Regenerative Energiesysteme - Technologie - Berechnung - Simulation
von: Volker Quaschning
Carl Hanser Fachbuchverlag, 2015
ISBN: 9783446443334
Sprache: Deutsch
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Format: PDF, auch als Online-Lesen
Vorwort | 7 | ||
Inhaltsverzeichnis | 9 | ||
1 Energie und Klimaschutz | 15 | ||
1.1 Der Begriff Energie | 15 | ||
1.2 Entwicklung des Energiebedarfs | 20 | ||
1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs | 20 | ||
1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland | 22 | ||
1.3 Reichweite konventioneller Energieträger | 25 | ||
1.4 Der Treibhauseffekt | 26 | ||
1.5 Kernenergie contra Treibhauseffekt | 32 | ||
1.5.1 Kernspaltung | 32 | ||
1.5.2 Kernfusion | 35 | ||
1.6 Nutzung erneuerbarer Energien | 36 | ||
1.6.1 Geothermische Energie | 37 | ||
1.6.2 Planetenenergie | 38 | ||
1.6.3 Sonnenenergie | 38 | ||
1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie | 39 | ||
1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie | 42 | ||
1.7 Energiewende und Klimaschutz | 46 | ||
1.7.1 Szenarien für den globalen Klimawandel | 46 | ||
1.7.2 Internationaler Klimaschutz | 50 | ||
1.7.3 Energiewende und Klimaschutz in Deutschland | 52 | ||
1.7.3.1 Entwicklung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland | 52 | ||
1.7.3.2 Regenerative Energieversorgung in Deutschland | 54 | ||
1.7.3.3 Umbau der Energieversorgung | 58 | ||
2 Sonnenstrahlung | 60 | ||
2.1 Einleitung | 60 | ||
2.2 Der Fusionsreaktor Sonne | 61 | ||
2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde | 65 | ||
2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen | 71 | ||
2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel | 74 | ||
2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene | 78 | ||
2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene | 78 | ||
2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene | 79 | ||
2.6.3 Bodenreflexion | 80 | ||
2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung | 81 | ||
2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten | 84 | ||
2.7.1 Aufnahme der Umgebung | 84 | ||
2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades | 86 | ||
2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades | 87 | ||
2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen | 88 | ||
2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen | 89 | ||
2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren | 93 | ||
2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke | 93 | ||
2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke | 95 | ||
2.8.3 Satellitenmessungen | 95 | ||
2.8.4 Künstliche Sonnen | 98 | ||
3 Nicht konzentrierende Solarthermie | 99 | ||
3.1 Grundlagen | 99 | ||
3.2 Solarthermische Systeme | 102 | ||
3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung | 102 | ||
3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung | 103 | ||
3.2.2.1 Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen | 105 | ||
3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf | 106 | ||
3.2.3 Solare Heizungsunterstützung | 109 | ||
3.2.4 Rein solare Heizung | 110 | ||
3.2.5 Solare Nahwärmeversorgung | 111 | ||
3.2.6 Solares Kühlen | 112 | ||
3.3 Solarkollektoren | 113 | ||
3.3.1 Speicherkollektoren | 114 | ||
3.3.2 Flachkollektoren | 116 | ||
3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren | 119 | ||
3.4 Kollektorabsorber | 120 | ||
3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad | 123 | ||
3.6 Rohrleitungen | 128 | ||
3.6.1 Leitungsaufheizverluste | 131 | ||
3.6.2 Zirkulationsverluste | 131 | ||
3.7 Speicher | 133 | ||
3.7.1 Trinkwasserspeicher | 134 | ||
3.7.2 Schwimmbecken | 137 | ||
3.8 Anlagenauslegung | 140 | ||
3.8.1 Nutzwärmebedarf | 140 | ||
3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad | 141 | ||
3.8.3 Solare Trinkwasseranlagen | 143 | ||
3.8.4 Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung | 144 | ||
3.8.5 Rein solare Heizung | 146 | ||
3.9 Aufwindkraftwerke | 146 | ||
4 Konzentrierende Solarthermie | 149 | ||
4.1 Einleitung | 149 | ||
4.2 Konzentration von Solarstrahlung | 149 | ||
4.3 Konzentrierende Kollektoren | 152 | ||
4.3.1 Linienkollektoren | 153 | ||
4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie | 153 | ||
4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad | 155 | ||
4.3.1.3 Längenausdehnung | 159 | ||
4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder | 159 | ||
4.3.2 Punktkonzentratoren | 162 | ||
4.4 Wärmekraftmaschinen | 163 | ||
4.4.1 Carnot-Prozess | 163 | ||
4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess | 163 | ||
4.4.3 Joule-Prozess | 166 | ||
4.4.4 Stirling-Prozess | 167 | ||
4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen | 167 | ||
4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke | 167 | ||
4.5.2 Solarturmkraftwerke | 172 | ||
4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver | 173 | ||
4.5.2.2 Druck-Receiver | 174 | ||
4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen | 175 | ||
4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie | 176 | ||
4.6 Stromimport | 177 | ||
5 Photovoltaik | 180 | ||
5.1 Einleitung | 180 | ||
5.2 Funktionsweise von Solarzellen | 182 | ||
5.2.1 Atommodell nach Bohr | 182 | ||
5.2.2 Photoeffekt | 183 | ||
5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle | 185 | ||
5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen | 192 | ||
5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium | 192 | ||
5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen | 197 | ||
5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium | 198 | ||
5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien | 199 | ||
5.3.5 Modultests und Qualitätskontrolle | 201 | ||
5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen | 202 | ||
5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild | 202 | ||
5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell) | 203 | ||
5.4.3 Zweidiodenmodell | 206 | ||
5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm | 206 | ||
5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter | 208 | ||
5.4.6 Temperaturabhängigkeit | 210 | ||
5.4.7 Parameterbestimmung | 213 | ||
5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen | 214 | ||
5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen | 214 | ||
5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen | 216 | ||
5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen | 220 | ||
5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen | 220 | ||
5.6 Solargenerator und Last | 222 | ||
5.6.1 Widerstandslast | 222 | ||
5.6.2 Gleichspannungswandler | 223 | ||
5.6.3 Tiefsetzsteller | 224 | ||
5.6.4 Hochsetzsteller | 227 | ||
5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler | 227 | ||
5.6.6 MPP-Tracker | 228 | ||
5.7 Akkumulatoren | 230 | ||
5.7.1 Akkumulatorarten | 230 | ||
5.7.2 Bleiakkumulator | 231 | ||
5.7.3 Andere Akkumulatortypen | 236 | ||
5.7.4 Akkumulatorsysteme | 237 | ||
5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten | 241 | ||
5.8 Wechselrichter | 241 | ||
5.8.1 Wechselrichtertechnologie | 241 | ||
5.8.1.1 Rechteckwechselrichter | 242 | ||
5.8.1.2 Moderne Wechselrichtertopologien | 245 | ||
5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik | 246 | ||
5.8.2.1 Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters | 246 | ||
5.8.2.2 Wechselrichterwirkungsgrade | 248 | ||
5.8.2.3 Anlagenkonzepte | 251 | ||
5.9 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme | 252 | ||
5.9.1 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Speicher | 252 | ||
5.9.2 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Heizung | 255 | ||
5.10 Planung und Auslegung | 257 | ||
5.10.1 Inselnetzsysteme | 257 | ||
5.10.2 Rein Netzgekoppelte Systeme | 260 | ||
5.10.3 Eigenverbrauchssysteme | 262 | ||
5.10.3.1 Eigenverbrauchssysteme ohne Speicher | 262 | ||
5.10.3.2 Eigenverbrauchssysteme mit Batteriespeicher | 267 | ||
6 Windkraft | 274 | ||
6.1 Einleitung | 274 | ||
6.2 Dargebot von Windenergie | 275 | ||
6.2.1 Entstehung des Windes | 275 | ||
6.2.2 Angabe der Windstärke | 276 | ||
6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen | 277 | ||
6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe | 279 | ||
6.3 Nutzung der Windenergie | 282 | ||
6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung | 282 | ||
6.3.2 Widerstandsläufer | 284 | ||
6.3.3 Auftriebsläufer | 286 | ||
6.4 Bauformen von Windkraftanlagen | 290 | ||
6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse | 290 | ||
6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse | 291 | ||
6.4.2.1 Anlagenaufbau | 291 | ||
6.4.2.2 Rotorblätter | 292 | ||
6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche | 294 | ||
6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung | 295 | ||
6.4.2.5 Windnachführung | 297 | ||
6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator | 298 | ||
6.4.2.7 Offshore-Windkraftanlagen | 299 | ||
6.5 Elektrische Maschinen | 300 | ||
6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung | 301 | ||
6.5.2 Drehfeld | 304 | ||
6.5.3 Synchronmaschine | 308 | ||
6.5.3.1 Aufbau | 308 | ||
6.5.3.2 Elektrische Beschreibung | 309 | ||
6.5.3.3 Synchronisation | 312 | ||
6.5.4 Asynchronmaschine | 312 | ||
6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände | 312 | ||
6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven | 314 | ||
6.5.4.3 Leistungsbilanz | 316 | ||
6.5.4.4 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten | 317 | ||
6.6 Elektrische Anlagenkonzepte | 319 | ||
6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung | 319 | ||
6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung | 322 | ||
6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis | 323 | ||
6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren | 325 | ||
6.6.5 Inselnetzanlagen | 325 | ||
6.7 Netzbetrieb | 326 | ||
6.7.1 Anlagenertrag | 326 | ||
6.7.2 Netzanschluss | 327 | ||
7 Wasserkraft | 329 | ||
7.1 Einleitung | 329 | ||
7.2 Dargebot der Wasserkraft | 330 | ||
7.3 Wasserkraftwerke | 334 | ||
7.3.1 Laufwasserkraftwerke | 334 | ||
7.3.2 Speicherwasserkraftwerke | 336 | ||
7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke | 337 | ||
7.4 Wasserturbinen | 340 | ||
7.4.1 Turbinenarten | 340 | ||
7.4.1.1 Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine | 341 | ||
7.4.1.2 Ossberger-Turbine | 342 | ||
7.4.1.3 Francis-Turbine | 342 | ||
7.4.1.4 Pelton-Turbine | 343 | ||
7.4.2 Turbinenwirkungsgrad | 343 | ||
7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung | 345 | ||
7.5.1 Gezeitenkraftwerke | 345 | ||
7.5.2 Meeresströmungskraftwerke | 346 | ||
7.5.3 Wellenkraftwerke | 347 | ||
8 Geothermie | 349 | ||
8.1 Geothermievorkommen | 349 | ||
8.2 Geothermische Heizwerke | 353 | ||
8.3 Geothermische Stromerzeugung | 354 | ||
8.3.1 Kraftwerksprozesse | 354 | ||
8.3.2 Geothermische Kraftwerke | 356 | ||
8.4 Wärmepumpen | 358 | ||
8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen | 358 | ||
8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen | 360 | ||
8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen | 361 | ||
8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung | 362 | ||
9 Nutzung der Biomasse | 367 | ||
9.1 Vorkommen an Biomasse | 367 | ||
9.1.1 Feste Bioenergieträger | 369 | ||
9.1.2 Flüssige Bioenergieträger | 373 | ||
9.1.2.1 Pflanzenöl | 373 | ||
9.1.2.2 Biodiesel | 374 | ||
9.1.2.3 Bioalkohole | 374 | ||
9.1.2.4 Biomass-to-Liquid (BtL)-Brennstoffe | 375 | ||
9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger | 376 | ||
9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz | 378 | ||
9.2 Biomasseanlagen | 379 | ||
9.2.1 Biomasseheizungen | 379 | ||
9.2.2 Biomassekraftwerke | 382 | ||
10 Wasserstofferzeugung, Brennstoffzellen und Methanisierung | 383 | ||
10.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung | 383 | ||
10.2 Brennstoffzellen | 386 | ||
10.2.1 Einleitung | 386 | ||
10.2.2 Brennstoffzellentypen | 387 | ||
10.2.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten | 390 | ||
10.3 Methanisierung und Untertagespeicherung | 392 | ||
11 Wirtschaftlichkeitsberechnungen | 396 | ||
11.1 Einleitung | 396 | ||
11.2 Energiegestehungskosten | 397 | ||
11.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung | 397 | ||
11.2.1.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung | 398 | ||
11.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke | 399 | ||
11.2.1.3 Photovoltaikanlagen | 400 | ||
11.2.1.4 Windkraftanlagen | 400 | ||
11.2.1.5 Wasserkraftanlagen | 401 | ||
11.2.1.6 Geothermieanlagen | 402 | ||
11.2.1.7 Holzpelletsheizungen | 403 | ||
11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung | 404 | ||
11.2.2.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung | 407 | ||
11.2.2.2 Solarthermische Kraftwerke | 407 | ||
11.2.2.3 Photovoltaikanlagen | 407 | ||
11.2.2.4 Windkraftanlagen | 408 | ||
11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen | 408 | ||
11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien | 408 | ||
11.2.5 Kosten konventioneller Energiesysteme | 411 | ||
11.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs | 413 | ||
11.3.1 Subventionen im Energiemarkt | 414 | ||
11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung | 416 | ||
11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden | 417 | ||
11.3.4 Sonstige externe Kosten | 418 | ||
11.3.5 Internalisierung der externen Kosten | 418 | ||
11.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen | 420 | ||
11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung | 420 | ||
11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals | 421 | ||
12 Simulation und die DVD zum Buch | 423 | ||
12.1 Allgemeines zur Simulation | 423 | ||
12.2 Die DVD zum Buch | 424 | ||
12.2.1 Start und Überblick | 424 | ||
12.2.2 Abbildungen | 425 | ||
12.2.3 Software | 425 | ||
12.2.4 Vermischtes | 426 | ||
Literaturverzeichnis | 428 | ||
Sachwortverzeichnis | 436 |