Erneuerbare Energie E-Book

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 470

Veröffentlichungsjahr: 2012

Beschreibung

Leading scientists explain photovoltaics, solar thermal energy, solar air-conditioning, wind and hydroelectric power, fuel cells, energy-efficient buildings, and hydrogen storage for stabilizing networks. Contains about 20% more information than the second edition.

Leseprobe

Inhalt

Vorwort

Geleitwort

Kompetent mitreden

Regenerative Energieträger – ein Überblick

Die EU mit anspruchsvollen Zielen

Windenergie boomt international

Erfolgreiche Politik in Deutschland

Heutiger Stand

Potenzial und Grenzen

Wasserkraft

Windenergie an Land

Biomasse

Solarenergie

Geothermie

Fenster der Möglichkeiten

Meer und freies Feld

Ökologisch optimierter Ausbau, Szenarien

Erneuerbare Energie im Weltmaßstab

Zusammenfassung

Literatur

Die Autoren

Rückenwind für eine zukunftsfähige Technik

Dreiblättrige Schnellläufer

Von netzgebundenen zu netzstützenden Windenergieanlagen

Leichtbau, Anlagenintelligenz und Zuverlässigkeit

Windenergie im Aufwind – Offshore-Anlagen

Netzintegration trotz schwankender Leistung

Wirtschaftlichkeit

Naturschutz und Akzeptanz

Ökologie und Wirtschaft

Zusammenfassung

Literatur

Fließende Energie

Fluss- und Speicherkraftwerke

Große Wasserkraft

Kleine Wasserkraft

Großdämme und ihre Folgen

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Wie die Sonne ins Kraftwerk kommt

Das Prinzip

Konzentration von Licht

Konzentrierende Kollektoren

Wärmekraftprozesse

Parabolrinnenkraftwerke

Zentral-Receiver-Systeme

Dish-Stirling-Systeme

Wirtschaftlichkeit

Technische Verbesserungen

Geringste CO2-Emission

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Solarzellen – ein Überblick

Noch meist geringer Erntefaktor

Flächenabhängige und -unabhängige Kosten

Dünne Schichten für Glasfassaden

Höchstleistungen

Organische, polymere, Farbstoff- und biologische Solarzellen

Tipps zur Anlagenplanung

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Solarzellen aus Folien-Silizium

State of the Art

Dünnschicht-Solarzellen

Folien-Silizium

Kristalldefekte und Defect Engineering

Strategien zur Kostenreduktion

Wirkungsgrade

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Günstige Module für solares Bauen

CIS als ideales Material

Glasveredelung statt Wafertechnologie

Zehn Jahre industrielle Erprobung

Solares Bauen mit CIS-Solarmodulen

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Auf dem Weg zur Netzparität

Beste Energiebilanz, geringste Kosten

Einfaches Beschichtungsverfahren

Ein neues Beschichtungsverfahren

Zusammenfassung

Literatur

Die Autoren

Energie aus der Tiefe

Noch exotisch, aber hohe Zuwachsraten

Geothermische Energiequellen

Heiß und tief

Reservoir-Engineering

Forschungslabor Groß Schönebeck

Forschungsbedarf

Ausblick

Zusammenfassung

Danksagung

Literatur

Der Autor

Grüne Chance und Gefahr

Ethanol aus Zellulose

Gentechnik für Biosprit

Zusammenfassung

Literatur

Irrungen und Wirrungen um Biokraftstoffe

Die rationale Basis – der C-Kreislauf

Kritische Diskussion einiger Kriterien

Schlussbemerkungen

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Konzentrierte grüne Energie

Nachwachsender Rohstoff

Produktionstechniken

Energiegewinnung aus Mikroalgen

Biodiesel und Kerosinersatz

Bioethanol

Biogas und Wasserstoff

Fazit

Zusammenfassung

Literatur

Die Autoren

Synthesekraftstoffe aus Biomasse

Hürden bei der Nutzung von Biomasse

Das Karlsruher bioliq®-Verfahren

Stand der Entwicklung

Kosten und Potenzial

Danksagung

Literatur

Zusammenfassung

Die Autoren

Strom aus heißer Luft

Funktionsweise

Die Testanlage in Manzanares

Große Kraftwerke

Das Mildura-Projekt

Ausblick

Zusammenfassung

Literatur

Die Autoren

Mond, Erde und Sonne als Antrieb

Physikalische Grundlagen

Anlagenkonzepte

Herausforderungen

Fallstudie: Die Technik von Voith Hydro

Installation, Bergung und Wartung

Erste Ergebnisse

Schlussfolgerung

Zusammenfassung

Danksagung

Literatur

Die Autoren

Energiereservoir Ozean

Entstehung und Ausbreitung der „Schwerewellen“

Die Basistechnik zur Nutzung der Wellenenergie

Die heutige Standardtechnik: das OWC

Verwirklichte OWC-Projekte

Technologische und ökonomische Fragestellungen

Weitere Technologien

Wellenenergie bald kommerziell?

Wie teuer wäre die Wellenenergie?

Fazit

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Salz- contra Süßwasser

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Die Nordsee geht ans Netz

Zusammenfassung

Danksagung

Literatur

Die Autoren

Neuer Strom in alten Netzen?

Das Übertragungsnetz

Ausbau des Übertragungsnetzes

Systemdienstleistungen

Stromhandel

Das Verteilnetz

Virtuelle Kraftwerke

Lastbeeinflussung

Intelligente Zähler

Speichertechnologien

Elektromobilität

Zusammenfassung

Literatur

Die Autoren

Strom aus der Wüste

Steigender Strom- und Wasserbedarf

Verfügbare Ressourcen und Technologien

Solarthermie als Schlüsselelement

Nachhaltige Energie- und Wasserversorgung

Stromübertragung mit HGÜ

Kostengünstiger Strom aus erneuerbarer Energie

Eine Alternative zu Klimawandel und Kernenergie

Zusammenfassung

Stichwörter

Literatur

Der Autor

Wasserstoff: Alternative zu fossilen Energieträgern?

Eigenschaften von Wasserstoff

Herstellung heute

Das neue Szenario für Wasserstoff

Wasserstoff im Tank

Wasserstoff-Infrastruktur: eine Hürde?

Und woher kommt der Wasserstoff?

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Wärme auf Abruf

Thermodynamik von Speichern

Aquifere als saisonale Speicher

Aquiferspeicher in der Energieversorgung – Reichstag und Neubrandenburg

Speicherung in einem Sondenfeld

Beispiel Max-Planck-Campus Golm

Heißwasserspeicher

Solar unterstützte Nahwärmenetze

Kies-Wasser-Speicher

Zusammenfassung

Literatur

Die Autoren

Gebändigtes Knallgas

Einsatzgebiete für Brennstoffzellen

Brennstoffzellen im Straßenverkehr

Brennstoffzellen für die stationäre, dezentrale Energiewandlung

Die PEMFC

Die HT-PEM

Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Die oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC)

Die Mikrobrennstoffzelle

Ausblick

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Elektrofahrzeuge

Antriebsleistung und Batteriegrößen

Batteriemanagementsystem

Lithiumionen-Akkumulatoren

Prinzip

Batterietypen und Kennwerte

Lebensdauer

Betriebsparameter

Sicherheit

Fazit

Zusammenfassung

Stichworte

Der Autor

Kühlende Hitze

Geschlossene Systeme

Offene Systeme

Zusammenfassung

Der Autor

Prima Klima im Glashaus

Zusammenfassung

Literatur

Der Autor

Nachhaltigkeit mit ungewöhnlichem Konzept

Die Wärmeversorgung

CO2-Bilanz

Zusammenfassung

Die Autoren

Die Versuchung bunter Bilder

Ziele der Gebäudethermographie

Vorgehen

Beispiele für Wärmebrücken

Verborgenes sichtbar gemacht

Sichtfaktor und thermische Zeitkonstanten

Konsequenzen

Zusammenfassung

Literatur

Die Autoren

Fördermöglichkeiten und Informationsquellen

Fördermaßnahmen

Der Autor

Stichwortverzeichnis

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Herausgeber

Dr. Thomas Bührke

Wiesenblättchen 12

68723 Schwetzingen

[email protected]

Roland Wengenmayr

Konrad-Glatt-Str. 17

65929 Frankfurt

[email protected]

3. aktualis. u. erg. Auflage 2011

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Gedruckt auf säurefreiem Papier.

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Vorwort

Es ist heute weitgehend anerkannt, dass der Mensch die Zusammensetzung der Erdatmosphäre signifikant verändert und damit die Gefahr eines katastrophalen KlimaWandels heraufbeschwört. Kritisch sind vor allem die Konzentrationsänderungen von Kohlendioxid (CO2), Lachgas (N2O) und Methan (CH4). Die CO2-Konzentration liegt heute bereits über 380 ppm (ppm: parts per million) und damit weit über der maximalen CO2-Konzentration von etwa 290 ppm, die die Erde in den vergangenen 800 000 Jahre erlebte. Der jüngste Bericht des Weltklimarats, des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), und des COP- 16-Treffens in Cancun im Dezember 2010 zeigen, dass die Welt beginnt, die technologische und politische Herausforderung anzunehmen: Es wird notwendig sein, die Emission dieser Treibhausgase in den kommende Jahrzehnten um 80 % zu reduzieren. Die Kernkraftkatastrophe in Fukushima am 11. März 2011 hat drastisch gezeigt, dass Kernkraft nicht der richtige Weg zur CO2-freien Stromerzeugung ist, und Deutschland hat in dieser Hinsicht eine weltweit beachtete Kehrtwendung gemacht. Wir werden sicher in den kommenden Jahren der Vorreiter in der globalen Transformation unseres Energiesystems in Richtung auf hundert Prozent erneuerbare Quellen bleiben.

Dieses ambitionierte Ziel kann nur durch raschen Fortschritt auf zwei Gebieten erreicht werden: eine schnell wachsende Energieproduktion aus erneuerbaren Quellen und eine gesteigerte Energieeffizienz – besonders bei Gebäuden, die einen großen Anteil unseres gesamten Energieverbrauchs verursachen. Leider werden diese beiden konkreten, positiven Ziele bei den internationalen Klimaverhandlungen immer noch vernachlässigt.

Dieses Buch präsentiert eine umfassende Behandlung dieser kritischen Zielvorgaben. Die 29 Kapitel der stark erweiterten dritten Auflage sind von Experten auf ihren jeweiligen Gebieten geschrieben und decken die wichtigsten Technologien ab, die notwendig sind, um diese zwei Ziele zu erreichen. Allgemein interessierten Lesern bietet es einen exzellenten, präzisen Überblick über erneuerbare Energien und alternative Energiekonzepte, kombiniert mit interessanten Details für Spezialisten.

Die behandelten Themen umfassen Photovoltaik, solarthermische Energie, geothermische Energie, Energie aus Wind, Wellen, Gezeitenströmungen, Osmose, konventionelle Wasserkraft, biogene Energie, Wasserstofftechnologie mit Brennstoffzellen, effiziente Gebäudeklimatisierung und solar angetriebene Klimaanlagen. Der hochaktuellen Frage, wie man mit erneuerbarer Energie mobil sein kann, widmet sich ein Kapitel über Elektromobilität. Ein neues Kapitel stellt die Herausforderung vor, besonders auch erneuerbare Energien in verstärkten Netzen weiträumiger zu verteilen. Auch die Behandlung biogener Energien wurde in zusätzlichen Kapiteln ausgebaut.

Die detaillierte Diskussion und Verweise auf die aktuelle Fachliteratur in jedem Kapitel ermöglichen es den Lesern, sich eine eigene Meinung über die Realisierbarkeit und das Potenzial dieser Technologien zu bilden. Das Buch eignet sich sehr gut für allgemein interessierte Leserinnen und Leser, darüber hinaus als Lehrbuch für fortgeschrittene Vorlesungen und Seminare über erneuerbare Energie. Besonders hilfreich ist es auch als Ratgeber für Studierende, die nach einem wichtigen und inspirierenden Thema für ihr Studium und ihre spätere wissenschaftliche Arbeit suchen.

Eicke R. Weber

Direktor,

Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE,

Freiburg, Deutschland.

Geleitwort

Dieses Buch gibt einen umfassenden Einblick in die Entwicklung der erneuerbaren Energien, die ihren Teil zur Ersetzung fossiler Brennstoffe und der Kernenergie beitragen, um unserem Planeten eine gesunde Zukunft zu sichern.

Ich begrüße, dass hier eine Vielzahl der Möglichkeiten von Experten erschöpfend behandelt werden. Damit bekommen die Leser einen Überblick über den Stand der Entwicklung und lernen auch, den ökonomischen Wert vieler Teilgebiete zu verstehen. Gerade über Solarenergie kursiert oft in der Presse, ihr Einsatz sei viel zu teuer. Wenn es darauf ankäme, den Kohlendioxid-Ausstoß zu verringern, seien doch die Kernkraftwerke besser geeignet.

Solchen Argumenten muss entschieden widersprochen werden:

1) Einige der erneuerbaren Energien sind schon heute in der Gesamtbilanz billiger als Öl oder Kernenergie, zum Beispiel Windenergie oder solarthermische Energie. Andere interessante Gebiete stehen kurz davor, etwa die Photovoltaik.

2) Es ist irreführend, die Kernkraftwerke als eine attraktive Alternative zu sehen: Zum Aufbau eines Windparks braucht man zum Beispiel weniger als ein Jahr, und er kostet weniger als 30 % im Vergleich zu einem Kernkraftwerk gleicher Leistung. Dazu kommen bei einem Kernkraftwerk die Kosten für den Rückbau und die Endlagerung des radioaktiven Abfalls, der unsere Nachkommen noch viele Tausende von Jahren belasten wird. In der Öffentlichkeit wenig bekannt ist zudem, dass die Uranminen – meist in der Dritten Welt – mit ihren Abraumhalden große Areale radioaktiv belasten und mit Millionen Tonnen giftiger Schlämme Flüsse vergiften.

Die gute Nachricht ist, dass schon Ende 2009 die Jahresproduktion an Strom der weltweiten Windenergieanlagen und Solarzellen die Produktion der Kernkraftwerke in Frankreich und den USA zusammen übertraf. Die Vertreter dieser Industrie werfen uns Solarforschern gerne vor dass die Sonne nicht immer scheine. Wir antworten darauf aber entschieden: „Nein, in der Nacht natürlich nicht, aber wer will nachts schon mehr Energie haben, wenn schon zu viel Strom da ist, der preisgünstig angeboten wird!“ Wichtig ist, dass Solarzellen – weltweit gesehen - in der Mittagsund Nachmittagszeit, wenn der Bedarf sehr hoch ist, einen wesentlichen Beitrag leisten können.

Heute nimmt die Kraftwerks- und Ölindustrie die aufkommende Konkurrenz der Wind- und Solarenergie sehr ernst. In den USA erkennt man das leider auch daran, dass ihre Gegenlobbyarbeit in Washington erschreckend zugenommen hat. In den demokratischen Ländern sollten wir deshalb auch unsere Möglichkeiten als Wähler sehr ernst nehmen: Wir sollten die Parteien und Politiker wählen, die die Erfordernisse der Zeit und damit die Chancen erneuerbarer Energie klar verstehen und sich für deren Ausbau einsetzen.

Dieses Buch bietet allen Interessierten, die sich profund informieren wollen, und darüber hinaus all denen eine gute Auswahl, die in einer der vielen Sparten der erneuerbaren Energien tätig werden wollen. Es ist ein wichtiger Beitrag, um die dringend nötige Entwicklung voranzutreiben und damit eine drohende Katastrophe, verursacht durch unvernünftige Energiegewinnung, abzuwenden.

Insgesamt ist es eine Freude dieses Buch zu lesen, das in seiner hervorragenden Ausführung einen Ehrenplatz in jedem Bücherschrank verdient. Es hat einen bleibenden Wert, den augenblicklichen Stand einer rasanten Entwicklung in der Geschichte der erneuerbaren Energie festzuhalten.

Karl W. Böer,

Distinguished Professor of Physics and Solar Energy,

emeritus

University of Delaware

Kompetent mitreden

In den fünf Jahren seit Erscheinen der 1. Auflage dieses Buchs hat sich die Welt in puncto Energie dramatisch gewandelt. Das spiegelt die inzwischen auf fast 30 Kapitel angewachsene 3. Auflage wider. Größter Einschnitt war der furchtbare Tsunami, der Japan im März 2011 traf und im Kernkraftwerk von Fukushima eine Reaktorkatastrophe auslöste. Dieses Drama führte der Welt erneut vor Augen, dass jeder - theoretisch noch so unwahrscheinliche - schwere oder katastrophale Kernkraftunfall einer zu viel für unseren immer dichter bevölkerten Planeten ist.

Angesichts dieser Katastrophe beschloss die Bundesregierung, dass Deutschland bis 2022 komplett aus der Kernenergie aussteigen soll. Trotzdem will sie die ehrgeizigen deutschen Ziele in der Reduktion der Treibhausgasemissionen erreichen. Erneuerbare Energiequellen werden dabei eine wachsende Rolle spielen.

Harald Kohl und Wolfhart Dürrschmidt vom Bundesumweltministerium stellen im ersten Kapitel die aktuelle Situation in Deutschland aus erster Hand vor. Sie zeigen zudem, wie stürmisch sich die Nutzung erneuerbarer Energiequellen in Europa, den USA und Asien entwickelt. Die Windenergie gehört inzwischen zu den dynamischsten Wachstumsbranchen weltweit. Deutschland ist vorne mit dabei und profitiert: Fast 400 000 Jobs sind auf dem Gebiet der erneuerbaren Energie entstanden, viele davon in der Windenergie.

In der Solarenergie geschieht ebenfalls viel. Inzwischen bekommen die etablierten Technologien auf Siliziumbasis zunehmend Konkurrenz durch Energie und Material sparende Dünnschichtmodule. Dementsprechend hat Nikolaus Meyer vom Berliner Pionier Soltecture sein Kapitel über Chalkopyrit (CIS)-Solarzellen komplett runderneuert. Völlig neu ist ein Kapitel über die vielversprechenden Kadmiumtellurid (CdTe)-Dünnschichtzellen von Michael Harr, dem CdTe-Pionier Dieter Bonnet und Karl-Heinz Fischer. Fischer war im Vorstand des Bundesverbands Solarwirtschaft maßgeblich am Zustandekommen des deutschen Erneuerbare-Energie-Gesetzes beteiligt.

Die Biokraftstoffbranche hat dagegen ein Imageproblem. Gerhard Kreysa analysiert klug und kritisch, welchen Beitrag solche Kraftstoffe zur Weltenergieversorgung überhaupt sinnvoll leisten können. Nicolaus Dahmen und seine Mitstreiter stellen das umweltverträgliche bioliq®-Verfahren vom Karlsruher Institut für Technologie vor, das vor der Kommerzialisierung steht. In eine Zukunft mit Kraftstoffen aus Algenfarmen blickt Carola Griehls Team.

Strom aus erneuerbarer Energie muss intelligent verteilt und gespeichert werden. Entsprechend ist das Thema Stromnetze im Buch stark angewachsen. Dazu gehört die Vision vom Sonnenstrom aus der Wüste. Franz Trieb vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt war an der Desertec-Studie beteiligt und stellt ihre Resultate detailliert vor.

Fast alle Beiträge stammen von ausgewiesenen Expertinnen und Experten auf ihrem jeweiligen Gebiet. Das macht dieses Buch zu einer besonders wertvollen und verlässlichen Informationsquelle. Hier wird fundiert erklärt, wie eine Technik funktioniert. Ein Teil der Beiträge ist ursprünglich in der Zeitschrift Physik in unserer Zeit erschienen, andere Kapitel wurden eigens für dieses Buch verfasst.

Auf jeden Fall können alle Leserinnen und Leser mit Allgemeinbildung das Buch mühelos verstehen. An sehr wenigen Stellen gibt es etwas Mathematik. Wir haben diese Formeln bewusst für die Leser stehen gelassen, die tiefer einsteigen möchten. Diese seltenen, kurzen Passagen lassen sich aber einfach überspringen, ohne dabei den Faden zu verlieren. Ausführliche Literaturlisten sowie Weblinks (alle kurz vor dem Druck auf Aktualität gecheckt) bieten reichliche Möglichkeiten, den Stoff weiter zu vertiefen.

Alle Zahlen und Fakten sind sorgfältig geprüft, was nicht selbstverständlich ist. Leider sind über erneuerbare Energie viele Fehlinformationen und irreführende Mythen im Umlauf. Deshalb soll dieses Buch allen Interessierten eine verlässliche, solide Informationsquelle anbieten, die auch als Nachschlagewerk funktioniert. Wer es liest, kann kompetent mitreden.

Wir danken allen Autoren für die reibungslose, erfreuliche Zusammenarbeit und dem Verlag für das wundervoll gemachte, durchgehend farbige Buch.

Thomas Bührke und Roland Wengenmayr

Schwetzingen und Frankfurt am Main, im August 2011.

Die große Photovoltaik-Dachanlage auf der Münchner Messe hat eine Nennleistung von rund 1 MWel(Foto:ShellSolar).

Entwicklung der erneuerbaren Energien

Regenerative Energieträger – ein Überblick

HARALD KOHL | WOLFHART DÜRRSCHMIDT

Erneuerbare Energien haben sich zum globalen Erfolgsmodell entwickelt. Welchen Beitrag leisten sie in Deutschland, der EU und international? Wie hoch ist ihr Ausbaupotenzial? Eine aktuelle Bilanz des Innovationsgeschehens.

Erneuerbare Energien haben sich heute in Europa, den USA und Asien zum Erfolgsmodell entwickelt. Aktuelle Beschlüsse, Daten, Berichte, Studien, Gesetze etc. finden sich auf der Themenseite des Bundesumweltministeriums zu erneuerbaren Energien [1].

Die EU mit anspruchsvollen Zielen

Schauen wir uns zuerst die Entwicklung in der Europäischen Union an: Am 25. Juni 2009 ist die Richtlinie 2009/28/EG des Europäischen Parlaments und Rates zur Förderung der Erneuerbaren Energien in der Europäischen Union in Kraft getreten [2]. Verbindliches Ziel dieser Richtlinie ist es, den Anteil der erneuerbaren Energie am gesamten Brutto-Endenergieverbrauch in der EU von ca. 8,5 % im Jahr 2005 auf 20 % bis zum Jahr 2020 zu steigern. Dabei soll ihr Anteil im Verkehrssektor in allen Mitgliedstaaten im Jahr 2020 mindestens 10 % betragen. Darin eingerechnet sind nicht nur Biotreibstoffe, sondern auch der Antrieb mit Strom auf Basis erneuerbarer Energie. Für den Anteil regenerativer Energie am gesamten Brutto-Endenergieverbrauch (Strom, Wärme/Kälte und Transport) wurde für jeden Mitgliedstaat ein verbindliches eigenes Ziel festgelegt, das vom Ausgangswert abhängt. Für Deutschland liegt dieses Ziel für das Jahr 2020 bei 18 %, für die Nachbarländer Belgien bei 13 %, Dänemark bei 30 %, Frankreich bei 23 %, Luxemburg bei 11 %, die Niederlande bei 14 %, Österreich bei 34 %, Polen bei 15 % und Tschechien bei 13 %.

Die Mitgliedstaaten können die Instrumente zum Erreichen dieser Ziele selbst wählen. Besonders erfolgreich verläuft der Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energie zur Stromgewinnung in den Mitgliedstaaten, die Vorrang- und Einspeiseregelungen analog zum deutschen Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) eingeführt haben. 20 der EU-Staaten haben inzwischen solche gesetzliche Förderinstrumente in Kraft; global sind es bereits über 50 Staaten [3, 4].