1 Energie und Klimaschutz 13

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Achim Albert
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Inhaltisveraichmiiis 1 Energie und Klimaschutz 13 1.1 Der Begriff Energie 13 1.2 Entwicklung des Energiebedarfs 18 1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs 18 1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland 20 1.

1 Inhaltisveraichmiiis 1 Energie und Klimaschutz Der Begriff Energie Entwicklung des Energiebedarfs Entwicklung des Weltenergiebedarfs Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland Reichweite konventioneller Energieträger Der T reibhauseffekt Kernenergie contra Treibhauseffekt Kernspaltung Kernfusion Nutzung erneuerbarer Energien Geothermische Energie Planetenenergie Sonnenenergie Nutzung der direkten Sonnenenergie Nutzung der indirekten Sonnenenergie Energiewende und Klimaschutz Szenarien für den globalen Klimawandel Internationaler Klimaschutz Energiewende und Klimaschutz in Deutschland Entwicklung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland Regenerative Energieversorgung in Deutschland Umbau der Energieversorgung 56 2 Sonnenstrahlung Einleitung Der Fusionsreaktor Sonne Sonnenstrahlung auf der Erde Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen Sonnenposition und Einfallswinkel Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene Bodenreflexion Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung Berechnung von Abschattungsverlusten Aufnahme der Umgebung Bestimmung des direkten Abschattungsgrades Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades Gesamtermittlung der Abschattungen 86

2 8 Inhaltsverzeichnis Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren Messung der globalen Bestrahlungsstärke Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke Satellitenmessungen Künstliche Sonnen 96 3 Nicht konzentrierende Solarthermie Grundlagen Solarthermische Systeme Solare Schwimmbadbeheizung Solare Trinkwassererwärmung Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen Anlagen mit Zwangsumlauf Solare Heizungsunterstützung Rein solare Heizung Solare Nahwärmeversorgung Solares Kühlen Solarkollektoren Speicherkollektoren Flachkollektoren Vakuumröhrenkollektoren Kollektorabsorber Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad Rohrleitungen Leitungsaufheizverluste Zirkulationsverluste Speicher Trinkwasserspeicher Schwimmbecken Anlagenauslegung Nutzwärmebedarf Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad Solare Trinkwasseranlagen Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung Rein solare Heizung Aufwindkraftwerke Konzentrierende Solarthermie Einleitung Konzentration von Solarstrahlung Konzentrierende Kollektoren Linienkollektoren Kollektorarten und Kollektorgeometrie.-...; Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad Längenausdehnung Parabolrinnenkollektorfelder Punktkonzentratoren Wärmekraftmaschinen Carnot-Prozess Clausius-Rankine-Prozess Joule-Prozess 164

3 Inhaltsverzeichnis Stirling-Prozess Konzentrierende solarthermische Anlagen Parabolrinnenkraftwerke Solarturmkraftwerke Offener volumetrischer Receiver Druck-Receiver Dish-Stirling-Anlagen Sonnenöfen und Solarchemie Stromimport Photovoltaik Einleitung Funktionsweise von Sola rzellen Atommodell nach Bohr Photoeffekt Funktionsprinzip einer Solarzelle Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen Solarzellen aus kristallinem Silizium Solarmodule mit kristallinen Zellen Solarzellen aus amorphem Silizium Solarzellen aus anderen Materialien Modultests und Qualitätskontrolle Elektrische Beschreibung von Solarzellen Einfaches Ersatzschaltbild Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell) Zweidiodenmodell Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm Weitere elektrische Zellparameter Temperaturabhängigkeit Parameterbestimmung Elektrische Beschreibung von Solarmodulen Reihenschaltung von Solarzellen Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen Parallelschaltung von Solarzellen Technische Daten von Solarmodulen Solargenerator und Last Widerstandslast Gleichspannungswandler Tiefsetzsteller Hochsetzsteller Weitere Gleichspannungswandler MPP-Tracker Akkumulatoren Akkumulatorarten Bleiakkumulator Andere Akkumulatortypen Akkumulatorsysteme Andere Speichermöglichkeiten Wechselrichter Wechselrichtertechnologie Rechteckwechselrichter 240

4 10 Inhaltsverzeichnis Moderne Wechselrichtertopologien Wechselrichter in der Photovoltaik Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters Wechselrichterwirkungsgrade Anlagenkonzepte Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Speicher Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Heizung Planung und Auslegung Inselnetzsysteme Rein Netzgekoppelte Systeme Eigenverbrauchssysteme Eigenverbrauchssysteme ohne Speicher Eigenverbrauchssysteme mit Batteriespeicher Windkraft Einleitung Dargebot von Windenergie Entstehung des Windes Angabe der Windstärke Windgeschwindigkeitsverteilungen Einfluss der Umgebung und Höhe Nutzung der Windenergie Im Wind enthaltene Leistung Widerstandsläufer Auftriebsläufer Bauformen von Windkraftanlagen Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse Anlagenaufbau Rotorblatter Windgeschwindigkeitsbereiche Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung Windnachführung Turm, Fundament, Getriebe und Generator Offshore-Windkraftanlagen Elektrische Maschinen Elektrische Wechselstromrechnung Drehfeld Synchronmaschine Aufbau Elektrische Beschreibung Synchronisation Asynchronmaschine Aufbau und Betriebszustände Ersatzschaltbilder und Stromortskurven Leistungsbilanz Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten Elektrische Anlagenkonzepte Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung 320

5 Inhaltsverzeichnis Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren Inselnetzanlagen Netzbetrieb Anlagenertrag Netzanschluss Wasserkraft Einleitung Dargebot der Wasserkraft Wasserkraftwerke Laufwasserkraftwerke Speicherwasserkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke Wasserturbinen Turbinenarten Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine Ossberger-Turbine Francis-Turbine Pelton-Turbine Turbinen Wirkungsgrad Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutiung Gezeitenkraftwerke Meeresströmungskraftwerke Wellenkraftwerke Geothermie Geothermievorkommen Geothermische Heizwerke Geothermische Stromerzeugung Kraftwerksprozesse Geothermische Kraftwerke Wärmepumpen Kompressions-Wärmepumpen Absorptions-Wärmepumpen Adsorptions-Wärmepumpen Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung Nutzung der Biomasse Vorkommen an Biomasse Feste Bioenergieträger Flüssige Bioenergieträger Pflanzenöl Biodiesel Bioalkohole Biomass-to-Liquid (BtL)-Brennstoffe Gasförmige Bioenergieträger Flächenerträge und Umweltbilanz Biomasseanlagen Biomasseheizungen Biomassekraftwerke 380

6 12 Inhaltsverzeichnis 10 Wasserstofferzeugung, Brennstoffzellen und Methanisierung Wasserstofferzeugung und -speicherung Brennstoffzellen Einleitung Brennstoffzellentypen Wirkungsgrade und Betriebsverhalten Methanisierung und Untertagespeicherung Wirtschaftlichkeitsberechnungen Einleitung Energiegestehungskosten Berechnungen ohne Kapitalverzinsung Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung Solarthermische Kraftwerke Photovoltaikanlagen Windkraftanlagen Wasserkraftanlagen Geothermieanlagen Holzpelletsheizungen Berechnungen mit Kapitalverzinsung Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung Solarthermische Kraftwerke Photovoltaikanlagen Windkraftanlagen Vergütung für regenerative Energieanlagen Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien Kosten konventioneller Energiesysteme Externe Kosten des Energieverbrauchs Subventionen im Energiemarkt Ausgaben für Forschung und Entwicklung Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden Sonstige externe Kosten Internalisierung der externen Kosten Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen Unendliche Kapitalvermehrung Die Verantwortung des Kapitals Simulation und die DVD zum Buch Allgemeines zur Simulation Die DVD zum Buch Start und Überblick Abbildungen Software Vermischtes 424 Literaturverzeichnis 426 Sachwortverzeichnis 434

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