Regenerative Energiesysteme: Grundlagen, Systemtechnik und Analysen ausgeführter Beispiele nachhaltiger Energiesysteme

500 Pages·2019·9.73 MB·German

by  Holger Watter

Holger Watter
Regenerative
Energiesysteme
Grundlagen, Systemtechnik und Analysen
ausgeführter Beispiele nachhaltiger
Energiesysteme
5. Auflage
Regenerative Energiesysteme
Holger Watter
Regenerative
Energiesysteme
Grundlagen, Systemtechnik und Analysen
ausgeführter Beispiele nachhaltiger
Energiesysteme
5. Auflage
HolgerWatter
Tarp,Deutschland
ErgänzendesMaterialzudiesemBuchfindenSieaufhttp://www.springer.com.
ISBN978-3-658-23487-4 ISBN978-3-658-23488-1(eBook)
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Vorwort
Die „erneuerbarenEnergien“und„nachhaltigen Energiesysteme“stehen wegen derKli-
madebatte im Mittelpunkt der gesellschaftlichen Diskussion. Politisch werden Rahmen-
bedingungen definiert; in der Wirtschaft und im Privaten sucht man nach Wegen zur
Minimierung der Energiekosten. Im Internet und in den Medien werden Lösungsvor-
schläge diskutiert und propagiert. Der „einfache Verbraucher“ ist mit der Beurteilung
überfordertundmussden„HeilsversprechungenderAlchimistenderModerne“mehroder
minderglauben.IstdiebetriebswirtschaftlicheBeurteilungaufderGrundlagevonErfah-
rungswertenvielleichtgeradenochmöglich;beiderklimarelevantenCO -Bilanzwirddas
2
Projektdannoftzur„Glaubensfrage“.
ZieldiesesBuchesistes,
(cid:2) diewesentlichenFunktionsmechanismendarzustellen,
(cid:2) Einflussparameter,Stell-undStörgrößenzuerläuternund
(cid:2) PotentialeundBegrenzungendurchÜberschlagsrechnungenaufzuzeichnen.
Es wendet sich an Studierende in den Bachelor- und Masterstudiengängen mit den
Schwerpunkten erneuerbare Energie, nachhaltige und regenerative Energiesysteme an
Universitäten, TechnischenHochschulen undFachhochschulensowie an Fachberater(in
Banken,beiderPresseundinderPolitik),diedieo.g.ZusammenhängeihrerZielgruppe
anschaulich erläutern wollen. Gleichzeitig gibt es einen aktuellen Überblick zum Stand
der Technikundzu denmöglichenPotentialen. Dabeiliegtder Schwerpunktauf kleine-
ren,dezentralenAnlagen;großtechnischeAnlagenwerdennurderVollständigkeithalber
angesprochen.
AusgehendvoneinersehrpersönlichenPerspektive(Waskannichselbertun?)werden
zunächstdieLösungsvorschlägefürdieGebäudetechnikerörtert(Photovoltaik,Solarther-
mie,ErdwärmeundWärmepumpe).AnschließendwerdenindustrielleLösungsvorschläge
ausdemAnlagenbauvorgestellt.HiersinddiefinanziellenMöglichkeitenvonPrivatper-
sonenerschöpftundesmüssenbetriebswirtschaftlicheundkostendeckendeGeschäftsmo-
delle(imRegelfallfinanziertdurchBankenoderInvestoren)gefundensowieaufwendige
Genehmigungsverfahrenüberstandenwerden.DaherwerdenimAnhangdieGrundlagen
derWirtschaftlichkeitsrechnungkurzzusammengefasst.
V
VI Vorwort
Dabeiwirdversucht,PrognosemöglichkeitenanhandvonhandelsüblichenAnlagenex-
emplarisch zu bearbeiten. Es werden jeweils Beispielanlagen aus dem täglichen Alltag
vorgestelltundimRahmenvonÜbungenanalysiert.Dabeiistausdrücklichzubeachten,
dass die Schlussfolgerungen wegen des exemplarischen Charakters grundsätzlich nicht
verallgemeinertwerdenkönnen.Essolljedochgezeigtwerden,dassmitverhältnismäßig
kleinemAufwandrechtgutePrognosewerkzeugebereitgestelltwerdenkönnen.
DerVerlagSpringerVieweghältaufseinenWeb-Seitenwww.springer.comzudiesem
Buch einen Großteil der Berechnungsprogrammeund Datensätze zum Nachrechnen als
DownloadzurVerfügung.DerAutoristhierfürErgänzungendankbar.
Das Buch möge auch als Beitrag verstanden werden, nicht alle Heilsversprechungen
ausdemInternetkritikloszuübernehmen,sondernvonZeitzu Zeitauchaufdaseigene
Denkvermögenzuvertrauen!
Dieüberarbeiteteundkorrigierte5.Auflageenthältaktualisierte
(cid:2) volkswirtschaftlichenEnergie-undLeistungsdatenderverschiedenenEnergiesektoren,
(cid:2) neueAbbildungenzuAufbauundFunktionvonWasserturbinen,
(cid:2) eineBerechnungsmethodezurAbschätzungderadiabatenTemperaturfürdiethermo-
chemischeUmwandlung,
(cid:2) Beschreibungen zu aktuellen Projektbeispielen für „Power-to-Gas“ und „Power-to-
Liquid“sowie
(cid:2) eineEinführungindieGrundlagendesProjektmanagementsimEnergiesektor.
Danksagung
Der Autor bedankt sich bei den Fachkollegen der Hochschule für Angewandte Wissen-
schaften (HAW) Hamburg, der Hochschule Flensburg und den Firmenvertretern für die
fachlicheBeratungundkollegialeUnterstützungdiesesProjektes:
(cid:2) Prof.Dr.rer.nat.BerndBaumann,
(cid:2) Dr.RolfBayerbach(PytecGmbH),
(cid:2) Dr.DietmarBendix(BioenergySystemsGmbH/FHMerseburgundJena),
(cid:2) Prof.Dr.-Ing.ChristianBlome
(cid:2) Prof.Dr.JensBorn
(cid:2) Prof.Dr.-Ing.JürgenBosselmann(Hochschule21,Buxtehude)
(cid:2) AndersFonagerChristensen,PROkulturProjektService
(cid:2) Prof.Dr.-Ing.HeikeFrischgesell,
(cid:2) Prof.Dr.VictorGheorghiu,
(cid:2) Dr.-Ing.Jens-UweJendrossek(DINNSMT),
(cid:2) Prof.Dr.TimonKampschulte,
(cid:2) Prof.Dr.-Ing.JochenKoeppen,
(cid:2) Prof.Dr.-Ing.WolfgangMoré,
(cid:2) Dipl.-Ing.SiegfriedPrust,
(cid:2) Prof.Dr.PaulA.Scherer,
(cid:2) Prof.Dr.-Ing.BerndSankol,
(cid:2) Prof.Dr.-Ing.IljaTuschy
(cid:2) Prof.Dr.-Ing.ThomasVeeser,
(cid:2) Prof.Dr.-Ing.FranzVinnemeier,
(cid:2) Prof.Dr.-Ing.DirkVolta,HochschuleFlensburg
(cid:2) Prof.Dr.tech.WolfgangWinkler,
(cid:2) Prof.Dr.ThomasWillner.
(cid:2) Dr.-Ing.GerdWürsig(GermanischerLloydAG)
(cid:2) „Last but not least“ bei den Studierenden für die Verbesserungs- und Korrekturvor-
schlägezur3.Auflage.
VII
VIII Danksagung
BeidemLektoratMaschinenbauvonSpringerVieweg,namentlich
(cid:2) FrauImkeZanderund
(cid:2) HerrnDipl.-Ing.ThomasZipsner,
bedankeichmichfürdieInitiativezudiesemBuchunddievertrauensvolle,guteZusam-
menarbeit.
Tarp,Oktober2018 HolgerWatter
Formelzeichen und Abkürzungen
a Jahr („anno“); p.a. = pro anno = pro Jahr
A Fläche [m²]
c Absolutgeschwindigkeit [m/s]
c Konzentration, Stoffmengenkonzentration [mol/kg, mol/Ltr]
c Auftriebsbeiwert [-]
A
c spez. Wärmekapazität [kJ/kg K]
p
c Leistungsbeiwert [-]
P
c Widerstandsbeiwert [-]
W
C Kohlenstoff
d Tag („day“); p. d. = per day = pro Tag
E Energie = Arbeitsvermögen W [Ws ~ kWh]
F Kraft [N=kg . m/s²]
F Fluor
FF Füllfaktor [-]
G frei Enthalphie, GIBBsche Energie [kJ/kg]
.
G Globalstrahlung [W]
.G
G Direktstrahlung [W]
Dir
.
G Diffusstrahlung [W]
Diff
h spez. Enthalphie [kJ/kg]
H Enthalphie [kJ]
H Fall- oder Förderhöhe [m]
H Wasserstoff
H (unterer) Heizwert [kJ/kg]
U
H Brennwert (oberer Heizwert) [kJ/kg]
O
I Strom [A]
I Turbulenzintensität [%]
K Gleichgewichts-/Massenwirkungskonstante [-]
k Wärmedurchgangskoeffizient [W/m² K]
l Mindestluftbedarf [m³/kg]
min
m Masse [kg]
m. Massenstrom [kg/s]
M Molare Masse [kg/kmol]
M Drehmoment [Nm]
MPP Maximum Power Point (Peak-Leistung) [W]
Nu NUSSELT-Zahl [-]
NN Normal Null [m]
n stöchiometrische Umsatzzahl, Stoff-/Substanzmenge [mol]
n Drehzahl [1/min]
n spez. Drehzahl [1/min]
q
o Mindestsauerstoffbedarf [m³/kg]
min
p Druck [bar]
IX
X FormelzeichenundAbkürzungen
P Leistung [W]
Pr PRANDTL-Zahl [-]
Q Wärmemenge [J = Ws ~ kWh]
.
Q Wärmestrom [W]
r Verdampfungsenthalphie (r = h’’ – h’ ) [kJ/kg]
R Abkürzung für Kältemittel (Refrigerant)
R spez. Gaskonstante [J/kg K]
ℜ allg. Gaskonstante 8,314 kJ/kmol K
Re REYNOLDS-Zahl [-]
S Entropie [kJ/K]
s spez. Entropie [kJ/kg K]
T Temperatur [K]
u Umfangs- bzw. Drehgeschwindigkeit [m/s]
u spez. innere Energie [kJ/kg]
U innere Energie [kJ]
U Spannung [V]
.
V Volumenstrom [m³/s; Ltr/Min]
w Relativgeschwindigkeit [m/s]
W Arbeit [Ws ~ kWh]
Y spez. Stutzenarbeit [Nm/kg = W/(kg/s)]
y Mol- bzw. Volumenanteil [-]
α Absorptionsgrad [-]
ß Formparameter der WEIBULL-Verteilung [-]
ε Emissionsgrad [-]
ε Gleitzahl [-]
ε Leistungszahl, COP [-]
η Wirkungsgrad [-]
ϕ Durchflusszahl [-]
Φ Summenhäufigkeit der WEIBULL-Verteilung [-]
κ Isentropenexponent [-]
λ Verbrennungsluftverhältnis [-]
λ Wärmeleitfähigkeit [W/m K]
λ Laufzahl [-]
ν Mittelwert
ρ Reflexionsgrad [-]
ρ Dichte [kg/m³]
σ Schnellläufigkeit / Laufzahl [-]
σ Standardabweichung [%]
τ Zeit [s]
τ Transmissionsgrad [-]
ω Winkelgeschwindigkeit [1/s]
ψ Druckzahl [-]
ψ Molverhältnis (Volumenanteil, Partialdruckverhältnis) [-]
∞ unendlich
ξ Massenanteil [-]