M. Kaltschmitt, A. Wiese (Hrsg.) Erneuerbare Energien Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte Mit 166 Abbildungen und 73 Tabellen Springer
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung... 1 MARTIN KALTSCHMITT, ANDREAS WIESE 1.1 Energiesystem Deutschland.............................. 1 1.l. 1 Definition der Energiebegriffe...................... 1 1.1.2 Primär- und Endenergieverbrauch.................... 3 1.1.3 Verbrauch an elektrischer Energie.................... 7 1.2 Vorgehensweise...................................... 9 1.2.1 Regenerative Energiequellen......................., 9 1.2.2 Nutzung des regenerativen Energieangebots............ 11 Physikalisch-technische Grundlagen (1 1); Systemtechnische Beschreibung (12); Potentiale und Nutzung (16); Kosten (19); Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven (21); Vergleichende Systemanalyse (21) 1.2.3 Konventionelle Referenzsysteme.................... 23 Randbedingungen (23); Techniken zur Strombereitstellung (26); Techniken zur Wärmebereitstellung (30) 2 Grundlagen des regenerativen Energieangebots 35 2.1 Energiebilanz der Erde................... 35 ANDREAS WIESE 2.1.1 Energiequellen................................ 35 Sonne (35); Erdwärme (38); Planetengravitation und -bewegung (39) 2.1.2 Atmosphäre.................................. 40 2.1.3 Bilanz der Energieströme......................... 41 2.2 Solare Strahlung................................,.... 43 MARTIN KALTSCHMITT 2.2.1 Grundlagen des solaren Strahlungsangebots............ 44 Optische Fenster (44); Strahlungsschwächung (44); Strahlungsspektrum (45); Direkt-, Diffus- und Globalstrahlung (46); Direktstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Flächen (47); Diffusstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Flächen (48); 2.2.2 Globalstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Flächen (49) Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik......... 49 Strahlungsmessung (49); Strahlungsverteilung (50); Zeitliche Variationen (51)
X Inhaltsverzeichnis 2.3 Windenergie....................................... 56 ANDREAS WIESE 2.3.1 Grundlagen der Windentstehung.................... 56 Mechanismen (56); Weltweite Luftzirkulationssysteme (58); Lokale Luftzirkulationssysteme (59); Windleistung (61) 2.3.2 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik......... 62 Windrichtungs- und Geschwindigkeitsmessung (62); Windverteilung (62); Zeitliche Variationen (64); Häufigkeitsverteilung (67) 2.4 Lauf- und Speicherwasserangebot......................... 68 KLAUS JORDE, MARTIN KALTSCHMITT 2.4.1 Grundlagen des Wasserangebots.................... 68 Wasservorräte der Erde (68); Wasserkreislauf (69); Niederschlag (70); Vom Niederschlag zum Abfluß (71); Leistung und Arbeitsvermögen des Wassers (72) 2.4.2 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik......... 74 Messung wassertechnischer Größen (74); Niederschlagsverteilung und -Variationen (75); Flußsysteme, Abflußhöhe und -verlauf (78); Speicher (80) 2.5 Photosynthetisch fixierte Energie......................... 81 IRIS LEWANDOWSKI 2.5.1 Produktion organischer Masse durch Photosynthese....... 81 Aufbau und Zusammensetzung der Pflanze (81); Photosynthese (81); Einfluß verschiedener Wachstumsfaktoren (84) 2.5.2 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik......... 88 Räumliche Angebotscharakteristik (88); Zeitliche Angebotschar8kteristik (90) 2.6 Erdwärme... 90 FRITZ RUMMEL, ERNST HUENGES, MARTIN KALTSCHMITT 2.6.1 2.6.2 Grundlagen.................................. 91 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......... 95 Temperaturverteilung im flachen Untergrund (95); Temperaturverteilung im tiefen Untergrund (96); Zeitliche Abhängigkeit (97) 3 Solarthermische Wärmenutzung............................ 99 ANDREAS WIESE, WOLFGANG STREICHER, ALFRED KERSCHBERGER, HORST KÜSGEN 3.1 Physikalische Grundlagen.............................. 99 3.1.1 Absorption, Emission und Transmission............... 99 3.1.2 Optische Eigenschaften von Absorbern.............. 100 3.1.3 Optische Eigenschaften von Abdeckungen............ 101 3.1.4 Energiebilanz................................ 102 Allgemeine Energiebilanz (102); Energiebilanz des Kollektors (1 02) 3.1.5 Wirkungsgrad und solarer Deckungsgrad............. 105
Inhaltsverzeichnis XI 3.2 Systemtechnische Beschreibung passiver Solarenergienutzung.... 106 3.2.1 Definitionen..............,.................. 106 3.2.2 Funktionale Systeme.....,..,.................. 106 Direktgewinnsysteme (107); Indirekte Gewinnsysteme (107); Abgekoppelte Systeme (108) 3.2.3 Systemkomponenten........................... 109 Verschattungseinrichtung (109); Transparente Abdeckung (110); Absorber und Speicher (111) 3.3 Systemtechnische Beschreibung aktiver Solarenergienutzung..... 112 3,3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 Kollektoren................................. 112 Bauteile von Kollektoren (1 12); Montage (114); Kollektorbauarten und Anwendungsbereiche (1 15); Technische Daten und Kennlinien (1 18); Kollektorverschaltung (120) Weitere Systemelemente solarthermischer Anlagen...... 121 Speicher (121); Meß- und Regeleinrichtungen (124); Wärmeträgermedium (125); Leitungen (126); Wärmetauscher (126); Pumpen (127) Verlustmechanismen und Wirkungsgrade........,.... 127 Energiewandlungskette (127); Gesamtsystemverluste (128) Anlagenkonzepte.............................. 129 Anlagen ohne Umlauf (130); Offenes Naturumlaufsystem (130); Geschlossenes Naturumlaufsystem (13 1); Offenes Zwangsumlaufsystem (131); Geschlossenes Zwangsumlaufsystem (1 31) Anwendungen solarthermischer Anlagen............. 132 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.......... 145 3.4 Potentiale und Nutzung............,.................. 146 3.4.1 Potentiale................................... 146 Passive Solarenergienutzung (146); Aktive solarthermische Systeme (147) 3.5 3.4.2 Nutzung.................................... 148 Passive Solarenergienutzung (148); Aktive solarthermische Systeme (149) Kosten.......................................... 150 3.5.1 Investitionen und Betriebskosten................... 150 Passive Solarenergienutzung (150); Aktive solarthermische Systeme (150) 3.5.2 Wärmegestehungskosten........................ 154 Passive Solarenergienutzung (154); Aktive solarthermische Systeme (155) 3.6 Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven....... 156 Passive Solarenergienutzung (1 56); Aktive solarthermische Systeme (157)
XI Inhaltsverzeichnis 3.7 Vergleichende Systemanalyse... 158 3.7.1 Referenzannahmen... 159 3.7.2 Material., Energie., Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 159 Matenalbilanzen (159); Energiebilanz (162); Emissionsbilanzen (162); Flächenbedarf (163) 3.7.3 Potentiale... 163 3.7.4 Wirtschaftlichkeitsvergleich... 165 4 Photovoltaische Stromerzeugung... 167 MARTIN KALTSCHMITT. ANDREAS WIESE. FRIIZ PFISTERER 4.1 Physikalische Grundlagen... 167 4.1.1 Bändermodell... 167 4.1.2 Leiter. Halbleiter und Nichtleiter... 168 Leiter (168); Nichtleiter (169); Halbleiter (169) 4.1.3 Leitungsmechanismen in Halbleitern... 169 Eigenleitung (169); Störstellenleitung (170) 4.1.4 Photoeffekt... 172 Äußerer Photoeffekt (172); innerer Photoeffekt (172) 4.1.5 Der p-n-übergang... 173 4.1.6 Der photovoltaische Effekt... 174 4.2 Systemtechnische Beschreibung.... 176 4.2.1 Die Photovoltaik- oder Solarzelle... 176 Prinzipieller Aufbau und Ersatzschaltbild (176); Kennlinie (176); 4.2.2 Wirkungsgrad und Verluste (179); Zellentypen (181) Systemelemente einer Photovoltaikanlage... 184 Solarmodul (184); Wechselrichter (186); Aufständerung (190); 4.2.3 Sonstige Komponenten (191) Energiewandlungskette. Verluste und Leistungskennlinie.. 192 4.2.4 Energiewandlungskette (192); Verluste (193); Leistungskennlinie (194) Anlagenkonzepte und Anwendungsbereiche... 195 4.2.5 inselsysteme (195); Netzgekoppelte Anlagen (196) Kapazitätseffekte... 197 4.2.6 Material.. Energie.. Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 199 Definition von Referenztechniken (200); Bilanzen der photovoltaischen Stromerzeugung (201); Definition einer Versorgungsaufgabe (205); 4.2.7 Bilanzen des Versorgungssystems (206) Weitere Umwelteffekte und sonstige Aspekte... 207 4.3 Potentiale und Nutzung... 209 4.3.1 Potentiale... 210 Stromerzeugungspotentiale (210); Substituierbare Endenergie (212); Technische Primärenergiepotentiale (2 13) 4.3.2 Nutzung... 213 4.4 Kosten... 215 4.4.1 Investitionen und Betriebskosten... 215 4.4.2 Spezifische Stromgestehungskosten... 217 4.4.3 Back-up-Kosten... 219 4.5 Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven... 220
Inhaltsverzeichnis XIll 4.6 Vergleichende Systemanalyse........................... 221 4.6.1 Referenzannahmen............................ 222 4.6.2 Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 223 Matenalbilanzen (223); Energiebilanz (224); Emissionsbilanzen (226); Flächenbedarf (227) 4.6.3 4.6.4 Potentiale................................... 227 Wirtschaftlichkeitsvergleich...................... 229 5 Stromerzeugung aus Windenergie.......................... 231 ANDREM WIESE, MARTIN KALTSCHMITT, GERT NIMZ 5.1 Physikalische Grundlagen................,............ 231 5.1.1 Das idealisierte Windrad........................ 231 5.1.2 Widerstands- und Auftriebsprinzip................. 233 Widerstandsprinzip (233); Auftriebsprinzip (234) 5.2 Systemtechnische Beschreibung..................... 236 Bauformen............................... 236 Systemelemente von Horizontalachsenkonvertern....... 237 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.2.8 Rotor (238); Blattverstellmechanismus (241); Getriebe (242); Generator (243); Windrichtungsnachführung (245); Turm (245); Fundament (246); Netzanschluß (246) Energiewandlungskette, Verluste und Leistungskennlinie.. 248 Energiewandlungskette (248); Verluste (249); Leistungskennlinie (25 1) Leistungsregelung............................. 252 Stall-Regelung (253); Pitch-Regelung (254) Windparks.................................. 256 Kapazitätseffekte.............................. 259 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.......... 268 5.3 Potentiale und Nutzung............................... 270 5.3.1 Potentiale................................... 270 Stromerzeugungspotentiaie (270); Substituierbare Endenergie (274); Technische Primärenergiepotentiale (274) 5.3.2 Nutzung.............................,...... 275 5.4 Kosten.......................................... 276 5.4.1 Investitionen und Beiriebskosten................... 276 5.4.2 Spezifische Stromgestehungskosten................. 279 5.4.3 Back-up-Kosten.............................. 281 5.5 Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven....... 282
XIV Inhaltsverzeichnis 5.6 Vergleichende Systemanalyse........................... 285 5.6.1 Referenzannahmen............................ 285 5.6.2 Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 286 Materialbilanzen (287); Energiebilanz (287); Emissionsbilanzen (288); Flächenbedarf (290) 5.6.3 5.6.4 Potentiale................................... 291 Wirtschaftlichkeitsvergleich...................... 292 6 Stromeneugung aus Wasserkraft.......................... 295 KLAUS JORDE, ANDREAS WIESE, MARTIN KALTSCHMITT, TILLMANN HELLWIG 6.1 6.2 Physikalische Grundlagen............................. 295 Systemaufbau (295); Einlaufbauwerk (296); Druckrohrleitung (297); Turbine (297); Auslaufbauwerk (298); Gesamtsystem (298) Systemtechnische Beschreibung......................... 299 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.2.8 6.2.9 Schematischer Aufbau.......................... 299 Systematisierung und Bauformen............,..... 300 Niederdruckanlagen (300); Mitteldruckanlagen (303); Hochdruckanlagen (303) Systemkomponeten.........................,.. 304 Turbine (304); Wellenkupplung und Getriebe (309); Generatoren (309); Transformator (310); Staubauwerk (310); Tnebwasserzuleitung (310); Krafthaus (310) Insel- und Netzbetrieb.......................... 310 Regelung.................,................. 311 Energiewandlungskette, Verluste und Leistungsplan..... 31 1 Energiewandlungskette (31 1); Verluste (312); Betriebsverhalten und Leistungsplan (313) Kapazitätseffekte.............................. 3 15 Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 3 15 Definition der Referenztechniken (316); Bilanzen der wassertechnischen Stromerzeugung (317); Definition einer Versorgungsaufgabe (320); Bilanzen des Versorgungssystems (320) Weitere Umwelteffekte und sonstige Aspekte.......... 321 Stauhaltungen (322); Barrierenwirkung von Wehr- und Turbinenanlagen (322); Mindestwasserproblematik bei Ausleitungskraftwerken (323) 6.3 Potentiale und Nutzung.............,................. 324 6.3.1 Potentiale..,..............,................. 324 Stromerzeugungspotentiale (324); Substituierbare Endenergie (325); Technische Primärenergiepotentiale (326) 6.3.2 6.3.3 Nutzung...,.....,........,................. 327 Weitergehende Nutzungsmöglichkeiten.............. 329 Neubau weiterer Wasserkraftanlagen (329); Reaktivierung, Modernisierung, Umbau und Ausbau bestehender Wasserkraftanlagen (330); Hemmnisse (330)
Inhaltsverzeichnis XV 6.4 Kosten...,...................................... 331 6.4.1 Investitionen und Betriebskosten...,............... 331 6.4.2 Spezifische Stromgestehungskosten,................ 333 6.4.3 Back-up-Kosten.............................. 335 6.5 Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven....... 335 6.6 Vergleichende Systemanalyse........................... 337 6.6.1 Referenzannahmen...................,........ 337 6.6.2 Material-, Energie-, Emissionsbilanzen und Flächenbedarf. 338 Matenalbilanzen (339); Energiebilanz (339); Emissionsbilanzen (341); Flächenbedarf (341) 6.6.3 6.6.4 Potentiale................................... 342 Wirtschaftlichkeitsvergleich...................... 342 7 Erdwärmenutzung... 345 7.1 7.2 7.3 Oberflächennahe Erdwärmenutzung...................... 345 MARTIN KALTSCHMITT, RAINER Lux, BURKHARD SANNER 7.1.1 Systemtechnische Beschreibung................... 346 Wärmesammler erdgekoppelter Wärmepumpen (346); Wärmepumpe (351); Weitere Nutzungsmöglichkeiten oberflächennaher Erdwärme (355); Anlagenbeispiel einer erdgekoppelten Wärmepumpe (356); 7.1.2 7.1.3 Umweltaspekte (357) Potentiale und Nutzung......................... 360 Potentiale (360); Nutzung (361) Kosten...............,..................... 362 Investitionen (362); Betriebskosten (363); Wärmegestehungskosten (364) 7.1.4 Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven. 365 Hydrothermale Erdwärmenutzung........................ 366 INGO BACHMANN, FRANK KABUS, PETER SElBT 7.2.1 Systemtechnische Beschreibung................... 366 Untertageteil des Thermalwasserkreislaufs (366); Obertageteil des Thermalwasserkreislaufs (370); Einkopplung in Versorgungssysteme (376); Umweltaspekte (378) 7.2.2 Potentiale und Nutzung......................... 379 Potentiale (379); Nutzung (382) 7.2.3 Kosten..................................... 383 Systemkosten (383); Wärmegestehungskosten (384) 7.2.4 Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven. 387 Nutzung heißer, trockener Gesteinsschichten................ 390 OSKAR KAPPELMAYER, MARTIN KALTSCHMITT, FRlTZ RUMMEL 7.3.1 Systemtechnische Beschreibung................... 390 Wärmetauscher im Gestein (391); Wärmebereitstellung (393); Stromerzeugung (393); Umweltaspekte (394) 7.3.2 Potentiale................................... 395 7.3.3 Kosten..................................... 397 7.3.4 Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven. 398
XVI Inhaltsverzeichnis 8 Zusammenfassender Vergleich... 401 ANDREAS WIESE. MARTIN KALTSCHMITT 8.1 Regenerative Energien zur Stromerzeugung... 401 8.1.1 Meteorologisches Energieangebot... 402 8.1.2 Technische Nutzbarmachung... 404 Technische Kenngrößen (404); Stromerzeugungscharakteristik (408); Material.. Energie.. Emissionsbilanzen und Flächenbedarf (410) 8.1.3 Potentiale und Nutzung... 412 8.2 Potentiale (412); Nutzung (416) 8.1.4 Kosten... 417 Regenerative Energien zur Wärmebereitstellung... 420 Anhang I: Möglichkeiten einer energetischen Nutzung von Biomasse. 423 Anhang II: Energieeinheiten... 427 Literatur... 429 Sachverzeichnis... 443