Jochem Unger. Alternative Energietechnik

Transkript

1 Jochem Unger Alternative Energietechnik

2 Jochem Unger Alternative Energietechnik 3., überarbeitete und erweiterte Auflage STUDIUM

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Prof. Dr.-Ing. Jochem Unger 1944 geboren in Bad Soden (Ts.). Von 1960 bis 1963 Lehrausbildung zum Technischen Zeichner. Von 1963 bis 1966 Studium des Maschinenbaus an der Ing.-Schule Darmstadt und von 1967 bis 1971 Studium des Maschinenbaus (Flugzeugbau) an der Technischen Hochschule Darmstadt. Von 1972 bis 1976 wiss. Mitarbeiter am Institut für Mechanik der Technischen Hochschule Darmstadt (Arbeitsgruppe von Prof. Becker) und anschließend bis 1985 Fachreferent bei der Kraftwerk Union AG Promotion, 1983 Habilitation für das Fach Mechanik an der Technischen Hochschule Darmstadt. Von 1983 bis 1990 Priv.-Dozent für Mechanik an der Technischen Hochschule Darmstadt. Seit 1985 Professor für Wärme- und Regelungstechnik an der Fachhochschule Darmstadt und seit 1991 Honorarprofessor an der Technischen Universität Darmstadt. 1. Auflage Auflage ,überarbeitete und erweiterte Auflage 2009 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Ulrich Sandten Kerstin Hoffmann Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

4 Vorwort Dieses Buch ist im Rahmen der vierstündigen Vorlesung "Alternative Energietechnik" herangewachsen, die ich an der Technischen Hochschule Darmstadt seit 1990 jeweils im Sommersemester gehalten habe. Mit einigen Einschränkungen ist diese Vorlesung deckungsgleich mit der Vorlesung "Umwelttechnik", die ich mit Beginn des Sommersemesters 1993 als neues Standardfach auch an der Fachhochschule Darmstadt für die Studenten des Fachbereichs Maschinenbau eingeführt habe. Mittlerweile ist aus der Hochschule eine Universität und aus der Fachhochschule eine Hochschule geworden. Die Vorlesung an der Technischen Universität Darmstadt findet immer noch jedes Sommersemester statt, jetzt aber interdiszipliniert für alle Fachbereiche. Die entsprechende Vorlesung an der Hochschule Darmstadt wird jetzt erweitert auch für Studenten der Energiewirtschaft angeboten. Das vorliegende Buch soll keine möglichst vollständige Auflistung aller machbaren oder gar exotischen Energietechniken sein. Es geht hier um die Erweiterung der klassischen Energietechnik, die sich allein mit den Maschinen und den in ihnen ablaufenden Prozessen beschäftigt. Durch die Erweiterung soll das Leben ins Kalkül mit eingebracht, die Energiekultur unserer Gesellschaft verbessert, ein möglicher Weg zu einer ökologisch ausgerichteten Volkswirtschaft aufgezeigt werden. Dabei stehen thematisch drei Schwerpunkte im Vordergrund. Diese sind das Erkennen und Berücksichtigen von Rückwirkungen infolge des volkswirtschaftlichen Prozesses (Produktion und Konsum), das Problem der prinzipiellen "Nicht-Quantifizierbarkeit" umweltrelevanter Entscheidungskriterien und Auswege aus diesem Dilemma sowie die Wiederherstellung des Technikkonsenses, ohne den eine Industriezivilisation dauerhaft nicht existieren kann. Zur Beurteilung dieser Gesamtproblematik werden zunächst sowohl technische als auch umweltrelevante Kriterien erarbeitet. Da die umweltrelevanten Kriterien wesentlich mit dem Zeitverhalten der natürlichen Umwelt verknüpft sind, in die Techniksysteme eingebettet sind, wird dem Systemverhalten besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Mit den hieraus resultierenden Kenntnissen zur Selbstorganisation wird schließlich die Brücke zum gesellschaftspolitischen System geschlagen. Ebenso, wie eine Schneeflocke aufgrund der Naturgesetze in der richtigen Umgebung immer wieder selbstorganisierend zur Schneeflocke wird, verhalten sich gesellschaftspolitische Systeme entsprechend der installierten Rahmenbedingungen und nicht etwa wie einzelne politische Akteure. Diese Eigenschaft der Selbstorganisation, die letztlich das Rückgrat jeder Demokratie bildet, gilt es unter Hinzunahme ökologischer Rahmenbedingungen zu nutzen, um vom derzeit darwinistischen Wirtschaften hin zu einem humanen volkswirtschaftlichen Prozess gelangen zu können. Der Mensch als soziales Wesen kann

5 4 Vorwort zivilisatorisch bleibende Leistungen nur in der Gemeinschaft erbringen. Dazu muss ein Grundkonsens vorhanden sein. Deshalb ist ein Abbau von Feindbildern und ideologischen Verblendungen notwendig, der nur durch vertrauensbildende Prozesse erreicht werden kann. All diese Aspekte, bis hin zur Internalisierung umweltrelevanter Kosten, die mit Hilfe des Verursacherprinzips durchgesetzt, selbstorganisierend zur Vollausschöpfung des Minimalprinzips und zugleich zu minimalen Kosten führen, werden mit einfachen mathematischen Modellen anschaulich studiert, so dass elementarste Kenntnisse der Mathematik und der jeweiligen Fachdisziplinen zum Verständnis genügen, die eigentlich Allgemeinwissen sein sollten. Hierauf wurde besonders Wert gelegt, denn ökologisch sinnvolle Entwicklungen sind nur zu erwarten, wenn im interdisziplinären Prozess alle Beteiligten selbst die Entscheidung ökologisch mittragen können. Diese Dinge sind so wichtig, dass sie nicht delegierbar sind. Dieses Ziel des eigenverantwortlichen Beurteilens und HandeIns wird auch mit der facettemeichen Aufgabensammlung am Ende des Buches verfolgt, die den Leser zur aktiven Mitarbeit amegen soll. Um den Zeitaufwand für den Leser so gering wie möglich zu halten, sind zu den einzelnen Aufgaben die jeweiligen Lösungswege angegeben. Nachdem nach langem Ringen der Umwelt- und Naturschutz allgemeine Anerkennung gefunden hat, kommt es heute zum politischen Missbrauch der Ökologischen-Idee. Der prinzipiell zu begrüßende Aufbau der Erneuerbaren Energien mit dem Ziel der Nachhaltigkeit wird durch eine maßlos übertriebene Installation von noch nicht ausgereifter oder falsch platzierter Technik zur Farce gemacht. Die Sozialverträglichkeit und Versorgungssicherheit steht auf dem Spiel. Verstärkt wird dies alles durch die Biomassen Euphorie, die wegen nicht verfügbarer Anbauflächen in Deutschland weltweit zu Umweltzerstörungen in größtem Ausmaß führt. Die Ziele von Nachhaltigkeit und Klimaneutralität werden in keinem Fall erreicht. Eine regenerativ versorgte Welt setzt Gesellschaftsformen und Populationen voraus, die nichts mit unserer industriell geprägten Gesellschaft zu tun haben. Dagegen wird die Kerntechnik mit dem geringsten Landschaftsverbrauch verteufelt, die im Hinblick auf die zu erwartende große industrielle Welt-Population allein in der Lage ist, die Natur als klimaprägendes Element zu erhalten. Das vorliegende Buch wurde speziell so erweitert, um diese Missstände detailliert aufzeigen und den Auswüchsen möglichst schnell entgegenwirken zu können. Für die Erstellung des Manuskripts danke ich ganz besonders Frau Jutta Schmitt, die von meinem ehemaligen Studenten Herrn Fouad El-Rharbaoui unterstützt wurde. Darmstadt, September 2008 Jochem Unger

6 Inhalt 1 Einführung Nutzbare Effekte Anergie, Exergie Masse- und Energiefluss Schadstoffe Umweltverträglichkeit 23 2 Energetische Beurteilungskriterien : Wirkungsgrad Wasserkraft Windkraft Aufwindkraft Wärmekraft Lichtkraft Solarheizung Fossilheizung Wärmepumpe Energie-Erntefaktor Energie, Kosten, Bauweisen Nicht-regenerative Systeme Regenerative Systeme Global-Wirkungsgrad Exergie und Entropie in technischen und natürlichen Systemen Umweltrelevante Beurteilungskriterien Leistungsdichte, Gefahrenpotential Gefahrenpotential, Todeszahlen Todeszahlen, Eintrittswahrscheinlichkeiten, Risiko Nicht-inhärent sichere Systeme Inhärent sichere Systeme

7 6 Inhalt 3.4 Systemeigenschaften Selbstregelung Chaotisches Verhalten Totzeit- und Pufferverhalten Gleichgewichtsverhalten natürlicher und technischer Systeme Technische Systeme regenerativer Natur Organisation und Selbstorganisation Schwellenverhalten und Grenzwerte Minimalprinzip und Ökobilanz Verwaltungs- und Genehmigungsvorschriften Ethik Konsequenzen Energiewirtschaft der BRD C02-freie Energiewirtschaft Photovoltaik und Windenergie C02-Sequestrierung fossiler Kraftwerke Solare Wasserstofftechnologie Biomasse Treibstoffe Geothermie Kerntechnik Energiespeicher Energiekonsens Neuorientierung Neubeurteilung Übergeordnete Szenarien Übungsaufgaben und Lösungen Aufgaben Lösungen Ergänzende und weiterführende Literatur 291 Sachverzeichnis

8 Häufig vorkommende Symbole A Fläche, Querschnitt An Anergie BRD Bundesrepublik Deutschland (alte Länder) BSP, BIP Bruttosozialprodukt, Bruttoinlandsprodukt C spezifische Wärmekapazität CB Ausbeutekoeffizient o Durchmesser, Dosisbelastung Oe Grenzwert E Energie, innere Energie Ex Exergie f Kosten/Energie-Urnrechnungsfaktor F Kraft g Erdbeschleunigung GP Gefahrenpotenzial K Kosten Ks spezifische Kosten m Massenstrom M Masse 0(...) Größenordnung von... p statischer Druck P Leistung PEV Primärenergievergleich q Leistung/Volumen, Fläche, Strecke qs Solarkonstante: Erde, blauer Himmel Q Wärmeenergie Q Wärmeleistung R spezielle Gaskonstante, Risiko S Entropie T,T, Ti Zeit, Temperatur, Zeitkonstante U Geschwindigkeit, elektrische Spannung V Volumen V Volumenstrom W mechanische Energie, Wirkung, Eintrittswahrscheinlichkeit x Ortskoordinate, Population r5 Global-Wirkungsgrad ~ differenz Energie-Erntefaktor TJ Wirkungsgrad p Dichte (J" empirische Entropie