Martin Kaltschmitt. Andreas Wiese (Hrsg.) Erneuerbare Energien

Transkript

1 Martin Kaltschmitt. Andreas Wiese (Hrsg.) Erneuerbare Energien

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 Martin Kaltschmitt Andreas Wiese (Hrsg.) Erneuerbare Energien 5 yste mtec h n i k, Wi rtsc haft li c h ke it, Umweltaspekte 2. Auflage Mit 185 Abbildungen, Springer

4 PriV. Doz. DrAng. Martin Kaltschmitt Universität Stuttgart Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) Heßbrühlstr.49a Stuttgart Dr.-Ing. Andreas Wiese Lahmeyer International GmbH Lyoner Str Frankfurt ISBN Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Erneuerbare Energien: Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte; mit 73 Tabellen Martin Kaltschmitt; Andreas Wiese (Hrsg.) Auflage ISBN ISBN (ebook) DOI / Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1997 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dag solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. D1N, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandentwurf: Struve & Partner, Heidelberg Satz: Camera ready Vorlage durch Autoren SPIN: / Gedruckt auf säurefreiem Papier

5 Vorwort Die Nutzung regenerativer Energien zur Energieversorgung ist nicht neu; in der Geschichte der Menschheit waren erneuerbare Energien sehr lange Zeit die hauptsächlich genutzte Möglichkeit zur Energiebereitstellung. Dies änderte sich erst mit der industriellen Revolution, in der Steinkohle und damit fossile Energieträger zunehmend an Bedeutung gewannen. Später kam das Erdöl hinzu, das aufgrund seiner Vorteile bezüglich Transport und Verarbeitung zum heute primär eingesetzten Energieträger wurde. Mit dem zunehmenden Einsatz fossiler Energieträger zur Energieversorgung ging - zumindest in den Industriestaaten - der Einsatz regenerativer Energien zurück; bezogen auf das Gesamtenergieaufkommen und abgesehen von wenigen Ausnahmen sind sie heute fast bedeutungslos. Die Nutzung fossiler Energieträger ist jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden; sie werden von der Industriegesellschaft, die an der Schwelle zum 21. Jahrhundert bezüglich möglicher Umwelt- und Klimagefahren sowie anderer negativer Folgen zunehmend sensibilisiert ist, immer weniger toleriert. Der sauere Regen und das Ozonloch zählen ebenso zu diesen Gefahren wie der Treibhauseffekt. Deshalb gewinnt die Suche nach umwelt- und klimaverträglichen sowie allgemein akzeptierbaren Alternativen zur gegenwärtigen Energiebereitstellung zunehmend an Bedeutung. Hier werden in die vielfältigen Möglichkeiten zur Nutzung regenerativer Energien von weiten Teilen der Bevölkerung, insbesondere in Deutschland, große Hoffnungen und Erwartungen gesetzt. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel des vorliegenden Buches, einen Überblick über die wichtigsten Techniken zur Nutzung regenerativer Energien zu geben. Neben einer Diskussion der Charakteristik des regenerativen Energieangebots werden die physikalischen und systemtechnischen Grundlagen einer Wärmebereitstellung aus Solarenergie und Erdwärme sowie einer Erzeugung elektrischer Energie aus solarer Strahlung (Photovoltaik), aus Windenergie und aus Wasserkraft dargestellt. Außerdem wird kurz auf die Möglichkeiten einer solarthermischen Stromerzeugung eingegangen. Lediglich die Darstellung der Möglichkeiten einer energetischen Biomassenutzung bleibt einer späteren Veröffentlichung vorbehalten. Für diese Techniken zur Nutzung regenerativer Energien werden zusätzlich Kennzahlen für eine ökologische, ökonomische und energiewirtschaftliche Bewertung zur Verfügung gestellt. Damit ist es letztlich möglich, die Chancen und Risiken der verschiedenen Möglichkeiten zur Nutzung des regenerativen Energieangebots in Deutschland auch im Vergleich zu den jeweiligen konventionellen Techniken und

6 VI Vorwort vor dem Hintergrund der energiewirtschaftlichen Gegebenheiten besser beurteilen und bewerten zu können. Die hier vorliegende 2. Auflage stellt eine überarbeitete und aktualisierte Fassung der 1. Auflage dar, die im August 1995 erschienen ist. Dabei wurde die Darstellung des regenerativen Energieangebots und der physikalischen Grundlagen der betrachteten Nutzungsmöglichkeiten gründlich überarbeitet, die systemtechnische Beschreibung dem aktuellen Stand angepaßt und teilweise erweitert. Auch die Potentiale und die Nutzung wurden den zwischenzeitlich veränderten Rahmenbedingungen angeglichen und die Kosten vollständig neu berechnet. Dies gilt insbesondere für die Techniken, die durch größere Entwicklungsschübe in den letzten Jahren gekennzeichnet waren. Außerdem wurden aufgrund der methodischen Weiterentwicklungen bei den Ökobilanzen und der zwischenzeitlich verbesserten Datenbasis die entsprechenden Material-, Energie- und Emissionsbilanzen völlig neu erarbeitet. Zusätzlich ist das Kapitel "Erdwärmenutzung" um die Diskussion der tiefen Erdwärmesonde erweitert worden. Auch die Möglichkeiten einer Stromerzeugung in solarthermischen Kraftwerken werden diskutiert. Die vorliegende Ausarbeitung wäre ohne die Unterstützung des Instituts für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart und insbesondere seines Direktors, Herrn Prof. Dr.-Ing. A. Voß, sowie einer Vielzahl weiterer Personen und Institutionen nicht möglich gewesen. Ihnen sei an dieser Stelle, ebenso wie dem Verlag, für die kooperative Zusammenarbeit sehr herzlich gedankt. Unser ganz besonderer Dank gilt den Autoren für die gute und konstruktive Zusammenarbeit. Herrn Dipl.-Met. G. Czeplak (Deutscher Wetterdienst, Hamburg), Herrn Dr. S. Heier (Institut für Elektrische Energietechnik, Universität Gesamthochschule Kassel), Herrn Dr. A. Kaestner (Deutscher Wetterdienst, Offenbach), Herrn Dr. K. Rehfeldt (Deutsches Windenergie-Institut (DEWI), Wilhelmshaven), Herrn Dipl.-Ing. B. Stehle (Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke (VDEW), Frankfurt) und Herrn Dr. P. Zacharias (Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET), Kassel) sind wir für wichtige inhaltliche Beiträge zu Dank verpflichtet. Weiterhin sei Frau A. Voegele für die Mühe des Korrekturlesens, Frau cand.-ing. P. Beil für die Erstellung einer Vielzahl der Zeichnungen und der Abteilung "Neue Energietechnologien und Technikanalyse" (NET) des IER für die vielfältige Unterstützung bei der Erarbeitung dieses Buches gedankt. Stuttgart, im Mai 1997 Martin Kaltschmitt und Andreas Wiese

7 Liste der Autoren Dr. Jörg Baumgärtner Socomine, Sou1tz-sous-Fon~ts Dipl.-Ing. Dirk Hartmann Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Dr. Ernst Huenges GeoForschungsZentrum, Potsdam Dr.-Ing. Klaus Jorde Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau Dr.-Ing. Frank Kabus Geothermie Neubrandenburg GmbH, Neubrandenburg PD Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Dr. Oskar Kappelmeyer GTC Kappelmeyer GmbH, Forsthart Dipl.-Ing. Martin Kayser Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Dr.-Ing. Alfred Kerschberger Freier Architekt, Stuttgart Prof. Horst Küsgen, Dipl.-Ing., DIC Universität Stuttgart, Institut für Bauökonomie Dipl.-Ing. Dörte Laing Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e. V., Institut für Technische Thermodynamik, Stuttgart Dr. Iris Lewandowski Universität Hohenheim, Institut für Pflanzenbau und Grünland Dipl.-Ing. Rainer Lux Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Dipl.-Ing. Torsten Marheineke Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung

8 VIII Liste der Autoren Dipl.-Ing. Gert Nimz Schleswag AG, Rendsburg Dr.-Ing. Fritz Pfisterer Universität Stuttgart, Institut für Physikalische Elektronik Prof. Dr. Fritz Rummel Ruhr-Universität Bochum, Institut für Geophysik Dr. Burkhard Sanner lustus-liebig-universität Gießen, Institut für Angewandte Geowissenschaften Dr.-Ing. Peter Seibt Geothermie Neubrandenburg GmbH, Neubrandenburg Dipl.-Ing. Thomas Stelzer Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Dipl.-Ing. Dr. techno Wolfgang Streicher Technische Universität Graz, Institut für Wärmetechnik Dipl.-Ing. Gerhard Weinrebe Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Dr.-Ing. Andreas Wiese Lahmeyer International GmbH, Frankfurt

9 Inhaltsübersicht 1 Einführung und Aufbau Energiesystem Deutschland Aufbau, Vorgehen und Definitionen Konventionelle Vergleichssysteme Grundlagen des regenerativen Energieangebots Energiebilanz der Erde Solare Strahlung Windenergie Lauf- und Speicherwasserangebot Photosynthetisch fixierte Energie Erdwärme Solarthermische Wärmenutzung Physikalische Grundlagen Systemtechnische Beschreibung passiver Solarenergienutzung Systemtechnische Beschreibung aktiver Solarenergienutzung Potentiale und Nutzung Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Photovoltaische Stromerzeugung Physikalische Grundlagen Systemtechnische Beschreibung Potentiale und Nutzung Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Stromerzeugung aus Windenergie Physikalische Grundlagen Systemtechnische Beschreibung Potentiale und Nutzung Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven

10 X Inhaltsübersicht 6 Stromerzeugung aus Wasserkraft Physikalische Grundlagen Systemtechnische Beschreibung Potentiale und Nutzung Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Erdwärmenutzung Oberflächen nahe Erdwärmenutzung Hydrothermale Erdwärmenutzung Erdwärmenutzung mit tiefen Erdwärmesonden Nutzung heißer, trockener Gesteinsschichten Zusammenfassender Vergleich Bereitstellung elektrischer Energie Bereitstellung thermischer Energie Anhang I: Stromerzeugung mit solarthermischen Kraftwerken ALl Grundprinzip und Einteilung AL2 Solarturmkraftwerke AI.3 Dish/Stirling- und Dish/Brayton-Systeme AL4 Parabolrinnenkraftwerke AL5 Aufwindkraftwerke AI.6 Bedeutung solarthermischer Kraftwerke für Deutschland Anhang 11: Energetische Nutzung von Biomasse All. 1 Aufbau typischer Bereitstellungsketten AII.2 Wandlungsmöglichkeiten in End- bzw. Nutzenergie Anhang 111: Energieeinheiten Literatur Sachverzeichnis

11 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung und Aufbau... 1 MARTIN KALTSCHMITI, TORSTEN MARHEINEKE 1.1 Energiesystem Deutschland Primär- und Endenergieverbrauch Verbrauch an elektrischer Energie Aufbau, Vorgehen und Definitionen Energiebegriffe Erneuerbare Energiequellen Untersuchte Möglichkeiten Aufbau und Vorgehen Physikalische Grundlagen (13); Systemtechnische Beschreibung (13); Potentiale und Nutzung (24); Kosten (28); Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven (30) 1.3 Konventionelle Vergleichssysteme Randbedingungen Techniken zur Strombereitstellung Rahmenannahmen (33); Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbindung (35); Kosten (36) Techniken zur Wärmebereitstellung Rahmenannahmen (37); Material-, Energie- und Emissionsbilanzen (39); Kosten (40) 2 Grundlagen des regenerativen Energieangebots Energiebilanz der Erde ANDREAS WIESE Energiequellen Sonne (43); Erdwärme (46); Planetengravitation und -bewegung (47) Atmosphäre Bilanz der Energieströme Solare Strahlung MARTIN KALTSCHMITI Grundlagen des solaren Strahlungsangebots Optische Fenster (52); Strahlungsschwächung (52); Strahlungsspektrum (53); Direkt-, Diffus- und Globalstrahlung (54); Direktstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Flächen (55); Diffusstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Flächen (56); Reflexionsstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Flächen (57); Globalstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Flächen (57)

12 XII Inhaltsverzeichnis Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Strahlungsmessung (58); Strahlungsverteilung (59); Zeitliche Variationen (59) 2.3 Windenergie ANDREAS WIESE Grundlagen der Windentstehung.... Mechanismen (65); Globale Luftzirkulationssysteme (67); Lokale Luftzirkulationssysteme (68); Windleistung (70) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik.... Windrichtungs- und -geschwindigkeitsmessung (71); Windverteilung (71); Zeitliche Variationen (73); Häufigkeitsverteilung (76) Lauf- und Speicherwasserangebot KLAUS JORDE, MARTIN KALTSCHMITT Grundlagen des Wasserangebots Wasservorräte der Erde (78); Wasserkreislauf (78); Niederschlag (80); Vom Niederschlag zum Abfluß (80); Leistung und Arbeitsvermögen des Wassers (82) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik.... Messung wassertechnischer Größen (84); Niederschlagsverteilung und -variationen (85); Flußsysteme, Abflußhöhe und -verlauf (88); Speicher (90) Photosynthetisch fixierte Energie IRIS LEWANDOWSKI Produktion organischer Masse durch Photosynthese Aufbau und Zusammensetzung der Pflanze (91); Photosynthese (92); Einfluß verschiedener Wachstumsfaktoren (94) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Räumliche Angebotscharakteristik (98); Zeitliche Angebotscharakteristik (99) 2.6 Erdwärme JÖRG BAUMGÄRTNER, FRITZ RUMMEL, ERNST HUENGES. MARTIN KAL TSCIl\;llTr Grundlagen Erdaufbau (101); Temperaturgradient (102); Wärmeinhalt und Verteilung der Quellen in der Erde (103); Terrestrische Wärmestromdichte (103); Wärmebilanz an der Erdoberfläche (104); Geothermische Systeme und Ressourcen (105) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Temperaturverteilung im flachen Untergrund (107); Temperaturverteilung im tiefen Untergrund (108); Zeitliche Abhängigkeit (109) 3 Solarthermische Wärmenutzung ANDREAS WIESE, WOLFGANG STREICHER, MARTIN KALTSCHMITT, ALFRED KERSCHBERGER. HORST KÜSGEN 3.1 Physikalische Grundlagen Absorption, Emission und Transmission 3.l.2 Optische Eigenschaften von Absorbern 3.l.3 Optische Eigenschaften von Abdeckungen Energiebilanz.... Allgemeine Energiebilanz (l 14); Energiebilanz des Kollektors (I 14) 3.l.5 Wirkungsgrad und solarer Deckungsgrad.... I I

13 Inhaltsverzeichnis XIII 3.2 Systemtechnische Beschreibung passiver Solarenergienutzung Definitionen Funktionale Systeme Direktgewinnsysteme (119); Indirekte Gewinnsysteme (119); Abgekoppelte Systeme (120) Systemkomponenten Verschanungseinrichtungen (121); Transparente Abdeckungen (122); Absorber und Speicher (124) 3.3 Systemtechnische Beschreibung aktiver Solarenergienutzung Kollektoren Bauteile von Kollektoren (125); Montage (127); Kollektorbauarten und Anwendungsbereiche (127); Technische Daten und Kennlinien (130); Kollektorverschaltung (132) Weitere Systemelemente solarthermischer Anlagen Speicher (133); Meß- und Regeleinrichtungen (137); Wärmeträgermedium (138); Leitungen (139); Wärmetauscher (139); Pumpen (140) Verlustmechanismen und Wirkungsgrade Energiewandlungskette (140); Gesamtsystemverluste (141) Anlagenkonzepte Anlagen ohne Umlauf (142); Offenes Naturumlaufsystem (143); Geschlossenes Naturumlaufsystem (144); Offenes Zwangsumlaufsystem (144); Geschlossenes Zwangsumlaufsystem (144) Anwendungen solarthermischer Anlagen Solare Freibadbeheizung (145); Dezentrale Kleinanlagen (146); Solare Nahwärmesysteme (148); Sonstige Anwendungen (150) Material-, Energie- und Emissionsbilanzen Definition von Versorgungsaufgabe und Referenztechniken (151); Bilanzen der solarthermischen Wärmenutzung (154); Bilanzen des Versorgungssystems (157) Weitere Umwelteffekte und sonstige Aspekte Potentiale und Nutzung Potentiale Passive Solarenergienutzung (160); Aktive solarthermische Systeme (160) Nutzung Kosten Passive Solarenergienutzung (165); Aktive solarthermische Systeme (165) 166 Investitionen und Betriebskosten Passive Solarenergienutzung (167); Aktive solarthermische Systeme (167) Wärmegestehungskosten Passive Solarenergienutzung (170); Aktive solarthermische Systeme (171) 3.6 Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Passive Solarenergienutzung (173); Aktive solarthermische Systeme (173)

14 XIV Inhaltsverzeichnis 4 Photovoltaisehe Stromerzeugung 177 MARTIN KALTSCHMITT, FRITZ PFISTERER, ANDREAS WIESE, DIRK HARTMANN 4.1 Physikalische Grundlagen Bändermodell Leiter, Halbleiter und Nichtleiter Leiter (178); Nichtleiter (179); Halbleiter (179) Leitungsmechanismen in Halbleitern Eigenleitung (179); Störstellenleitung (180) Photoeffekt Äußerer Photoeffekt (182); Innerer Photoeffekt (182) Der p-n-übergang Der photovoltaische Effekt Systemtechnische Beschreibung Die Photovoltaik- oder Solarzelle Prinzipieller Aufbau und Ersatzschaltbild (186); Kennlinie (186); Wirkungsgrad und Verluste (189); Zellentypen (191) Systemelemente einer Photovoltaikanlage Solarmodul (197); Wechselrichter (199); Aufständerung (205); Sonstige Komponenten (206) Energiewandlungskeue, Verluste und Leistungskennlinie Energiewandlungskette (206); Verluste (207); Leistungskennlinie (208) Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche Inselsysteme (210); Netzgekoppelte Anlagen (211) Kapazitätseffekte Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbindung 214 Definition von Referenztechniken (215); Bilanzen der photovoltaischen Stromerzeugung (216); Definition einer Versorgungsaufgabe (221); Bilanzen des Versorgungssystems (221) Weitere Umwelteffekte und sonstige Aspekte Potentiale und Nutzung Potentiale Theoretisches Potential (226); Technische Stromerzeugungspotentiale (227); Substituierbare Endenergie (228); Technische Primärenergiepotentiale (230) Nutzung Kosten Investitionen und Betriebskosten Spezifische Stromgestehungskosten Backup-Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Stromerzeugung aus Windenergie MARTIN KALTSCHMITT, ANDREAS WIESE, GERT NIMZ, DIRK HARTMANN 5.1 Physikalische Grundlagen Der idealisierte Rotor Widerstands- und Auftriebsprinzip Widerstandsprinzip (241); Auftriebsprinzip (243)

15 Inhaltsverzeichnis XV 5.2 Systemtechnische Beschreibung Bauformen Systemelemente von Horizontalachsenkonvertern Rotor (246); Getriebe (251); Generator (252); Windrichtungsnachführung (254); Turm (254); Fundament (255); Netzanschluß (255) Energiewandlungskeue, Verluste und Leistungskennlinie Energiewandlungskette (258); Verluste (258); Leistungskennlinie (261) Leistungsregelung Stall-Regelung (263); Pitch-Regelung (264) Windparks Kapazitätseffekte Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbindung 271 Definition von Referenztechniken (271); Bilanzen einer windtechnischen Stromerzeugung (272); Definition einer Versorgungsaufgabe (276); Bilanzen des Versorgungssystems (276) Weitere Umwelteffekte und sonstige Aspekte Potentiale und Nutzung Potentiale..., 281 Theoretisches Potential (281); Technische Stromerzeugungspotentiale (281); Substituierbare Endenergie (285); Technische Primärenergiepotentiale (286) Nutzung Kosten Investitionen und Betriebskosten Spezifische Stromgestehungskosten Backup-Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Stromerzeugung aus Wasserkraft KLAUS JORDE, MARTIN KALTSCHMITI, DIRK HARTMANN 6.1 Physikalische Grundlagen Systemaufbau (298); Einlauf (298); Druckrohrleitung (299); Turbine (299); Auslauf (300); Gesamtsystem (300) 6.2 Systemtechnische Beschreibung Schematischer Aufbau Systematisierung und Bauformen Niederdruckanlagen (302); Mitteldruckanlagen (305); Hochdruckanlagen (305) Systemkomponenten Turbine (306); Wellenkupplung und Getriebe (311); Generatoren (312); Transformator (312); Staubauwerk (312); Triebwasserzuleitung (312); Krafthaus (312) Insel- und Netzbetrieb Regelung Energiewandlungskeue, Verluste und Leistungsplan Energiewandlungskette (313); Verluste (314); Betriebsverhalten und Leistungsplan (315)

16 XVI Inhaltsverzeichnis Kapazitätseffekte Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbindung 318 Definition der Referenztechniken (318); Bilanzen der wassertechnischen Stromerzeugung (319); Definition einer Versorgungsaufgabe (323); Bilanzen des Versorgungssystems (324) Weitere Umwelteffekte und sonstige Aspekte Stauhaltungen (327); Barrierenwirkung von Wehr- und Turbinenanlagen (327); Mindestwasserproblematik bei Ausleitungskraftwerken (328) 6.3 Potentiale und Nutzung Potentiale Theoretisches Potential (329); Technische Stromerzeugungspotentiale (329); Substituierbare Endenergie (331); Technische Primärenergiepotentiale (331) Nutzung Weitergehende Nutzungsmöglichkeiten Neubau weiterer Anlagen (335); Reaktivierung. Modemisierung, Umbau und Ausbau bestehender Anlagen (335); Hemmnisse (336) 6.4 Kosten Investitionen und Betriebskosten Spezifische Stromgestehungskosten Backup-Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Erdwärmenutzung Oberflächennahe Erdwärmenutzung RAINER Lux, MARTIN KALTSCHMITT, BURKHARD SANNER Systemtechnische Beschreibung Wärmesammler erdgekoppelter Wärmepumpen (346); Wärmepumpe (352); Weitere Nutzungsmöglichkeiten (356); Anlagenbeispiel (357); Material-, Energie- und Emissionsbilanzen (358); Umwelteffekte (361) Potentiale und Nutzung Potentiale (364); Nutzung (366) Kosten Investitionen (368); Betriebskosten (368); Wärmegestehungskosten (368) Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Hydrothermale Erdwärmenutzung FRANK KABUS, MARTIN KAL TSCHMITT, MARTIN KA YSER, PETER SEIBT Systemtechnische Beschreibung Untertageteil des Thennalwasserkreislaufs (371); Übertageteil des Thennalwasserkreislaufs (375); Einkopplung in Versorgungssysteme (381); Material-, Energie- und Emissionsbilanzen (383); Umwelteffekte (388) Potentiale und Nutzung Potentiale (389); Nutzung (394) Kosten Investitionen (394); Wärmegestehungskosten (397) Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven 400

17 Inhaltsverzeichnis XVII 7.3 Erdwärmenutzung mit tiefen Erdwärmesonden MARTIN KAYSER, MARTIN KALTSCHMITT Systemtechnische Beschreibung Technik (403); Umwelteffekte (405) Potentiale und Nutzung Potentiale (406); Nutzung (408) Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Nutzung heißer, trockener Gesteinsschichten JÖRG BAUMGÄRTNER, OSKAR KAPPELMEYER, MARTIN KALTSCHMITT, FRITZ RUMMEL Systemtechnische Beschreibung Wärmeaustauscher im Gestein (413); Wärmebereitstellung (417); Stromerzeugung (417); Umwelteffekte (418) Potentiale Theoretisches Potential (420); Technisches Angebotspotential (420); Technisches Nachfragepotential (422) Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Zusammenfassender Vergleich Bereitstellung elektrischer Energie MARTIN KALTSCHMITT, ANDREAS WIESE 8.l.l Meteorologisches Energieangebot Zeitliche Angebotsvariationen (428); Räumliche Angebotsvariationen (430) Technische Kenngrößen Anlagenleistungen (431); Wirkungs- und Systemnutzungsgrad (433); Technische Verfügbarkeit (434); Vollaststunden (435) Stromerzeugungscharakteristik Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbindung 438 Materialbilanzen (439); Energiebilanz (440); Emissionsbilanzen (440); Flächenbindung (442) Potentiale und Nutzung Potentiale (442); Nutzung (447) Kosten Stand (448); Vergleich (450); Ausblick (451) 8.2 Bereitstellung thermischer Energie MARTIN KAYSER, MARTIN KALTSCHMITT Nutzbares Energieangebot 452 Zeitliche Angebotsvariationen (452); Räumliche Angebotsvariationen (454) Technische Kenngrößen Anlagenleistungen (456); Technische Verfügbarkeit (457) Material-, Energie- und Emissionsbilanzen Materialbilanzen (458); Energiebilanz (458); Emissionsbilanzen (459) Potentiale und Nutzung Potentiale (461); Nutzung (463) Kosten Stand (465); Vergleich (466); Ausblick (466)

18 XVIII Inhaltsverzeichnis Anhang I: Stromerzeugung mit solarthermischen Kraftwerken 467 GERHARD WEINREBE, DÖRTE LAING ALl Grundprinzip und Einteilung Physikalisches Grundprinzip (467); Einteilung (468) AL2 Solarturmkraftwerke AL2.! Komponenten Heliostatenfeld (470); Strahlungsempfanger (Receiver) (472); Turbosatz (475); Steuerung und Regelung (475) A1.2.2 Anlagen Solar One (476); Solar Two (476); PhoebusrrSA (477) AI.3 Dish/Stirling- und DishIBrayton-Systeme AI.3.1 Komponenten Parabol-Konzentrator (Dish) (480); Nachführung (480); Receiver (481); Stirlingmotor (483); Gasturbine (484); Steuerung und Regelung (485) AI.3.2 Anlagen Anlagenkennlinie (485); Aktuelle Entwicklungen (486) AL4 Parabolrinnenkraftwerke AL4.1 Komponenten Kollektor (488); Turbine (489) AL4.2 Anlagen Anlagenkennlinie (491); Aktuelle Entwicklungen (491) ALS Aufwindkraftwerke A1.5.1 Komponenten Kollektor (492); Turm (494); Turbine (494) AL5.2 Anlagen AL6 Bedeutung solarthermischer Kraftwerke für Deutschland Solarturmkraftwerke (495); DishlStirling- und DishlBrayton-Anlagen (496); Parabolrinnenkraftwerke (496); Aufwindkraftwerke (497) Anhang 11: Energetische Nutzung von Biomasse MARTIN KAL TSCHMIlT, THOMAS STELZER AILl Aufbau typischer Bereitstellungsketten AIL2 Wandlungsmöglichkeiten in End- bzw. Nutzenergie Thermochemische Umwandlung (501); Physikalisch-chemische Umwandlung (502); Biochemische Umwandlung (502) Anhang 111: Energieeinheiten Literatur Sachverzeichnis

19 Liste der Formelzeichen A A o.o Au.o AG A WEK AZ prim Skalierungsfaktor oberirdischer Abfluß von der Oberfläche (0) unterirdischer Abfluß von der Oberfläche (0) Albedo Fläche, die um eine Windkraftanlage einzuhalten ist primärenergetisch bewertete Amortisationszeit Auftriebsbeiwert Leistungsbeiwert spezifische Wärmekapazität idealer Leistungsbeiwert Widerstandsbeiwert Formparameter Kondensator Hilfskonstante zur Berechnung der Kollektornutzwärme Hilfskonstante zur Berechnung der Kollektornutzwärme Rotordurchmesser einer Windkraftanlage Durchmesser der Sonne Diode solarer Deckungsgrad eo E EH E g E L ENetto,prim Ev E Wa E Wi EF prim Elementarladung Energie Energieinhalt des Brennstoffs (meist unterer Heizwert) Energielücke, Bandabstand, Bandlücke Energie im Leitungsband netto bereitgestellte primärenergetisch bewertete Energie Energie im Valenzband Energie des Wassers Energie des Windes primärenergetisch bewerteter Erntefaktor Auftriebskraft Kraft auf den Rotorflügel infolge der Windgeschwindigkeit (vw;)

20 xx Liste der Formelzeichen Bewegungskraft Luftwiderstandskraft Füllfaktor g Go GD! GDt:X.a GD, GD,.g.a GR.g.<I Ge Ge,g,(1 GC;.AhJ GeHl G s GZ Gravitationskonstante Solarkonstante Diffusstrahlung Diffusstrahlung auf die geneigte, ausgerichtete Empfangsfläche Direktstrahlung auf die horizontale Empfangsfläche Direktstrahlung auf die geneigte, ausgerichtete Empfangsfläche reflektierte Strahlung auf die geneigte, ausgerichtete Empfangsfläche Globalstrahlung auf die horizontale Empfangsfläche Globalstrahlung auf die geneigte, ausgerichtete Empfangsfläche Globalstrahlung auf den Absorber Globalstrahlung auf einen Quadratmeter Absorberfläche flächenspezifische Strahlungsleistung der Sonne gesetzliche Zeit hnl/r::' h"f how huw H geodätische Höhe geodätische Höhe am Bilanzpunkt 1 bis 5 nutzbare Fallhöhe Referenzhöhe geodätische Höhe des Oberwasserspiegels geodätische Höhe des Unterwasserspiegels Wärmeproduktion I g" I j le I D I K I MPP I ph J k A. x k A.), KEAfossil Diskontrate elektrischer Strom Sperrsättigungsstrom gesamter Investitionsaufwand jährlicher Investitionsaufwand Strom durch den Kondensator (C) Strom durch die Diode (D) Kurzschlußstrom Strom im Punkt maximaler Leistung (Maximum Power Point; MPP) Photo strom Tag des Jahres Boltzmann-Konstante Abstandsfaktor Abstandsfaktor in Richtung der bevorzugten Windrichtung Abstandsfaktor senkrecht zur bevorzugten Windrichtung kumulierter fossiler Energieaufwand

21 Liste der Formelzeichen XXI KEA E KEA H KEA N K*Koll KKoll kumulierter fossiler Energieaufwand der Anlagenentsorgung kumulierter fossiler Energieaufwand der Anlagenherstellung kumulierter fossiler Energieaufwand der Anlagennutzung Wärmedurchgangskoeffizient (konstant) Wärmedurchgangskoeffizient (abhängig von der Temperatur) technische Lebensdauer Entfernung zwischen Sonne und Erde m rh mau.\' mein m w; rh Wi MPP Masse Massenstrom aus dem Becken ausfließendes Wasser in das Becken einfließendes Wasser Luftmasse Massenstrom des Windes Punkt maximaler Leistung (Maximum Power Point) Niederschlag auf der Oberfläche (0) o P Pu Pm,eh P Wa PWa.rat PWa.th P Wi PWi,J.. 2 PWi,mt Oberfläche Druck Druck des Wassers am Bilanzpunkt 1 bis 5 Leistung an der Turbinenwelle Leistung des Wassers tatsächlich nutzbare Leistung des Wassers theoretisch im Wasser enthaltene Leistung Windleistung Windleistung an der Stelle 1 bzw. 2 dem Wind entzogene Leistung qkonduktiv Qkonvekriv q rad,produk Q QKoll QKonv Qkonduktiv QkonVektiv QKonv,Abd QKonv,Ab,,. QKonv,Rah Abfluß Wärmestromdichte konduktiver Anteil an der Wärmestromdichte konvektiver Anteil an der Wärmestromdichte radiogene Wärmeproduktion an der gesamten Wärmestromdichte Wärmestrom von den Absorbern an das Becken abgegebener Wärmestrom konvektive Wärmeverluste konduktiver Anteil am Wärmestrom konvektiver Anteil am Wärmestrom Konvektionsverluste der Absorberabdeckung Konvektionsverluste des Absorbers Konvektionsverluste des Absorberrahmens

22 XXII Liste der Formelzeichen QLeit.Abs QMensch QNUfZ QR'j7.Abd QRej7.Abs QStr QStr.Abd QStr,Abs QTranJ QVerd Wärmeleitungsverluste des Absorbers Wärmeabgabe der Beckenbenutzer nutzbarer Wärmestrom Reflexionsverluste der Absorberabdeckung Reflexionsverluste des Absorbers Abstrahlungsverluste Wärmeverluste durch langweilige Abstrahlung der Absorberadeckung Wärmeverluste durch langweilige Abstrahlung des Absorbers Transmissionsverluste in das Erdreich Verdunstungsverluste an der Wasseroberfläche Parallel widerstand Serienwiderstand Rückhalt bzw. Retention auf der Oberfläche (0) durchströmte (Kreis-)Fläche durchströmte (Kreis-)Fläche an der Stelle J bzw. 2 Absorberfläche Rotorfläche Zeit Spannung Diffusionsspannung Leerlaufspannung Spannung im Punkt maximaler Leistung (Maximum Power Point; MPP) V c V u Vs V Wa V Wa.l..5 V Wi V Wi.1..2 VWi.2.ax V Wi,2,tan V Wi.h VWi.ref VWi,res VWi,Rof Va VSpeicher Lichtgeschwindigkeit Umfangsgeschwindigkeit Geschwindigkeit der an ge strömten Fläche (S) Strömungsgeschwindigkeit des Wassers Strömungsgeschwindigkeit des Wassers am Bilanzpunkt J bis 5 Windgeschwindigkeit Windgeschwindigkeit an der Stelle J bzw. 2 Axialkomponente der Windgeschwindigkeit an der Stelle 2 Tangentialkomponente der Windgeschwindigkeit an der Stelle 2 mittlere Windgeschwindigkeit in der Höhe (h) mittlere Windgeschwindigkeit in einer Referenzhöhe (h"j) resultierende Anströmwindgeschwindigkeit Windgeschwindigkeit in der Rotorebene Verdunstung von der Oberfläche (0) gespeichertes Wasservolumen x Weg

23 Liste der Formelzeichen XXIII U U U"al U., U Abs UH II U, ß y Ö E 11 Turbint P"al Ps PAb., p, 0- 't 't s 'tab 'tabd 'tg 't, 't MS 'trs \ji \ji, 1'} i)uils 1'}.in 1'} Abs Neigungswinkel, aerodynamischer Anstellwinkel Absorption tatsächlicher Absorptionskoeffizient Absorptionsgrad im Bereich des sichtbaren Lichtes Absorptionskoeffizient des Absorbers Höhenwindexponent (Hellmann-Exponent, Rauhigkeitsexponent) Absorptionsgrad im Bereich des infraroten Lichtes Azimutwinkel Ausrichtung der Flächennormalen Sonnendeklination Emission Emissionsgrad im Bereich des sichtbaren Lichtes Emissionsgrad Absorber Emissionsgrad im Bereich des infraroten Lichtes V erl ustbei wert Verlustbeiwert für das Einlaufbauwerk Verlustbeiwert der Rohrleitung Turbinenwirkungsgrad Wirkungsgrad Wärmeleitfähigkeit Schnellaufzahl Wellenlänge Längengrad Bezugsmeridian Reflexion tatsächlicher Reflexionskoeffizient Reflexionskoeffizient im Bereich des sichtbaren Lichtes Reflexionskoeffizient des Absorbers Reflexionskoeffizient im Bereich des infraroten Lichtes Stefan-Boltzmann Konstante Transmission Transmissionskoeffizient im Bereich des sichtbaren Lichtes Transmissionskoeffizient der Gasabsorption Transmissionskoeffizient der Abdeckung Transmissionskoeffizient der Globalstrahlung Transmissionskoeffizient im Bereich des infraroten Lichtes Transmissionskoeffizient der Mie-Streuung Transmissionskoeffizient der Rayleigh-Streuung Einfallswinkel Zenitwinkel Temperatur Austrittstemperatur Eintrittstemperatur Absorbertemperatur

24 XXIV Liste der Formelzeichen ~u WSt (>Wa (>Wa.I.. 2 (>Wi q> I'!.t & I'!.F A I1Fw I'!.S 11~ UmgebungstemperatUf Stundenwinkel Dichte des Wassers Dichte des Wassers am Bilanzpunkt J bzw. 2 Dichte der Luft Breitengrad Zeitdauer Schichtmächtigkeit Auftriebskraft im Flächenelement Widerstandskraft im Flächenelement Flügelstreifen des Rotorblatts Temperaturgradient