M. Kaltschmitt, A. Wiese (Hrsg.) Erneuerbare Energien. Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte. Mit 166 Abbildungen und 73 Tabellen.

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1 M. Kaltschmitt, A. Wiese (Hrsg.) Erneuerbare Energien Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte Mit 166 Abbildungen und 73 Tabellen Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung... 1 MARTIN KALTSCHMITT, ANDREAS WIESE 1.1 Energiesystem Deutschland l. 1 Definition der Energiebegriffe Primär- und Endenergieverbrauch Verbrauch an elektrischer Energie Vorgehensweise Regenerative Energiequellen , Nutzung des regenerativen Energieangebots Physikalisch-technische Grundlagen (1 1); Systemtechnische Beschreibung (12); Potentiale und Nutzung (16); Kosten (19); Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven (21); Vergleichende Systemanalyse (21) Konventionelle Referenzsysteme Randbedingungen (23); Techniken zur Strombereitstellung (26); Techniken zur Wärmebereitstellung (30) 2 Grundlagen des regenerativen Energieangebots Energiebilanz der Erde ANDREAS WIESE Energiequellen Sonne (35); Erdwärme (38); Planetengravitation und -bewegung (39) Atmosphäre Bilanz der Energieströme Solare Strahlung , MARTIN KALTSCHMITT Grundlagen des solaren Strahlungsangebots Optische Fenster (44); Strahlungsschwächung (44); Strahlungsspektrum (45); Direkt-, Diffus- und Globalstrahlung (46); Direktstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Flächen (47); Diffusstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Flächen (48); Globalstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Flächen (49) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Strahlungsmessung (49); Strahlungsverteilung (50); Zeitliche Variationen (51)

3 X Inhaltsverzeichnis 2.3 Windenergie ANDREAS WIESE Grundlagen der Windentstehung Mechanismen (56); Weltweite Luftzirkulationssysteme (58); Lokale Luftzirkulationssysteme (59); Windleistung (61) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Windrichtungs- und Geschwindigkeitsmessung (62); Windverteilung (62); Zeitliche Variationen (64); Häufigkeitsverteilung (67) 2.4 Lauf- und Speicherwasserangebot KLAUS JORDE, MARTIN KALTSCHMITT Grundlagen des Wasserangebots Wasservorräte der Erde (68); Wasserkreislauf (69); Niederschlag (70); Vom Niederschlag zum Abfluß (71); Leistung und Arbeitsvermögen des Wassers (72) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Messung wassertechnischer Größen (74); Niederschlagsverteilung und -Variationen (75); Flußsysteme, Abflußhöhe und -verlauf (78); Speicher (80) 2.5 Photosynthetisch fixierte Energie IRIS LEWANDOWSKI Produktion organischer Masse durch Photosynthese Aufbau und Zusammensetzung der Pflanze (81); Photosynthese (81); Einfluß verschiedener Wachstumsfaktoren (84) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Räumliche Angebotscharakteristik (88); Zeitliche Angebotschar8kteristik (90) 2.6 Erdwärme FRITZ RUMMEL, ERNST HUENGES, MARTIN KALTSCHMITT Grundlagen Erdaufbau (91); Temperaturgradient (92); Wärmeinhalt und Verteilung der Quellen in der Erde (92); Terrestrische Wärmestromdichte (93); Wärmebilanz an der Erdoberfläche (93); Geothermische Systeme und Ressourcen (94) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik Temperaturverteilung im flachen Untergrund (95); Temperaturverteilung im tiefen Untergrund (96); Zeitliche Abhängigkeit (97) 3 Solarthermische Wärmenutzung ANDREAS WIESE, WOLFGANG STREICHER, ALFRED KERSCHBERGER, HORST KÜSGEN 3.1 Physikalische Grundlagen Absorption, Emission und Transmission Optische Eigenschaften von Absorbern Optische Eigenschaften von Abdeckungen Energiebilanz Allgemeine Energiebilanz (102); Energiebilanz des Kollektors (1 02) Wirkungsgrad und solarer Deckungsgrad

4 Inhaltsverzeichnis XI 3.2 Systemtechnische Beschreibung passiver Solarenergienutzung Definitionen , Funktionale Systeme.....,.., Direktgewinnsysteme (107); Indirekte Gewinnsysteme (107); Abgekoppelte Systeme (108) Systemkomponenten Verschattungseinrichtung (109); Transparente Abdeckung (110); Absorber und Speicher (111) 3.3 Systemtechnische Beschreibung aktiver Solarenergienutzung , Kollektoren Bauteile von Kollektoren (1 12); Montage (114); Kollektorbauarten und Anwendungsbereiche (1 15); Technische Daten und Kennlinien (1 18); Kollektorverschaltung (120) Weitere Systemelemente solarthermischer Anlagen Speicher (121); Meß- und Regeleinrichtungen (124); Wärmeträgermedium (125); Leitungen (126); Wärmetauscher (126); Pumpen (127) Verlustmechanismen und Wirkungsgrade , Energiewandlungskette (127); Gesamtsystemverluste (128) Anlagenkonzepte Anlagen ohne Umlauf (130); Offenes Naturumlaufsystem (130); Geschlossenes Naturumlaufsystem (13 1); Offenes Zwangsumlaufsystem (131); Geschlossenes Zwangsumlaufsystem (1 31) Anwendungen solarthermischer Anlagen Solare Freibadbeheizung (132); Dezentrale Kleinanlagen (133); Solare Nahwärmesysteme (135); Sonstige Anwendungen (137) Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 138 Definition von Versorgungsaufgabe und Referenztechniken (1 38); Bilanzen der solarthermischen Wärmenutzung (140); Bilanzen des Versorgungssystems (144) Weitere Umwelteffekte und sonstige Aspekte Potentiale und Nutzung , Potentiale Passive Solarenergienutzung (146); Aktive solarthermische Systeme (147) Nutzung Passive Solarenergienutzung (148); Aktive solarthermische Systeme (149) Kosten Investitionen und Betriebskosten Passive Solarenergienutzung (150); Aktive solarthermische Systeme (150) Wärmegestehungskosten Passive Solarenergienutzung (154); Aktive solarthermische Systeme (155) 3.6 Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Passive Solarenergienutzung (1 56); Aktive solarthermische Systeme (157)

5 XI Inhaltsverzeichnis 3.7 Vergleichende Systemanalyse Referenzannahmen Material., Energie., Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 159 Matenalbilanzen (159); Energiebilanz (162); Emissionsbilanzen (162); Flächenbedarf (163) Potentiale Wirtschaftlichkeitsvergleich Photovoltaische Stromerzeugung MARTIN KALTSCHMITT. ANDREAS WIESE. FRIIZ PFISTERER 4.1 Physikalische Grundlagen Bändermodell Leiter. Halbleiter und Nichtleiter Leiter (168); Nichtleiter (169); Halbleiter (169) Leitungsmechanismen in Halbleitern Eigenleitung (169); Störstellenleitung (170) Photoeffekt Äußerer Photoeffekt (172); innerer Photoeffekt (172) Der p-n-übergang Der photovoltaische Effekt Systemtechnische Beschreibung Die Photovoltaik- oder Solarzelle Prinzipieller Aufbau und Ersatzschaltbild (176); Kennlinie (176); Wirkungsgrad und Verluste (179); Zellentypen (181) Systemelemente einer Photovoltaikanlage Solarmodul (184); Wechselrichter (186); Aufständerung (190); Sonstige Komponenten (191) Energiewandlungskette. Verluste und Leistungskennlinie Energiewandlungskette (192); Verluste (193); Leistungskennlinie (194) Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche inselsysteme (195); Netzgekoppelte Anlagen (196) Kapazitätseffekte Material.. Energie.. Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 199 Definition von Referenztechniken (200); Bilanzen der photovoltaischen Stromerzeugung (201); Definition einer Versorgungsaufgabe (205); Bilanzen des Versorgungssystems (206) Weitere Umwelteffekte und sonstige Aspekte Potentiale und Nutzung Potentiale Stromerzeugungspotentiale (210); Substituierbare Endenergie (212); Technische Primärenergiepotentiale (2 13) Nutzung Kosten Investitionen und Betriebskosten Spezifische Stromgestehungskosten Back-up-Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven

6 Inhaltsverzeichnis XIll 4.6 Vergleichende Systemanalyse Referenzannahmen Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 223 Matenalbilanzen (223); Energiebilanz (224); Emissionsbilanzen (226); Flächenbedarf (227) Potentiale Wirtschaftlichkeitsvergleich Stromerzeugung aus Windenergie ANDREM WIESE, MARTIN KALTSCHMITT, GERT NIMZ 5.1 Physikalische Grundlagen , Das idealisierte Windrad Widerstands- und Auftriebsprinzip Widerstandsprinzip (233); Auftriebsprinzip (234) 5.2 Systemtechnische Beschreibung Bauformen Systemelemente von Horizontalachsenkonvertern Rotor (238); Blattverstellmechanismus (241); Getriebe (242); Generator (243); Windrichtungsnachführung (245); Turm (245); Fundament (246); Netzanschluß (246) Energiewandlungskette, Verluste und Leistungskennlinie Energiewandlungskette (248); Verluste (249); Leistungskennlinie (25 1) Leistungsregelung Stall-Regelung (253); Pitch-Regelung (254) Windparks Kapazitätseffekte Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 261 Definition von Referenztechniken (261); Bilanzen einer windtechnischen Stromemugung (262); Definition einer Versorgungsaufgabe (266); Bilanzen des Versorgungssystems (266) Weitere Umwelteffekte und sonstige Aspekte Potentiale und Nutzung Potentiale Stromerzeugungspotentiaie (270); Substituierbare Endenergie (274); Technische Primärenergiepotentiale (274) Nutzung , Kosten Investitionen und Beiriebskosten Spezifische Stromgestehungskosten Back-up-Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven

7 XIV Inhaltsverzeichnis 5.6 Vergleichende Systemanalyse Referenzannahmen Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 286 Materialbilanzen (287); Energiebilanz (287); Emissionsbilanzen (288); Flächenbedarf (290) Potentiale Wirtschaftlichkeitsvergleich Stromeneugung aus Wasserkraft KLAUS JORDE, ANDREAS WIESE, MARTIN KALTSCHMITT, TILLMANN HELLWIG Physikalische Grundlagen Systemaufbau (295); Einlaufbauwerk (296); Druckrohrleitung (297); Turbine (297); Auslaufbauwerk (298); Gesamtsystem (298) Systemtechnische Beschreibung Schematischer Aufbau Systematisierung und Bauformen , Niederdruckanlagen (300); Mitteldruckanlagen (303); Hochdruckanlagen (303) Systemkomponeten , Turbine (304); Wellenkupplung und Getriebe (309); Generatoren (309); Transformator (310); Staubauwerk (310); Tnebwasserzuleitung (310); Krafthaus (310) Insel- und Netzbetrieb Regelung , Energiewandlungskette, Verluste und Leistungsplan Energiewandlungskette (31 1); Verluste (312); Betriebsverhalten und Leistungsplan (313) Kapazitätseffekte Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbedarf Definition der Referenztechniken (316); Bilanzen der wassertechnischen Stromerzeugung (317); Definition einer Versorgungsaufgabe (320); Bilanzen des Versorgungssystems (320) Weitere Umwelteffekte und sonstige Aspekte Stauhaltungen (322); Barrierenwirkung von Wehr- und Turbinenanlagen (322); Mindestwasserproblematik bei Ausleitungskraftwerken (323) 6.3 Potentiale und Nutzung , Potentiale.., , Stromerzeugungspotentiale (324); Substituierbare Endenergie (325); Technische Primärenergiepotentiale (326) Nutzung...,....., , Weitergehende Nutzungsmöglichkeiten Neubau weiterer Wasserkraftanlagen (329); Reaktivierung, Modernisierung, Umbau und Ausbau bestehender Wasserkraftanlagen (330); Hemmnisse (330)

8 Inhaltsverzeichnis XV 6.4 Kosten..., Investitionen und Betriebskosten..., Spezifische Stromgestehungskosten, Back-up-Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven Vergleichende Systemanalyse Referenzannahmen , Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 338 Matenalbilanzen (339); Energiebilanz (339); Emissionsbilanzen (341); Flächenbedarf (341) Potentiale Wirtschaftlichkeitsvergleich Erdwärmenutzung Oberflächennahe Erdwärmenutzung MARTIN KALTSCHMITT, RAINER Lux, BURKHARD SANNER Systemtechnische Beschreibung Wärmesammler erdgekoppelter Wärmepumpen (346); Wärmepumpe (351); Weitere Nutzungsmöglichkeiten oberflächennaher Erdwärme (355); Anlagenbeispiel einer erdgekoppelten Wärmepumpe (356); Umweltaspekte (357) Potentiale und Nutzung Potentiale (360); Nutzung (361) Kosten , Investitionen (362); Betriebskosten (363); Wärmegestehungskosten (364) Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven. 365 Hydrothermale Erdwärmenutzung INGO BACHMANN, FRANK KABUS, PETER SElBT Systemtechnische Beschreibung Untertageteil des Thermalwasserkreislaufs (366); Obertageteil des Thermalwasserkreislaufs (370); Einkopplung in Versorgungssysteme (376); Umweltaspekte (378) Potentiale und Nutzung Potentiale (379); Nutzung (382) Kosten Systemkosten (383); Wärmegestehungskosten (384) Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven. 387 Nutzung heißer, trockener Gesteinsschichten OSKAR KAPPELMAYER, MARTIN KALTSCHMITT, FRlTZ RUMMEL Systemtechnische Beschreibung Wärmetauscher im Gestein (391); Wärmebereitstellung (393); Stromerzeugung (393); Umweltaspekte (394) Potentiale Kosten Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven. 398

9 XVI Inhaltsverzeichnis 8 Zusammenfassender Vergleich ANDREAS WIESE. MARTIN KALTSCHMITT 8.1 Regenerative Energien zur Stromerzeugung Meteorologisches Energieangebot Technische Nutzbarmachung Technische Kenngrößen (404); Stromerzeugungscharakteristik (408); Material.. Energie.. Emissionsbilanzen und Flächenbedarf (410) Potentiale und Nutzung Potentiale (412); Nutzung (416) Kosten Regenerative Energien zur Wärmebereitstellung Anhang I: Möglichkeiten einer energetischen Nutzung von Biomasse. 423 Anhang II: Energieeinheiten Literatur Sachverzeichnis