Technik erneuerbarer Energien
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Stuttgart
Ulmer
2015
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1 EINFUEHRUNG - STRUKTUR DES ENERGIEBEDARFS IN
DEUTSCHLAND (A. RATKA) 13
1.1 ENERGIEBEDARFSSTRUKTUR IN DEUTSCHLAND 14
1.2 GRUENDE FUER DIE NUTZUNG ERNEUERBARER ENERGIEN 17
1.3 HINDERNISSE BEI DER NUTZUNG ERNEUERBARER ENERGIEN .;. 26
1.4 POTENTIALE 32
1.5 WEGE ZU EINEM ENERGIEVERSORGUNGSSYSTEM BASIEREND
AUF EMEUERBAREN ENERGIEN UND ENERGIEEFFIZIENZ 33
LITERATUR 41
GLOSSAR 42
2 PHOTOVOLTAIK (B. EHRMAIER) 44
2.1 EINLEITUNG 44
2.1.1 ENERGIEFORMEN VON DER SONNE 44
2.1.2 DIREKTE NUTZUNG DER SONNE DURCH PHOTOVOLTAIK 46
2.2 FUNKTIONSPRINZIP EINER PHOTOVOLTAIKZELLE 53
2.2.1 GRUNDLAGEN DER HALBLEITERPHYSIK DER DIODE 53
2.2.2 PN-UEBERGANG ALS GRUNDLAGE DER PHOTOVOLTAIKZELLE 53
2.2.3 STROM-SPANNUNGSKURVE 54
2.3 RELEVANTE ELEKTRISCHE KENNDATEN EINER PHOTOVOLTAIK
ZELLE 56
2.4 FUNKTIONSWEISE UND AUFBAU EINES PHOTOVOLTAIKSYSTEMS 59
2.4.1 SCHEMATISCHER AUFBAU EINER PHOTOVOLTAIKZELLE 59
2.4.2 FUNKTION UND AUFBAU EINES PHOTOVOLTAIKMODULS 61
2.4.3 UMWANDLUNG DER ELEKTRISCHEN ENERGIE MITTELS
WECHSELRICHTER 63
2.5 HERSTELLUNG EINER PHOTOVOLTAIKZELLE 66
2.6 SCHEMATISCHER AUFBAU EINER PHOTOVOLTAIKDACHANLAGE .. 70
2.7 WIRKUNGSGRADE IM BEREICH DER PHOTOVOLTAIK 72
2.8 ZUKUNFT DER PHOTOVOLTAIK 74
2.9 MEHRFACHNUTZUNG VON PHOTOVOLTAIK 75
LITERATUR 76
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6 INHALTSVERZEICHNIS
3 SOLARTHERMIE (B. EHRMAIER, A. RATKA) 78
3.1 EINFUEHRUNG 78
3.2 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN FUER DIE SOLARTHERMIE 79
3.2.1 HAUPTSAETZE DER WAERMELEHRE 79
3.2.2 WAERMETRANSPORTMECHANISMEN 80
3.3 AUFBAU EINES SOLARTHERMISCHEN KOLLEKTORS 84
3.4 KOLLEKTORTHEORIE 87
3.5 SYSTEMTECHNIK 99
3.5.1 UEBERSICHT UEBER SOLARTHERMISCHE KOLLEKTOREN 99
3.5.2 WAERMETRAEGERMEDIUM 100
3.5.3 OPTIMIERUNGSMASSNAHMEN ZUR ERHOEHUNG DES
WIRKUNGSGRADES 103
3.5.4 AUFBAU EINER SOLARTHERMISCHEN ANLAGE 103
3.5.5 ZENTRALER PUFFERSPEICHER 104
3.5.6 WAERMEBEDARF EINES GEBAEUDES 107
3.6 SOLARTHERMISCHE KRAFTWERKE 108
3.7 ZUKUNFT DER SOLARTHERMIE 111
LITERATUR 113
4 WINDENERGIE (W. BAUR) 115
4.1 EINFUEHRUNG 115
4.1.1 ALLGEMEINES 115
4.1.2 SYSTEMATIK DER WINDENERGIENUTZUNG 115
4.2 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN 117
4.3 AERODYNAMIK DER ROTORBLAETTER 123
4.3.1 ALLGEMEINES 123
4.3.2 TRAGFLUEGELAERODYNAMIK 125
4.3.3 ROTORBLATTAERODYNAMIK 130
4.4 KURZER HISTORISCHER UEBERBLICK 134
4.5 WIND UND STANDORTFRAGEN 136
4.6 KONSTRUKTIVER AUFBAU MODERNER WINDENERGIEANLAGEN . 139
4.6.1 TURM UND GONDEL 140
4.6.2 ROTORBLAETTER, PITCH- UND STALLPRINZIPIEN 141
4.6.3 GETRIEBE UND GENERATOR 145
4.7 LEISTUNGSKENNLINIEN UND ERTRAGSBERECHNUNGEN 149
LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS 154
5 GEOTHERMIE/THERMOGEOLOGIE (W. PYKA) 156
5.1 EINFUEHRUNG 156
5.2 AUFBAU DER ERDE 157
5.3 THERMISCHE VERHAELTNISSE 160
5.3.1 TEMPERATUREN, WAERMEFLUSS UND THERMISCHES POTENZIAL. 160
5.3.2 DIE OBERFLAECHENNAHE THERMISCHEN VERHAELTNISSE 163
5.4 GEOLOGISCHE GRUNDLAGEN 163
5.4.1 GESTEINE 163
5.4.2 THERMISCHE EIGENSCHAFTEN VON GESTEINEN 166
INHALTSVERZEICHNIS 7
5.4.3 LOCKERGESTEINE UND BOEDEN 167
5.4.4 GRUNDWASSER 170
5.4.5 THERMISCHE EIGENSCHAFTEN VON BOEDEN 173
5.5 MOEGLICHKEITEN DER ERDWAERMENUTZUNG 175
5.5.1 ABGRENZUNG VON OBERFLAECHENNAHER UND TIEFER
GEOTHERMIE 175
5.5.2 TIEFE GEOTHERMIE 177
5.5.3 OBERFLAECHENNAHE GEOTHERMIE 180
LITERATUR 187
GLOSSAR 188
6 BIOGAS (R. SCHAIDHAUF) 190
6.1 EINFUEHRUNG 190
6.1.1 ALLGEMEINES 190
6.1.2 ASPEKTE DER BIOGASNUTZUNG IN DEUTSCHLAND 190
6.1.3 AKTUELLE NUTZUNG VON BIOGAS IN DEUTSCHLAND 191
6.2 BIOCHEMISCHE KONVERSION 193
6.2.1 ALLGEMEINES 193
6.2.2 SUBSTRATE 193
6.2.3 PHASENMODELL DER BIOGASENTSTEHUNG 194
6.2.4 RANDBEDINGUNGEN DER BIOGASGEWINNUNG 195
6.2.5 BETRIEBSBEDINGUNGEN DER BIOGASGEWINNUNG 195
6.2.6 STOFFKREISLAEUFE 198
6.3 TECHNISCHE SYSTEME ZUR BIO(ERD)GASGEWINNUNG 198
6.3.1 ALLGEMEINES 198
6.3.2 VERFAHREN ZUR BIOGASGEWINNUNG 199
6.3.3 VERFAHREN ZUR BIOERDGASGEWINNUNG 202
6.4 TECHNISCHE SYSTEME ZUR BIO(ERD)GASNUTZUNG 203
6.4.1 ALLGEMEINES 203
6.4.2 CHARAKTERISTIKA VON BIO(ERD)GAS 203
6.4.3 VERFAHREN ZUR ENERGETISCHEN NUTZUNG 205
6.4.4 SYSTEMINTEGRATION 208
6.5 WEITERFUEHRENDE LITERATUR/LINKS 209
LITERATUR 210
GLOSSAR 211
7 BIOGENE FESTBRENNSTOFFE (R. SCHAIDHAUF) 212
7.1 EINFUEHRUNG 212
7.1.1 ALLGEMEINES 212
7.1.2 ASPEKTE DER NUTZUNG BIOGENER FESTBRENNSTOFFE IN
DEUTSCHLAND 214
7.1.3 AKTUELLE NUTZUNG VON BIOGENEN FESTBRENNSTOFFEN IN
DEUTSCHLAND 215
7.2 BIOGENE FESTBRENNSTOFFE 217
7.2.1 ALLGEMEINES 217
7.2.2 ARTEN UND QUELLEN 217
8 INHALTSVERZEICHNIS
7.2.3 BEREITSTELLUNG UND AUFBEREITUNG 219
7.2.4 BRENNSTOFF-CHARAKTERISTIKA 220
7.2.5 ASCHEEIGENSCHAFTEN 223
7.3 THERMOCHEMISCHE KONVERSION 224
7.3.1 ALLGEMEINES 224
7.3.3 PYROLYSE 226
7.3.4 VERGASUNG 226
7.3.5 VERBRENNUNG 227
7.4 NUTZUNG VON BIOGENEN FESTBRENNSTOFFEN 228
7.4.1 ALLGEMEINES 228
7.4.2 VERGASUNGSANLAGEN 230
7.4.3 VERBRENNUNGSANLAGEN 232
7.5 WEITERFUEHRENDE LITERATUR/LINKS 233
LITERATUR 233
GLOSSAR 234
8 KRAFTSTOFFE AUF BASIS VON OELEN UND FETTEN ALS
REGENERATIVE ENERGIETRAEGER (H. RIEPL, E. REMMELE) 236
8.1 OELE UND FETTE, HERKUNFT, ANBAU 236
8.2 PFLANZENOELGEWINNUNG 238
8.3 CHEMIE DER PFLANZENOELE 240
8.3.1 TRIGLYCERIDE 240
8.3.2 GESAETTIGTE, UNGESAETTIGTE, MEHRFACH UNGESAETTIGTE
FETTSAEUREN 241
8.3.3 UMESTERUNG 243
8.3.4 HYDRIERUNG, HVO-PRODUKTE 244
8.3.5 BEGLEITSTOFFE IN PFLANZENOELEN (PHOSPHOLIPIDE, LECITHINE) 244
8.4 KRAFTSTOFFE AUS PFLANZENOELEN 244
8.4.1 QUALITAETSMERKMALE FUER KRAFTSTOFFE AUS PFLANZENOELEN -
KRAFTSTOFFNORMEN 245
8.4.2 KRAFTSTOFFSPEZIFISCHE EIGENSCHAFTEN IM VERGLEICH 252
8.4.3 VERWENDUNG 252
LITERATUR 254
9 ENERGIE AUS ABFALL (G. LAUTENSCHLAGER) 256
9.1 EINLEITUNG 256
9.2 DEFINITIONEN UND DATEN ZU ABFAELLEN 258
9.2.1 ABFALLBEGRIFF 258
9.2.2 ABFALLARTEN 258
9.2.3 EUROPAEISCHES ABFALLVERZEICHNIS 260
9.2.4 ABFAELLE ZUR VERWERTUNG/ZUR BESEITIGUNG 260
9.2.5 EIGENSCHAFTEN VON ABFAELLEN 262
9.2.6 ABFALLAUFKOMMEN 265
9.2.7 NUTZBARES ENERGIEPOTENTIAL 268
9.3 THERMISCHE ABFALLBEHANDLUNG 271
9.3.1 MUELLANNAHME UND-ZWISCHENLAGERUNG 271
INHALTSVERZEICHNIS 9
9.3.2 FEUERUNG 272
9.3. 3 KESSELANLAGE 275
9.3.4 WASSER-DAMPF-KREISLAUF 277
9.3.5 RAUCHGASREINIGUNG 278
9.4 ENERGETISCHE ABFALLVERWERTUNG 281
9.4.1 ENERGETISCHE ABFALLVERWERTUNG IN ZEMENTWERKEN 281
9.4.2 ENERGETISCHE ABFALLVERWERTUNG IM HOCHOFEN 285
9.4.3 ENERGETISCHE ABFALLVERWERTUNG IN KRAFTWERKEN 286
9.4.4 ENERGETISCHE ABFALLVERWERTUNG IN ERSATZBRENNSTOFF-
KRAFTWERKEN 287
9.5 FAZIT 289
LITERATUR 289
10 KRAFT-WAERME-KOPPLUNG (N. HUBER) 292
10.1 GRUNDLAGEN 292
10.1.1 WAS WIRD UNTER KRAFT-WAERME-KOPPLUNG VERSTANDEN . .. 292
10.1.2 BEDEUTUNG DERKWK FUER ERNEUERBARE ENERGIEN 293
10.1.3 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER KWK 294
10.1.4 GETRENNTE ERZEUGUNG VON WAERME UND STROM 298
10.1.5 GEKOPPELTE ERZEUGUNG VON WAERME UND STROM 300
10.1.6 AUSLEGEN EINER KWK-ANLAGE 306
10.2 ANWENDUNGEN 307
10.2.1 MIKROBHKW 308
10.2.2 BHKW MIT NAHWAERMEVERSORGUNG 310
10.2.3 KRAFT-WAERME-KOPPLUNG IN DEN SOMMERMONATEN 313
VERWENDETE UND WEITERFUEHRENDE LITERATUR 314
GLOSSAR 314
11 THERMISCHE ENERGIESPEICHER (N. HUBER) 315
11.1 GRUNDLAGEN 315
11.1. NOTWENDIGKEIT THERMISCHER ENERGIESPEICHER BEI
VERWENDUNG ERNEUERBARER ENERGIEN 315
11.1.2 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN THERMISCHER ENERGIESPEICHE-
RUNG 318
11.1.3 ALLGEMEINER AUFBAU THERMISCHER ENERGIESPEICHER 325
11.2 THERMISCHE ENERGIESPEICHER MIT WASSER 329
11.2.1 SCHICHTENSPEICHER FUER WARMWASSER UND HEIZUNGS
ANLAGEN 330
11.2.2 WARMWASSERSPEICHER FUER NAHWAERMESYSTEME 331
11.2.3 SAISONALE WARMWASSERSPEICHER 331
11.3 LATENTWAERMESPEICHER 332
11.4 HOCHTEMPERATURSPEICHER 334
11.5 THERMOCHEMISCHE SPEICHER 335
LITERATUR 337
GLOSSAR 338
10 INHALTSVERZEICHNIS
12 SPEICHERUNG VON ELEKTRISCHER ENERGIE
(B. EHRMAIER) 339
12.1 EINFUEHRUNG 339
12.2 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN FUER ENERGIESPEICHER 340
12.3 POTENTIELLE ENERGIESPEICHER FUER ERNEUERBARE ENERGIEN. . 343
12.4 MECHANISCHE STROM-ENERGIESPEICHER 344
12.4.1 ROTATIONSSPEICHER 345
12.4.2 POTENTIELLE ENERGIESPEICHER (PUMPSPEICHERKRAFTWERKE) 346
12.4.3 DRUCKLUFTSPEICHER 347
12.5 ELEKTRISCHE UND ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHER .... 348
12.5.1 UEBERSICHT ELEKTRISCHER UND ELEKTROCHEMISCHER ENERGIE
SPEICHER 349
12.5.2 ELEKTRISCHE ENERGIESPEICHER 350
12.5.3 ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHER MIT EINGELAGERTEM
SPEICHERMEDIUM 351
12.5.4 ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHER MIT AUSGELAGERTEM
SPEICHERMEDIUM 357
12.5.5 CHEMISCHE ENERGIESPEICHERSYSTEME 361
12.6 SPEICHER-NETZ-WECHSELWIRKUNG 363
12.7 FAZIT 364
LITERATUR 366
13 KOSTEN- UND WIRTSCHAFTLICHKEITSBERECHNUNGEN
(S. HOMANN-WENIG) 367
13.1 AUSZAHLUNGEN BZW. KOSTEN IM RAHMEN VON ERRICHTUNG
UND BETRIEB VON ERNEUERBARE-ENERGIEN-PROJEKTEN 368
13.1.1 DIE KAPITALGEBUNDENEN KOSTEN 368
13.1.2 DIE BETRIEBSGEBUNDENEN KOSTEN 373
13.1.3 DIE SONSTIGEN KOSTEN 374
13.1.4 DIE VERBRAUCHSGEBUNDENEN KOSTEN 375
13.2 DIE FINANZIELLE FOERDERUNG VON STROM AUS DEM BETRIEB
VON ERNEUERBARE-ENERGIEN-ANLAGEN 376
13.2.1 STROM AUS WASSERKRAFT (§ 23 EEG) 379
13.2.2 STROM AUS BIOMASSE (§§ 27, 27A BIS 27C EEG) 380
13.2.3 STROM AUS GEOTHERMIE (§ 28 EEG) 382
13.2.4 STROM AUS WINDENERGIE (§§ 49 UND 50 EEG) 382
13.2.5 STROM AUS SOLARER STRAHLUNGSENERGIE (§51 EEG) 385
13.3 METHODISCHE GRUNDLAGEN DER INVESTITIONSRECHNUNG.... 386
13.3.1 DIE KAPITALWERTMETHODE 386
13.3.2 DIE ANNUITAETENMETHODE 387
13.3.3 DIE ERMITTLUNG DES INTERNEN ZINSFUSSES 388
13.3.4 DIE MEHRPERIODISCHE AMORTISATIONSRECHNUNG 389
13.4 DIE ERMITTLUNG DER ENERGIEGESTEHUNGSKOSTEN UND
DEREN PRAKTISCHE BEDEUTUNG 389
LITERATUR 392
GLOSSAR 392
INHALTSVERZEICHNIS 11
14 C0
2
-BILANZEN IN DER ENERGIEWIRTSCHAFT
(S. HOMANN-WENIG) 393
14.1 DIE OEKOBILANZ ALS INSTRUMENT ZUR BEWERTUNG VON
UMWELTWIRKUNGEN 393
14.2 DIE UMWELTWIRKUNGEN DER STROM- UND WAERME
ERZEUGUNG 397
LITERATUR . . . . * 404
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