Regenerative Energietechnik: Überblick über ausgewählte Technologien zur nachhaltigen Energieversorgung

258 Pages·2013·11.639 MB·German

by  Gerhard Reich, Marcus Reppich (auth.)

Regenerative Energietechnik
Gerhard Reich • Marcus Reppich
Regenerative Energietechnik
Überblick über ausgewählte Technologien
zur nachhaltigen Energieversorgung
Gerhard Reich
Marcus Reppich
Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Hochschule Augsburg
Augsburg, Deutschland

ISBN 978-3-8348-0981-0 ISBN 978-3-8348-8614-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-8348-8614-9
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Lektorat: Dr. Daniel Fröhlich, Annette Prenzer
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Vorwort
Die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts bestehen in der Versorgung einer stetig wach-
senden Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln, Trinkwasser und Energie in ausreichender
Menge und Qualität. Nach Aussagen des führenden amerikanischen Systemanalytikers und
Ökonomen Dennis L. Meadows ist die Tragfähigkeit unseres Planeten seit den 80er Jahren
des vergangenen Jahrhunderts erschöpft. Demnach übersteigen die gegenwärtigen Konsum-
bedürfnisse der Menschheit die verfügbaren natürlichen Ressourcen der Erde um etwa 30
Prozent. Der in den Industrieländern erreichte Wohlstand war und ist mit einer beispiellosen
Inanspruchnahme und Zerstörung der natürlichen Umwelt sowie Ausbeutung von Rohstoffen
verknüpft. Aufgrund der dynamischen wirtschaftlichen Entwicklung in den Schwellenländern
steigt der Bedarf an immer knapperen Ressourcen in den kommenden Jahren enorm an. Zur
Gewährleistung der Existenzgrundlagen nachfolgender Generationen müssen die anthropoge-
nen Einflüsse auf das Klima drastisch begrenzt werden. Die klima- und umweltverträgliche
Energieversorgung der Zukunft erfordert daher nachhaltige, innovative Konzepte auf Grund-
lage kohlenstoffarmer Technologien.
Das vorliegende Lehrbuch entstand auf Grundlage der Lehrveranstaltung „Regenerative
Energietechnik“, die wir seit mehr als zehn Jahren an der Hochschule Augsburg in Bachelor-
studiengängen anbieten, sowie der Lehrveranstaltung „Energieverfahrenstechnik“ im Master-
studiengang Umwelt- und Verfahrenstechnik. Mit diesem Buch möchten wir der wachsenden
Bedeutung der regenerativen Energiequellen bei der Schaffung einer nachhaltigen Energie-
versorgung Rechnung tragen und einen Beitrag zur ganzheitlichen Betrachtung verschiedener
Energieumwandlungsverfahren leisten. Neben der Darstellung physikalischer und technischer
Grundlagen ausgewählter ressourcen- und umweltschonender Energietechniken werden des-
halb auch wirtschaftliche und ökologische Aspekte berücksichtigt.
Das Lehrbuch wendet sich vorrangig an Studierende ingenieurtechnischer Studiengänge an
Hochschulen und Universitäten. Es vermittelt neben technologischen Grundlagen auch ele-
mentare Kenntnisse zur Bewertung regenerativer und konventioneller Energieumwandlungs-
technologien. Darüber hinaus bietet das Buch Studierenden wirtschaftswissenschaftlicher
Studiengänge sowie in der Praxis tätigen Ingenieuren eine fundierte, gleichzeitig aber mühe-
los erfassbare Einführung in Nutzungsmöglichkeiten erneuerbarer Energiequellen. Zur Er-
leichterung der Verständnisses wird auf die Herleitung komplexer physikalischer und mathe-
matischer Zusammenhänge weitgehend verzichtet; stattdessen wurden anwendungsfreundli-
che Berechnungsmethoden berücksichtigt.
Ausgehend von der gegenwärtigen Situation der globalen Energieversorgung, die im Wesent-
lichen auf der Verbrennung kohlenstoffintensiver fossiler Energieträger beruht, wird die Not-
wendigkeit abgeleitet, regenerative Energiequellen in zunehmendem Maße zu nutzen. Eine
nachhaltige Energieversorgung muss gesellschaftliche, wirtschaftliche und ökologische An-
forderungen gleichermaßen erfüllen. Der Einsatz regenerativer Energiequellen ist neben kon-
ventionellen Kraftwerkstechnologien unverzichtbarer Bestandteil einer nachhaltigen Ener-
giewirtschaft. In Deutschland stellen der beschlossene Verzicht der Nutzung der Kernenergie
bis zum Jahr 2022 sowie die gesteckten ehrgeizigen Ziele des dynamischen und gleichzeitig
kosteneffizienten Ausbaus erneuerbarer Energien Politik, Gesellschaft und Wirtschaft vor
6 Vorwort
völlig neuartige Herausforderungen. Im Lehrbuch werden Kriterien eingeführt, die den tech-
nischen, wirtschaftlichen und ökologischen Vergleich verschiedener Technologien zur Ener-
gieumwandlung ermöglichen. Am Beispiel ausgewählter regenerativer Energiequellen wer-
den physikalische und technische Grundlagen der Funktionsweise der zugehörigen Umwand-
lungsanlagen erläutert. Hierbei ging es uns keineswegs um eine vollständige Beschreibung
möglichst vieler verfügbarer erneuerbarer Energiequellen, da Lehr- und Fachbücher auf die-
sem Gebiet außerordentlich zahlreich zur Verfügung stehen. Der Schwerpunkt wurde viel-
mehr auf diejenigen Technologien gesetzt, die weltweit derzeit den größten Zuwachs erfah-
ren bzw. zukünftig erwarten lassen – die Nutzung der Windkraft und die Nutzung der Solar-
strahlung. Darüber hinaus werden Funktion, Aufbau und Einsatz von Brennstoffzellen be-
handelt, die ein großes Potenzial für die dezentrale stationäre Energieversorgung sowie für
mobile Anwendungen bieten.
Das Lehrbuch wird durch praxisnahe Berechnungsbeispiele ergänzt, deren Lösungswege
nachvollziehbar dargestellt werden. Für interessierte Leser, die sich weiterführend über die
Thematik dieses Lehrbuchs informieren möchten, steht im Internet auf der Webseite
http://www.hs-augsburg.de/~reppich unter Links in der Rubrik Regenerative Energietechnik
eine ergänzende Linksammlung zur Verfügung.
Unser herzlicher Dank gilt dem Verlag Springer Vieweg, insbesondere Kerstin Hoffmann,
Ulrich Sandten, Ralf Harms sowie Dr. Daniel Fröhlich, für die Inspiration zu diesem Lehr-
buch, die Unterstützung und die Geduld bei der Erstellung des Manuskriptes sowie die ange-
nehme Zusammenarbeit. Weiterhin bedanken wir uns bei Kathrin Binder für die Recherche
zu solarthermischen Kraftwerken und für die Erstellung der zugehörigen Grafiken. Für Hin-
weise und Anregungen zur Verbesserung dieses Buches sind Autoren und Verlag stets dank-
bar.

Augsburg, Juni 2013 Gerhard Reich, Marcus Reppich
Inhalt
Formelzeichen ..........................................................................................................11

1 Einführung ........................................................................................................... 21
1.1 Gegenwärtige Situation der globalen Energieversorgung ............................... 21
1.2 Anthropogene Auswirkungen auf Klima und Umwelt ................................... 29
1.3 Energieformen und Energieumwandlungen .................................................... 41
1.4 Erneuerbare Energiequellen ............................................................................ 44

2 Grundlagen zur Bewertung von Energiesystemen ............................................ 49
2.1 Einleitung ........................................................................................................ 49
2.2 Mengenmäßige Verfügbarkeit der Primärenergie ........................................... 50
2.3 Technische Bewertungskriterien ..................................................................... 52
2.3.1 Anlagenleistung ....................................................................................... 52
2.3.2 Technische Verfügbarkeit ........................................................................ 53
2.3.3 Betriebsstundenzahl ................................................................................. 53
2.3.4 Volllaststundenzahl .................................................................................. 53
2.3.5 Technische Lebensdauer .......................................................................... 54
2.4 Technische Bewertungskriterien ..................................................................... 55
2.4.1 Wirkungsgrad ........................................................................................... 55
2.4.2 Nutzungsgrad ........................................................................................... 55
2.4.3 Energieerntefaktor ................................................................................... 56
2.4.4 Globalwirkungsgrad ................................................................................. 62
2.5 Ökonomische Bewertungskriterien ................................................................. 64
2.5.1 Energierückzahlzeit ................................................................................. 64
2.5.2 Gesamtkosten der Nutzungstechnik ......................................................... 65
8 Inhalt
2.6 Ökologische Bewertungskriterien ................................................................... 68
2.7 Potenziale und Entwicklungsperspektiven ...................................................... 73

3 Nutzung der Solarstrahlung ................................................................................ 77
3.1 Die Sonne als Energiequelle ........................................................................... 77
3.2 Solarstrahlung auf der Erde ............................................................................. 81
3.2.1 Berechnung des Sonnenstandes ............................................................... 86
3.2.2 Berechnung des Sonneneinfallswinkels ................................................... 88
3.2.3 Einstrahlung auf eine geneigte Ebene ...................................................... 89
3.2.4 Vorgehensweise zur Ermittlung der Einstrahlung auf eine
geneigte Ebene ......................................................................................... 90
3.3 Passive Sonnenenergienutzung ....................................................................... 90
3.4 Solarthermie .................................................................................................... 95
3.4.1 Physikalische Grundlagen ........................................................................ 96
3.4.2 Elemente solarthermischer Anlagen ......................................................100
3.4.3 Anlagenkonzepte .................................................................................... 107
3.4.4 Berechnung von solarthermischen Anlagen .......................................... 114
3.5 Solarthermische Kraftwerke .......................................................................... 117
3.5.1 Parabolrinnen-Kraftwerke ...................................................................... 117
3.5.2 Fresnel-Kraftwerke ................................................................................ 129
3.5.3 Solarturm-Kraftwerke ............................................................................ 136
3.5.4 Paraboloid-Kraftwerke (Dish-Stirling-Kraftwerke) ............................... 151
3.5.5 Aufwind-Kraftwerke .............................................................................. 155

4 Nutzung der Windenergie ................................................................................. 165
4.1 Entstehung der Luftströmung ........................................................................ 165
4.2 Charakteristik der Windströmung ................................................................. 166
4.3 Leistungsbeiwert ........................................................................................... 175
9
4.4 Widerstands- und Auftriebsprinzip ............................................................... 179
4.4.1 Widerstandsprinzip ................................................................................ 179
4.4.2 Auftriebsprinzip ..................................................................................... 181
4.5 Bauformen von Windkraftanlagen ................................................................ 188
4.5.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse .......................................... 189
4.5.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse ...................................... 190
4.5.3 Geschwindigkeitsbereiche und Leistungsregelung von
Windkraftanlagen ................................................................................... 192
4.5.4 Offshore-Windkraftanlagen ................................................................... 194

5 Brennstoffzellen .................................................................................................. 197
5.1 Einleitung ...................................................................................................... 197
5.1.1 Was ist eine Brennstoffzelle? ................................................................. 197
5.1.2 Die Wasserstoff-Brennstoffzelle ............................................................ 198
5.1.3 Vorteile von Brennstoffzellen ................................................................ 199
5.1.4 Nachteile von Brennstoffzellen .............................................................. 200
5.1.5 Bauarten von Brennstoffzellen .............................................................. 202
5.1.6 Funktionsweise einer Brennstoffzelle .................................................... 203
5.1.7 Leistung von Brennstoffzellen ............................................................... 205
5.2 Thermodynamik der Brennstoffzelle ............................................................ 206
5.2.1 Thermodynamische Grundlagen ............................................................ 206
5.2.2 Energetische Bewertung von Brennstoffzellen ...................................... 210
5.2.3 Reversible Spannung der Brennstoffzelle .............................................. 212
5.2.4 Ideale und reale Brennstoffzelle ............................................................ 216
5.3 Betriebsverhalten von Brennstoffzellen ........................................................ 222
5.3.1 Einleitung ............................................................................................... 222
5.3.2 Gründe für den Spannungsabfall in realen Brennstoffzellen ................. 224
5.3.3 Aktivierungsverluste .............................................................................. 225
10 Inhalt
5.3.4 Brennstoff-Übertritt und interner Strom ................................................ 229
5.3.5 Ohmsche Verluste .................................................................................. 231
5.3.6 Massentransport- oder Konzentrationsverluste ...................................... 231
5.3.7 Mathematische Darstellung aller Verluste ............................................. 232
5.4 Bauarten von Brennstoffzellen ...................................................................... 234
5.4.1 Niedertemperatur-Brennstoffzellen ........................................................ 234
5.4.2 Mitteltemperatur-Brennstoffzellen ......................................................... 237
5.4.3 Hochtemperatur-Brennstoffzellen .......................................................... 238
5.4.4 Brennstoffzellensysteme im Überblick .................................................. 242
5.5 Anwendungen der Brennstoffzelle ................................................................ 242
5.5.1 Mobiler Einsatz ...................................................................................... 243
5.5.2 Portabler Einsatz .................................................................................... 247
5.5.3 Stationärer Einsatz ................................................................................. 248

Anhang ................................................................................................................... 251
A1 Einheiten der Energie, ihre Umrechnungen, Zehnerpotenzen und
Vorsätze ................................................................................................... 251
A2 Gegenüberstellung konventioneller und regenerativer Stromerzeugungs-
technologien in Deutschland .................................................................... 252
A3 Molare Bildungsenthalpie, absolute Entropie und freie Enthalpie
verschiedener Stoffe im chemischen Standardzustand (25 °C, 100 kPa) . 253

Sachwortverzeichnis ............................................................................................. 255