Vorwort. Volker Quaschning. Regenerative Energiesysteme. Technologie - Berechnung - Simulation ISBN:

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1 Vorwort Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Technologie - Berechnung - imulation IBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 Vorwort Die zunehmende Umweltzerstörung wird in Umfragen stets unter den ersten in der Zukunft zu lösenden Problemen genannt. Zahlreiche Folgen wie der Treibhauseffekt oder das Waldsterben gelten neben anderen Erscheinungen als Auswirkungen der heutigen Energieversorgung. Verschiedene erneuerbare Energieträger ermöglichen dagegen, unseren Energiebedarf mit deutlich weniger Eingriffen in Natur und Umwelt zu decken. Dieses Fachbuch ist in erster Linie für tudierende, Personen im Forschungsbereich oder andere technisch Interessierte gedacht. Neben der Beschreibung der Technologie von wichtigen erneuerbaren Energiesystemen werden Berechnungs- und imulationsmöglichkeiten dargestellt. Der chwerpunkt liegt dabei auf Technologien mit einem großen Entwicklungspotenzial wie olarthermie, Photovoltaik und Windenergie. Beschäftigt man sich mit der Thematik der erneuerbaren Energien, ist es nahezu unmöglich, die Fragen der Technik von Problemen der heutigen Energieversorgung und von gesellschaftspolitischen Hintergründen zu trennen. Es muss somit an dieser telle immer ein Kompromiss für die Darstellung der Thematik gefunden werden. Für ein Fachbuch mit technischem chwerpunkt besteht die Verpflichtung, sich sachlich neutral mit den Technologien zu beschäftigen. Der subjektive Einfluss des Autors lässt sich hierbei jedoch niemals vollständig vermeiden. Bereits durch die Themenwahl, die Präsentation von Daten oder gerade die nicht behandelten Themen werden Meinungen geprägt. Aus diesen Gründen wird bei diesem Buch bewusst darauf verzichtet, technologische Aspekte von auftretenden Problemen und dem gesellschaftspolitischen Hintergrund zu trennen. Vielmehr gehört es auch zu den Aufgaben der Ingenieurwissenschaften, sich mit den Folgen der Nutzung der entwickelten Technologie auseinanderzusetzen. In Technikerkreisen wird oft die weit verbreitete Meinung geäußert, dass die Technik an sich eigentlich keine negativen Folgen verursachen kann. Nur der Einsatz spezieller Technologien führe zu negativen Effekten. Es ist jedoch der Menschheit gegenüber unverantwortlich, sich für technische Innovationen nur um der Technik Willen zu interessieren. Oftmals sind die Auswirkungen neuer oder auch schon lange bekannter Technologien nur schwer einzuschätzen. Gerade aus diesem Grund besteht für alle, die an der Entwicklung und Nutzung einer Technik beteiligt sind, die Verpflichtung, negative Folgen kritisch einzuschätzen und vor möglichen chäden rechtzeitig zu warnen. Um dieser Verpflichtung gerecht zu werden, versucht dieses Buch neben einer sachlichen Darstellung der Fakten stets auch auf mögliche schädliche Konsequenzen hinzuweisen. Nach meiner Erfahrung im Ausbildungsbereich beschäftigt sich ein Großteil der Personen, die ein Interesse für Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien zeigen, be-

3 6 Vorwort wusst auch mit den Fragen der Folgen herkömmlicher Technologien. Eine Verknüpfung von technischen mit gesellschaftspolitischen Inhalten wird meist ausdrücklich gewünscht. Aus diesem Grund werden in diesem Buch nicht nur Fragen der Technologie, sondern im ersten und elften Kapitel auch Probleme der Energiewirtschaft bewusst angesprochen. Hierbei wird Wert darauf gelegt, die Aussagen stets mit aktuellem Zahlenmaterial objektiv zu untermauern. Ziel ist es, Aspekte und Fakten zu liefern, mit denen sich die Leserinnen und Leser ihr eigenes Urteil bilden können. Andiesertelledankeichallen, die mit inhaltlichen undgestalterischenanregungenzum Entstehen dieses Buches beigetragen haben. Besonders motiviert haben mich auch die zahlreichen Gespräche und Diskussionen während der Erstellung des Buches. ie haben mir gezeigt, dass es sich gerade bei den über die technischen Probleme hinausgehenden Fragestellungen um wichtige Themen handelt, die oft ignoriert werden, denn sie stellen nicht selten unsere bisherige Handlungsweise in Frage. Eine Lösung ist schwierig, kann aber dennoch gefunden werden. Hierzu sind konstruktive Diskussionen ein erster chritt, und ich hoffe, dass dieses Buch einen Beitrag hierzu leisten wird. Berlin, im Januar 1998 Volker Quaschning Vorwort zur siebten Auflage Das große Interesse für die ersten Auflagen dieses zum tandardlehrbuch gewordenen Fachbuchs und die positive Resonanz haben gezeigt, dass sich das Themengebiet der regenerativen Energien in einem großen Aufschwung befindet und dass vor allem auch die in diesem Buch gewählte Verknüpfung von Technik, imulation und kritischen Fragestellungen von den Leserinnen und Lesern gewünscht wird. Das Unglück in Fukushima hat uns auf bedrückende Weise gezeigt, dass dringend ein Wechsel in unserer Energieversorgung erfolgen muss. Die in diesem Buch beschriebenen Technologien und Möglichkeiten liefern die Basis für eine nachhaltige, vollständig regenerative Versorgung. Die dritte Auflage dieses Buchs ist unter dem Titel Understanding Renewable Energy ystems auch auf Englisch im Earthscan Verlag erschienen und wurde außerdem ins Arabische übersetzt. Diese siebte Auflage wurde erneut vollständig aktualisiert und geringfügig ergänzt. Die DVD zum Buch enthält sämtliche farbigen Abbildungen sowie eine umfangreiche ammlung an imulationsprogrammen aus dem Bereich der regenerativen Energien. Trotz sorgfältiger Prüfung lassen sich kleinere Fehler und Unstimmigkeiten in einem Fachbuch nur selten völlig vermeiden. Ein besonderer Dank gilt deshalb allen, die mit einer entsprechenden Mitteilung dazu beigetragen haben, diese zu beseitigen. Nicht zuletzt möchte ich meiner Familie, Freunden und Kollegen für die Unterstützung bei der Erstellung des Buches danken. Ein besonderer Dank gilt dem Carl Hanser Verlag und seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern für die sehr gute Zusammenarbeit der letzten Jahre. Berlin, im Juli 011 Prof. Dr. Volker Quaschning Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin

4 Leseprobe Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Technologie - Berechnung - imulation IBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

5 onnenstrahlung.1 Einleitung Die onne ist die mit Abstand größte regenerative Energiequelle. Erdwärme und die Planetenanziehung sind, wie im vorigen Kapitel bereits erläutert, im Vergleich zur Energie der onne unbedeutend. Die onnenstrahlung kann direkt durch solarthermische oder photovoltaische Anlagen genutzt werden. Auch die Windkraft und Wasserkraft basieren letztendlich auf der Energie der onne und können auch als indirekte onnenenergie bezeichnet werden. Da die genaue Kenntnis der onnenstrahlung für die Berechnung und imulation vieler regenerativer Energiesysteme von Bedeutung ist, ist dieses Kapitel dem Themengebiet olarstrahlung gewidmet. Es umfasst hauptsächlich Berechnungen aus dem Bereich der Photometrie. Die wichtigsten photometrischen Größen sind in Tabelle.1 dargestellt, wobei bei der Nutzung der onnenenergie hauptsächlich die strahlungsphysikalischen Größen von Bedeutung sind. Die lichttechnischen Größen beziehen sich lediglich auf den sichtbaren Anteil des Lichtes, wohingegen olaranlagen auch den nicht sichtbaren ultravioletten und infraroten Anteil ausnutzen können. Bei zahlreichen der folgenden Berechnungen werden physikalische Naturkonstanten benötigt, die im Anhang zusammenfassend dargestellt sind. Tabelle.1 Wichtige strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen [DIN5031] trahlungsphysikalische Größen Name Formelzeichen Lichttechnische Größen Einheit Name Formelzeichen trahlungsenergie Q e Ws Lichtmenge Q v lm s trahlungsleistung Φ e W Lichtstrom Φ v lm Einheit spezif. Ausstrahlung M e W/m² spez. Lichtausstrahlung M v lm/m² trahlstärke I e W/sr Lichtstärke I v cd = lm/sr trahldichte L e W/(m² sr) Leuchtdichte L v cd/m² Bestrahlungsstärke E e W/m² Beleuchtungsstärke E v lx = lm/m² Bestrahlung H e Ws/m² Belichtung H v lx s Einheiten: W = Watt; m = Meter; s = ekunde; sr = teradiant; lm = Lumen; lx = Lux; cd = Candela

6 . Der Fusionsreaktor onne 51. Der Fusionsreaktor onne Die onne ist der Zentralkörper unseres onnensystems. Es wird angenommen, dass sie bereits seit 5 Milliarden Jahren mit ihrer jetzigen Helligkeit strahlt, und ihre weitere Lebensdauer dürfte noch einmal in der gleichen Größenordnung liegen. Die onne besteht zu etwa 80 % aus Wasserstoff, zu 0 % aus Helium und nur zu 0,1 % aus anderen Elementen. Tabelle. enthält die wichtigsten Daten der onne im Vergleich zur Erde. Tabelle. Daten von onne und Erde onne Erde Verhältnis Durchmesser km km 1 : 109 Umfang km km 1 : 109 Oberfläche 6, km² 5, km² 1 : Volumen 1, km³ 1, km³ 1 : Masse 1, kg 5, kg 1 : Mittlere Dichte 1,409 g/cm³ 5,516 g/cm³ 1 : 0,6 chwerebeschleunigung (Oberfläche) 74,0 m/s² 9,81 m/s² 1 : 8 Oberflächentemperatur K 88 K 1 : 367 Mittelpunkttemperatur K K 1 : 00 Die trahlungsleistung der onne stammt aus Kernfusionsprozessen. Hierbei werden über verschiedene Zwischenreaktionen vier Wasserstoffkerne (Protonen 1 p) zu einem Heliumkern (Alphateilchen 4 α) verschmolzen, der aus zwei Neutronen 1 n und zwei positiv geladenen Protonen 1 p besteht. Dabei werden zwei Positronen e + und zwei Neutrinos ν e erzeugt. Die Gleichung der Bruttoreaktion, die in Bild.1 illustriert ist, lautet somit: p α + e + ν + ΔE. (.1) 1 e Alphateilchen + e + e + v e v e +Energie Proton Neutron e + Positron v e Neutrino Bild.1 Fusion von vier Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern (Alphateilchen) Werden die Massen der atomaren Bauteile vor und nach der Reaktion gegenübergestellt, lässt sich feststellen, dass die Gesamtmasse nach der Reaktion abgenommen hat. Die entsprechenden Teilchenmassen können aus Tabelle.3 entnommen werden. Die Massendifferenz Δm berechnet sich über ) Δm = 4 m( p) m( α) m(e zu Δm = 4 1, u 4, u 0, u = 0, u. (.)

7 5 onnenstrahlung Tabelle.3 Verschiedene Teilchen- und Nuklidmassen (1 u = 1, kg) Teilchen bzw. Nuklid Masse Teilchen bzw. Nuklid Masse Elektron (e ) 0, u Wasserstoff (1H) 1, u Proton (1p) 1, u Helium (4He) 4, u Neutron (1n) 1, u Alphateilchen (4α) 4, u Bei dieser Rechnung wurde die Masse der Neutrinos ν e vernachlässigt. Die Masse eines Positrons e + entspricht der eines Elektrons e. Die Gesamtmasse aller nach der Fusion entstandenen Teilchen ist somit geringer als die umme aller an der Fusion beteiligen Teilchen vor der Reaktion. Der Massedefekt Δm erklärt sich durch die Umwandlung von Δm in frei werdende Energie ΔE, wobei ΔE über die Beziehung ΔE = Δm c (.3) berechnet werden kann. Mit c =, m/s ergibt sich die bei einer Fusion freigesetzte Energie zu ΔE = 3, J = 4,687 MeV. Die unterschiedlichen Massen und die damit verbundene Energiedifferenz lassen sich über die so genannte Bindungsenergie E b eines Kerns N+Z K erklären. Ein Atomkern besteht aus N Neutronen 1 n und Z Protonen 1 p. Beim Zusammenbau des Atomkerns aus Protonen und Neutronen muss, damit ein stabiler Kern entsteht, dessen Bindungsenergie frei werden. Die Bindungsenergie eines Heliumkerns kann aus der Massendifferenz zwischen dem Alphateilchen und zwei Neutronen plus zwei Protonen ermittelt werden. Bei der obigen Betrachtung wurden die Elektronen in der Atomhülle jeweils vernachlässigt und nur die Atomkerne betrachtet. Bei einem Wasserstoffatom 1 H befinden sich ein Elektron, bei einem Heliumatom 4 He zwei Elektronen in der Hülle. Zwei der vier Elektronen der Wasserstoffatome finden sich im Heliumatom wieder. Die anderen beiden Elektronen annihilieren mit den Positronen, das heißt, die zwei Elektronen und die zwei Positronen werden in trahlungsenergie umgewandelt. Diese trahlungsenergie entspricht also dem Vierfachen der Masse eines Elektrons beziehungsweise der trahlungsenergie von,044mev. Insgesamt wird also bei der Fusionsreaktion die Gesamtenergie von 6,731 MeV freigesetzt. Diese kleine Energiemenge ist an sich noch nicht aufsehenerregend. Doch durch die große Zahl von verschmelzenden Kernen summiert sich die dabei in jeder ekunde frei werdende Energie zu der großen umme von 3, Ws. Pro ekunde verliert die onne 4,3 Millionen Tonnen an Masse ( Δ m& = 4, kg/s). Hieraus ergibt sich die trahlungsleistung Φ e, der onne: 6 Φ = Δm& c = 3, W. (.4) e, Wird dieser Wert durch die onnenoberfläche A onne dividiert, ergibt sich die spezifische Ausstrahlung der onne: Φe, MW M e, = = 63, 3. (.5) A m² onne Jeder Quadratmeter der onnenoberfläche gibt die trahlungsleistung von 63,3 MW ab. Ein Viertel Quadratkilometer der onnenoberfläche strahlt im Jahr mit rund500ej so viel

8 . Der Fusionsreaktor onne 53 Energie ab, dass diese Menge dem aktuellen Primärenergiebedarf der ganzen Erde entspricht. Von dieser Energie erreicht jedoch nur ein geringer Teil die Erde. Man kann die onne idealerweise als schwarzen Körper betrachten. omit lässt sich über das tefan-boltzmann-gesetz M ( = σ T e T) 4 (.6) die Oberflächentemperatur der onne (T onne ) bestimmen. Mit der tefan-boltzmann- Konstanten σ = 5, W/(m K 4 ) ergibt sich M 4 e, T onne = = 5777 K. (.7) σ Wird eine Hüllkugel mit einem Radius, der dem mittleren Abstand vom Erd- zum onnenmittelpunkt (r E = 1, km) entspricht, um die onne gebildet, tritt durch die Oberfläche A E der Hüllkugel die gleiche Gesamtstrahlungsleistung wie durch die onnenoberfläche A (Bild.). Die auf einen Quadratmeter bezogene spezifische Ausstrahlung M e, der onne ist jedoch deutlich größer als die Bestrahlungsstärke E e auf der Hüllkugel. Erde r E A E Neben der gesamten Bestrahlungsstärke, die auf die Erde trifft, ist auch die spektrale Zusammensetzung der onnenstrahlung für die Nutzung der olarenergie von großer Ber A onne Bild. Durch die Kugeloberfläche mit dem Radius r E tritt die gleiche trahlungsleistung wie durch die onnenoberfläche = π berechnet sich schließ- Über M e, A = E e A E sowie durch Einsetzen von lich die Bestrahlungsstärke E e zu E A r AE 4 r E e = Me, = Me,. (.8) AE re ie entspricht der extraterrestrischen Bestrahlungsstärke der Erde, die sich auf der Hüllkugel befindet. Da der Abstand zwischen onne und Erde nicht konstant ist, sondern sich im Verlauf eines Jahres zwischen 1, km und 1, km bewegt, schwankt die Bestrahlungsstärke E e zwischen 131 W/m² und 141 W/m². Der Mittelwert wird als olarkonstante E 0 bezeichnet und beträgt W E 0 = , 8 ± 0, 5. (.9) m Dieser Wert kann außerhalb der Erdatmosphäre auf einer Fläche senkrecht zur onneneinstrahlung gemessen werden [Kop11]. Die chwankung im Verlauf des Jahres in Abhängigkeit vom Tag des Jahres J lässt sich wie folgt angeben: ( 1 + 0,0334 cos( 0,017 0, )) E J) = E (.10) 0( 0 J

9 54 onnenstrahlung deutung. Die onnenstrahlung wird durch Photonen verschiedener Wellenlänge λ übertragen. Im Wellenlängenbereich von 380 bis 780 nm beziehungsweise 0,38 bis 0,78 µm ist die trahlung für den Menschen sichtbar. Tabelle.4 zeigt die zu verschiedenen Wellenlängen gehörenden Farben an. Tabelle.4 Wellenlängen verschiedener Farbtöne Farbton Wellenlänge in nm Farbton Wellenlänge in nm Ultraviolett <380 Gelbgrün Purpurblau (Violett) Grünlichgelb Blau Gelb Grünlichblau Gelblichorange Cyan (Blaugrün) Orange Bläulichgrün Rötlichorange Grün Rot Gelblichgrün Infrarot >780 1 µm = 1000 nm, 1 nm = 0,001 µm Die onne kann näherungsweise als schwarzer Körper betrachtet werden, dessen Temperatur der onnenoberflächentemperatur von 5777 K entspricht. Die von der Wellenlänge λ abhängige spektrale trahldichte L e,λ eines schwarzen Körpers für eine absolute Temperatur T lässt sich nach Planck über L e,λ c1 1 = 5 λ c exp λ T berechnen. Hierbei sind 1 Ω 1 0 (.11) 16 h c c = h c = 1, Wm² (.1) und c = = 1, mk. (.13) k 1 Ω 0 = 1 sr wird nur zur Korrektur der Einheitenbilanz benötigt, wobei teradiant sr die Einheit des Raumwinkels ist. trahlt ein Körper gleichmäßig in alle Richtungen des Raumes ab, berechnet sich daraus die von der Wellenlänge λ abhängige spektrale spezifische Ausstrahlung M e,λ und die spektrale Bestrahlungsstärke E e, λ M e,λ = π L e,λ re re r r =. (.14) Die zuvor bestimmte Bestrahlungsstärke E e ergibt sich aus der Integration der von der Wellenlänge abhängigen spektralen Bestrahlungsstärke E e,λ : E e = Ee,λdλ. (.15) In der Realität lässt sich eine geringfügige Abweichung des pektrums zum idealen Verlauf eines schwarzen Körpers messen (Bild.3). Das reale pektrum außerhalb der Erdatmosphäre trägt die Bezeichnung pektrum AM0. Bei diesem so genannten extrater-