Erneuerbare Energieträger in Deutschland: Potentiale und Kosten
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| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
1993
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1 Einleitung und Zielsetzung 1
M. Kaltschmitt
1.1 Prinzipielle Vorgehensweise 2
1.2 Definition der wesentlichen Grundbegriffe 4
1.3 Darstellung des Untersuchungsgebietes 8
1.4 Energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen 11
1.4.1 Struktur des Energieverbrauchs 12
1.4.2 Gegenwärtiges Energieträgerpreisniveaus 15
2 Solarthermische und photovoltaische Nutzung der Sonnenenergie 19
A. Wiese, M. Kaltschmitt
2.1 Solares Strahlungsangebot 19
2.1.1 Theoretische Grundlagen 20
2.1.2 Räumliche und zeitliche Variationsbreite 21
2.2 Technische Flächenpotentiale 24
2.2.1 Potentialbestimmung auf Gebäuden 25
Verfügbare Dachflächen (25); Restriktionen einer solartechnischen Nut¬
zung (29); Solartechnisch nutzbare Dachfläcbenpotentiale (30)
2.2.2 Bestimmung der solartechnischen Freiflächenpotentiale 32
Potentiell verfügbare Flächen (32); Restriktionen einer solartechnischen Nut¬
zung (33); Solartechnisch nutzbare Freiflächenpotentiale (34)
2.3 Solare Energieerzeugung 35
2.3.1 Thermische Niedertemperarurwärmegewinnung 36
Theoretische Grundlagen (36); Restriktionen einer solarthermischen Nutzung
(38); Technische Endenergiepotentiale (40); Derzeitige Nutzung (51)
2.3.2 Photovoltaische Stromerzeugung 52
Theoretische Grundlagen (52); Technische Erzeugungspotentiale (54); Tech¬
nische Endenergiepotentiale (57); Derzeitige Nutzung (62)
2.4 Kosten einer solaren Energieerzeugung 64
2.4.1 Solarthermische Wärmegewinnung 64
Systemkosten (64); Spezifische Energiebereitstellungskosten (66)
Inhal tsverzeichn ts
2.4.2 Photovoltaische Stromerzeugung 68
Systemkosten (68); Spezifische Stromgestehungskosten (70)
Nutzung der Windenergie 73
M. Kaltschmitt, A. Wiese
3.1 Windtechnisches Energieangebot 73
3.1.1 Charakteristische Eigenschaften des Windangebots 74
3.1.2 Windgeschwindigkeitsverteilung innerhalb Deutschlands 78
3.2 Windtechnisch nutzbare Flächenpotentiale 80
3.2.1 Vorgehensweise zur Flächenbestimmung 80
3.2.2 Flächenpotentiale gleicher mittlerer Windgeschwindigkeit 81
3.2.3 Potentialmindernde Kriterien und restriktive Parameter 82
3.2.4 Technisch nutzbare Flächenpotentiale 86
3.3 Stromerzeugung aus Windenergie 87
3.3.1 Theoretische und technische Grundlagen 88
3.3.2 Nutzungstechniken und korrespondierender Flächenbedarf 92
3.3.3 Technische Stromerzeugungspotentiale 94
3.3.4 Technische Endenergiepotentiale 97
Ansatz I (98); Ansatz II (99); Ansatz III (99); Ansatz IV (99); Vergleich der
Ansätze (100)
3.3.5 Derzeitige Nutzung 101
3.4 Kosten der Windstromerzeugung 102
3.4.1 Systemkosten 102
3.4.2 Spezifische Stromgestehungskosten 104
Stromerzeugung aus Wasserkraft 107
H.-B. Horlacher, A. Thewalt
4.1 Allgemeine Grundlagen 108
4.1.1 Energieangebot des Wassers 108
4.1.2 Technische Grundlagen 111
Laufwasserkraftwerke (111); Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke (114);
Nieder-, Mittel- und Hochdruckanlagen (114); Turbinentypen (115)
4.2 Potentiale einer Stromerzeugung 117
4.2.1 Grundlegende Definitionen 117
Leistung und Arbeitsvermögen (117); Potentialbegriffe (118)
4.2.2 Technische Erzeugungspotentiale 119
Technisches Erzeugungspotential in den alten Bundesländern (119); Techni¬
sches Erzeugungspotential in den neuen Bundesländern (121); Technische
Endenergiepotentiale (122)
Inhaltsverzeichnis XI
4.2.3 Derzeitige Nutzung 122
Regionale Nutzungsunterschiede (122); Zukünftiger Ausbau der Wasser¬
kraft (123)
4.3 Kosten einer Stromerzeugung aus Wasserkraft 124
4.3.1 Systemkosten 124
Investitionen (124); Betriebs- und Unterhaltskosten (127)
4.3.2 Spezifische Stromgestehungskosten 127
5 Energieträgerproduktion auf pflanzlicher Basis 129
M. Kaltschmitt
5.1 Allgemeine Grundlagen 129
5.1.1 Begriffsdefinitionen und prinzipielle Möglichkeiten 130
Biomasse als Festbrennstoff (130); Flüssige Energieträger aus pflanzlichen
Rohstoffen (131)
5.1.2 Flächenpotentiale für einen Energiepflanzenanbau 132
5.2 Gewinnbares Energieträgeraufkommen 133
5.2.1 Feste Energieträger 134
Getreideanbau zur Ganzpflanzennutzung (134); Anbau von Schilf- und
Grasgewächsen (136); Anbau schnellwachsender Baumarten (141); Vergleich
des Biomasseaufkommens (142)
5.2.2 Flüssige Energieträger 143
Ölfruchtanbau zur Pflanzenölgewinnung (143); Getreide- und Zuckerrüben¬
anbau zur Alkoholerzeugung (145); Vergleich des Energieträger- und Bio-
masseaufkommens (148)
5.3 Technische Energiepotentiale 149
5.3.1 Feste Energieträger 149
Getreideanbau zur Ganzpflanzennutzung (149); Anbau von Schilf- und
Grasgewächsen (151); Anbau schnellwachsender Baumarten (153); Vergleich
der Energiepotentiale (154); Derzeitige Nutzung (155)
5.3.2 Flüssige Energieträger 156
Ölfruchtanbau zur Pflanzenölgewinnung (156); Getreide- und Zuckerrüben¬
anbau zur Alkoholgewinnung (157); Vergleich der Energiepotentiale (160);
Derzeitige Nutzung (161)
5.4 Kosten einer energetischen Nutzung von Energiepflanzen 162
5.4.1 Energieträgerkosten fester Energieträger 162
Getreideanbau zur Ganzpflanzennutzung (162); Anbau von Schilf- und
Grasgewächsen (164); Anbau schnellwachsender Baumarten (165); Vergleich
der Energieträgerkosten (167);
5.4.2 Nutzenergiebereitstellungskosten fester Energieträger 167
Getreideanbau zur Ganzpflanzennutzung (167); Anbau von Schilf- und
Grasgewächsen (169); Anbau schnellwachsender Baumarten (170); Vergleich
der Nutzenergiebereitstellungskosten (170); Ölfruchtanbau zur Pflanzenölge¬
wi nnnung (171)
Inhaltsverzeichnis
5.4.3 Kosten flüssiger Energieträger 171
Getreide- und Zuckerrübenanbau zur Alkoholgewinnung (173); Vergleich der
Energieträgerkosten (174)
Energetische Nutzung forstwirtschaftlicher Reststoffe 177
A. Wiese, M. Kaltschmitt
6.1 Allgemeine Grundlagen 177
6.1.1 Anfall von organischen Reststoffen 178
6.1.2 Energetische Eigenschaften 179
6.13 Räumliche und zeitliche Variationsbreite 181
6.2 Technisch nutzbares Reststoffaufkommen 183
6.2.1 Prinzipielle Vorgehensweise 183
Periodisch anfallende Reststoffe (184); Durchforstungsrückstände (185);
Erntetechnisch bedingte Reststoffe (185)
6.2.2 Abschätzung des gesamten Potentials 186
6.2.3 Restriktionen einer technischen Nutzung 187
6.2.4 Energetisch nutzbares Restholzaufkommen 190
63 Bestimmung der Energiepotentiale 190
6.3.1 Methodische Vorgehensweise 190
6.3.2 Technische Energiepotentiale 191
6.3.3 Derzeitige Nutzung 193
6.4 Kosten einer energetischen Nutzung 193
6.4.1 Energieträgerkosten 194
Ansatz I (194); Ansatz II (196); Ansatz III (197)
6.4.2 Nutzenergiebereitstellungskosten 197
Ernterückstände der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion 201
M. Kaltschmitt
7.1 Allgemeine Grundlagen 201
7.1.1 Eingrenzung des energetisch nutzbaren Reststoffaufkommens 202
7.1.2 Energetische Eigenschaften 203
7.1.3 Räumliche und zeitliche Variationsbreite 204
7.2 Technisch nutzbares Strohaufkommen 207
7.2.1 Prinzipielle Vorgehensweise 207
7.2.2 Darstellung des gesamten Strohaufkommens 209
7.2.3 Restriktionen einer energetischen Nutzung 210
7.2.4 Energetisch nutzbares Strohaufkommen 212
7.3 Bestimmung der Energiepotentiale 213
7.3.1 Methodische Vorgehensweise 214
7.3.2 Technische Energiepotentiale 214
7.3.3 Derzeitige Nutzung 216
Inhaltsverzeichnis XIII
7.4 Kosten einer energetischen Nutzung 217
7.4.1 Energieträgerkosten 217
Ansatz I (217); Ansatz II (219); Ansatz III (221)
7.4.2 Nutzenergiebereitstellungskosten 222
8 Energetische Nutzung von Reststoffen der Tierhaltung 225
M. Kaltschmitt, A. Wiese
8.1 Allgemeine Grundlagen 225
8.1.1 Zusammensetzung und Eigenschaften von Biogas 226
8.1.2 Biochemische Umsetzung der Biomasse 227
8.1.3 Einflußfaktoren auf das Gasaufkommen 229
8.1.4 Ausgangsstoffe für die Biogaserzeugung 230
8.1.5 Nutztierbestand in Deutschland 231
8.2 Substrataufkommen und korrespondierender Energieinhalt 234
8.2.1 Vorgehensweise zur Bestimmung des Substrataufkommens 234
8.2.2 Aufkommen an organischer Masse 235
8.2.3 Vorgehensweise zur Bestimmung des theoretischen Gaspotentials 236
8.2.4 Theoretisches Biogasaufkommen 237
8.3 Technische Energiepotentiale 238
8.3.1 Verfahrenstechnische Umsetzung des Substrats 239
8.3.2 Restriktionen einer technischen Nutzung 241
8.3.3 Technische Energiepotentiale 244
8.3.4 Derzeitige Nutzung 248
8.4 Kosten einer Biogaserzeugung 249
8.4.1 Biogasgestehungskosten 250
Kleinstanlagen (250); Kleinanlagen (251); Mittlere Anlagen (252); Gro߬
anlagen (253); Vergleich der Biogasgestehungskosten (255)
8.4.2 Nutzenergiebereitstellungskosten 256
Wärmebereitstellungskosten (257); Stromgestehungskosten (258); Kraft-
Wärme-Kopplung (259)
9 Organische Reststoffe aus Haushalten, Industrie, Gewerbe und kommunalen Ein¬
richtungen 263
A. Wiese, A. Sihler
9.1 Allgemeine Grundlagen 263
9.1.1 Systematik und Abgrenzung 263
9.1.2 Energetische Eigenschaften 265
9.1.3 Räumliche und zeitliche Variationsbreite 266
Inhaltsverzeichnis
9.2 Technisch nutzbares Aufkommen 269
9.2.1 Vorgehensweise zur Potentialbestimmung 269
Feststoffaufkommen (270); Abwasseraufkommen (272)
9.2.2 Restriktionen einer energetischen Nutzung 273
9.2.3 Energetisch nutzbares Reststoffaufkommen 274
9.3 Bestimmung der Energiepotentiale 276
9.3.1 Technische Nutzungsmöglichkeiten 276
Deponiegas (277); Anaerober Abbau organischer Stoffe (279); Klärgas (280)
9.3.2 Methodische Vorgehensweise 281
Gas- und Brennstoffenergiepotentiale (281); Deponiegasenergiepotentiale
(282)
9.3.3 Technische Energiepotentiale 284
9.3.4 Derzeitige Nutzung 286
9.4 Kosten einer energetischen Nutzung 287
9.4.1 Energieträgerkosten 287
Deponiegas (287); Klärgas (288); Sonstiges Biogas (288); Festbrennstof¬
fe (288); Vergleich (288)
9.4.2 Strom- und Wärmegestehungskosten 289
Nutzung der Erdwärme 293
R. Schulz, M. Kaltschmitt
10.1 Allgemeine Grundlagen 294
10.1.1 Die Wärmequellen 294
10.1.2 Klassifikation der geothemischen Energiesysteme 295
Untiefe geothemische Nutzung (295); Hydrothermale Systeme mit niedriger
Enthalpie (295); Hydrothermale Systeme mit hoher Enthalpie (296); Hot-Dry-
Rock-Systeme (296); Gegenüberstellung (296)
10.1.3 Klassifikation der Nutzungsarten 297
10.2 Geothemische Energiepotentiale 298
10.2.1 Gesamte Vorratsbasis 299
10.2.2 Nutzungstechniken 300
Energie des flachen Untergrunds (300); Energie der wannwasserführenden
Aquifere (301); Energie des heißen Gesteins (303)
10.2.3 Ressourcen und Reserven 304
Energie der warmwasserführenden Aquifere (305); Energie des flachen
Untergrunds (310); Energie des heißen Gesteins (311)
10.2.4 Derzeitige Nutzung 312
10.3 Kosten einer geothemischen Energienutzung 314
10.3.1 Stromgestehungskosten 314
10.3.2 Wärmegestehungskosten 315
10.3.3 Beispiele 317
Inhaltsverzeichnis XV
11 Zusammenfassender Vergleich 319
M. Kaltschmitt, A. Wiese, J. Frisch
11.1 Potentiale und Energiebedarf 319
11.1.1 Energieangebot der Atmosphäre 319
Photovoltaisehe Stromerzeugung (320); Windtechnische Stromerzeugung
(320); Stromerzeugung aus Wasserkraft (321); Vergleich der Stromerzeu¬
gungspotentiale (321); Stromerzeugungspotentiale und Stromaufkommen
(323); Endenergiepotentiale und Endenergieverbrauch (325)
11.1.2 Pflanzliche Energieträger 328
Erzeugung fester Energieträger (328); Erzeugung flüssiger Energieträger
(329); Vergleich der Energiepotentiale (330); Energiepotentiale und Enden¬
ergieverbrauch (330)
11.1.3 Regeneratives Reststoffangebot 330
Forstwirtschaftliche Reststoffe (331); Ernterückstände der Pflanzenproduktion
(331); Reststoffe der Tierhaltung (331); Sonstige organische Reststoffe (332);
Vergleich der Energiepotentiale (332); Energiepotentiale und Endenergiever¬
brauch (333)
11.1.4 Sonstige Optionen 334
Solare Niedertemperaturwärmegewinnung (334); Nutzung der Erdwärme
(335); Energiepotentiale und Endenergieverbrauch (335)
11.1.5 Gesamtpotentialvergleich 336
Variante I (337); Variante II (337); Variante III (338); Vergleich der Varian¬
ten (339)
11.2 Regenerative Energiekosten und Energiepreisniveau 339
11.2.1 Energieangebot der Atmosphäre 340
11.2.2 Pflanzliche Energieträger 341
11.2.3 Regeneratives Reststoffangebot 342
11.2.4 Sonstige Optionen 342
11.3 Schlußfolgerungen 343
Literatur 349
Energieeinheiten 361
Stichwortverzeichnis 363
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