Werner Kremers Jürgen Thiele Friedrich Wahl Neue Wege der Energieversorgung Werner Kremers I Jürgen Thiele I Friedrich Wahl Neue Wege der Energieversorgung Mit 151 Bildern Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Kremers, Werner: Neue Wege der Energieversorgung/Werner Kremers; Jürgen Thiele; Friedrich Wahl. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1982_ ISBN-13: 978-3-526-08511-7 e-ISBN-13: 978-3-322-83991.0 001: 10.1007/978-3-322-83991.0 NE: Thiele, Jürgen:; Wahl, Friedrich: Werner Kremers ist Studienreferendar für Physik und Theologie in Tübingen Dr. Jürgen Thiele ist Dipl.-Biologe am Biologischen Institut der Universität Tübingen Dr. Friedrich Wahl ist Professor für Theoretische Physik an der Universität Tübingen Verlagsredaktion : Alfred Schubert 1982 Alle Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1982 Die Vervielfältigung und Übertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. Im Einzelfall muß über die Zahlung einer Gebühr für die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt für die Vervielfältigung durch alle Verfahren einschließlich Speicherung und jede Übertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bänder, Platten und andere Medien. Satz: Vieweg, Braunschweig Umschlaggestaltung: Peter Morys, Salzhemmendorf ISBN-13: 978-3-528-08511-7 v Vorwort Alternativenergien, das ist ein Begriff und wohl auch ein Schlagwort unserer Zeit. In der Tat: Die Zukunft der Menschheit hängt davon ab, ob und wie frühzeitig sie sich um die damit zusammenhängenden Fragen kümmert, wenn sie nicht einen Kollaps unserer hochkomplizierten Welt riskieren will. Gerade die rege nerativen Energieträger, wie Sonnen-, Meeres- und Windenergie sowie Biomasse nutzung, könnten das vermeiden helfen. Das vorliegende Buch versteht sich als Beitrag zu einer solchen Energie diskussion. Es ist aus einer gründlichen Überarbeitung eines Seminars an der Univer sität Tübingen über das Thema der Alternativenergien hervorgegangen. W. Kremers hat sich dieser umfangreichen Arbeit unterzogen, wobei er aus der Fülle der Ideen und Realsierungen diejenigen Energieformen auswählte, denen man eine gewisse Zukunft vorhersagen darf. Neben den physikalisch-technischen Projekten kommt den Verfahren, aus Biomasse Energie zu gewinnen, immer mehr Bedeutung zu. Eine abgerundete Darstellung zu diesem Thema stammt von J. Thiele. Die Konzeption des Buches wurde so aufgefaßt, daß es sich in der Mitte zwischen den zahlreichen und ausführlichen Einzeldarstellungen zu bestimmten Themen und den undifferenzierten Gesamtdarstellungen bewegt. Es soll insbeson dere den Studenten der Naturwissenschaften einen Überblick über den gegenwär tigen Stand der Energiediskussion ermöglichen, aber auch Lehrern und interessier ten Nichtfachleuten einen Einblick in die vielfältigen Möglichkeiten gewähren. Dementsprechend wurden jedem Kapitel eine kleine Einführung in die Grundlagen vorangestellt und danach die technischen Realisierungen besprochen. Wo es heute schon möglich ist, werden Kosten und Wirtschaftlichkeit (Stand etwa 1980) disku tiert. Der Umfang des Buches sollte dabei einen bestimmten Rahmen nicht über schreiten. Bei der Fülle des Materials ist es natürlich nicht ganz zu vermeiden, daß in die Gewichtung manch subjektive Gesichtspunkte einfließen oder daß die eine oder andere Sache nicht ausführlich genug geschildert wird. Die Autoren danken insbesondere Herrn Prof. Dr. R. Mühleisen für die Beteiligung an den betreffenden Seminaren und die Unterstützung bei der Auswahl der Themen, Herrn Dr. G. Baumann für manch wertvolle Kritik, sowie Frau M. Kremers und Frau R. Adler für die Maschinenschrift des Manuskripts. Den Herren K. Göbel, K. Hau und R. Jahraus sei Dank für ihr Engagement bei den Korrekturen. Nicht zuletzt möchten wir Herrn Prof. Dr. H. Stumpf für die Ermutigung zur Ver öffentlichung und dem Vieweg-Verlag für die ansprechende Ausführung des Buches unseren Dank aussprechen. Tübingen, Sommer 1982 Friedrich Wahl VI Inhaltsverzeichnis Einleitung ............................................. . Allgemeines zur Sonnenenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3 Literatur .......................................... " 7 2 Sonnenkollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8 2.1 Theoretische Grundlagen ........................... " 8 2.1.1 Grundlegende Gesetze. .. .. .. . .. .. .. . .. .. .. . ... 8 2.1.2 Selektivität............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12 2.2 Bauweise von Sonnenkollektoren ...................... " 13 2.2.1 Einfachstkollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13 2.2.2 Das Energiedach ........................... " 14 2.2.3 Flachkollektoren mit flüssigkeitsdurchströmter Absorber- platte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15 2.2.3.1 Aufbau .......................... " 15 2.2.3.2 Sonderkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18 2.2.4 Wirkungsgrad und Anwendungsbreite ............. " 19 2.2.5 Einige Anwendungsbeispiele und Wirtschaftlichkeitsbetrach- tungen ................................... 23 2.2.5.1 Freischwimmbadbeheizung ............. " 23 2.2.5.2 Brauchwassererwärmung ................ 24 2.2.5.3 Raumheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26 Literatur .......................................... " 27 3 Thermische Solarkraftwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28 3.1 Thermodynamische Grundlagen ........................ 28 3.2 Flachkollektoranlagen ............................. " 30 3.3 Anlagen mit konzentrierenden Kollektoren . . . . . . . . . . . . . . . .. 33 3.4 Solar-Tower·Anlagen................................ 38 3.5 Sonnenöfen...................................... 42 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43 4 Solarzellen .......................................... 44 4.1 Einführung...................................... 44 4.2 Grundsätzliches über Halbleiter ....................... " 45 4.2.1 Bändermodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45 4.2.2 Eigenleitung reiner Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46 4.2.3 Störstellenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46 Inhaltsverzeichnis VII 4.3 p/n·Übergänge.................................... 47 4.3.1 Strom loser p/n-Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47 4.3.2 p/n-Übergang mit Vorspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49 4.3.2.1 U>O ............................. 49 4.3.2.2 U< 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50 4.4 Die Solarzelle .................................... , 51 4.4.1 Grundsätzliche Wirkungsweise .................... 51 4.4.2 Leistung und Wirkungsgrad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53 4.4.3 Grundlegende Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54 4.4.4 Verlustbetrachtungen ......................... 55 4.5 Vergleich verschiedener Halbleitermaterialien . . . . . . . . . . . . . . .. 56 4.6 Praktische Ausführungen von Solarzellen. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57 4.6.1 Solarzellen mit dicken Schichten ................. , 57 4.6.1.1 Homokontakt·Siliziumzellen . . . . . . . . . . . . .. 57 4.6.1.2 GaAs·Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60 4.6.1.3 Heterogene Zellen auf Si-Basis. . . . . . . . . . . .. 61 4.6.2 Dünnschichtsolarzellen ........................ 61 4.6.2.1 Allgemeiner Aufbau ................... 61 4.6.2.2 Die CdS-Cu2S-Dünnschichtzelle . . . . . . . . . . .. 62 4.6.3 Schottky·Kontakt-Zellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64 4.6.4 Spezielle Konstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65 4.6.4.1 Konzentratorzelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65 4.6.4.2 Multijunktion-Zelle.................... 66 4.6.4.3 Fluoreszenskollektoren................. 66 4.6.4.4 Kombinierte Energiegewinnung . . . . . . . . . . .. 68 43 Anwendungen.................................... 68 4.8 Kosten und Wirtschaftlichkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71 5 Windenergiekonverter .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72 5.1 Einführung...................................... 72 5.2 Das Windenergieangebot ............................. 73 5.3 Theorie der Windenergienutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74 5.3.1 Nutzbare Windleistung des freien Windrades .......... 74 5.3.2 Die Gestaltung der Flügel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78 5.4 Windenergiekonverter in der Praxis ...................... 82 5.4.1 Windräder mit horizontaler Achse . . . . . . . . . . . . . . . .. 82 5.4.1.1 Steuerung der Horizontalachsenräder . . . . . . .. 83 5.4.1.2 Schnelläufer ........................ 83 5.4.1.3 Langsamläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88 5.4.2 Windräder mit vertikaler Achse . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88 5.4.2.1 Der Savoniusrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88 5.4.2.2 Der Darrieusrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89 VIII Inhaltsverzeichnis 5.5 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90 5.5.1 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90 5.5.2 Kosten einzelner Windräder ..................... 91 5.5.3 Verbundkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93 6 Meeresenergie ........................................ 94 6.1 Vorbemerkungen .................................. 94 6.2 Gezeitenkraftwerke................................. 95 6.2.1 Zur Entstehung der Gezeiten .................... 95 6.2.2 Nutzung der Gezeiten in Kraftwerken. . . . . . . . . . . . . .. 99 6.2.2.1 Arbeitsweisen verschiedener Konzepte ... . . .. 99 6.2.2.2 Stand der heutigen Gezeitenkraftwerke ....... 103 6.2.2.3 Kosten eines Gezeitenkraftwerkes .......... 103 6.3 Wellenkraftwerke .................................. 104 6.4 Temperaturgradientkraftwerke ......................... 108 6.5 Salzgradientenkraftwerke (Osmosekraftwerke) ............... 110 Literatur ............................................ 111 7 Geothermische Energie .................................. 112 7.1 Zur Geschichte der Erdwärmenutzung .................... 112 7.2 Herkunft und Vorkommen der Erdwärme .................. 112 7.2.1 Aufbau der Erde ............................. 112 7.2.2 Plattentektonik und Geothermik .................. 113 7.2.3 Herkunft der Erdwärme ........................ 114 7.2.4 Wärmestrom und Temperaturgradient ............... 115 7.2.5 Das Potential geothermischer Energie ............... 116 7.3 Formen geothermischer Energie ........................ 117 7.3.1 Hydrothermale Systeme ........................ 118 7.3.2 Geologische Druckzonen ....................... 119 oe ............. 7.3.3 Trockenes, heißes Gestein unter 650 119 7.3.4 Magma ................................... 120 7.4 Technische Nutzung der geothermischen Energie ............. 120 7.4.1 Nutzung hydrothermaler Quellen .................. 120 7.4.1.1 Allgemeines zur Bohrtechnik ............. 120 7.4.1.2 Heißdampfquellen (Lardarello·Typ) ......... 120 7.4.1.3 Naßdampfquellen (Monte·Amiata·Typ) ....... 122 7.4.1.4 Quellen mit heißem Wasser ............... 122 7.4.2 Nutzen heißen trockenen Gesteins (Hot Dry Rock, HDR) .. 123 7.5 Umweltfragen und Kostenabschätzungen .................. 124 7.5.1 Umweltbelastung ............................ 124 7.5.2 Kosten ................................... 125 Literatur ............................................ 126 Inhaltsverzeichnis IX 8 Wärmepumpen ........................................ 127 8.1 Entwicklung ..................................... 127 8.2 Thermodynamische Grundlagen des Wärmepumpenprinzips ...... 127 8.2.1 Der ideale Kreisprozeß ......................... 127 8.2.2 Der reale Wärmepumpenprozeß ................... 129 8.2.3 Bauteile einer Wärmepumpe ..................... 132 8.3 Antriebsarten von Wärmepumpen ....................... 133 8.3.1 Elektrische Wärmepumpe ....................... 133 8.3.2 Verbrennungsmotorgetriebene Wärmepumpen ......... 135 8.3.3 Absorptionswärmepumpe ....................... 136 8.3.4 Der Wärmetransformator ....................... 140 8.4 Arten von Verdampfern .............................. 141 8.4.1 Luftverdampfer ............................. 142 8.4.2 Wasserdurchströmte Verdampfer .................. 143 8.4.2.1 Wärmequelle, Grundwasser und Oberflächen- wasser ............................ 143 8.4.2.2 Freie Absorber als Umweltwärmequellen ...... 144 8.4.2.3 Wärmequelle Erdreich .................. 145 8.5 Vergleich der verschiedenen Wärmepumpenkonzepte hinsichtlich ihrer Kosten und Wirtschaftlichkeit ...................... 145 Literatur ............................................ 149 9 Wasserstofftechnologie ................................ .. 150 9.1 Vorbemerku ngen ................................ .. 150 9.2 Wasserstofferzeugung ............................... 151 9.2.1 Zur Theorie chemischer Reaktionen ................ 151 9.2.2 Theorie der Wasserelektrolyse .................... 151 9.3 Technische Ausführung von Zellen ....................... 153 9.3.1 Allgemeine Gestaltung ......................... 153 9.3.2 Hochdruckzellen ............................ 153 9.3.3 Die Wasserdampf-Feststoff-Elektrolyse .............. 154 9.3.4 Kostenabschätzungen ......................... 154 9.4 Thermochemische Wasserstofferzeugung ................... 155 9.4.1 Offene Systeme ............................. 155 9.4.2 Geschlossene Systeme ......................... 156 9.5 Wasserstofferzeugung mit Sonnenenergie ................... 156 9.5.1 Allgemeines zur Photolyse von Wasser .............. 157 9.5.2 Photolyse mit thermochemischer Reaktion ........... 157 9.5.3 Photoelektrochemische Methoden ................. 157 9.6 Wasserstoffspeicherung .............................. 158 9.6.1 Speicherung von Wasserstoff als Gas ................ 159 9.6.2 Speicherung von flüssigem Wasserstoff .............. 159 9.6.3 Speicherung von Wasserstoff in Form von Ammoniak .... 160 X Inhaltsverzeichnis 9.6.4 Wasserstoffspeicherung in Metallen ................ 161 9.6.4.1 Überblick über Hybride ................. 161 9.6.4.2 Zur Theorie der Metallhybride ............ 162 9.6.4.3 Eigenschaften der Metallhydride ........... 164 9.6.4.4 Anwendungen der Metallhydridspeicherung .... 165 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 10 Brennstoffzellen..................................... .. 171 10.1 Entwicklung der Brennstoffzelle ........................ 171 10.2 Theorie der Brennstoffzelle ........................... 171 10.2.1 Das Brennstoffzellenprinzip ..................... 171 10.2.2 Einteilungsmöglichkeit der verschiedenen Zellen ........ 173 10.2.3 Thermodynamik und Wirkungsgrad ................ 174 10.3 Niedrigtemperaturzellen .............................. 176 10.3.1 Aufbau und Wirkungsweise einer H2·02·Zelle ......... 176 10.3.1.1 Elektrolyte der Zelle ................... 177 10.3.1.2 Elektroden ......................... 177 10.3.2 Praktische Anwendungen ....................... 179 10.3.2.1 Einzelzellen ......................... 179 10.3.2.2 Zellenbatterien aus Niedrigtemperaturzellen ... 181 10.3.3 Niedrigtemperaturbrennstoffzellen mit flüssigen Brenn- stoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 10.3.3.1 Hydrazinzelle ....................... 185 10.3.3.2 Methanol-Brennstoffzelle ................ 186 10.4 Mitteltemperaturbrennstoffzellen ....................... 186 10.5 Hochtemperaturbrennstoffzellen ........................ 187 10.6 Zukunftsaussichten ................................. 188 Literatur ............................................ 189 11 Speichertechniken ..................................... 190 11.1 Warmwasserspeicher ................................ 190 11.1.1 Physikalische Grundlagen ....................... 190 11.1.2 Schöll-Speicher ............................. 192 11.1.3 Aqu ifer-Speicher ............................ 194 11.2 Speicherung in Form von Bindungsenergie .................. 196 11.2.1 Latentspeicher .............................. 196 11.2.2 Thermochemische Speicherung, chemische Wärmepumpe .. 200 11.3 Wärmepumpenspeicher .............................. 202 11.4 Speicherung potentieller und kinetischer Energie ............. 203 11.4.1 Pumpspeicherwerke .......................... 203 11.4.2 Druckluhspeicherwerke ........................ 203 11.4.3 Schwungradspeicher .......................... 204 Literatur ............................................ 205 Inhaltsverzeichnis XI 12 Nutzung der Biomasse ................................... 206 12.1 Einleitung ....................................... 206 12.2 Biologische Grundlagen .............................. 207 12.2.1 Ökologische Zusammenhänge .................... 207 12.2.2 Biochemische Grundlagen ...................... 212 12.3 Technische Verfahren ............................... 219 12.3.1 Verbrennung ............................... 220 12.3.2 Pyrolyse .................................. 222 12.3.3 Alkoholische Gärung .......................... 225 12.3.4 Methangärung .............................. 227 12.4 Zukunftsperspektiven ............................... 234 12.4.1 Neue Möglichkeiten .......................... 234 12.4.2 Modellrechnungen ........................... 237 Literatur ............................................ 240 Sachwortverzeichnis ....................................... 242