Quaschning Regenerative Energiesysteme

Technologie - Berechnung - Simulation
1. neu bearbeitete Auflage 2015
ISBN: 978-3-446-44333-4
Verlag: Hanser, Carl
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 444 Seiten

Erneuerbare Energien müssen bis Mitte des Jahrhunderts unsere gesamte Energieversorgung sicherstellen, wenn wir aus der Kernenergie aussteigen und den Klimawandel erfolgreich stoppen wollen. Die 9., aktualisierte und erweiterte Auflage dieses erfolgreichen Lehrbuches behandelt die volle Bandbreite der regenerativen Energiesysteme und geht dabei 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 Hochschulen, Technischen Hochschulen und Universitäten sowie für Wissenschaftler und Ingenieure in Forschung und Industrie.Die DVD zum Buchenthält 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.

Autoren/Hrsg.

Quaschning, Volker

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;7
2;Inhaltsverzeichnis;9
3;1 Energie und Klimaschutz;15
3.1;1.1 Der Begriff Energie;15
3.2;1.2 Entwicklung des Energiebedarfs;20
3.2.1;1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs;20
3.2.2;1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland;22
3.3;1.3 Reichweite konventioneller Energieträger;25
3.4;1.4 Der Treibhauseffekt;26
3.5;1.5 Kernenergie contra Treibhauseffekt;32
3.5.1;1.5.1 Kernspaltung;32
3.5.2;1.5.2 Kernfusion;35
3.6;1.6 Nutzung erneuerbarer Energien;36
3.6.1;1.6.1 Geothermische Energie;37
3.6.2;1.6.2 Planetenenergie;38
3.6.3;1.6.3 Sonnenenergie;38
3.6.3.1;1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie;39
3.6.3.2;1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie;42
3.7;1.7 Energiewende und Klimaschutz;46
3.7.1;1.7.1 Szenarien für den globalen Klimawandel;46
3.7.2;1.7.2 Internationaler Klimaschutz;50
3.7.3;1.7.3 Energiewende und Klimaschutz in Deutschland;52
3.7.3.1;1.7.3.1 Entwicklung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland;52
3.7.3.2;1.7.3.2 Regenerative Energieversorgung in Deutschland;54
3.7.3.3;1.7.3.3 Umbau der Energieversorgung;58
4;2 Sonnenstrahlung ;60
4.1;2.1 Einleitung;60
4.2;2.2 Der Fusionsreaktor Sonne;61
4.3;2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde;65
4.4;2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen;71
4.5;2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel;74
4.6;2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene;78
4.6.1;2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene;78
4.6.2;2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene;79
4.6.3;2.6.3 Bodenreflexion;80
4.6.4;2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung;81
4.7;2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten;84
4.7.1;2.7.1 Aufnahme der Umgebung;84
4.7.2;2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades;86
4.7.3;2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades;87
4.7.4;2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen;88
4.7.5;2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen;89
4.8;2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren;93
4.8.1;2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke;93
4.8.2;2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke;95
4.8.3;2.8.3 Satellitenmessungen;95
4.8.4;2.8.4 Künstliche Sonnen;98
5;3 Nicht konzentrierende Solarthermie ;99
5.1;3.1 Grundlagen;99
5.2;3.2 Solarthermische Systeme;102
5.2.1;3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung;102
5.2.2;3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung;103
5.2.2.1;3.2.2.1 Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen;105
5.2.2.2;3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf;106
5.2.3;3.2.3 Solare Heizungsunterstützung;109
5.2.4;3.2.4 Rein solare Heizung;110
5.2.5;3.2.5 Solare Nahwärmeversorgung;111
5.2.6;3.2.6 Solares Kühlen;112
5.3;3.3 Solarkollektoren;113
5.3.1;3.3.1 Speicherkollektoren;114
5.3.2;3.3.2 Flachkollektoren;116
5.3.3;3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren;119
5.4;3.4 Kollektorabsorber;120
5.5;3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad;123
5.6;3.6 Rohrleitungen;128
5.6.1;3.6.1 Leitungsaufheizverluste;131
5.6.2;3.6.2 Zirkulationsverluste;131
5.7;3.7 Speicher;133
5.7.1;3.7.1 Trinkwasserspeicher;134
5.7.2;3.7.2 Schwimmbecken;137
5.8;3.8 Anlagenauslegung;140
5.8.1;3.8.1 Nutzwärmebedarf;140
5.8.2;3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad;141
5.8.3;3.8.3 Solare Trinkwasseranlagen;143
5.8.4;3.8.4 Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung;144
5.8.5;3.8.5 Rein solare Heizung;146
5.9;3.9 Aufwindkraftwerke;146
6;4 Konzentrierende Solarthermie;149
6.1;4.1 Einleitung;149
6.2;4.2 Konzentration von Solarstrahlung;149
6.3;4.3 Konzentrierende Kollektoren;152
6.3.1;4.3.1 Linienkollektoren;153
6.3.1.1;4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie;153
6.3.1.2;4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad;155
6.3.1.3;4.3.1.3 Längenausdehnung;159
6.3.1.4;4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder;159
6.3.2;4.3.2 Punktkonzentratoren;162
6.4;4.4 Wärmekraftmaschinen;163
6.4.1;4.4.1 Carnot-Prozess;163
6.4.2;4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess;163
6.4.3;4.4.3 Joule-Prozess;166
6.4.4;4.4.4 Stirling-Prozess;167
6.5;4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen;167
6.5.1;4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke;167
6.5.2;4.5.2 Solarturmkraftwerke;172
6.5.2.1;4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver;173
6.5.2.2;4.5.2.2 Druck-Receiver;174
6.5.3;4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen;175
6.5.4;4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie;176
6.6;4.6 Stromimport;177
7;5 Photovoltaik ;180
7.1;5.1 Einleitung;180
7.2;5.2 Funktionsweise von Solarzellen;182
7.2.1;5.2.1 Atommodell nach Bohr;182
7.2.2;5.2.2 Photoeffekt;183
7.2.3;5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle;185
7.3;5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen;192
7.3.1;5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium;192
7.3.2;5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen;197
7.3.3;5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium;198
7.3.4;5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien;199
7.3.5;5.3.5 Modultests und Qualitätskontrolle;201
7.4;5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen;202
7.4.1;5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild;202
7.4.2;5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell);203
7.4.3;5.4.3 Zweidiodenmodell;206
7.4.4;5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm;206
7.4.5;5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter;208
7.4.6;5.4.6 Temperaturabhängigkeit;210
7.4.7;5.4.7 Parameterbestimmung;213
7.5;5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen;214
7.5.1;5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen;214
7.5.2;5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen;216
7.5.3;5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen;220
7.5.4;5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen;220
7.6;5.6 Solargenerator und Last;222
7.6.1;5.6.1 Widerstandslast;222
7.6.2;5.6.2 Gleichspannungswandler;223
7.6.3;5.6.3 Tiefsetzsteller;224
7.6.4;5.6.4 Hochsetzsteller;227
7.6.5;5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler;227
7.6.6;5.6.6 MPP-Tracker;228
7.7;5.7 Akkumulatoren;230
7.7.1;5.7.1 Akkumulatorarten;230
7.7.2;5.7.2 Bleiakkumulator;231
7.7.3;5.7.3 Andere Akkumulatortypen;236
7.7.4;5.7.4 Akkumulatorsysteme;237
7.7.5;5.7.5 Andere Speichermöglichkeiten;241
7.8;5.8 Wechselrichter;241
7.8.1;5.8.1 Wechselrichtertechnologie;241
7.8.1.1;5.8.1.1 Rechteckwechselrichter;242
7.8.1.2;5.8.1.2 Moderne Wechselrichtertopologien;245
7.8.2;5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik;246
7.8.2.1;5.8.2.1 Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters;246
7.8.2.2;5.8.2.2 Wechselrichterwirkungsgrade;248
7.8.2.3;5.8.2.3 Anlagenkonzepte;251
7.9;5.9 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme ;252
7.9.1;5.9.1 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Speicher;252
7.9.2;5.9.2 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Heizung;255
7.10;5.10 Planung und Auslegung;257
7.10.1;5.10.1 Inselnetzsysteme;257
7.10.2;5.10.2 Rein Netzgekoppelte Systeme ;260
7.10.3;5.10.3 Eigenverbrauchssysteme;262
7.10.3.1;5.10.3.1 Eigenverbrauchssysteme ohne Speicher;262
7.10.3.2;5.10.3.2 Eigenverbrauchssysteme mit Batteriespeicher;267
8;6 Windkraft;274
8.1;6.1 Einleitung;274
8.2;6.2 Dargebot von Windenergie;275
8.2.1;6.2.1 Entstehung des Windes;275
8.2.2;6.2.2 Angabe der Windstärke;276
8.2.3;6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen;277
8.2.4;6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe;279
8.3;6.3 Nutzung der Windenergie;282
8.3.1;6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung;282
8.3.2;6.3.2 Widerstandsläufer;284
8.3.3;6.3.3 Auftriebsläufer;286
8.4;6.4 Bauformen von Windkraftanlagen;290
8.4.1;6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse;290
8.4.2;6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse;291
8.4.2.1;6.4.2.1 Anlagenaufbau;291
8.4.2.2;6.4.2.2 Rotorblätter;292
8.4.2.3;6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche;294
8.4.2.4;6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung;295
8.4.2.5;6.4.2.5 Windnachführung;297
8.4.2.6;6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator;298
8.4.2.7;6.4.2.7 Offshore-Windkraftanlagen;299
8.5;6.5 Elektrische Maschinen;300
8.5.1;6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung;301
8.5.2;6.5.2 Drehfeld;304
8.5.3;6.5.3 Synchronmaschine;308
8.5.3.1;6.5.3.1 Aufbau;308
8.5.3.2;6.5.3.2 Elektrische Beschreibung;309
8.5.3.3;6.5.3.3 Synchronisation;312
8.5.4;6.5.4 Asynchronmaschine;312
8.5.4.1;6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände;312
8.5.4.2;6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven;314
8.5.4.3;6.5.4.3 Leistungsbilanz;316
8.5.4.4;6.5.4.4 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten;317
8.6;6.6 Elektrische Anlagenkonzepte;319
8.6.1;6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung;319
8.6.2;6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung;322
8.6.3;6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis;323
8.6.4;6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren;325
8.6.5;6.6.5 Inselnetzanlagen;325
8.7;6.7 Netzbetrieb;326
8.7.1;6.7.1 Anlagenertrag;326
8.7.2;6.7.2 Netzanschluss;327
9;7 Wasserkraft;329
9.1;7.1 Einleitung;329
9.2;7.2 Dargebot der Wasserkraft;330
9.3;7.3 Wasserkraftwerke;334
9.3.1;7.3.1 Laufwasserkraftwerke;334
9.3.2;7.3.2 Speicherwasserkraftwerke;336
9.3.3;7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke;337
9.4;7.4 Wasserturbinen;340
9.4.1;7.4.1 Turbinenarten;340
9.4.1.1;7.4.1.1 Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine;341
9.4.1.2;7.4.1.2 Ossberger-Turbine;342
9.4.1.3;7.4.1.3 Francis-Turbine;342
9.4.1.4;7.4.1.4 Pelton-Turbine;343
9.4.2;7.4.2 Turbinenwirkungsgrad;343
9.5;7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung;345
9.5.1;7.5.1 Gezeitenkraftwerke;345
9.5.2;7.5.2 Meeresströmungskraftwerke;346
9.5.3;7.5.3 Wellenkraftwerke;347
10;8 Geothermie;349
10.1;8.1 Geothermievorkommen;349
10.2;8.2 Geothermische Heizwerke;353
10.3;8.3 Geothermische Stromerzeugung;354
10.3.1;8.3.1 Kraftwerksprozesse;354
10.3.2;8.3.2 Geothermische Kraftwerke;356
10.4;8.4 Wärmepumpen;358
10.4.1;8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen;358
10.4.2;8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen;360
10.4.3;8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen;361
10.4.4;8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung;362
11;9 Nutzung der Biomasse;367
11.1;9.1 Vorkommen an Biomasse;367
11.1.1;9.1.1 Feste Bioenergieträger;369
11.1.2;9.1.2 Flüssige Bioenergieträger;373
11.1.2.1;9.1.2.1 Pflanzenöl;373
11.1.2.2;9.1.2.2 Biodiesel;374
11.1.2.3;9.1.2.3 Bioalkohole;374
11.1.2.4;9.1.2.4 Biomass-to-Liquid (BtL)-Brennstoffe;375
11.1.3;9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger;376
11.1.4;9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz;378
11.2;9.2 Biomasseanlagen;379
11.2.1;9.2.1 Biomasseheizungen;379
11.2.2;9.2.2 Biomassekraftwerke;382
12;10 Wasserstofferzeugung, Brennstoffzellen und Methanisierung;383
12.1;10.1 Wasserstofferzeugung und -speicherung;383
12.2;10.2 Brennstoffzellen;386
12.2.1;10.2.1 Einleitung;386
12.2.2;10.2.2 Brennstoffzellentypen;387
12.2.3;10.2.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten;390
12.3;10.3 Methanisierung und Untertagespeicherung;392
13;11 Wirtschaftlichkeitsberechnungen;396
13.1;11.1 Einleitung;396
13.2;11.2 Energiegestehungskosten;397
13.2.1;11.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung;397
13.2.1.1;11.2.1.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung;398
13.2.1.2;11.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke;399
13.2.1.3;11.2.1.3 Photovoltaikanlagen;400
13.2.1.4;11.2.1.4 Windkraftanlagen;400
13.2.1.5;11.2.1.5 Wasserkraftanlagen;401
13.2.1.6;11.2.1.6 Geothermieanlagen;402
13.2.1.7;11.2.1.7 Holzpelletsheizungen;403
13.2.2;11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung;404
13.2.2.1;11.2.2.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung;407
13.2.2.2;11.2.2.2 Solarthermische Kraftwerke;407
13.2.2.3;11.2.2.3 Photovoltaikanlagen;407
13.2.2.4;11.2.2.4 Windkraftanlagen;408
13.2.3;11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen;408
13.2.4;11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien;408
13.2.5;11.2.5 Kosten konventioneller Energiesysteme;411
13.3;11.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs;413
13.3.1;11.3.1 Subventionen im Energiemarkt;414
13.3.2;11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung;416
13.3.3;11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden;417
13.3.4;11.3.4 Sonstige externe Kosten;418
13.3.5;11.3.5 Internalisierung der externen Kosten;418
13.4;11.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen;420
13.4.1;11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung;420
13.4.2;11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals;421
14;12  Simulation und die DVD zum Buch;423
14.1;12.1 Allgemeines zur Simulation;423
14.2;12.2 Die DVD zum Buch;424
14.2.1;12.2.1 Start und Überblick;424
14.2.2;12.2.2 Abbildungen;425
14.2.3;12.2.3 Software;425
14.2.4;12.2.4 Vermischtes;426
15;Literaturverzeichnis;428
16;Sachwortverzeichnis;436

Über Autor(innen)

Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Quaschning arbeitet seit vielen Jahren in verschiedenen Bereichen der regenerativen Energien im In- und Ausland. Heute lehrt und forscht er im Fachgebiet "Regenerative Energiesysteme" an der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin.