Inhaltsverzeichnis. vii

Transkript

1 Inhaltsverzeichnis 1 Kontext Energie Grundprobleme des globalen Energiesystems Begrenztheit der Ressourcen Gerechtigkeit der Verteilung Klimawandel Lösungsansätze Szenarien einer zukünftigen Entwicklung Energiepotenziale Szenarien und Prognosen Beispiel: Leitszenario Exkurse Externe Kosten der Energieerzeugung Kernenergie Kernfusion CO 2 -Abtrennung Literaturverzeichnis Energieeffizienz Ansätze zur Energiebedarfsreduktion Energieeffizienz in Gebäuden Anwendungsbeispiel für eine Energieeffizenzanalyse Literaturverzeichnis Regenerative Energiequellen Strahlungsangebot der Sonne Strahlung und Materie Strahlungsquelle Sonne Einfluss der Erdatmosphäre Direktstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche vii

2 viii Inhaltsverzeichnis Global- und Diffusstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche Jahressumme der Globalstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche Auslegungshilfsmittel Sonnenstandsdiagramm Auslegungshilfsmittel Strahlungsatlas Messung der Einstrahlung Erdwärme Oberflächennahe Nutzung Tiefe Erdwärme Biomasse Biomassebereitstellung Biomasseproduktion Physikalische und chemische Charakterisierung von Bioenergieträgern Ökologie und Nachhaltigkeit Windenergie Windentstehung Leistung des Windes Grenzschicht Häufigkeitsverteilung Messung der Windverhältnisse Energiepotenzial der Wasserkraft Wasserkreislauf Nutzbarer Niederschlagsanteil Arbeitsvermögen des Wassers Weltweites Nutzungspotenzial Literaturverzeichnis Photovoltaik Geschichte der Photovoltaik Physikalische Grundlagen Einführung in die Halbleitertheorie Generations- und Rekombinationsprozesse Die Solarzelle als p-n-übergang Modellbildung für eine reale Solarzelle Komponenten Herstellungsverfahren für kristalline Si-Solarzellen Herstellungsverfahren für Dünnschicht-Solarzellen Solarmodule Aufständerung Stromrichter Systemtechnik Verschaltung von Solarzellen zu Solargeneratoren Regelung von Solargeneratoren...163

3 Inhaltsverzeichnis ix Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen Photovoltaik-Inselanlagen Auslegungsbeispiele Inselnetz Flanitzhütte PV-Kraftwerk Nentzelsrode Literaturverzeichnis Solarthermie Geschichte der solarthermischen Energienutzung Physikalische Grundlagen Strahlungsphysikalische Grundlagen Strahlungstransmission Absorption und Strahlungswandlung Strahlungskonzentration Wärmetransport im Kollektor Kollektormodellierung Komponenten Absorber Transparente Abdeckungen Kollektoren Kollektorkreis Systemtechnik Betriebssysteme System-Kennwerte Solare Trinkwassererwärmung im Ein- und Zweifamilienhaus Große Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung Solare Heizungsunterstützung Literaturverzeichnis Geothermie Geschichte der geothermischen Energienutzung Grundlagen Modellierung von Erdwärmesonden Thermodynamik der Wärmepumpen Thermodynamik der geothermischen Stromerzeugung Komponenten und Systemtechnik Erdwärmesonden Erdkollektoren Grundwasserbrunnen Wärmepumpen Auslegungsbeispiele Geothermische Beheizung eines Einfamilienhauses Geothermisches Kraftwerk Ribeira Grande, Azoren Literaturverzeichnis...320

4 x Inhaltsverzeichnis 7 Biomasse (Joachim Fischer) Geschichte der energetischen Biomassenutzung Thermochemische Umwandlung Verbrennung Emissionen aus der Biomasseverbrennung Anwendungsbereiche und Technologien zur Wärme- und Stromerzeugung Besonderheiten bei der Verbrennung von Halmgut und Getreide Technologien zur Verbrennung von Biomasse in Großfeuerungsanlagen Kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom aus Biomasse Biomassevergasung: Grundlagen und Anwendung Biochemische Umwandlung Grundlagen der Biogaserzeugung Dimensionierung von Biogasanlagen Technik zur Erzeugung von Biogas Technik zur Nutzung von Biogas Flüssige Bioenergieträger: Biokraftstoffe Pflanzenölkraftstoff und Biodiesel Bioethanol Synthetische Biokraftstoffe Literaturverzeichnis Windkraftanlagen (Thomas Link) Einführung Typisierung und Aufbau Die Betzsche Theorie Die Rankinesche Strahltheorie Aerodynamik des Rotors Die aerodynamischen Verhältnisse am Rotorblatt Die Blattelementmethode Der Wirkungsgrad Die Verwindung der Rotorblätter Regelungskonzepte Stall-Anlagen Drehzahlvariabler Stall Pitch-Regelung Active-Stall Literaturverzeichnis...402

5 Inhaltsverzeichnis xi 9 Wasserkraftanlagen (Thomas Link) Einführung Typisierung und Aufbau Wasserturbinen Die Peltonturbine Die Francisturbine Die Kaplanturbine Die Eulersche Turbinenhauptgleichung Literaturverzeichnis Elektrische Energiesysteme Struktur des elektrischen Energieversorgungssystems Integration von Photovoltaikanlagen Integration von Windkraftanlagen Literaturverzeichnis Thermische Energiesysteme Struktur der thermischen Energieversorgung Integration von Kraft-Wärme-Kopplung, Biomasse und Geothermie in Nahwärmenetze Integration solarer Wärme in Nahwärmenetze Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz Literaturverzeichnis Mobilität Kraftstoffe Biokraftstoffe Wasserstoff Elektrofahrzeuge Batteriegespeiste Elektrofahrzeuge Brennstoffzellengespeiste Elektrofahrzeuge Literaturverzeichnis Thermodynamische Bewertung Regenerativer Energiewandlungen Die Energie Die Entropie Erscheinungsformen der Energie Gewollte und ungewollte Energiewandlungen Energiewandlung innerhalb des Systems Energietransport über die Systemgrenze Ungewollte Energieumwandlungen Energiebilanzen für geschlossene und offene Systeme Geschlossene Systeme Offene Systeme Exergie, Anergie, Wirkungs- und Nutzungsgrad Stoffeigenschaften

6 xii Inhaltsverzeichnis Thermische Zustandsgleichungen Kalorische Zustandsgleichungen Idealgas Reale Gase Ideale Flüssigkeiten und Feststoffe Reale Flüssigkeiten und Feststoffe Thermodynamische Maschinen und Komponenten Pumpen Verdichter Turbinen Wärmeübertrager Drossel Kreisprozesse Thermodynamik der solaren Energiewandlung Thermodynamik der Strahlung Solarthermischer Umwandlungspfad Photovoltaischer Umwandlungspfad Literaturverzeichnis Sachverzeichnis...521

7