potenziale Nutzung Solarthermische Wärmenutzung Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Grundlagen der Energiewandlung

13 XIV Inhaltsverzeichnis Systemelemente solarthermischer Anlagen Kollektoraufbau 120 (Absorber 120, Abdeckung 121, Gehäuse 121); Kollektorbauarten 122 (Schwimmbadabsorber 122, Flachkollektor 122, Vakuum-Röhrenkollektoren 123, Heat-pipe Kollektor 123, Luftkollektoren 123, Konzentrierende Kollektoren 123); Kollektorverschaltung 124; Montage 125; Speicher 125 (Wasserspeicher 125, Feststoffspeicher 126, Latentwärmespeicher 126, Speicherdauer 127); Wärmeträgermedium 127; Leitungen 127; Wärmeübertrager 128; Pumpen 128; Mess- und Regeleinrichtungen Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Solare Freibadbeheizung 130; Trinkwarmwassererwärmung 130; Raumwärmeunterstützung 132; Nahwärmesysteme 134; Sonstige Anwendungen Energiewandlungskette, Verluste und Leistungskennlinie Energiewandlungskette und Verluste 135; Kennlinien Ökologische und ökonomische Analyse Referenzanlagen Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse Bilanzen der solarthermischen Wärmenutzung 143; Bilanzen des Versorgungssystems Weitere Umwelteffekte Herstellung 150; Normalbetrieb 150; Störfall 151; Stilllegung Ökonomische Analyse Investitionen 152; Betriebskosten 154; Wärmegestehungskosten 154 (Solarthermische Wärmebereitstellung 155, Solarthermische/ fossile Wärmebereitstellung 155) 4.4 Potenziale und Nutzung Potenziale Theoretisches Potenzial 158; Technisches Angebotspotenzial 158; Technisches Nachfragepotenzial 160 (Trinkwarmwasser 160, Raumwärme 161, Prozesswärme 161, Summe 162) Nutzung Photovoltaische Stromerzeugung Grundlagen des regenerativen Energieangebots Systemtechnische Beschreibung Grundlagen der Energiewandlung Bändermodell 164; Materialien 164; Eigenleitung 164; Störstellenleitung 165; Photoeffekt 165; p-n-übergang 165; Photovoltaischer Effekt Systemelemente von Photovoltaikanlagen Aufbau einer Photovoltaikzelle 167; Kennlinie 167; Zellentypen 168; Solarmodul 170; Wechselrichter 171; Aufständerung 172; Sonstige Komponenten 172

14 Inhaltsverzeichnis XV Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Inselsysteme 173; Netzgekoppelte Anlagen Energiewandlungskette, Verluste und Leistungskennlinie Energiewandlungskette und Verluste 175; Leistungskennlinie Ökologische und ökonomische Analyse Referenzanlagen Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse Weitere Umwelteffekte Herstellung 183; Normalbetrieb 184; Störfall 185; Stilllegung Ökonomische Analyse Investitionen 186; Betriebskosten 186; Stromgestehungskosten Potenziale und Nutzung Potenziale Theoretisches Potenzial 188; Technisches Angebotspotenzial 188; Technisches Nachfragepotenzial Nutzung Stromerzeugung aus Windenergie Grundlagen des regenerativen Energieangebots Grundlagen der Windentstehung Mechanismen 197; Globale Luftzirkulationssysteme 198; Lokale Luftzirkulationssysteme 198; Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Räumliche Windverteilung 199; Zeitliche Abhängigkeit 201; Häufigkeitsverteilung Systemtechnische Beschreibung Grundlagen der Energiewandlung Systemelemente von Horizontalachsenkonvertern Rotor 205 (Rotorblätter 206, Rotornabe 207, Blattverstellmechanismus 207); Getriebe 207; Generator 207; Windrichtungsnachführung 207; Gondel 207; Turm 207; Fundament 208; Netzanschluss Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Anlagenkonzepte 209; Anwendungsbereiche Energiewandlungskette, Verluste und Leistungskennlinie Energiewandlungskette und Verluste 210; Leistungskennlinie Systemintegrationsaspekte Regionale Konzentration 214; Vorhersage der Windstromerzeugung 214; Integrationsmaßnahmen Ökologische und ökonomische Analyse Referenzanlagen

15 XVI Inhaltsverzeichnis Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse Weitere Umwelteffekte Herstellung 219; Normalbetrieb 220 (Hörschall 220, Infraschall 220, Schattenwurf 221, Reflexionen 221, Beleuchtung 221, Eiswurf 221, Landschaftsbild 222, Abiotische Naturgüter, Pflanzen und Biotope 222, Vogelwelt 223, Weitere Auswirkungen auf die Tierwelt 223); Störfall 223; Stilllegung Ökonomische Analyse Investitionen 224; Betriebskosten 225; Stromgestehungskosten Potenziale und Nutzung Potenziale Theoretisches Potenzial 227; Technisches Angebotspotenzial 227; Technisches Nachfragepotenzial Nutzung Nutzung von Umgebungswärme Grundlagen des regenerativen Energieangebots Entstehung Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Räumliche Verteilung 234; Zeitliche Abhängigkeit Systemtechnische Beschreibung Grundlagen der Energiewandlung Systemelemente von Wärmepumpenanlagen Wärmepumpe 240 (Kompressionswärmepumpe 240, Absorptionswärmepumpe 241, Technische Umsetzung 242); Wärmequellenanlage für Erdreich 243 (Horizontal verlegte Erdreichwärmeübertrager 243, Vertikal verlegte Erdreichwärmeübertrager 244); Wärmequellenanlage für Grundwasser 247; Wärmequellenanlage für Oberflächenwasser 248; Wärmequellenanlage für Außenluft 249; Wärmespeicher 249; Regelung Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Anlagenkonzepte 250; Anwendungsbereiche 251 (Raumwärme 251, Trinkwarmwasser 252, Raumwärme und Trinkwarmwasser 252, Weitere Nutzungsmöglichkeiten 253) Energiewandlungskette, Verluste und Leistungskennlinie Energiewandlungskette und Verluste 253; Kennlinien Ökonomische und ökologische Analyse Referenzanlagen Erdkollektor mit Solekreislauf 256; Erdkollektor mit Direktverdampfung 256; Erdsonde mit Solekreislauf 257; Grundwassersonde 257; Außenluft Wasser ohne/mit Luftvorwärmung 257; Außenluft Luft mit Luftvorwärmung 257

16 Inhaltsverzeichnis XVII Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse Monovalente Wärmepumpensysteme 258; Wärmepumpensysteme in Kombination mit solarthermischen Anlagen Weitere Umwelteffekte Herstellung 265; Normalbetrieb 266 (Umweltwirkungen von Wärmepumpen-Arbeitsmitteln 266, Thermische Auswirkungen auf Boden, Grundwasser und Atmosphäre 267, Hydraulische Veränderungen im Untergrund durch Grundwasserentnahme 268, Lärmwirkungen 268, Umwelteinflüsse durch Bohrungen 268, Gesundheitsgefährdung durch Legionellenbildung 268); Störfall 269; Stilllegung Ökonomische Analyse Investitionen 270; Betriebskosten 274; Wärmegestehungskosten Potenziale und Nutzung Potenziale Theoretisches Potenzial 276; Technisches Angebotspotenzial 277; Technisches Nachfragepotenzial 277 (Trinkwarmwasser 278, Raumwärme 278, Prozesswärme 279, Summe 280) Nutzung Nutzung der tiefen Erdwärme Grundlagen des regenerativen Energieangebots Grundlagen der Erdwärmeentstehung Erdaufbau 284; Temperaturgradient 284; Wärmehaushalt der Erde 285; Geothermische Systeme und Ressourcen Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Räumliche Verteilung 286; Zeitliche Abhängigkeit Systemtechnische Beschreibung Grundlagen der Energiewandlung Aufschluss des Untergrunds Bohrtechnischer Aufschluss und Komplettierung 289; Test und Modellierung 290; Stimulation 291; Gestaltung des Untertageteils 292; Förderung Übertägige Komponenten Komponenten von geothermischen Heizwerken 293 (Thermalwassertransport 294, Wärmeübertrager 294, Filter 295, Slopsystem 295, Leckageüberwachung 296, Inertgasbeaufschlagungssystem 296); Zusätzliche Komponenten für KWK-Anlagen 296 (Rankine-Prozess mit organischen Arbeitsmitteln 296, Kalina- Prozess 297); Weitere Systemelemente 299 (Nah-/Fernwärmenetz 299, Spitzenlastbereitstellung 300, Blockheizkraftwerk (BHKW) 300, Wärmepumpe 301)

17 XVIII Inhaltsverzeichnis Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Anlagenkonzepte 302 (Wärmebereitstellungskonzepte 302, Strom- und Wärmebereitstellungskonzepte 303); Anwendungsbereiche Energiewandlungskette und Verluste Ökologische und ökonomische Analyse Wärme Referenzanlagen Nahwärmesystem NW-II 307; Nahwärmesystem NW- III Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse "Geothermische Wärmenutzung" 308; Lebenszyklusanalyse "Versorgungssystem" 312; Weitere Umwelteffekte 315 (Herstellung 315, Normalbetrieb 317, Störfall 318, Stilllegung 319) Ökonomische Analyse Investitionen 319; Betriebskosten 321; Wärmegestehungskosten Wärme und Strom Referenzanlagen Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse 324; Weitere Umwelteffekte 327 (Normalbetrieb 327, Störfall 328) Ökonomische Analyse Investitionen 328; Betriebskosten 329; Stromgestehungskosten Potenziale und Nutzung Potenziale Wärmebereitstellung Theoretisches Potenzial 332; Technisches Angebotspotenzial 333; Technisches Nachfragepotenzial Strombereitstellung Theoretisches Potenzial 334; Technisches Angebotspotenzial 334; Technisches Nachfragepotenzial Nutzung Energie aus Biomasse Grundlagen des regenerativen Energieangebots Biomasseentstehung Photosynthese 340; Pflanzenaufbau 341; Einflussgrößen auf die Pflanzenproduktion 341 (Strahlung 342, Wasser 342, Temperatur 342, Boden und Nährstoffe 343, Pflanzenbauliche Maßnahmen 343) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Räumliche Angebotscharakteristik 343; Zeitliche Angebotscharakteristik 343

18 Inhaltsverzeichnis XIX 9.2 Systemtechnische Beschreibung Biomassebereitstellung Thermo-chemische Umwandlung Grundlagen der Energiewandlung Biogene Festbrennstoffe Hackgut 352; Pellets 356; Scheite 357; Halmgutballen Verbrennung Systemelemente Brennstofflager 358; Lagerein- und -austrag 359 (Hackgut 359, Pellets 361, Halmgüter 361); Feuerungsanlagen 361 (Handbeschickte Feuerungsanlagen 362, Automatisch beschickte Feuerungsanlagen 367); Kessel 374; Stromerzeugung 375 (Dampfmotoren 376, Dampfturbinen 376, ORC-Prozesse 377, Stirling-Motoren 377, Zufeuerung 378); Emissionsminderung 378 (Entstaubung 378, Entstickung 381, HCl-Reduzierung 381); Ascheverwertung 382; Weitere Systemelemente 382 (Warmwasserbereitung 383, Wärmespeicher 383, Spitzenlastabdeckung 383, Wärmerückgewinnung 384, Nahwärmesysteme 386) Verbrennung Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Kleinfeuerungsanlage 387; Biomasseheizwerk/Nahwärmesystem 387; Industrielle Biomassefeuerung 389; Kraft-Wärme-Kopplung 390; Nutzung von Biomasse mit fossilen Energieträgern Verbrennung Energiewandlungskette und Verluste Vergasung Systemelemente Bereitstellung 395; Vergasungstechnik 395 (Festbettverfahren 396, Wirbelschichtverfahren 396, Sonderverfahren 398); Gasreinigungstechniken 398 (Kaltgasreinigung 399, Heißgasreinigung 399); Gasnutzungsmöglichkeiten 400 (Wärmebereitstellung 400, Stromerzeugung 400, Kraftstofferzeugung 401) Vergasung Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Nahwärmebereitstellung 403; Biomassevergasung zur Stromerzeugung 403; Bereitstellung flüssiger Kraftstoffe 404; Bereitstellung gasförmiger Kraftstoffe Vergasung Energiewandlungskette und Verluste Physikalisch-chemische Umwandlung Grundlagen der Energiewandlung Ölsaaten Systemelemente Ölgewinnung 410; Ölraffination 411; Umesterung 413; Nebenprodukte und Rückstände 413 (Stroh 414, Presskuchen und Extraktionsschrot 414, Glycerin 415); Nutzung als Kraftstoff 415 (Naturbelassenes Pflanzenöl

19 XX Inhaltsverzeichnis 415, Mischkraftstoff 416, Pflanzenölkraftstoff aus Mineralölraffinerien 417, Pflanzenölmethylester 417); Nutzung als Brennstoff Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Energiewandlungskette und Verluste Bio-chemische Umwandlung Grundlagen der Energiewandlung Alkoholische Gärung 420; Anaerober Abbau Bioethanol Ausgangsstoffe Bioethanol Systemelemente Substratvorbereitung 426; Fermentation 427; Destillation, Rektifikation und Absolutierung 427; Ethanol als Kraftstoff 429; Nebenprodukte und Rückstände 431 (Flüssiges Futtermittel 431, Festes Futtermittel 431, Düngemittel 432, Energiegewinnung 432) Bioethanol Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Ethanolproduktion im kleinen Maßstab 432; Großtechnische Ethanolproduktion aus stärkehaltigen Rohstoffen Bioethanol Energiewandlungskette und Verluste Biogas Substrate Biogas Systemelemente Substrathandling 437; Biogasgewinnung im Fermenter 438; Gärrestlagerung, -aufbereitung und -ausbringung 440; Biogasspeicherung und -aufbereitung 440; Biogasverwertung Biogas Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Landwirtschaftliche Substrate 442; Kommunalabfälle 442; Organisch belastete Abwässer Biogas Energiewandlungskette und Verluste Ökologische und ökonomische Analyse Wärme Referenzanlagen Kleinanlagen 446; Nahwärmesysteme Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse 449 (Kleinanlagen 450, Nahwärmesysteme 453); Weitere Umwelteffekte 458 (Biomassebereitstellung 458, Herstellung 459, Normalbetrieb 459, Störfall 462, Stilllegung 463) Ökonomische Analyse Kleinanlagen 463 (Investitionen 463, Betriebskosten 465, Wärmegestehungskosten 465); Nahwärmesysteme 467 (Investitionen 467, Betriebskosten 467, Wärmegestehungskosten 468) Wärme und Strom

20 Inhaltsverzeichnis XXI Referenzanlagen Heizkraftwerke 471; Biogasanlagen Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse 474 (Heizkraftwerke 474, Biogasanlagen 476); Weitere Umwelteffekte 478 (Herstellung 479, Normalbetrieb 479, Störfall 480, Stilllegung 480) Ökonomische Analyse Heizkraftwerke 480 (Investitionen 480, Betriebskosten 480, Stromgestehungskosten 481); Biogasanlagen 482 (Investitionen 482, Betriebskosten 483, Stromgestehungskosten 483) Kraftstoffe Referenzanlagen Rapsölmethylester 485; Bioethanol 485; Fischer- Tropsch(FT)-Diesel 486; Biomethan aus thermo-chemischen Prozessen 486; Biomethan aus bio-chemischen Prozessen Ökologische Analyse Lebenszyklusanalyse 487 (Rapsölmethylester 487, Bioethanol 489, Fischer-Tropsch(FT)-Diesel 491, Biomethan aus thermo-chemischen Prozessen 492, Biomethan aus bio-chemischen Prozessen 494); Weitere Umwelteffekte 496 (Herstellung 496, Normalbetrieb 496, Störfall 497, Stilllegung 499) Ökonomische Analyse Rapsölmethylester 499 (Investitionen 499, Betriebskosten 500, Kraftstoffgestehungskosten 500, Kosten pro Fahrzeugkilometer 500); Bioethanol 500 (Investitionen 501, Betriebskosten 501, Kraftstoffgestehungskosten 501, Kosten pro Fahrzeugkilometer 502); Fischer- Tropsch(FT)-Diesel 502 (Investitionen 503, Betriebskosten 503, Kraftstoffgestehungskosten 503, Kosten pro Fahrzeugkilometer 503); Biomethan aus thermo-chemischen Prozessen 503 (Investitionen 504, Betriebskosten 504, Kraftstoffgestehungskosten 505, Kosten pro Fahrzeugkilometer 505); Biomethan aus bio-chemischen Prozessen 506 (Investitionen 506, Betriebskosten 506, Kraftstoffgestehungskosten 506, Kosten pro Fahrzeugkilometer 507) 9.4 Potenziale und Nutzung Potenziale Theoretisches Potenzial Technisches Angebotspotenzial Rückstände, Nebenprodukte und Abfälle 511 (Forstwirtschaftliche Stoffströme 511, Landwirtschaftliche Stoffströme 513, Sonstige Stoffströme 516); Energiepflanzen 519 (Festbrennstoffe 520, Kraftstoffe 521, Biogas 522); Gesamtpotenzial Technisches Nachfragepotenzial Biogene Festbrennstoffe 525; Biokraftstoffe 525; Biogas 525; Zusammenfassung 526

21 XXII Inhaltsverzeichnis Nutzung Festbrennstoffe Kraftstoffe Biogas Zusammenfassender Vergleich und Ausblick Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Räumliche Angebotsvariationen 533 (Wasserkraft 533, Solarenergie 533, Windkraft 534, Umgebungswärme 534, Tiefe Erdwärme 534, Biomasse 535); Zeitliche Angebotsvariationen 535 (Wasserkraft 535, Solarenergie 536, Windkraft 536, Umgebungswärme 536, Tiefe Erdwärme 537, Biomasse 537) 10.2 Technische Analyse Bereitstellung elektrischer Energie Stromerzeugungscharakteristiken 537; Anlagenleistungen 539; Wirkungs- und Systemnutzungsgrade 541; Volllaststunden Bereitstellung thermischer Energie Wärmeerzeugungscharakteristik/Volllaststunden 543; Anlagenleistungen 543; Wirkungs- und Systemnutzungsgrade Bereitstellung von Kraftstoffen Ökologische und ökonomische Analyse Bereitstellung elektrischer Energie Referenzanlagen Ökologische Analyse Ökonomische Analyse Ökologische/ökonomische Analyse Bereitstellung thermischer Energie Referenzanlagen Ökologische Analyse Ökonomische Analyse Ökologische/ökonomische Analyse Bereitstellung von Kraftstoffen Referenzanlagen Ökologische Analyse Ökonomische Analyse Ökologische/ökonomische Analyse Potenziale und Nutzung Bereitstellung elektrischer Energie Theoretisches Potenzial Technisches Potenzial Technisches Angebotspotenzial 584; Technisches Nachfragepotenzial Nutzung Bereitstellung thermischer Energie Theoretisches Potenzial

22 Inhaltsverzeichnis XXIII Technisches Potenzial Technisches Angebotspotenzial 588; Technisches Nachfragepotenzial Nutzung Bereitstellung von Kraftstoffen Theoretisches Potenzial Technisches Potenzial Technisches Angebotspotenzial 592; Technisches Nachfragepotenzial Nutzung Gesamthafte Potenzialbetrachtung Technisches Angebotspotenzial Technisches Nachfragepotenzial Szenarienanalyse Szenariendefinition Bereitstellung elektrischer Energie Einzelbetrachtung 597 (Stromerzeugung aus Wasserkraft 597, Photovoltaische Stromerzeugung 599, Stromerzeugung aus Windenergie 600, Geothermische Stromerzeugung 600, Stromerzeugung aus Biomasse 601); Systembetrachtung Bereitstellung thermischer Energie Einzelbetrachtung 603 (Solarthermische Wärmegewinnung 603, Wärmegewinnung mit Wärmepumpen (Umgebungswärme) 604, Geothermische Wärmegewinnung 605, Wärmegewinnung aus Biomasse 606); Systembetrachtung Bereitstellung von Kraftstoffen Einzelbetrachtung 608; Systembetrachtung Gesamtes Energiesystem Literatur Sachwortverzeichnis

23 Zuordnung der Mitarbeiter 1 Einführung und Aufbau 1.1 Energiequellen und -ströme Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt 1.2 Energiesystem Österreich Kornelia Lippitsch, Sebastian Janczik, Wolfgang Streicher, Tomas Müller* 1.3 Aufbau und Vorgehen Martin Kaltschmitt, Wolfgang Streicher, Kornelia Lippitsch 1.4 Konventionelle Vergleichssysteme Kornelia Lippitsch, Jürgen Neubarth, Wolfgang Streicher, Gerd Schröder, Otto Pirker*, Stephan Oblasser*, Tomas Müller* 2 Stromerzeugung aus Wasserkraft 2.1 Grundlagen des regenerativen Energieangebots Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt, Kornelia Lippitsch, Otto Pirker*, Stephan Oblasser* 2.2 Systemtechnische Beschreibung Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt, Kornelia Lippitsch, Otto Pirker*, Stephan Oblasser* 2.3 Ökologische und ökonomische Analyse Kornelia Lippitsch, Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt, Gerd Schröder, Otto Pirker*, Stephan Oblasser* 2.4 Potenziale und Nutzung Kornelia Lippitsch, Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt, Otto Pirker*, Stephan Oblasser* 3 Passive Sonnenenergienutzung 3.1 Grundlagen des regenerativen Energieangebots Wolfgang Streicher, Dorit Baumann, Martin Kaltschmitt, Tomas Müller*, Katharina Hochmair* 3.2 Systemtechnische Beschreibung Wolfgang Streicher, Tomas Müller* 3.3 Potenziale und Nutzung Dorit Baumann, Wolfgang Streicher, Tomas Müller* 4 Solarthermische Wärmenutzung 4.1 Grundlagen des regenerativen Energieangebots Wolfgang Streicher, Dorit Baumann, Martin Kaltschmitt, Tomas Müller*, Katharina Hochmair*

24 Zuordnung der Mitarbeiter XXV 4.2 Systemtechnische Beschreibung Wolfgang Streicher, Tomas Müller*, Katharina Hochmair* 4.3 Ökologische und ökonomische Analyse Dorit Baumann, Wolfgang Streicher, Kornelia Lippitsch, Gerd Schröder, Tomas Müller*, Katharina Hochmair* 4.4 Potenziale und Nutzung Dorit Baumann, Wolfgang Streicher, Kornelia Lippitsch, Tomas Müller*, Katharina Hochmair* 5 Photovoltaische Stromerzeugung 5.1 Grundlagen des regenerativen Energieangebots Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt, Kornelia Lippitsch, Heinrich Wilk 5.2 Systemtechnische Beschreibung Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt, Kornelia Lippitsch, Sebastian Janczik, Heinrich Wilk 5.3 Ökologische und ökonomische Analyse Kornelia Lippitsch, Martin Kaltschmitt, Gerd Schröder, Sebastian Janczik, Heinrich Wilk 5.4 Potenziale und Nutzung Kornelia Lippitsch, Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt, Heinrich Wilk 6 Stromerzeugung aus Windenergie 6.1 Grundlagen des regenerativen Energieangebots Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt, Kornelia Lippitsch, Herbert Popelka*, Stefan Hantsch*, Roman Igelspacher*, Johann Wachtler*, Gerhard Christiner* 6.2 Systemtechnische Beschreibung Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt, Kornelia Lippitsch, Herbert Popelka, Stefan Hantsch*, Roman Igelspacher*, Johann Wachtler*, Gerhard Christiner* 6.3 Ökologische und ökonomische Analyse Kornelia Lippitsch, Martin Kaltschmitt, Gerd Schröder, Herbert Popelka*, Stefan Hantsch*, Roman Igelspacher*, Johann Wachtler*, Gerhard Christiner* 6.4 Potenziale und Nutzung Kornelia Lippitsch, Jürgen Neubarth, Martin Kaltschmitt, Herbert Popelka*, Stefan Hantsch*, Roman Igelspacher*, Johann Wachtler*, Gerhard Christiner* 7 Nutzung von Umgebungswärme 7.1 Grundlagen des regenerativen Energieangebots Wolfgang Streicher, Dorit Baumann, Martin Kaltschmitt, Tomas Müller* 7.2 Systemtechnische Beschreibung Wolfgang Streicher, Dorit Baumann, Jürgen Neubarth, Tomas Müller* 7.3 Ökonomische und ökologische Analyse Dorit Baumann, Wolfgang Streicher, Kornelia Lippitsch, Gerd Schröder, Martin Kaltschmitt, Tomas Müller* 7.4 Potenziale und Nutzung Dorit Baumann, Wolfgang Streicher, Kornelia Lippitsch, Tomas Müller*

25 XXVI Zuordnung der Mitarbeiter 8 Nutzung der tiefen Erdwärme 8.1 Grundlagen des regenerativen Energieangebots Martin Kaltschmitt, Johann Goldbrunner* 8.2 Systemtechnische Beschreibung Martin Kaltschmitt, Sebastian Janczik, Johann Goldbrunner* 8.3 Ökologische und ökonomische Analyse Kornelia Lippitsch, Sebastian Janczik, Gerd Schröder, Martin Kaltschmitt, Johann Goldbrunner* 8.4 Potenziale und Nutzung Kornelia Lippitsch, Sebastian Janczik, Martin Kaltschmitt, Johann Goldbrunner* 9 Energie aus Biomasse 9.1 Grundlagen des regenerativen Energieangebots Martin Kaltschmitt, Verena Mohrig, Hermann Hofbauer*, Manfred Wörgetter*, Rudolf Braun* 9.2 Systemtechnische Beschreibung Verena Mohrig, Martin Kaltschmitt, Franziska Müller-Langer, Jürgen Neubarth, Hermann Hofbauer, Manfred Wörgetter*, Rudolf Braun* 9.3 Ökologische und ökonomische Analyse Kathrin Schult, Kornelia Lippitsch, Gerd Schröder, Franziska Müller-Langer, Sebastian Janczik, Martin Kaltschmitt, Hermann Hofbauer*, Manfred Wörgetter*, Rudolf Braun* 9.4 Potenziale und Nutzung Kathrin Schult, Martin Kaltschmitt, Hermann Hofbauer*, Manfred Wörgetter*, Rudolf Braun* 10 Zusammenfassender Vergleich und Ausblick 10.1 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Martin Kaltschmitt, Anne Scheuermann 10.2 Technische Analyse Martin Kaltschmitt, Anne Scheuermann, Jürgen Neubarth 10.3 Ökologische und ökonomische Analyse Anne Scheuermann, Martin Kaltschmitt, Wolfgang Streicher 10.4 Potenziale und Nutzung Anne Scheuermann, Martin Kaltschmitt 10.5 Szenarienanalyse Anne Scheuermann, Martin Kaltschmitt *Unterstützung bei der Erarbeitung der Inhalte