Untersuchung der technischen Maßnahmen zur Nutzbarmachung der Überschussenergie aus erneuerbaren Energieanlagen
©2013
Hausarbeit
48 Seiten
Zusammenfassung
In der alltäglichen Praxis verwenden wir den Ausdruck „erneuerbare Energiequellen“ häufig ohne Schwierigkeiten. Wir sehen ebenfalls, wenn von diesem Thema in den Medienwerbungen angesprochen wird oder wenn wir auf der Autobahn die Windkraftanlagen oder die mit Photovoltaikzellen ausgerüsteten Häuser an die beiden Seiten vorbeifahren.
Als Masterstudent des Wirtschaftsingenieurwesens fragte sich der Autor immer, ob sich die Menschheit tatsächlich für die Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen sorgen sollte oder nicht. Wenn ja, wie können wir den Weg zur zukünftigen Energieversorgung einplanen oder wie sieht tatsächlich die Struktur der zukünftigen Energieversorgung aus?
Die vorliegende Projektarbeit soll einen Überblick über das Energieaufkommen und den Energieverbrauch in Deutschland und weiterhin über die Rolle der erneuerbaren Energieanlagen zur Energieversorgung schaffen. Des Weiteren soll das Potential der erneuerbaren Energiequellen in Deutschland veranschaulicht werden. Trotzt der vorhandenen Potentiale, stehen jedoch die dazugehörigen Herausforderungen bevor, die aufgrund der Wetterabhängigkeit und natürlichen Gegebenheiten zustandekommen. In diesem Zusammenhang wird schließlich die Alternativlösungen zur Überwindung von Problemen betrachtet, um die Verfügbarkeit aus solchen Anlagen zu erhöhen. Der Schwerpunkt dieser Projektarbeit ist deshalb die Untersuchung der Integrationsmöglichkeiten für die erneuerbaren Energiequellen.
Als Masterstudent des Wirtschaftsingenieurwesens fragte sich der Autor immer, ob sich die Menschheit tatsächlich für die Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen sorgen sollte oder nicht. Wenn ja, wie können wir den Weg zur zukünftigen Energieversorgung einplanen oder wie sieht tatsächlich die Struktur der zukünftigen Energieversorgung aus?
Die vorliegende Projektarbeit soll einen Überblick über das Energieaufkommen und den Energieverbrauch in Deutschland und weiterhin über die Rolle der erneuerbaren Energieanlagen zur Energieversorgung schaffen. Des Weiteren soll das Potential der erneuerbaren Energiequellen in Deutschland veranschaulicht werden. Trotzt der vorhandenen Potentiale, stehen jedoch die dazugehörigen Herausforderungen bevor, die aufgrund der Wetterabhängigkeit und natürlichen Gegebenheiten zustandekommen. In diesem Zusammenhang wird schließlich die Alternativlösungen zur Überwindung von Problemen betrachtet, um die Verfügbarkeit aus solchen Anlagen zu erhöhen. Der Schwerpunkt dieser Projektarbeit ist deshalb die Untersuchung der Integrationsmöglichkeiten für die erneuerbaren Energiequellen.
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
In der alltäglichen Praxis verwenden wir den Ausdruck ,,erneuerbare Energiequellen" häufig
ohne Schwierigkeiten.
Wir sehen ebenfalls, wenn von
diesem Thema
in den
Medienwerbungen angesprochen wird oder wenn wir auf der Autobahn die Windkraftanlagen
oder die mit Photovoltaikzellen ausgerüsteten Häuser an die beiden Seiten vorbeifahren.
Als Masterstudent des Wirtschaftsingenieurwesens fragte ich mich immer, ob sich die
Menschheit tatsächlich für die Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen sorgen
sollte oder nicht. Wenn ja, wie können wir den Weg zur zukünftigen Energieversorgung
einplanen oder wie sieht tatsächlich die Struktur der zukünftigen Energieversorgung aus?
Die vorliegende Projektarbeit soll einen Überblick über das Energieaufkommen und den
Energieverbrauch in Deutschland und weiterhin über die Rolle der erneuerbaren
Energieanlagen zur Energieversorgung schaffen (Kapitel 1 und 2). Des Weiteren soll das
Potential der erneuerbaren Energiequellen in Deutschland veranschaulicht werden. Trotzt der
vorhandenen Potentiale, stehen jedoch die dazugehörigen Herausforderungen bevor, die
aufgrund der Wetterabhängigkeit und natürlichen Gegebenheiten zustandekommen. In diesem
Zusammenhang wird schließlich die Alternativlösungen zur Überwindung von Problemen
betrachtet, um die Verfügbarkeit aus solchen Anlagen zu erhöhen (Kapitel 4). Der
Schwerpunkt dieser Projektarbeit ist deshalb die Untersuchung der Integrationsmöglichkeiten
für die erneuerbaren Energiequellen.
Seit die Energie und Kraft für uns bekannt geworden sind, vewendet man bislang deren
Bedeutung nebeneinander. ,,Ich habe keine Kraft und Energie mehr". Bisher versuchten
immer Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen, deren Bedeutung und Definition besser zu
differenzieren. Eine Kraft ist eine Einwirkung auf eine Masse, die eine Bewegungsänderung,
Körperbeschleunigung und -verformung verursacht
Die Kraft, welche die Objekte in
Bewegung setzt und in Bewegung hält, heißt Energie.
Der Begriff Energie ist zum ersten Mal aus dem Griechischen entlehnt und bedeutet
,,wirkende Kraft". Das Wort "Energie" ist im 19. Jahrhundert aus der französischen und
englischen in die deutsche Sprache übergegangen. In der Literatur wird das Wort Energie für
verschiedene Inhalte verwendet. Physikalisch bedeutet für uns Energie die Fähigkeit eines
Stoffes, Körpers oder Systems, Arbeit zu verrichten.
Tabelle 1 Kraft, Energie und deren Einheiten und Dimensionen
Physikalische Größe
Einheit
Dimension
Kraft
F
N=kg.m.s
-2
M.L.T
-2
Energie
E
J=N.m=kg.m
2
.s
-2
M.L
2
.T
-2
Weiterhin bestehen auch verschiedene Energieformen. Seit die Menschheit das Feuer in der
Natur entdeckt und seitdem das Rad und Wassermühle erfunden worden sind, wurden
Energieformen ständig ineinander umgewandelt. Diese Energieumwandunlung ist bisher ein
für die Entwicklung der technischen Kultur wichtiges Ereignis.
Unter naturwissenschaftlichen Ereignissen wird die Energie nach ihrer Erscheinungsart
verschiedenen Energieformen zugeordnet. Vereinfacht können wir sieben solcher
Erscheinungsformen unterscheiden: (Beck, 2009)
1.
Mechanische Energie: Mechanische Energie äußert sich als Bewegungsenergie
1
z.B. fließendes Wasser, stromendes Gas, Wind oder als Energie aufgrund der Lage
2
z.B. gestautes Wasser, komprimiertes Gas oder gespannte Feder.
2.
Thermische Energie: Wärmeenergie, die in einem Körper aufgrund der
ungeordneten Bewegung seiner Atome, Moleküle oder Kristallgitter vorhanden ist,
z.B. kochendes Wasser, glühender Stahl, Gasflamme.
3.
Chemische Energie: Chemische Energie ist in Stoffen gebundene Energie, die
durch chemische Reaktionen freigesetzt werden kann.
4.
Elektrische Energie: Sie ist an Ladungsträger gebundene Energie, die in
kinetischer (elektrischer Strom in einer Leitung) oder potentieller Form
(gespeicherte Ladung in einer Batterie oder einem Kondensator) auftreten kann.
5.
Magnetische Energie: Elektrische Strome sind von einem Magnetfeld umgeben,
welche Energie enthält, die beim Abbau z.B. in elektrische Energie umgewandelt
werden kann
3
.
6.
Elektromagnetische Strahlungsenergie: Sie setzt das Vorhandensein genügend
schnell bewegter elektrischer Ladungsträger voraus und ist an zeitlich veränderliche
elektrische und magnetische Felder gebunden. (z.B. Rundfunkwellen und Licht)
7.
Kernenergie: Sie ist in Atomkernen gebundene Energie, die bei bestimmten
Kernreaktionen freigesetzt werden kann. (Spaltung von Uran-Atomkernen, Fusion
von Wasserstoffkernen).
Wie oben erwähnt, lassen sich die einzelnen Energieformen ineinander umwandeln. Dabei gilt
der Energieerhaltungssatz
In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energiemengen stets konstant. D.h.
Energie kann nicht erzeugt, sondern nur von der einen Form in die andere umgewandelt
werden.
Aus energiewirtschaftlicher Sicht gilt der Begriff ,,Energie" nicht nur unter physikalischen
Aspekten, sondern auch hinsichtlich der Herkunft und der Verwendung von Energiearten. Für
Energieumwandlungsprozesse existieren vielfältige Energieträger, die im Folgenden kurz
beschrieben werden.
1.2.
Energieträger
Alle Energieträger, die in der Natur vorkommen und nicht durch technologische Prozesse
umgewandelt oder veredelt sind, werden als Primärenergien bezeichnet. Zu den primären
Energieträger zählen fossile, regenerative und nukleare Energieträger. Beispiele dafür sind
Kohle, Erdgas, Erdöl, Sonnenstrahlung, Windkraft, Wasserkraft, Biomasse, Erdwärme und
Uran.
Die meisten Primärenergien sind für eine direkte Nutzung wenig geeignet. Um den
Bedürfnissen der Energieversorgung anzupassen, werden sie in Sekundärenergien
umgewandelt. Beispiele dafür sind die Umwandlung von Kohle in Elektrizität oder Wärme,
die Umwandlung von Erdöl in Benzin oder Heizöl und die Umwandlung von Wasser- und
Windkraft in elektrische Energie oder Wasserstoff.
Die importierten oder im Inland gewonnenen Primärenergieträger können in der Regel
nicht unmittelbar genutzt werden, sondern müssen verschiedene Umwandlungsprozesse
durchlaufen, um schließlich in veredelter Form als Endenergie zum Antrieb von Maschinen,
Fahrzeugen und Produktionsanlagen, als Prozessenergie oder zur Beheizung von Wohnungen
und Gebäuden genutzt werden zu können.
(BMWi, Energie in Deutschland, 2010) Die
Energieverbraucher sind in Haushalte, Gewerbe, Industrie und Verkehr unterteilt und wandeln
die Endenergie in Nutzenergie um. Licht, Wärme, mechanische und chemische Energien
werden als Nutzenergien gennant.
Abbildung 1 stellt die Entwicklung des Primärenergieverbrauchs seit 1991 in Deutschland
dar. Daraus geht hervor, dass sich der Anteil von erneuerbaren Energien (EE) am deutschen
Energieverbrauch in den vergangenen 10 Jahren deutlich erhöht hat. Wie Abbildung 2 zeigt,
beträgt der EE-Anteil am Energieverbrauch 10,9% im Jahr 2011.
Abbildung 1 Entwicklung des Primärenergieverbrauchs in Deutschland in Petajoule
Abbildung 2 Primärenergieverbrauch nach Energieträger in Deutschland 2011
Abbildung 3 gibt einen Überblick über Energieaufkommen und Energieverbrauch sowie
Energieträger und Energieumwandlung in Deutschland im Jahr 2010 im Rahmen eines
Energieflussbildes. Dieses Energieflussbild wurde vom Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen
(AGEB) herausgegeben und die Werte sind in Mio. t Steinkohleneinheiten
4
angegeben. Die
linke Seite des Energieflussbildes stellt die Struktur der Primärenergieverbrauch aus
erneuerbaren Energien, Kernenergie, Erdgas, Mineralöle sowie Braun- und Steinkohle dar. In
der Mitte wurde die Energieumwandlungsprozesse gekennzeichnet. Es fällt auf, dass die
Energieeinfuhr etwa Dreifach mehr als die Energiegewinnung im Inland ist, während etwa
240 Mio. t SKE von Primärenegieverbrauch als nichtenergetischer Verbrauch und
Umwandlungsverluste bezeichnet sind. Die rechte Seite des Energieflussbildes lässt sich den
Endenergieverbraucher erkennen. Weiterhin wird die Wichtigkeit der der Effizienzsteigerung
bei Umwandlungsprozessen zu Reduzierung der Umwandlungsverluste verdeutlicht.
Abbildung 3 Energieflussbild 2010 für die Bundesrepublik Deutschland in Petajoule
Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 07/2011
Als Primärenergieträger mit einer im menschlichen Maßstab unendlichen Ausweite bietet sich
an dieser Stelle an, die Erneuerbare Energiequellen näher zu untersuchen. Im folgenden
Kapitel werden daher die erneuerbaren Energieträger sowie -anlagen und deren aktuellen
Ausbauzustand erläutert.
Im Kapitel 1 wurde bereits das Thema ,,Energie und Energieressourcen" sowie die Struktur
der Energiegewinnung und des Energieverbrauchs als Fundament dieser Projektarbeit
errichtet. Im Weiteren wird nach einer kurzen Einführung in die Energiepolitik in
Deutschland einen Überblick über die Erneuerbaren Energiequellen anhand historischer Daten
gegeben.
Durch mehreren
internationalen Abkommen wurden
bereits die wesentlichen
Randbedingungen für die zukünftige Entwicklung des europäischen und damit auch des
deutschen Energiesystems im Bezug auf Klimaschutz, erneuerbare Energien und
Energieeffizienz festgelegt.
Im Dezember 1997 fand in Kyoto
die dritte Vertragsstaatenkonferenz zur
Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen statt. Auf dieser Konferenz wurden
weitreichende Beschlüsse zur Verringerung bzw. Begrenzung klimawirksamer Spurengase
gefasst. Im Anschluss an die Beschlüsse von Kyoto, hat sich Deutschland im Rahmen des
EU-Sharing verpflichtet, seine Treibhausgasemissionen gegenüber dem Basisjahr um 21 % zu
reduzieren. Fast 85% der Treibhausgasemissionen in Deutschland stammen aus der
Erzeugung und Nutzung von Energie. Abbildung 5
zeigt
die Entwicklung der
Treibhausgasemissionen in Deutschland und deren Abweichung vom Kyoto-Minderungsziel
im Zeitraum von 1990 bis 2009 und Abbildung 6 zeigt, wie weit die energiebedingte CO
2
-
Emissionen nach Sektoren und Energieträgern im Jahr 2008 entstanden sind.
Abbildung 4 Entwicklung der Treibhausgasemissionen in Deutschland
Quelle: BMWi, Aug. 2010
Abbildung 5 Energiebediengte CO2-Emissionen nach Sektoren und Energieträgern 2008 in Prozent
Durch sparsamen Umgang mit Energie und den Ausbau der Nutzung erneuerbarer
Energiequellen kann die Treibhausgasemissionen vermieden werden. (BMWi, 2010)
Abbildung 6 stellt die Einschätzung für die vermiedenen CO
2
-Emissionen durch Einsatz von
erneuerbaren Energieanlagen im Jahr 2009 dar. An erster Stelle steht Windkraft mit 27,6
Mio. t vermidenen CO
2
-Emissionen.
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Erscheinungsjahr
- 2013
- ISBN (PDF)
- 9783961161324
- ISBN (Paperback)
- 9783961166329
- Dateigröße
- 6 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Technische Universität Clausthal – Ingenieurwissenschaften
- Erscheinungsdatum
- 2017 (Mai)
- Note
- 1,7
- Schlagworte
- Erneuerbare Energien Überschussenergie Energiepolitik Nachhaltigkeit des Energieversorgungssystems Nutzbarmachung der erneuerbaren Überschussenergie Stromspeicher Elektromobilität zukünftige Energieversorgung
- Produktsicherheit
- Diplom.de
