Zusammenfassung RegEn

• Sozialverträglichkeit

• Umweltverträglichkeit

• Humanverträglichkeit

• Allen Menschen ist eine menschenwürdige Existenz zu ermöglichen

• Mittel zum Leben sollen allen Menschen zur Verfügung stehen

• Verbrauch an Mitteln zum Leben eines Teils der Menschheit darf nicht auf Kosten des anderen Teils erfolgen

• Globale Gerechtigkeit

  • Konflikte zw. Industrie- und Schwellen- bzw. Entwicklungsländern wegen stark unterschiedlichem Ressourcenverbrauch

  • Verknappung von Ressourcen führt zu Verteuerung -> zusätzliches Entwicklungshindernis

• Generative Gerechtigkeit

  • Künftige Generationen sollten gleiche oder zumindest ähnliche Lebensmöglichkeiten wie die gegenwärtigen vorfinden

• Natürliche Grundlagen des Menschen und aller anderen Lebewesen dürfen nicht gefährdet werden

• Verbrauch an natürlichen Ressourcen und techn. Eingriffe in die Natur dürfen diese nicht dauerhaft überlasten, schädigen oder gar zerstören

• Entwicklungen bzw. Eingriffe, die gravierende negative Auswirkungen zeigen, sollten rückgängig gemacht (zumindest gestoppt) werden können

• Fehlbarkeit und Unvollkommenheit des Menschen müssen berücksichtigt werden

• Anforderungen einer Technik sollten den menschlichen Fähigkeiten und Möglichkeiten entsprechen

• Fehlerfreundlichkeit: Fehler in einem System – egal ob durch technisches oder menschliches Versagen – müssen möglich sein, ohne dass sie zu Katastrophen führen

Primärenergie (PE) ist Energie, die in der Natur vorhanden ist, z.B. in:

• Kohle, Erdgas, Erdöl

  • fossile Energieträger

• Uranerz, Thoriumerz

  • Kernenergie

• Solarstrahlung, Erdwärme, Biomasse, Wind, Wasser

  • regenerative Energieträger

Um Primärenergie besser nutzbar zu machen, wird sie als Sekundärenergie zur Verfügung gestellt

Sekundärenergie ist Energie, die nicht direkt aus der Natur stammt -> umgewandelte primär Energie

• leichter zu nutzen als PE: Transport, Lagerung, Speicherung, Umwandlung

• SE Träger sind elektrischer Strom, Benzin, Diesel, Schweröl, Kohlebriketts, Koks, Brennstäbe für AKWs, Pellets, Holzkohle

  
  

Energie, die beim Verbraucher ankommt, z.B. in Form von:

• Kraftstoffen

• Brennstoffen

• Elektrischen Strom

Vom Verbraucher benötigte Energie

• Wärme

• Kälte

• Mechanische Energie

• Beleuchtung

Die Bereitstellung von PE bis hin zur NE ist mit Verlusten verbunden. D.h. mit der Umwandlung von nutzbarer Energie (Exergie), in nicht nutzbarer Energie (Anergie)

• Carnot Wirkungsgrad: höchster theoretisch möglicher Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer in mechanischer Energie

• Je höher die Temp. differenz desto größer der Wirkungsgrad

• Hauptaufgabe der Energietechnik ist die Umwandlung der verschiedenen Formen und Arten von PE in End- beziehungsweise Nutzenergie

  • Großtechnisch in Kraftwerken über Wärmeenergie als Zwischenform (Verbrennung)

  • andere Möglichkeiten: direkt aus chemischer Energie (Brennstoffzelle) oder direkt aus potenzieller Energie (Windkraft, Wasserkraft)

• Energiewandlung ist mit Verlusten verbunden: Umwandlungsgüte wird durch Wirkungsgrad beschrieben

• Weltweiter PE-Verbrauch ~600 EJ

• Durchschnittliche Jährliche Zunahme seit 2011 ~1,3%

PE-Verbrauch nach Energieträgern:

• Weiterer Anstig um ~27% gegenüber 2017

  • Prognose enthält bereits erhebliche Steigerung der Energieeffizienz

• Entspricht jährl. steigerung von ~1%

(1)

• Bevölkerungswachstum

• steigender Wohlstand

(2)

• PE-Bedarf in Deutschland: 13 EJ

In Deutschland konnte zuletzt bei einer Steigung des BIP eine gleichzeitige Senkung des PE-Verbrauchs pro Kopf beobachtet werden. Der PE-Verbrauch sinkt bei fortschreitender Substitution von fossil-nuklearen Brennstoffen durch erneuerbare Energien, selbst wenn die gleiche Menge an Strom zur Nutzung bereitgestellt wird.

(statistischer Effekt, resultiert aus Anwendung des Wirkungsgradprinzip)

• im Endeffekt gespeicherte Sonnenenergie

  • Vor Millionen von Jahren v.a. durch abgestorbene Pflanzen gebildet

  • Unter großer Hitze bzw. hohem Druck und unter Luftabschluss wurde aus der Biomasse Stein- und Braunkohle, Torf, Erdöl und Erdgas geformt

• Hauptbestandteil der fossilen Energieträger ist Kohlenstoff (C), der bei der Oxidation mit Sauerstoff (Verbrennung) unter Wärmefreisetzung zu CO2 reagiert.

• Enstehung von großen Mengen

  • CO2

  • SO2

  • NO2

  • Asche, Schlacke

• Zusätzlich entsteht (Fein-)Staub, die Abgase enthalten zusätzlich Schwermetalle, HCl und HF

SO2

• wirkt auf Schleimhäute der Atemwege und Augen. Es führt zum Zusammenbruch des Selbstreinigungs-Mechanismus des Atemsystems, akute und chronische Atemwegserkrankungen sind die Folge

• Der in der Atmosphäre aus SO2 gebildete saure Regen hat negative Auswirkungen auf Ökosysteme, indem er zur Versauerung der Böden und Gewässer beiträgt

• Wird in modernen Kraftwerken durch Rauchgasentschwefelung entfernt -> Abfallprodukt: Gibbs

NO2

• aggressivere NO2 und sein Oxidationsprodukt Salpetersäure dringt bis in die tieferen Lungenregionen ein, was zur Erhöhung des Atmungswiderstandes bis hin zu Atemnot und bis zu Lungenentzündungen führen kann

• Der in der Atmosphäre aus NOx gebildete saure Regen hat negative Auswirkungen auf Ökosysteme, indem er zur Versauerung der Böden und Gewässer beiträgt

• Stickoxide können durch geeignete Maßnahmen bei der Feuerung bzw. durch Abgasnachbehandlung reduziert werden -> Feuerungstemperatur (Fett, Mager)

CO2

• Treibhausgas -> absorbiert Energie der Solarstrahlung im Infrarotbereich und wandelt diese in Wärme um

• Daraus folgt höhere Temperatur der Atmosphäre -> höherer Anteil an Wasserdampf (ebenfalls Treibhausgas), welcher den Effekt weiter verstärkt

• Anstieg des Meeresspiegels

• Veränderung von Niederschlagsmenge und Vertreilung

• Zunahme extremer Wetterphänomene (Dürren und Überschwemmungen, Stürme,…)

  • Veränderung der Lebensbedingungen für Millionen von Menschen

  • Umweltbedingte Migration wird stark zunehmen

• Weniger Süßwasserquellen

• Zunahme von Sturm und Flutkatastrophen

• Rückgang der Nahrungsmittelproduktion

• Nutzung der Energie, die bei Kernspaltung frei wird

  • Mögliche Brennstoffe sind Uran und Thorium

  • Prinzipiell CO2-Neutral (abgesehen von Erzabbau und Anreicherung)

• verbrauchte Brennelemente enthalten weiterhin radioaktives Material (u.a. 239Pu und 235U), das mehrere 100 bis mehrere 1000 Jahre sicher gelagert werden muss

• Im Falle eines Unglücks kann es zu einer weiträumigen Verstrahlung von großen Landstrichen kommen (wie in Tschernobyl oder Fukushima)

• Seit den 1950er Jahren wird an Brutreaktoren geforscht (sog. Generation IV), in denen der nicht nutzbare Anteil des Urans (238U, ca. 99% des Urans) ebenfalls nutzbar gemacht wird

  • Ca. 60 – 300-fach bessere Brennstoffausnutzung

  • Erlaubt die Nutzung des bisherigen Nuklearabfalls

  • Deutlich reduzierte Halbwertszeiten der Zerfallsprodukte (Lagerzeiten ~ 300 Jahre)

• Statische Reichweite: Zeitspanne, in der bei aktuellem Verbrauch die bekannten und wirtschaftlich förderbaren Vorkommen (= Reserven) eines nicht erneuerbaren Rohstoffs noch reichen werde

• Dynamische Reichweite: Einbeziehung der (geschätzten) Entwicklung des Verbrauchs

• Ressourcen: Alle nachgewiesenen und vermuteten nutzbaren Vorkommen, auch wenn Sie heute noch nicht wirtschaftlich gewinnbar sind

• Reserven: derjenige Teil der Ressourcen, der derzeit technisch und wirtschaftlich abbaubar ist

Wirtschaftlichkeit durch:

• Bessere/ günstigere Methoden

• Höhere Rohstoffpreise

Risiken:

• Hohe Unsicherheit

• Exploration und Förderung in ökologisch hoch sensiblen Gebieten wie z.B. Arktis

statische Reichweite:

• Zeitspanne, in der bei aktuellem Verbrauch die Reserven eines nicht erneuerbaren Rohstoffs noch reichen werden

dynamische Reichweite:

• Einbeziehung der (geschätzten) Entwicklung des Verbrauchs

Reichweite Uran:

• Statische Reichweite von Uran: ca. 70 – 145 Jahre

• Derzeit liegt der Anteil der Kernenergie am Primärenergieverbrauch bei ca. 4%

• Annahme: 30% des PE-Bedarfs aus Kernenergie für merkliche CO2 Reduktion

  • Statische Reichweite mit Gen3/3+: >10 – 20 Jahre

• Statische Reichweite mit Gen4-Reaktoren theoretisch um Faktor 60 – 300 höher

• Außerdem können Gen4-Reaktoren auch Thorium nutzen

• Zusätzlich geringerer Anfall von radioaktivem Müll mit erheblich kürzerer Halbwertszeit

• ABER: in Brutreaktoren entsteht Plutonium -> Proliferationsgefahr

Treibhausgasneutralität bis 2050

Zielvorgabe zur Steigerung der installierten Leistung nicht erreicht -> unter Plan

• bis 2045 Klimaneutralität

• bis 2035 Strom aus erneuerbaren Energien

  • Stand 2023: 550 TWh Strom verbraucht (~52% aus EE)

    • allein 26,8 aus WEA, und 11,9 aus PV

  • Ziel 2030 erwartete 740 TWh (80% gedeckt aus EE)

• 2% des Landes mit WEA bedeckt

• PV für breite Bevölkerung zugänglich (Föderungen)

• AKW 2024 vom Netz

10,6 EJ PE-Energiebedarf

• ~68% Raumwärme

• ~15% Warmwasser

• im Endenergiemix der Haushalte hat:

  • die Braunkohle und die Steinkohle komplett abgenommen

  • Heizöl abgenommen

  • Gas leicht zugenommen und ist nahezu kostant

  • EE zugenommen

• 46,2% Strom

• 17,4% Wärme

• 6,8% Verkehr

29,6% Rest (?)

• Anstieg der Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien führt zu Einbrüchen durch Umwelteinflüsse

  • Dunkelflaute

-> Speicher und flexibel regelbare konventionelle Kraftwerke nötig

• Residuallast (lat. Residuum „Rest“)

• bezeichnet die nachgefragte elektrische Leistung abzüglich der Einspeisung von erneuerbaren Erzeugern (Windkraft- oder Photovoltaikanlagen)

• muss durch konventionelle Kraftwerke ausgeglichen werden

• Prognostizierte Schwankung (Tag/ Nacht,…) pro Woche

  • Einkauf von Strommengen an Strombörse

  • Jeweils nächstgünstiges Kraftwerk geht ans Netz

• Nicht-Prognostizierte Schwankung (Wetter, Systemausfall)

  • Ausgleich über Regelenergie, die seperat gehandelt wird -> daher erhebnlich teurer

  • Zunächst nur Verpflichtung zur Lieferung zusätzlicher elektrischer Energie, die bei Bedarf dann abgerufen wird

  • 4 Regelzonen in DEU, die durch Übertragungsnetzbetreiber betrieben werden

  • Es gibt positive und negative Regelenergie (Regelung der Netzfrequenz)

3 Arten von Regelleistung

• Primärregelleistung -> muss innerhalb von 30sek bereitgestellt werden, für max. 30min

  • Zumeist aus Großkraftwerken

• Sekundärregelleistung -> Bereitstellung innerhalb von 5min

  • z.B. Wasserkraftwerke

• Minutenreserve -> muss innerhalb von 15min abrufbar sein, zur Entlastung von Primär- und Sekundärregelleistung (meist aus Gas bzw. GuD Kraftwerken)

  
  

Dienen als kurzfristige aktivierbare Reserve im Stromnetz der Sicherstellung der Netzfrequenzstabilität. Kann die normale Frequenz von 50 Hz nicht in einem der vier Bundesdeutschen Übertragungsnetze aufgrund von Lastschwankungen gehalten werden, springten sie ein

• Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie passen räumlich teilweise nicht zusammen

  • z.B. Erzeugung von Windstrom in Norddeutschland, Verbrauch jedoch hauptsächlich in Süddeutschland

  • Kann zu einer Überlastung der Übertragungsleitungen führen

• Redispatch – Aktivierung zusätzlicher Kraftwerke in Regionen mit hohem Verbrauch, Abregelung der Anlagen mit hoher Erzeugung

• Bewertung durch Wirkungsgrade bzw. Nutzungsgrade

• Beurteilung der Nachhaltigkeit

  • Von der Gewinnung der Primärenergie über deren Wandlung bis zur Entsorgung

  • Betrachtung der Umweltverträglichkeit

  • Bezieht alle Prozesse und Stoffströme ein

• Gibt das Verhältnis der vorhandenen Energie vor (Index i) und nach (Index j) einem Prozessschritt an

• Im Gegensatz zum Wirkungsgrad wird nicht ein Betriebspunkt betrachtet sondern über einen längeren Zeitraum gemittelt (meist 1 Jahr)

  • Berücksichtigung von Teillastbetrieb und Bereitschaft

Nutzungsgrad:

Gesamtnutzungsgrad:

Ganzheitliche Betrachtung

• Energieeffizienz

  • Verhältnis von Dienstleistungs-, Waren- oder Energieertrag (Output) zur zugeführten Energie (Input)

• Ökobilanz

• Erntefaktor

  • beschreibt das Verhältnis der im Verlaufe der Lebensdauer eines Kraftwerks insgesamt erzeugten Energie zur eingesetzten Energie – einschließlich der zur Herstellung, Entsorgung und anderen Zwecken aufgewendeten Energie

• Externe Kosten

  • Kosten die durch System in Gesellschaft entstehen und getragen werden müssen (z.B. globale Erwärmung)

• analysiert den potentiellen ökonomischen, ökologischen, technischen und sozialen Einfluss von Produkten, Verfahren und Dienstleistungen über den Lebensweg („Cradle-to-Grave“)

• mehrdimensionale Betrachtungsweise

• Einbeziehung aller vor- und nachgelagerten Prozesse zur Bereitstellung von Rohstoffen, Halbzeugen, etc.

• Stellt sicher, dass alle wesentlichen Faktoren innerhalb einer nachhaltigen Entscheidungsfindung betrachtet werden

• Gibt die Gesamtheit des primärenergetisch bewerteten Aufwandes an, der im Zusammenhang mit der Herstellung, Nutzung und Beseitigung eines ökonomischen Gutes (Produkt oder Dienstleistung) entsteht

• Gesamt KEA: Summe der Kumulierten Energieaufwendungen für die Herstellung (KEAH), die Nutzung (KEAN) und die Entsorgung (KEAE) des ökonomischen Gutes

• PE Aufwand für Bau, Betrieb und Entsorgung = Substituierte fossile Energie

  • lässt eine Abschätzung der minimal notwendigen Lebensdauer zu

Wirkungsgradmethode:

• international angewandte Methode

• angenommene Wirkungsgrade für PE-Umwandlung:

  • Einsatzmengen der in Feuerungsanlagen verbrannten (fossile) Energieträger mit Heizwert multipliziert

  • Für EE (Strom aus Wind, Wasserkraft oder Photovoltaik) 100 %

  • Für die Geothermie von 10 % und für die Kernenergie von 33 %

• Bedeutung für erneuerbare Energieträger: Berechnung der PE direkt aus der Endenergie

  • Wirkungsgrad von 100% für EE

  • 1kWh Strom aus EE entspricht einem PE-Äquivalent von 1 kWh

  • statistische Effekt überzeichnet den tatsächlichen Verbrauchsrückgang/ dies hat in Zeiten der Energiewende methodenbedingte Verzerrungen bei der Trendbetrachtung zur Folge

Substitutionsmethode:

• alternative Bewertungsmethode

• Strom aus EE, der Strom in konventionellen Kraftwerken ersetzt, substituiert auch deren Brennstoff

• Menge des ersetzten Brennstoffs wird mittels Substitutionsfaktors berechnet

• Entspricht dem Verbrauch an fossilen Brennstoffen zur Stromerzeugung aus diesen Brennstoffen: eta ~ 35%

• Verhältnis der Netto-Energieerzeugung während der Lebensdauer und dem KEA

• Entscheidende Komponente für den Erntefaktor von EE Anlagen ist die Lebensdauer (je länger Strom geliefert wird, desto höher der Erntefaktor)

-> Für fossile Anlagen wird der notwendige Brennstoff in den KEA mit einbezogen, daraus folgt immer ein Erntefaktor E_f<<1

• Stoff- und Energieströme des gesamten Produktsystems, also aller beteiligten Prozesse, werden erfasst und analysiert (Sachbilanz)

  • Emissionen in Luft, Wasser und Boden

  • der Natur entnommene Ressourcen

• Die potenziellen Umwelteffekte wie Treibhauseffekt, Sommersmog, Versauerung, Überdüngung etc. werden anschließend im Rahmen der „Wirkungsabschätzung“ ausgewertet

Erstellung der Ökobilanz:

• Zerlegung des Systems in überschaubare Teilsysteme

  • Prozesse mit Eingangs- und Ausgangsgrößen

    • Elementarflüsse: Stoff- und Energieströme (Input: Strom, Wasser, Luft, …,) (Output: Abgas, Staub, …,)

    • Produktflüsse (Input: Rohmaterial) (Output: Produkt)

Windkraftanlagen:

• Entsorgung der Rotorblätter aus Glasfaser und Kunststoffen, einschließlich Beschichtungen

PV:

• Sehr hoher Energiebedarf bei der Herstellung

• Flächenverbrauch

Biomasse:

• Biogas aus Massentierhaltung

• Monokulturen (Mais) mit entsprechendem Pestizideinsatz

Elektromobilität:

• CO2 Emissionen bei der Herstellung

• Interne Kosten: Fallen beim Produzenten an, werden an Verbraucher weitergegeben (z.B. Arbeitskosten, Kapitalkosten, Brennstoffkosten,…)

• Externe Kosten: gehen nicht in den Produktpreis ein/ werden stattdessen von der Allgemeinheit getragen (Kosten sind nicht im Marktpreis enthalten weil sie nicht vom Verursacher getragen werden -> schwierige Bewertung)

Vermeidungskostenansatz:

• Aufwand zur Vermeidung der externen Kosten (z.B. durch CO2 Abscheidung)

Schadenskostenansatz:

• Schätzung des verursachten Schadens

  • Bei regenerativen Energien: durch Landschaftsverbrauch, Lärm, Auslaufen von Gülle, Dammbruch,…

  • Bei konventionellen Kraftwerken: durch Gesundheitsschäden, Beschädigung von Gebäuden und Materialien, Beeinträchtigung des Ökosystems, Beitrag zum Klimawandel

Bewertung:

• Externe Kosten durch extreme Ereignisse wie Dürren und Überschwemmungen, Stürme, oder sogar singuläre Ereignisse wie ein Zusammenbruch der thermohalinen Zirkulation (z.B. Golfstrom) sind kaum zu erfassen

• Wie bewertet man Menschenleben ?

  • Bewertung des höheren Sterberisikos über die Zahlungsbereitschaft der Gesellschaft für die Verringerung des Risikos

    • Value of statistical life

    • Value of life year cost

Instrumente zum Ausgleich

• Steuern und Abgaben

• Förderung von Energieeffizienzmaßnahmen und alternativen Energien

• Verkauf von Verschmutzungsrechten

• Theoretisches P.: theoretisch nutzbares Energieangebot, wird allein durch die zwingend gegebenen physikalischen Nutzungsgrenzen bestimmt

• Technisches P.: der Teil des theor. P., der unter Berücksichtigung der geg. technischen Restriktionen nutzbar ist. Außerdem Einbeziehung von strukturellen und gesetzlichen Einschränkungen

• Wirtschaftliches P.: zeit- und ortsabhängiger Anteil des techn. P., der unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Kriterien erschlossen werden kann

• Nachhaltiges P.: nachhaltig aus tech. P. nutzbar

Beispiel: Biomasse

• Theoretisches P: Gesamte Landwirtschaftliche Nutzfläche

• Technisches P: Abzüge durch Flächennutzung für Futtermittel und Lebensmittel/ Naturschutzgebiete

• Wirtschaftliches P: Abzühe durch schwer zu bewirtschaftende Flächen (Hanglage, etc.) und zu geringe Erträge aufgrund des Bodenzustands

• Nachhaltiges P: Abzüge durch Übernutzung des Bodens, Pestizideinsatz wegen Monokulturen, Naturschäden (Artenvielfalt)

• geringe Energiedichte bei gleichzeitig hoher Energiemenge

• Gesamte auf die Erde einfallende Strahlungsleistung:

  • 1,78 x10^17 W -> 1,56 x10^18 kWh/a

• Weltweiter PE-Bedarf: 600 EJ

  • 1,9 x10^13 W -> 1,67 x10^14 kWh/a

Einfallende Strahlungsleistung könnte PE-Bedarf decken

• Solarthermie

  • Nutzung der Solarstrahlung zu Heizzwecken

  • Fokussierung des Sonnenlichts, Wärmezufuhr an Kreisprozess (CR, Joule) bei hohem Strahlungsangebot -> CSP (Concentrated Solar Power)

• Photovoltaik (PV)

  • Generierung von elektrischem Strom durch photoelektrischen Effekt

Energiefreisetzung:

• Die Sonne erzeugt in ihrem Inneren Energie durch Fusionsprozesse

  • Proton-Proton Reaktion

  • Fusion von 4 H-2 Atomen zu HE-4

    • 2 Wasserstoffkerne zu Deuterium, Deuterium und 1 Proton zu Triton, 2 Triton zu Helium

  • Energiefreisetzung durch Massendefekt

    • Entspricht Bindungsenergie der Nukleonen

    • Masse Atomkern ist geringer als Summe der Einzelmassen von P und N

  • 20.000.000-fache Energie wie bei Kohle

Eigenschaften:

• Wasserstoff zu 1/3 verbraucht (Sonnenalter 4,6 Mrd. Jahre)

• Temperatur im Kern: 15 Mio. K

• Temperatur an der Oberfläche: 6000 K

  • Annäherung des Spektrums mit schwarzem Strahler mit T=5780 K

• Druck: 10^16 Pa=10^11 bar

• Dichte: 160.000 kg/m^3

• Einstrahlung im Abstand r:

(Quasi konstant, Schwankung <0,1%)

• Solarkonstante: E_0=1367 W/m^2

  • Extraterrestrische Intensität (außerhalb der Atmosphäre)

• Jahreszeitliche Änderung durch des Abstands zwischen Sonne und Erde

Daher Ozon-Loch großes Problem!

• Absorption: Energie wird vollständig aufgenommen und in Wärme umgewandelt (daraus resultiert Emission)

• Emission: Abgabe von Strahlung

• Transmission: keine Wechselwirkung

• Streuung: ungerichtete Reflexion -> Diffuse Strahlung

Bilanz: Gleichgewichtszustand, d.h. einfallende Strahlungsenergie entspricht emittierter Energie

Absorption der Strahlung (Wärme )durch mehratomige Gase:

• Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert reflektierte Strahlung im IR-Bereich -> Erde gibt nicht gesamte Wärme als Strahlung wieder ab

• Problem besteht darin, das CO2 (und andere gefährlichen Treibhausgase) dort absorbieren wo Wasserdampf nicht mehr absorbiert -> weitere Temperatursteigerung!!

• geringer Anteil am allg. (natürlichen) Treibhauseffekt, jedoch durch Absorption in anderem Wellenlängenbereich hoher Anteil (57,9%) bei zusätzlichem Treibhauseffekt

• Intensitätsabschwächung der Strahlung durch die Atmosphäre

  • 50% der einfallenden Strahlung erreichen die Erdoberfläche (direkt+diffus)

  • Je länger der Weg in der Atmosphäre, desto schwächer die Intensität

    • durch “Air-Mass” (AM) abgebildet

• Intensität abhängig von geographischer Lage (langer oder kurzer Weg durch die Atmosphäre)

• Abhängig von Jahreszeit + Tageszeit

  • Jahreszeitliche Schwankung durch Position im Orbit

  • weniger Sonnenstunden + flacherer Einstrahlungswinkel im Winter -> geringere Intensität

(siehe größere Abweichung im Sommer)

• Schwankungen durch:

  • Wolkenfelder (Diffusstrahlung!!)

  • Schmutz und Partikel in der Luft

• Bewölkung reduzuert Globalstrahlung -> Anteil Diffusstrahlung steigt

• Monatliche Änderung der Sonnenleistung

  • Im Winter durch Wetter geringer Anteil Direktstrahlung/ fast ausschließlich Diffus

  • Im Sommer kommt (durch häufig geringere Bedeckung, senkrechtere Einstrahlung) mehr Direktstrahlung zur Erdoberfläche durch

Nord-Süd-Gefälle

Aufteilung um den Äquator:

• Geringere Intensität genau am Äquator aufgrund der tropischen Verhältnisse

  • mehr Diffusstrahlung

• Absorption der elektromagnetischen Strahlung (d.h. kurzwelliger Solarstrahlung) an Festkörpern und Speicherung in Form von Wärme (innerer Energie)

  • Fotothermische Wandlung

• Nutzungsmöglichkeiten:

  • passive Solarnutzung

  • Solarkollektoren als Heizungsunterstützung (Niedrigtemperatursysteme)

  • Hochtemperatur Solarthermie

    • Kraftwerksprozesse

• Lichteinfall durch transparente Oberflächen (Fenster), Aufheizung der Innenräume durch Absorption an Oberflächen

  • Zeitlich nahezu parallel zur Einstrahlung

  • Direktgewinnsysteme

• Absorption der Strahlung an opaken Teilen der Gebäudehüllen, Wärmeleitung ins Gebäudeinnere

  • Zeitlich verzögert

  • Indirekte Gewinnsystem

• Kollektoren zur Heizungsunterstützung (mit Pufferspeicher)

• Max. Temp. bei ~80°C

• Höchste Verluste durch Kollektorstillstand (25%) und Wärmeabgabe an die Umgebung (23%)

• Nutzwärme für Heizung ~26%

• mit einfallender Solarstrahlung in DEU und dem geschätzten Dach- und Fassadenpotential können ~54% der Gesamtnachfrage (Trinkwarmwasser- und Prozesswärmenachfrage) gedeckt werden

• Raumwärme-, Trinkwarmwasser- und Prozesswärmenachfrage

  • ohne saisonale Speicher: zwischen 5 und 25%

  • mit saisonalen Speichern: bis zu 30%

• Aufgeteilt in Linien- und Punktkonzentrierend

• Zwischenschaltung einer weiteren Energiewandlung:

  • Wärmeenergie -> Mechanische Energie

• Nur bei hohen Temperaturen sinnvoll (Carnot Wirkungsgrad)

  • Konzentration der einfallenden Solarstrahlung

  • Definition von Konzentrationsverhältnissen:

(Aperturfläche = Öffnungsoberfläche)

• Konzentrationsverhältnisse:

  • Parabolrinnen (<100)

  • Solarturm (200 – 1000)

  • Dish-Systeme (100 – 4000)

• Flächenbedarf pro MWh/a

  • Parabolrinnen (7-8 m²)

  • Solarturm (13-15 m²)

• Klassischer Dampfprozess mit relativ niedrigen Parametern

  • Temperaturen von max. 300 – 400°C

• meist zwei Fluidkreisläufe

  • Thermoöle als Wärmeträger, d.h. zusätzlicher Wärmetauscher für Arbeitsfluid notwendig

  • direkte Dampferzeugung wird erforscht, ist aber nicht Stand der Technik

• Hoher Wasserbedarf (Reinigung der Spiegel)

  • Problem, da geeignete Standorte mit großer Strahlungsleistung (und kaum Diffusstrahlung) z.B. in Nord- und Südafrika, Australien oder Südamerika liegen -> Regionen mit wenig Wasser

• Wärmespeicher zur Verlängerung der Betriebsdauer in Zeiten geringer Einstrahlung

  • Salzschmelze als Speichermedium

  • erlaubt ca. 3-6h Vollastbetrieb

• Verluste: Hauptbestandteile

  • Kosinusverluste ~15% (gegenseitiges Verdecken)

  • Optische Verluste ~34% (unreinheiten der Spiegel etc.)

  • Thermische und mechanische Verluste im Wasser-Dampf Kreislauf ~28%

• Nutzenergie (elektr. Strom) ~16%

• Höhere Konzentrationsverhältnisse erlauben höhere Temperaturen von 1000°C und höher

  • Thermoöle eingesschränkt verwendbar (Temp. beständigkeit)

  • Joule-Prozess möglich

  • Bisher überwiegend drucklos, d.h. mit Salzschmelzen oder Luft als Wärmeträger, nachgeschaltetem Wärmeübertrager und Dampfprozess

• Hoher Wasserbedarf (Reinigung der Spiegel)

  • Problem, da geeignete Standorte mit großer Strahlungsleistung (und kaum Diffusstrahlung) z.B. in Nord- und Südafrika, Australien oder Südamerika liegen -> Regionen mit wenig Wasser

• Punktkonzentration – höhere Anforderungen

  • mehrachsige Nachführung der Spiegel

  • bei höheren Leistungen sehr große Abstände, hohe optische Verluste und hohe Abschattung

• Verluste: Hauptbestandteile

  • Kosinusverluste und sonstige optische Verluste ~51%

  • Thermische und mechanische Verluste im Wasser-Dampf Kreislauf ~21%

• Nutzenergie ~13%

• Nutzen des photoelektrischen Effekts

• Wirkungsgrade der Module ~20-22%

  • Wirkungsgradsteigerung durch Mehrschichtige Absorption für einen größeren Wellenlängenbereich (teuer)

• aufwendige, energieintensive Fertigung der Zellen

• ein KW Peak ~6m^2 Fläche

• Summe der Koeffizienten ergibt 1

• Emissionsverhalten nach dem Kirchhoffschen Gesetz

  • Gute Absorber sind auch gute Emitter -> schlechte Wirkungsgrade

• Besser wären Materialien, die im Bereich des sichtbaren Lichts eine hohe Absorption aufweisen und im IR-Bereich geringe Emissions-Koeffizienten haben -> hohe optische Selektivität

  • Kirchhoffsche Gesetzt nicht gültig

• Intrinsische Absorber

  • Wolfram, Zinkbromid

• Oberflächenstrukturierung

  • Erhöhung der Absorption durch multiple Reflexion im sichtbaren WL-Bereich, gleichzeitig hohe Reflexion im IR

  • Abdeckungen: Sichtbares Licht transmittiert, Strahlung im IR-Bereich reflektiert (V2-1, S.13)

• Tandem Absorber

  • z.B. Halbleiter/ Metall-Tandem

  • Mehrschicht-Systeme aus dünnen dielektrischen Schichten (Absorption) und semitransparenten reflektierenden Schichten

  • Metall/Dielektrikum Composites, sog. Cermets

absteigend nach Merkmalen:

• Konzentrationsverhältnis

• Absorbertemperatur

• Auffangfaktor für diffuse Strahlung

Gut zu Wissen:

• Fresnelkonzentrator (Linienkonzentrierend):

Röhrenabsorber:

• Sehr einfach und günstig (…schwarzer Schlauch)

• einfache Installation

• Niedriger Wirkungsgrad, da keine Isolierung vorhanden

  • hohe Wärmeverluste bei höherem Delta T

  • daher nur geeignet für Anwengungen mit kleinem Delta T, z.B. Schwimmbadheizung

• kein Winterbetrieb

Flachkollektor:

• Wärmeverluste durch Glasabdeckung und Isolation reduziert

• höhere Arbeitstemperaturen (~80°C)

  • Zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung

• Sollte in Südausrichtung aufgeständert werden

• Betrieb auch in der Übergangszeit und im Winter sinnvoll

Vakuumkollektor:

• Nahezu optimale Wärmeisolation

  • Reduzierung der konvektiven Wärmeverluste (kein Medium) durch Isolation mittels Vakuum, Temperaturen bis 150°C)

• Hohe Temperaturen erreichbar, geeignet zur Heizungsunterstützung z.B. in Altbauten oder zur Bereitstellung von Prozesswärme

• Relativ teuer

• Zwei Bauarten: koaxial und U-Rohr

• Heat Pipe: trockene Anbindung der Kollektoren durch getrennte Kreisläufe

  • Arbeitsfluid verdampft im Kollektor, Dampf steigt zum Wärmetauscher auf und kondensiert dort -> Aufheizung des Wärmeträgerfluids

Naturumlauf - Thermosiphon

• Arbeitet aufgrund des Dicheunterschiedes

  • Keine Pumpe notwendig, stromlos, wartungsfrei

• Volumenstrom durch die Anlage wird bestimmt durch

  • Höhendifferenz zw. Speicher und Kollektoraustritt

  • Temperaturdifferenz Eintritt-Austritt

  • Hydrodyn. Widerstand der Anlage

• Naturumlaufanlagen sind selbstregelnd, da Auftrieb und Widerstand im GG stehen

  • Träges System

Zwangsumlaufsystem

• Bessere Dynamik durch integrierte Pumpe

• Volumenstrom und Temperaturdifferenz regelbar

  • Weniger träges System

• Weniger Platzbedarf

• Speicher und Absorber können getrennt stehen

• Benötigt Strom

Phase 1:

• Die Stagnation beginnt mit Abschalten der Pumpe

Phase 2:

• Nach ca. 10min erreicht der Kollektor die Siedetemperatur und Produziert Dampf

Phase 3:

• Nach weiteren 30min hat sich der Dampf weitesgehend ausgedehnt

Phase 4:

• Bis zum Abklingen der Einstrahlung hat der Kollektor Stagnationstemperatur

Phase 5:

• Mit abnehmender Einstrahlung fällt die Temperatur und der Dampf kondensiert

• Pumpe schaltet sich ab -> Strahlung bleibt

• Kreislauf erhitzt sich und Wasser verdampft -> Druck und T steigen

• Kein Zirkulieren mehr möglich, erst nach Einstrahlungsende wenn Sytem abkühlt und Wasser Kondensiert

• Speicherzahl: Einspeicher-/ Mehrspeichersysteme

  • Pufferspeichersysteme zur Entkopplung von Wärmeangebot und -nachfrage (klassisch)

• Systemgröße: Abhängig von solarem Deckungsgrad (etaD=QSolar/Q_Heiz)

• Trink- oder Heizwasserzuführung

  • Heizwasserführung: weiterer Wärmetauscher notwendig

• Einbindung der Nachheizung

Klassisches System mit Pufferspeicher:

• Hohe Konzentration der einfallenden Strahlung ermöglicht hohe Temperaturen bis zu 1200°C

  • Kraftwerksprozesse möglich

• Steigerung des Konzentrationsverhältnisses bedingt aber deutlich erhöhten Aufwand für die Nachführung des Systems

• Außerdem hohe optische Qualität der Reflektoren notwendig

• Konzentration erfolgt üblicherweise mit Parabolkonzentratoren, Fresnel-Systemen oder Spiegeln (Heliostaten)

DSG Konzepte:

• keine Langzeitspeicher, nur mittelfristig

  • Im Winter (d.h. bei reduzierter Einstrahlung) ist trotz Speicher nur Betrieb bei reduzierter Leistung möglich

• Sensitive Wärme (fühlbare Wärme)

  • mit Temperaturerhöhung verbunden

• Latente Wärme

  • Mit Phasenübergang verbunden, also Schmelzen, Verdampfen oder Umkristallisation

  • konstante Temperatur (bei gegebenem Druck)

• Reaktionswärme

  • chemische Reaktion, Dissoziation oder Adsorption

Flüssige Speichermedien

• Salzschmelze

  • Hohe Wärmeleitfähigkeit, breites Temperaturband

  • Thermische Stabilität begrenzt oberer Temp.

  • Hohe Schmelztemperatur bedeutet hohen Energieaufwand zur Inbetriebnahme und Gefahr der Erstarrung bei Auskühlung

• Thermoöle

  • Speichermedium der ersten Stunde

  • Zersetzen sich bei hohen Temperaturen -> Begrenzt Nutzungsdauer

  • Bei höheren Temperaturen steigen auch die notwendigen Drücke

• Metalle (Natrium, Blei)

  • hohe Schmelztemperaturen (Na: 98°C, Pb: 328°C)

  • Sicherheits- und Umweltaspekte

    • Natrium reagiert heftig mit Luft und Wasser

    • Blei ist giftig

Feste Speichermedien

• Hohe thermische Langzeitstabilität

• Geringe thermische Ausdehnung

• In Hamburg: Vulkangesteinspeicher mit 130 MWh Kapazität und bis zu 800°C

Latentwärmespeicher

• Vorteil: Aufnahme von großen Wärmemengen bei konstanter Temperatur

• Reversibler Prozess -> Verlustfrei

• Temperatur ändert sich auch bei langer Ausspeicherung nicht (bis der Phasenwechsel abgeschlossen ist)

• Meist mit Salzen oder Paraffinen

• Auch für Niedertemperaturanwendungen geeignet, allerdings relativ teuer

• Rohrabsorber:

  • Vergleichbar zu Wasserrohrkessel

  • Erlaubt Druckbeaufschlagung des Wärmeträgerfluids

  • relativ wenig Fläche, schlechtere Absorption

  • hohe Materialbeanspruchung, schlechter Wärmeübergang

• volumetrische Absorber

  • Wärmeaufnahme durch poröses Material

  • hohe Oberfläche, sehr gute Absorption und hoher Wärmeübergang

  • großes Volumen unter Druck, Glasabdeckung muss Temperatur und Druck standhalten!

• elektrische Leitfähigkeit verschwindet bei T -> 0 K, nimmt mit zunehmender Temperatur zu

• Bei Umgebungstemperatur liegt die Leitfähigkeit zwischen der von Metallen und Isolatoren

• Halbleiter sind kristalline oder amorphe Festkörper

• Weltweit wichtigster Halbleiter: kristallines Silizium

  • Besitzt 4 Außenelektronen (sog. Valenzelektronen)

  • Kristallines Si hat eine streng regelmäßige Struktur, Valenzelektronen gehen jeweils Bindung mit Nachbar-Atomen ein, Atomabstände in alle Richtungen konstant

  • Wird als Diamantgitter bezeichnet

Leitungsband

• Damit ein Werkstoff elektrisch leitend wird, müssen freie Ladungsträger vorliegen (nicht an Atomkerne gebunden)

• Valenzbindung muss aufgebrochen werden -> Anhebung des Energieniveaus der Elektronen

  • Durch thermische Energie

  • Durch Strahlung

• Offene Valenzbindungen bleiben zurück

  • „Löcher“

  • Positive Ladungsträger

Bandabstand

• Zwischen Valenz- und Leitungsband liegen Bereiche, deren Energiezustände nicht von Elektronen angenommen werden können

• Exkurs: Bei elektr. Leitern (Metalle) überlappen sich die Bänder, bei Isolatoren sind sie so groß, dass sie quasi nicht zu überwinden sind

(Typischer Bandabstand bei Halbleitern liegt bei delta_E=0,2 – 2 eV)

Photoeffekt

• Bei Auftreffen eines Photons wird die Energie und der Impuls des Photons vollständig übertragen

• Photonenenergie ist abhängig von der Wellenlänge des Lichts

• Silizium: Bandabstand beträgt 1,124 eV, daraus lässt sich die Grenzwellenlänge berechnen, bis zu welcher die Photonen-Energie ausreicht, um einen Ladungsträger zu erzeugen

• Die Dicke von Solarzellen wird von dem Absorptionskoeffizienten bestimmt

  • Wellenlänge ist antiproportional zum Absorptionskoeffizienten

Es können parallel zur Erzeugung von Ladungsträgern (Ladung trennen) Rekombinationsprozesse stattfinden

• Auger-Rekombination: Zurückfallen des Ladungsträgers Umwandlung der Energie in Wärme

• Strahlende Rekombination: Umkehrung der Ladungsträgergeneration durch optische Anregung

• Störstellen- und Oberflächenrekombination: freier Ladungsträger wird von nicht besetztem Energieniveau einer Störstelle eingefangen und rekombiniert mit anderem freien Ladungsträger

Dotierung:

• Einbringen von Fremdatomen in Gitterstrukturen

• Phosphor-Atome (5 Valenzelektronen) -> 1 Elektron im Valenzband nicht für Bindung im Si-Gitter benötigt

  • wird durch relativ geringe Energiezufuhr verfügbar

  • Überschuss an negativen Ladungsträgern: n-Halbleiter

• Bor-Atome (3 Valenzelektronen) -> 4. Bindung im Si-Gitter kommt nicht zustande, weiteres Elektron kann aufgenommen werden („Loch“)

  • Überschuss an positiven Ladungsträgern: p-Halbleiter

• Dotierungsatome bleiben fest im Gitter

• Für Valenzbindung nicht benötigte Ladungsträger (freie Ladung) haben deutlich höheres Energieniveau

• Energieniveau kann in der Verbotenen Zone liegen -> Verkleinert nötige Energiezufuhr zur Anhebung in Leitungsband, thermische Anregung bei Raumtemperatur ausreichend

• Zusammenfügen eines p- und eines n-Halbleiters erzeugt Ausgleichsvorgänge im Bereich der Dotierungsgrenze

• Diffusionsströme von Elektronen aus dem n- in das p-Gebiet und von Löchern aus dem p- in das n-Gebiet

• Zurück bleiben die fest in das Kristallgitter eingebauten ionisierten Dotierungsatome

  • Bildung einer Raumladungszone (verhindert Rekombination)

    • im n-Gebiet positiv und im p-Gebiet negativ geladen

• Bei Beleuchtung entstehen Elektronen-Loch-Paare

• Ladungsträger werden durch elektrisches Feld getrennt

  • Elektronen werden in Richtung des n-Gebiets, Löcher in Richtung des p-Gebiets beschleunigt

  • Aufbau einer Spannung durch Ladungstrennung

Wirkungsgrad wird zunächst vor allem durch Prozesse bei der Absorption beeinflusst:

• (a) Photonen mit zu geringer Energie führen nicht zu Ladungstrennung

  • Bei Silizium ca. 35 % Verlust der im Spektrum enthaltenen Energie

• (b) Photonenenergie, die größer als die Bandlücke ist, wird nicht genutzt

  • Weitere 31% ungenutzter Energie

  • Überschussenergie wird in Wärme umgewandelt

• (c) Strahlende Rekombination: Elektronen/ Lochpaar wird nicht am pn-Übergang getrennt, rekombieniert wieder unter Aussendung eines Photons

• eta_max für Siliziumzellen liegt bei 34% der einfallenden Solarstrahlung (AM0)

Weitere Verlustmechanismen:

• Nicht strahlende Rekombinationsprozesse

  • Auger-Rekombination, Störstellen- und Oberflächenrekombination

• Optische Verluste

  • Anteil des Lichts wird reflektiert, anstatt absorbiert

  • Anteil des Lichts wird in Schutz-/ Antireflexschichten über Solarzelle absorbiert

• Elektrische Verluste

  • Leitungswiderstände im Zellmaterial, an Kontakten, Leiterbahnen und der seriellen Verschaltung von Zellen zu Modulen

Mehrfachzelle:

• versch. Materialien übereinander Absorbieren Licht in versch. Wellenlängenbereichen

  • Tandem- bzw. Triplezellen mittlerweile Standart

  • 4-fach und 5-fach Zellen in Entwicklung

• Aufwendige Herstellung, daher meist in Kombination mit Konzentrator

• Wirkungsgrade von Mehrfach-Konzentrator-Zellen liegen bei >40%

• Silizium wird aus Quarz und Sand hergestellt

  • liegt in Form von SiO2 vor

• Entfernung von Sauerstoff durch chemische Reduktion

  • Aufschmelzen des SiO2 (T > 1414°C)

  • Reduktion durch Kohlenstoff oder Wasserstoff

• Anschließend Reinigung des Rohsiliziums

  • Mahlen und Umsetzen in Trichlorsilan mithilfe von HCl bei 300-500°C

  • Destillation des Trichlorsilans

  • Reaktion mit Wasserstoff bei ca. 1200°C

  • Reinheit des entstehenden Siliziums: 99,99999%

• Polykristalline Zellen: Gießen des Si zu Barren

  • Billiger, jedoch geringerer Wirkungsgrad da es an den Korngrenzen vermehrt zu Rekombination kommen kann

• Monokristalline Zellen: Czochralsky-Verfahren (Kristallisation zu Einkristall)

  • Aufwendige, teure Herstellung, jedoch hoher Wirkungsgrad da Ladungsträger sich freier Bewegen können

• anschließend Sägen der Ingots in Wafer mit ca. 150µm Dicke

• Dotierung der Wafer, Aufdrucken von Leitungsbahnen

Organische Solarzelle:

• Bestehen nicht aus kristallinem Material, sondern aus Kunststoffen (Kohlenwasserstoffen)

  • Grundsätzlich gleiches Funktionsprinzip

• Vorteile:

  • Herstellung wesentlich weniger energieintensiv

  • Flexibles Material – vielseitige Anwendungsmöglichkeiten

• Nachteile:

  • Geringe Wirkungsgrade: ~10-17%

  • Langzeitstabilität ist nicht ausreichend, da Material durch UV-Strahlung zersetzt wird

Perowskit-Solarzellen:

• Hybridzellen (Organisch/ Anorganisch)

• Durch Einstrahlung lösen sich Elektronen aus ihrem gebundenen Zustand, gleichzeitig bleiben positiv geladene Fehlstellen zurück

• die Elektronen und „Löcher“ werden an unterschiedlichen Seiten des Absorbers abgeführt

  • Ladungstrennung durch selektive Ladungsträgerschichten (Membranen)

• Vorteile:

  • soll in der Lage sein, die obere Grenze des photovoltaischen Wirkungsgrads zu erreichen (~34%)

  • einfach in der Herstellung und Verarbeitung

    • in flüssiger Form/ bei niedrigen Temp. auf geeigentes Substrat auftragen

• Nachteile:

  • Stabilitätsprobleme durch Tendenz, ungeordnet und mit einer hohen Anzahl von Defekten zu wachsen

  • wasserlöslich und damit sehr feuchtigkeitsempfindlich und instabil -> muss gekapselt werden

Dünnschicht-Solarzelle:

• Halbleiter wird durch Prozesse wie PVD (Physical Vapor Deposition), Sputtern oder CVD (Chemical Vapor Deposition) auf ein Substrat aufgebracht

• Derart aufgebrachte Schichten zeigen wesentlich bessere Absorptionseigenschaften

  • Sehr dünne Schichten von 1-5 µm ausreichend

  • Flexible Solarzellen, können überall aufgebracht werden

• Günstiger, da einfacheres Fertigungsverfahren, allerdings auch schlechterer Wirkungsgrad

Konzentrator-Zellen:

• Fokussierung des Lichts mittels Linsen ermöglicht höheren Wirkungsgrad, da Stromerzeugung in Halbleitern abhängig von einfallender Lichtintensität ist

  • Konzentrationsfaktor bis zu 1000

  • Muss gekühlt werden

  • Nachführung notwendig

• Meist in Kombination mit Mehrfach-Solarzellen

Farbstoffsolarzellen/ Grätzel-Zellen:

• Zur Absorption werden organische Farbstoffe verwendet, keine Halbleiter

• Aufbau: 2 Elektronen in geringem Abstand (wenige µm), eine Elektrode ist mit Ti02 und Farbstoff beschichtet

  • Farbstoff: Lichtabsorption

  • TiO2: Elektronenleitung

• Vorteile:

  • geringe Umweltbelastung

  • günstige Fertigung

• Nachteile:

  • Geringe Wirkungsgrade (<10%)

  • unzureichende Langzeitstabilität der Farbstoffe

• Üblicherweise in Reihenschaltung um hohe Spannungen zu generieren

• Gesamtleistung der Zellen unabhängig von Schaltung

• Photovoltaikgenerator

  • Module

  • Verkabelung

  • Unterkonstruktion/ Dachkonstruktion

• Wechselrichter

  • Bindeglied zum Netz

• Kostenstruktur:

  • ~1500€/kW_Peak

  • Speicher verdoppelt Kosten

• Ca. 2,5% der auftreffenden Solarstrahlung (140000 EJ/a) werden für die Atmosphärenbewegung verbraucht

  • Theoretische Leistung liegt bei 4450 TW

Allgemein:

• Variation über das Jahr, den Tag, die Stunde

  • Üblicherweise niedrige Windgeschwindigkeiten im Sommer, hohe Geschwindigkeiten im Winter (Nordhalbkugel)

  • Ausgeprägter Tages- und Stundegang

    • Variationen von 30-40%

• Jahreszeitliche Schwankung des Luftdrucks

• Rauigkeitslänge z_0 beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit an der Erdoberfläche an (Wald, Stadt, Wiese, Meer)

  • Grenzschicht der Erde: Mittlere Ausdehnung der Grenzschicht liegt bei ca. 1000m

  • Höhere Windgeschwindigkeiten in Norddeutschland

• Einfluss der Topographie auf das vertikale Geschwindigkeitsprofil

  • starke Geländeneigungen können zu turbulenten Ablösungen führen

Tageszeitliche Schwankung:

• Niederung- oder Bodentyp:

  • minimale Windgeschwindigkeiten in der Nacht bis ca. 6h

  • Ab ca. 9h Tagesmittelwert

  • Zwischen 14-16h maximale Geschwindigkeit

  • minimum gegen Mitternacht

• Höhentyp:

  • in Gipfellagen

  • quasi Umkehrung des Bodentyps

  • tagsüber labile Schichtung, hoher Impulstransport zu tieferen Schichten

  • Nachts stabile Schichtung/ Strömung abgekoppelt von bodennahen Schichten

Jahres- Tages- Stundengang:

Niederungstyp:

Höhentyp:

Geländeneigungen:

See- und Landwind:

(Tag)

Berg- und Talwind:

Betz-Faktor: (idealisierte Annahme)

(-> stationär, inkompressibel, reibungsfrei, drallfrei, konstantes Geschwindigkeitsprofil)

• Optimales Geschwindigkeitsverhälntnis bei 1/3

  • max. Gewinnbare Leistung 59% aus PE

• Die kinetische Energie kann nicht komplett umgewandelt werden, da sonst der Massenstrom nach der Turbine nicht mehr abgeführt wird und “verstopft”

Schmitz-Faktor: (Berücksichtigt Drall in Abströmung, Stärkster Einflussfaktor)

(Vernachlässigung des Dralls für hohe Schnelllaufzahlen/ Schmitz nähert sich Betz an)

Wichtig: Geschwindigkeit geht mit dritter Potenz in die Leistung ein!

• Widerstandsläufer (Schnelllaufzahl max.=1) mit niedrigeren Leistungen als Auftriebsläufer

• Vertikalmaschinen mit niedrigeren Leistungen als Horizontalmaschinen

• Windgeschwindigkeit fluktuiert stark

  • Mittelwerte eignen sich nicht

• möglichst viele kurze Einzelmessungen, Mittelung der Werte über 10 min bis 1h über möglichst lange Zeit (ideal >1a)

• Erstellung von Histogrammen

  • d.h. welcher Wind wie lange geweht hat

(hier Mittelung über den Tag)

z.B.:

• 3-4m/s wurden 4-Mal zwischen 6 und 10 Uhr gemessen

• Der Balken des Histogramms für diese Windgeschwindigkeit ist daher größer (Zeigt an das für diesen Tagesgang diese Windgeschwindigkeit für 4 Stunden anlag)

• gibt die Häufigkeit an, welche Windgeschwindigkeiten erreicht wurden

• Maß für die mittlere Geschwindigkeit

• Ermittlung des Ertrags durch Multiplikation der Leistungsklassen mit den relativen Häufigkeiten innerhalb des betrachteten Zeitintervalls T und Summation

• Häufigkeitsrose

• Geschwindigkeitsrose

• Energierose

Windrosen geben zusätzlich die Häufigkeit an aus welcher Himmelsrichtung der Wind kommt

• im Tagesgang

Abschätzung der dynamischen Belastung der WEA -> Lebensdauer!

• Leistungsstärkste WEA (in China) mit 20MW

  • Rotordurchmesser zwischen 260 bis 292m

• kinetische Energie -> Wellenenergie -> elektrische Energie

• Größte Verluste im Rotor (Betz, Schmitz-Faktor)

• Blattspitzenverluste

• Bilanz über Herstellung, Betieb, Abriss

Gut zu Wissen: (CO2 Äquivalente in t/GWh !)

• Bei Reduzierung auf 2% der Fläche der BRD durch Abstands regeln, etc. ergibt sich onshore ein techn. Potenzial von ca. 180 TWh/a

• Offshore-Potenzial aus verfügbarer Fläche (ca. 1,58 Mio ha) und Flächeninanspruch nahme von 22ha/MW

Grundlegender Effekt:

Venturie-Effekt:

• Verengt sich der Abstand der Stromlinien nimmt die Geschwindigkeit zu, und der Druck nach Bernoulli entsprechend ab

Das Passiert auf dem Profil:

• Die Stromlinie wird über die Oberfläche des Pofils geführt

• Dabei wird sie gekrümmt, der Abstand zwischen den einzelnen Stromlinien nimmt ab

• Es entsteht ein Unterdruck (Zentripetalkraft), dieser zwingt die Stromlinie auf das Profil und gleicht die Beschleunigung nach außen aus (“Fliehkraft”)

  • je größer der Radius der Stromlinie desto geringer der Druck

• Es entstehen Druck- und Saugseite

• Gleitzahl: Verhältnis aus Auftriebs- und Widerstandkoeffizient

• Polardiagramm: Graphische Darstellung der Gleitzahl für ein spezifisches Profil mit verschiedenen Anstellwinkeln

  • Alpha 0: kein Anströmwinkel, minimaler Widerstandswert

  • cA,min: kleinster Auftriebswert

  • Tangente vom Ursprung: beste Gleitzahl (maximale Steigung)

  • cA,max: größter Auftrieb, minimale Ablösungen

  • Stall: Ablösungen, kein Auftrieb

Versch. Flügelschnitte

• Die Umfangsgeschwindigkeit steigt linear mit dem Radius

• c1 bleibt konstant

• Die relative Anströmgeschwindigkeit w steigt

• Der relative Anströmwinkel ändert sich über den Radius/ daher Verwindung im Windratrotor

  • Vorallem an der Blattspitze spielt eine hohe Gleitzahl (Wirkungsgrad steigt proportional) eine wichtige Rolle

Steigende Windgeschwindigkeiten

• c1 steigt

• Umfangsgeschwindigkeit u bleibt konstant

• Der relative Anströmwinkel nimmt zu

• siehe Polardiagramm: steilere Anströmung endet im Stall

Stall Regelung

• feste Rotoblätter

• Bremsen durch Strömungsabriss nach Erhöhung der Windgeschwindigkeit (Stall)

• günstig, kein Getriebe für Blattwinkelverstellung etc.

Pitch Regelung

• Blattwinkelverstellung über Motor verstellbar/ kann den aktuellen Windverhältnissen und der darus resultierenden relativen Anströmung angepasst werden

• Breiterer Leistungsbereich/ gute Leistungsanpassung

• Teurer/ komplexe Bauweise/ Wartung

• verdrehbare Bllattspitze

• Klappe im Flügel

• aufklappbare Endscheibe

• Bremsen an Blattspitze nutzen aerodynamischen Widerstand

  • P_max wird reduziert

• WEA für langsame Windgeschwindigkeiten nutzen häufig sogenannte Windfahnen

  • Automatische Regelung

  • Dreht bei hohen Windgeschwindigkeiten die Gondel aus dem Wind

Klassifizierung anhand:

• Auftriebs- oder Widerstandsläufer

• Vertikal- oder Horizontalachsenmaschine

• Orientierung im Wind (Luv-/ Lehläufer)

• Rotoranzahl und Schnelllaufzahl

• Anwendungsbereich (z.B. Wasser pumpen, Korn mahlen, Strom erzeugen, Messgerät)

(je kleiner die Schnelllaufzahl, desto größer die Rotoranzahl!)

Kosten/ Nutzen abwägung:

• Erhöhung der Blattzahl bringt nur bedingt Leistungssteigerung

  • 1 -> 2: +10%

  • 2 -> 3: +3-4%

  • 3 -> 4: +1-2%

• Kosten pro Blatt ~200.000€ (allein Rotorblätter bei Dreiblattanlage tragen Kostenanteil von 25%)

• Mechanische Wechselbeanspruchung sinkt mit zunehmender Blattanzahl -> großer Einfluss auf Lebensdauer und damit maßgeblicher Faktor für Dreiblattanlagen

(Bei hohen Schnelllaufzahlen unterscheidet sich der Leistungsbeiwert für versch. Blattanzahlen kaum !!)

• Aerodynamischer Einflussparameter: Profilbelastung

  • Je geringer die Blattzahl, desto größer muss die Blatttiefe (Sehnenlänge s) sein

• Umsetzbare Leistung hängt direkt mit der Resultierenden aus Auftriebs- und Widerstandskraft zusammen

  • je größer die Rotorfläche desto größer die Auftriebskraft

  • je größer die Sehnenlänge, desto größer die Rotorfläche

(Z=1, Z=2, Z=3)

mechanische und aerodynamische Belastungen

• mechanische Belastung in:

  • stationär: Fliehkräfte, Belastung durch mittlere Windgeschwindigkeit

    • Luftkräfte wirken in Achsrichtung (größte Belastung)

      • Anteil der resultierenden Kraft aus Auftriebs- und Widerstandskraft

  • instationär: mit der Drehzahl periodisch wechselnde Belastung/ nicht periodische stochastische Belastung (turbulentes Geschwindigkeitsprofil)

    • Belastung durch Höhenprofil

      • Schwellbeanspruchung abhängig vom Umlaufwinkel

        • maximal bei senkrechter Rotorstellung, da durch den Höhenunterschied unterschiedliche Wingesschwindigkeiten an jeweiligen Blattspitzen wirken

        • Bemerkbar, da Windgeschwindigkeit mit dritter Potenz in Leistung eingeht

    • Turmschatten: Zyklische Entlastung durch Ablösung über Kreiszylinder (Turm) bei Lehläufer

  • Dauerwechselbeanspruchung resultiert in Materialermüdung -> Daher dynamische Last wesentlich bedeuntender

• aerodynamische Belastung in:

  • Tangetialkraft

  • Schubkraft

• Gefahr von Fluid-Struktur Wechselwirkungen durch gegenseitiges Verstärken von mechanischer Schwingung und aerodynsmischen Effekten -> Flattern

• Gleichmäßige Verteilung der Tangentialkraft bei Normalbetrieb

• Schubkraft bei Normalbetrieb an Rotorspitze am größten

• Bruchfestigkeit: aus statischer Belastung durch Windgeschwindigkeit

• Dauerfestigkeit: aus periodischer Belastung

  • Lebensdauer von 20-30 Jahren

  • 20 U/min -> 1200 Lastspiele pro h

  • 180 Tage/a Lastbestrieb -> 5x10^6 Lastspiele

• Schwingungsverhalten (Vermeidung von Resonanz)

Arbeitsumsetzung vorwiegend außen

• Die letzten 30% Rotorlänge haben ~50% der Rotorfläche

• Leistung ist proportional zur Umfangsgeschwindigkeit und dem Massenstrom

  • u(r) steigt mit dem Radius

  • m_punkt(r)=A(r)*rho*c1(t) steigt mit dem Radius

Problem weil:

• Ausgleichströmungen an der Flügelspitze zwischen Saug- und Druckseite reduzieren Auftriebskraft

  • Ort der größten Arbeitsumseztung, daher Problematisch

Minimierung durch:

• Winglets an Blattspitzen

• Mehr Rotoren führen zu Entlastung

  • Auswirkung auf Gesamtarbeitsumsetzung wird geringer

• Symmetrisches Profil an Spitze -> keine Druckgradient mehr, daher auch keine Ausgleichströmung

  • jedoch auch keine Auftriebskraft mehr, daher sinnlos

• Lärmminderung durch eine gezackte Hinterkante zur Auflösung der kohärenten Strukturen in der Abströmung

  • Entstehung von kleinen weniger Energiereichen Wirbeln die weniger Lärm verursachen

• Bessere Vermischung von laminarer und turbulenter Strömung an Hinterkannte -> Druckschwankung an Blattkannte reduziert

Allgemein: Turm trägt die Gondel (Rotor, Welle, Generator), das Turmgewicht liegt bei mehreren 100t

Anlagenpreis:

• macht ~15-20% des Anlagenpreises aus (Transport und Montage)

• Bei Offshore-Anlagen erhöht sich der Einfluss durch das aufwendige Fundament

Turmhöhe:

• Turmhöhe beträgt das 1 – 1,8fache des Rotordurchmessers

• Turmhöhe wird bestimmt durch die Leistung der WEA und die Turbulenz der Zuströmung

Turmbauarten:

• Mast-Turm (Kleinstanlage, einfach aufzubauen, abklappbar bei Sturm)

• Gitterturm (hohe Festigkeit, leicht, kaum Windwiderstand, in Höhe begrenzt)

• Stahlrohrturm (hohe Festgkeit, teuer, schwer)

• Betonturm (Schwer, günstig)

• Hybridturm aus Stahl und Beton (große Höhen erreichbar)

Allgemein:

• Kosten für das Fundament betragen 3-5% der Projektkosten

• Bauweise hängt ab von

  • Standort (Geologie, Bodenbeschaffenheit)

  • Windverhältnissen

  • Der WEA (Masse, Höhe, etc.)

Turmfundamente:

• Offshore:

  • Tripod

  • Jacket

  • Tripile

  • Schwerkraftfundament

  • Monopile

  • Schwimmendes Fundament, mit Ankern im Meeresgrund fixiert (für Bereiche mit größeren Tiefen)

• Onshore:

  • Fundamentplatte aus Beton, unter Umständen auch mit Pfählen im Boden verstärkt (weicher oder sumpfiger Boden)

• Abhängig von der Anlagengröße

  • Maßgebend Blattspitzengeschwindigkeit

• Bei gegebener Schnelllaufzahl (Umfangsgeschwindigkeit/ Windgeschwindigkeit), der Windgeschwindigkeit und den Rotorabmessungen R lässt sich die optimale Drehzahl berechnen

VAWT: Vertical Axis Wind Turbine

• VAWT haben generell niedrigere Schnelllaufzahlen, d.h. geringere Leistungsausbeute

• Widerstandsläufer

  • Starke Umlenkung der Anströmung

  • Teils mit Auftriebselementen

• Durch Schraubenform wird Drehmoment “vergleichmäßigt”

• Auftriebsläufer

• Erreicht höchste Wirkungsgrade aller VAWT-Anlagen

  • Ca. 40% Wirkungsgrad möglich

  • Problematisch sind Strömungsablösungen bei verschiedenen Blattstellungen

• Nicht Selbststartfähig

  • z.T. mit Savonius-Rotor kombiniert