Elektrische Energieversorgung 2

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Cathrin Nicole Küchler
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1 Valentin Crastan Elektrische Energieversorgung 2 Energiewirtschaft und Klimaschutz Elektrizitätswirtschaft, Liberalisierung Kraftwerktechnik und alternative Stromversorgung, chemische Energiespeicherung 3., bearbeitete Auflage 4y Springer

Liberalisierung Kraftwerktechnik und alternative

2 Teil I Energiewirtschaft, Elektrizitätswirtschaft 1 Energiewirtschaft und Klimaschutz Grundbegriffe, geschichtlicher Rückblick Energiesektor Nutzprozesse Geschichtlicher Rückblick Perspektiven und Probleme Verfügbarkeit der Primärenergie Nicht erneuerbare Energien Erneuerbare Energien Potential und Nutzung der wichtigsten Solarenergiearten Ökologische Probleme Energiebedarf, CO2-Emissionen, Indikatoren Allgemeines Endenergie und Verluste des Energiesektors Weltweiter Primärenergiebedarf, Energiesektor CO2- Emissionen und Indikatoren Energieverbrauch und CO2 -Emissionen in Europa Bevölkerung und Bruttoinlandsprodukt Energieverbrauch pro Kopf Energieintensität und CO2-Emissionen Endenergie und Verluste des Energiesektors in der EU Länder mit mehr als 30 Mio. Einwohner Weltweiter Energieverbrauch Energieverbrauch in der Vergangenheit Energieverbrauch, Bevölkerung und BIP in Primär- und Endenergie und ihre Verteilung

2.4 Ökologische Probleme 19 1.3 Energiebedarf, CO2-Emissionen, Indikatoren 21 1.3.1 Allgemeines 21 1.3.2 Endenergie und Verluste des Energiesektors 21 1.3.3 Weltweiter Primärenergiebedarf, Energiesektor 22 1.

3 1.6 Zukünftige Entwicklung des Weltenergiebedarfs Entwicklung der Weltbevölkerung Zunahme des BIP (KKP) und Energienachfrage (IEA-Szenarien: WEO 2006, 450-Szenario) CO2-Emissionen und Klimaschutz Weltweite Entwicklung der CC>2-Emissionen, IEA-Szenarien Klimaschutz, mittel-und langfristige Maßnahmen Elektrizitätsverbrauch und Klimaschutz Transportbereich Wärmebereich 58 Wirtschaftlichkeitsberechnungen Investitionsrechnung, Diskontierungsverfahren Kapitalwertmethode Annuitätsmethode Kosten der Energie Kosten der elektrischen Energie Spezifische Energiekosten an den Kraftwerksklemmen Spezifische Jahreskosten der Kraftwerke Kosten der elektrischen Energie am Verbraucher Einfluss der Einspeisung von Windenergie 68 Elektrizitätswirtschaft, Liberalisierung Verbrauch elektrischer Energie Struktur des Energieverbrauchs Schwankungen des Energiebedarfs Deckung des Elektrizitätsbedarfs Kraftwerkarten Kraftwerkeinsatz Wasserspeicherung Energieaustausch Wasserkraftwerke Thermische Kraftwerke Wettbewerb im Elektrizitätssektor Einführung, Grundpfeiler des Wettbewerbs und Probleme Reorganisationsmodelle Privatisierung, Regulierung der Monopole Konsequenzen der Marktöffnung Strompreisgestaltung (Prof. Dipl.-Ing. Michael Höckel) Verteilung der Selbstkosten Stromtarife 101

7.4 Transportbereich 57 1.7.5 Wärmebereich 58 Wirtschaftlichkeitsberechnungen 59 2.1 Investitionsrechnung, Diskontierungsverfahren 60 2.1.1 Kapitalwertmethode 60 2.1.2 Annuitätsmethode 62 2.

4 xv 3.7 Schweizer Variante der Liberalisierung (Nikiaus Vontobel) Argumente für Wettbewerb im Elektrizitätssektor Voraussetzung für einen funktionierenden Elektrizitätsmarkt Schweizer Spielart der Liberalisierung Funktionsweise liberalisierter Elektrizitätsmärkte (Prof. Dr.-Ing. Jochen Kreusel) Motivation für Privatisierung und Liberalisierung Der Aufbau wettbewerblich organisierter Elektrizitätsmärkte Dienstleistungsmarkt Wettbewerbsmarkt Besonderheiten internationaler Realisierungen liberalisierter Elektrizitätsmärkte Erfahrungen in liberalisierten Märkten Ausblick auf Anforderungen in Elektrizitätsversorgungssystemen mit sehr hohem Anteil erneuerbarer Energiequellen - Smart Grids in liberalisierten Märkten Risikomanagement in der Elektrizitätswirtschaft (Dipl.-Ing. Thomas Putzi) Anforderung an die Unternehmensführung Enterprise Risk-Management (Theorie) Enterprise Risk Management (Praxis) (Prof. Dipl.-Ing. Michael Höckel) 232 Teil II Kraftwerktechnik, Energieumwandlung 4 Wasserkraftwerke Hydrologische Planungsgrundlagen Laufkraftwerke Wasserbewirtschaftung Ausführung Auslegung Speicherkraftwerke Tages- und Wochenspeicherwerke Jahresspeicherwerke (Saisonspeicherwerke) Pumpspeicherung Wasserturbinen Pelton-Turbine Reaktionsturbinen Turbinenwahl Kleinwasserkraftwerke Dynamik Druckstollen Wasserschloss 286

8.2 Der Aufbau wettbewerblich organisierter Elektrizitätsmärkte 140 3.8.3 Dienstleistungsmarkt 146 3.8.4 Wettbewerbsmarkt 158 3.8.5 Besonderheiten internationaler Realisierungen liberalisierter Elektrizitätsmärkte 177 3.

5 xvi Inhalt Starre Druckleitung Gesamtmodell des hydraulischen Systems Elastischer Druckstoß Gesamtmodell des hydraulischen Systems mit Elastizität Wasserturbinen- und Wasserkraftwerk-Modell Thermische Kraftwerke, Wärmepumpe Dampfkraftprozess Rankine- und Clausius-Rankine-Kreisprozess Zwischenüberhitzung und Speisewasservorwärmung Gasturbinenprozess Einfacher offener Gasturbinenprozess (Joule-Prozess) Rekuperation Carnotisierung Kombiprozesse Wärme-Kraft-Kopplung Entnahme-Kondensationsschaltung Gegendruckanlage Gasturbinen Blockheizkraftwerke Wärme-Kraft-Kopplung und CO 2 -Produktion Fossilgefeuerte Dampfkraftwerke Luft-Brennstoff-Rauchgas/Asche-Kreislauf Wasser-Dampf-Kreislauf, Verluste Kühlwasserkreislauf Blockregelung Dynamik Kernkraftwerke Energiegewinnung durch Kernspaltung Reaktorkonzepte Dampfkreisprozess und Regelung Reaktorsicherheit und Brennstoffkreislauf Risiken der Kernkraft Wirkung der Radioaktivität Kraftwerke mit kombiniertem Gas- und Dampfprozess GUD-Kraftwerke GUD-Kraftwerke mit Zusatzfeuerung im Abhitzekessel Verbundkraftwerke Kombikraftwerk mit nachgeschaltetem atmosphärischem Dampferzeuger Kraftwerke mit Kohleumwandlung unter Druck Dynamisches Verhalten 354

2.2 Rekuperation 312 5.2.3 Carnotisierung 313 5.3 Kombiprozesse 314 5.4 Wärme-Kraft-Kopplung 317 5.4.1 Entnahme-Kondensationsschaltung 317 5.4.2 Gegendruckanlage 319 5.4.3 Gasturbinen 320 5.4.4 Blockheizkraftwerke 321 5.

6 xvii 5.8 Kraftwerksleittechnik Entwicklung Aufbau Ausblick Die Wärmepumpe Energiewirtschaftliche Bedeutung Prinzip und Aufbau Einsatz 369 Teil III Alternative Stromerzeugung, chemische Energiespeicher 6 Windkraftwerke Die kinetische Energie des Windes Theoretische Windleistung Windgeschwindigkeit ' Energieangebot Die Weibull-Verteilung Windradtypen und ihre Leistung Horizontalachsige Windrotoren Theorie von Betz Tragflügeltheorie Moderne horizontalachsige Windturbinen Andere Windradtypen Der Darrieus-Rotor Der Savoniusrotor Betrieb und Regelung, Auslegung Leistung und Betriebsarten Leistungsregelung Netzbetrieb Inselbetrieb Photovoltaik Physikalische Grundlagen, photoelektrischer Effekt Photoleitung Der P-N-Übergang Photovoltaischer Effekt, Photostrom Solarzelle, Gesamtwirkungsgrad Kennlinie und Ersatzschema Leerlaufspannung Füllfaktor Gesamtwirkungsgrad Möglichkeiten zur Wirkungsgradverbesserung Solarzellentypen Die Sonne als Energiequelle Extraterrestrische Strahlungsintensität Scheinbare Sonnenbewegung relativ zur Erde 424

2 Windradtypen und ihre Leistung 380 6.3 Horizontalachsige Windrotoren 383 6.3.1 Theorie von Betz 383 6.3.2 Tragflügeltheorie 385 6.4 Moderne horizontalachsige Windturbinen 387 6.

7 ii Inhalt Berechnung des Sonnenstands Berechnung der Strahlungsintensität Strahlungsenergie pro Tag Wirkung der Atmosphäre Strahlungsintensität mit Atmosphäre Systemtechnik Solarmodule und Solargeneratoren Inselsysteme Netzgekoppelte PV-Anlagen Wechselrichter Modellierung der Solarmodule 440 Brennstoffzellen Aufbau und Typen Prinzip und Modell Elektrochemische Grundlagen Lineares Modell Brennstoffzellen für stationäre Anwendungen Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) Keramik-Brennstoffzelle (SOFC) Systemtechnik Brennstoffzellen für mobile Anwendungen (Prof, Dipl.-Ing. Michael Höckel) Alkalische Brennstoffzellen (AFC) PEM-Brennstoffzellen (PEFC) PEM - Brennstoffzellensysteme 459 Chemische Energiespeicher (Prof. Dipl.-Ing. Michael Höckel/Prof. Dr.-Ing. Andrea Vezzini) Funktionsweise eines elektrochemischen Energiewandlers (Prof. Dipl.-Ing. Michael Höckel) Akkumulatortypen und ihre Einsatzbereiche (Prof. Dipl.-Ing. Michael Höckel) Blei-Säure-Akkumulatoren Nickelmetallhydrid-Akkumulatoren Natrium-Nickelchlorid-Akkumulatoren Lithiumionen-Akkumulatoren (Prof. Dr.-Ing. Andrea Vezzini) Einleitung Grundlagen der Lithiumionen-Technologie Kennwerte der Lithiumionen-Technologie Lebensdauer Betriebsparameter 482 / Sicherheit Zusammenfassung 487

1 Aufbau und Typen 445 8.2 Prinzip und Modell 447 8.2.1 Elektrochemische Grundlagen 447 8.2.2 Lineares Modell 449 8.3 Brennstoffzellen für stationäre Anwendungen 451 8.3.1 Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) 451 8.

8 xix 10 Kernfusion Grundlagen des Fusionsprozesses Fusionsreaktionen Energieverteilung Der Fusionsreaktor Prinzip des (d,t)-fusionsreaktors Energiebilanz des Plasmas Das Einschlussproblem Stand und Perspektiven der Kernfusion Internationales Forschungsprogramm Kernfusion Vorzüge der Fusion und technologische Probleme 501 Anhang A Thermodynamik 503 Anhang B Kernphysikalische Grundlagen 519 Anhang C Energiewirtschaft der Schweiz, vergangene Entwicklung, Stand 2007 und Szenario Anhang D Energieverbrauch und CO2 -Emissionen 2007 der sechs größten Länder Europas 543 Anhang E Gamma-Funktion 551 Anhang F Lösung der Aufgaben 553 Anhang G Mollier-Diagramm, Kältemittel 559 Literatur 563 Sachverzeichnis 571

A Thermodynamik 503 Anhang B Kernphysikalische Grundlagen 519 Anhang C Energiewirtschaft der Schweiz, vergangene Entwicklung, Stand 2007 und Szenario 2030 531 Anhang D Energieverbrauch und CO2

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