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Erneuerbare Energien von der Sonne und der Erde Prof. Dr.-Ing. Hans-Günther Wagemann Technische Universität Berlin Berlin 2011

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Präsentation zum Thema: "Erneuerbare Energien von der Sonne und der Erde Prof. Dr.-Ing. Hans-Günther Wagemann Technische Universität Berlin Berlin 2011"—  Präsentation transkript:

1 Erneuerbare Energien von der Sonne und der Erde Prof. Dr.-Ing. Hans-Günther Wagemann Technische Universität Berlin Berlin

2 1. Einführung in den Problemkreis 2. Beschreibung der Sonnenstrahlung und ihre Wechselwirkung mit Materie 3. Direkte Nutzung der Sonnenstrahlung 3.1 Solarthermie 3.2 Photovoltaik 4. Indirekte Nutzung der Sonnenstrahlung 4.1 Windenergie 4.2 Wasserenergie 4.3 Solare Architektur 4.4 Nutzung von Biomasse zur Treibstofferzeugung 5. Geothermie 5.1 Temperatur-Tiefenprofile in unterschiedlichen Gegenden 5.2 Nutzung der Geothermie 6. Anteile der Erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch, ihre Finanzierung sowie der Vergleich der einzelnen Typen Erneuerbarer Energie untereinander. Erneuerbare Energien von der Sonne und der Erde

3 1. Einführung in den Problemkreis

4 (Quelle: internal audit) Weltenergieverbrauch in Mrd. to SKE Weltbevölkerung in Mrd. Menschen Ölpreiskrisen 1.Weltkrieg 2.Weltkrieg  − Entwicklung von Weltenergieverbrauch und Bevölkerung −

5 Entwicklung der Temperatur (blau) und des CO 2 -Gehaltes der Atmosphäre (grün) während der letzten Jahre (aus dem Eiskern der Station Vostok in der Antarktis) Rot ist der anthropogene Anstieg des CO 2 gezeigt (nach S.Rahmstorf u. U.Neu, PIK) (Quelle: Petit, J.R. et al., 1999: Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature, 399, p ) Jahrtausende vor heute vom Menschen verursachter Anstieg Temperatur (°C) CO 2 (ppmv / pars per million volumenanteil)

6 Primärenergieverbrauch in 2006 nach Regionen. (Quelle BMWI u. R.Schlögl) D

7 Emission von Kohlendioxid im Jahre 2005 nach Regionen. Angaben in Mio t (Quelle BDEW 2010 u. R.Schlögl) D

8 Anteile der Primärenergieträger für die Stromerzeugung in Deutschland. Die Zahlen sind in TWh angegeben. Die Werte gelten für 2009 (Quelle: BMWI) Erneuerbare Energien

9 Quelle: munich business school fleischmann in Deutschland 2011 (1 TWh = Wh = 1Billion Wh)

10 2. Beschreibung der Sonnenstrahlung und ihre Wechselwirkung mit Materie

11 Sonnen-Spektrum auf der Erdbahn Für AMO (orange-farbene Fläche) gilt die Solarkonstante E e0 =(1,367±0,007)kW/m 2 Spektrale Strahlungsleistungsdichte / W/m 2 /μm 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0 2,25 Wellenlänge / μm /μm/μm

12 Veranschaulichung des Begriffs AM1,5 (engl. air mass 1,5) Die irdische Atmosphäre läuft zum freien Weltraum allmählich aus. Die hier angenommene Atmosphärenhöhe H soll die Gesamt-Luftmasse repräsentieren. Als Standard-Wert gilt AM1,5 = 1kW/m 2, für Berlin AM1,5(Berlin)=0,7kW/m 2 (Quelle: Wagemann/Eschrich „Photovoltaik“, Abb.2.6)

13 Einfacher Versuch zur Abschätzung der Solarkonstanten E e0 Auf einem Gartentisch in einem Garten in Berlin und Brandenburg kann man im Lichte der Sommersonne ziemlich verlässliche Werte der Solarkonstanten erhalten. Man braucht dafür eine weiße Kaffeetasse mit schwarzem Kaffee, ein Thermometer, eine Uhr und ein Zentimeter-Maß. Die Kaffeetasse steht im Sonnenlicht auf einem Tisch, und die Umgebung nach allen Seiten ist frei und nicht von Bäumen verstellt. Zwei unabhängige Versuche von jeweils 10 Minuten Dauer sind nötig im Abstand von einigen Stunden. Mit einfachen Rechnungen erhält man das Ergebnis.

14 Einfacher Versuch zur Abschätzung der Solarkonstanten E e0 Zuordnung von Sonnenhöhe w, Schattenlänge l und Durchstrahlungslänge L Aufgabenstellung. An einem Tag mit klarem wolkenlosem Himmel messen wir die Erwärmung ΔT von schwarzem Kaffee im direkten Sonnenlicht. Im Zeitabstand von einigen Stunden führen wir zwei derartige Messungen durch. Wir registrieren innerhalb der Zeit Δt=10Minuten den Temperaturanstieg des Kaffees von T 0 auf T 1,2. Weiter werden dabei jeweils die Schattenlängen l 1,2 eines Stabes der Höhe h=15cm gemessen. Durchführung. 200ml Kaffee in einer Schale mit Innendurchmesser von d=12cm erwärmen sich innerhalb von 10Minuten durch Zustrahlung durch die Tassenoberfläche A von der Ausgangstemperatur T 0 =20,0°C a. zum Zeitpunkt t 1 auf T 1 =25,0°C bei einer Schattenlänge l 1 =18,0cm, b. zum Zeitpunkt t 2 auf T 2 =23,0°C bei einer Schattenlänge l 2 =35,0cm. Rechnung Die dem Kaffee über seine Oberfläche zugeführte Wärmeenergie W=mcΔT mit der Flüssigkeitsmasse m=Vρ und spez.Gewicht ρ=1g/ml sowie spez.Wärme c = 4,2J/g/K beträgt W 1 (t 1 )=4200J und W 2 (t 2 )=2500J Die solare Bestrahlungsstärke S = W/A/Δt mit A=(d/2) 2 π=113cm 2 beträgt S 1 =0,0618W/cm 2 und S 2 =0.0371W/cm 2 Es gilt entsprechend der Abbildung mit Winkel w: sin(w) = H/L = h/√(h 2 +l 2 ); also L=H/sin(w)=H √(h 2 +l 2 )/h und für die Solare Bestrahlungsstärke S=E e0 exp(-αL)=E e0 exp(-αH/sin(w)) mit dem Absorptionskoeffizienten α. Hier sind α und H (=Atmosphärenhöhe) unbekannte Größen. Durch zwei unabhängige Messungen werden sie eliminiert. ln(S 1 /E e 0 ) = -αH/sin(w 1 ) und ln(S 2 /E e 0 ) = -αH/sin(w 2 ). Aufgelöst nach E e 0 ergibt sich die Lösungsgleichung E e0 =exp[ (sin(w 1 )ln(S 1 ) - sin(w 2 )ln(S 2 )) / (sin(w 1 ) - sin(w 2 )) ]. Mit den Zahlenwerten errechnen wir w 1 =arc sin(15/√( )) = 39,8° sowie w 2 =arc sin(15/√( )) = 23,3° und setzen in die Glchg. für E e0 ein. Ergebnis Solarkonstante E e0 = 0,140W/cm 2 = 1,4kW/m 2 (exakter Wert E e0 =(1,367±0,007)kW/m 2 ) (Quelle: Wagemann/Eschrich „Photovoltaik“; p ) E0E0 w w h l H L

15 Wellenlänge der Strahlung → Durchlässigkeit der Atmosphäre → Schema der Durchlässigkeit der irdischen Atmosphäre in den unterschiedlichen Bereichen der Strahlung (Darstellung Wikipedia) Sichtbarer Bereich

16 3. Direkte Nutzung der Sonnenstrahlung

17 Solarthermie-Kraftwerke

18 Solarthermisches Kraftwerk Mojave-Wüste / CA mit einer Leistung von 345MW Ausrichtbare Spiegel fokussieren das Sonnenlicht auf den Heliostaten mit einem Absorber, in dem Salz bis zur Verflüssigung auf 1000°C erwärmt wird und dann in einem Sekundär-Kreislauf Wasserdampf für eine Turbine mit nachfolgendem elektrischem Generator erzeugt. ( Quelle:

19 DESERTEC-Projekt: Solarthermie-Kraftwerke in Nordafrika und HGÜ-Übertragung durchs Mittelmeer Parabol-Spiegel mit ölgefüllten Rohren zur Aufnahme der Sonnenwärme Quelle: Desertec-Foundation (HGÜ ~ Hochspannung-Gleichstrom- Übertragung im Kabel)

20 Solares Kochen

21 Solares Kochen in Berlin mit einem entfaltbaren Parabolspiegel ( Durchmesser 1,5 Meter ) und einem Spezial-Kochtopf mit dunkler reflexionsfreier Färbung ( Copyright: G. Penninger) Solares Kochen

22 Photovoltaik

23 Vorderseite Maße 15 x 15 cm 2 Wirkgs.-Grad η = 18 % Rückseite Ag-Streifen-Kontakte über Al-Beschichtung Hochleistungs-Silizium-Solarzelle der Fa. Q-Cells, Thalheim / SA (man erkennt die Mikrokristallite im mc-Silizium; mc ~ multi-kristallin)

24 Prinzip der Silizium-Solarzelle Anti-Reflexions- Schicht SiO 2 n-Silizium p-Silizium Sonnenlicht Verbraucher Silber-Kontakte Die solare Energiewandlung mit der Solarzelle besteht aus drei Schritten: 1.Absorption der Strahlung mit Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren im p-Silizium, 2.Trennung der Elektron-Loch-Paare in der Raumladungszone / RLZ, 3.Wiedervereinigung, nachdem Strom I photo den Verbraucher durchlaufen hat. RLZ I photo Aluminium-Schicht (RLZ ~ Raumladungszone)

25 Mit der Installierung des sten Dünnschichtmoduls wurde das Solar- Kraftwerk Lieberose zur größten Anlage dieser Art in Deutschland und zur zweitgrößten weltweit – die größte steht in Spanien. Bis zum Herbst soll der Park auf Kollektoren wachsen. Dann werden 53 Megawatt installierter Leistung erreicht. Damit lassen sich 53 Millionen Kilowattstunden Strom pro Jahr erzeugen, die für Haushalte oder Menschen reichen. Photovoltaik- Kraftwerk Lieberose 2011 Quelle:

26 Private Energie fürs eigene Haus Netzgekoppelte Solarzellen auf dem eigenen Hausdach führen zu modernem Energie- Management. Der Preis ist im Jahre 2010 : < € / kW „Null-Energie-Haus“ in Wettringen / NRW: auf 40 m 2 beträgt die „Ernte“ 4800 kWh / Jahr

27 Photovoltaik für jedermann PV-Anlage mit 2x28=56 PV-Modulen von jeweils 200W p entspricht der Leistung von 11,2kW Reihenhäuser mit PV-Anlage

28 Wieviele Solar-Module braucht man auf dem Dach des eigenen Hauses, um den Familienbedarf an Elektrizität zu decken? Man ermittelt schnell aus der Stromrechnung den Verbrauch des letzten Jahres. Für eine köpfige Familie sind das ca Kilowattstunden pro Jahr. Dafür benötigt man bis zu 28 Module auf 42 Quadratmetern.

29 In unseren Breiten kann man im Durchschnitt mit folgenden Werten der Energie-Bilanz rechnen: Man nimmt ( )h/a Sonnenstunden pro Jahr an (von insges Stunden pro Jahr also (8...12)%) mit einer Einstrahlung von ( )W/m 2. Dabei gewinnt man ( )kWh/m 2 pro Jahr. Es wird weiter angenommen, dass ein Privat- Haushalt im Mittel ( )kWh/a pro Jahr (~ 1/a; a = annus) verbraucht. Bei ( ) Sonnenstunden pro Jahr benötigt man dann eine PV-Leistung von (3000/ /700)kW = (3,0...5,5)kW. Mit PV-Modulen einer Leistung von 200W auf 1,5m 2 benötigt man (3/0,2....5,5/0,2) Module, also ( )PV-Module mit einer Fläche von (22,5...42)m 2 zur Deckung des Bedarfes an elektrischer Energie. Allerdings verbleibt das Problem, wie man die tagsüber aus Sonnenstrahlung gewandelte Energie bis zum Verbrauch in der Nacht speichert. Derzeit ist nur Netzeinspeisung des Überschusses am Tage und Netzentnahme des Bedarfes in der Nacht möglich. Leistungsfähige und preiswerte Batterien sind noch nicht verfügbar. Dimensionierung von privaten PV-Systemen

30 Wieviel Geld braucht man, um die Photovoltaik-Anlage auf dem eigenen Hausdach zu finanzieren? Für 4000 Kilowattstunden im Jahr benötigt man Solarmodule, die zwischen 3,0kW und 5,5kW leisten. Über 12 Jahre soll die Kaufsumme mit 5% Zinsen abgetragen werden. Trägt sich diese Anlage finanziell selber, wenn man die gesamte Energie ans öffentliche Netz abgibt?

31 Finanzierung der Solarzellen auf dem eigenen Dach Der private Verbraucher zahlt für gelieferte elektrische Energie €0,20/kWh (einschl. aller Nebenkosten) an das Kraftwerk, bei verbrauchten 4000kWh/a entsprechend jährlich ca.€800,00. Finanzierung von Solarzellen-Modulen auf dem privaten Hausdach Wir gehen weiter wie oben angenommen von benötigten (3,0...5,5)kW auf dem Hausdach für den Jahresverbrauch von ( )kWh aus. Mit PV-Modulen einer Leistung von 200W auf 1,5m 2 benötigt man (3/0,2....5,5/0,2) Module, also ( )PV-Module mit einer Fläche von (22,5...42)m 2 zur Deckung der vorgesehenen elektrischen Leistung. 1 Modul / 200W kostet im Jahre 2011 €300,00; also benötigt man eine Kaufsumme von ( )€300,00 = €( ). Bei einer Tilgung über 12a mit einem Zinssatz von 5% zahlt man dafür €( )/a. Beim Verkauf der gesamten elektrischen Leistung erzielt man beim Satz von €0,25/kWh die Jahreseinnahme von €( )/a. Man erkennt, dass man die investierten Mittel auch wieder einnehmen kann.

32 Einnahme 1000€/a Einnahme 750€/a Berechnung der Tilgungszeiten der Jahresraten für die beiden Kapitalien beim Zinssatz von 5% und ihre Verrechnung mit den Einnahmen Ergebnis: für K 1 = 8400€ gelten 12 Jahre als Tilgungsdauer, für K 2 = 4500€ gelten 8 Jahre als Tilgungsdauer. (Berechnung mit mathcad 8) 3,0 kW Leistung mit 4500€ Kapital 5,5 kW Leistung mit 8400€ Kapital getilgt mit 510€/a getilgt mit 950€/a Abzahlungsjahre Jahresrate / €

33 Speicherung der PV-Energie in Akkumulatoren Bezeichnung Aufbau Blei-Akku Bleioxid und Blei mit Schwefelsäure NiCd-Akku Oxy-Nickelhydroxid und Cadmium mit Kaliumhydrid NiMH-Akku Nickel und eine Metall-Legierung Li-Ion-Akku Lithium-Ionen, Lithium-Polymere, Lithium-Metall ++

34 Die Brennstoff-Zelle: Speicherung der Elektrischen Energie in Wasserstoff-Gas H 2 und Sauerstoff-Gas O 2 Kaliumhydroxid-Lösung H2H2 O2O2 Pt Quelle: Prof.Blumes Bildungsserver

35 Honda Solar Car 2010 zur Teilnahme an der Trans-Australien-Rally 22PS Elektromotor mit NiMH-Batterie für 50km Reichweite, Höchstgeschwindigkeit 50 km/h; Preis € Quelle: 2010-exotic-cars.blogspot.com

36 Solarflugzeug Icaré der Universität Stuttgart Am 7. Juli 1996 gewann das Projekt einen Preis für das leistungsfähigste Solarflugzeug. Am Forschungsprojekt Icaré arbeiteten auch Studenten mit, etwa 45 Studien- und Diplomarbeiten wurden im Rahmen der Entwicklung des Flugzeuges geschrieben. Quelle:

37 Bertrand Picard mit seinem Solarflugzeug „Solar Impulse“ 2011 Spannweite 64m / 1,6to; Solarzellen; 4 E-Motoren à 7,35kW; 4 Propeller 3,5mΦ; 4 Li-Akkus à 100kg; 70km/h max.Geschw. / 8500m max. Flughöhe Quelle: buildaroo.com

38 Mission „Mars-Express“ der ESA Nach mehrjährigem Flug trafen drei Mars-Sonden zur Jahreswende 2003/04 am Ziel ein. Im Bilde die ESA-Raumsonde „Mars-Express“ mit der abgelösten Landesonde „Beagle II“. Die bläulichen Solarzellen- Module versorgen die Elektronik und sind bei beiden Sonden deutlich erkennbar. Bild: ESA-Darstellung „the artist´s view “ Landesonde

39 Weltraumstation ISS mit Solarzellen-Segeln Quelle: ISS.de

40 Photovoltaik-Uhr der Fa.Junghans. Parkschein-Automat mit Solarmodul Solarzelle mit 10mW p unter Pigmentfarbe mit 50W p in der Jebensstraße / Bln. Photovoltaik-Systeme in unserer Umgebung

41 Unterschiedliche technische Ausführungen von Solarzellen kristallines und amorphes Silizium III/V-Halbleiter auf Ge II/VI-Halbleiter multikristallines Si (a-Si:H -Serienzelle) (III/V-Stapelzelle) ( CIS- / CIGS-Zelle) (c- und mc-Si-Zelle) (degeneriert im Licht) (u.a. Raumfahrtzelle) einfache Herstellg. η ~ ( )% η ~ ( )% η ~ ( )% η ~ ( )% n-Si p-Si SiO 2 Metall-Kontakt ~ 200μm 0,3μm 0,5μm a-Si:H SnO 2 Al Vinyl-Überzug GaInP 2 GaAs Ge-Substrat Ge-Au-Kontakt npnpnpnpnpnp ARC ZnO ~1,5μm CdS <50nm Cu(In,Ga)Se 2 ~2,0μm Mo ~ 0,3μm Glas ARC Glas Tunnel-Junction

42 4. Indirekte Nutzung der Sonnenstrahlung

43 Windenergie

44 Aufbau einer Bockwindmühle: 1 Bockgerüst, 2 Treppe und Feise, 3 Sterz, 4 Kammrad, 5 Flügelkreuz, 6 Hausbaum, 7 Mehlbalken, 8 Steinboden, 9 Mehlboden, 10 Sattel Bockwindmühle Bockwindmühle in Kottmarsdorf/Sachsen Quelle: wikipedia

45 Windkraft-Anlagen Off-Shore und am Lande Quelle: solar-deutschland.info alpha ventus

46 Welche Leistung erbringt eines der großen Off-Shore-Windräder in der Nordsee? Bei Flügeldurchmessern von über 100 Metern bis zu 2 Megawatt. Zum Vergleich: Heiz-Kraftwerk Reuter/Berlin liefert 600 Megawatt Braunkohle-Kraftwerk Jänschwalde 3000 Megawatt

47 Die Dichte der kinetischen Energie q der Strömung steigt quadratisch mit der Windgeschwindigkeit v an und hängt zudem von der Luftdichte auf der Höhe des Meeresspiegels (ρ=1,2041 kg/m 3 bei 20 °C) ab: Bei einer Windgeschwindigkeit v = 8 m/s beträgt q knapp 40 J/m³ (1kg m 2 /s 2 =1J). Diese Energie wird mit dem Wind herantransportiert. In der freien Strömung weit vor dem Rotor der Windkraftanlage beträgt die Leistungsdichte p ( = Leistung P / Fläche A) dieses Energietransportes im Beispiel also p=320 W/m² (1kg m 2 /s 3 =1W=1J/s). Aufgrund des kubischen Anstiegs der Leistungsdichte p mit der Windgeschwindigkeit v sind windreiche Standorte besonders interessant. q = ρv 2 /2 p = P/A = qv = ρv 3 /2, Abschätzung des Leistungsertrages eines Windrades Der Leistungsbeiwert sagt aus, wieviel Leistung aus der Strömung entnommen werden kann. Bei modernen Anlagen gelten Leistungsbeiwerte von 0,4... 0,5. Von den genannten 320 W/m² sind also bis zu 160 W/m² zu erwarten. Ein Rotor mit 3 Flügeln und mit 125 m Durchmesser (~ m² Fläche) gibt dann annähernd die mechanische Leistung P ~ W = 2,0 MW an die Welle ab. Mithin sind möglichst große Rotoren wünschenswert. (Quelle: Wikipedia „Windkraftanlagen“)

48 Katamaran Sarigerme (Türkei) (Hotel Club Magic Life) Dreimastschoner Mare Frisium Segelschiffe

49 Der Flettner-Rotor

50 Vier Flettner- Rotoren auf einem modernem Schiff im Jahre Durch Rotation der Zylinder im Winde entsteht eine Kraft senkrecht zur Windrichtung, die zur Bewegung des Schiffes genutzt werden kann. Photo Wikipedia Flettner-Rotor

51 Der Magnus-Effekt erzeugt Vorschub mit der Kraft F an einem rotierenden Zylinder senkrecht zur Wind-Strömung mit der Geschwindigkeit V Windgeschwindigkeit Kraft Magnus-Effekt

52 Aufwindkraftwerk (nach Jörg Schlaich) Turm Wärme-Sammlung Turbinen Wärme-Speicherung Tag Nacht kalte Luft warme Luft Anlagengröße im 1-MW-Bereich Aufwindkraftwerk /AWK Prototyp Manzanares / Spanien Das erste kommerzielle Kraftwerk, das Aufwindkraftwerk Buronga, soll in Australien errichtet werden. Der Kamin soll 1000 m hoch sein, einen Durchmesser von 130 m haben und von einem 38 km² großen Kollektor (7 km Durchmesser) umgeben sein. Die Maximalleistung ist mit 200 MW geplant. Wärme-Sammlung Funktion: Im Kollektor-Bereich erwärmt sich die Luft und steigt im Kamin auf. Am Fuße des Kamins werden Turbinen durchströmt.

53 Hybridkraftwerk Prenzlau / Brandenburg Quelle: Der Tagesspiegel Ein Hybridkraftwerk in Brandenburg vernetzt gleich drei Energiequellen: Wind, Biogas und Wasserstoff. Durch Windkraft wird Elektrizität produziert, mit deren Hilfe aus Wasser Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden. Der gespeicherte Wasserstoff dient mit Biogas versetzt als Antrieb für Turbinen und Generatoren. Damit soll eines der großen Probleme regenerativer Energiequellen gelöst werden, die bislang unzureichende Speicherbarkeit elektrischer Energie in Akkumulatoren.

54 Wasserkraft

55 Pumpspeicher-Kraftwerk im Hengstey-See bei Herdecke (153MW)

56 Pumpspeicherkraftwerk Waldeck an der Eder-Talsperre Höhenunterschied zur Talsperre 280m Maximal-Leistung 600MW Leeres Oberbecken Prinzip

57 Gezeitenkraftwerke Die Anziehungskräfte (Gravitationskräfte) der Sonne und des Mondes auf die Erde bewirken zusammen mit der Fliehkraft (Zentrifugalkraft), die auf die Wasserteilchen infolge der Rotation des Gestirnsystems (der Planeten) einwirkt, dass es an den Küsten der Erde zu Gezeiten kommt, zu Hoch- und Niedrigwasser (Flut und Ebbe). Der Höhenunterschied, der sogenannte Tidenhub, kann zur Stromerzeugung genützt werden. bei Flut bei Ebbe (aus: T. Hunger „Dezentrale Energieversorgung“) Tidenhub

58 Solare Architektur

59 ...Wir brauchen den Einstieg in ein ganz neues System von Energieeffizienz und hundert Prozent Erneuerbaren Energien. Das Plusenergie- Gebäude, das mehr Energie erzeugt als verbraucht, das Haus als dezentrales Kraftwerk ist das Ziel... Rolf Disch 2011

60 Biomasse-Verflüssigung

61 Die wichtigsten Schritte des BtL-Herstellungsverfahrens sind die Vergasung der Biomasse, bei der das sogenannte Synthesegas erzeugt wird, sowie dessen anschließende Verflüssigung nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren und Destillation. Als Endprodukt können Kraftstoffe erzeugt werden, die sich zwar chemisch von konventionellen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel unterscheiden, aber ebenfalls in Otto- oder Dieselmotoren verwendet werden können. Biokraftstoff Ertrag /ha Kraftstoff- äquivalenz/l [1] Kraftstoffäqui- valent pro Fläche [l/ha] Preis [cent] [3] Preis- Kraftstoff- äquivalent [cent/l] Fahr- leistung [km/ha] Pflanzenöl (Rapsöl) 1590l [2] 0, ,1/l (11/2009)102, [5] Biodiesel (Rapsmethylester) 1550l [4] 0, ,9/l (KW 49/2009) 118, [5] Bioethanol (Weizen) 2760l [2] 0, ,2/l (11/2009)133, [5] Biomethan 3540 kg [4] 1, /kg (06/2008)66, BtL 4030l [4] 0,97 [6]3909nicht am Marktunbekannt l Biokraftstoff bzw. 1 kg Biomethan entspricht dieser Menge konventionellen Kraftstoffs 2. ohne Nebenprodukte 3. Preis für die Menge Biokraftstoff, die äquivalent zu 1 l konventionellem Kraftstoff ist 4. separate Berechnung, nicht auf den anderen Daten basierend 5. mit Biomethan aus Nebenprodukten Rapskuchen/Schlempe/ Stroh 6. auf Basis von FT-Kraftstoffen Biomasse-Verflüssigung / BtL (engl. biomass to liquid) zur Kraftstoff-Erzeugung

62 BtL-Produktionsablauf und benötigte Rohstoffe (BtL ~ engl. biomass to liquid) Stroh, Holz u.a. Vergaser (~800°C) Gasreinigung Verflüssigung (25bar) Destillation H2OH2O H2OH2O O2O2 Staub; CO 2 BtL

63 n CO + (2n+1) H 2 → C n H 2n+2 + n H 2 O n CO + 2n H 2 → C n H 2n + n H 2 O n CO + 2n H 2 → C n H 2n+1 OH + (n-1) H 2 O BtL-Verfahren der Kohle-Hydrierung Die Kohlehydrierung ist eine Aufbaureaktion von CO/H 2 -Gemischen mit metallischen Katalysatoren zu Paraffinen und Alkoholen. Die Reaktion findet bereits bei Atmosphärendruck und bei einer Temperatur von 160 °C °C statt, technisch werden je nach Verfahren höhere Drücke und Temperaturen verwendet. Die Synthese verläuft nach folgendem Reaktionsschema ab unter Bildung organischer Verbindungen: Eine Fischer-Tropsch-Anlage mit mehreren Reaktoren benötigt pro Stunde etwa m 3 Synthesegas und stellt dabei pro Jahr etwa t Kohlenwasserstoffe her. Die typische BtL-Zusammensetzung der Synthese enthält rund 15% Flüssiggase (Propan und Butan), 50% Benzin, 28% Dieselöl, 5% Weichparaffine und 2% Hartparaffine. Das Verfahren ist für die großtechnische Produktion von Benzin und Ölen aus Kohle, Erdgas oder Biomasse von erheblicher Bedeutung. Das Verfahren wurde 1925 von Franz Fischer und Hans Tropsch am Kaiser- Wilhelm-Institut für Kohleforschung in Mülheim/Ruhr erfunden. Derzeit entwickelt die Fa. CHOREN (Freiberg/SA) dazu ein industrielles Verfahren. (Quelle:wikipedia ) n = Alkane: Alkene: Alkohole:

64 Bei der Kohle-Hydrierung werden folgende homologe Reihen von Kohlenwasserstoffen erzeugt: Alkane oder Parafine: C n H 2n+2 Methan CH 4 ; Ethan C 2 H 6 ; Propan C 3 H 8 ; Butan C 4 H 10 ; Pentan C 5 H 12 Alkene oder Olefine: C n H 2n (Methylen CH 2 ); Ethen C 2 H 4 ; Propen C 3 H 6 ; Buten C 4 H 8 ; Penten C 5 H 10 Alkohole: C n H 2n+1 OH Methanol CH 3 OH; Ethanol C 2 H 5 OH; Propanol C 3 H 7 OH; Butanol C 5 H 9 OH Es gilt jeweils n = (je nach Betriebsparametern) Bezeichnungen der Kohlenwasserstoffe beim BtL-Prozess

65 Photosynthese für Bio-Diesel

66 Blaualgen als Basis für Bio-Diesel Im allgemeinen Sinn bezeichnen Algen im Wasser lebende pflanzenartige Lebewesen, die Photosynthese betreiben, jedoch nicht zu den eigentlichen Pflanzen gehören Blaualgen, lat. Cyanophyceen, besitzen keinen Zellkern und stehen den Bakterien näher als den Algen. Meist kommen die verschiedenen Arten der Blaualgen im Süßwasser vor, einige Arten leben im Meer. Die Blaualgen gehören zu den lästigsten Algenarten, die u.a. im Aquarium vorkommen können. Die Farben der Blaualgen variieren dabei von einem Braungrün, über Blaugrün bis hin zu Dunkelgrün. Viele Wissenschaftler in verschiedenen Ländern haben sich jetzt einer neuen Aufgabe gestellt und führen umfangreiche Experimente und Forschungen durch, damit aus Blaualgen Bio-Diesel entstehen kann. Dabei erhält man pro Fläche mit Algen-Becken 8mal soviel Bio-Diesel wie aus Mais-Anbau und vergeudet gleichzeitig keine Nahrungsmittel. (Zitat Wolfgang Scheidle)

67 (Der Spiegel 30 / 2011; p.105) (Firmengruppe Sapphire/Monsanto/Linde) Bio-Diesel aus Algen

68 Menschliche und tierische Nahrungsmittel wie Raps und Getreide sollten nicht als Ausgangsstoffe für Bio-Treibstoff dienen.

69 5. Geothermie

70 Nutzung der Geothermie

71 Temperaturen in der Erdkugel Temperaturen Tiefe Geothermie und Temperatur-Verteilung in den Schichten der Erdkugel Herkunft der Wärme: Geothermie stammt zum Teil (30–50 Prozent) aus Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung, zum anderen (50–70 Prozent) aus radioaktiven Zerfallsprozessen, die in der Erdkruste seit Jahrmillionen kontinuierlich Wärme erzeugt haben und heute noch erzeugen. 4000°C 5000°C 1000°C 2000 km 4000 km 6400 km

72 Geothermie in Deutschland Aquifer-Nutzung in Deutschland: Übersicht über Gebiete, die für hydrogeothermische Nutzung möglicherweise geeignet sind: Regionen mit Aquiferen, deren Temperatur über 100 °C (rot), bzw. über 60 °C (gelb) beträgt. 100 °C ist für eine Stromerzeugung, 60 °C für die direkte Wärmenutzung erforderlich (Aquifer ~ wasserführende Schicht) (Quelle: Energie aus der Tiefe: Geothermie von Rüdiger Schulz)

73 Geothermie im Alpenvorland Angaben in Metern

74 6. Anteile der Erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch sowie der Vergleich der einzelnen Typen Erneuerbarer Energien untereinander.

75 Anteile Erneuerbarer Energie am Strom-Mix in Deutschland 2010 Agentur für Erneuerbare Energien

76 (Quelle: internal audit) Potentiale regenerativer Energien in Deutschland (in TWh/a) Wasserkraft Wind Photovoltaik Biomasse Ist-Stand Potential

77 Bewertung der einzelnen Typen Erneuerbarer Energie 1. Photovoltaik arbeitet ohne Zwischenmedium. Allerdings ist ihre Technologie aufwendig und teuer. Ohne Vereinfachung und Verbilligung ihrer Herstellung kann sie aus heutiger Sicht Kern- oder Kohle-Kraftwerke nicht ersetzen. Weiterhin bedarf es künftig preiswerter und effizienter Speichertechnik (Batterien, Wasserstoff u.a.). Für Sonderanwendungen (lokale Versorgungen; Satelliten; Uhren u.s.w.) ist ihre Bedeutung schon heute unbestritten. 2. Solarthermie besitzt auf Grund ihrer Einfachheit alle Vorteile einer künftigen Großtechnologie und könnte Kraftwerke ersetzen, wie es sich im Projekt DESERTEC bereits andeutet. 3. Wind- und Wasserkraft werden auch in Zukunft ihren Rang behalten und substantiell in großem Maßstab zur Energieversorgung der Welt beitragen. 4. Die chemischen Verfahren, mit Hilfe biologischer Substanzen Treibstoff zu gewinnen, werden an Bedeutung zulegen. Zu diesen Technologien zählt derzeit in erster Linie die Gewinnung von BtL-Treibstoff aus biologischem Abfall. Das neuerdings bekannte Verfahren, aus Blaualgen Bio- Treibstoff zu gewinnen, wird an Bedeutung zunehmen. Die Bedeutung, aus Futter- und Getreide-Pflanzen Treibstoff zu erzeugen, wird - hoffentlich - abnehmen.

78 Die ppt-Folien können abgerufen werden unter: themen auf der Homepage der BBAW / Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften Stichwort „Themen“ unter „Akademievorträge an brandenburgischen Schulen“ „Erneuerbare Energien“ November 2011


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