Date post: | 05-Apr-2015 |
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GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Nutzung der Strahlungsenergie
isc = 1,367 kW/m2 1%
5 GW
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Nutzung der Strahlungsenergie
idir direkteStrahlung
idif difuse Strahlung (~30 %)
Globalstrahlung:igl = idir + idif
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Nutzung der Strahlungsenergie
Karlsruhe: igl = 1100 kWh/m2a Sahara, Kalifornien: 2200-2800kWh/m2a
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
in Äquatornähe:die höchste Jahressumme
Nutzung der Strahlungsenergie
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Nutzung der Strahlungsenergie
Umwandlung in Wärme mit Sonnenkollektoren (aktive Systeme) Umwandlung in Wärme durch architektonische gestaltete Bauelemente (passive Nutzung)
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Nutzung der Strahlungsenergie
Direkte Umwandlung in elektrische Energie mit photovoltaischen Solarzellen
Direkte Umwandlung in chemische Energie durch Photolyseeinrichtungen (noch im Forschungsstadium)
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Wasserkraft
An der Elektroenergieerzeugung in der Welt hatten Wasserkräfte 2006 einen Anteil von 19 %
Die lagen damit noch über der Kernenergie, die mit 16 % zur Elektroenergieerzeugung beitrug
Als Vorteil der Wasserkraftnutzung ist das bei den meisten Anlagen nutzbare Speicherverhalten zu nennen
Es wurden auch Wasserkraftanlagen errichtet, die bei Bedarf als Pumpspeicherwerk arbeiten können
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Wasserkraft
Der Nutzungsgrad des Wasserkraftpotentials ist in den Ländern sehr unterschiedlich
Am höchsten ist er in den industriell entwickelten Ländern
Die größten Reserven liegen in den Entwicklungsländern Asiens, Afrikas und Südamerikas Wasserkraft ist die einzige regenerative Energiequelle, die gegenwärtig eine wesentlichen Anteil an der kommerziellen Energieversorgung der Menschheit hat Ihr Ausbau und ihre Anwendung sind aber auch mit bedeutenden Risiken verbunden
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Windenergie
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Windenergie
m Masse Kreisfrequenzv Geschwindigkeit
Die Corioliskraft:
horizontale Komponente der Corioliskraft
Druckgradientkraft
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Die auftretenden Windgeschwindigkeiten sind zeitlich und räumlich sehr unterschiedlich Hohe Windgeschwindigkeiten mit Jahresmittelwerten von 5 bis 8 m/s in 10 m Höhe treten an Meeresküsten auf Bis ins Innere großer Kontinente fallen sie auf unter 3,6 m/s ab
Die Absolutwerte der Windgeschwindigkeit liegen auf dem Festland zwischen 0 und 40 m/s und auf dem Meer zwischen 0 und 60 m/s
Für die Energieausbeute eines Windenergiekonverters ist die Häufigkeit des Auftretens der verschiedenen Windgeschwindigkeiten von Bedeutung
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
2
42
( )2
c
cR
ch c e
c
Verteilungsdichte der Windgeschwindigkeiten nach einer RAYLEIGH-Verteilung:
indigkeitWindgeschwmittlerec
indigkeitWindgeschwc
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Das gesamte Potential der Windenergie beträgt ein vielfaches des gegenwärtigen Primärenergieverbrauchs
Nutzbar davon ist nur ein geringer Anteil
Standorte für Windkraftanlagen müssen auf dem Festland oder in Küstennähe im flachen Wasser liegen (Offshore‑Aufstellung)
Technische, ökonomische und Standortprobleme führen zu weiteren Einschränkungen
In Deutschland erreichte 2003 der Anteil der Windenergie an der gesamten Stromerzeugung 3,3 %
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Biomasse Biomasse wird durch Photosynthese von Pflanzen erzeugt Der Jahresnutzungsgrad ist der jährlich produzierte Heizwert der Biomasse geteilt durch die jährliche Globalstrahlung und erreicht 0,1 bis 1% Der spezielle Anbau von Pflanzen zur Energiegewinnung dient der Erzeugung von Holz, Öl, Zucker oder Stärke Neben der Verwendung von Holz als Brennstoff ist die Gewinnung von Kraftstoffen (Biodiesel, Biogas und Alkohol) von Bedeutung
Wirtschaftlich sind diese Verfahren gegenwärtig meistens nicht
Für Deutschland kann von einem zukünftig, erschließbaren Potential in der Größe von bis zu 2 % des gegenwärtigen Primärenergieverbrauchs ausgegangen werden.
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Geothermische Energie Im Inneren der Erde eine Temperatur von ca. 5000 °C herrscht Aus radioaktivem Zerfall (von Uran 238 und Thorium 232 zu Blei) resultiert ein in der Erdkruste nach außen gerichteter Wärmestrom von 25 mW/m2 Insgesamt wird ein mittlerer Erdwärmestrom von 62,5 mW/m2 gemessen
Örtlich treten Werte von 30 bis über 100 mW/m2 auf
Der Wärmetransport erfordert ein Temperaturgefälle von dT/dx = 30 K/km, wenn man im Mittel eine Wärmeleitfähigkeit von λ = 2,1 W/mK voraussetzt, was etwa der von Granit entspricht
Messungen des Temperaturverlaufs liegen bis in 10000 m Tiefe vor und bestätigen diesen mittleren Temperaturgradienten in den meisten Gebieten der Erde
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Geothermische Energie Aus wasserdurchlässigen Gesteinsschichten ist Wärme günstiger abzuleiten, wenn ein Wasserstrom durch das Gestein gedrückt werden kann
die Kontaktflächen sind groß
Verbreitet existieren auch unter Druck stehende Reservoire mit heißem Wasser
Sie ermöglichen hohe Förderraten pro Bohrung ohne zusätzlichen Energieaufwand zur Förderung
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Geothermische Energie
Gegenwärtig sind in der Welt ca. 10 GW an elektrischer Leistung installiert
Das älteste geothermale Kraftwerk in Larderello (Oberitalien) liefert seit 1913 Elektroenergie
Zur Wärmenutzung sind in der Welt Anlagen mit ebenfalls ca. 10 GW installiert
Auch in Deutschland ist die direkte Nutzung (Wärmepumpenheizung) schon verbreitet und hat hohe Zuwachsraten (14% pro Jahr)
Im Jahr 2004 0,04 % des Primärenergie-verbrauchs in Deutschland wurde durch Geothermie gedeckt, d.h. 180 MW
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Gravitationsenergie
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Gravitationsenergie
Allerdings sind die vom Mond ausgeübten Kräfte 2,18 mal so groß wie die von der Sonne hervorgerufenen Addieren sich die durch den Mond und die Sonne hervorgerufenen Kräfte (bei Neumond und Vollmond, d. h. Sonne, Erde und Mond befinden sich auf einer Geraden), ergibt sich die Springflut Wirken die Kräfte gegeneinander Nippflut Die Differenz zwischen Niedrigwasser und Hochwasser wird als Tidenhub bezeichnet Entsprechend der relativen Umlaufzeit des Mondes um die Erde von 24 h 50 min werden gleiche Extremwerte (Niedrigwasser oder Hochwasser) alle 12 h 25 min erreicht
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN
Gravitationsenergie Genutzt werden können in bestimmten Küstenregionen auftretende hohe Tidenhübe von über 5 m Höhe Für die Nutzung sind Buchten günstig, in denen mit vertretbarem Aufwand Stau-mauern errichtet werden können Die größte Anlage, inzwischen stillgelegt, mit einer Leistung von 240 MW wurde 1966 in Frankreich und in der Mündung der Rance in Betrieb genommen
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR
Energieverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR
Der Pro-Kopf-Verbrauch an Energie: 6,0 t SKE Dies entspricht fast dem Dreifachen des weltweiten Durchschnitts
Der Energieverbrauch: rund 232 kg SKE pro 1.000 € Bruttoinlandsprodukt
Im weltweiten Durchschnitt ist dieser spezifische Energieverbrauch doppelt so hoch In Deutschland wird die Energie sehr effizient genutzt
Importenergien decken 61 % des Energieverbrauchs
Die Devisenrechnung für die Energieimporte (netto) betrug rd. 34,1 Mrd. €
Statistische Werte, Deutschland 2003
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR
Mineralöl
106+36
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR
Die Nachfrage nach Ottokraftstoffen wird sich bis 2020 um etwa ein Drittel vermindernBestimmungsfaktoren:
- Rückgang des Bestands an benzinbetriebenen PKW- eine kontinuierliche Verringerung des spezifischen Verbrauchs
Der Verbrauch an Dieselkraftstoff steigt in den nächsten Jahren aufgrund eines zunehmenden Bestandes an PKW mit Dieselantrieb, sinkt aber in den Folgejahren und dürfte 2020 unter dem im Jahr 2003 erreichten Niveau liegen
Der Bedarf an leichtem und an schwerem Heizöl dürfte 2020 um etwa ein Fünftel geringer sein als 2003 Demgegenüber wird bei Flugkraftstoff künftig noch mit einer leichten Zunahme der Nachfrage gerechnet
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR
Erdgas
18%
82%
32%
26%
17%
7%
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR
Steinkohle
26
3%
9%
28%
60%
42%Polen SüdafrikaKolumbienAustralien
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR
Braunkohle
159TWh26,6%
J 2020:180TWh30%
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR
Strom
27%
25%
28%
10%
8%
4%
Import:45,8 TWh
Export:53,8 TWh
Brutto:589 TWh
Netzverluste:4%
46%
27%
27%
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR
es wird erwartet, dass der Verbrauch künftig noch wachsen wird, in der Größenordnung von unter einem Prozent pro Jahr
die deutsche Stromwirtschaft steht vor einer umfassenden Modernisierung und Erneuerung ihres Kraftwerkparks
- ab 2010 sind voraussichtlich verstärkt fossil gefeuerte Kraftwerke mit dem Ende ihrer technischen Lebensdauer zu ersetzen
die politisch beschlossene Beendigung der Nutzung der Kernenergie erfordert die Bereitstellung von Ersatzkapazitäten
in der Dekade 2010 bis 2020 sind 30.000 bis 40.000 Megawatt Kraftwerksleistung zu errichten
GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK
ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR
Erneuebare Energien
EFD2004.pdfS45 von 56
45 TWh8%
EEG65%