Angaben aus der Verlagsmeldung
Regenerative Energiesysteme : Technologie - Berechnung - Simulation / von Volker Quaschning
Erneuerbare Energien müssen bis Mitte des Jahrhunderts unsere gesamte Energieversorgung sicherstellen, wenn wir aus der Kernenergie aussteigen und den Klimawandel erfolgreich stoppen wollen. Die 8., aktualisierte und erweiterte Auflage dieses Lehrbuches behandelt die volle Bandbreite der regenerativen Energiesysteme und geht dabei nun auch auf aktuelle Entwicklungen wie photovoltaische Eigenverbrauchssysteme, die Power-to-Gas-Technologie sowie nötige Technologiepfade für eine erfolgreiche vollständige Energiewende ein. Zahlreiche Berechnungsbeispiele und Grafiken veranschaulichen die verschiedenen Technologien und Berechnungsverfahren. Diese Auflage ist durchgehend farbig gestaltet. Dieses Standardlehrbuch ist geeignet für Studierende an Fachhochschulen, Technischen Hochschulen und Universitäten sowie für Wissenschaftler und
Ingenieure in Forschung und Industrie.
Die DVD zum Buch
enthält eine umfangreiche Sammlung von Demo-Programmen und Vollversionen zur Simulation regenerativer Energiesysteme. Die Abbildungen des Buches im elektronischen Format, zusätzliche Fotos sowie eine benutzerfreundliche Navigationshilfe machen die DVD zu einer wertvollen Ergänzung.
Inhaltsverzeichnis
1 Energie und Klimaschutz 13
1.1 Der Begriff Energie 13
1.2 Entwicklung des Energiebedarfs 18
1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs 18
1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland 20
1.3 Reichweite konventioneller Energieträger 23
1.4 Der Treibhauseffekt 24
1.5 Kernenergie contra Treibhauseffekt 30
1.5.1 Kernspaltung 30
1.5.2 Kernfusion 33
1.6 Nutzung erneuerbarer Energien 34
1.6.1 Geothermische Energie 35
1.6.2 Planetenenergie 36
1.6.3 Sonnenenergie 36
1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie 37
1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie 39
1.7 Künftiger Energiebedarf, Energiewende und Klimaschutz 43
1.7.1 Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs 43
1.7.2 Internationaler Klimaschutz 46
1.7.3 Energiewende und Klimaschutz in Deutschland 48
1.7.3.1 Entwicklung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland 48
1.7.3.2 Regenerative Energieversorgung in Deutschland 48
1.7.3.3 Umbau der Energieversorgung 53
2 Sonnenstrahlung 55
2.1 Einleitung 55
2.2 Der Fusionsreaktor Sonne 56
2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde 60
2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen 65
2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel 68
2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene 72
2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene 72
2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene 73
2.6.3 Bodenreflexion 74
2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung 75
2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten 78
2.7.1 Aufnahme der Umgebung 78
2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades 80
2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades 81
Inhaltsverzeichnis
2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen 82
2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen 83
2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren 86
2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke 86
2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke 88
2.8.3 Künstliche Sonnen 88
3 Nicht konzentrierende Solarthermie 90
3.1 Grundlagen 90
3.2 Solarthermische Systeme 93
3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung 93
3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung 94
3.2.2.1 Schwerkraft- oderThermosiphonanlagen 96
3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf 97
3.2.3 Solare Heizungsunterstützung 99
3.2.4 Rein solare Heizung 100
3.2.5 Solare Nahwärmeversorgung 101
3.2.6 Solares Kühlen 102
3.3 Solarkollektoren 103
3.3.1 Speicherkollektoren 104
3.3.2 Flachkollektoren 106
3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren 109
3.4 Kollektorabsorber 110
3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad 113
3.6 Rohrleitungen 118
3.6.1 Leitungsaufheizverluste 121
3.6.2 Zirkulationsverluste 121
3.7 Speicher 123
3.7.1 Trinkwasserspeicher 124
3.7.2 Schwimmbecken 127
3.8 Anlagenauslegung 130
3.8.1 Nutzwärmebedarf 130
3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad 131
3.8.3 Solare Trinkwasseranlagen 133
3.8.4 Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung 134
3.8.5 Rein solare Heizung 136
3.9 Aufwindkraftwerke 136
4 Konzentrierende Solarthermie 139
4.1 Einleitung 139
4.2 Konzentration von Solarstrahlung 139
4.3 Konzentrierende Kollektoren 142
4.3.1 Linienkollektoren 143
4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie 143
4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad 145
4.3.1.3 Längenausdehnung 149
4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder 149
4.3.2 Punktkonzentratoren 152
4.4 Wärmekraftmaschinen 153
4.4.1 Carnot-Prozess 153
4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess 153 Inhaltsverzeichnis 9
4.4.3 Joule-Prozess 156
4.4.4 Stirling-Prozess 157
4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen 157
4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke 157
4.5.2 Solarturmkraftwerke 162
4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver 163
4.5.2.2 Druck-Receiver 164
4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen 165
4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie 166
4.6 Stromimport 167
5 Photovoltaik 170
5.1 Einleitung 170
5.2 Funktionsweise von Solarzellen 172
5.2.1 Atommodell nach Bohr 172
5.2.2 Photoeffekt 173
5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle 175
5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen 182
5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium 182
5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen 186
5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium 187
5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien 188
5.3.5 Modultests und Qualitätskontrolle 189
5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen 190
5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild 190
5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell) 191
5.4.3 Zweidiodenmodell 194
5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm 194
5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter 196
5.4.6 Temperaturabhängigkeit 198
5.4.7 Parameterbestimmung 201
5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen 202
5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen 202
5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen 204
5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen 208
5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen 208
5.6 Solargenerator und Last 210
5.6.1 Widerstandslast 210
5.6.2 Gleichspannungswandler 211
5.6.3 Tiefsetzsteller 212
5.6.4 Hochsetzsteller 215
5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler 215
5.6.6 MPP-Tracker 216
5.7 Akkumulatoren 218
5.7.1 Akkumulatorarten 218
5.7.2 Bleiakkumulator 219
5.7.3 Andere Akkumulatortypen 224
5.7.4 Akkumulatorsysteme 225
5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten 229
5.8 Wechselrichter 229
5.8.1 Wechselrichtertechnologie 229 10 Inhaltsverzeichnis
5.8.1.1 Rechteckwechselrichter 230
5.8.1.2 Moderne Wechselrichtertopologien 233
5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik 234
5.8.2.1 Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters 234
5.8.2.2 Wechselrichterwirkungsgrade 236
5.8.2.3 Anlagenkonzepte 239
5.9 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme 240
5.10 Planung und Auslegung 243
5.10.1 Inselnetzsysteme 243
5.10.2 Netzgekoppelte Systeme 246
5.10.3 Eigenverbrauchssysteme 249
6 Windkraft 255
6.1 Einleitung 255
6.2 Dargebot von Windenergie 256
6.2.1 Entstehung des Windes 256
6.2.2 Angabe der Windstärke 257
6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen 258
6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe 260
6.3 Nutzung der Windenergie 263
6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung 263
6.3.2 Widerstandsläufer 265
6.3.3 Auftriebsläufer 267
6.4 Bauformen von Windkraftanlagen 271
6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse 271
6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse 272
6.4.2.1 Anlagenaufbau 272
6.4.2.2 Rotorblätter 273
6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche 275
6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung 276
6.4.2.5 Windnachführung 278
6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator 279
6.4.2.7 Offshore-Windkraftanlagen 280
6.5 Elektrische Maschinen 281
6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung 282
6.5.2 Drehfeld 285
6.5.3 Synchronmaschine 289
6.5.3.1 Aufbau 289
6.5.3.2 Elektrische Beschreibung 290
6.5.3.3 Synchronisation 293
6.5.4 Asynchronmaschine 293
6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände 293
6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven 295
6.5.4.3 Leistungsbilanz 297
6.5.4.4 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten 298
6.6 Elektrische Anlagenkonzepte 300
6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung 300
6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung 303
6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis 304
6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren 306
6.6.5 Inselnetzanlagen 306 Inhaltsverzeichnis 11
6.7 Netzbetrieb 307
6.7.1 Anlagenertrag 307
6.7.2 Netzanschluss 308
7 Wasserkraft 310
7.1 Einleitung 310
7.2 Dargebot der Wasserkraft 311
7.3 Wasserkraftwerke 315
7.3.1 Laufwasserkraftwerke 315
7.3.2 Speicherwasserkraftwerke 317
7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke 318
7.4 Wasserturbinen 321
7.4.1 Turbinenarten 321
7.4.1.1 Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine 322
7.4.1.2 Ossberger-Turbine 323
7.4.1.3 Francis-Turbine 323
7.4.1.4 Pelton-Turbine 324
7.4.2 Turbinenwirkungsgrad 324
7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung 326
7.5.1 Gezeitenkraftwerke 326
7.5.2 Meeresströmungskraftwerke 327
7.5.3 Wellenkraftwerke 328
8 Geothermie 330
8.1 Geothermievorkommen 330
8.2 Geothermische Heizwerke 334
8.3 Geothermische Stromerzeugung 335
8.3.1 Kraftwerksprozesse 335
8.3.2 Geothermische Kraftwerke 337
8.4 Wärmepumpen 339
8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen 339
8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen 341
8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen 342
8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung 343
9 Nutzung der Biomasse 347
9.1 Vorkommen an Biomasse 347
9.1.1 Feste Bioenergieträger 349
9.1.2 Flüssige Bioenergieträger 353
9.1.2.1 Pflanzenöl 353
9.1.2.2 Biodiesel 354
9.1.2.3 Bioalkohole 354
9.1.2.4 Biomass-to-Liquid (BtL)-Brennstoffe 355
9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger 356
9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz 358
9.2 Biomasseanlagen 359
9.2.1 Biomasseheizungen 359
9.2.2 Biomassekraftwerke 362
10 Wasserstofferzeugung, Brennstoffzellen und Methanisierung 363
10.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung 363 12 Inhaltsverzeichnis
10.2 Brennstoffzellen 366
10.2.1 Einleitung 366
10.2.2 Brennstoffzellentypen 367
10.2.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten 370
10.3 Methanisierung und Untertagespeicherung 372
11 Wirtschaftlichkeitsberechnungen 375
11.1 Einleitung 375
11.2 Energiegestehungskosten 376
11.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung 376
11.2.1.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung 377
11.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke 378
11.2.1.3 Photovoltaikanlagen 379
11.2.1.4 Windkraftanlagen 379
11.2.1.5 Wasserkraftanlagen 380
11.2.1.6 Geothermieanlagen 381
11.2.1.7 Holzpelletsheizungen 382
11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung 383
11.2.2.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung 386
11.2.2.2 Solarthermische Kraftwerke 386
11.2.2.3 Photovoltaikanlagen 386
11.2.2.4 Windkraftanlagen 387
11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen 387
11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien 387
11.2.5 Kosten konventioneller Energiesysteme 390
11.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs 392
11.3.1 Subventionen im Energiemarkt 392
11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung 394
11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden 395
11.3.4 Sonstige externe Kosten 396
11.3.5 Internalisierung der externen Kosten 397
11.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen 398
11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung 398
11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals 399
12 Simulation und die DVD zum Buch 401
12.1 Allgemeines zur Simulation 401
12.2 Die DVD zum Buch 402
12.2.1 Start und Überblick 402
12.2.2 Abbildungen 403
12.2.3 Software 403
12.2.4 Vermischtes 404
Literaturverzeichnis 406
Sachwortverzeichnis 413