Neue Wege der Energieversorgung

258 Pages·1982·6.522 MB·German

by  Werner Kremers, Dr. Jürgen Thiele Dipl.-Biologe, Dr. Friedrich Wahl (auth.)

Werner Kremers
Jürgen Thiele
Friedrich Wahl
Neue Wege der
Energieversorgung
Werner Kremers I Jürgen Thiele I Friedrich Wahl
Neue Wege
der Energieversorgung
Mit 151 Bildern
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Kremers, Werner:
Neue Wege der Energieversorgung/Werner Kremers;
Jürgen Thiele; Friedrich Wahl. - Braunschweig;
Wiesbaden: Vieweg, 1982_
ISBN-13: 978-3-526-08511-7 e-ISBN-13: 978-3-322-83991.0
001: 10.1007/978-3-322-83991.0
NE: Thiele, Jürgen:; Wahl, Friedrich:
Werner Kremers ist Studienreferendar für Physik und Theologie
in Tübingen
Dr. Jürgen Thiele ist Dipl.-Biologe am Biologischen Institut der
Universität Tübingen
Dr. Friedrich Wahl ist Professor für Theoretische Physik an der
Universität Tübingen
Verlagsredaktion : Alfred Schubert
1982
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1982
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fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt für die Vervielfältigung durch alle
Verfahren einschließlich Speicherung und jede Übertragung auf Papier, Transparente, Filme,
Bänder, Platten und andere Medien.
Satz: Vieweg, Braunschweig
Umschlaggestaltung: Peter Morys, Salzhemmendorf
ISBN-13: 978-3-528-08511-7
v
Vorwort
Alternativenergien, das ist ein Begriff und wohl auch ein Schlagwort
unserer Zeit. In der Tat: Die Zukunft der Menschheit hängt davon ab, ob und wie
frühzeitig sie sich um die damit zusammenhängenden Fragen kümmert, wenn sie
nicht einen Kollaps unserer hochkomplizierten Welt riskieren will. Gerade die rege
nerativen Energieträger, wie Sonnen-, Meeres- und Windenergie sowie Biomasse
nutzung, könnten das vermeiden helfen.
Das vorliegende Buch versteht sich als Beitrag zu einer solchen Energie
diskussion. Es ist aus einer gründlichen Überarbeitung eines Seminars an der Univer
sität Tübingen über das Thema der Alternativenergien hervorgegangen. W. Kremers
hat sich dieser umfangreichen Arbeit unterzogen, wobei er aus der Fülle der Ideen
und Realsierungen diejenigen Energieformen auswählte, denen man eine gewisse
Zukunft vorhersagen darf. Neben den physikalisch-technischen Projekten kommt
den Verfahren, aus Biomasse Energie zu gewinnen, immer mehr Bedeutung zu. Eine
abgerundete Darstellung zu diesem Thema stammt von J. Thiele.
Die Konzeption des Buches wurde so aufgefaßt, daß es sich in der Mitte
zwischen den zahlreichen und ausführlichen Einzeldarstellungen zu bestimmten
Themen und den undifferenzierten Gesamtdarstellungen bewegt. Es soll insbeson
dere den Studenten der Naturwissenschaften einen Überblick über den gegenwär
tigen Stand der Energiediskussion ermöglichen, aber auch Lehrern und interessier
ten Nichtfachleuten einen Einblick in die vielfältigen Möglichkeiten gewähren.
Dementsprechend wurden jedem Kapitel eine kleine Einführung in die Grundlagen
vorangestellt und danach die technischen Realisierungen besprochen. Wo es heute
schon möglich ist, werden Kosten und Wirtschaftlichkeit (Stand etwa 1980) disku
tiert. Der Umfang des Buches sollte dabei einen bestimmten Rahmen nicht über
schreiten.
Bei der Fülle des Materials ist es natürlich nicht ganz zu vermeiden, daß in
die Gewichtung manch subjektive Gesichtspunkte einfließen oder daß die eine oder
andere Sache nicht ausführlich genug geschildert wird.
Die Autoren danken insbesondere Herrn Prof. Dr. R. Mühleisen für die
Beteiligung an den betreffenden Seminaren und die Unterstützung bei der Auswahl
der Themen, Herrn Dr. G. Baumann für manch wertvolle Kritik, sowie Frau M.
Kremers und Frau R. Adler für die Maschinenschrift des Manuskripts. Den Herren
K. Göbel, K. Hau und R. Jahraus sei Dank für ihr Engagement bei den Korrekturen.
Nicht zuletzt möchten wir Herrn Prof. Dr. H. Stumpf für die Ermutigung zur Ver
öffentlichung und dem Vieweg-Verlag für die ansprechende Ausführung des Buches
unseren Dank aussprechen.
Tübingen, Sommer 1982 Friedrich Wahl
VI
Inhaltsverzeichnis
Einleitung ............................................. .
Allgemeines zur Sonnenenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3
Literatur .......................................... " 7
2 Sonnenkollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8
2.1 Theoretische Grundlagen ........................... " 8
2.1.1 Grundlegende Gesetze. .. .. .. . .. .. .. . .. .. .. . ... 8
2.1.2 Selektivität............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12
2.2 Bauweise von Sonnenkollektoren ...................... " 13
2.2.1 Einfachstkollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13
2.2.2 Das Energiedach ........................... " 14
2.2.3 Flachkollektoren mit flüssigkeitsdurchströmter Absorber-
platte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15
2.2.3.1 Aufbau .......................... " 15
2.2.3.2 Sonderkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18
2.2.4 Wirkungsgrad und Anwendungsbreite ............. " 19
2.2.5 Einige Anwendungsbeispiele und Wirtschaftlichkeitsbetrach-
tungen ................................... 23
2.2.5.1 Freischwimmbadbeheizung ............. " 23
2.2.5.2 Brauchwassererwärmung ................ 24
2.2.5.3 Raumheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
Literatur .......................................... " 27
3 Thermische Solarkraftwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
3.1 Thermodynamische Grundlagen ........................ 28
3.2 Flachkollektoranlagen ............................. " 30
3.3 Anlagen mit konzentrierenden Kollektoren . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
3.4 Solar-Tower·Anlagen................................ 38
3.5 Sonnenöfen...................................... 42
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43
4 Solarzellen .......................................... 44
4.1 Einführung...................................... 44
4.2 Grundsätzliches über Halbleiter ....................... " 45
4.2.1 Bändermodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45
4.2.2 Eigenleitung reiner Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46
4.2.3 Störstellenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46
Inhaltsverzeichnis VII
4.3 p/n·Übergänge.................................... 47
4.3.1 Strom loser p/n-Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47
4.3.2 p/n-Übergang mit Vorspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
4.3.2.1 U>O ............................. 49
4.3.2.2 U< 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
4.4 Die Solarzelle .................................... , 51
4.4.1 Grundsätzliche Wirkungsweise .................... 51
4.4.2 Leistung und Wirkungsgrad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
4.4.3 Grundlegende Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
4.4.4 Verlustbetrachtungen ......................... 55
4.5 Vergleich verschiedener Halbleitermaterialien . . . . . . . . . . . . . . .. 56
4.6 Praktische Ausführungen von Solarzellen. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57
4.6.1 Solarzellen mit dicken Schichten ................. , 57
4.6.1.1 Homokontakt·Siliziumzellen . . . . . . . . . . . . .. 57
4.6.1.2 GaAs·Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60
4.6.1.3 Heterogene Zellen auf Si-Basis. . . . . . . . . . . .. 61
4.6.2 Dünnschichtsolarzellen ........................ 61
4.6.2.1 Allgemeiner Aufbau ................... 61
4.6.2.2 Die CdS-Cu2S-Dünnschichtzelle . . . . . . . . . . .. 62
4.6.3 Schottky·Kontakt-Zellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64
4.6.4 Spezielle Konstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65
4.6.4.1 Konzentratorzelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65
4.6.4.2 Multijunktion-Zelle.................... 66
4.6.4.3 Fluoreszenskollektoren................. 66
4.6.4.4 Kombinierte Energiegewinnung . . . . . . . . . . .. 68
43 Anwendungen.................................... 68
4.8 Kosten und Wirtschaftlichkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
5 Windenergiekonverter .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
5.1 Einführung...................................... 72
5.2 Das Windenergieangebot ............................. 73
5.3 Theorie der Windenergienutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74
5.3.1 Nutzbare Windleistung des freien Windrades .......... 74
5.3.2 Die Gestaltung der Flügel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78
5.4 Windenergiekonverter in der Praxis ...................... 82
5.4.1 Windräder mit horizontaler Achse . . . . . . . . . . . . . . . .. 82
5.4.1.1 Steuerung der Horizontalachsenräder . . . . . . .. 83
5.4.1.2 Schnelläufer ........................ 83
5.4.1.3 Langsamläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88
5.4.2 Windräder mit vertikaler Achse . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88
5.4.2.1 Der Savoniusrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88
5.4.2.2 Der Darrieusrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
VIII Inhaltsverzeichnis
5.5 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
5.5.1 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
5.5.2 Kosten einzelner Windräder ..................... 91
5.5.3 Verbundkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
6 Meeresenergie ........................................ 94
6.1 Vorbemerkungen .................................. 94
6.2 Gezeitenkraftwerke................................. 95
6.2.1 Zur Entstehung der Gezeiten .................... 95
6.2.2 Nutzung der Gezeiten in Kraftwerken. . . . . . . . . . . . . .. 99
6.2.2.1 Arbeitsweisen verschiedener Konzepte ... . . .. 99
6.2.2.2 Stand der heutigen Gezeitenkraftwerke ....... 103
6.2.2.3 Kosten eines Gezeitenkraftwerkes .......... 103
6.3 Wellenkraftwerke .................................. 104
6.4 Temperaturgradientkraftwerke ......................... 108
6.5 Salzgradientenkraftwerke (Osmosekraftwerke) ............... 110
Literatur ............................................ 111
7 Geothermische Energie .................................. 112
7.1 Zur Geschichte der Erdwärmenutzung .................... 112
7.2 Herkunft und Vorkommen der Erdwärme .................. 112
7.2.1 Aufbau der Erde ............................. 112
7.2.2 Plattentektonik und Geothermik .................. 113
7.2.3 Herkunft der Erdwärme ........................ 114
7.2.4 Wärmestrom und Temperaturgradient ............... 115
7.2.5 Das Potential geothermischer Energie ............... 116
7.3 Formen geothermischer Energie ........................ 117
7.3.1 Hydrothermale Systeme ........................ 118
7.3.2 Geologische Druckzonen ....................... 119
oe .............
7.3.3 Trockenes, heißes Gestein unter 650 119
7.3.4 Magma ................................... 120
7.4 Technische Nutzung der geothermischen Energie ............. 120
7.4.1 Nutzung hydrothermaler Quellen .................. 120
7.4.1.1 Allgemeines zur Bohrtechnik ............. 120
7.4.1.2 Heißdampfquellen (Lardarello·Typ) ......... 120
7.4.1.3 Naßdampfquellen (Monte·Amiata·Typ) ....... 122
7.4.1.4 Quellen mit heißem Wasser ............... 122
7.4.2 Nutzen heißen trockenen Gesteins (Hot Dry Rock, HDR) .. 123
7.5 Umweltfragen und Kostenabschätzungen .................. 124
7.5.1 Umweltbelastung ............................ 124
7.5.2 Kosten ................................... 125
Literatur ............................................ 126
Inhaltsverzeichnis IX
8 Wärmepumpen ........................................ 127
8.1 Entwicklung ..................................... 127
8.2 Thermodynamische Grundlagen des Wärmepumpenprinzips ...... 127
8.2.1 Der ideale Kreisprozeß ......................... 127
8.2.2 Der reale Wärmepumpenprozeß ................... 129
8.2.3 Bauteile einer Wärmepumpe ..................... 132
8.3 Antriebsarten von Wärmepumpen ....................... 133
8.3.1 Elektrische Wärmepumpe ....................... 133
8.3.2 Verbrennungsmotorgetriebene Wärmepumpen ......... 135
8.3.3 Absorptionswärmepumpe ....................... 136
8.3.4 Der Wärmetransformator ....................... 140
8.4 Arten von Verdampfern .............................. 141
8.4.1 Luftverdampfer ............................. 142
8.4.2 Wasserdurchströmte Verdampfer .................. 143
8.4.2.1 Wärmequelle, Grundwasser und Oberflächen-
wasser ............................ 143
8.4.2.2 Freie Absorber als Umweltwärmequellen ...... 144
8.4.2.3 Wärmequelle Erdreich .................. 145
8.5 Vergleich der verschiedenen Wärmepumpenkonzepte hinsichtlich
ihrer Kosten und Wirtschaftlichkeit ...................... 145
Literatur ............................................ 149
9 Wasserstofftechnologie ................................ .. 150
9.1 Vorbemerku ngen ................................ .. 150
9.2 Wasserstofferzeugung ............................... 151
9.2.1 Zur Theorie chemischer Reaktionen ................ 151
9.2.2 Theorie der Wasserelektrolyse .................... 151
9.3 Technische Ausführung von Zellen ....................... 153
9.3.1 Allgemeine Gestaltung ......................... 153
9.3.2 Hochdruckzellen ............................ 153
9.3.3 Die Wasserdampf-Feststoff-Elektrolyse .............. 154
9.3.4 Kostenabschätzungen ......................... 154
9.4 Thermochemische Wasserstofferzeugung ................... 155
9.4.1 Offene Systeme ............................. 155
9.4.2 Geschlossene Systeme ......................... 156
9.5 Wasserstofferzeugung mit Sonnenenergie ................... 156
9.5.1 Allgemeines zur Photolyse von Wasser .............. 157
9.5.2 Photolyse mit thermochemischer Reaktion ........... 157
9.5.3 Photoelektrochemische Methoden ................. 157
9.6 Wasserstoffspeicherung .............................. 158
9.6.1 Speicherung von Wasserstoff als Gas ................ 159
9.6.2 Speicherung von flüssigem Wasserstoff .............. 159
9.6.3 Speicherung von Wasserstoff in Form von Ammoniak .... 160
X Inhaltsverzeichnis
9.6.4 Wasserstoffspeicherung in Metallen ................ 161
9.6.4.1 Überblick über Hybride ................. 161
9.6.4.2 Zur Theorie der Metallhybride ............ 162
9.6.4.3 Eigenschaften der Metallhydride ........... 164
9.6.4.4 Anwendungen der Metallhydridspeicherung .... 165
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
10 Brennstoffzellen..................................... .. 171
10.1 Entwicklung der Brennstoffzelle ........................ 171
10.2 Theorie der Brennstoffzelle ........................... 171
10.2.1 Das Brennstoffzellenprinzip ..................... 171
10.2.2 Einteilungsmöglichkeit der verschiedenen Zellen ........ 173
10.2.3 Thermodynamik und Wirkungsgrad ................ 174
10.3 Niedrigtemperaturzellen .............................. 176
10.3.1 Aufbau und Wirkungsweise einer H2·02·Zelle ......... 176
10.3.1.1 Elektrolyte der Zelle ................... 177
10.3.1.2 Elektroden ......................... 177
10.3.2 Praktische Anwendungen ....................... 179
10.3.2.1 Einzelzellen ......................... 179
10.3.2.2 Zellenbatterien aus Niedrigtemperaturzellen ... 181
10.3.3 Niedrigtemperaturbrennstoffzellen mit flüssigen Brenn-
stoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
10.3.3.1 Hydrazinzelle ....................... 185
10.3.3.2 Methanol-Brennstoffzelle ................ 186
10.4 Mitteltemperaturbrennstoffzellen ....................... 186
10.5 Hochtemperaturbrennstoffzellen ........................ 187
10.6 Zukunftsaussichten ................................. 188
Literatur ............................................ 189
11 Speichertechniken ..................................... 190
11.1 Warmwasserspeicher ................................ 190
11.1.1 Physikalische Grundlagen ....................... 190
11.1.2 Schöll-Speicher ............................. 192
11.1.3 Aqu ifer-Speicher ............................ 194
11.2 Speicherung in Form von Bindungsenergie .................. 196
11.2.1 Latentspeicher .............................. 196
11.2.2 Thermochemische Speicherung, chemische Wärmepumpe .. 200
11.3 Wärmepumpenspeicher .............................. 202
11.4 Speicherung potentieller und kinetischer Energie ............. 203
11.4.1 Pumpspeicherwerke .......................... 203
11.4.2 Druckluhspeicherwerke ........................ 203
11.4.3 Schwungradspeicher .......................... 204
Literatur ............................................ 205
Inhaltsverzeichnis XI
12 Nutzung der Biomasse ................................... 206
12.1 Einleitung ....................................... 206
12.2 Biologische Grundlagen .............................. 207
12.2.1 Ökologische Zusammenhänge .................... 207
12.2.2 Biochemische Grundlagen ...................... 212
12.3 Technische Verfahren ............................... 219
12.3.1 Verbrennung ............................... 220
12.3.2 Pyrolyse .................................. 222
12.3.3 Alkoholische Gärung .......................... 225
12.3.4 Methangärung .............................. 227
12.4 Zukunftsperspektiven ............................... 234
12.4.1 Neue Möglichkeiten .......................... 234
12.4.2 Modellrechnungen ........................... 237
Literatur ............................................ 240
Sachwortverzeichnis ....................................... 242