Technologie – Berechnung – Klimaschutz
E-Book, Deutsch, 483 Seiten
ISBN: 978-3-446-47839-8
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Das Buch geht auf Entwicklungen wie die Power-to-Gas-Technologie sowie nötige Technologiepfade für eine erfolgreiche vollständige Energiewende ein. Berücksichtigt werden auch aktuelle Entwicklungen bei Batteriespeichern in der Photovoltaik sowie bei Speicherformen in Wasserkraftwerken. Zu den aktualisierten Themen in dieser Auflage zählen die Auswirkungen der Energiekrise infolge des Angriffs Russlands auf die Ukraine sowie Neuerungen in der Wasserstoffwirtschaft. Zahlreiche Berechnungsbeispiele und Grafiken veranschaulichen die verschiedenen Technologien und Berechnungsverfahren.
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Autoren/Hrsg.
Fachgebiete
- Wirtschaftswissenschaften Wirtschaftssektoren & Branchen Energie- & Versorgungswirtschaft Energiewirtschaft: Alternative & Erneuerbare Energien
- Geowissenschaften Umweltwissenschaften Energieressourcen
- Wirtschaftswissenschaften Volkswirtschaftslehre Umweltökonomie
- Geowissenschaften Umweltwissenschaften Klimawandel, Globale Erwärmung
- Technische Wissenschaften Energietechnik | Elektrotechnik Alternative und erneuerbare Energien
- Geowissenschaften Umweltwissenschaften Umweltpolitik, Umweltprotokoll
- Wirtschaftswissenschaften Wirtschaftssektoren & Branchen Energie- & Versorgungswirtschaft Elektroindustrie
Weitere Infos & Material
1;Vorwort zur ersten Auflage;7
2;Vorwort zur zwölften Auflage;8
3;Inhaltsverzeichnis;9
4;1 Energie und Klimaschutz;15
4.1;1.1 Der Begriff Energie;15
4.2;1.2 Entwicklung des Energiebedarfs;20
4.2.1;1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs;20
4.2.2;1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland;22
4.3;1.3 Reichweite konventioneller Energieträger;25
4.4;1.4 Der Treibhauseffekt;27
4.5;1.5 Kernenergie contra Treibhauseffekt;33
4.5.1;1.5.1 Kernspaltung;33
4.5.2;1.5.2 Kernfusion;37
4.6;1.6 Nutzung erneuerbarer Energien;37
4.6.1;1.6.1 Geothermische Energie;39
4.6.2;1.6.2 Planetenenergie;39
4.6.3;1.6.3 Sonnenenergie;40
4.6.3.1;1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie;40
4.6.3.2;1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie;43
4.7;1.7 Energiewende und Klimaschutz;48
4.7.1;1.7.1 Szenarien für den globalen Klimawandel;48
4.7.2;1.7.2 Energiewende und Klimaschutz in Deutschland;54
4.7.2.1;1.7.2.1 Entwicklung der Kohlendioxidemissionen in Deutschland;54
4.7.2.2;1.7.2.2 Regenerative Energieversorgung in Deutschland;56
4.7.2.3;1.7.2.3 Umbau der Energieversorgung;67
4.7.3;1.7.3 Internationaler Klimaschutz;70
5;2 Sonnenstrahlung;74
5.1;2.1 Einleitung;74
5.2;2.2 Der Fusionsreaktor Sonne;75
5.3;2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde;79
5.4;2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen;85
5.5;2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel;88
5.6;2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene;92
5.6.1;2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene;92
5.6.2;2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene;93
5.6.3;2.6.3 Bodenreflexion;94
5.6.4;2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung;95
5.7;2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten;98
5.7.1;2.7.1 Aufnahme der Umgebung;98
5.7.2;2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades;100
5.7.3;2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades;101
5.7.4;2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen;102
5.7.5;2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen;103
5.8;2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren;107
5.8.1;2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke;107
5.8.2;2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke;109
5.8.3;2.8.3 Satellitenmessungen;109
5.8.4;2.8.4 Künstliche Sonnen;112
6;3 Nicht konzentrierende Solarthermie;113
6.1;3.1 Grundlagen;113
6.2;3.2 Solarthermische Systeme;116
6.2.1;3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung;116
6.2.2;3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung;117
6.2.2.1;3.2.2.1 Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen;119
6.2.2.2;3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf;120
6.2.3;3.2.3 Solare Heizungsunterstützung;123
6.2.4;3.2.4 Rein solare Heizung;124
6.2.5;3.2.5 Solare Nahwärmeversorgung;125
6.2.6;3.2.6 Solares Kühlen;126
6.3;3.3 Solarkollektoren;127
6.3.1;3.3.1 Speicherkollektoren;128
6.3.2;3.3.2 Flachkollektoren;130
6.3.3;3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren;133
6.4;3.4 Kollektorabsorber;134
6.5;3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad;137
6.6;3.6 Rohrleitungen;142
6.6.1;3.6.1 Leitungsaufheizverluste;145
6.6.2;3.6.2 Zirkulationsverluste;145
6.7;3.7 Speicher;147
6.7.1;3.7.1 Trinkwasserspeicher;148
6.7.2;3.7.2 Schwimmbecken;151
6.8;3.8 Anlagenauslegung;154
6.8.1;3.8.1 Nutzwärmebedarf;154
6.8.2;3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad;155
6.8.3;3.8.3 Solare Trinkwasseranlagen;157
6.8.4;3.8.4 Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung;158
6.8.5;3.8.5 Rein solare Heizung;160
6.9;3.9 Aufwindkraftwerke;160
7;4 Konzentrierende Solarthermie;163
7.1;4.1 Einleitung;163
7.2;4.2 Konzentration von Solarstrahlung;163
7.3;4.3 Konzentrierende Kollektoren;166
7.3.1;4.3.1 Linienkollektoren;167
7.3.1.1;4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie;167
7.3.1.2;4.3.1.2 Kollektornutzleistung und Kollektorwirkungsgrad;169
7.3.1.3;4.3.1.3 Längenausdehnung;173
7.3.1.4;4.3.1.4 Parabolrinnenkollektorfelder;173
7.3.2;4.3.2 Punktkonzentratoren;176
7.4;4.4 Wärmekraftmaschinen;177
7.4.1;4.4.1 Carnot-Prozess;177
7.4.2;4.4.2 Clausius-Rankine-Prozess;177
7.4.3;4.4.3 Joule-Prozess;180
7.4.4;4.4.4 Stirling-Prozess;181
7.5;4.5 Konzentrierende solarthermische Anlagen;181
7.5.1;4.5.1 Parabolrinnenkraftwerke;181
7.5.2;4.5.2 Solarturmkraftwerke;186
7.5.2.1;4.5.2.1 Offener volumetrischer Receiver;187
7.5.2.2;4.5.2.2 Druck-Receiver;188
7.5.3;4.5.3 Dish-Stirling-Anlagen;189
7.5.4;4.5.4 Sonnenöfen und Solarchemie;190
7.6;4.6 Stromimport;191
8;5 Photovoltaik;194
8.1;5.1 Einleitung;194
8.2;5.2 Funktionsweise von Solarzellen;196
8.2.1;5.2.1 Atommodell nach Bohr;196
8.2.2;5.2.2 Photoeffekt;197
8.2.3;5.2.3 Funktionsprinzip einer Solarzelle;199
8.3;5.3 Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen;206
8.3.1;5.3.1 Solarzellen aus kristallinem Silizium;206
8.3.2;5.3.2 Solarmodule mit kristallinen Zellen;211
8.3.3;5.3.3 Solarzellen aus amorphem Silizium;212
8.3.4;5.3.4 Solarzellen aus anderen Materialien;213
8.3.5;5.3.5 Modultests und Qualitätskontrolle;215
8.4;5.4 Elektrische Beschreibung von Solarzellen;217
8.4.1;5.4.1 Einfaches Ersatzschaltbild;217
8.4.2;5.4.2 Erweitertes Ersatzschaltbild (Eindiodenmodell);218
8.4.3;5.4.3 Zweidiodenmodell;221
8.4.4;5.4.4 Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm;221
8.4.5;5.4.5 Weitere elektrische Zellparameter;223
8.4.6;5.4.6 Temperaturabhängigkeit;225
8.4.7;5.4.7 Parameterbestimmung;228
8.5;5.5 Elektrische Beschreibung von Solarmodulen;229
8.5.1;5.5.1 Reihenschaltung von Solarzellen;229
8.5.2;5.5.2 Reihenschaltung unter inhomogenen Bedingungen;231
8.5.3;5.5.3 Parallelschaltung von Solarzellen;236
8.5.4;5.5.4 Technische Daten von Solarmodulen;236
8.6;5.6 Solargenerator und Last;237
8.6.1;5.6.1 Widerstandslast;237
8.6.2;5.6.2 Gleichspannungswandler;239
8.6.3;5.6.3 Tiefsetzsteller;240
8.6.4;5.6.4 Hochsetzsteller;242
8.6.5;5.6.5 Weitere Gleichspannungswandler;243
8.6.6;5.6.6 MPP-Tracker;244
8.7;5.7 Akkumulatoren;246
8.7.1;5.7.1 Akkumulatorarten;246
8.7.2;5.7.2 Bleiakkumulator;247
8.7.3;5.7.3 Lithium-Ionen-Akkumulator;251
8.7.4;5.7.4 Andere Akkumulatortypen;255
8.7.5;5.7.5 Akkumulatorsysteme;256
8.7.6;5.7.6 Andere Speichermöglichkeiten;259
8.8;5.8 Wechselrichter;260
8.8.1;5.8.1 Wechselrichtertechnologie;260
8.8.1.1;5.8.1.1 Rechteckwechselrichter;261
8.8.1.2;5.8.1.2 Moderne Wechselrichtertopologien;264
8.8.2;5.8.2 Wechselrichter in der Photovoltaik;265
8.8.2.1;5.8.2.1 Funktionen und Aufgaben des Wechselrichters;265
8.8.2.2;5.8.2.2 Wechselrichterwirkungsgrade;267
8.8.2.3;5.8.2.3 Anlagenkonzepte;270
8.9;5.9 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme;271
8.9.1;5.9.1 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Speicher;271
8.9.2;5.9.2 Photovoltaische Eigenverbrauchssysteme mit Heizung;275
8.10;5.10 Planung und Auslegung;277
8.10.1;5.10.1 Inselnetzsysteme;277
8.10.2;5.10.2 Rein netzgekoppelte Systeme;280
8.10.3;5.10.3 Eigenverbrauchssysteme;283
8.10.3.1;5.10.3.1 Eigenverbrauchssysteme ohne Speicher;283
8.10.3.2;5.10.3.2 Eigenverbrauchssysteme mit Batteriespeicher;287
8.10.3.3;5.10.3.3 Thermische Nutzung und Netzrückspeisung;294
9;6 Windkraft;296
9.1;6.1 Einleitung;296
9.2;6.2 Dargebot von Windenergie;297
9.2.1;6.2.1 Entstehung des Windes;297
9.2.2;6.2.2 Angabe der Windstärke;298
9.2.3;6.2.3 Windgeschwindigkeitsverteilungen;299
9.2.4;6.2.4 Einfluss der Umgebung und Höhe;301
9.3;6.3 Nutzung der Windenergie;304
9.3.1;6.3.1 Im Wind enthaltene Leistung;304
9.3.2;6.3.2 Widerstandsläufer;306
9.3.3;6.3.3 Auftriebsläufer;308
9.4;6.4 Bauformen von Windkraftanlagen;312
9.4.1;6.4.1 Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse;312
9.4.2;6.4.2 Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse;313
9.4.2.1;6.4.2.1 Anlagenaufbau;313
9.4.2.2;6.4.2.2 Rotorblätter;314
9.4.2.3;6.4.2.3 Windgeschwindigkeitsbereiche;316
9.4.2.4;6.4.2.4 Leistungsbegrenzung und Sturmabschaltung;317
9.4.2.5;6.4.2.5 Windnachführung;319
9.4.2.6;6.4.2.6 Turm, Fundament, Getriebe und Generator;320
9.4.2.7;6.4.2.7 Offshore-Windkraftanlagen;321
9.5;6.5 Elektrische Maschinen;322
9.5.1;6.5.1 Elektrische Wechselstromrechnung;323
9.5.2;6.5.2 Drehfeld;326
9.5.3;6.5.3 Synchronmaschine;330
9.5.3.1;6.5.3.1 Aufbau;330
9.5.3.2;6.5.3.2 Elektrische Beschreibung;331
9.5.3.3;6.5.3.3 Synchronisation;334
9.5.4;6.5.4 Asynchronmaschine;334
9.5.4.1;6.5.4.1 Aufbau und Betriebszustände;334
9.5.4.2;6.5.4.2 Ersatzschaltbilder und Stromortskurven;336
9.5.4.3;6.5.4.3 Leistungsbilanz;338
9.5.4.4;6.5.4.4 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und typische Generatordaten;339
9.6;6.6 Elektrische Anlagenkonzepte;341
9.6.1;6.6.1 Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung;341
9.6.2;6.6.2 Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung;344
9.6.3;6.6.3 Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis;345
9.6.4;6.6.4 Drehzahlregelbare Asynchrongeneratoren;347
9.6.5;6.6.5 Inselnetzanlagen;347
9.7;6.7 Netzbetrieb;348
9.7.1;6.7.1 Anlagenertrag;348
9.7.2;6.7.2 Netzanschluss;349
10;7 Wasserkraft;351
10.1;7.1 Einleitung;351
10.2;7.2 Dargebot der Wasserkraft;352
10.3;7.3 Wasserkraftwerke;356
10.3.1;7.3.1 Laufwasserkraftwerke;356
10.3.2;7.3.2 Speicherwasserkraftwerke;358
10.3.3;7.3.3 Pumpspeicherkraftwerke;359
10.3.4;7.3.4 Betonkugelspeicher und Lageenergiespeicher;363
10.4;7.4 Wasserturbinen;365
10.4.1;7.4.1 Turbinenarten;365
10.4.1.1;7.4.1.1 Kaplan-Turbine und Rohr-Turbine;366
10.4.1.2;7.4.1.2 Ossberger-Turbine;367
10.4.1.3;7.4.1.3 Francis-Turbine;367
10.4.1.4;7.4.1.4 Pelton-Turbine;367
10.4.2;7.4.2 Turbinenwirkungsgrad;369
10.5;7.5 Weitere technische Anlagen zur Wasserkraftnutzung;370
10.5.1;7.5.1 Gezeitenkraftwerke;370
10.5.2;7.5.2 Meeresströmungskraftwerke;371
10.5.3;7.5.3 Wellenkraftwerke;372
11;8 Geothermie;374
11.1;8.1 Geothermievorkommen;374
11.2;8.2 Geothermische Heizwerke;378
11.3;8.3 Geothermische Stromerzeugung;379
11.3.1;8.3.1 Kraftwerksprozesse;379
11.3.2;8.3.2 Geothermische Kraftwerke;381
11.4;8.4 Wärmepumpen;383
11.4.1;8.4.1 Kompressions-Wärmepumpen;383
11.4.2;8.4.2 Absorptions-Wärmepumpen;386
11.4.3;8.4.3 Adsorptions-Wärmepumpen;387
11.4.4;8.4.4 Einsatzgebiete, Planung und Ertragsberechnung;387
12;9 Nutzung der Biomasse;394
12.1;9.1 Vorkommen an Biomasse;394
12.1.1;9.1.1 Feste Bioenergieträger;396
12.1.2;9.1.2 Flüssige Bioenergieträger;400
12.1.2.1;9.1.2.1 Pflanzenöl;400
12.1.2.2;9.1.2.2 Biodiesel;401
12.1.2.3;9.1.2.3 Bioalkohole;401
12.1.2.4;9.1.2.4 Biomass-to-Liquid- (BtL-)Brennstoffe;402
12.1.3;9.1.3 Gasförmige Bioenergieträger;403
12.1.4;9.1.4 Flächenerträge und Umweltbilanz;405
12.2;9.2 Biomasseanlagen;406
12.2.1;9.2.1 Biomasseheizungen;406
12.2.2;9.2.2 Biomassekraftwerke;409
13;10 Wasserstoffwirtschaft;410
13.1;10.1 Einleitung;410
13.2;10.2 Wasserstofferzeugung;411
13.3;10.3 Wasserstofftransport und Wasserstoffspeicherung;413
13.4;10.4 Wasserstoffbasierte Energieträger;416
13.4.1;10.4.1 Energieträger für den Transport;417
13.4.2;10.4.2 Methan als Speicher der Energiewende;418
13.4.3;10.4.3 E-Fuels;421
13.5;10.5 Brennstoffzellen;423
13.5.1;10.5.1 Einleitung;423
13.5.2;10.5.2 Brennstoffzellentypen;424
13.5.3;10.5.3 Wirkungsgrade und Betriebsverhalten;427
14;11 Wirtschaftlichkeitsberechnungen;429
14.1;11.1 Einleitung;429
14.2;11.2 Energiegestehungskosten;430
14.2.1;11.2.1 Berechnungen ohne Kapitalverzinsung;430
14.2.1.1;11.2.1.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung;431
14.2.1.2;11.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke;432
14.2.1.3;11.2.1.3 Photovoltaikanlagen;433
14.2.1.4;11.2.1.4 Windkraftanlagen;435
14.2.1.5;11.2.1.5 Wasserkraftanlagen;436
14.2.1.6;11.2.1.6 Geothermieanlagen;436
14.2.1.7;11.2.1.7 Holzpelletsheizungen;438
14.2.2;11.2.2 Berechnungen mit Kapitalverzinsung;439
14.2.2.1;11.2.2.1 Solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung;442
14.2.2.2;11.2.2.2 Solarthermische Kraftwerke;442
14.2.2.3;11.2.2.3 Photovoltaikanlagen;442
14.2.2.4;11.2.2.4 Windkraftanlagen;443
14.2.3;11.2.3 Vergütung für regenerative Energieanlagen;443
14.2.4;11.2.4 Zukünftige Entwicklung der Kosten für regenerative Energien;444
14.2.5;11.2.5 Kosten konventioneller Energiesysteme;446
14.3;11.3 Externe Kosten des Energieverbrauchs;448
14.3.1;11.3.1 Subventionen im Energiemarkt;449
14.3.2;11.3.2 Ausgaben für Forschung und Entwicklung;451
14.3.3;11.3.3 Kosten für Umwelt- und Gesundheitsschäden;452
14.3.4;11.3.4 Sonstige externe Kosten;453
14.3.5;11.3.5 Internalisierung der externen Kosten;453
14.4;11.4 Kritische Betrachtung der Wirtschaftlichkeitsberechnungen;454
14.4.1;11.4.1 Unendliche Kapitalvermehrung;455
14.4.2;11.4.2 Die Verantwortung des Kapitals;456
15;12 Simulation und Downloads zum Buch;458
15.1;12.1 Allgemeines zur Simulation;458
15.2;12.2 Der Downloadbereich zum Buch;459
15.2.1;12.2.1 Start und Überblick;459
15.2.2;12.2.2 Abbildungen und Software-Links;460
15.2.3;12.2.3 Vermischtes;462
16;Literaturverzeichnis;463
17;Sachwortverzeichnis;472
