| Vorwort | 5 |
| Inhaltsverzeichnis | 9 |
| 1Kontext | 16 |
| 1.1 Energie | 17 |
| 1.2 Grundprobleme des globalen Energiesystems | 21 |
| 1.2.1 Begrenztheit der Ressourcen | 22 |
| 1.2.2 Gerechtigkeit der Verteilung | 23 |
| 1.2.3 Klimawandel | 24 |
| 1.2.4 Lösungsansätze | 26 |
| 1.3 Szenarien einer zukünftigen Entwicklung | 31 |
| 1.3.1 Energiepotentiale | 31 |
| 1.3.2 Szenarien und Prognosen | 33 |
| 1.3.3 Beispiel: Leitszenario | 36 |
| 1.3.4 Beispiel: Energiesystem D | 41 |
| 1.4 Exkurse | 43 |
| 1.4.1 Externe Kosten der Energieerzeugung | 44 |
| 1.4.2 Kernenergie | 47 |
| 1.4.3 Kernfusion | 48 |
| 1.4.4 CO2-Abtrennung | 49 |
| Literaturverzeichnis | 50 |
| 2Energieeffizienz | 52 |
| 2.1 Ansätze zur Energiebedarfsreduktion | 52 |
| 2.2 Energieeffizienz von Gebäuden | 59 |
| 2.2.1 Gesetzgeberische Maßnahmen | 59 |
| 2.2.2 Energetische Bewertung von Gebäuden | 64 |
| 2.2.3 Berechnungsansätze | 75 |
| 2.3 Energieeffizienz der Wärmebereitstellung | 80 |
| 2.3.1 Sanierungsmaßnahmen | 80 |
| 2.3.2 Innovative Wärmebereitstellung | 84 |
| 2.3.3 Wärmeerzeugung in Kraft-Wärmekopplung | 95 |
| 2.4 Wirtschaftlichkeit von Energieeffizienzmaßnahmen | 104 |
| 2.4.1 Grundlagen der Investitionsrechnung | 105 |
| 2.4.2 Anwendungsbeispiele zur Wirtschaftlichkeit | 112 |
| 2.5 Anwendungsbeispiel für eine Energieeffizienzanalyse | 114 |
| Literaturverzeichnis | 122 |
| 3Regenerative Energiequellen | 126 |
| 3.1 Strahlungsangebot der Sonne | 127 |
| 3.1.1 Strahlung und Materie | 127 |
| 3.1.2 Strahlungsquelle Sonne | 129 |
| 3.1.3 Einfluss der Erdatmosphäre | 135 |
| 3.1.4 Direktstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche | 140 |
| 3.1.5 Global- und Diffusstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche | 145 |
| 3.1.6 Jahressumme der Globalstrahlung auf eine beliebig orientierte Fläche | 147 |
| 3.1.7 Auslegungshilfsmittel Sonnenstandsdiagramm | 149 |
| 3.1.8 Auslegungshilfsmittel Strahlungsatlas | 150 |
| 3.1.9 Messung der Einstrahlung | 152 |
| 3.2 Erdwärme | 154 |
| 3.2.1 Oberflächennahe Nutzung | 159 |
| 3.2.2 Tiefe Erdwärme | 175 |
| 3.3 Biomasse | 178 |
| 3.3.1 Biomassebereitstellung | 179 |
| 3.3.2 Biomasseproduktion | 180 |
| 3.3.3 Physikalische und chemische Charakterisierung von Bioenergieträgern | 181 |
| 3.3.4 Ökologie und Nachhaltigkeit | 184 |
| 3.4 Windenergie | 187 |
| 3.4.1 Windentstehung | 188 |
| 3.4.2 Leistung des Windes | 188 |
| 3.4.3 Grenzschicht | 190 |
| 3.4.4 Häufigkeitsverteilung | 193 |
| 3.4.5 Die Turbulenz der Windströmung | 198 |
| 3.4.6 Windklassen | 199 |
| 3.4.7 Messung der Windverhältnisse | 200 |
| 3.5 Wasserkraft | 202 |
| 3.5.1 Wasserkreislauf | 202 |
| 3.5.2 Nutzbarer Niederschlagsanteil | 202 |
| 3.5.3 Arbeitsvermögen des Wassers | 203 |
| 3.5.4 Weltweites Nutzungspotential | 204 |
| Literaturverzeichnis | 205 |
| 4Photovoltaik | 208 |
| 4.1 Geschichte der Photovoltaik | 210 |
| 4.2 Physikalische Grundlagen | 212 |
| 4.2.1 Einführung in die Halbleitertheorie | 212 |
| 4.2.2 Generations- und Rekombinationsprozesse | 219 |
| 4.2.3 Die Solarzelle als p-n-Übergang | 222 |
| 4.2.4 Modellbildung für eine reale Solarzelle | 229 |
| 4.2.5 Amorphe Halbleitermaterialien | 234 |
| 4.3 Komponenten und Technologien | 237 |
| 4.3.1 Herstellungsverfahren für kristalline Si-Solarzellen | 237 |
| 4.3.2 Herstellungsverfahren für Dünnschicht-Solarzellen | 240 |
| 4.3.3 Solarzellen der dritten Generation | 244 |
| 4.3.4 Solarmodule | 248 |
| 4.3.5 Aufständerung | 249 |
| 4.3.6 Stromrichter | 254 |
| 4.4 Systemtechnik | 260 |
| 4.4.1 Verschaltung von Solarzellen zu Solargeneratoren | 260 |
| 4.4.2 Regelung von Solargeneratoren | 262 |
| 4.4.3 Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen | 265 |
| 4.4.4 Photovoltaik-Inselanlagen | 268 |
| 4.5 Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Photovoltaikmodulen | 269 |
| 4.5.1 Leistungsgarantie und Lebensdauer | 269 |
| 4.5.2 Degradation | 275 |
| 4.6 Auslegungsbeispiele | 289 |
| 4.6.1 Inselnetz Flanitzhütte | 289 |
| 4.6.2 PV-Kraftwerk Nentzelsrode | 291 |
| Literaturverzeichnis | 292 |
| 5Solarthermie | 294 |
| 5.1 Geschichte der solarthermischen Energienutzung | 295 |
| 5.2 Physikalische Grundlagen | 298 |
| 5.2.1 Strahlungsphysikalische Grundlagen | 299 |
| 5.2.2 Strahlungstransmission | 302 |
| 5.2.3 Absorption und Strahlungswandlung | 309 |
| 5.2.4 Strahlungskonzentration | 313 |
| 5.2.5 Wärmetransport im Kollektor | 318 |
| 5.2.6 Kenn- und Leistungsdaten von Solarkollektoren | 334 |
| 5.3 Komponenten | 344 |
| 5.3.1 Kollektoren | 344 |
| 5.3.2 Absorber | 359 |
| 5.3.3 Transparente Abdeckungen | 370 |
| 5.3.4 Kollektorkreis | 376 |
| 5.3.5 Speicher | 381 |
| 5.3.6 Weitere Komponenten | 388 |
| 5.3.7 Zukünftige Entwicklungslinien | 395 |
| 5.4 Systemtechnik | 397 |
| 5.4.1 Betriebsarten | 398 |
| 5.4.2 System-Kennwerte | 401 |
| 5.4.3 Exkurs – Trinkwassererwärmung und Hygiene | 410 |
| 5.4.4 Solare Trinkwassererwärmung im Ein- und Zweifamilienhaus | 411 |
| 5.4.5 Große Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung | 412 |
| 5.4.6 Solare Heizungsunterstützung | 420 |
| 5.4.7 Solare Prozesswärme | 422 |
| 5.4.8 Solares Kühlen | 430 |
| 5.4.9 Solare Fernwärme | 434 |
| 5.4.10 Solare Nahwärme | 435 |
| 5.4.11 Solare Kraftwerke | 437 |
| 5.5 Solarwirtschaft | 439 |
| 5.5.1 Der Markt für Solarthermie | 439 |
| 5.5.2 Gesetzliche Regelungen und Fördermaßnahmen | 442 |
| 5.5.3 Wirtschaftlichkeit | 444 |
| Literaturverzeichnis | 453 |
| 6Geothermie | 460 |
| 6.1 Geschichte der geothermischen Energienutzung | 464 |
| 6.2 Grundlagen | 466 |
| 6.2.1 Modellierung von Erdwärmesonden | 467 |
| 6.2.2 Thermodynamik der Wärmepumpen | 474 |
| 6.2.3 Thermodynamik der geothermischen Stromerzeugung | 489 |
| 6.3 Komponenten und Systemtechnik | 504 |
| 6.3.1 Erdwärmesonden | 504 |
| 6.3.2 Erdkollektoren | 516 |
| 6.3.3 Grundwasserbrunnen | 521 |
| 6.3.4 Wärmepumpen | 522 |
| 6.4 Wirtschaftlichkeit von Wärmepumenanlagen | 526 |
| 6.5 Auslegungsbeispiele | 529 |
| 6.5.1 Geothermische Beheizung eines Einfamilienhauses | 529 |
| 6.5.2 Geothermisches Kraftwerk Ribeira Grande, Azoren | 531 |
| Literaturverzeichnis | 534 |
| 7Biomasse | 536 |
| 7.1 Geschichte der energetischen Biomassenutzung | 537 |
| 7.2 Thermochemische Umwandlung | 541 |
| 7.2.1 Verbrennung | 541 |
| 7.2.2 Emissionen aus der Biomasseverbrennung | 544 |
| 7.2.3 Anwendungsbereiche und Technologien zur Wärme- und Stromerzeugung | 546 |
| 7.2.4 Verbrennung von Halmgut und Getreide | 550 |
| 7.2.5 Verbrennung von Rest- und Abfallstoffen | 551 |
| 7.2.6 Verbrennung von Biomasse in Großfeuerungsanlagen | 552 |
| 7.2.7 Kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom aus Biomasse | 555 |
| 7.2.8 Biomassevergasung: Grundlagen und Anwendung | 559 |
| 7.3 Biochemische Umwandlung | 565 |
| 7.3.1 Grundlagen der Biogaserzeugung | 566 |
| 7.3.2 Dimensionierung von Biogasanlagen | 574 |
| 7.3.3 Technik zur Erzeugung von Biogas | 578 |
| 7.3.4 Technik zur Nutzung von Biogas | 581 |
| 7.4 Flüssige Bioenergieträger: Biokraftstoffe | 584 |
| 7.4.1 Entwicklung des weltweiten Biokraftstoffmarkts | 586 |
| 7.4.2 Biokraftstoffe der 1. Generation: Pflanzenöle | 587 |
| 7.4.3 Biokraftstoffe der 1. Generation: Biodiesel | 594 |
| 7.4.4 Biokraftstoffe der 2. Generation: Hydrierte Planzenöle | 597 |
| 7.4.5 Erzeugung von Bioethanol | 600 |
| 7.4.6 Biokraftstoffe der 2. Generation: synthetische Biokraftstoffe | 615 |
| 7.4.7 Biokraftstoffe der 3. Generation | 627 |
| Literaturverzeichnis | 630 |
| 8Windkraftanlagen | 634 |
| 8.1 Geschichte der Windenergienutzung | 637 |
| 8.2 Physikalische Grundlagen | 639 |
| 8.2.1 Die Betzsche Theorie | 639 |
| 8.2.2 Schwingungsverhalten von Windenergieanlagen | 657 |
| 8.3 Komponenten | 669 |
| 8.3.1 Rotorblätter | 669 |
| 8.3.2 Getriebe | 682 |
| 8.3.3 Antriebsstrang | 692 |
| 8.3.4 Turm | 698 |
| 8.3.5 Generator | 703 |
| 8.4 Systemtechnik | 706 |
| 8.4.1 Anlagenkennlinie | 706 |
| 8.4.2 Regelungskonzepte | 707 |
| 8.4.3 Condition Monitoring Systeme | 711 |
| 8.4.4 Genehmigungsverfahren für Errichtung und Betrieb | 713 |
| 8.4.5 Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen | 718 |
| 8.4.6 Auslegungsbeispiel | 725 |
| Literaturverzeichnis | 728 |
| 9Wasserkraftanlagen | 732 |
| 9.1 Einführung | 732 |
| 9.2 Typisierung und Aufbau | 733 |
| 9.3 Wasserturbinen | 733 |
| 9.3.1 Die Peltonturbine | 735 |
| 9.3.2 Die Francisturbine | 737 |
| 9.3.3 Die Kaplanturbine | 738 |
| 9.3.4 Die Eulersche Turbinenhauptgleichung | 739 |
| Literaturverzeichnis | 741 |
| 10Energiespeicher | 742 |
| 10.1 Elektrische Speichertechnologien | 743 |
| 10.1.1 Mechanische Energiespeicher | 744 |
| 10.1.2 Elektrische Energiespeicher | 748 |
| 10.1.3 Elektrochemische Energiespeicher | 750 |
| 10.2 Thermische Speichertechnologien | 754 |
| 10.2.1 Sensible Speicher | 755 |
| 10.2.2 Latentwärmespeicher | 760 |
| 10.2.3 Thermochemische Speicher | 769 |
| 10.3 Chemische Speichertechnologien | 775 |
| 10.3.1 Power-to-Gas | 775 |
| 10.3.2 Power-to-Liquid | 781 |
| Literaturverzeichnis | 782 |
| 11Elektrische Energiesysteme | 785 |
| 11.1 Struktur des elektrischen Energieversorgungssystems | 786 |
| 11.2 Integration von Photovoltaikanlagen | 792 |
| 11.3 Integration von Windkraftanlagen | 795 |
| Literaturverzeichnis | 797 |
| 12Thermische Energiesysteme | 799 |
| 12.1 Struktur der thermischen Energieversorgung | 800 |
| 12.2 Integration von Kraft-Wärme-Kopplung, Biomasse und Geothermie in Nahwärmenetze | 802 |
| 12.3 Integration solarer Wärme in Nahwärmenetze | 803 |
| 12.4 Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz | 805 |
| 12.5 Anwendungsbeispiel Kommunale Fernwärme | 806 |
| Literaturverzeichnis | 810 |
| 13Mobilität | 811 |
| 13.1 Kraftstoffe | 812 |
| 13.1.1 Biokraftstoffe | 812 |
| 13.1.2 Wasserstoff | 818 |
| 13.2 Elektrofahrzeuge | 818 |
| 13.2.1 Batteriegespeiste Elektrofahrzeuge | 819 |
| 13.2.2 Brennstoffzellengespeiste Elektrofahrzeuge | 820 |
| Literaturverzeichnis | 821 |
| 14Thermodynamische Bewertung regenerativer Energiewandlungen | 822 |
| 14.1 Geschichte der Energiewandlung | 823 |
| 14.2 Die Energie | 826 |
| 14.3 Die Entropie | 834 |
| 14.4 Die Energie des Systems | 841 |
| 14.5 Gewollte und ungewollte Energiewandlungen | 847 |
| 14.5.1 Energiewandlung innerhalb des Systems | 847 |
| 14.5.2 Energietransport über die Systemgrenze | 849 |
| 14.5.3 Ungewollte Energieumwandlungen (Dissipation) | 857 |
| 14.6 Energiebilanzen für geschlossene und offene Systeme | 863 |
| 14.6.1 Geschlossene Systeme | 863 |
| 14.6.2 Offene Systeme | 865 |
| 14.6.3 Exergie, Anergie, Wirkungs- und Nutzungsgrad | 868 |
| 14.7 Stoffeigenschaften | 876 |
| 14.7.1 Zustandsgleichungen | 877 |
| 14.7.2 Idealgas | 880 |
| 14.7.3 Reale Gase | 882 |
| 14.7.4 Ideale Flüssigkeiten und Feststoffe | 884 |
| 14.7.5 Reale Flüssigkeiten und Feststoffe | 885 |
| 14.7.6 Nassdampf | 886 |
| 14.7.7 Ideale Gasgemische | 888 |
| 14.7.8 Binäre Gemische | 895 |
| 14.8 Thermodynamische Maschinen und Komponenten | 897 |
| 14.8.1 Pumpen | 898 |
| 14.8.2 Verdichter | 900 |
| 14.8.3 Turbinen | 902 |
| 14.8.4 Wärmeübertrager | 903 |
| 14.8.5 Drosselventile | 906 |
| 14.8.6 Düse und Diffusor | 907 |
| 14.8.7 Wärmeerzeuger | 908 |
| 14.9 Kreisprozesse | 910 |
| 14.9.1 Bilanzierung des Kreisprozesses | 910 |
| 14.9.2 Kreisprozess-Varianten | 915 |
| 14.10 Thermodynamik der solaren Energiewandlung | 918 |
| 14.10.1 Thermodynamik der Strahlung | 918 |
| 14.10.2 Solarthermischer Umwandlungspfad | 921 |
| 14.10.3 Photovoltaischer Umwandlungspfad | 925 |
| Literaturverzeichnis | 930 |
| 15Apokryphen | 932 |
| 15.1 Historische Perpetua mobilia | 932 |
| 15.2 Erfinder | 935 |
| 15.3 Esoteriker | 938 |
| 15.4 Lösungen | 939 |
| Literaturverzeichnis | 942 |
| Sachverzeichnis | 944 |
