SoSe16 Regenerative Energiequellen

• Höhenunterschied: Ober und Unterwasserspiegel des Stauwerks
• Errichtung durch:
  • Aufstauung des Oberwassers
  • Absenkung des Unterwassers
  • Umleitung des Wassers
• aufgrund Reibungsverlusten etc. ist Nutzfallhöhe kleiner Kraftwerksfallhöhe

• Sonneneinstrahlung bewirkt natürl. Wasserkreislauf, in dem ca. 22% der insgesamt auf die Erde eingestrahlten Energie umgesetzt wird
• Mit Verdunstung verleiht Sonne dem mit der Luft aufsteigenden Wasserdampf potentielle Energie
  -> Wasserdampftransport -> Niederschlag
• ohne tech. Nutzung wird potentielle Energie des Wasser in den Wasserläufen durch Erosionswirkung im Flussbett und durch Wirbelwirkung "aufgezehrt"
• Energiegehalt abhängig von: Volumen und Höhe
• ca 25% technisch nutzbar
• in Europa ausgeschöpft, aber weltweit noch unerschlossene Potentiale

• Früher: Nutzung ober- und unterschlächteiger Wasserräder
• Nutzung potentieller Energie: m*g*h
• Heute: Strömungsmaschinen
  • gerichtete Geschwin. in den "Leitschaufeln"
  • Abagabe Energie durch Änderung der Geschwin. (Betrag und Richtung) an die "Laufschaufeln"
  • + hoher Wirkungsgrad
  • + hohe Drehzahl
  • + große Leistung

• vollbeaufschlagte Überdruckturbine
• mit axialer Zuströmungsrichtung des Wassers ins Laufrad
• Flügelzahl abhängig von auszunutzenden Fallhöhe: 3-8
• bis 25m Fallhöhe
• bei stark schwankender Wasserführung zum Teil bis ca. 100m
• Sonderform: Propellerturbine (nicht anpassungsfähig)

• entwickelt aus Kaplanturbine
• horizontaler Einbau zur Vermeidung der Umlenkverluste
• platzsparend -> landschaftliche Einpassung
• niedriege Fallhöhen als Kaplanturbine

• vollbeaufschlagte Überdruckturbine
• Wasser strömt am Laufradumfang gleichmäßig mit radialer Zuströmungsrichtung des Wassers in das Laufrad
• Typen von Francisturbinen
  • Langsamläufer: kleine Wassermengen bei großen Gefällen
  • Normalläufer
  • Schnellläufer: große Wassermengen bei kleinen Gefällen
• Einsatzbereich: 50-800m
• kann auch als Pumpe arbeiten

• teilbeaufschlagte Gleichdruckturbine
• Wasser strömt nur an einem/mehreren Punkten des Laufradumfangs zu mit tangentialer Zuströmungsrichtung des Wassers in das Laufrad
• Einsatzbereich: Fallhöhen bis 2000m und mehr
• Beispiele
  • Laufrad einer Peltonturbine
  • Speicherkraftwerk mit Peltonturbine

• Pelton
• Kaplan
• Francis (langsam)
• Francis (schnell)
• Propeller

• Kombination: Durchfluss und Fallhöhe
• Fallhöhe -> Druck
  • Niederdruck (meist Laufwasser)
  • Hochdruck (meist mit Speichermögl.)
  • Übergang fließend 20-50m

• kein Speicherraum
• Stauziel muss ständig erhalten bleiben, sonst große Leistungsminderungen bei sinkender Fallhöhe
• Leistungabgabe folgt immer dem gerade vorliegenden Zufluss
• aka Laufwasserkraftwerk
• Aufbau
  • Krafthaus mit Turbine und Generator
  • Wehr
  • ggf. Schleuse
  • Mauer oder Erddamm bei Fallhöhen >20m

• Bsp. Mosel oder Saar
• Buchtenbauweise
  • Fischtreppe, Schleuse, Bucht
• Krafthausformen
  • geschloßene Bauweise
  • Freiluftbauweise
• Eingesetzte Turbinentypen
  • Kaplan
  • Propeller
  • Kaplan/Propeller als Rohrturbine
  • Francis (bei größerer Fallhöhe, selten bei Niederdruck)

• betrachtlicher Stauraum
• kaum Liestungsminderung bei Schwankungen des Oberwasserspiegels
  (Fallhöhenverhältnisse gleichen Schwankungen aus)
• häufig Einsatz zur Spitzenlastdeckung
• aka Speicherkraftwerk
• Aufbau
  • Speicher (zB Talsperre), Staumauer oder -damm
  • Druckstollen
  • Wasserschloss
  • Druckrohrleitung
  • Krafthaus mit Turbine und Generator
• Nutzfallhöhe einer Hochdruckanlage
  • geodätische Fallhöhe ergibt sich aus: Stauhöhe und Gefälle bis Krafthaus
  • Nutzfallhöhe berücksichtigt Reibungsverluste in der Rohrleitung
• Turbinentypen
  • Pelton (bei Fallhöhe > 800m)
  • Francis (bei Fallhöhe 50-800m)
• Sonderform eines Speicherkraftwerks
  • Kraftwerk in Kavernenbauweise

• Motivation: großtech. direkte Speicherung nicht möglich, deswegen indirekte Speicherung potentieller Energie des Wassers
• Umwandlung elekt. Energie in potentielle Energie erfolg durch Pumpen des Wassers auf einem Tiefbecken in Hochbecken
• Aufbau
  • vgl. Hochdruckanlage
  • elekt. Maschine, die als Generator und Motor fungiert
  • Turbine
  • Pumpe
• Wasserdurchflussmenge: Q = Volumen [m³]/ Zeit [sek.] 
• Leistung: P = Q*h*g*p*n
• Gesamtwirkungsgrad: 75-85%
• Turbinentypen: 
  • Francis
  • (Pelton)
• Bsp. Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal

viel Sonneneinstrahlung trifft auf Weltmeere

Auswirkung dieser Strahlung, die potentiell zur Energiegewinnung genutzt werden können, sind

• Meereswärme
  • vertikale Temperaturunterschiede: Oberflächen- und Tiefenwasser
  • insb. tropische und subtrop.
    -> Ozeankraftwerk (wie konvent. Dampfkraftwerk)
    Nutzung von Ammoniak & Wirkungsgrad 2-3%
• Meeresströmung
  • horizontale Temperaturunterschiede: unterschiedl. Strahlungsintensität
  • Problem:
    • Nutzung kinetischen Energie mit geringer Energiedichte
    • nicht vorhersehbare ökologusche und klimatische Auswirkungen
• Meereswellen
  • atmoshpärische Bewerung, die wiederum auf dem Meer Wellengang verursacht
  • durch Wind, Turbulenzen und Druckunterschiede
  • am stärksten bei äquatorfern

• Wellenfronten können in horizontaler und vertikaler Richtung Kräfte ausüben
• Auf- und Abwärtsbewegungen nutzen, um Gas zu verdichten und/oder Turbine anzutreiben
• Bsp.
  • surge devices
  • point absorber
  • attenuator (Pelamis)

• Gravitation Mond/ Erde und Zentrifugalkraft durch Drehung des Systems Mond/Erde um einen gemeinsamen Schwerpunkt, entstehen auf den Weltmeeren zwei Flutberge
• ab Tidenhub von 6m wird die Nutzung interessant
• ungleichmäßige Leistungsabgabe durch Tide (Ebbe/Flut)
  Tidenzyklus 12h 24m
• zusätzl. Prob. ungleichmäßiger Energiegewinnung: hohe Spring (Vollmond)- und Nipptiden (Halbmond)
• Korrosion: Salzwasser -> erheblicher Wartungsaufwand -> Wirtschaftlichkeit?
• Nutzung
  • potentielle Energie mit Beckenanlagen
  • kinetische Energie mit Strömungsanlagen
• Bsp. Rance 240MW
  • 24 Rohrturbinen
    • Vollaststunden 2.500h

• Gezeitenströmungskraftwerk
  • Bsp. Fall of Warness (Orkney Inseln)
• Osmosenkraftwerk
  • nutzt Unterschied von Salzgehalt von Süß und Meereswasser
  • Druckunterschied wird zur Energiegewinnung genutzt
  • Bsp. Norwegen 10kW

• Gesamtmasse der Stoffe organischer Herkunft (lebende und nicht)
• In Beziehung mit energetischer Nutzung
  • zellulose-, stärke- und zuckerhaltige Pflanzen
  • land- und forstwirtschaftliche Abfälle
  • tierische Exkremente
  • organische Bestandsteile des Haus- und Industriemülls

• durch Photosynthese aus anorganischer Materie:
• durch solare Strahlung und Frabstoffmolekülen wir in organische Zellen Wasser gespalten (Photolyse)
• der Wasserstoff bildet mit dem CO2 der Luft Biomasse
  -> Strahlungsenergie der Sonne wird in chem. Energie umgewandelt
• relativ dargebotsunabhängig

V.2. Kreislauf bei Fermetation

1. Rohenergie / Primärenergie (->Energiebilanz)
   1. ohne tech. Bearbeitung: chem. gebundene Energie, potentielle Energie
2. Sekundärenergie
   1. Benzin, elekt.Energie ("Strom")
3. Endenergie
   1. wie vom Verbraucher bezogen:
      1. Benzin fürs Auto
      2. Kohle zum Heizen
      3. Heißwasser zum Heizen
4. Nutzenergie
   1. Wärme
   2. Licht
   3. Mech. Energie (Transport, stat. Antirebe)

• Umwandlungs- und Verteilungsverluste (viel)
• Eigenbedarf
• Nicht energetischer Verbrauch (z.B. Kunststoff, Teer)
• Verluste beim Verbraucher (z.B. Verbrennungsmotor 2/3)

Kraftwerk: Kühlwasser : Rohenergie -> Sekundärenergie (33%)

Auto: Abgas&Kühlwasser: Sekundär -> Nutzenergie (16%)

1. Industrie
2. Verkehr
3. Haushalte
4. Gewerbe, Handel, Dienstleistungen

• End: 9.269 PJ
• Primär: 13.828 PJ - macht nur 3% des Weltenergie-Primärverbauchs

"Aufgrund von Bevölkerungswachstum dürfen wir keine Energiequelle ausschließen, auch nicht Kernfusion"

• Kernfusion ist gut, soweit sie funktioniert. Aber die Folgen sind verherrend!
• 8/10 RE, 1/10 Kohle, 1/10 Öl

• aufgrund Ausnutzungszeit (Leistung und Zeit per anum) haben:
  • Wind
  • PV
  • Ölpump. und Erdgas
    -> geringere Energieerzeugung als Leistung
• hingegen:
  • Stein- und Braunkohle
  • Kernenergie
    -> höhere Energieerzeugung bei niedriger Leistung

...was sich im menschlechen Zeitverhältnis neubildet.

• thermonukleare Umwandlung in der Sonne: 99,98%
• Isotopenzerfall im Erdinneren (Energiequelle) -> Geothermik (natürl. Umwandlung)
• Gravitation der Planeten (Energiequelle) -> Gezeiten (natürl. Umwandlung)

• räumliche Verteilung
  • Globalstrahlung / Sonnestrahlung
  • Windgeschwindigkeiten
  • Tidenhub
  • geotherm. Anomalien
• zeitliche Verfügbarkeit
  • Volatilität
  • begrenzte Prognostizierbarkeit

Heute: 17.862 kWh

• Raumwärme 71%

Zukunft: 6.000 kWh

• Elektromobilität 46%
• Raumwärme 15%

GL, ML, SL -> siehe Diagramm:

1. Erzeugung: Höchstspannung (220 oder 380 kV) Kraftwerke
2. Transport: Hochspannung (110 kV) Industrielle Kraftwerke/Abnehmer
3. Verteilung: Mittelspannung (1-50 kV) Städt. Kraftwerke, Industrie Abnehmer
4. Versorgung: Niederpannung (400/230 Volt) Ortsnetz /Stadtnetz
   1. 1.067.100 km von insg. 1.671.300 km

• Theoretisches: Zeit & Gebiet
• Technisches: aktuellen Stand der technik. erschließbar
• Wirtschaftliches: wirt., admin., gesell. Rahmenbedingungen
• Erschließbares:

Reserven: nachgewiesen & wirtschaftlich

alles andere sind Ressourcen.

Sonne größte regenerative Energiequelle

• direkte Nutzung (tech. Umwandlung)
  • Sollarzellen
  • Therm. Kollektoren
• Indirekte Nutzung (natürl.+tech. Umwandlung)
  • WasserKW
  • Wärmepumpe
  • WellenKW
  • Windkonverter
  • Verbrennung/ Konversion aus Biomasse

• Sonne: 75% Wasserstoff & 23% Helium
• 4 Wasserstoffatome durch Fusion zu 1 Heliumatom
• Massdefekt (E=mc²) & als elektromagnetische Strahlung abgestrahlt

• Elevation (Sonnenhöhe)
• Sonnenazimut (Nord-Süd-Richtung)
  -> kurzer Weg& kleine Fläche vs langer Weg& breite Fläche

Solaranlagen nutzen nicht nur sichtbaren Anteil des Lichtes, sondern auch den ultravioletten und infrarotenTeil

Reduktion durch: 

• Reflexion an der Atmosphäre
  • (30% eingestrahlten Energie wird in der Atmosphäre und auf dem Boden reflektiert)
• Absorption an der Atmosphäre (H2O,Co2)
  • 70% absorbiert und in Wärme umgewandelt
• Rayleigh-Streuung
• Mie-Streuung

aus Solarkonstante erhält man als mittlere extraterrestrische Solarstrahlung 341 W/m^2

• direkt: Sonnenschein ohne Streuung auf Erde
• diffuse: beim Durchdringen der Atmosphäre auf verschiedene Schwebeteilchen trifft und gestreut wird
  • kann nicht mittels Spiegel/Linsen konzentriert werden
• Summe: Globalstrahlung + Reflektionsstrahlung von Gebäuden etc.
  • in D. Durchschnitt Globalstrahlung = 1.000 kWh/(m²a)
  • in Sahara das doppelte

• am weitesten verbreitete Technik
• solare Strahlungsenergie direkt in Wärme
• zwischenzeitlich ohne Bedeutung wegen vgl.weise niedrigen Primärenergiekosten (Kohle, Öl)
• neue Bedeutung durch Ölpreiskrisen und Umweltdiskussion (Co2)

• solarthermische Wärme-und Strombereitstellung
• als Kollektor u. Wärmespeicher dient mit Salz gefülltes Becken
• vom Grund wird Wärme(80-90°) entnommen und einer Wärmekraftmaschine zugeführt, die einen Generator antreibt und dadurch elekt. Energie bereitstellt
• absorbiert direkt und diffuse
• Salzkonzentration nimmt zum Grund hin starkt zu
  • dadurck natürl. Konvektion und Wärmeverlust unterdrückt
  • und führt dazu, dass die Sonnenenergie nicht zur Oberfläche auftaucht
• Überwachungssyteme nötig
• Wirkungsgrad: 1-2%
• geringer tech. Aufwand (Entwicklungsländer)

Flachkollektroren (Niedertemp.bereich)

• kann auch diffuse Strahlung umwandeln -> geeig. für Mitteleuropa
• Schwimmbäder -> Warmwasserbereitung
• Weiterentwickl.: vakuumisolierte Röhrenkollektor
  -> geringer Konvektionsverlust, jedoch höhere Kollektorpreise

konzentrierende Kollektoren (Hochtemp.bereich)

• Prozesswärme, Umwandlung in elekt. Energie mit solartherm. KW