Erneuerbare Energien, kurz EE

Synonyme: Alternative, Regenerative, Nachhaltige Energien

Definition: EE steht für Schonung von fossilen Ressourcen und/oder Uranvorräten, CO2-neutral (klimaneutral), erneuerbar steht für unerschöpflich, da die Quellen der EE (Sonne, Geothermie und Gezeiten) in menschlichen Dimensionen nicht versiegen (konstante Leistung), bessere Bezeichnung als erneuerbar wäre alternativ, da die verbrauchten Joule sich nicht wieder erneuern.

Energiebegriffe und Richtwerte Primärenergie: Energie in ursprünglicher, technisch noch nicht aufbereiteter Form: Kohle,

Rohöl, Naturgas, Uran, Thorium, Solarstrahlung, Wind, Holz, Biomasse Endendenergie: ist jene Energie, wie sie dem Verbraucher zugeführt wird bzw. was der

Verbraucher einsetzt: Erdgas, Benzin, Diesel, Heizöl, Elektrizität, Fernwärme Nutzenergie: ist jener Anteil der Endenergie, den der Verbraucher letztendlich nutzt:

Mechanische Arbeit (Bewegung), Wärme, Licht

Vgl. Energieflussbild Österreich (Austrian Energy Agency, kurz EA)

ϕa…Strahlungsenergie der Sonne pro Jahr an der Atmosphärengrenze: 5.500.000 EJPEB…PrimärEnergieBedarf weltweit: 500 EJ (Stand 2010)BIV…BruttoInlandsVerbrauch Österreich: 1664 PJ (Stand 2005) bzw. 1400PJ (Stand 2009)EEV…EndEnergieVerbrauch Österreich: 1104 PJ (Stand 2005) bzw. 1000PJ (Stand 2009)

Zwischen BIV und EEV liegen die Transport – und Umwandlungsverluste, sowie Abgänge durch Export und Verbräuche der Rohstoffe für nicht energetische Zwecke (Kunststoffe, Kosmetika,…).

Die Elektrische Energie in Österreich (laut Umweltbundesamt, Stand 2010) entsteht zu 58% aus Wasserkraft, zu knapp 3% aus Wind, PV und Geothermie und den Rest bilden Wärmekraftanlagen (fossile und biogene Brennstoffe wie Holz aber auch Biotreibstoffe u.ä.),

wobei die elektrische Kraftwerksleistung von 21 GW durch 13 GW Wasser, 1 GW Wind, PV und Geothermie und 7 GW Wärmekraft erzeugt wird.

Energieträgermix des energetischen Endverbrauchs in TJ

kohle Öl erdgas elektr. energie Fern- wärme erneuer- bare Gesamt

1995 35.615 364.910 144.612 166.123 35.515 98.052 844.827

2000 37.026 401.516 170.151 183.336 42.699 109.176 943.904

2005 24.330 495.821 203.767 207.768 56.644 136.760 1.125.089

2006 26.780 472.556 189.364 215.601 55.378 143.472 1.103.152

2007 24.026 458.375 178.031 219.051 55.724 153.300 1.088.507

2008 23.377 448.092 188.131 216.087 60.298 165.772 1.101.758

2009 21.847 422.506 175.227 208.367 63.549 165.777 1.057.271

Übung 0: die Lösungen basieren auf dem Datenmaterial aus dem Jahre 2005!

Bestimme aus dem Energierflussbild den Anteil der Wasserkraft (inklusive Wind und PV) am Endenergieeinsatz des Energieträgers Elektrische Energie (Lösung: 49%)

In welchem Sektor bestehen prozentuell die größten Umwandlungsverluste von Endenergie zur Nutzenergie? (Lösung: Beleuchtung 90%)

Bestimme den Anteil EE (inklusive Wasser und PV) einerseits bei der Erzeugung von Elektrischer Energie (Lösung: 53%) und andererseits relativ zum Gesamtendenergiebedarf EEV (Lösung: 30%).

Bemerkung: Das Ziel wäre bis zum Jahre 2020 einen Anteil von 35% zu erreichen.

Formen der EE und Volllaststunden

Wasserkraft 2200h (Werte aus Deutschland 2011)

Biomasse

Windenergie 1700h

Geothermie 8500h

Photovoltaik 800h

Solarthermie 800h

Ea=PN . tVOLL mit Ea … Jahresertrag PN … Nennleistung der Anlage tVOLL …Volllaststunden

WasserkraftPotenzial weltweit:

Theoretisch: 5 TWa (Terrawattjahren) Wirtschaftlich: 20 MioGWh (Millionen Gigawattstunden), etwa 14% vom PEB weltweit

Kraftwerkstypen: Laufkraftwerk (Donau), Speicherkraftwerk (Silvretta), Pumpspeicherkraftwerk (KopsII) und ihre unterschiedlichen Stromgestehungskosten:

Altenwörth/Donau: PN= 9x39 MW Ea=1,97 Mio.MWh C0=1053Mio.EUR 1,7 Cent/kWh Illspitz: PN=7,2 MW Ea=28,5 Mio.kWh C0= 35 Mio.EUR 40,6Cent/kWh Kops II PN=3x175 MW Ea=620 Mio.kWh C0=400 Mio.EUR CSTR=?

Übung 1: Berechne die Stromgestehungskosten für Kops II unter den Annahmen: n=80 Jahre i=3% (Lösung: 2,1 Cent/kWh)

CSTR=AEa

…Stromgestehungskosten A=C0 .qn. iqn−1

…Annuität

n…Laufzeit q=1+i… Auf /Abzinsungsfaktor C0…Errichtungskosten Ea…Jahresstromproduktion

Hydraulischer Kurzschluss: rasches Reagieren auf Lastwechsel möglich (PRL innerhalb von 30s)

Turbinentypen: Kaplan (Achsial-), Francis (Radial-), Pelton (Tangenzialströmung) abhängig von Fallhöhe und Wasserangebot und Regelbarkeit (Wirkungsgrad bei Teillast)

Neuere Formen:

Gezeitenkraftwerke, die den Tidenhub und/oder die Meeresströmung nutzen: z.B.: La Rance, Bretagne mit Tidenhub von 8m, seaGen (Vorgänger: SeaFlow)

Wellenkraftwerke, die Wellenenergie in Windenergie umwandeln (Mutriku, Spanien) oder den Wellenhub direkt nutzen (Seeschlange)

Francis Turbine läuft 100%, obwohl nur 2/3 davon zum Pumpen genutzt werden (1/3 läuft im Kreis bzw. erzeugt elektrische Energie). Das bringt u.a. Primärregelleistung.

BiomassePrimärbiomasse: Holz, Raps, Getreide und Algen

Potenzial: Mitteleuropäischer Wald: 8 t/ha bzw. am Feld: 35 t/a

Die Energiepflanze nützt die Biomasse direkt, d.h. ohne stoffliche Nutzung zuvor:

Ölpflanzen: Raps, Sonnenblume Zuckerpflanze: Zuckerrübe Stärkepflanze: Kartoffel, Getreide, Mais Lignozellulosepflanze: Holz, Futtergräser

Definition: zur Biomasse zählt man die in der Natur lebende / abgestorbene Pflanzen – und Tierwelt bzw. die daraus resultierenden Rückstände (Bioabfälle, Exkremente, Klärschlamm), wie auch das durch bakterielle Umsetzungsprozesse entstehende Biogas.

Torf ist auf Grund seiner Regenerationsdauer (1000a) ein Streitpunkt, fossile Rohstoffe sind definitiv keine Biomasse, obwohl biologischen Ursprungs (Kohlenstoffverbindungen).

Der Energieinhalt der Biomasse geht auf die Photosynthese der Pflanzen zurück, wobei 0,1% der Strahlungsenergie von der Pflanze in chemische Energie (Zucker) umgewandelt wird.

Nutzung der Biomasse:

Nahrung, Futter, Dünger Baustoff, Kleidung Wärme: heizen, kochen (1 rm: 1500-2000 KWh) Elektrizität (durch Biomasse wird Regelenergie angeboten) Biogas Treibstoffe:

o Raps: Biodiesel (25% nutzbar) durch Pressungo Getreide: Bioethanol (23% nutzbar) durch Gärungo Mais: Biogas (80% nutzbar) durch Anaeroben Prozess

Folgende Verfahren stehen zur energetischen Nutzung zur Verfügung:

Verbrennung: erfolgt in 4 Schritten (Thermo-Chemische Umsetzung) Vergasung: unter Luftabschluss (Lambda<1) Fermentation (Gärungsprozess): unter Sauerstoffabschluss Raffination (Pressung):

Übung 2:

Wodurch erhält die Biomasse ihren Energieinhalt? (Lösung: Reduktion von CO2 zu Kohlenstoffverbindungen; welche bei einer exothermen Verbrennung Wärmeenergie freisetzen)

Was bezeichnet man als Dunkelreaktion der Pflanze? (Lösung: es gibt lichtunabhängige Reaktionen im Zuge der Photosynthese)

WindenergieDurch die unterschiedlichen Temperatur – und/oder Druckgebieten auf der Erde entstehen ausgleichende Luftströmungen (Winde). Großräumige Luftströmungen sowie die Passat- und Monsunwinde werden durch die Erdrotation und die Land/Meer-Verteilung beeinflusst. Lokale Winde unterliegen den Auswirkungen der Bodenrauigkeit (Hellmann´scher Höhenkoeffizient α ).

Funktionsweise: die Rotorblätter (meist 3 Flügel) haben eine ähnliche Form wie Tragflügel. Die vektorielle Geschwindigkeitszusammensetzung aus Wind - und Umfangsgeschwindigkeit umströmen das Blatt derart, dass es eine Auftriebskraft gibt, die wiederum in eine Schub – und eine Tangenzialkraft (Drehmoment) zerlegt werden kann.

Potenzial:

Theoretisch: 350 TW Technisch erst ab 4-5 m/s (cut in): für eine Potenzialabschätzung ist die Windgeschwindigkeit

in Nabenhöhe von Interesse (Weibull Verteilung mit zwei Paramtern)

Leistungsdichte: PA

=ϱ2. v3

Theoretisch: nach Petz: maximal 59% Praktisch: mit Leistungsbeiwert cP: etwa 45% Tatsächlich: nach Abzug weiterer Umwandlungsverluste: etwa 25-30%

Jahresertrag: ergibt sich, wenn man die Windgeschwindigkeitsverteilung – Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer gewissen Geschwindigkeit über ein Jahr gesehen – kennt:

Ea=∑i=0

n

8760h . p i ( v ) . Pi(v ) mit pi (v )… Anteil am Gesamten in % und Pi(v) … Leistung in kW

Schnelllaufzahl: λ=UmfangsgeschwindigkeitWindgeschwindigkeit

λ<1: Widerstandsläufer λ<6 : Langsamläufer 6< λ<18 : Schnellläufer

Regelung: ab der Nenngeschwindigkeit muss die Leistung konstant gehalten werden

Stall: Leistungsbegrenzung durch Strömungsabriss (Turbulenzen) Pitch: aktive Verstellung der Rotorblätter

Damit der Generator ins Netz einspeisen kann, muss Spannung und Frequenz passen. Die Regelung erfolgt über eine Getriebe und / oder moderner Leistungselektronik (Gleichstromzwischenkreis).

Überschreitet die Windgeschwindigkeit die CutOff-Geschwindigkeit, so wird die Anlage in den Wind gestellt und /oder die Blätter in Fahnenstellung (Pitchen).

Übung3: Berechne den jährlichen Ertrag in kWh / m2 für folgende Windgeschwindigkeitsverteilung:

[v] m/s 0 1 2 3 4 5 6 7 8pi (v ) 0% 15% 24% 23% 18% 11% 5% 2% 1%

und stelle den (kumulierten) Verlauf der Energie graphisch dar. Interpretiere die Ergebnisse.

GeothermieDie Wärme im Erdinneren stammt zum einen noch aus ihrer Entstehungszeit (schlechte Wärmeleitfähigkeit) und zum anderen durch den Zerfall natürlicher radioaktiver Isotope. Obwohl 99% heißer als 1000°C sind, liegt der weltweite Anteil der Geothermie nur im Promille-Bereich.

Potenzial

Theoretisch: 10-12 1030 J (200°C heißes Gestein von 1km3 könnte bei einer Abkühlung um 100°C rund 30 MW über 30 Jahre liefern)

Praktisch: nur die oberen 10 km der Erdkruste sind technisch zugänglich (3 °C pro 100 m)

Vorkommen:

Thermalwasserfelder: warmes Wasser unter 100 °C Nassdampffelder (Geysire): Wasser-Dampf Gemisch Heißdampffelder: liefern trockenen, häufig überhitzten Dampf (125 bis 245 °C), Aquifer High Dry Rock Systems: heißes Gestein dient als Wärmequelle

Ökologie: CO2-frei, geringe bauliche Maßnahmen (v.a. unter der Erde)

Ökonomie: verschiedene Risiken sind abzuwägen (vgl. Machbarkeitsstudie Sankt Gallen, CH). Geothermie dient durch ihr stetiges, gleichmäßiges Energieangebot als ökologische Alternative Grundlast zu erzeugen. Dampf ab 4 bar mit einer Temperatur ab 170 °C eignet sich zur Elektrizitätserzeugung (meist KWK). Übung 4: Schätze die elektrische Leistung ab, falls die Fördermenge mit 50 L / s angenommen wird. Welchen Einfluss nimmt der Druck ein?

Hydrothermales System (Sankt Gallen, CH) Petrothermales System (Basel, CH)

Bei der Methode des Hydrothermalen Systems stammt die Energie aus dem heißen Wasser, das von tiefliegenden Gesteinsschichten (Aquiferen) geführt wird. Beim HDR – High Dry Rock - System hingegen, wird die Wärme über einen künstlich geschaffenen unterirdischen Wärmetauscher gefördert, da bei dieser Methode im Untergrund kein Wasser vorhanden ist.

PhotovoltaikDie direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität beruht auf dem photovoltaischen Effekt nach Bequerel (1839), auch als innerer Photoeffekt bezeichnet. Dabei werden die Valenzelektronen mit Hilfe der Strahlungsenergie über die Bandlücke ins Leitungsband gehoben.

Potenzial:

Theoretisch: 1300 W/m2 an der Atmosphäre, 1000 W/m2 an der Erdoberfläche Praktisch: Yield Y=1000 kWh pro m2 und Jahr (in Mitteleuropa)

Funktionsweise: p und n dotierte Halbleiter (Silizium) bilden einen PN-Übergang (E-Feld), das die erzeugten freien Ladungsträger (Elektronen und Löcher) trennt. Dadurch entsteht pro Photozelle eine materialabhängige Gleichspannung in der Höhe von UOC= 0,6 V bzw. ISC bis zu 3 A .

Solarzellentypen / Zell- und Modulwirkungsgrad

Polykristalline Zellen: 16% / 14 % Monokristalline Zellen: 17% / 15% Amorphe Zellen (Dünnschicht): 11% / 11%

Kosten: 5 kWp Anlage kostet abzüglich Förderung etwa EUR 10.000 (Stand 2015), gleichzeitig sind aber auch die Einspeisevergütungen gesunken: EUR 0,10 / kWh. Daher ist es heute lukrativer, den Eigenverbrauch zu optimieren, wobei die Speicherproblematik noch nicht gelöst ist.

Empfehlung: 1kWh Speicher pro 1 kWp installierter Leistung (spezifische Kosten: EUR 1000 / 1 kWh), ab Herbst 2015 Tesla, Power Wall:

Übung 5: Dimensioniere eine PV Anlage für einen durchschnittlichen Haushalt (4 Personen), der theoretisch 100 % Autarkie aufweist. Der Modulwirkungsgrad soll ηM=15% und die Performance

Ratio PR=80% sein. Die Einstrahlung auf das Modul H M=1000 Wm2kann – während der

Volllaststunden - konstant angenommen werden.

Ea=PR.ηM . A .∑ H M .∆ t … Jahresertrag in kWh und Y=Ea

PN … Yield (spezifischer Ertrag) in

kWh / kW

Die Nennleistung gilt für STC (Standard Test Conditions: 25 °C, 1 kW /m2 und AM 1,5). Unter Normalbedingungen schwächen die äußeren Bedingungen (Erwärmung, Verschmutzung, Wechselrichterwirkungsgrad) den Ertrag:

PNETZ=PR . PN Ea=Y .PN

Für den Azimutwinkel 0° (=Süden bei PV Anlagen!) und den Neigungswinkel 40° wird der Ertrag optimiert, wobei Abweichungen im Azimut um +/- 45° nur geringe Einbußen mit sich bringen. Um den Eigenverbrauchsanteil zu erhöhen – und somit die Wirtschaftlichkeit – können Ost / West

Ausrichtungen sogar besser sein. Zudem sind Abschattungen (durch die eigenen Module oder durch Hindernisse) zu vermeiden, da dann ganze Strings ausfallen können.

Im Sommer werden fast zwei Drittel der gesamten Jahresproduktion erreicht.

SolarthermieDiese direkte Nutzung der Sonnenenergie entzieht der Luft, der Erde oder dem Grundwasser Wärme, mit dem Ziel wiederum Wärme – auf höherem Temperaturniveau – anzubieten (Wärmepumpe). Dabei sind dieser Wärmeauskopplung physikalische Grenzen gesetzt: Carnot Wirkungsgrad:

ηC=1−T2T1

wobei T 1 , T 2 die Temperaturen auf hohem bzw. niedrigem Niveau sind

Wärmepumpentypen:

Luft-Wasser WP: + Kosten, keine Bewilligung - COP, Geräusch Sole-Wasser WP: + Effizienz, kein Geräusch - Flächenbedarf (Bewilligung) Wasser-Wasser WP: + COP - Brunnen (Bewilligung)

Zur Bewertung einer WP stehen zwei unterschiedliche Kennwerte zur Verfügung, wobei die JAZ ein Mittelwert über das ganze Jahr – und somit auch über verschiedene Arbeitspunkte – darstellt:

COP= NutzenAufwand

=QAB

W EL=1+

T 1

T2−T1 JAZ= jährlicherWärmebezug

Stromverbrauch für℘

Der COP wird im Labor für bestimmte Arbeitspunkte bestimmt: A2W35,

wobei die JAZ abhängig vom Nutzerverhalten und den klimatischen Verhältnissen ist.

Bemerkung: Neben dieser Niedertemperaturnutzung besteht auch die Möglichkeit durch solarthermische Anlagen Hochtemperatur und / oder Strom zu erzeugen.

Hauptanwendung der Kollektoren ist die Erzeugung von Brauchwasser (TWW…TrinkWarmWasser), wobei in Mitteleuropa keine vollständige Deckung möglich ist. Am wirtschaftlichsten ist eine Lösung, die 1,5m2 pro Person vorsieht. Größere Anlagen – mit Heizungsunterstützung – brauchen auch größere Puffer: 70-100 L pro m2 Kollektor (vgl. Forstner Speichertechnik, Hard)

Die Heizenergie ist die Summe aus Heizwärme und Nutzwärme, wobei im Passivhaus beide Anteile etwa gleich groß sind (je 15 kWh / m2)

Bauarten von Kollektoren

Flachkollektoren: 350 kWh /m2 300 EUR/m2

Vakuumröhren: 700 kWh /m2 600 EUR/m2 Heat pipe oder Sidney

Die Wirkungsgrade sind temperaturabhängig und strahlungsabhängig (30-80%), bei schwacher Einstrahlung sind die Röhrenkollektoren besser.

In den südlichen Ländern sind oft Schwerkraftanlagen (Thermosiphonanlagen) anzutreffen.

Übung6: Berechne die Kosten für eine Thermische Solaranlage mit Heizungsunterstützung für einen 150 m2 Haushalt in einem NEH – Niedrigenergiehaus mit 30 kWh/m2 Heizenergie bzw. 3000kWh Nutzwärme – der theoretisch 100% Autarkie erlauben würde. Der Installationsaufwand wird mit zwei Tagen und zwei Personen geschätzt (Stundenlohn: EUR 70.- Netto). Wie lange dauert es, bis diese Kosten sich gegenüber einer konventionellen Gasheizung rechnen: 1 m^3 Erdgas kostet etwa 70 Cent.