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E-Book

Elektrischer Strom

Gestehung, Übertragung, Verteilung, Speicherung und Nutzung elektrischer Energie im Kontext der Energiewende

AutorAndreas Burkert, Herbert Niederhausen
VerlagSpringer Vieweg
Erscheinungsjahr2014
Seitenanzahl786 Seiten
ISBN9783834824936
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis119,99 EUR

In anschaulicher Weise vermittelt das Buch einen umfassenden Über- und Einblick in das Spektrum und die Komplexität der Stromgestehung, -verteilung, -speicherung und -nutzung. Es werden der aktuelle Stand und die Prinzipien jetziger sowie künftiger Möglichkeiten der Umwandlung fossiler, regenerativer, nuklearer Primärenergieträger in Strom aufgezeigt und aus technischer, physikalischer sowie gesellschafts- und wirtschaftspolitischer Sicht behandelt. Geschrieben ist es für Interessierte, die über mögliche Konvertierungstechniken der Primärenergieträger in Elektroenergie und ihre Übertragung ihr Wissen erweitern möchten. Graphiken fördern das Verständnis, wogegen auf mathematische Ableitungen verzichtet wird. Kritik äußernde Betrachtungen die Autoren ermöglichen dem Leser eine differenzierte Auseinandersetzung mit dem Thema und eigene Meinungsbildung.



Herbert Niederhausen absolvierte zwei Vollstudiengänge in den Ingenieurwissenschaften: Elektrische Energietechnik, Allgemeine Elektrotechnik/Mess-, Steuer- und Regelungstechnik. Tätigkeit als Diplomingenieur in der industriellen Forschung und Entwicklung und in der Inbetriebsetzung im Fachbereich Leittechnik bei Groß- und Industriekraftwerksneubau.

Andreas Burkert studierte Elektrotechnik mit Schwerpunkt Hochfrequenztechnik. Tätigkeit als Diplomingenieur in der Kabelforschung bei Siemens. Heute arbeitet er als Journalist und Fachautor.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis8
Teil I Vorbetrachtungen18
Teil II Themen24
1 Was ist Energie?25
1.1 Energie – Das Phänomen28
1.2 Energie – Alles in Ordnung?29
1.3 Temperatur ist keine Wärme32
2 Elektroenergie33
2.1 Elektroenergiesysteme33
2.1.1 Struktur der Drehstromnetze34
2.1.2 Das elektrische Verbundsystem38
2.2 Transport und Übertragung elektrischer Energie40
2.2.1 Hochspannungs-Drehstromübertragung40
2.2.2 Freileitungen versus Erdkabel41
2.2.3 Hochspannungs-Gleichstromübertragung54
2.2.4 Blindleistungskompensation63
2.2.5 Versorgungszuverlässigkeit, -Sicherheit und Verfügbarkeit68
2.2.6 Technische Sicherheit der Kernkraftwerke in Deutschland106
2.2.7 Versorgungssicherheit mit Kernbrennstoffen118
2.2.8 100 % Strom aus „Erneuerbaren“ – Vision oder Fiktion?125
3 Stromeinspeisung133
3.1 Alles vernetzt133
3.2 Smart Grid, Smart Meter, Smart Home und virtuelles Kraftwerk138
3.2.1 Definition des Begriffs „Smart Grid“138
3.3 Hierarchie der Smarten141
3.3.1 Supersmart Grid141
3.3.2 Supergrid143
3.3.3 Smart Grid144
3.3.4 Smart Meter und Smart Home144
3.3.5 Smart Grain149
3.3.6 Virtuelles Kraftwerk150
3.3.7 Hybridkraftwerk151
3.3.8 Smarts und Virtuelle153
3.3.9 Digitalsignalzeitalter und Datenmenge156
3.4 Erneuerbare: Gibt es einen Plan B für die Versorgungssicherheit?156
4 Energiespeicherung159
4.1 Pumpspeicherkraftwerke159
4.1.1 Strom von der Sohle, Strom vom Turm163
4.1.2 Strom von der Halde164
4.1.3 Strom von der Kante164
4.1.4 Strom von der Wasserstraße164
4.1.5 Strom aus dem Pool165
4.1.6 Strom vom Poller168
4.1.7 Strom vom Pressluftballon169
4.1.8 Strom vom Dampfspeicher170
4.2 Kosten der Speicherung170
4.3 Derzeit technische Möglichkeiten der Elektro-Energiespeicherung172
4.3.1 Die chemischen Elemente173
4.3.2 Etwas zur Speicherkapazität176
4.3.3 Redox-Flow-Akku177
4.3.4 Doppelschichtkondensator178
5 Elektromobilität179
5.1 Ladekonzepte180
5.2 Oberleitung über der Autobahn181
5.3 Kleiner Rückblick in die Historie der E-Mobilität182
5.4 Lithium-Ionen-Akku – Spannnung aus Salzen185
5.4.1 Polymerer Zinn-Schwefel-Lithiumionen-Akku187
5.4.2 Lithium-Luft-Akku187
5.5 H2-Speicherung und mehr187
5.6 Schlaglöcher – Die induzierenden Energiequellen189
6 Szenarien und Prognosen für unsere Elektro-Energieversorgung190
6.1 Szenarien im EU-Energiefahrplan 2050191
6.2 Die ethische Komponente des „Atomausstiegs“192
7 Nachhaltigkeit der elektrischen Energieversorgung196
7.1 Perspektiven der Solar- und Windenergie für eine nachhaltige Energieversorgungin Deutschland196
7.1.1 Anforderungen an nachhaltige Energiesysteme196
7.1.2 Nachhaltigkeit verschiedener Stromerzeugungssysteme198
7.2 Kumulierter Energieaufwand199
7.2.1 Materialaufwand200
7.2.2 Kumulierte Emissionen201
7.3 Gesundheitsrisiken202
7.4 Gesamtwirtschaftliche Kosten203
8 Daseinsvorsorge im Dilemma206
8.1 Arbeitsplätze – Das Totschlagargument209
8.2 Statistikeffekt: Energieeffizienzziel erreicht212
9 Die CO2- bzw. Klimaneutralität für die Atmosphäre213
9.1 Diskriminierung passée219
9.2 Die Klimakontroverse221
9.2.1 %, ‰, ppm, ppb, ppt und CO2-Gehalt im Vergleich223
9.3 Kein Recht auf billige Energie225
9.4 Wetterrekorde und Klimawandel225
10 Die Bürde der Kohle – oder … ?227
10.1 Das Kreuz mit den CO2-Emissionen227
10.2 „Schmutziger“ Strom – Heiß begehrt228
10.3 Ein Kreuz mit der Kohle – …? Oder?229
10.4 Inkohlung231
10.5 Kunststoff aus CO2?232
11 Die alten „Erneuerbaren“233
11.1 Wasserkraftwerke233
11.1.1 Wasserkraft, die Rauschende233
11.1.2 Wasserkraftwerke im Öko-Blickpunkt236
11.2 Energie aus Fließwasser237
11.2.1 Laufwasserkraftwerke237
11.2.2 Flusswasser-Kraftwerk alias Schiffmühle238
11.2.3 Senkkasten-Kraftwerk240
11.2.4 Drallströmungs-Wasserrad241
11.3 Turbinenbauarten – Kleine Typenkunde242
11.3.1 Kaplanturbine242
11.3.2 Francisturbine242
11.3.3 Peltonturbine243
11.3.4 Ossberger-Turbine244
11.3.5 Cink-Banki-Turbine244
11.3.6 Dériaz-Turbine244
11.3.7 Turgo-Turbine245
12 Die neuen „Erneuerbaren“246
12.1 Energie aus Unterwasser-Strömung246
12.1.1 Energie aus gleichbleibender Strömungsrichtung –Strom aus der Strömung246
12.1.2 Energie aus reversierender Strömung248
12.1.3 Energie aus Wasserwellen252
12.2 Solarenergieanlagen: Solarkraft, die Elektrisierende270
12.2.1 Photovoltaikanlagen: Alternativ, additiv, subtraktiv?270
12.3 Sonnenstrom aus der Wüste300
12.3.1 DESERTEC? – War was?307
12.3.2 DESERTEC? – Ist doch was?309
12.3.3 Desert Power 2050310
12.4 Die Nutzung des Windes313
12.4.1 Evolution313
12.4.2 Energie und Leistung im Wind316
12.4.3 Effizienz einer Windenergieanlage319
12.4.4 Energiegenerierung323
12.4.5 Rechnerische Abschätzung des Energieertrages323
12.4.6 Energie weggeblasen325
12.4.7 Von Growian zu Berwian331
12.4.8 Aus Verlust zu Gewinn durch Faktor 10 – Gewinn aus Verlust332
12.4.9 Aufwindkraftwerke – Strom aus dem Kamin332
12.4.10 Fallwindkraftwerke – Strom fällt vom Himmel334
12.4.11 Fliegende Kraftwerke –Strom durch Drachen,Strom vom Aeroplane336
12.5 Windenergieanlagen (WEA) – Daten, Fakten 2011338
12.5.1 Statistik338
12.5.2 Windenergieanlagen (WEA) – Daten, Fakten 2012352
12.5.3 Die externen Kosten, Vermeidungsgrenzkosten,Grenzschadenskosten352
12.5.4 Subventionierungplus353
12.5.5 „Windstrom“ ist weniger wertvoll355
12.5.6 Umweltschutz, Ressourcenschutz357
12.5.7 Hölzerne Riesen359
12.5.8 Recycling der Rotorblätter359
12.5.9 Onshore-Windenergieanlage (WEA) versus Braunkohlekraftwerk (BKW) – Eine vergleichende Betrachtung360
12.5.10 Offshore-Windenergieanlage (WEA) versus Braunkohlekraftwerk (BKW) – Eine vergleichende Betrachtung361
12.5.11 WEA: Materialmasse, Investitions- und Rückbaukosten,Erntefaktor363
12.5.12 Energetische Amortisation auf der Basis des BIP365
12.5.13 Exkurs: Offshore-Windpark367
12.5.14 Leistungskredit der WE-Anlagen382
12.5.15 Seltene Erden – Seltenerdmetalle383
12.5.16 Neodym – Aus der Tiefe in die Höhe386
12.6 Der Paradigmenwechsel – Von der Windenergieanlagehin zum Windenergie-Kraftwerk389
12.6.1 Das Getriebeproblem396
12.6.2 Zweiblattrotoren im Windenergieanlagen-Bouquet405
12.6.3 Einblattrotoren – Die Minimalisten406
12.7 Geothermie-Kraftwerke407
12.7.1 Erdwärme – hydrothermal und petrothermal erschlossen407
12.7.2 Erdwärme und Rankine-Prozess409
12.7.3 Erdwärme und Kalina-Prozess410
12.7.4 Kraft-Wärme-Kopplung412
12.7.5 Kraft-Wärme-, Wärme-Kraft-Kopplung und Dampfexpansionsmotor413
12.8 Biomasse-Kraftwerke416
12.8.1 Biomasse416
12.8.2 Die CO2-Neutralität der Biomasse – Eine zeitgemäße schöne Mär418
12.8.3 Strom mit virtuellem Wasser – Betrachtungen zu Biomasseund Biomüll420
13 Die Etablierten424
13.1 Kohlekraftwerke424
13.1.1 Kraftwerk mit Kohleverbrennung424
13.1.2 Kohlevergasung statt Kohleverbrennung427
13.1.3 CO2-Abtrennung und -Sequestrierung429
13.2 Gaskraftwerke436
13.3 GuD-Kraftwerke437
14 Auf Bewährung442
14.1 Brennstoffzelle – Der Edelstein442
14.2 Brennstoffzellen-Typen444
14.3 Etwas zur Historie der Brennstoffzelle446
14.4 Die Brennstoffzellen in Gegenwart und Zukunft446
14.4.1 Gut Ding will Weile haben447
14.5 Stirling-Motor448
15 Nuklearkraftwerke450
15.1 KKW-Generationen und Technologieentwicklungen450
15.1.1 Globale Brückentechnologie452
15.1.2 Technisch fortschrittliche Nuklearkraftwerkstechnologien453
15.1.3 Zukunft der Kernkraftwerke460
15.1.4 Lange Restlaufzeit nach dem Ausstieg465
15.2 Leichtwasserreaktoren469
15.2.1 Spalten, solange die Kette hält469
15.2.2 Naturreaktor von Oklo470
15.2.3 Die Kernspaltung471
15.2.4 Die natürliche Kontrolle: Der Moderator Wasser472
15.2.5 Die technische Kontrolle: Leistungsregelung beim SWR472
15.3 Uran – Der Kernspaltstoff474
15.3.1 Urangestehung474
15.3.2 Anreicherung von Uran-235474
15.3.3 Herstellung von Brennelementen475
15.3.4 Stoffflusskette475
15.4 Betrachtungen zu Energiegehalten477
15.4.1 Nachwärme478
15.5 Transmutationsreaktor479
15.5.1 Transmutation479
15.6 Partitionierung482
15.6.1 Kernspaltung ohne selbsterhaltende Kettenreaktion – Der Einstieg483
15.7 Spallation484
15.7.1 Funktionsprinzip der Spallation485
15.8 Fusionsreaktoren485
15.8.1 ITER488
15.8.2 Stellarator490
15.8.3 Kernfusion im Reaktor im Zeitraffer491
15.9 Brennstoffbedarf eines 1.000-MW-Kraftwerks pro Jahr492
16 Radioaktivität493
16.1 Alles kommt raus493
16.1.1 Die Dosis macht's495
16.2 Radiologie497
16.2.1 Die verunsichernde Vielfalt497
16.2.2 Zur Begrifflichkeit DOSIS497
16.2.3 q-FAKTOR499
16.2.4 Ionisierende Strahlung – Becquerel und Verwandtschaft499
16.3 Unser Leben mit der Radioaktivität500
16.4 Strahlen-Exposition504
16.5 Radioaktiver Zerfall, Zerfallskonstante, Halbwertszeit505
17 Entsorgungssicherheit – Lagerung von radioaktiven Produkten509
17.1 Konditionierung513
17.2 Nukleares Recycling514
17.3 CASTOREN und ihr Innenleben516
17.4 Spezialisten für alle Fälle517
17.5 „Endlagerung“ in Salz, Granit oder Ton?518
17.5.1 Schaufensterpolitik521
17.5.2 „Endlagerung“ im Salz522
17.6 „Endlager“? Unnötig!526
18 Erdbeben – eine Abschätzung der seismischen Energie527
19 Die „Energiewende“ – fünf Betrachtungen530
20 Nachhaltige Energiewirtschaft549
20.1 Stromwirtschaft versus Wasserstoffwirtschaft549
20.2 Wasserstoffwirtschaft versus Stromwirtschaft550
20.3 Echt und unecht in der Gegenüberstellung552
20.4 Die Energie-Effizienzen im Vergleich552
20.5 Wende? – Woran hapert's?553
20.6 Ausblick554
21 Energetische Autarkie555
21.1 Wirkungsgrad, Erntefaktor, Nutzengrad555
21.2 Windenergieanlage (WEA) versus Kernkraftwerk (KKW)556
Teil III Nachbetrachtung558
Teil IV Anhang562
A1 Physikalische Größen563
A2 Umrechnungstabelle einiger Energie-Maßeinheiten565
A3 Griechisches Alphabet566
A4 Zehnerpotenzen und Vorsatzsilben567
A5 Energieformen568
A6 Die Axiome der Thermodynamik571
A7 Konversionstabelle (basierend auf IEA-Umrechnungsfaktoren)577
A8 Konversionsfaktoren in der Gaswirtschaft577
A9 Eigenschaften gasförmiger Energieträger578
A10 Kraftstoffe für Fahrzeuge578
A11 Kennwerte flüssiger Kraftstoffe580
A12 Standard-Umrechnungsfaktoren für Rohöl580
A13 Eigenschaften von Erdöl und Erdölprodukten581
A14 Eigenschaften von Festbrennstoffen581
A15 Heizwerte der Brennstoffe für die Wärmeerzeugung undStromgestehung in Kraftwerken582
A16 Spezifische CO2-Emissionen der Stromgestehung583
A17 CO2-Äquivalent583
A18 SO2-Äquivalent587
A19 Radioaktivität von 100 Tonnen Reaktorbrennstoff588
A20 FAME (Fatty Acid Methyl Ester)/Biodiesel589
A21 Energiebereitstellung aus Biomasse590
A22 Luftüberschusszahl (Luftüberschuss)592
A23 Alles Bio, Öko sowie auch klima- und CO2-neutral?595
A24 Windenergieanlage (WEA): Energie-, Leistung oder Strom?595
A25 WEA: Anström-Windgeschwindigkeit (v) und Windleistung (PW)601
A26 Windleistung (PW)max und Rotorleistung (PR)theor bzw.Betriebsleistung (PB)real einer 2,3-MW-WEA602
A27 Eisbildungs- bzw. Eisablagerungsbedingungen an einer WEA603
A28 Können Eissensoren eine WEA-Rotorblattvereisung detektieren?606
A29 Eiswurf von Windenergieanlagen (WEA)609
A30 Mathematische Formulierung der WEA-Eiswurfweite612
A31 WEA-Rotorblatt(teil)abriss616
A32 WEA: Umgekippt617
A33 Windenergieanlagen suchen Nähe618
A34 Windenergieanlagen-(WEA-)Abstand619
A35 Schalldruckpegel622
A36 Wasserstoff und Methan im Datenvergleich624
A37 Eis: Wärmespender und -speicher624
Teil V Erläuterungen628
Zu Kapitel 1: Was ist Energie?629
Zu Kapitel 2: Elektroenergie637
Zu Kapitel 3: Stromeinspeisung661
Zu Kapitel 4: Energiespeicherung664
Zu Kapitel 12: Die neuen „Erneuerbaren“673
Zu Kapitel 19: Die „Energiewende“ – fünf Betrachtungen689
Begriffserklärungen746
Verwendetes Schrifttum752
Literaturhinweise760
Sachwortverzeichnis762
Personenverzeichnis782

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