Teubner Studienbücher Chemie. A. Wokaun Emeuerbare Energien

Transkript

1 Teubner Studienbücher Chemie A. Wokaun Emeuerbare Energien

2 Teubner Studienbücher Chemie Herausgegeben von Prof. Dr. rer. nat. Christoph Elschenbroich, Marburg Prof. Dr. rer. nat. Friedrich Hensel, Marburg Prof. Dr. phil. Henning Hopf, Braunschweig Die Studienbücher der Reihe Chemie sollen in Form einzelner Bausteine grundlegende und weiterführende Themen aus allen Gebieten der Chemie umfassen. Sie streben nicht die Breite eines Lehrbuchs oder einer umfangreichen Monographie an, sondern sollen den Studenten der Chemie - aber auch den bereits im Berufsleben stehenden Chemiker - kompetent in aktuelle und sich in rascher Entwicklung befindende Gebiete der Chemie einführen. Die Bücher sind zum Gebrauch neben der Vorlesung, aber auch - da sie häufig auf Vorlesungsmanuskripten beruhen - anstelle von Vorlesungen geeignet. Es wird angestrebt, im Laufe der Zeit alle Bereiche der Chemie in derartigen Lehrbüchern vorzustellen. Die Reihe richtet sich auch an Studenten anderer Naturwissenschaften, die an einer exemplarischen Darstellung der Chemie interessiert sind.

3 Erneuerbare Energien Von Prof. Dr. sc. nat. Alexander Wokaun Paul Scherrer Institut, Villigen B. G. Teubner Stuttgart. Leipzig 1999

4 Prof. Dr. sc. nat. Alexander Wokaun Geboren 1952 in Darmstadt. Studium der Chemie an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, 1978 Promotion bei Richard R. Emst (Chemienobelpreisträger) Forschungsaufenthalt am IBM Research Laboratory in San Jose, Kalifornien bis 1981 wissenschaftlicher Mitarbeiter bei den Bell Laboratories in Holmdei, New Jersey bis 1985 Leiter eines Forschungsprojektes und Habilitation am Laboratorium für Physikalische Chemie der ETH Zürich bis 1994 Professor für Physikalische Chemie an der Universität Bayreuth. Seit 1994 Leiter des Bereiches Allgemeine Energieforschung am Paul Scherrer Institut und Professor am Laboratorium für Technische Chemie der ETH Zürich. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Wokaun, Alexander: Emeuerbare Energien / von Alexander Wokaun. - Stuttgart ; Leipzig: Teubner, 1999 ISBN ISBN (ebook) DOI / Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb derengen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen B.G. Teubner Stuttgart. Leipzig

5 Vorwort Globale Herausforderungen rücken das Potential der erneuerbaren Energien in den Blickpunkt des Interesses von Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft. Eine wachsende Weltbevölkerung, verbunden mit dem angestrebten wirtschaftlichen Fortschritt weniger entwickelter Länder, bedingt einen starken Anstieg der Nachfrage nach Energiedienstleistungen. Gleichzeitig wird es aufgrund drohender globaler Klimaänderungen dringend notwendig, die Emissionen von Treibhausgasen zu reduzieren; an den Klimakonferenzen von Kyoto (1997) und Buenos Aires (1998) hat sich die internationale Staatengemeinschaft zu entsprechenden Massnahmen verpflichtet. Um die zwei genannten Ziele zu vereinen, ist ein Beitrag der erneuerbaren Energien unabdingbar erforderlich. In einer Strategie zur Entwicklung eines nachhaltigen Energieversorgungssystems repräsentieren die Anstrengungen zu Senkung der CO 2 - Emissionen bei der Primärenergie-Bereitstellung ein wesentliches Element. Weitere tragende Säulen sind die Steigerung der Effizienz bei der Umwandlung und Speicherung von Energie, das Erbringen von Energiedienstleistungen mit niedrigerem Endenergieeinsatz und innovative Konzepte zur Limitierung der sinnvollen und notwendigen Nachfrage nach diesen Dienstleistungen. Das vorliegende Buch entstand begleitend zu einer Vorlesung zum Thema "Erneuerbare Energien" an der ETH Zürich in den Jahren 1997 und Für Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften kann es als begleitende Lektüre bei Lehrveranstaltungen zum Themengebiet Einsatz finden. Andererseits wendet sich das Buch an naturwissenschaftlich interessierte Leserinnen und Leser aus Forschung und Praxis, Industrie, Politik und Gesellschaft, die sich einen ersten, technisch fundierten Überblick über das Potential der erneuerbaren Energien verschaffen möchten. Die Forschungsarbeiten im Bereich "Allgemeine Energieforschung" des Paul Scherrer Instituts haben die Schwerpunktsetzung bei der Auswahl des präsentierten Materials wesentlich beeinflusst. In diesem Zusammenhang ist der Autor den Herren J. Dommen, R. Dones, W. Durisch, F. Gassmann, W. Graber, M. Jakob, J. Keller, P. Kesselring, S. Kypreos, J. Leuenberger, E. Newson, A. Räder, Th.H. Schucan, R. Siegwolf, A. Steinfeld, R. Struis und S. Stucki zu grossem Dank verpflichtet. Durch

6 6 Vorwort zahlreiche Diskussionen und Anregungen, das Bereitstellen von Literatur und Abbildungen und die kritische Durchsicht des Manuskriptes haben sie die Aussagen dieses Essays wesentlich mitgeprägt. Ein besonderer Dank gilt Frau E. Schmid für die professionelle Gestaltung in vielen Iterationen bis zur Umsetzung in eine reproduktionsfertige Druckvorlage. Für die freundliche Erteilung der Reproduktionsgenehmigung von Abbildungen sei den in den Quellenangaben genannten Autoren und Verlagen auch an dieser Stelle nochmals herzlich gedankt. Wissenschaftlicher und technischer Fortschritt auf dem Gebiet der emeuerbaren Energien lebt vom Dialog und den Interaktionen zwischen Menschen, die sich in verschiedenem Kontext mit dem Thema auseinandersetzen. In diesem Sinne freue ich mich über Kommentare jeder Art, Ergänzungen, Korrekturen und Anregungen, die bei der Gestaltung künftiger Auflagen Berücksichtigung finden werden. Villigen und Zürich, November 1998 Alexander Wokaun

7 Inhaltsverzeichnis 1 Globaler Energieverbrauch Entwicklung der Weltbevölkerung Spezifischer Energieverbrauch Energieintensität und wirtschaftliche Entwicklung Energieumwandlungsketten Heutige Anteile der Primärenergieträger Verfügbarkeit von Primärenergierohstoffen Erneuerbare Energien 17 2 Methodik für die Bewertung von Energiesystemen Verfügbarkeit, Potential, Wirtschaftlichkeit Ökobilanzen und Analyse vollständiger Energieketten 26 3 Energetische Verwertung von Biomasse Kohlenstoffreservoirs und Kohlenstoffkreislauf Nutzbares Biomassepotential Landwirtschaftliche Produktion von Energieträgern Holzschnitzelfeuerung, Holzverbrennung Holzvergasung Biotreibstoffe Biogas Biologische Wasserstoffproduktion 56 4 Sonnenenergie Sonnenkollektoren Solarthermische Kraftwerke Aufwindkraftwerke Photovoltaik Solarchemie Photochemie 108

8 8 Inhalt 5 Windenergie Technik der Windnutzung Anlagegrössen Potential der Windenergie in der Schweiz Weltweites Potential Aufwind- und FaUwindkraftwerke Umweltwärme und Geothermie Wärmepumpen Heissdampf- und HeisswasserqueUen Hot Dry Rock (HDR) - Verfahren Potentialabschätzung Chemische Energiespeicherung Wasserstoffspeicherung Bindung von CO Auswirkungen der Energienutzung auf 179 Atmosphäre und Klima 8.1 Erfassung der Emissionen Imissionen, Wirkung auf Ökosysteme Externe Kosten CO2-Emissionen und Klimaproblematik Ausblick 227