Regenerative Energiesysteme

Regenerative Energiesysteme
Technologie – Berechnung – Simulation
Volker Quaschning
Nutzung erneuerbarer Energien
„Unter dem Begriff erneuerbare oder regenerative Energien versteht man die Energiequellen, die unter
menschlichen Zeithorizonten unerschöpflich sind. Die erneuerbaren Energien können in die drei Bereiche
Sonnenenergie, Planetenenergie und geothermische Energie eingeteilt werden. Das jeweilige jährliche
Energieangebot auf der Erde beträgt bei der
• Sonnenenergie: 3.900.000.000 PJ / a
• Planetenenergie (Gravitation): 94.000 PJ / a
• Geothermischen Energie: 996.000 PJ / a
Durch natürliche Energiewandlungen entstehen Energieformen wie Wind oder Niederschlag. Diese lassen sich
dann technisch nutzen, um Wärme, Elektrizität oder Brennstoffe bereitzustellen.“
Direktes Zitat von Seite 33 und 34
Windkraft
Die Windenergie ist im Gegensatz zu der bisher erläuterten direkten Sonnenenergie eine indirekte Art der
Sonnenenergie. Durch den Einfluss der Sonne kommt es zu Temperaturunterschieden auf der Erde, wodurch
der Wind entsteht. Dieser kann dann technisch genutzt werden. Der Wind erreicht deutlich höhere
Leistungsdichten als die eintreffende Sonnenenergie. Im Gegensatz zur maximalen solaren Bestrahlungsstärke
von etwa 1 kW/m2 auf der Erde werden beim Wind bei einem schweren Sturm Leitungsdichten von 10 kW/m2
und bei Orkanstärke sogar bis über 25 kW/m2 erreicht. Tornados und Hurricans kommen sogar auf über 100
kW/m2. Ein durchschnittlicher Wind mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s verfügt hingegen nur über eine
geringe Leistungsdichte von 0,075 kW/m2.
Direktes Zitat von Seite 235
Wasserkraft
Bei den historischen Kehrrädern unterscheidet man je nach Position des Zulaufs zwischen unter-, mittel- und
oberschlächtigem Wasserrad. Beim oberschlächtigem Wasserrad wird die potenzielle Energie des Wassers genutzt, was auch
als Reaktionsprinzip bezeichnet wird. Gute Wasserräder erreichten bereits Wirkungsgrade von über 80%. [Brö00]. Das
Stoßrad hingegen nutzt nur die Bewegungsenergie des Wassers nach dem Aktionsprinzip.
Die Wasserkraft ist heute bei der Stromerzeugung weltweit die wichtigste regenerative Energiequelle. Aufgrund der
geografischen Gegebenheiten fallen die Anteile in einzelnen Ländern stark unterschiedlich aus. Norwegen deckt zum Beispiel
nahezu seinen gesamten Elektrizitätsbedarf kohlendioxidfrei durch Wasserkraft. In Ländern wie Brasilien, Österreich, Kanada
oder der Schweiz liegt der Anteil immerhin noch deutlich über 50%. In Europa hat die Nutzung der Wasserkraft vor allem in
den Alpenländern sowie den Ländern im hohen Norden einen großen Stellenwert.
Der Anteil in Deutschland hingegen liegt mit knapp 4% deutlich unter dem Weltdurchschnitt. Grund dafür ist aber nicht, dass
der Ausbau der Wasserkraftnutzung in Deutschland vernachlässigt wurde. Im Jahr 1950 lag der Anteil der Wasserkraft an der
Stromerzeugung in Deutschland immerhin noch deutlich über 20%. Obwohl die Wasserkraftnutzung stark ausgebaut wurde,
sank in den folgenden Jahren der Prozentsatz jedoch erheblich. Mit der Zunahme des Verbrauchs konnte der Ausbau nicht
mithalten und es mangelte an brauchbaren Standorten. Somit ist die Nutzung der Wasserkraft in Deutschland auch nur noch
relativ gering ausbaubar. Obwohl hier immerhin halb so viel Strom aus Wasserkraft produziert wird, wie in Österreich oder
der Schweiz, ist der relative Anteil an der Stromversorgung um Größenordnungen niedriger.
Direktes Zitat von Seite 290
Pumpspeicherkraftwerk
Neben Fluss- und Speicherwasserkraftwerken sind Pumpspeicherkraftwerke eine weitere
Wasserkraftwerksvariante. Sie dienen jedoch nicht zur Nutzung des natürlichen Wasserangebots, sondern zur
Speicherung von Energie. Bei einem Überangebot an elektrischem Strom befördern bei diesem Kraftwerk
elektrische Pumpen Wasser von einem unteren Becken in ein höher gelegenes Bassin. Wird wieder Strom
benötigt, lässt man das Wasser vom Oberbecken über eine Druckrohrleitung durch eine Turbine zurück ins
untere Becken fließen und erzeugt damit den benötigten Strom. Das so genannte Wasserschloss nimmt dabei
Druckänderungen bei schnellem An- und Abfahren des Kraftwerks auf. […] Das größte deutsche
Pumpspeicherkraftwerk befindet sich in Goldisthal in Thüringen und ist mit einer Leitung von 1060 MW im Jahr
2004 in Betrieb gegangen.
Bei Pumpspeicherkraftwerken unterscheidet man zwischen Anlagen mit und ohne natürlichen Zufluss. Anlagen
ohne natürlichen Zufluss sind reine Energiespeicher und nicht als Anlagen zur Nutzung regenerativer
Energieträger zu werten.
Direktes Zitat von Seite 298 und 299
Geothermie
Die Erde ist ein heißer Planet. 99% der Erde sind wärmer als 1000°C. Durch radioaktive Zerfallsprozesse im Inneren
unseres Planeten entstehen Temperaturen von 6500°C, das ist höher als auf der Oberfläche der Sonne. Das Innerste
der Erde entzieht sich jedoch weitgehend den Möglichkeiten des Menschen zur technischen Nutzung.
[…]
Die Erde selbst hat einen schalenförmigen Aufbau. Sie besteht aus einem Erdkern, dem Erdmantel und der Erdkruste.
Der Erdkern hat einen Durchmesser von rund 6900 Kilometern. Man unterscheidet zwischen dem äußeren flüssigen
Erdkern und dem inneren Erdkern, der bei Drücken von bis zu 4 Mbar aus festem Eisen und Nickel besteht.
Durch Bohrungen sind für uns nur Teile der Erdkruste erschließbar, die eine Dicke von bis zu 35 km aufweist. […] Um
die Geothermie dennoch nutzbar zu machen, sind daher meist Tiefenbohrungen erforderlich.
Der durchschnittliche geothermische Tiefengradient beträgt 1°C / 33m. In einer Tiefe von 3300m nimmt die
Temperatur im Mittel um 100°C zu. Dabei ist die Temperaturzunahme nicht überall auf der Erde gleich verteilt.
Direktes Zitat von Seite 310 und 311
Biomasse 1
Unter Biomasse werden Stoffe organischer Herkunft, in er Natur lebende oder wachsende Materie und Abfallstoffe
von lebenden und toten Lebewesen verstanden. Fossile Energieträger, die durch Umwandlungsprozesse auch aus
Biomasse entstanden sind, werden im Allgemeinen nicht als Biomasse bezeichnet.
[…]
Dabei lässt sich aber nicht sämtliche Biomasse energetisch einsetzen. Der Mensch nutzt derzeit rund 4% der weltweit
neu entstehenden Biomasse. 2% gehen in die Nahrungs- und Futtermittelproduktion, 1% endet als Holzprodukt,
Papier- oder Faserstoff. Rund 1% der neu entstehenden Biomasse wird energetisch – meist in Form von Brennholz –
genutzt und deckt damit rund ein Zehntel des weltweiten Primärenergiebedarfs.
Den höchsten Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Biomasse erzielen so genannte C4-Pflanzen.
Diese zeichnen sich durch eine schnelle Photosynthese aus und nutzen damit die Sonnenenergie besonders effektiv.
Zu den C4-Pflanzen gehören Amarant, Hirse, Mais, Zuckerrohr und Chinaschilf. Unter optimalen Bedingungen
erreichen diese Wirkungsgrade von 2 bis gut 5%.
Direktes Zitat von Seite 327 und 328
Biomasse 2
Bei der Nutzung von Biomasse unterscheidet man zwischen der Nutzung von Reststoffen aus der Land- und
Forstwirtschaft und dem gezielten Aufbau von so genannten Energiepflanzen. Für Deutschland gehen
Untersuchungen von einem gesamten Potenzial von rund 1200 PJ / a aus. Dies entspricht gut 8% des deutschen
Primärenergiebedarfs aus dem Jahr 2005. Selbst bei Umsetzung umfangreicher Energiesparmaßnahmen lässt
sich daher in Deutschland nur ein Teil des Energiebedarfs durch Biomasse decken.
Die Möglichkeiten der Biomassenutzung sind dabei vielfältig. Die größten Potenziale bestehen in der Nutzung
von holz- und Holzprodukten. Auch Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft und biogene Abfälle sind für
die Energiewirtschaft von Bedeutung. Neben der Nutzung von Reststoffen lassen sich auch spezielle
Energiepflanzen anbauen. Da Energiepflanzen aber um die Ackerflächen zur Nahrungsmittelproduktion
konkurrieren, ist der extensive Anbau von Energiepflanzen nicht unumstritten.
Direktes Zitat von Seite 328 und 329