Chancen und Grenzen der Energieverwertung : Physikalische Grundlagen und Technologien

In diesem Band ist ein Gesamt-Überblick über den State-of-the-Art der Energiediskussion, eine Komplettdarstellung aller Technologien und deren physikalische Grundlagen​ für Praktiker und interessierte Leser mit Grundkenntnissen gegeben. Der erste Teil bietet eine Basis für alle Lesergruppen. Als Grundlagen der Energieverwertung werden Energiebilanzen, die durch die Hauptsätze der Thermodynamik bestimmt werden, atom- und kernphysikalische Vorgänge, sowie die Gesetze der Strömungsmechanik und des Elektromagnetismus vorgestellt. Die daraus resultierenden Technologien wie Dampfkraftanlagen, Solar- und Windenergie, Wasserkraft, Biomasse und Erdwärme werden erörtert. Schließlich erfolgt ein Ausblick auf zukunftsweisende Projekte wie Kernfusion, Brennstoffzelle. Smart-Energy-Konzepte, Geschäftsmodelle und Aspekte der Datensicherheit sind ebenfalls besprochen. Auf die Rolle von Energiebilanzen beim Climate Engineering wird abschließend eingegangen. Vorwort 6 Inhaltsverzeichnis 8 1 Einführung 13 2 Energiebilanzen 18 2.1 Energievorräte 18 2.2 Grundlagen der Thermodynamik 20 2.2.1 Einleitung 20 2.2.2 Energie 20 2.2.3 Temperatur 22 2.2.3.1 I. Hauptsatz der Thermodynamik 25 2.2.3.2 II. Hauptsatz der Thermodynamik 26 2.2.4 Exergie und Anergie 30 2.2.5 Energiebilanz allgemein 33 2.2.5.1 Energiebilanzen vollständig 33 3 Physikalische Grundlagen der Energieumwandlung 35 3.1 Elektromagnetismus 35 3.1.1 Einleitung 35 3.1.2 Ladung 35 3.1.3 Strom und Spannung 37 3.1.4 Gleichstrom 38 3.1.5 Magnetismus 41 3.1.6 Elektromagnetismus 41 3.1.7 Wechselstrom 44 3.1.8 Maxwellsche Gleichungen 46 3.1.9 Transformator 47 3.2 Strömungsmechanik 48 3.2.1 Einleitung 48 3.2.2 Flüssigkeiten 49 3.2.2.1 Definition 49 3.2.2.2 Druck 50 3.2.2.3 Auftrieb 51 3.2.2.4 Strömung 51 3.2.2.5 Bewegungsgleichungen 53 3.2.2.6 Die Eulersche Turbinengleichung 54 3.3 Atomphysik 55 3.3.1 Einleitung 55 3.3.2 Der Photoeffekt 56 3.3.2.1 Der äußere Photoeffekt 58 3.3.2.2 Der innere Photoeffekt 59 3.3.3 Der Compton-Effekt 60 3.3.4 Materiewellen 63 3.3.5 Atommodelle 64 3.3.5.1 Frühe Atommodelle 64 3.3.5.2 Spektren 66 3.3.6 Quantenzahlen 68 3.3.7 Der Atomkern 70 3.3.7.1 Periodensystem 70 3.3.7.2 Starke Wechselwirkung 72 3.3.7.3 Aufbau des Atomkerns 72 3.3.7.4 Kernmodelle 73 3.3.7.5 Tröpfchenmodell 74 3.3.7.6 Das optische Modell 76 3.3.8 Radioaktivität 76 3.3.8.1 Zerfallsgesetz 79 3.3.9 Kernphysikalische Reaktionen 82 3.3.9.1 Absorption 84 3.3.9.2 Moderation 84 4 Formen der Energiegewinnung 85 4.1 Dampfkraftanlagen 85 4.1.1 Einleitung 85 4.1.2 Kohle 85 4.1.3 Gas 86 4.1.4 Öl 87 4.1.5 Wärme- und Verbrennungskraftanlagen: Ursprung der Brennstoffe 87 4.1.6 Kernenergie 88 4.1.6.1 Charakteristika von Reaktoren 89 4.2 Solarkraftwerke 90 4.2.1 Parabolrinnenkraftwerke 91 4.2.2 Photovoltaik 91 4.2.3 Solarenergie: Ursprung 92 4.3 Windkraft 92 4.3.1 Einleitung 92 4.3.2 Umsetzung 94 4.3.3 Windenergie: Ursprung 96 4.4 Biomasse 96 4.4.1 Verbrennungstechnologie 98 4.4.2 Der Verbrennungsprozess 99 4.4.3 Brennstoffe 101 4.4.4 Die Erzeugung von Strom und Wärme 101 4.4.5 Biomasse: Ursprung 102 4.5 Biogas 102 4.5.1 Technologische Voraussetzungen 104 4.6 Erdwärme 105 4.6.1 Einleitung 105 4.6.2 Wärmepumpensysteme 106 4.6.3 Erdwärmekraftwerke 107 4.6.4 Erdwärme: Ursprung 108 4.7 Wasserkraft 108 4.7.1 Einleitung 108 4.7.2 Speicherkraftwerke 109 4.7.3 Wasserkraft: Ursprung 110 4.8 Regenkraftwerke 110 4.8.1 Hintergrund 110 4.8.2 Konzept 110 4.9 Kraft-Wärme-Kopplung 111 4.10 Gezeitenkraftwerke 112 5 Speichertechnologien 114 5.1 Übertragungsverluste 114 5.1.1 Spannungsebenen 114 5.1.2 Leitungsverluste 115 5.2 Speicher 115 5.2.1 Blei-Säure-Batterien 116 5.2.2 Lithiumionenbatterien 116 5.2.3 Lithium-Schwefel-Batterien 116 5.2.4 Lithium-Luft-Batterien 116 5.2.5 Natrium-Hochtemperatur-Batterien 117 5.2.6 Redox-Flow-Batterien 117 6 Zukunftsweisende Ansätze 118 6.1 Kernfusion 118 6.1.1 Herausforderungen 119 6.1.2 Technische Fragen 120 6.1.3 Der Stellarator 120 6.2 Brennstoffzelle 122 7 Smart Energy 124 7.1 Einleitung 124 7.2 Die Smart-Energy-Vision 124 7.3 Digitale Zähler 126 7.4 Smart Grid 127 8 Climate Engineering 128 8.1 Standortbestimmung 128 8.2 Problemstellung 129 8.3 Gezielte Eingriffe in das Klimasystem 130 8.3.1 Technologien zur ursächlichen Rückführung 130 8.3.2 Technologien zur symptomatischen Kompensation des Klimawandels 130 8.3.3 Diskussionsstand 131 8.3.3.1 Folgen und Vorhersagbarkeit 132 8.3.4 Rechtsrahmen 133 8.3.4.1 Konfliktpotenzial 133 8.3.4.2 Institutionelle Einbindung 133 8.3.5 Kosten 133 8.3.6 Ansätze 134 8.4 Konkrete technologische Maßnahmen 135 8.4.1 Ausgangspunkt 135 8.4.2 Möglichkeiten der Beeinflussung 135 8.4.3 Reduktion der Einstrahlung 135 8.4.3.1 Erhöhung der Reflexion von Sonnenstrahlung 136 8.4.3.2 Erhöhung der thermischen Ausstrahlung 138 8.4.4 Stand der Technik 140 8.4.5 Nebenwirkungen 141 8.5 Physikalische Hintergrundbetrachtungen 141 8.5.1 Energiebilanzen 141 8.5.2 Chaos 141 8.5.3 Feinabstimmung 142 8.6 Zusammenführung 143 8.6.1 Irreversibilität 143 8.6.2 Argumente 144 8.6.3 Risikoanalyse 144 8.7 Referenzrahmen 145 8.8 Ethik 146 8.9 Schluss 147 Weiterführende Literatur 147 Sachverzeichnis 148 In diesem Band der Reihe werden die physikalischen Grundlagen der Energieumwandlung erklärt. Er fällt bewusst durch einen lehrbuchartigen Charakter auf und will Nicht-Physikern ein Informations- und Nachschlagewerk für naturwissenschaftliche Grundlagen, angewandte sowie zukunftsweisende Technologien sein. So bietet er einen verständlichen Gesamtüberblick über alle Technologien und den State-of-the-Art in der Energiediskussion inklusive Climate Engineering. Unter den besprochenen Technologien befinden sich die klassischen Dampfkraftanlagen, die Kernenergie, Solarenergie, Windkraft, Biomasse und Biogas, Erdwärme und Wasserkraft sowie Gezeiten- und Regenkraftwerke und KWK-Anlagen. Als Zukunftstechnologien werden Kernfusion und Brennstoffzelle diskutiert, Technologien zur Energiespeicherung sind ebenfalls erläutert. Über 70 Abbildungen ergänzen die Ausführungen. Der Inhalt · Energiebilanzen · Grundlagen der Energieumwandlung · Formen der Energiegewinnung · Speichertechnologien · Zukunftsweisende Ansätze Die Zielgruppe · Studierende, Dozenten und Akademiker aus nicht-physikalischen Fachgebieten · Entscheidungsträger in Wirtschaft und Politik mit interdisziplinärem Interesse · Wissenschaftsjournalisten Der Autor Dr. Wolfgang Osterhage war lange Zeit als Berater für die OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development), die Internationale Energiebehörde IEA sowie für Energieversorgungsunternehmen tätig. Er ist Lehrbeauftragter an der Johann Wolfgang Goethe Universität Frankfurt am Main Front Matter ....Pages I-XI Einführung (Wolfgang Osterhage)....Pages 1-5 Energiebilanzen (Wolfgang Osterhage)....Pages 7-23 Physikalische Grundlagen der Energieumwandlung (Wolfgang Osterhage)....Pages 25-74 Formen der Energiegewinnung (Wolfgang Osterhage)....Pages 75-103 Speichertechnologien (Wolfgang Osterhage)....Pages 105-108 Zukunftsweisende Ansätze (Wolfgang Osterhage)....Pages 109-114 Smart Energy (Wolfgang Osterhage)....Pages 115-118 Climate Engineering (Wolfgang Osterhage)....Pages 119-138 Back Matter ....Pages 139-143 In diesem Band ist ein Gesamt-UEberblick uber den State-of-the-Art der Energiediskussion, eine Komplettdarstellung aller Technologien und deren physikalische Grundlagen fur Praktiker und interessierte Leser mit Grundkenntnissen gegeben.