Regenerative Energiesysteme

Vorwort Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Technolgie - Berechnung - Simulation ISBN: 978-3-446-42151-6 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-42151-6 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München   Vorwort Die zunehmende Umweltzerstörung wird in Umfragen stets unter den ersten in der Zu- kunft zu lösenden Problemen genannt. Zahlreiche Folgen wie der Treibhauseffekt oder das Waldsterben gelten neben anderen Erscheinungen als Auswirkungen der heutigen Energieversorgung. Verschiedene erneuerbare Energieträger ermöglichen dagegen, un- seren Energiebedarf mit deutlich weniger Eingriffen in Natur und Umwelt zu decken. Dieses Fachbuch ist in erster Linie für Studierende, Personen im Forschungsbereich oder andere technisch Interessierte gedacht. Neben der Beschreibung der Technologie von wichtigen erneuerbaren Energiesystemen werden Berechnungs- und Simulationsmög- lichkeiten dargestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Technologien mit einem großen Entwicklungspotenzial wie Solarthermie, Photovoltaik und Windenergie. Beschäftigt man sich mit der Thematik der erneuerbaren Energien, ist es nahezu unmög- lich, die Fragen der Technik von Problemen der heutigen Energieversorgung und von ge- sellschaftspolitischen Hintergründen zu trennen. Es muss somit an dieser Stelle immer ein Kompromiss für die Darstellung der Thematik gefunden werden. Für ein Fachbuch mit technischem Schwerpunkt besteht die Verpflichtung, sich sachlich neutral mit den Technologien zu beschäftigen. Der subjektive Einfluss des Autors lässt sich hierbei jedoch niemals vollständig vermeiden. Bereits durch die Themenwahl, die Präsentation von Da- ten oder gerade die nicht behandelten Themen werden Meinungen geprägt. Aus diesen Gründen wird bei diesem Buch bewusst darauf verzichtet, technologische As- pekte von auftretenden Problemen und dem gesellschaftspolitischen Hintergrund zu trennen. Vielmehr gehört es auch zu den Aufgaben der Ingenieurwissenschaften, sich mit den Folgen der Nutzung der entwickelten Technologie auseinanderzusetzen. In Technikerkreisen wird oft die weit verbreitete Meinung geäußert, dass die Technik an sich eigentlich keine negativen Folgen verursachen kann. Nur der Einsatz spezieller Tech- nologien führe zu negativen Effekten. Es ist jedoch der Menschheit gegenüber unverant- wortlich, sich für technische Innovationen nur um der Technik Willen zu interessieren. Oftmals sind die Auswirkungen neuer oder auch schon lange bekannter Technologien nur schwer einzuschätzen. Gerade aus diesem Grund besteht für alle, die an der Entwick- lung und Nutzung einer Technik beteiligt sind, die Verpflichtung, negative Folgen kritisch einzuschätzen und vor möglichen Schäden rechtzeitig zu warnen. Um dieser Verpflich- tung gerecht zu werden, versucht dieses Buch neben einer sachlichen Darstellung der Fakten stets auch auf mögliche schädliche Konsequenzen hinzuweisen. Nach meiner Erfahrung im Ausbildungsbereich beschäftigt sich ein Großteil der Perso- nen, die ein Interesse für Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien zeigen, be- 6 Vorwort wusst auch mit den Fragen der Folgen herkömmlicher Technologien. Eine Verknüpfung von technischen mit gesellschaftspolitischen Inhalten wird meist ausdrücklich ge- wünscht. Aus diesem Grund werden in diesem Buch nicht nur Fragen der Technologie, sondern im ersten und elften Kapitel auch Probleme der Energiewirtschaft bewusst an- gesprochen. Hierbei wird Wert darauf gelegt, die Aussagen stets mit aktuellem Zahlen- material objektiv zu untermauern. Ziel ist es, Aspekte und Fakten zu liefern, mit denen sich die Leserinnen und Leser ihr eigenes Urteil bilden können. An dieser Stelle danke ich allen, die mit inhaltlichen und gestalterischen Anregungen zum Entstehen dieses Buches beigetragen haben. Besonders motiviert haben mich auch die zahlreichen Gespräche und Diskussionen wäh- rend der Erstellung des Buches. Sie haben mir gezeigt, dass es sich gerade bei den über die technischen Probleme hinausgehenden Fragestellungen um wichtige Themen han- delt, die oft ignoriert werden, denn sie stellen nicht selten unsere bisherige Handlungs- weise in Frage. Eine Lösung ist schwierig, kann aber dennoch gefunden werden. Hierzu sind konstruktive Diskussionen ein erster Schritt, und ich hoffe, dass dieses Buch einen Beitrag hierzu leisten wird. Berlin, im Januar 1998 Volker Quaschning Vorwort zur sechsten Auflage Das große Interesse für die ersten Auflagen dieses zum Standardlehrbuch gewordenen Fachbuchs und die positive Resonanz haben gezeigt, dass sich das Themengebiet der regenerativen Energien in einem großen Aufschwung befindet und dass vor allem auch die in diesem Buch gewählte Verknüpfung von Technik, Simulation und kritischen Frage- stellungen von den Leserinnen und Lesern gewünscht wird. Die dritte Auflage dieses Buchs ist unter dem Titel „Understanding Renewable Energy Systems“ auch in Englisch im Earthscan Verlag erschienen und wurde außerdem ins Ara- bische übersetzt. Diese sechste Auflage wurde komplett aktualisiert, erweitert und erstmals komplett in Farbe gestaltet. Die DVD zum Buch enthält ebenfalls die farbigen Abbildungen sowie eine umfangreiche Sammlung an Simulationsprogrammen aus dem Bereich der regenerativen Energien. Trotz sorgfältiger Prüfung lassen sich kleinere Fehler und Unstimmigkeiten in einem Fachbuch nur selten völlig vermeiden. Ein besonderer Dank gilt deshalb allen, die mit ei- ner entsprechenden Mitteilung dazu beigetragen haben, diese zu beseitigen. Nicht zu- letzt möchte ich meiner Familie, Freunden und Kollegen für die Unterstützung bei der Erstellung des Buches danken. Ein besonderer Dank gilt dem Carl Hanser Verlag und sei- nen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern für die sehr gute Zusammenarbeit der letzten Jahre. Berlin, im August 2009 Prof. Dr. Volker Quaschning Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin www.volker-quaschning.de

Inhaltsverzeichnis Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Technolgie - Berechnung - Simulation ISBN: 978-3-446-42151-6 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-42151-6 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München Inhaltsverzeichnis 1 Energie und Klimaschutz ................................................................................. 13 1.1 Der Begriff Energie ................................................................................................................ 13 1.2 Entwicklung des Energiebedarfs ........................................................................................... 18 1.2.1 Entwicklung des Weltenergiebedarfs ...................................................................... 18 1.2.2 Entwicklung des Energiebedarfs in Deutschland..................................................... 20 1.3 Reichweite konventioneller Energieträger ........................................................................... 23 1.4 Der Treibhauseffekt .............................................................................................................. 24 1.5 Kernenergie contra Treibhauseffekt ..................................................................................... 29 1.5.1 Kernspaltung ........................................................................................................... 29 1.5.2 Kernfusion ............................................................................................................... 32 1.6 Nutzung erneuerbarer Energien ........................................................................................... 33 1.6.1 Geothermische Energie ........................................................................................... 35 1.6.2 Planetenenergie ...................................................................................................... 35 1.6.3 Sonnenenergie ........................................................................................................ 36 1.6.3.1 Nutzung der direkten Sonnenenergie .............................................................. 36 1.6.3.2 Nutzung der indirekten Sonnenenergie ........................................................... 39 1.7 Künftiger Energiebedarf und Klimaschutz............................................................................. 43 1.7.1 Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs .......................................................... 43 1.7.2 Internationaler Klimaschutz .................................................................................... 45 2 Sonnenstrahlung ............................................................................................. 49 2.1 Einleitung .............................................................................................................................. 49 2.2 Der Fusionsreaktor Sonne ..................................................................................................... 50 2.3 Sonnenstrahlung auf der Erde .............................................................................................. 54 2.4 Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen ............................................................................. 59 2.5 Sonnenposition und Einfallswinkel ....................................................................................... 62 2.6 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene ....................................................................... 66 2.6.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene ............................................................ 66 2.6.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene............................................................. 67 2.6.3 Bodenreflexion ........................................................................................................ 68 2.6.4 Strahlungsgewinn durch Neigung oder Nachführung ............................................. 69 2.7 Berechnung von Abschattungsverlusten .............................................................................. 72 2.7.1 Aufnahme der Umgebung ....................................................................................... 72 2.7.2 Bestimmung des direkten Abschattungsgrades ...................................................... 74 2.7.3 Bestimmung des diffusen Abschattungsgrades ...................................................... 75 2.7.4 Gesamtermittlung der Abschattungen.................................................................... 76 2.7.5 Optimaler Abstand bei aufgeständerten Solaranlagen ........................................... 77 2.8 Solarstrahlungsmesstechnik und Sonnensimulatoren .......................................................... 80 2.8.1 Messung der globalen Bestrahlungsstärke ............................................................. 80 8 Inhaltsverzeichnis 2.8.2 Messung der direkten und der diffusen Bestrahlungsstärke .................................. 82 2.8.3 Künstliche Sonnen ................................................................................................... 82 3 Nicht konzentrierende Solarthermie................................................................ 84 3.1 Grundlagen ........................................................................................................................... 84 3.2 Solarthermische Systeme...................................................................................................... 87 3.2.1 Solare Schwimmbadbeheizung ............................................................................... 87 3.2.2 Solare Trinkwassererwärmung ................................................................................ 88 3.2.2.1 Schwerkraft- oder Thermosiphonanlagen ....................................................... 90 3.2.2.2 Anlagen mit Zwangsumlauf ............................................................................. 91 3.2.3 Solare Heizungsunterstützung ................................................................................ 93 3.2.4 Solare Nahwärmeversorgung .................................................................................. 94 3.2.5 Solares Kühlen ......................................................................................................... 94 3.3 Solarkollektoren .................................................................................................................... 95 3.3.1 Speicherkollektoren ................................................................................................ 96 3.3.2 Flachkollektoren ...................................................................................................... 98 3.3.3 Vakuumröhrenkollektoren .................................................................................... 101 3.4 Kollektorabsorber ............................................................................................................... 102 3.5 Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad ..................................................................... 105 3.6 Rohrleitungen ..................................................................................................................... 110 3.6.1 Leitungsaufheizverluste ........................................................................................ 112 3.6.2 Zirkulationsverluste ............................................................................................... 113 3.7 Speicher .............................................................................................................................. 114 3.7.1 Trinkwasserspeicher.............................................................................................. 115 3.7.2 Schwimmbecken ................................................................................................... 119 3.8 Anlagenauslegung ............................................................................................................... 121 3.8.1 Nutzwärmebedarf ................................................................................................. 121 3.8.2 Solarer Deckungsgrad und Nutzungsgrad ............................................................. 123 3.8.3 Auslegung von solaren Trinkwasseranlagen ......................................................... 124 3.8.4 Auslegung von Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung ................................ 126 3.9 Aufwindkraftwerke ............................................................................................................. 127 4 Konzentrierende Solarthermie ...................................................................... 130 4.1 Einleitung ............................................................................................................................ 130 4.2 Konzentration von Solarstrahlung ...................................................................................... 130 4.3 Konzentrierende Kollektoren .............................................................................................. 133 4.3.1 Linienkollektoren................................................................................................... 134 4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie ......................................................... 134 4.3.1.

Leseprobe Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Technolgie - Berechnung - Simulation ISBN: 978-3-446-42151-6 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-42151-6 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München 1 Energie und Klimaschutz 1.1 Der Begriff Energie Der Begriff Energie ist uns sehr geläufig, ohne dass wir uns darüber noch Gedanken ma- chen. Dabei wird er in den unterschiedlichsten Zusammenhängen verwendet. So spricht man von der Lebensenergie oder im Sinne von Tatkraft oder Temperament auch von ei- nem Energiebündel. In diesem Buch werden nur technisch nutzbare Energieformen und hiervon speziell rege- nerative Energien behandelt, zu deren Beschreibung physikalische Gesetze herangezo- gen werden. Fast untrennbar mit der Energie verbunden ist die Leistung. Da die Begriffe Energie und Leistung sehr oft verwechselt werden, soll am Anfang dieses Buches auf eine nähere Beschreibung dieser und damit zusammenhängender Größen eingegangen wer- den. Allgemein ist Energie die Fähigkeit eines Systems, äußere Wirkungen hervorzubringen, wie zum Beispiel eine Kraft entlang einer Strecke. Durch Zufuhr oder Abgabe von Arbeit kann die Energie eines Körpers verändert werden. Die Energie kann hierbei in zahlrei- chen unterschiedlichen Formen vorkommen. Dazu zählen die mechanische Energie, Lageenergie oder potenzielle Energie, Bewegungsenergie oder kinetische Energie, Wärme oder thermische Energie, magnetische Energie, Ruhe- oder Massenenergie, elektrische Energie, Strahlungsenergie, chemische Energie. Ein Liter Benzin ist nach obiger Definition eine Art von gespeicherter Energie, denn durch seine Verbrennung kann zum Beispiel ein Auto, welches eine gewisse Masse besitzt, durch die Motorkraft eine bestimmte Strecke bewegt werden. Das Bewegen des Autos ist also eine Form von Arbeit. Auch Wärme ist eine Energieform. Dies kann zum Beispiel an einem Mobile beobachtet werden, bei dem sich durch die aufsteigende warme Luft einer brennenden Kerze ein Karussell dreht. Für die Drehung ist auch eine Kraft notwendig. 14 1 Energie und Klimaschutz Im Wind ist ebenfalls Energie enthalten, die zum Beispiel in der Lage ist, die Flügel einer Windkraftanlage zu drehen. Durch die Sonnenstrahlung kann Wärme erzeugt werden. Auch Strahlung, speziell die Sonnenstrahlung, ist also eine Form von Energie. Die Leistung dW P W (1.1) dt ist durch die Ableitung der Arbeit W nach der Zeit t definiert. Sie gibt also an, in welcher Zeitspanne eine Arbeit verrichtet wird. Wenn zum Beispiel eine Person einen Sack Ze- ment einen Meter hochhebt, ist dies eine Arbeit. Durch die verrichtete Arbeit wird die Lageenergie des Sacks vergrößert. Wird der Sack doppelt so schnell hochgehoben, ist die benötigte Zeit geringer, die Leistung ist doppelt so groß, auch wenn die Arbeit die gleiche bleibt. Die Einheit der Energie und der Arbeit ist, abgeleitet aus den geltenden SI-Einheiten, J (Joule), Ws (Wattsekunde) oder Nm (Newtonmeter). Die Leistung wird in W (Watt) gemessen. In Tabelle 1.1 sind Umrechnungsfaktoren für die wichtigsten heute gebräuch- lichen Einheiten der Energietechnik zusammengefasst. Daneben existieren einige ver- altete Energieeinheiten wie Kilopondmeter kpm (1 kpm = 2,72·10 6 kWh), erg (1 erg = 2,78·10 14 kWh), das in der Physik übliche Elektronvolt eV (1 eV = 4,45·10 26 kWh) sowie die in den USA gebräuchliche Einheit Btu (British Thermal Unit, 1 Btu = 1055,06 J = 0,000293071 kWh). Tabelle 1.1 Umrechnungsfaktoren zwischen verschiedenen Energieeinheiten kJ kcal kWh kg SKE kg RÖE m³ Erdgas 1 Kilojoule (1 kJ = 1000 Ws) 1 0,2388 0,000278 0,000034 0,000024 0,000032 1 Kilocalorie (kcal) 4,1868 1 0,001163 0,000143 0,0001 0,00013 1 Kilowattstunde (kWh) 3 600 860 1 0,123 0,086 0,113 1 kg Steinkohleeinheit (SKE) 29 308 7 000 8,14 1 0,7 0,923 1 kg Rohöleinheit (RÖE) 41 868 10 000 11,63 1,428 1 1,319 1 m³ Erdgas 31 736 7 580 8,816 1,083 0,758 1 Da viele physikalische Größen oftmals sehr kleine oder sehr große Werte aufweisen und die Exponentialschreibweise sehr unhandlich ist, wurden Vorsatzzeichen eingeführt, die in Tabelle 1.2 dargestellt sind. Tabelle 1.2 Vorsätze und Vorsatzzeichen Vorsatz Abkürzung Wert Vorsatz Abkürzung Wert 3 3 Kilo k 10 (Tausend) Milli m 10 (Tausendstel) 6 6 Mega M 10 (Million) Mikro μ 10 (Millionstel) 9 9 Giga G 10 (Milliarde) Nano n 10 (Milliardstel) 12 12 Tera T 10 (Billion) Piko p 10 (Billionstel) 15 15 Peta P 10 (Billiarde) Femto f 10 (Billiardstel) 18 18 Exa E 10 (Trillion) Atto a 10 (Trillionstel) 1.1 Der Begriff Energie 15 Vielfach werden bei der Verwendung der Begriffe Energie und Leistung sowie deren Ein- heiten Fehler gemacht, und nicht selten werden Einheiten und Größen durcheinander- gebracht. Oft wird durch falschen Gebrauch von Größen der Sinn von Äußerungen ver- ändert, oder es kommt zumindest zu Missverständnissen. Als Beispiel soll ein Zeitschriftenartikel aus den 1990er-Jahren über ein Solarhaus dienen. Er beschreibt eine Photovoltaikanlage mit einer Gesamtleistung von 2,2 kW. Später im Text beklagte der Autor, dass die damalige Vergütung pro kW bei der Einspeisung in das öffentliche Netz mit 0,087 € äußerst gering war. Nach den Einheiten zu urteilen, wurde die Anlage nach Leistung (Einheit der Leistung = kW) vergütet, das wären für die gesamte Anlage dann 2,2 kW · 0,087 €/kW = 0,19 €. Sicher, Solarstrom wurde lange Zeit schlecht vergütet, doch mit knapp 20 Euro-Cents insgesamt musste sich wohl kein Anlagenbe- sitzer zufrieden geben. Der Autor hatte an dieser Stelle gemeint, dass die von der Solar- anlage in das öffentliche Netz eingespeiste elektrische Energie pro Kilowattstunde (kWh) mit 0,087 € vergütet wurde. Speiste die Anlage in einem Jahr 1650 kWh in das Netz ein, so erhielt der Betreiber mit 143,55 € immerhin das 750fache. Ein Beispiel dafür, dass ein fehlendes kleines „h“ große Unterschiede zur Folge haben kann. Energie kann im physikalischen Sinne weder erzeugt noch vernichtet werden oder gar verloren gehen. Dennoch spricht man oft von Energieverlusten oder der Energiege- winnung, obwohl in der Physik für die Energie der folgende Energieerhaltungssatz gilt: In einem abgeschlossenen System bleibt der Energieinhalt konstant. Energie kann weder vernichtet werden noch aus nichts entstehen; sie kann sich in verschiedene Formen um- wandeln oder zwischen verschiedenen Teilen des Systems ausgetauscht werden. Es kann also nur Energie von einer Form in eine andere umgewandelt werden, wofür noch einmal das Benzin und das Auto als Beispiel dienen sollen. Benzin ist eine Art von gespeicherter chemischer Energie. Durch Verbrennung entsteht thermische Energie. Diese wird vom Motor in Bewegungsenergie umgesetzt und an das Auto weitergegeben. Ist das Benzin verbraucht, steht das Auto wieder. Die Energie ist dann jedoch nicht ver- schwunden, sondern wurde bei einem zurückgelegten Höhenunterschied in Lageenergie umgewandelt oder durch Abwärme des Motors sowie über die Reibung an den Reifen und mit der Luft als Wärme an die Umgebung abgegeben. Diese Umgebungswärme kann aber in der Regel von uns Menschen nicht weiter genutzt werden. Durch die Autofahrt wurde ein Großteil des nutzbaren Energiegehalts des Benzins in nicht mehr nutzbare Umgebungswärme überführt. Für uns ist diese Energie also verloren. Vernichtete oder verlorene Energie ist demnach Energie, die von einer höherwertigen Form in eine nieder- wertige, meist nicht mehr nutzbare Form umgewandelt wurde. Anders sieht es bei einer Photovoltaikanlage aus. Sie wandelt Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie um. Es wird auch davon gesprochen, dass eine Solaranlage Energie erzeugt. Physikalisch ist auch dies nicht korrekt. Genau genommen überführt die Photo- voltaikanlage eine für uns schlecht nutzbare Energieform (Solarstrahlung) in eine höher- wertige Energieform (Elektrizität). Bei der Umwandlung kann die Energie mit unterschiedlicher Effizienz genutzt werden. Dies soll im Folgenden am Beispiel des Wasserkochens verdeutlicht werden.