Table Of ContentErneuerbare Energien
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
M. Kaltschmitt, A. Wiese
(Hrsg.)
Erneuerbare Energien
Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte
Mit 166 Abbildungen und 73 Tabellen
Springer
Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt
Universität Stuttgart
HeBbrühlstraße 49a
D -70565 Stuttgart
Dr.-Ing. Andreas Wiese
Lahmeyer International GmbH
Lyoner Straße 22
D -60528 FrankfurtiMam
ISBN 978-3-540-59362-1
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Erneuerbare Energien: Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte; A. Wiese (Hrsg.)
ISBN 978-3-540-59362-1 ISBN 978-3-662-07118-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-07118-2
NE. Kaltschmitt, Martin (Hrsg.)
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1995
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tigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzei
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dürften.
Satz: Reproduktionsfertige Vorlage vorn Autor
SPIN: 10497869 62/3020 -5 4 3 2 1 0 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort
Die Nutzung regenerativer Energien zur Energieversorgung ist nicht neu; in der
Geschichte der Menschheit waren erneuerbare Energien sehr lange Zeit die primär
genutzte Möglichkeit zur Energiebereitstellung. Dies änderte sich erst mit der
industriellen Revolution, in der Steinkohle und damit fossile Energieträger zuneh
mend an Bedeutung gewannen. Später kam das Erdöl hinzu, das aufgrund seiner
Vorteile bezüglich Transport und Verarbeitung zum heute primär eingesetzten
Energieträger wurde. Mit dem zunehmenden Einsatz der fossilen Energieträger zur
Energieversorgung ging -zumindest in den Industriestaaten -der Einsatz regenera
tiver Energien zurück; bezogen auf das Gesamtenergieaufkommen und abgesehen
von wenigen Ausnahmen sind sie heute fast bedeutungslos.
Jedoch ist die Nutzung fossiler Energieträger mit einer Reihe von Nachteilen
verbunden; sie werden von einer bezüglich möglicher Umwelt- und Klimagefahren
sowie anderer negativer Folgen zunehmend sensibilisierten Industriegesellschaft am
Ende des 20. Jahrhunderts immer weniger toleriert. Der sauere Regen und das
Ozonloch zählen ebenso zu diesen Gefahren wie der Treibhauseffekt. Deshalb
gewinnt die Suche nach um weit-und klimaverträglichen sowie allgemein akzeptier
baren Alternativen zur gegenwärtigen Form der Energiebereitstellung zunehmend
an Bedeutung. Hier werden in die vielfältigen Möglichkeiten zur Nutzung regenera
tiver Energien von weiten Teilen der Bevölkerung insbesondere in der Bundes
republik Deutschland große Hoffnungen und Erwartungen gesetzt.
Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel des vorliegenden Buches, für die wich
tigsten in Deutschland einsetzbaren Techniken zur Nutzung regenerativer Energien
die physikalischen und systemtechnischen Grundlagen darzustellen. Neben einer
Diskussion der Charakteristik des regenerativen Energieangebots werden die
Techniken zur Wärmebereitstellung aus Solarenergie und Erdwärme sowie zur
Erzeugung elektrischer Energie aus solarer Strahlung (Photovoltaik), aus Wind
energie und aus Wasserkraft ausführlich dargestellt; lediglich die Analyse der
Möglichkeiten einer energetischen Biomassenutzung bleibt einer späteren Ver
öffentlichung vorbehalten. Zusätzlich werden für diese Techniken zur Nutzung
regenerativer Energien ausgehend von dem gegenwärtigen Stand und einer mög
lichen zukünftigen Entwicklung Kennzahlen für eine ökologische, ökonomische und
energiewirtschaftliche Bewertung zur Verfügung gestellt. Außerdem werden die
verschiedenen Nutzungstechniken sowohl mit denen auf der Basis fossiler Energie
träger als auch untereinander verglichen. Damit ist es letztlich möglich, die derzei
tigen und zukünftigen Chancen und Risiken der verschiedenen Möglichkeiten zur
VI
Nutzung des regenerativen Energieangebots in Deutschland auch im Vergleich zu
den jeweiligen konventionellen Techniken und vor dem Hintergrund der energie
wirtschaftlichen Gegebenheiten besser beurteilen und bewerten zu können.
Die vorliegende Ausarbeitung wäre ohne die Unterstützung des Instituts für
Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart
und insbesondere seines Leiters, Herrn Prof. Dr.-Ing. A. Voß, sowie einer Vielzahl
weiterer Personen und Institutionen nicht möglich gewesen. Ihnen sei an dieser
Stelle, ebenso wie dem Verlag, für die kooperative Zusammenarbeit sehr herzlich
gedankt. Unser ganz besonderer Dank gilt den Autoren für die gute und konstruk
tive Zusammenarbeit. Frau Dipl.-Met. H. Barteis (Deutscher Wetterdienst, Offen
bach), Herrn Dr.-Ing. K. Braun (Institut für Computeranwendungen, Universität
Stuttgart), Herrn Dipl.-Met. J. Christoffer (Deutscher Wetterdienst, Offenbach),
Herrn Dipl.-Met. G. Czeplak (Seewetteramt, Hamburg), Dipl.-Ing. R. Kühler
(Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, Universität Stuttgart) und Herrn
Dipl.-Ing. B. Mahler (Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, Universität
Stuttgart) sind wir für wichtige inhaltliche Beiträge zu Dank verpflichtet. Weiterhin
sei Herrn Dipl.-Ing. L. Dinkelbach und Frau A. Voegele für die Mühe des Korrek
turlesens, Frau cand.-ing. P. Beil und Herrn. cand.-ing. K. Waschitschek für die
Erstellung einer Vielzahl der Zeichnungen und der Abteilung "Neue Energietechno
logien und Technikanalyse" (NET) des IER für die vielfältige Unterstützung bei der
Erarbeitung dieses Buches gedankt.
Stuttgart, im Mai 1995 Martin Kaltschmitt und Andreas Wiese
Liste der Autoren
Dipl.-Ing. Tillmann Hellwig
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart
Dr. Ernst Huenges
GeoForschungsZentrum, Potsdam
Dipl.-lng. Klaus Jorde
Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart
Dr. Frank Kabus
Geothermie Neubrandenburg GmbH, Neubrandenburg
Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart
Dr. Oskar Kappelmeyer
GTC Kappelmeyer GmbH, Forsthart
Dr.-Ing. Alfred Kerschberger
Freier Architekt, Stuttgart
Prof. Horst Küsgen, Dipl.-Ing., DIC
Institut für Bauökonomie, Universität Stuttgart
Dr. Iris Lewandowski
Institut für Pflanzenbau und Grünlandlehre, Universität Hohenheim
Dipl.-lng. Rainer Lux
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart
Dipl.-lng. Gert Nimz
Schleswag AG, Rendsburg
Dr.-Ing. Fritz Pfisterer
Institut für Physikalische Elektronik, Universität Stuttgart
Prof. Dr. Fritz Rummel
Institut für Geophysik, Ruhr-Universität Bochum
Dr. Burkhard Sanner
Institut für Angewandte Geowissenschaften, Justus-Liebig-Universität Gießen
Dipl.-Ing. Dr. techn. Wolfgang Streicher
Institut für Wärmetechnik, Technische Universität Graz
Dr.-Ing. Andreas Wiese
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • • . . . . . . 1
MARTIN KALTSCHMITI, ANDREAS WIESE
1.1 Energiesystem Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Definition der Energiebegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Primär- und Endenergieverbrauch .................... 3
1.1.3 Verbrauch an elektrischer Energie .................... 7
1.2 Vorgehensweise ...................................... 9
1.2.1 Regenerative Energiequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 Nutzung des regenerativen Energieangebots . . . . . . . . . . . . 11
Physikalisch-technische Grundlagen (11); Systemtechnische
Beschreibung (12); Potentiale und Nutzung (16); Kosten (19);
Technische und wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven (21);
Vergleichende Systemanalyse (21)
1.2.3 Konventionelle Referenzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Randbedingungen (23); Techniken zur Strombereitstellung (26);
Techniken zur Wärmebereitstellung (30)
2 Grundlagen des regenerativen Energieangebots • . . • . . . • . . . . . . • . . 35
2.1 Energiebilanz der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
ANDREAS WIESE
2.1.1 Energiequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Sonne (35); Erdwärme (38); Planetengravitation und -bewegung (39)
2.1.2 Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.3 Bilanz der Energieströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2 Solare Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
MARTIN KALTSCHMITI
2.2.1 Grundlagen des solaren Strahlungsangebots . . . . . . . . . . . . 44
Optische Fenster (44); Strahlungsschwächung (44);
Strahlungsspektrum (45); Direkt-, Diffus- und Globalstrahlung (46);
Direktstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Aächen (47);
Diffusstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Aächen (48);
Globalstrahlung auf geneigte, ausgerichtete Aächen (49)
2.2.2 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik . . . . . . . . . 49
Strahlungsmessung (49); Strahlungsverteilung (50);
Zeitliche Variationen (51)
X Inhaltsverzeichnis
2.3 Windenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
ANDREAS WIESE
2.3.1 Grundlagen der Windentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Mechanismen (56); Weltweite Luftzirkulationssysteme (58);
Lokale Luftzirkulationssysteme (59); Windleistung (61)
2.3.2 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik . . . . . . . . . 62
Windrichtungs- und Geschwindigkeitsmessung (62); Windverteilung (62);
Zeitliche Variationen (64); Häufigkeitsverteilung (67)
2.4 Lauf- und Speicherwasserangebot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
KLAUS JORDE, MARTIN KALTSCHMITf
2.4.1 Grundlagen des Wasserangebots .................... 68
Wasservorräte der Erde (68); Wasserkreislauf (69); Niederschlag (70);
Vom Niederschlag zum Abfluß (71); Leistung und Arbeitsvermögen
des Wassers (72)
2.4.2 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik ......... 74
Messung wassertechnischer Größen (74); Niederschlagsverteilung und
-Variationen (75); Flußsysteme, Abflußhöhe und -verlauf (78);
Speicher (80)
2.5 Photosynthetisch fixierte Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
IRIS LEWA NDOWSKI
2.5.1 Produktion organischer Masse durch Photosynthese . . . . . . . 81
Aufbau und Zusammensetzung der Pflanze (81); Photosynthese (81);
Einfluß verschiedener Wachstumsfaktoren (84)
2.5.2 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik . . . . . . . . . 88
Räumliche Angebotscharakteristik (88);
Zeitliche Angebotscharakteristik (90)
2.6 Erdwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
FRITZ RUMMEL, ERNST HUENGES, MARTIN KALTSCHMITT
2.6.1 Grundlagen .................................. 91
Erdaufbau (91); Temperaturgradient (92); Wärmeinhalt und Verteilung
der Quellen in der Erde (92); Terrestrische Wärmestromdichte (93);
Wärmebilanz an der Erdoberfläche (93); Geothermische Systeme und
Ressourcen (94)
2.6.2 Räumliche und zeitliche Angebotscharakteristik . . . . . . . . . 95
Temperaturverteilung im flachen Untergrund (95);
Temperaturverteilung im tiefen Untergrund (96);
Zeitliche Abhängigkeit (97)
3 Solarthermische Wärmenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
ANDREAS WIESE, WOLFGANG STREICHER, ALFRED KERSCHBERGER, HORST KüSGEN
3.1 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.1.1 Absorption, Emission und Transmission ............... 99
3.1.2 Optische Eigenschaften von Absorbern .............. 100
3 .1. 3 Optische Eigenschaften von Abdeckungen . . . . . . . . . . . . 10 1
3.1.4 Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Allgemeine Energiebilanz (102); Energiebilanz des Kollektors (102)
3 .1.5 Wirkungsgrad und solarer Deckungsgrad . . . . . . . . . . . . . 105
