Regenerative Energieversorgung

Übergreifend

Regenerative Energieversorgung

  • Was sind die Quellen für erneuerbare Energien?
  • Wie nutzen wir die Sonnenenergie?
  • Woher kommen Wind- und Wasserkraft?
  • Wie sieht die Energiegewinnung der Zukunft aus?

Mit dem Begriff erneuerbare oder auch regenerative Energien bezeichnet man alle Primärenergien, die für Zeiträume, welche - bezogen auf das menschliche Dasein - unerschöpflich sind. Für die erneuerbaren Energien kommen im wesentlichen drei Quellen in Frage:

  • Die Strahlungsenergie der Sonne, welche eine Folge der Atomkernverschmelzung im Sonneninneren ist.
    • Die Erwärmung der Eroberfläche führt zur Verdunstung des Wassers und damit zum Niederschlag. Mit Wasserkraftwerken wird schon seit sehr langer Zeit die im Wasser steckende Bewegungs- und Lageenergie genutzt.
    • Die Erwärmung der bodennahen Luftschichten führt zum Wind, der ebenfalls schon seit frühen Zeiten zum Antrieb von Mühlen u.ä. genutzt wird. In jüngster Zeit erlebt die Wandlung der "Windenergie" in elektrische Energie gerade in Deutschland einen rasanten Aufschwung.
    • Die Strahlungsenergie der Sonne kann in der Solarzelle direkt in elektrische Energie gewandelt werden.
    • In thermischen Kollektoren gelingt die Umwandlung der Strahlungsenergie in innere Energie.
    • Die Strahlungsenergie ist aber auch Grundlage der Photosynthese, die wiederum erst das Wachstum von Pflanzen ermöglicht. Pflanzen können als Energieträger genutzt werden (Biomasse).
    • Die Erwärmung der Erdoberfläche und der erdnahen Atmosphärenschichten kann mit Meereswärmekraftwerken oder z.B. mit Wärmepumpen genutzt werden.
  • Die Erdwärme (Geothermie) mit der man die im oberen Teil der Erdkruste gespeicherte innere Energie bezeichnet.
  • Die auf der Gravitationskraft beruhende Planetenbewegung, insbesondere die Bewegung des Mondes um die Erde, welche zu den Meeresgezeiten führt. Mit Gezeitenkraftwerken kann z.B. elektrische Energie gewonnen werden.

Hinweis:
Energie ist grundsätzlich nicht erneuerbar (dies ist eine Folge des Energieerhaltungssatzes). Wenn wir die Sonnenenergie nutzen, dann zweigen wir von den riesigen Energiemengen, die von der Sonne auf die Erde strömen einen kleinen Teil ab und "entwerten" diesen. Da die Sonne noch etwa 5 Milliarden Jahre strahlen wird, eine für menschliche Dimensionen fast "unendlich lange" Zeit, sind die Energievorräte der Sonne für uns nahezu unerschöpflich (man sagt neuerdings dazu: nachhaltig).

Die fossilen Energieträger (Öl, Gas und Kohle) zählen in diesem Sinne nicht zu den erneuerbaren Energien, obwohl die fossilen Brennstoffe auch heute noch neu entstehen. Wir verheizen diese Rohstoffe nämlich sehr viel schneller, als sie nachgebildet werden und daher sind sie für uns nicht regenerativ. Es hat mehrere Millionen Jahre gedauert, bis Öl, Gas und Kohle entstanden sind. Die Menschen verheizen dieses Gut in einer - im Vergleich dazu - minimalen Zeit.

Weitere Informationen unter "Ausblicke".

Hinweis:
Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) stellt eine Vielzahl von Broschüren bereit, welche sich mit den erneuerbaren Energien (EE) beschäftigen. Zwei davon sollen besonders hervorgehoben werden:

http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/ee_de_gesamt.pdf (ca. 7 MB)

Funktion eines Solarkollektors

Idealvorstellung des Energieflusses

Im Sonnenkollektor wird die mit dem Sonnenlicht ankommende Energie an der schwarzen Oberfläche des Absorbers in Wärmeenergie umgewandelt, diese Wärmeenergie an der Oberfläche wird durch das Material des Flüssigkeitsrohres in die Wärmeträgerflüssigkeit geleitet und mit dieser in den Wärmespeicher transportiert.

Verluste und ihre Verminderung

1. Verlust in der Atmosphäre
Außerhalb der Atmosphäre ist die Bestrahlungsstärke bei jedem Sonnenstand h (h ist ein Winkel) gleich der Solarkonstanten S0 = 1360 W/m². Am Boden ist die Bestrahlungsstärke B bei senkrechter Einstrahlung (h = 90°) und klarem Wetter etwa 1000 W/m² und nimmt mit sinkendem Sonnenstand h ab, da die Bestrahlungsstärke B mit der Länge l des Wegs durch die Atmosphäre abnimmt.

Für München ergibt die zugehörige Rechnung, die erst in der 10. Klasse möglich ist, folgende maximale Bestrahlungsstärken am Mittag:

  • Höchster Sonnenstand am 21.Juni: 970 W/m²
  • Tag und Nachtgleiche am 21.März und 23 September: 850 W/m²
  • Tiefster Sonnenstand am 21. Dezember: 500 W/m²

2. Verlust durch Reflexion an der Oberfläche (Glasabdeckung)
Je geringer der Neigungswinkel (Winkel zwischen einfallendem Strahl und Oberfläche) um so größer ist der Anteil der an einer Glasscheibe reflektierten Strahlung und um so geringer ist der Anteil der in die Glasscheibe eindringenden Strahlung. Dieser Zusammenhang, den jeder gut beobachten kann, wenn er flach gegen eine Glasscheibe sieht, lässt sich mit der sogenannten Fresnelschen Gleichung berechnen und ist rechts angetragen.

3. Verlust durch Verringerung der effektiven Fläche
Durch die Verringerung der effektiven Fläche auf Grund schrägen Einfalls wird die Strahlungsleistung geringer.
Für die effektive Fläche beim Einfallswinkel φ gilt:

Aeff = A·cosφ .

4. Verlust durch Reflexion
Um die Verluste durch Reflexion möglichst gering zu halten, werden spezielle schwarze Beschichtungen der Oberfläche verwendet, die nur einen ganz geringen Teil des Lichts reflektieren. Vorgelagerte Glasscheiben müssen für das ankommende Licht gut durchlässig sein.
5. Verlust durch Abstrahlung
Jeder warme Körper strahlt im infraroten Bereich Energie ab. Die Abstrahlung ist um so größer, je heißer der Körper ist, die Strahlungsmenge hängt auch von der Oberflächenbeschaffenheit und Farbe des Körpers ab. Man hält diese Verluste gering, indem man den Absorber durch Glasscheiben abdeckt, die zwar das sichtbare Licht (nach innen) durchlassen, die infrarote Strahlung (nach außen) aber zurückhalten. Auch richtige Oberflächenbehandlung des Absorbers hilft Verluste reduzieren.
6. Verlust durch Wärmeleitung an die Umgebung
Jeder Stoff leitet Wärme. Die Wärmeenergie wird dabei in Form von Schwingungsenergie vom heißeren Ort zum kühleren Ort transportiert. Manche Stoffe leiten die Wärme schneller (großer k-Wert), wie Metalle, andere leiten die Wärme langsamer (kleiner k-Wert), sogenannte Isolierstoffe, wie Schaumstoffe und Vakuum leitet die Wärme gar nicht. Deshalb werden alle wärmeführenden Rohre und der Wärmespeicher mit Isolierstoffen oder Vakuum umgeben.
7. Verlust durch Wärmeströmung (Konvektion)
Insbesondere die den Absorber umgebende beziehungsweise vorbeistreifende Luft wird warm und trägt die Wärmeenergie weg. Dies verhindert man, indem man den Absorber mit Glas abdeckt oder gar mit Vakuum umgibt.

Arten von Solarkollektoren

Schwimmbadabsorber (unabgedeckte einfache Absorber)
werden in den meist zur Erwärmung des Badewassers in Freibädern eingesetzt. Das Badewasser wird durch schwarze Kunststoffschläuche (Absorber) gepumpt, erwärmt sich dabei unter Sonneneinstrahlung und fließt in das Becken zurück. Da die Temperaturdifferenzen zwischen Absorber und Umgebungstemperatur gering sind, sind auch die Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung minimal. So kann auf eine Glasabdeckung und eine Isolierung verzichtet werden.
Flachkollektoren
bestehen aus dem Absorber, einer transparente Abdeckung, einem Gehäuse und der Wärmedämmung. Als Abdeckung dient meistens eisenarmes Solarsicherheitsglas, das sichtbares Licht gut durchlässt, gleichzeitig aber die vom Absorber ausgehende Wärmeabstrahlung zurückhält und Wärmeentzug durch vorbeistreichende kältere Luft (Konvektion) verhindert. Außerdem schützt sie zusammen mit dem Gehäuse den Absorber vor Witterungseinflüssen. Das Gehäuse besteht meist aus Aluminium, verzinktem Stahlblech und manchmal aus glasverstärkter Kunststoff. Die Wärmedämmung auf der Rückseite und an den Seitenwänden vermindert Wärmeverluste durch Wärmeleitung.
Vakuum-Röhrenkollektor
haben die Absorberstreifen in einer evakuierten, druckfesten Glasröhre. Die Wärmeflüssigkeit durchströmt den Absorber direkt in einem U-Rohr oder im Gegenstrom in einem Rohr-im-Rohr-System. Beim Heat-Pipe-Röhrenkollektor befindet sich eine bei geringen Temperaturen verdampfende Flüssigkeit in einem Wärmerohr. Bei Erhitzung verdampft die Flüssigkeit und steigt in dem geneigten Wärmerohr auf und gibt die aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher an die das Sammelrohr durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit ab. Die kondensierte Flüssigkeit fließt anschließend wieder an das Rohrende zurück. Der Wärmetauscher ragt entweder in die das Sammelrohr hinein ("nasse Anbindung") oder er ist wärmeleitend mit dem Sammelrohr verbunden ("trockene" Anbindung). Die "trockene" Anbindung ermöglicht den Austausch einzelner Röhren ohne ein Entleeren des gesamten Solarkreises.
Speicherkollektoren
funktionieren ähnlich wie Flachbettkollektoren, allerdings wird die Wärme nicht über Rohre in den Wärmespeichertank geleitet, sondern dieser befindet sich direkt hinter der Glasabdeckung. Absorber und Speicher sind also vereint. Eine Reflexionsschicht auf der Innenseite der Isolierung bewirkt, dass auch von dort das Licht mit einem Hohlspiegeleffekt direkt auf die Absorberoberfläche des Flüssigkeitstanks trifft.
Luftkollektoren
sind ähnlich aufgebaut wie Flachkollektoren, jedoch strömt Luft durch den Absorber. Dieser besteht aus vielen parallelen Kanälen. Die Luftströmung führt die Solarwärme direkt zu ihrem Einsatzort, wo sie direkt angenehme Wärme liefert. Luftkollektoren eignen sich überall dort, wo warme Luft benötigt wird. Luft hat zwar wesentlich geringere Wärmekapazität als Wasser, andererseits benötigt man bei diesem Kollektortyp keinen zusätzlichen Wärmetauscher.
Welcher Kollektortyp der beste ist, hängt von der Verwendung ab, insbesondere ist der Wirkungsgrad sehr stark abhängig von der Eingestrahlten Leistung in W/m² und der Temperaturdifferenz zwischen Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur. Eine typische Kennlinie für den Wirkungsgrad wird rechts gezeigt.
Die optischen Verluste werden durch den Konversionsfaktor (Quotient aus aufgenommener durch eingestrahlte Leistung), er setzt sich aus der Durchlässigkeit des Abdeckglases und dem Absorptionsgrad der Oberfläche zusammen. Gut ist ein hoher Konversionsfaktor.
Die thermischen Verluste werden durch den thermischen Verlustfaktor oder k-Wert des Kollektors charakterisiert. Er gibt den Energieverlust in W pro m² Kollektorfläche und °C Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebung an. Gut ist ein geringer k-Wert.

Kollektortyp

Konversionsfaktor

Thermischer Verlustfaktor in W/m² °C

Temperaturbereich in °C

Absorber (unabgedeckt)

0,82 bis 0,97

10 bis 30

bis 40

Flachkollektor

0,66 bis 0,83

2,9 bis 5,3

20 bis 80

Vakuum-Flachkollektor

0,81 bis 0,83

2,6 bis 4,3

20 bis 120

Vakuum-Röhrenkollektor

0,62 bis 0,84

0,7 bis 2,0

50 bis 120

Speicherkollektor

etwa 0,55

etwa 2,4

20 bis 70

Luftkollektor

0,75 bis 0,90

8 bis 30

20 bis 50

Quelle: Der Solarserver
Aus obigem ergibt sich dann, welchen Aufwand man beim Einsatz des Kollektors betreiben muss.
So genügen zur Schwimmbaderwärmung einfache Absorber, da bei diesen die optischen Verluste am geringsten sind und die thermischen Verluste wegen der geringen Temperaturunterschiede noch unerheblich sind. Zur Brauchwassererwärmung sind einfache Flachkollektoren am wirtschaftlichsten. Will man dagegen einen großen Temperaturunterschied erreichen, um beispielsweise über eine Turbine mit dieser Prozesswärme Strom zu erzeugen, so sind Vakuumkollektoren sinnvoll.

Einbau - Brauchwassererwärmung mit Kollektor

Der Sonnenkollektor erwärmt bei Sonneneinstrahlung das Brauchwasser im Speicher und entlastet dadurch den Heizkessel, der dies erledigt, wenn die Sonne nicht scheint.

Ein Einfamilienhaus besitzt einen Flachkollektor mit 9 m² Fläche und einen Wasserspeicher mit 300 Liter Fassungsvermögen. Wie lang muss die Sonne mit einer Leistung von 800 W/m² scheinen, damit bei einem mittleren Wirkungsgrad von 50% sich das Wasser um 50° erwärmt.
cW = 4,2 kJ/kg·°C

Die Detailseiten über die Funktion der Solarzellen erfordern Grundkenntnisse über den Aufbau von Halbleitern, die in der Regel noch nicht zur Verfügung stehen. Wir haben diese Seiten trotzdem z.B. für Elektronik-Bastler, welche sich vielleicht schon mit dieser Thematik beschäftigt haben, aufgenommen. Die Themen
  • Funktion einer Solarzelle
  • Arten von Solarzellen
  • Kennlinie einer Solarzelle
  • Solarmodule
  • Einsatz und Wirtschaftlichkeit
werden im Themenbereich Halbleiter beschrieben

> Silizium Solarzellen

Solarturm - Kraftwerk

Beim Solarturmkraftwerk werden viele (über tausend) an zwei Achsen bewegliche Spiegel (Heliostate) fortlaufend so gesteuert, dass sie das auf sie treffende Sonnenlicht zur Turmspitze reflektieren. Dort sitzt der Receiver, in dem die Sonnenstrahlen von einem Trägermedium absorbiert werden. Die erwärmte Flüssigkeit wird zum Teil bis 1000° C erhitzt und zum Verdampfen gebracht. Dieser Dampf treibt die im Turm gelegenen Turbinen an und erzeugt so Strom.
Das nebenstehend dargestellte 10 MW - Solarturm-Kraftwerk "Solar One" in Barstow/Karlifornien besteht aus 1818 Heliostaten mit je einer Fläche von 39,3 m², die das Licht auf den 91m hohen Turm konzentrieren.
Solarturm-Kraftwerke arbeiten allerdings erst ab Leistungen über 30 MW wirtschaftlich.

Aufgabe:
Welchen Wirkungsgrad hat das oben dargestellte Solarturmkraftwerk, wenn bei eingestrahlter Sonnenleistung von 800 W/m² eine elektrische Leistung von 10 MW herauskommt. [Lösung: 17%]

Sonnenofen von Odeillo

Mehrere Spiegel konzentrieren die Sonnenstrahlung punktgenau in einem Absorber, der sich im Brenpunkt eines riesigen Hohlspiegels befindet. Die dabei erzeugte Temperatur kann bis zu 4000°C betragen. Das verdampfte Medium treibt mittels einer turbine einen Generator an.

 

 

Der "Sonnenofen" von Odeillo, der seit 1972 in den französischen Pyrenäen zu Forschungszwecken betrieben wird hat 63 Fangspiegel, die das Sonnenlicht auf den 2000 m² großen Hohlspiegel reflektieren, der dann die Strahlung auf den 625 cm² großen Absorber konzentriert. Die Gesamtfläche der Fangspiegel beträgt 2835 m².

Parabolrinnenkraftwerk

Beim Parabolrinnenkraftwerk befindet sich ein Rohr mit einer Wärmeträgerflüssigkeit in der Brennlinie eines zylinderförmigen Parrabolspiegels, der mit einer Achse der Sonne so nachgeführt wird, dass das Sonnenlicht immer aufs Wärmeträgerrohr gebündelt wird. Infolge der konzentrierten Sonneneinstrahlung erhitzt sich das Wärmeträger-Medium bis auf etwa 400°C. Die einzelnen Rinnenkollektoren sind durch Sammelleitungen verbunden, die das Absorber-Medium einem Wärmetauscher zuführen, in dem Wasser verdampft wird.

Dieser Dampf treibt wie bei einem herköömlichen Wärmekraftwerk eine Turbine, die einen Generator antreibt.
In der kalifornischen Wüste sind mehrere Parabolrinnen-Kraftwerke mit Leistungen zwischen 30 und 80 kW installiert. Der Flächenbedarf eines Parabolrinnen-Kraftwerks liegt zwischen 40-80 m2/kW. Beim rechts abgebildeten Parabolrinnen-Kraftwerk dürfte die bebaute Fläche ca. 200 Hektar betragen.
Aufgabe:
Lies diesen Artikel der Süddeutschen Zeitung vom 25.09.03 durch und beantworte die am Ende gestellten Fragen.

Parabolspiegelkraftwerk

Bei Parabolspiegel-Anlagen werden Hohlspiegel von z.T. einigen Metern Durchmesser der Sonne nachgeführt. Die auftreffenden Strahlen werden auf einen im Brennpunkt montierten Stirling-Motor gelenkt. Der Stirling-Motor wandelt die Wärmeenergie direkt in mechanische Arbeit.
Diese Kleinkraftwerke können als Einzelanlage für eine dezentrale Energieversorgung oder im Verbund mit mehreren genutzt werden.
Einzelanlagen mit einer Leistung von 10kW bis 50kW haben Spiegeldurchmesser zwischen 10m bis 17m.
Eine Animation des Funktionsprinzips des Stirlingmotors gibt es bei Klaus Wetzstein (nur für besonders weit Fortgeschrittene).

Aufwindturm - Kraftwerk

Beim Aufwindkraftwerk heizt man die Luft unter einer großen Glasfläche durch die Sonne stark auf. Die warme Luft wird durch entsprechende Fromgebung dem langen Kamin zugeführt und steigt dort auf und bringt eine darin befindliche Trurbine zum drehen, die Seinerseits einen Generator antreibt.

Bisher ist nur das Aufwindkraftwerk in Manzanares (südlich von Madrid) realisiert. Es hat einen Durchmesser des Glasdachs von 240 m. Der Kamin ist 195 m hoch.

Weitere Seiten zum Thema, die teilweise hier verwendet wurden:

Laufwasserkraftwerk
Speicherkraftwerk
Pumpspeicherkraftwerk
Gezeiten-Kraftwerk


Unter dem Reiter Ausblicke finden sie Einige Daten zur Energie aus dem Wasser

Das nebenstehende Bild zeigt, durch welche Kraftwerkstypen in der Schweiz der Bedarf an elektrischer Leistung abgedeckt wird:

Die sogenannten Grundlast wird durch Kraftwerke gedeckt, die wirtschaftlich nur im Dauerbetrieb arbeiten können (Kernkraftwerke, thermische Kraftwerke betrieben mit Öl, Kohl oder Gas und Laufwasserkraftwerke). Die Spitzenlast, die tagsüber auftritt, wird durch die leichter ein- und ausschaltbaren Speicherkraftwerke abgedeckt.

Hinweis: In der BRD ist die Lastverteilung etwas verschieden von der Schweiz, da nicht so viele Speicherkraftwerke zur Verfügung stehen.

Bild von VPE Schweiz

Unter Geschichte findet ihr einen Abriß über der Nutzung der "Wasserkraft"

Unter Ausblicke findet ihr etwas über Wasserräder und etwas über Turbinen

Hinweis: Unter der Adresse http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB107-002.htm bekommst du sehr ausführliche Informationen, die noch weit über die Nutzung der Wasserkraft hinausgehen.


Animationen sind aus der schönen Windenergie-Seite von Prof. Dörner

Unter Geschichte findet ihr einen kurzen Abriß der Windenergie-Nutzung

Moderne Windkraftanlagen

Bei den modernen Windenergieanlagen unterscheidet man auch wieder Anlagen mit Vertikal- bzw. Horizontalachse.

Vertikalachsen-Konverter

Die Geräte mit Vertikalachse haben den Vorteil, dass sie auch bei stark wechselnden Windrichtungen noch eingesetzt werden können. Sie haben jedoch den Nachteil, dass die windnutzenden Flächen auf der rücklaufenden Seite gegen den Wind zurückgeführt werden müssen.
Die Geräte mit vertikaler Achse laufen meist nicht von selbst an, d.h. man braucht Fremdenergie zur Betriebsaufnahme.


Darrieus-Rotor

 


H-Rotor

Horizontalachsen-Konverter
Der Horizontalachsen-Schnellläufer mit zwei oder drei Rotorblättern hat sich inzwischen weitgehend durchgesetzt. Er ist das wirtschaftlichste System zur Wandlung von Windenergie in elektrische Energie. Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau der Gondel einer solchen Anlage:

  • Anemometer: Das Windrädchen auf der rechten Seite misst die Windgeschwindigkeit und gibt diese Information an einen Regler weiter. Dieser schaltet die Anlage an, wenn die Windgeschwindigkeit hoch genug ist und schaltet die Anlage aus, wenn die Windgeschwindigkeit zu hoch (> 25 m/s) ist, um eine Zerstörung des Konverters zu vermeiden.
  • Rotor: Die großen Windkraftanlagen haben meist drei Rotorblätter. Die Länge der Rotorblätter variiert je nach Anlagentyp. Bei den größten Anlagen können sie 39 Meter lang sein. Das ist so hoch wie ein 13-stöckiges Gebäude.
  • Getriebe: Die relativ langsame Umdrehung des Rotors (typischer Wert: 22 Umdrehungen/Minute) wird durch das Getriebe in eine schnellere, für den Generator geeignete Drehzahl (1500 Um./Min.) umgewandelt.
  • Generator: Ähnlich wie ein Dynamo wandelt er die Rotationsenergie in elektrische Energie um.
  • Windfahne: Sie stellt sich immer in den Wind. Sie gibt dem Regler die Information über die Windrichtung. Der Regler veranlasst bei Änderung der Windrichtung, die Nachführung des Rotors.
  • Bremssystem: Zur Abbremsung des Rotors verschlechtert man die Aerodynamik der Rotorblätter, indem man z.B. die Spitze der Blätter verdreht. Für Notfälle hat man noch eine mechanische Bremse (vgl. Bild) zur Verfügung.
  • Leistungsanpassung: Eine Anlage ist für eine bestimmte Windgeschwindigkeit z.B. 15 m/s optimal ausgelegt. Wird der Wind zu stark, muss die Leistungsaufnahme begrenzt werden. Dies geschieht durch eine Verdrehung der Rotorblätter oder durch eine besondere Formgebung der Rotorblätter. Im letzteren Fall verändert sich bei hohen Windgeschwindigkeiten die Luftströmung um die Blätter zu einer turbulenten Strömung, so dass der Antrieb des Rotors nicht mehr optimal ist.

Wenn Du mehr über Winkonverter wissen willst, so erfährst sehr viel und altersgemäß aufbereitet unter der Adresse: http://igwindkraft.at/kinder/index.php

Die technische Entwicklung der Windkonverter hat in jüngster Zeit große Fortschritte gemacht. Wie man sich durch Abschätzungen überlegen kann, beträgt der optimale Wirkungsgrad (Verhältnis von Rotationsenergie des Rotors : Windenergie) einer Windenergieanlage ca. 60%. Die folgende Tabelle zeigt, wie die Entwicklung der Windräder sich langsam diesem optimalen Wirkungsgrad annähert.

Typ

Rotor-
durchmesser

typische
Drehzahl / s

typische
Leistung

Wirkungs-
grad

historische
Windmühle

< 10m

0,5

5 kW

15%

moderner
Vertikalachs-Konverter

< 10m

1

1-10 kW

35%

moderner
Vielblattkonverter

< 10m

1

1-50 kW

40%

moderner
2-3-Blatt Konverter

< 100m

0,3 - 2

kW - MW

46%

Leistungsbetrachtung am Windrad

Unter den regenerativen Energiequellen hat die Windenergie in Deutschland den stärksten Zuwachs in der Nutzung. Auch im weltweiten Vergleich der installierten Kapazitäten steht Deutschland vor den USA an erster Stelle.

In Windparks mit leistungsfähigen Anlagen kann inzwischen die kWh Strom zu einem Preis von knapp 6 Eurocents produziert werden.

Unter Ausblicke findet ihr, wo es in Deutschland ausreichend Wind gibt

Im Jahre 2005 betrug der Beitrag der erneuerbaren Energien am Primärenergiebedarf der BRD ca. 4,7%. Bei den erneuerbaren Energien war der Anteil der Geothermie etwa 0,9% (siehe hierzu die Statistiken über erneuerbare Energien). Dies bedeutet, dass in der BRD die Geothermie noch eine sehr untergeordnete Bedeutung bei der Energieversorgung hat. Andererseits müssen wir jeden auch noch so kleinen Energiebeitrag nutzen, der nicht mit der Emission von Schadstoffen unser Klima belastet.
Es gibt Länder (z.B. Island) bei denen die geologischen Voraussetzungen zur Nutzung der Geothermie besser sind als in Deutschland. Weil aber gerade in Bayern (und hier insbesondere in München) in jüngster Zeit erfolgversprechende Versuche unternommen wurden die Geothermie zu nutzen, soll auf dieses Thema knapp eingegangen werden.

Woher kommt die Erdwärme?
Man glaubt heute, dass die Erdwärme drei Ursachen hat:

  • Die wichtigste Ursache dürfte der Zerfall radioaktiver Elemente (wie z.B. des Uran) sein, die sich vornehmlich in der Erdkruste befinden. Beim Zerfall entstehen u.a. Teilchen mit hoher Bewegungsenergie, die in der umgebenden Materie abgebremst werden und diese erwärmen.
  • Ein Teil der Erdwärme ist wohl durch den Aufprall kosmischen Materials in der Erdfrühzeit bedingt. Auch hier wurde Bewegungsenergie größtenteils in Wärme umgewandelt.
  • Den dritten Anteil führt man auf die sogenannte "Ursprungswärme" zurück: Bei der Bildung eines Planeten wird immer mehr Masse angesammelt, die sich aufgrund der Gravitationskräfte gegenseitig anzieht. Aufgrund des dadurch entstehenden hohen Drucks im Erdinneren erwärmt sich der Erdkern.
Temperaturen im Erdinneren
Im Durchschnitt nimmt die Temperatur auf 100 Meter Tiefe um drei Grad Celsius zu. Abweichungen vom Mittelwert sind durch die lokal unterschiedlichen Verhältnisse beim Aufbau der Erdkruste bedingt.
An einigen Stellen der Erde erreicht die Temperatur in 30 bis 40 Kilometern Tiefe 1000°C. Von der Obergrenze des Erdmantels bis zu seiner Untergrenze in 2900 Metern Tiefe reichen die Temperaturen von etwa 1000°C bis 2500°C.

Oberflächennahe Geothermie
Die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche in Bayern beträgt nur ca. 7 – 12°C. Dieser Temperaturbereich bietet dennoch viele Möglichkeiten zur Bereitstellung von Wärmeenergie und "Klimakälte" für Einfamilienhäuser, Wohnsiedlungen, öffentliche Gebäude und gewerbliche Betriebe. Mittels Erdwärmesonden (vertikale oder schräge Bohrungen oder horizontal und oberflächennah ins Erdreich eingebrachte Systeme). Meist kommen Wärmepumpen zum Einsatz, um Heiz-Anwendungen für Gebäude zu realisieren. Mit Erdwärme kann im Sommer auch gekühlt werden.

Nähere Informationen:


Tiefe Geothermie
Bei Tiefenbohrungen in Zonen der Erdkruste, wo aufgrund geologischer Besonderheiten sehr heißes Wasser gefunden wird, kann dieses direkt für die Heizung von Häusern oder aber auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Auch die Anwendung in Thermalbädern (balneologische Nutzung) spielt im Gesundheitswesen eine gewisse Rolle.

Die nebenstehende Karte gibt einen Überblick über die Nutzung von Thermalwasser in Bayern.

 

Eine sehr schöne und ausführliche Darstellung der Nutzung der Geothermie in und um München bieten die Stadtwerke auf der folgenden Seite an. Von dieser Seite aus kann man auch eine Animation zur Geothermie starten.

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