Alternative Energie

Alternative Energien

- Regenerativ, erneuerbar, in entfernter Zukunft in gleichbleibendem Umfang noch verfügbar (im Gegensatz zu den fossilen Energieträgern (Kohle, Erdöl, Erdgas))

- Unterscheidung in 3 Gruppen:

- Energie aus der solaren Strahlung (größter und wichtigster Energieträger)

- Geothermische Energie durch Kernspaltung und Restwärmestrahlung im Erdinnern · Durch Gravitationsverschiebungen aus der Beziehung Erde-Mond-Sonne (kleinster Energieträger)

- erst wenig genutzt · ca. 5% (FOLIE 1)

Solare Strahlung

- Entsteht durch die Kernschmelzungsprozesse im Sonneninneren

- In 30 min die Energie, die derzeit pro Jahr von allen Menschen umgesetzt wird (50% an Atmosphäre reflektiert)

- Unterteilung der Energienutzung in natürliche Energieumwandlung und anthropogene Energieumwandlung (Umwandlung der durch die Umwelt bereitgestellten Energie in für die Menschen brauchbare und einsetzbare Energie (elektrische E., thermische und chemische E.))

Direkte Nutzung von Sonnenenergie

- Die direkte Nutzung der Sonnenenergie erfolgt durch Sonnenkollektoren.

- Diese fangen die Strahlungsenergie der Sonne ein, wozu bei manchen Kollektortypen die Sonnenstrahlen zuvor noch gebündelt werden.

- Die so eingefangene Energie wird durch thermische oder photoelektrische (photovoltaische) Prozesse nutzbar gemacht.

- Bei der thermischen Nutzung wird durch die Sonnenenergie ein Gas oder eine Flüssigkeit erwärmt, die dann gespeichert oder verteilt wird.

- Bei der photovoltaischen Nutzung wird Sonnenenergie ohne zwischengeschaltete mechanische Geräte direkt in elektrische Energie umgewandelt .

Sonnenkollektor

- Es gibt zwei Typen von Sonnenkollektoren:

- Nichtfokussierende Sonnenkollektoren (FOLIE 2)

- Nichtfokussierende Sonnenkollektoren fangen Sonnenstrahlen auf einer Absorberplatte ein, in die von einem Wärmeträgermedium durchflossene Rohrschlangen integriert sind oder die an ein solches Zirkulationssystem angeschlossen sind.

- Das Trägermedium (Flüssigkeit oder Luft), das durch diese Rohre strömt, wird durch Wärmeübertragung von der Absorperplatte aufgeheizt.

- Nichtfokussierende Sonnenkollektoren besitzen im Allgemeinen eine oder mehrere optisch transparente Deckplatten, die den Wärmeverlust der Absorberplatte reduzieren und so eine größtmögliche Energieausbeute ermöglichen.

- Sie weisen in der Regel einen Wirkungsgrad zwischen 40 bis 80 Prozent auf und können die Trägerflüssigkeit auf bis zu 82 ºC aufheizen.

- Nichtfokussierende Sonnenkollektoren werden vor allem zur Erwärmung von Wasser und zur Heizung von Wohnräumen eingesetzt und zu diesem Zweck üblicherweise auf Dächern montiert.

- Außer den Absorberplatten gehören Umwälzpumpe, Temperaturfühler, automatische Kontrollen zur Aktivierung der Pumpe und ein Wärmespeicher zu einem vollständigen Solarheizungs- oder Wassererwärmungssystem.

- Als Trägermedien werden in Solarheizungen entweder Luft oder eine Flüssigkeit (Wasser oder eine Mischung aus Wasser und einem Frostschutzmittel) verwendet, während ein in den Erdboden eingelassener oder gut isolierter Tank als Energiespeicher dient.

- Fokussierende Sonnenkollektoren

- Für Anwendungen wie Klimaanlagen, zentrale Stromerzeugung und zahlreiche industrielle Wärmeanwendungen reichen die in nichtfokussierenden Sonnenkollektoren erzeugten Temperaturen der Trägerflüssigkeit nicht aus.

- Einen höheren Wirkungsgrad besitzen die komplexeren (und teueren) fokussierenden Sonnenkollektoren.

- Dabei wird die Sonnenstrahlung von einem oder mehreren Hohlspiegeln reflektiert und in einem Strahlungsempfänger aufgefangen.

- Durch die Konzentration wird die Intensität der Sonnenenergie verstärkt, wobei im Empfänger (Receiver) Temperaturen bis mehrere hundert oder gar tausend Grad Celsius erzielt werden.

- Um die Strahlungsenergie so effizient wie möglich einzufangen, werden die Hohlspiegel mit Hilfe von so genannten Heliostaten dem Sonnenstand nachgeführt.

- Sonnenöfen

- Eine wichtige großtechnische Anwendung solcher Konzentratoren ist der Sonnenofen.

- Der größte Sonnenofen der Welt steht in Odeillo in den französischen Pyrenäen. Mit 9 600 Reflektoren und einer Gesamtkollektorfläche von rund 1 860 Quadratmetern erzeugt er Temperaturen bis zu 4 000 ºC.

- Solarturmkraftwerke

- Die Stromerzeugung in Solarturmkraftwerken befindet sich gegenwärtig noch im Entwicklungs- und Erprobungsstadium.

- In Solarturmkraftwerken reflektieren eine Reihe von Hohlspiegeln, die auf computergesteuerte Heliostaten montiert sind, die Sonnenstrahlen und bündeln sie auf einen zentralen Strahlungsempfänger, der auf dem so genannten Solarturm installiert ist.

- Dort werden Wasser oder andere Wärmeträgermedien erhitzt. Der dabei entstehende Dampf kann in herkömmlichen Kraftwerken in Strom umgewandelt werden. Riesige Flächen benötigt (pro MW 6 000 m² Spiegel und 30 000 m² Land)

Solarzelle (FOLIE 3)

- Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie umgewandelt ,

- Durch Dotierung erhält man ,,p-dotierte,, und ,,n-dotierte,, Schicht

- es entsteht n-/p-Grenzschicht

- Um n-/p-Grenzschicht im dunklen Zustand Verschiebung (Diffusion) von Elektronen in die p-Schicht bzw. von Löchern in die n-Schicht

- diffundierte Elektronen und Löcher werden auf beiden Seiten der Trennschicht zum Stoppen gebracht und bilden somit ein elektrisches Feld, daß vom n- zum p-Halbleiter gerichtet ist.

- Im Kristallgitter gibt es eine Fehlstelle-> Loch.

- positive Ladung,

- Damit wirkt es Elektron ein·löst sich aus seiner Bindung und besetzt Loch

- dadurch entsteht wieder ein Loch, welches seinerseits auf ein Elektron wirkt. Es verläßt seinen alten Platz, besetzt das Loch und hinterläßt eine Fehlstelle. Im Prinzip ein Kreislauf ohne Ende. So entsteht an der Trennschicht ein elektrisches Feld.

- Treffen nun Photonen (Lichtquanten -> massenlose Elementarteilchen) auf dotierte SilziumSchicht, werden durch die Energie der Photonen, aus dem Atomverband des Kristalls, Elektronen gelöst. Diese werden durch das elektrische Feld sortiert. Es entsteht eine Potentialdifferenz und damit an den äußeren Anschlußkontakten auch eine Spannung, so daß bei Anschluß eines Verbrauchers ein Strom fließen kann

- Bedingungen

- Halbleitermaterial muß besonders für den Bereich des sichtbaren und infraroten Lichts geeignet sein (Si)

- Anregungsenergie des Halbleiters von 1,5 eV muß erzeugt werden

- Wirkungsgrad für Umwandlung Sonnenenergie in elektrische Energie muß bei 10% bis 15% liegen

- Leistungen

- heute schon Wirkungsgrade von 30% und mehr

- Max 900 mW pro Solarzelle

- 40 Solarzellen (Solarmodul) erzeugen Spannungsunterschied von max. 18 V

- Solarmodule werden zu Sonnenpaneelen (Flächen über 1 m²) zusammengeschlossen

- Kosten

- l -2 DM/kWh ( l 10mal teurer als über konventionelle Energieträger

- Optimierung

- Versuch der Produktion von Dünnschichtzellen (senkt Kosten durch wesentlich geringeren Materialaufwand)

- Konzentration der Sonnenstrahlung durch Spiegel oder Linsen verstärkt, senkt Kosten

- Halbleiterkristalle: GaAs(Galliumarsenid), CdTe(Cadmiumtellurid)

- Wirkungsgrad sinkt jedoch mit steigender Temperatur (deshalb Kühlung durch Wasser,

Hybridzellen)

- Tandemzellen (Übereinanderschichtung verschiedener Halbleiter mit unterschiedlicher Anregungsenergie, Ausnutzung des gesamten Sonnenspektrums, jedoch sehr teuer)

- Zukunft

- Versuch, Solarzellenkraftwerke zu bauen, jedoch erst bis 100 kW geschafft, in unseren Breiten nicht sinnvoll

Speicherung von Sonnenenergie

- Aufgrund der täglichen und jahreszeitlichen Schwankungen der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche ist es wichtig, dass überschüssige Sonnenenergie in Zeiten niedrigen Verbrauchs gespeichert werden kann, um den Bedarf in Jahres- oder Tageszeiten abzudecken, wenn die zur Verfügung stehende Sonnenenergie den Verbrauch nicht decken kann. · Neben einfachen Wasser- und Bodenspeichersystemen gibt es kompaktere Speichermethoden, die sich die Phasenübergangseigenschaften eutektischer Salze (Salze, die bei niedrigen Temperaturen schmelzen) zunutze machen.

- Darüber hinaus können Akkus als Speicher für überschüssige elektrische Energie dienen.

- Andererseits ist es auch möglich, überschüssige Energie in das allgemeine Stromnetz einzuspeisen und in Zeiten, in denen das Angebot an Sonnenenergie gering ist, den Fehlbedarf aus dem Stromnetz zu decken. Allerdings kann diese Alternative aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Versorgungssicherheit nicht unbegrenzt angewendet werden.

- indirekte Nutzung der Sonnenenergie

- Laufwasserenergie (FOLIE 4)

- Die ersten Wasserkraftwerke zur Stromgewinnung wurden 1880 im englischen Northumberland errichtet.

- Die Wiedergeburt der Wasserkraft erfolgte um die Jahrhundertwende mit der Entwicklung des Generators, der Weiterentwicklung der Wasserturbine und der wachsenden Nachfrage nach Strom

- Die Technik der meisten großen Anlagen änderte sich auch im 20. Jahrhundert nicht.

- Die Kraftwerke sind von einem großen, höher gelegenen Wasserspeicher abhängig, wo der Wasserstrom gesteuert und ein fast konstanter Wasserstand aufrechterhalten werden kann. · Das Wasser fließt durch Druckrohrleitungen, die mit Ventilen so gesteuert werden, dass die Durchflussmenge dem Bedarf an Kraft entspricht.

- Das Wasser strömt dann in die Turbinen und verlässt diese wieder durch den so genannten Untergraben.

- Die Generatoren sind direkt über den Turbinen auf senkrechten Wellen montiert.

- (FOLIE 5) Die Konstruktion der Turbinen richtet sich nach der jeweiligen Fallhöhe, wobei so genannte Francis- od. Peltonturbinen für große und Propellerturbinen (Kaplanturbine) für niedrige Fallhöhen verwendet werden.

- Im Gegensatz zu Speicheranlagen, die vom Stauen großer Wassermengen abhängig sind, gibt es ein paar Beispiele, wo sowohl das Gefälle als auch die stetige Durchflussmenge ausreichen, um so genannte Laufwasserkraftwerke zu betreiben. Ein solches Kraftwerk ist die gemeinsame Anlage der USA und Kanadas an den Niagarafällen.

- Weltweit stellt die Wasserkraft etwa ein Viertel der insgesamt erzeugten Energie und nimmt an Bedeutung noch zu.

- In manchen Ländern ist Wasserkraft die wichtigste Quelle für elektrischen Strom. An der Spitze liegen Norwegen (99 Prozent), Zaire (97 Prozent) und Brasilien (96 Prozent). · In Deutschland werden nur etwa vier Prozent der Stromenergie aus Wasserkraft gewonnen. · Am 22. November 1997 wurde in China mit dem Bau des größten Staudamms der Welt begonnen. Bis zum Jahr 2009 soll der Jangtsekiang oberhalb der Stadt Yichang im DreiSchluchten-Damm auf einer Länge von 660 Kilometern aufgestaut werden und das angeschlossene Kraftwerk 18 200 Megawatt Strom liefern.

- Trends bei Wasserkraftanlagen

- Der Trend bei modernen Wasserkraftanlagen geht mehr zum Bau von größeren Anlagen an größeren Gefällen.

- Die Anlage mit dem weltweit größten Gefälle in einer Stufe (etwa 1 770 Meter) ist derzeit das Hochdruck-Speicherkraftwerk bei Reisseck-Kreuzeck in Österreich. In diesem Werk wird eine Pelton-Turbine eingesetzt.

- Die größten Turbinen gibt es in einem Wasserkraftwerk bei Itaipu in Brasilien(1982 eingeweiht). Dort sind 18 Francis-Turbinen mit je 700 Megawatt Leistung und einer Gesamtleistung von 12 600 Megawatt installiert. Itaipu ist derzeit das leistungsstärkste Wasserkraftwerk der Welt.

- Die größte Anlage in den Vereinigten Staaten befindet sich beim Grand-Coulee-Damm am Columbia. Die dort installierte Gesamtleistung beträgt fast 10 000 Megawatt. · Beispiele für leistungsstarke Anlagen in Deutschland sind die Laufwasserkraftwerke Jochenstein (Bayern und Österreich) an der Donau und Schwörstadt-Riburg (Baden- Württemberg und Schweiz) am Rhein.

- Energiepotential 13 000 TWh (13 * 10¹² kWh) (1/10 des Weltenergieverbrauchs) · Genutzt werden 13% (großer Nachholebedarf in Entwicklungsländern) · Probleme:

- Überschwemmung weiter Teile bei Staudämmen

- Änderung des Grundwasserspiegels und des Mikroklimas

- 2. Meeresenergie

- Meere wirken als riesiger Energiespeicher · Wellenenergie

- Durch Winde entstehen Wellen -> besitzen umwandelbare Energie · Theoretisches Energiepotential an deutscher Nordseeküste 3,6 GW · Skizzen anzeichnen und erklären

- Windkraftwerke (FOLIE 6)

- Mit Hilfe von Windkraftwerken wandelt man Windenergie in elektrischen Strom um - deshalb werden diese Kraftwerke auch als Windenergieanlagen bezeichnet. · Man unterteilt diese Anlagen im Wesentlichen in zwei Kategorien: Anlagen mit horizontal laufender Achse und solche mit vertikaler Achse. · Bei Anlagen mit horizontal laufender Achse ist an einem Achsenende ein zwei- oder mehrblättriger Rotor installiert, der über ein Getriebe mit einem elektrischen Generator verbunden ist.

- Der Rotor wird zwecks optimaler Ausbeute mit Hilfe eines Computers in den Wind gedreht. · Bei zu großer Windstärke wird der Rotor automatisch verriegelt.

- Die gebräuchlichste Konstruktion mit vertikal laufender Achse ist der so genannte Darrieus Rotor. Diese Maschine ist von der Windrichtung unabhängig und sieht im Prinzip so ähnlich aus wie ein Schneebesen.

- Ein Darrieus-Rotor kann jedoch nicht von selbst anlaufen. Deshalb werden Darrieus-Rotoren mit leicht anlaufenden Savonius-Rotoren kombiniert. Beim Savonius-Rotor stehen sich zwei gebogene, vertikal stehende Flügel gegenüber.

- Windrad(Folie 7)

- Das Windrad verfügt bei geringer Drehgeschwindigkeit über ein hohes Drehmoment und wird hauptsächlich zum Antrieb von Maschinen verwendet.

- Beispielsweise nutzt man Windräder in ländlichen Gebieten der USA zum Antrieb Wasser fördender Pumpen.

- Diese Maschinen haben einen Rotor mit einer Reihe schräg liegender Blätter, die strahlenförmig von einer horizontal laufenden Achse ausgehen.

- Der Rotordurchmesser liegt gewöhnlich zwischen zwei bis fünf Metern.

- Ein großer, ruderähnlicher Flügel, der hinter dem Rotor angebracht ist, dreht das Rad in den Wind.

- Bei zu hoher Windstärke wird der Rotor mittels einer Sicherheitsvorrichtung automatisch aus der Windrichtung gedreht.

- Stromerzeugung

- Gewöhnlich nehmen moderne Maschinen bei einer Windgeschwindigkeit von 19 Kilometern pro Stunde den Betrieb auf, erreichen ihre Nennleistung bei 40 bis 48 Kilometern pro Stunde und brechen den Betrieb bei Windgeschwindigkeiten von 100 Kilometern pro Stunde ab. Am geeignetsten für Windkraftwerke sind Gegenden mit einer jährlichen Durchschnittswindgeschwindigkeit von mindestens 21 Kilometern pro Stunde.

- Windenergie trägt nur in äußerst geringem Maße zur Umweltbelastung bei und ist somit eine wichtige Alternative zu den unwiederbringbaren Brennstoffen wie Erdöl. · Die erfolgreichsten Windenergieanlagen für eine großangelegte Energiegewinnung sind von mittlerer Größe (von 15 bis 30 Metern im Durchmesser, mit Leistungen von 100 bis 400 Kilowatt).

- Manche Anlagen sind in Gruppen oder Reihen angeordnet und werden Windparks genannt. Einige der größten Windparks der Welt stehen in Kalifornien. In Deutschland findet man Windenergieanlagen vor allem an der Nordseeküste.

- Der Beitrag der Windenergie zur Gesamtenenergieversorgung ist derzeit noch gering.

Gegenwärtig bezieht Dänemark über zwei Prozent seines gesamten Strombedarfs über Windenergie. In der Europäischen Union liefern Windenergieanlagen etwa sechs Prozent der primären Energieerzeugung.

- In Deutschland ist Windenergiepotential dreimal so hoch wie direktes Sonnenenergiepotential

- Kleine Windkraftanlagen: Wirkungsgrade bis 40% · Große Windkraftanlagen:Wirkungsgrad 38%,

- Optimierung: Leichtmetall, geringe Widerstände in Getriebe, günstige aerodynamische Flügelquerschnitte, Fahne (Ausrichtung in Windrichtung)

- Zukunft: gering, da nicht verlässlich (Reserveenergie für Windflauten muß trotzdem vorhanden sein), in Deutschland max. 15% des Energieverbrauchs, derzeit unter 1% Biokonversion

- Lohnt sich nur, wenn Biomasse sehr billig oder kostenlos vorkommt (als Abfall oder Rückstand)

- Zahlreiche chemische Verfahren

- Austrocknung von Gras zu Stroh, dann Verbrennung

- Vergasung von Biomasse, Entstehen von CO und p (Holzgasgenerator)

- Pyrolyse (Erhitzen auf 500 ° C bis l 000 °C), Entstehen von flüssigen und gasförmigen Treibstoffen

- Biologische Umwandlung (Gärung)

- Aus feuchten org. Stoffen unter anaeroben Bedingungen(ohne Sauerstoff) ein Gasgemisch aus Methan (70%) und Kohlendioxid (25%), nebenher noch ein geruchsfreier sehr stickstoffhaltiger Dünger Stark im Kommen ·Methangärung

- Bsp.: Deponiegasanlagen (FOLIE 8)

- Bei Lagerung von Müll auf Deponien bilden sich unter Luftabschluß durch Gärung und Verrottung Gase, mit hoher Methankonzentration

- Gase durchdringen die Deponieabdichtung und verhindern Rekultivierung der Flächen Zusätzlich verstärken sie den Treibhauseffekt, so daß Nutzung zur Energieerzeugung zwar teuer, aber sinnvoll

- zur Energiegewinnung werden Gase über Drainagesystem abgesaugt -> Verbrennung Geothermische Energie

- Bereitgestellt durch Isotopenzerfall (Kernspaltung) im Erdinnern und durch die Restwärmestrahlung der Erde

- In genügender Tiefe steigen die Temperaturen auf 300 °C und wärmer

- Besonders intensiv an Plattengrenzen (Inselbögen, Gebirge)

- theoretisch unerschöpflich, unterliegt keinen Schwankungen

- Entstehen von Geisyren, heißer Quellen oder untermeerischen Warmwasserzonen

- Ausnutzung:

- Anzapfen an Heiwasserquellen

- Nutzung von Heißdampf(125°-245°) aus Heißdampffeldern zum Turbinenantrieb

- Einpumpen von Wasser in Heißgesteinzonen (Hot Dry Rock) (FOLIE 9)

- Sprengen eines Risses in des Heißgestein

- Einpumpen des Kaltwassers über Ein-Rohr-Verfahren (Heiß und Kalt durch eins)

- Oder durch größere und mehrere Risse das Zwei-Rohr-Verfahren

- Besonders in Japan, Neuseeland, Italien, Island und Rußland genutzt

- Aber auch in Deutschland zunehmend

- Wärmequellen mit geringen Temperaturen für Heizsysteme und warmwasser genutzt (in Island über 50%)

- Steht noch relativ am Anfang

Energie durch Gezeiten

- Niedrigster Anteil an alternativen Energien, jedoch noch große Potentiale

- Rotation der Erde und die Gravitationskräfte von Mond und Sonne bewirken Ebbe und Flut in einer Periode von 12 h und 24 min

- Tidenhub bezeichnet den maximalen Höhenunterschied des Meeres

- Bei eintretender Ebbe hat das Wasser also größtes Energiepotential

- Minimaler Tidenhub 3 m (besonders in Flußmündungen oder Buchten)

- Wirkungsgrade um 20%

- Funktionsweise wie bei Wasserkraftwerk · Ohne Speicherbecken

- Nur kurzzeitige Energiebereitstellung (bei großem Energienetz sinnvoll)

- Hoher Wirkungsgrad

- Mit Speicherbecken

- Kontinuierliche Energieerzeugung, jedoch sinkt die Leistung mit sinkendem Wasserstand

- Nutzen beide Strömungen aus

- Problem: Verschlammung des Beckens, niedrigerer Wirkungsgrad

- Bsp.: Bordeaux in der La-Rance-Flußmündung (1966, 750 m Staudamm, Tidenhub 10 m (max. 13 m), 24 Turbinen, 240 MW)

- Gewinnen zunehmend an Bedeutung