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    Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien
    (Springer, 2026-04-30)
    Barthel, Sina
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    Nachdem im vorangegangenen Kapitel ein Überblick über das Energiesystem in Deutschland gegeben wurde, wird in diesem Kapitel die Entwicklung wichtiger erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung dargestellt sowie die absehbare kurzfristige Entwicklung abgeschätzt. Die dominierenden und nachfolgend diskutierten Technologien zur Strombereitstellung sind die Windenergienutzung, insbesondere Onshore, gefolgt von der Stromerzeugung mittels Photovoltaik-Anlagen. Einen deutlich geringeren Anteil tragen Anlagen zur Nutzung der Wasserkraft, der Biomasse (Anlagen zur Verstromung fester Biomasse und von Biogas) sowie insbesondere der tiefen Geothermie in Deutschland bei.
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    Zusammenfassung und Ausblick
    Im Jahr 2024 konnte insgesamt eine Zunahme derNutzung des erneuerbaren Energieangebots innerhalb des Energiesystems in Deutschland festgestellt werden. Jedoch zeigen sich nach wie vor deutliche Unterschiede zwischen den Bereichen Strom, Wärme und Mobilität sowohl in Bezug auf die absolute Nutzung als auch hinsichtlich der aktuellen Entwicklungen.
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    Wärmebereitstellung aus erneuerbaren Energien
    Im folgenden Kapitel wird ein Überblick über die wichtigsten Optionen zur Bereitstellung von Wärme aus erneuerbaren Energien gegeben. Die dominierende Technologie ist dabei die Biomassenutzung – und hier insbesondere die Nutzung von biogenen Festbrennstoffen. In den vergangenen Jahren stieg zudem der Anteil der Umweltwärmenutzung (d. h. Wärmepumpenapplikation) deutlich an – und das mit einem anhaltendem Trend.
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    Erneuerbare Energien im Mobilitätssektor
    Die Integration von erneuerbaren Energien in denVerkehrssektor ist eine der größten Herausforderungen bei der Defossilierung des Energiesystems. Aufgrund des in Kapitel 2 aufgezeigten deutlich dominierenden Anteils des Straßenverkehrs am Endenergieverbrauch des Mobilitätssektors wird im Folgenden auf die wichtigsten Technologien zur Defossilierung des selbigen eingegangen. Im Fokus steht dabei, als derzeit mit Abstand wichtigste Beitrag, die Nutzung von elektrischer Energie, welche bei Erzeugung auf Basis regenerativer Energien einen emissionsfreien Betrieb von insbesondere Personenkraftfahrzeugen ermöglicht.
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    Energiesystem Deutschland
    Nachdem zuvor ausgewählte Rahmenbedingungen für die Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland betrachtet wurden, widmet sich das folgende Kapitel der Darstellung des derzeitigen Energiesystems des Landes und dessen jüngster Entwicklung. Hierbei wird zunächst der Primärenergieverbrauch analysiert, welcher die gesamte Energieversorgung der deutschen Volkswirtschaft einschließlich sämtlicher Verbrauchssektoren umfasst. Anschließend wird die Stromerzeugung näher betrachtet, da sie eine zentrale Rolle bei der Transformation des Energiesystems spielt und zunehmend durch erneuerbare Energien geprägt wird.
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    Erneuerbare Energien in Deutschland 2024
    Die Herausgeber bieten eine Zusammenstellung der Nutzung des erneuerbaren Energieangebots in Deutschland im Jahr 2024. Zuerst ist die energiewirtschaftliche Gesamtsituation dargestellt und anschließend der aktuelle Stand der Nutzung der regenerativen Energien in Deutschland, einschließlich der wichtigsten Entwicklungen. Sowohl die Optionen zur primären Strom- und Wärmebereitstellung - einschließlich der Möglichkeiten einer KWK – als auch die Varianten einer Bereitstellung alternativer / erneuerbarer Kraftstoffe für den Verkehrssektor sind diskutiert. Darüber hinaus sind die Perspektiven marktbestimmender Technologien innerhalb der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität analysiert. Das Buch bietet außerdem kurze Einblicke in das existierende und das potenziell zukünftige legale Regelwerk, die Integration der erneuerbaren Energien in unser Wirtschaftssystem sowie die sie determinierenden ökonomischen Rahmenbedingungen.
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    Mechanische Aufbereitungsprozesse
    Die mechanische Aufbereitung der geernteten Biomasse hat das Ziel, die physikalisch-mechanischen Merkmale der biogenen Rohmaterialien an die Anforderungen des jeweiligen Konversionsverfahrens bzw. der entsprechenden Umwandlungstechnik anzupassen. Alternativ oder zusätzlich soll dadurch auch die Bereitstellungskette möglichst einfach gestaltet bzw. sollen die Bereitstellungskosten insgesamt minimiert werden. In den meisten Fällen kommt es durch eine derartige mechanische Aufbereitung zu einer Beeinflussung / Veränderung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Biomasse bzw. der biogenen Festbrennstoffe (u. a. Abmessungen, Dichte, Korngrößenverteilung, Feinanteil). Durch mechanische Sortier- und / oder Trennverfahren kann es zusätzlich zu einer Veränderung der chemischen Eigenschaften einzelner Fraktionen kommen. Außerdem führen die unterschiedlichen Prozesse meist zu einer Vermischung und damit auch zu einer Homogenisierung der chemischen Eigenschaften. Die entsprechenden Grundlagen, Verfahren, Prozessen und Konzepte, durch die eine mechanische Aufbereitung der Biomasse realisiert werden kann, werden deshalb in diesem Kapitel umfassend adressiert. Dies gilt primär für die Zerkleinerung insbesondere fester Lignocellulose-Biomasse, die Trennung von entsprechenden Stoffgemischen (z. B. Abtrennung von Steinen), die Waschung zur Veränderung der chemisch-stofflichen Zusammensetzung und die Kompaktierung (d. h. Pelletierung, Brikettierung).
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    Vollständige thermo-chemische Umwandlungsverfahren (Verbrennung)
    Die Verbrennung – darunter wird hier die vollständige thermo-chemische Umwandlung biogener Festbrennstoffe verstanden – ist die mit Abstand wichtigste Konversionsoption für Lignocellulose-Biomasse; dies wird umfassend in diesem Kapitel diskutiert. Dazu wird zunächst auf die bei der thermo-chemischen Umwandlung ablaufenden chemischen Umwandlungsreaktionen und die damit zusammenhängenden Schadstoffbildungsmechanismen eingegangen; darunter werden hier die Bildungs- und Austragspfade primärer und sekundärer fester Produkte (z. B. Rostasche, Feinstaub im Abgas), flüssiger Komponenten (z. B. Tröpfchen im Abgas aus unvollständiger Verbrennung) und gasförmiger Abgasbestandteile (z .B. Stickstoffoxide, Schwefeldioxide) zusammengefasst. Die eigentlichen Ausführungen zu den Konversionsanlagentechniken beginnen mit dem Eingang der festen Biomasse in die thermo-chemische Umwandlungsanlage und enden mit der Bereitstellung der jeweils angestrebten End- bzw. Nutzenergie. Innerhalb dieser Systemgrenzen werden die folgenden Aspekte diskutiert: - Wesentliche Konstruktionsprinzipien, denen Feuerungsanlagen folgen sollten, damit eine vollständige Verbrennung / Oxidation stattfinden kann und damit maximale Wirkungsgrade realisiert und minimale Schadstofffrachten mit dem Abgas freigesetzt werden, werden diskutiert. - Handbeschickte Feuerungsanlagen, typischerweise zur Raumwärmebereitstellung eingesetzt, werden in einer strukturierten Weise dargestellt. Dies inkludiert sowohl Einzelraumfeuerstätten als auch von Hand beschickte Kesselanlagen. - Dann werden marktübliche, automatisch beschickte Verbrennungstechniken im Kleinanlagenbereich diskutiert, die mit Pellets oder Hackschnitzel / Hackgut befeuert werden. - Feste Biomasse sehr unterschiedlicher Qualität (z. B. Altholz, Schwarzlauge) kann auch in Großanlagen / Großkraftwerken z. B. zur Stromerzeugung eingesetzt werden; dies wird ebenfalls diskutiert. - Zusätzlich wird auf die Verfahrenstechnik der Abgasreinigung eingegangen; dies gilt sowohl für technische Lösungen im Bereich der handbeschickten und der automatisch beschickten Kleinanlagen als auch für entsprechende Abgasreinigungsapparate für Feuerungsanlagen mit höheren thermischen Leistungen bis hin zu Großfeuerungsanlagen. - Final wird noch auf die technischen Optionen einer Stromerzeugung aus der erzeugten Wärme eingegangen.
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    Einleitung und Zielsetzung
    Ziel dieses einleitenden Kapitels ist es, eine fachliche Einführung in die Thematik des Buches zu geben. Dazu wird zunächst eine Definition des Begriffs der Biomasse gegeben. Anschließend wird auf den typischen Aufbau von Biomasse-Bereitstellungsketten eingegangen und damit deutlich gemacht, wo in der gesamte Kette sich die Inhalte dieses Buches einordnen. Auch werden die unterschiedlichen Wandlungsmöglichkeiten des biogenen Materials in verschiedene Energieträger bzw. unterschiedliche Nutzenergien adressiert. Final werden die einzelnen in dem Buch vertieft adressierten Themenkomplexe eingegrenzt, zusammengefasst und gegeneinander abgegrenzt.
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    Aktueller Ausbaustand der erneuerbaren Energien weltweit
    Die globale Nutzung des Angebots erneuerbarer Energien wuchs auch 2019 merklich an. Die Gründe dafür sind vielfältig und werden in dieser Artikelserie analysiert. Weltweit wurde auch im vergangenen Jahr 2019 das erneuerbare Energieangebot trotz eines allgemein vergleichsweise geringen Energiepreisniveaus merklich weitergehend genutzt. Diese Entwicklung basiert unter anderem auf der in vielen bisher weniger entwickelten Nationen schnell und stark steigenden Energie- und insbesondere Stromnachfrage, intensivierten Bestrebungen verschiedener Staaten zu einer weitergehenden Energieautarkie, zum Teil erheblichen lokalen und regionalen Umweltproblemen, weiter merklich fallenden Preisen bei diversen Technologien zur Nutzung regenerativer Energien (primär Photovoltaik (PV) und zum Teil Windkraft) und nicht zuletzt auch – zumindest in einigen OECD-Staaten – den laufenden Klimaschutzbestrebungen (Paris-Abkommen, European Green Deal). Darüber hinaus werden einige Optionen zur Nutzung regenerativer Energien (zum Beispiel Kochenergie aus fester Biomasse) traditionell seit Jahrhunderten global energiewirtschaftlich relevant genutzt; beispielsweise stellen biogene Festbrennstoffe bis heute einen integralen Bestandteil insbesondere der ländlichen Energieversorgung in vielen Entwicklungsländern und auch Industriestaaten dar. Insgesamt wurde damit 2019 so viel Energie aus erneuerbaren Energien genutzt wie niemals zuvor [1]. Dies gilt neben der (festen) Biomasse zur Bereitstellung insbesondere thermischer Energie primär für die Erzeugung elektrischer Energie. Stromerzeugungsanlagen, unter anderem auf der Basis von Wasserkraft, Biomasse, Windenergie und Solarstrahlung, waren 2019 für etwa ein Viertel der globalen Stromerzeugung verantwortlich. Demgegenüber zeigte die Wärme- und Kraftstoffbereitstellung aus erneuerbaren Energien auch 2019 nach wie vor nur einen unterdurchschnittlichen beziehungsweise stagnierenden Anstieg – und das bei insgesamt nur sehr begrenzten Beiträgen zur Deckung der jeweiligen globalen Nachfrage. Diese Entwicklung dürfte auch in den kommenden Jahren weitergehen. Die unterschiedlichen Optionen zur Nutzung regenerativer Energien werden weitergehend genutzt werden; das absolute und relative höchste Wachstum wird voraussichtlich weiterhin von der Photovoltaik und der Windenergie – und damit im Stromsektor – erbracht.
    Publicationtype: Journal Article
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