Regenerative Energietechnologien

Regenerative
Energietechnologien
Anlagenkonzepte, Anwendungen, Praxistipps
Geothermie 1
Geothermische Energie (Erdwärme) wird in Form der als Wärme gespeicherten Energie unterhalb der
Erdoberfläche genutzt. Im Erdinneren sind enorme Wärmemengen gespeichert, deren Ursprung größtenteils in
der Zerfallsenergie natürlich radioaktiver Isotope liegt.
So können nach heutigem Kenntnisstand im Erdkern Temperaturen von über 6000 °C und im oberen Erdmantel
immerhin noch ca. 1300 °C angenommen werden.
Bei der Geothermie wird die im Erdinneren enthaltene und entstehende thermische Energie als Energiequelle
genutzt. Im Durchschnitt erfolgt die Temperaturabnahme ab Erdoberfläche um etwa 3 °C pro 100 m Tiefe., d.h.
der durchschnittliche geothermische Tiefengradient beträgt 1 °C pro 33 m, was einem normalen
geothermischen Tiefengradienten entspricht. Es finden sich jedoch Vielerorts auch etliche Wärmeanomalien,
d.h. Gebiete mit wesentlich höheren Temperaturgradienten. So liegt beispielsweise die Temperatur im
Rheingraben in einer Tiefe von 3000m bei über 150 °C. Demgegenüber können in geothermisch bevorzugten
Regionen bereits in wenigen hundert Metern Tiefe Temperaturen von weit über 100 °C vorkommen.
Direktes Zitat von S 69
Geothermie 2
Die geothermische Energie kann zur Wärmeerzeugung und/ oder zur Stromerzeugung genutzt werden.
Bei der Verwendung von geothermischen Ressourcen erfolgt die Wärmeenergienutzung aus dem Untergrund
praktisch ab der Erdoberfläche bis zur technisch-ökonomisch erreichbaren Tiefe von etwa 5000 m. Die Wärme aus
diesen Tiefenbereichen kann hierbei auch zur Produktion von Elektrizität verwendet werden.
Derzeit gibt es bereits etliche Lösungsvarianten, das geothermische Energieangebot in Wärme und/ oder Strom
umzuwandeln:
- In vulkanisch geprägten Regionen werden die Dampf- oder Heißwasserlagerstätten genutzt
- Wasserführende Schichten (Aquifere) gibt es in vielen Bereichen der Erdkruste.
Die Schichten werden in
- Heiße Schichten (über 100 °C)
- Warme Schichten (40 bis 100 °C)
- Niedertemperaturwasser (25 bis 40 °C)
- Thermalwasser (ab 20 °C)
unterteilt.
Direktes Zitat von S 70
Geothermie 3
[…] Das Energieangebot der Aquifere kann zudem ab Temperaturen über 100 °C zur Stromerzeugung genutzt
werden.
Photovoltaik 1
Die Umwandlung vom Sonnenlicht in elektrische Energie in einer Solarzelle beruht auf dem bereits 1839 von
dem französischen Physiker Alexandre Edmond Bequerel entdeckten photovoltaischen Effekt.
Der Begriff Photovoltaik entstand aus der Kombination des griechischen Wortes Photo (Foton) für „Licht“
verbunden mit dem Namen des Physikers Alessandro Volta, nach dem die Stromspannung in Volt bezeichnet
wird.
Die Photovoltaik ist daher per Definition die Technologie, die sich mit der Gewinnung von elektrischer Energie
aus photoelektrischen Erscheinungen befasst. Anlässlich eines Versuchs tauchte Bequerel 1839 zwei
metallische Platten in eine leitfähige Flüssigkeit und bemerkte, dass die Spannung zwischen den Platten bei der
Sonnenbestrahlung anstieg.
Die technologische Umsetzung dieses Phänomens zur ersten Siliciumsolarzelle erfolgte jedoch mit einer
Verzögerung von über 100 Jahren (1954) vom amerikanischen Bell Laboratorium.
Direktes Zitat von S 97
Photovoltaik 2
Die Solarzellen bestehen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, die unter der Lichteinstrahlung elektrisch
leitfähig werden. Über 95 % der weltweit produzierten Solarzellen bestehen aus Silicium (Si), das als
zweithäufigstes Element der Erde ausreichend vorhanden und in der Verarbeitung umweltverträglich.
Die Solarzellen werden in der Regel aus hochreinem kristallinem Silicium hergestellt, analog zur Herstellung der
in der Elektronik verwendeten Halbleiterbauelemente. Als Ausgangsmaterial wird Quarzsand verwendet, der
(noch) in größeren Mengen verfügbar ist.
Durch absorbiertes Licht werden in diesen Solarzellen freie Ladungen erzeugt, die bewirken, dass an der Zelle
eine elektrische Spannung anliegt. Sollte nun ein elektrischer Verbraucher (Gerät oder eine Leuchte)
angeschlossen werden, dann fließt Gleichstrom. Die Höhe der Spannung ist hierbei vom Halbleitermaterial (bei
Silicium ca. 0,5 V) abhängig.
Direktes Zitat von S 97
Wasserenergie 1
Die Wasserenergie wird seit mehreren tausend Jahren zur Verrichtung von Arbeit genutzt, wobei die
Bewegungsenergie und die Fallhöhe ausgenutzt werden. Aus den ursprünglich verwendeten einfachen
Wasserrädern entwickelten sich im Laufe der Zeit die heutigen Turbinen. Ein Wasserkraftwerk besteht heute
mindestens aus einer Turbine und einem Generator, um Strom erzeugen zu können. Damit die natürlichen
Gegebenheiten auch optimal ausgenutzt werden können, werden die Wasserkraftwerke speziell auf ihren
Einsatzort hin zugeschnitten. […]
Im Grunde handelt es sich bei Wasserenergie um nichts anderes als um die gespeicherte Sonnenenergie, denn
der Wasserkreislauf der Erde wird durch die Sonne bestimmt. Die Sonne verdampft das Oberflächen- und
Meerwasser, das dann wieder als Niederschlag (Regen, Schnee) zur Erde zurückgelangt. Dieser Niederschlag
sammelt sich in den Bächen und Flüssen sowie Seen.
Die Wasserenergie (Hydroenergie) ist aber auch durch die Strömungsenergie des fließenden Wassers
gekennzeichnet, die über geeignete Maschinen in mechanische Energie umgeformt wird.
Die Nutzung der Wasserenergie erfolgt durch das Ausnutzen der potenziellen Energie des Wassers im
Schwerefeld der Erde, die beim Nach-unten-Fließen in kinetische Energie sowie Wärme durch Reibung am
Untergrund umgewandelt wird.
Direktes Zitat von S 239
Wasserenergie 2
Die meisten modernen Wasserkraftwerke arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie die Wasserräder, die früher
Mühlen antrieben. Hierbei wird die Kraft des fließenden Wassers ausgenutzt, um ein Rad anzutreiben, das
wiederum einen Generator antreibt der dann elektrische Energie erzeugt. Andererseits wurde die
Wasserenergie im früheren Zeiten auch in mechanische Energie umgewandelt, indem über Transmissionen
(Riementriebe) Dreh-, Schleifmaschinen, Mühlsteine, Sägewerke etc. angetrieben wurden.
Heute wird die Wasserenergie in den Wasserkraftwerken durch die Umwandlung der kinetischen Energie des
Wassers in mechanische Energie über eine Turbine genutzt. Das zuströmende Oberwasser fließt über den
Leitapparat innerhalb der Turbine auf das Laufrad und gibt dort seine Energie ab. Über das Saugrohr läuft das
Wasser ins Unterwasser ab. Bei kleineren Anlagen treibt das Laufrad den Generator über eine Übersetzung an,
wobei in diesem Fall der Generator direkt mit der Turbinenwelle gekoppelt ist.
Direktes Zitat von S 239
Wasserenergie 3 - Typologie der Wasserkraftwerke
Einteilung nach dem Nutzgefälle
Das Nutzgefälle oder die Fallhöhe ist der Höhenunterschied zwischen dem Wasserspiegel oberhalb der Turbine
(Oberwasser) und dem Wasserspiegel hinter der Turbine (Unterwasser).
Niederdruckkraftwerke
Mitteldruckkraftwerke
Hochdruckkraftwerke
Fallhöhe: <15m
Fallhöhe: 15…50m
Fallhöhe: 50…2000m
Durchfluss: groß
Durchfluss: mittel-groß
Durchfluss: gering
Verwendung für: Grundlast
Verwendung für: Grundlast, Mittellast
Verwendung für: Spitzenlast
Turbinenart: Kaplan-Turbine,
Durchströmturbine
Turbinenart: Francis-Trubine, KaplanTurbine, Durchströmturbine
Turbinenart: Francis-Trubine, PerltonTurbine
Bauarten: Flusskraftwerke,
Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerke
Bauarten: Flusskraftwerke,
Speicherkraftwerke
Bauarten: Speicherkraftwerke,
Pumpspeicherkraftwerke,
Kavernenkraftwerke
Direktes Zitat von S 241
Wasserenergie 4 - Typologie der Wasserkraftwerke
Einteilung nach Auslastung
Die erzeugte Strommenge (Regelarbeitsvermögen) ergibt im Verhältnis zur Nennleistung die Auslastung eines
Kraftwerkes.
Grundlastkraftwerke
Mittellastkraftwerke
Spitzenlastkraftwerke
Auslastung: >50%
Auslastung: 30…50%
Auslastung: <30%
Bauarten: Flusskraftwerke,
Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerke
Bauarten: Flusskraftwerke mit
Schwellbetrieb, Speicherkraftwerke
Bauarten: Speicherkraftwerke,
Pumpspeicherkraftwerke,
Kavernenkraftwerke
Direktes Zitat von S 241 und 242
Wasserenergie 5 - Typologie der Wasserkraftwerke
Einteilung nach der Bauart
Ausleitungskraftwerke
Laufwasserkraftwerke
Speicherkraftwerke
Bei den Ausleitungskraftwerken
handelt es sich um Wasserkraftwerke
kleiner und mittlerer Anlagengröße, bei
dem das Wasser aus einem Fluss in
einen Triebwasserkanal zum Antrieb
der Turbine abgeleitet wird.
Bei einem Laufwasserkraftwerk
(Flusskraftwerk) wird zur
Stromerzeugung ein Fluss gestaut oder
die Strömung in einem Kanal genutzt.
Charakteristisch ist hierbei eine
niedrige Fallhöhe bei relativ großer, in
der Regel auch jahreszeitlich mehr
oder weniger stark schwankender
Wassermenge. Die Anlagen werden aus
wirtschaftlichen Gründen oft in
Verbindung mit Schleusen betrieben.
Die Speicherkraftwerke nutzen
dagegen das Gefälle und die
Speicherkapazität von Talsperren und
Bergseen zur Stromerzeugung.
Speicherkraftwerke können sowohl zur
Deckung der elektrischen Grundlast als
auch im Spitzenlastbereich verwendet
werden. Bei einem Speicherkraftwerk
wird das Wasser über einem Zeitraum
(mehrere Stunden bis mehrere
Monate) gespeichert, um damit bei
Bedarf wertvolle Spitzenenergie
erzeugen zu können.
In Bayern sind z.B.74% sämtlicher
Wasserkraftanlagen als
Ausleitungskraftwerke ausgeführt.
Direktes Zitat von S 242 und 243
Wasserenergie 6 - Typologie der Wasserkraftwerke
Einteilung nach der Bauart
Kavernenkraftwerk
Kleinstwasserkraftwerke
Bei einem Kavernenkraftwerk handelt es sich um ein
Wasserkraftwerk, bei dem die Maschinenanlagen
(Maschinenhaus, Turbinen, Pumpen, Generatoren,
Transformatoren, etc.) in einem in den Fels gesprengten
Hohlraum (Kaverne) integriert sind.
Ein Kleinstwasserkraftwerk nutzt dezentral die hydraulische
Energie im unteren Leistungsbereich, d.h. bis 10 MW. Diese
Leistungsgrenze wurde jedoch willkürlich festgelegt und kann
in einigen Ländern höher angesiedelt sein, die Leistungsgrenze
liegt z.B. in China bei 30 MW.
Die Wasserzuleitungen bzw. –ableitungen eines
Kavernenkraftwerks verlaufen in der Regel als Stollen im Fels
oder als Rohrleitungen vollständig unterirdisch.
Das Funktionsprinzip der Kleinstwasserkraftwerke ist mit
denen der großen Wasserkraftwerke vergleichbar. Der
Unterschied liegt natürlich in den Leistungsklassen und in der
technischen Konzeption. […]
- Als klassische Kleinstwasserkraftwerke nutzen sie die
potentielle Energie in Fließgewässern
- Als Trinkwasserkraftwerke nutzen sie den überschüssigen
Druck in Wasserversorgungleitungen, die aus Quellen in
höheren Lagen gespeist werden.
- Als Dotierkraftwerke speisen sie das Gewässer unterhalb
großer Stauanlagen mit Restwasser. Der erzeugte Strom
dieser Inselanlagen wird nicht ins Netz eingespeist, sondern
es werden hiermit die Verbraucher in entlegenen Gebieten
versorgt.
Direktes Zitat von S 243 und 244
Wasserenergie 7
Pumpwasserkraftwerke
Bei einem Pumpspeicherkraftwerk handelt es sich um ein Speicherkraftwerk, bei dem mit dem überschüssigen Strom das
Wasser aus einer niedrigen Lage in einen höher gelegenen Stausee gepumpt wird um zu einem späteren Zeitpunkt
Spitzenstrom zu erzeugen. Die Pumpspeicher-Kraftwerke (Pumpspeicherwerke PSW) gleichen somit die Lastdifferenzen
zwischen den Tagesspitzen und dem Nachtminimum aus und dienen zur Regelung des Stromnetzes. Die Zwischenspeicherung
dient somit der Regelung des in Schwachlastzeiten erzeugten Stromes, wobei das Wasser zu Spitzenlastzeiten über die
Turbinen an das Netz abgegeben wird. […]
Da Pumpspeichereinrichtungen analog zu dem Prinzip der wieder aufladbaren Batterien funktionieren, werden sie
gelegentlich auch als »überdimensionale Akkus« bezeichnet.
Der Anlagenaufbau von Pumpspeicherkraftwerken ähnelt im Prinzip denen der konventionellen Speicherkraftwerke. Im
Unterschied zu dienen verfügen Pumpspeicherkraftwerke in ihrem Oberbecken allerdings über keinen natürlichen
Wasserzufluss und müssen aus diesem Grund das für den Betrieb erforderliche Wasser zuerst mit Hilfe von Pumpen auf das
höhere Niveau fördern.
Aus diesem Grund wird das Wasser zu den Zeiten, d.h. primär nachts, in denen ein »Überschuss« an elektrischer Energie
vorhanden ist, durch die Rohrleitungen in ein hochgelegenes Speicherbecken gefördert. Wenn nun der Energiebedarf in den
Starklastzeiten ansteigt, wird das Wasser abgelassen und die Francis- oder Pelton-Turbine angetrieben.
Direktes Zitat von S 243
Windenergie
Bei der Windenergie handelt es sich um eine Sekundärform der Sonnenenergie, d.h. um die in
Bewegungsenergie umgesetzte Sonnenstrahlung, die als Folge der Temperaturunterschiede zwischen
bestrahlten und un- oder schwach bestrahlten Landstrichen zur Luftströmungen führt, aus denen je nach
resultierender Luftgeschwindigkeit die technische Nutzleistung entzogen werden kann.
[…]
Die Windenergieanlagen bilden die ideale Basis für einen Energiemix mit anderen regenerativen
Energieträgern im Stromverbund oder beim Einsatz als Inselsysteme.
Direktes Zitat von S 261