Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Anschriften 1
Anschriften 2
Beiträge früherer JahrgängeBeiträge früherer Jahrgänge
I Energie, Kraftwerksbau
1 Allgemeines
2 Energiepolitik
3 Heutige Energieversorgung
4 Zukünftige Energieversorgung
5 Kraftwerkstypen/Energiewandlung
6 Besondere Aspekte verschiedener Kraftwerkstypen
7 Bauwerke und Konstruktionen
8 Einwirkungen
9 Literatur
II Windenergieanlagen in Stahlbeton- und Spannbetonbauweise
1 Allgemeines
2 Einwirkungen auf Windenergieanlagen
3 Nichtlineares Werkstoffverhalten
4 Tragkonstruktionen und Bemessung
5 Herstellung von Türmen aus Spannbeton
6 Literatur
III Geothermie
1 Allgemeines
2 Technologien der oberflächennahen Geothermie
3 Planung und Projektablauf
4 Geothermische Erkundung und Dimensionierung
5 Herstellung und Konstruktive Durchbildung
6 Qualitätssicherung
7 Rechtliche Aspekte und Genehmigung
8 Literatur
IV Staumauern aus Beton und Mauerwerk
1 Einführung
2 Konzeption und Gestaltung von Staumauern
3 Gewichtsstaumauern
4 Bogenstaumauern
5 Planung von Talsperren
6 Sicherheitsnachweise
7 Bauwerksüberwachung
8 Beispiele
9 Sanierung von Massivsperren
10 Literatur
V Planung und Bau von Kleinwasserkraftwerken
1 Kleinwasserkraft in Europa – Potenziale, Bestand und Randbedingungen
2 Physikalische und energiewirtschaftliche Grundlagen
3 Datenerhebung, Datensammlung
4 Hydrologische Grundlagen
5 Grundlagen der angewandten Hydrodynamik
6 Klassifizierung und Bauteile
7 Wehranlagen
8 Wasserfassung und Abwehr von Wasserinhaltsstoffen, Spülung
9 Offene Triebwasserwege
10 Geschlossene Triebwasserwege – Rohrleitungen
11 Verschluss- und Regelorgane bei Rohrleitungen
12 Turbinen
13 Elektrotechnische Ausrüstung
14 Umweltauswirkungen
15 Literatur
VI Konzepte der Tragwerksplanung im Kraftwerksbau
1 Einleitung
2 Tragwerksplanung
3 Zusammenfassung
4 Literatur
VII Bautechnik im Kernkraftwerksbau
Vorbemerkung
1 Einführung
2 Kernenergie
3 Genehmigungsaspekte
4 Bauwerke für kerntechnische Anlagen
5 Außergewöhnliche Einwirkungen für die Auslegung kerntechnischer Anlagen
6 Sicherheitskonzept und Bemessung
7 Befestigungstechnik
8 Äußere Bauwerksabdichtung
9 Alterungs- und Lebensdauermanagement
10 Literatur
VIII Beton im Kraftwerksbau
1 Einleitung
2 Grundlegende betontechnische Anforderungen im Kraftwerksbau
3 Betone für typische Bauteile im Großkraftwerksbau
4 Besondere Betone für Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien
5 Literatur
IX Faserbeton
1 Einleitung
2 Fasern in der Natur
3 Fasern im Bauwesen
4 Normungsarbeiten national und international
5 Schlusswort
6 Literatur
X Grundlagen des Faserbetons
1 Einleitung
2 Faserarten und Faserwerkstoffe
3 Wirkungsweise der Fasern im Festbeton
4 Stahlfaserbeton
5 Glasfaserbeton
6 Kunststofffaserbeton
7 Faserbewehrte Sonderbetone
8 Ausblick
9 Literatur
XI Baukonstruktionen aus Faserbeton
1 Einleitung
2 Faserarten und -eigenschaften
3 Grundsätzliche Eigenschaften von Faserbetonen
4 Regelwerke
5 Rechentechnische Kenngrößen und Faserorientierung
6 Anwendungen mit Bauteil- bzw. Bauartzulassung
7 Decken
8 Fundament- und Bodenplatten
9 Wände
10 Balken und Binder
11 Druckglieder und Stützen
12 Tunnelbau
13 Vortriebsrohre und Leitungsbau
14 Sonstige Baukonstruktionen aus Faserbeton
15 Ausblick
16 Literatur
XII Erläuterungen zur Dafstb-Richtlinie Stahlfaserbeton
Einleitung
Teil 1 der Richtlinie: Ergänzungen und Änderungen zu Din 1045 Teil 1 „Bemessung und Konstruktion“ für Bauteile aus Stahlfaserbeton
1 Anwendungsbereich
2 Normative Verweisungen und Hinweise
3 Begriffe und Formelzeichen
4 Bautechnische Unterlagen
5 Sicherheitskonzept
6 Sicherstellung der Dauerhaftigkeit
7 Grundlagen zur Ermittlung der Schnittgrößen
8 Verfahren zur Ermittlung der Schnittgrößen
9 Baustoffe
10 Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit
11 Nachweise in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit
12 Allgemeine Bewehrungsregeln
13 Konstruktionsregeln
Teil 2 der Richtlinie: Ergänzungen und Änderungen zu Din En 206-1 und Din 1045-2
1 Anwendungsbereich
2 Normative Verweisungen
3 Begriffe, Symbole und Abkürzungen
4 Klasseneinteilung
5 Anforderungen an Beton und Nachweisverfahren
6 Anforderungen an den Festbeton
7 Lieferung von Frischbeton
8 Konformitätskontrolle und Konformitätskriterien
9 Produktionskontrolle
Teil 3 der Richtlinie: Ergänzungen und Änderungen zu Din 1045-3
1 Anwendungsbereich
8 Betonieren
11 Überwachung durch das Bauunternehmen
Literatur
XIII Betonstahl und Spannstahl
Einleitung
1 Betonstahl
2 Spannstahl
XIV Lebensdauerbemessung
1 Einführung
2 Modellierung von Schädigungsmechanismen
3 Bemessungsformate
4 Anwendungsmöglichkeiten der Lebensdauerbemessung
5 Literatur
XV Instandsetzung und Erhaltung von Betonbauwerken
1 Einleitung
2 Normen – Richtlinien – Vorschriften
3 Sorgfältiger Neubau statt nachträglicher Sanierung
4 Angriffe auf Stahlbeton – Schadensmechanismen
5 Bestandsaufnahme und Schadensdiagnose
6 Instandsetzung
7 Sonderverfahren
8 Kurzbezeichnungen
9 Literatur
XVI Normen und Regelwerke
1 Einleitung
2 Technische Regeln des Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbaus
3 Listen und Verzeichnisse
4 Literatur
Stichwortverzeichnis
Hinweis des Verlages
Die Recherche zum Beton-Kalender ab Jahrgang 1980 steht im Internet zur Verfügung unter www.ernst-und-sohn.de
Titelfoto: Mathias Euler, Stuttgart
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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© 2011 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Rotherstr. 21, 10245 Berlin, Germany
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ISBN 978-3-433-02954-1
ISSN 0170-4958
Vorwort
Der Beton-Kalender 2011 behandelt das aktuelle Thema der baulichen Anlagen zur Energieversorgung mit den wesentlichen Aspekten der Energieumwandlung und des Kraftwerksbaus sowie den aktuellen Stand des Baustoffs Faserbeton. Die wissenschaftlichen Grundlagen werden genauso wie die praktischen Hinweise zur Bemessung, zur konstruktiven Durchbildung und die in den Fachgremien diskutierten Regelwerke in fachlich abgestimmten Beiträgen dargelegt. Das Ingenieur-Know-How entwickelt sich auf dem Grundlagenwissen, ergänzt mit aktualisiertem Fachwissen. Der Bauingenieur muss die Vernetzung der Wissensgebiete beherrschen. Dies gilt vermehrt für die Zukunft. Er muss sein Wissen ständig erneuern und es unmittelbar mit praktischer Konstruktionserfahrung ergänzen. Zum Wissen gehört das Kennen des eigenen Fachgebietes, das vernetzte Denken und das Suchen nach Neuem. Fachwissen ist Erfahrungswissen, das nur durch ständige Weiterbildung erhalten werden kann. Dieses Wissen muss ein Leben lang aktualisiert werden – eine bewährte Möglichkeit ist die Lektüre des Beton-Kalenders!
Johann-Dietrich Wörner und Bernhard Milow stellen in ihrem Einleitungsbeitrag zur Energie und zu den Kraftwerkstechnologien die derzeitige Situation der Energiepolitik und der heutigen sowie der zukünftigen Energieversorgung dar. Die Nachhaltigkeit der Energieversorgung wird durch das Energiesparen, eine effiziente Energieumwandlung und die Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien in den Bereichen Strom, Wärme und Brennstoffe bestimmt. In allen drei Handlungslinien bestimmen Bauingenieure durch ihr Fachwissen den Fortschritt. In einem Überblick werden die Verfahren und Anlagen zur Energiewandlung sowohl im konventionellen Bereich der Kraftwerke als auch die erforderlichen Bauwerke bei erneuerbaren Energien diskutiert.
Jürgen Grünberg und Joachim Göhlmann haben in umfassender Weise die Windenergieanlagen in Stahlbeton- und Spannbetonbauweise bearbeitet. Bei der Entwicklung und Herstellung von Windenergieanlagen nehmen Deutschland und Österreich weltweit eine herausragende Stellung ein. Anfang 2010 waren in der EU Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von mehr als 75.000 MW am Netz. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Einwirkungen, wobei die Windlasten basierend auf der DIN 1055-4 vertiefend dargestellt werden. Für die Bemessung der Tragkonstruktionen werden das nichtlineare Werkstoffverhalten und das geometrisch nichtlineare Strukturverhalten berücksichtigt. Die Bemessung in Stahlbeton- und Spannbetonbauweise wird sowohl auf die DIN 1045-1 (2008) als auch auf die DIN EN 1992-1-1: Eurocode 2 mit dem nationalen Anhang (Entwurf 2010) bezogen. Speziell wird auch die Herstellung von Türmen aus Spannbeton behandelt, bei der besondere Entwurfskriterien, die weitere Entwicklung der Segmentbauweise und die Gründungsbauwerke diskutiert werden.
Rolf Katzenbach, Frithjof Clauß, Thomas Waberseck und Isabel M. Wagner beschreiben den aktuellen Wissensstand der Geothermie. Nach einer allgemeinen Einleitung in die thermischen Eigenschaften und den Wärmetransport von Böden wird die Technologie der oberflächennahen Geothermie beschrieben. Detailliert wird auf die Planung, Erkundung, Bemessung und konstruktive Durchbildung der Anlagen eingegangen. Dabei werden die verschiedenen Bohrverfahren erläutert und Erdwärmekollektoren, Geothermiesonden, Energiepfähle sowie auch die direkte Grundwassernutzung behandelt. Aspekte der Qualitätssicherung, der messtechnischen Überwachung und verwaltungsrechtliche Notwendigkeiten zur Genehmigung in Deutschland runden den Beitrag ab.
Diethelm Linse befasst sich mit den Staumauern aus Beton und Mauerwerk. Dabei werden die Gewichts- und die Bogenstaumauern detailliert behandelt. Neben der Gestaltung werden auch Aspekte der Bauausführung und der Tragmechanismen einbezogen. Für den Nachweis der Tragsicherheit wird die DIN 19700 mit globalen Sicherheitsbeiwerten verwendet, wobei mit einer Lebensdauer von 100 Jahren gerechnet wird. Für die Gebrauchstauglichkeit sind die Nachweise der Dichtigkeit und der Fugenklaffungen zu erbringen. Wesentlich bei den Staumauern ist die Bauwerksüberwachung sowohl in der Bauphase als auch besonders während des Betriebs. Die Möglichkeiten der Ertüchtigung von Staumauern werden anhand von Beispielen dargestellt.
Die Planung und den Bau von Kleinwasserkraftwerken behandelt Bernhard Pelikan. Gerade bei der Planung müssen die Landschaftseinbindung, die ökologischen und wasser- sowie bautechnischen Aspekte einbezogen werden. Die einzelnen Wasserkraftanlagen werden beschrieben und die Anwendungsbereiche der Turbinen mit ihren Wirkungsgraden aufgezeigt.
Peter Osterrieder, Dieter Werner und Marc Simon stellen Konzepte der Tragwerksplanung im Kraftwerksbau vor. Die notwendige Tiefe der Tragwerkskonzeption in den verschiedenen Planungsphasen wird aufgezeigt und der Projektablauf detailliert dargestellt. Hinweise zur konstruktiven Ausbildung der Gründungen, der Treppentürme, des Maschinen- und Kesselhauses, des Kohlelagers, der Silos, des Kühlsystems mit dem Kühlturm und dem Pumpenhaus runden diesen Beitrag ab.
Rüdiger Meiswinkel, Julian Meyer und Jürgen Schnell behandeln umfassend die Bautechnik im Kernkraftwerksbau. Neben den Grundlagen zur Stromerzeugung aus der Kernspaltung werden die Aspekte der Sicherheit, der Genehmigung und der Planungs- und Auslegungsanforderungen betrachtet. Detailliert werden die Bauwerke bis hin zu den baulichen Anlagen für die Entsorgung beschrieben. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die außergewöhnlichen Einwirkungen wie Störfälle, Brände, Explosionen, Erdbeben und Hochwasser bei der bautechnischen Auslegung gerichtet. Das Sicherheitskonzept und die Hinweise für die Bemessung der Bauteile aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton beziehen sich auf die DIN (DIN 25449; DIN 1045-1)- und Eurocode-Normen sowie auf die kernkraftspezifischen Regelwerke (KTA-GS-78; KTA 2201.3). Die Auslegung und Bemessung der Befestigungselemente unter Berücksichtigung des Leitfadens für Dübelbefestigungen in Kernkraftwerken und anderen kerntechnischen Anlagen (DIBt-Leitfaden, 2010) finden sich ebenfalls in diesem Beitrag. Erläuterungen der Aufgaben und Anforderungen an die Bauwerksabdichtung sowie des Alterungs- und Lebensdauermanagements beschließen die Ausführungen.
Ludger Lohaus, Lasse Petersen, Robert Griese und Steffen Anders befassen sich mit Beton für den Kraftwerksbau. Im Detail werden die betontechnischen Anforderungen und die betontechnologischen Zusammensetzungen für typische Bauteile im Kraftwerksbau beschrieben. Einige Besonderheiten der Betontechnologie für Windenergieanlagen, Schwergewichtsgründungen, kraft- und formschlüssige Verbindungen sowie für die Herstellung von Wärmespeichern werden ebenfalls behandelt.
Horst Falkner und Jens-Peter Grunert geben einen Überblick über die Technologie und die Anwendungspotenziale von Faserbeton. Die Wirkungsweisen von Fasern in Beton werden aufgezeigt und die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Fasermaterialien besprochen. Auf die Bemessung im Grenzzustand der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit wird erläuternd eingegangen. Interessant ist die Zusammenstellung von Normen und Richtlinien für Faserbeton in verschiedenen Ländern.
Klaus Holschemacher, Frank Dehn und Yvette Klug erklären in wissenschaftlicher und praktischer Hinsicht die Grundlagen des Faserbetons. Die unterschiedlichen Faserarten und Werkstoffeigenschaften sowie deren Wirkungsweise im Beton werden dargestellt. Spezifisch wird die Herstellung, Verarbeitung und Nachbehandlung von Stahlfaserbeton und Glasfaserbeton behandelt und das aktuelle technische und baupraktische Wissen aufbereitet. Abschließend wird auch der Einsatz von Fasern in Sonderbetonen, wie Leichtbeton, selbstverdichtender Beton, hochfester sowie duktiler Beton, behandelt.
Martin Empelmann, Manfred Teutsch und Marco Wichers befassen sich im Beitrag „Baukonstruktionen aus Faserbeton“ nach einer Einführung in die Faserarten und deren Eigenschaften mit den normativen Regelungen von Faserbeton. Das Hauptaugenmerk legen die Autoren auf die Anwendungen von Stahlfaserbeton für Rohre, Decken, Fundamente und Bodenplatten sowie Industriefußböden, Wände, schlaff bewehrte und vorgespannte Balken und Stützen. Im Tunnelbau wird Stahlfaserspritzbeton vielfältig eingesetzt – als Erstsicherung, bei den Innenschalen, aber auch bei Fertigteil-Tübbingen. Faserbetone haben sich auch bei Sanierungs- und Instandsetzungsarbeiten sowie in Verbindung mit Hochleistungsbetonen wirkungsvoll bewährt.
Manfred Teutsch, Udo Wiens und Christoph Alfes geben Erläuterungen zur neu erschienenen DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“. Wesentlicher Inhalt sind die Bemessungsgrundlagen der Tragfähigkeit für die Biegung mit und ohne Längskraft, für die Querkraft, für das Durchstanzen und die Nachweise der Gebrauchstauglichkeit in Ergänzung und Änderung zu DIN 1045-1. Der Teil 2 der Richtlinie gilt für die Herstellung von Stahlfaserbeton und beinhaltet Ergänzungen und Änderungen zu DIN EN 206-1 und DIN 1045-2.
Jörg Moersch und Jörg Haßhoff haben den Beitrag „Betonstahl und Spannstahl“ verfasst, in dem ausführlich die jeweiligen Produktgruppen vorgestellt werden unter Berücksichtigung der geltenden DIN- und EN-Normen sowie allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen.
Christoph Gehlen, Till Felix Mayer und Stefanie von Greve-Dierfeld beschreiben die Lebensdauerbemessung von Beton. Umfassend werden die Modelle der Karbonatisierung, der Chloriddiffusion und der Korrosion erläutert. Auf den Grundlagen der Probabilistik werden die Möglichkeiten der Bemessung in Bezug auf die Dauerhaftigkeit und damit Abschätzungen für die Lebensdauer von Beton aufgezeigt.
Bernd Hillemeier, Claus Flohrer, Jürgen Krell, Gabriele Marquardt, Jeanette Orlowsky, Michael Raupach, Karsten Schubert und Stephanie Schuler stellen in umfassender Weise die Instandsetzung und Erhaltung von Betonbauwerken dar. Die Normen, Richtlinien und Vorschriften zum Thema „Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen“, die den Stand der Technik und die allgemein anerkannten Regeln der Bautechnik widerspiegeln, werden aufgezeigt. Zukunftsgerichtet werden die wichtigsten Voraussetzungen für einen sorgfältigen Neubau mit 10 Regeln für guten Beton, statt nachträglicher Sanierung, vorgestellt. Dabei werden neben dem Beton auch die Kunststoffe detailliert behandelt. Die Angriffe auf Beton und die Schadensmechanismen werden bauchemisch beschrieben und deren Auswirkungen aufgezeigt. Das sorgfältige Vorgehen bei der Bestandsaufnahme und Schadensdiagnose mit den entsprechenden Prüfmethoden wird praxisbezogen dargestellt. Dabei werden neben den In-situ-Versuchen auch die verschiedenen Prüfverfahren im Labor beschrieben. Der Hauptteil behandelt die Instandsetzung von Beton- und Korrosionsschäden der Bewehrung. Detailliert werden die Maßnahmen mit ihren Anwendungsbereichen veranschaulicht. Ein eigener Abschnitt widmet sich den Sonderverfahren wie der Realkalisierung für den Korrosionsschutz der Bewehrung, der Realkalisierung des karbonatisierten Betons, dem kathodischen Korrosionsschutz, dem Faserspritzbeton als Instandsetzungsmaßnahme, der extern eingebauten Bewehrung und dem Glass-Lining – einer fugenlosen Beschichtung mit Dünnglas. Auch das Aufbringen von dünnen Schutz-, Dicht- und Verschleißschichten in Form von Feinkornbetonen wird kurz behandelt.
Der Abschnitt Normen und Regelwerke wird von Frank Fingerloos gestaltet. Dabei wird letztmalig die vollständige DIN-1045-Reihe vor der Einführung des Eurocodes 2 in Deutschland im Beton-Kalender abgedruckt und erläutert (inkl. Teil 100: Ziegeldecken). Auch die neue DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“, welche direkt Bezug auf die DIN 1045 nimmt, wird komplett abgedruckt. Mit DIN 19700 „Stauanlagen“ Teil 10: Gemeinsame Festlegungen und Teil 11: Talsperren werden relevante Regelwerke zu den Kapiteln über Talsperren und Kraftwerksbauten ergänzt.
Außerdem finden sich in diesem Kapitel die Listen der für den Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbau relevanten Baunormen und technischen Baubestimmungen, der aktuellen Richtlinien des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton und ein aktuelles Verzeichnis der Merkblätter des Deutschen Beton- und Bautechnik-Vereins. Neu ist ab diesem Beton-Kalender die Aufnahme eines weiteren Verzeichnisses mit den Richtlinien und Merkblättern der Österreichischen Vereinigung für Beton- und Bautechnik.
Der Beton-Kalender 2011 bietet wieder aktuelles Fachwissen, gebündelt mit den neuesten Entwicklungen im normativen Bereich. Die Herausgeber wünschen Freude beim Lesen und Erfolg bei der konstruktiven Umsetzung.
Prof. Dipl.-Ing. DDr. Konrad Bergmeister, Wien
Dr.-Ing. Frank Fingerloos, Berlin
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Johann-Dietrich Wörner, Darmstadt
September 2010
Anschriften
1
Anschriften
2
Beiträge früherer Jahrgänge (1990–2010)
Eine vollständige Liste ist im Internet unter www.ernst-und-sohn.de recherchierbar.
* Ab dem 92. Jahrgang (2003) treten die Bandbezeichnungen 1 und 2 an die Stelle von Teil I und II.
Die Entwicklung der Menschheit ist unmittelbar mit dem Bedarf an, beziehungsweise der Verfügbarkeit von Energie verbunden.
Aufgrund der Tatsache der Energieerhaltung ist es streng genommen falsch, von Energieverbrauch oder von Energieerzeugung zu sprechen, stattdessen geht es um die Wandlung einer Energieform in eine andere, sei es durch mechanische Arbeit, Induktion, Verbrennung oder andere chemische bzw. physikalische Vorgänge. Von den vielen unterschiedlichen Energieformen sind Wärme und Elektrizität im Zusammenhang mit Kraftwerksbau von besonderer Bedeutung: Wärme in verschiedenen Formen von Heizung bis hin zur Verbrennung in Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren war die Energieform, die die Industrialisierung maßgeblich voranbrachte, aber in zunehmendem Maße auch Fragen des Umweltschutzes stellte. Darüber hinaus ist der Transport von Wärme zwar prinzipiell möglich und wird z. B. bei Fernwarmeleitungen praktiziert, ist jedoch im Vergleich zur Elektrizität sehr aufwendig und verlustreich. Im Mittelpunkt der aktuellen Energiediskussion steht die Erzeugung und Verwendung elektrischen Stroms. Elektrizität nimmt eine zentrale Rolle ein, sei es bei der Beleuchtung, bei der Kommunikation, bei Klimageräten oder auch bei industriellen Prozessen. Selbst im Bereich der Mobilität, einer Thematik, in der fossile Ressourcen, insbesondere Öl und zunehmend auch Gas, bisher den Energiebedarf deckten, wird mit der Entwicklung elektrischer Antriebe zu Land, zu Wasser und sogar in der Luft ein neues Energiekapitel aufgeschlagen. Auch wenn die fossilen Rohstoffe, insbesondere Kohle, noch für einen relativ langen Zeitraum für die prognostizierte Nachfrage ausreichen, so wird die Forderung nach neuen Energiewandlungssystemen, insbesondere zur Erzeugung elektrischen Stroms, immer klarer. Der wesentliche Treiber für eine nachhaltige Energieversorgung ist weniger die Knappheit an Ressourcen, sondern in zunehmendem Maße die Klimaproblematik.
Der Beton-Kalender 2011 widmet sich daher insbesondere der Kraftwerkstechnik und dem Kraftwerksbau, die als Grundlage für die Verfügbarkeit von Elektrizität für ganz unterschiedliche Anwendungsbereiche gelten. Dieser Beitrag soll allgemeine Fragen der Energiepolitik und -technik beleuchten und somit die Basis für die technischen Beiträge dieses Beton-Kalenders legen.
Die Forderungen einer zukunftsorientierten Energiepolitik umfassen verschiedene Gesichtspunkte, die je nach individueller und politischer Positionierung mit verschiedenen Prioritäten versehen werden. Für die Realisierung einer nachhaltigen Entwicklung ist es essenziell, die verschiedenen Aspekte gleichzeitig in angemessener Weise zu berücksichtigen und nicht momentane Opportunitätsgedanken in den Vordergrund zu stellen.
Während in der Energieversorgung zunächst die Technik an sich und dann die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund stand, entwickelte sich durch mehr Umweltschutzgedanken und das wachsende Bedürfnis nach sicherer, zuverlässiger Energieversorgung das Zieldreieck der Energieversorgung mit den Elementen Ökologie, Ökonomie und Versorgungssicherheit. Die Weiterentwicklung unserer Gesellschaft erfordert, zukünftig die soziale Komponente verstärkt zu berücksichtigen, sodass heute von einem Zielviereck gesprochen werden kann und muss (Bild 1). Ohne die Akzeptanz der Bevölkerung kann der dringend erforderliche Umbau der Energieversorgung hin zu einem nachhaltigen System nicht mit der erforderlichen Geschwindigkeit vorangetrieben werden.
Das Ziel einer zuverlässigen, sicheren Energieversorgung erfordert die Entwicklung entsprechender Techniken, die sowohl den eigentlichen Energiewandlungsprozess als auch die Anpassung des Energieangebots an den Bedarf bzw. die Anpassung des Bedarfs an das verfügbare Energieangebot beinhaltet. Hier spielen Energiespeicher eine zunehmende Rolle; die bisher übliche Unterscheidung nach Grundlast- und Spitzenlastkraftwerken verliert an Bedeutung. Ziel ist die Sicherstellung nachfragegerechter, sicherer Energieversorgung zu jeder Zeit. Zudem spielt auch der Aspekt der Krisensicherheit eine wichtige Rolle.
Bild 1. Viereck moderner Energiepolitik
Wirtschaftlichkeit der Energieversorgung ist ein Gebot, das individuell wie gesamtgesellschaftlich von Bedeutung ist. Der Einzelne sieht diesen Aspekt häufig genug auf der persönlichen Ebene als einen zentralen Punkt an, da er die begrenzten persönlich verfügbaren finanziellen Mittel nicht für Energie, verstanden als „Grundbedürfnis“, ausgeben möchte. Auf der volkswirtschaftlichen Ebene ist offensichtlich, dass zumindest längerfristig eine Volkswirtschaft nur dann keinen Schaden nimmt, wenn Energie insgesamt so günstig angeboten werden kann, dass insbesondere die energieintensiven Unternehmen nicht einen anderen Standort im hinsichtlich der Energiekosten günstigeren Ausland wählen. Kurzfristig höhere Preise können durchaus sinnvoll sein, wenn damit sichergestellt wird, dass sich zukünftig daraus ein Vorteil (z. B. in wirtschaftlicher Hinsicht) ergibt. Die Markteinführung neuer, nachhaltiger Technologien ist ein Beispiel hierfür, wenn absehbar die Schwelle der Wirtschaftlichkeit dieser Technologien erreicht und überwunden werden kann. Zudem sind Energiekosten nur ein Standortfaktor neben vielen anderen.
Ökologische Ziele sind mittlerweile selbstverständlicher Bestandteil moderner Energiepolitik, auch wenn sie hin und wieder als Widerspruch zu den eher kurzfristigen, wirtschaftlichen Anforderungen gesehen werden. Hier hat die Übernahme des aus der Forstwirtschaft entnommenen Konzepts der Nachhaltigkeit eine Brücke gebaut, da aktuelle Entscheidungen auch zukünftige Entwicklungen antizipieren müssen. Die Antizipation beinhaltet die verschiedenen Effekte und erreicht so eine Balance zwischen kurzfristigen, finanziellen Perspektiven und langfristigen Folgen, auch für die Umwelt. Gerade die Berücksichtigung umweltbezogener Gesichtspunkte hat auch zu einer bedeutenden Entwicklung der Technik geführt.
Das Ziel Gesellschaftliche Akzeptanz hat als vorerst letzter Baustein erst seit kurzem seinen angemessenen Platz in der Energiepolitik gefunden. Lange Zeit wurde gerade im Bereich der Energie das Primat des Fachwissens als alleinentscheidend definiert. Mit zunehmender Aufmerksamkeit der Gesellschaft für Umweltfragen hat auch die Energiepolitik ihren Platz in der allgemeinen gesellschaftlichen Diskussion gefunden. Gerade die Akzeptanz von Energietechniken wird für die Zukunft immer wichtiger. Heutzutage sind weder neue Kohlekraftwerke, noch Windparks oder auch Pipelines, die beispielsweise für den Transport von CO2 zu einer Speicherstätte erforderlich sind, ohne die Akzeptanz der Bevölkerung möglich. Aus diesem Grund ist es notwendig, neben den technischen Entwicklungen, ihren ökologischen und ökonomischen Konsequenzen und Randbedingungen auch der gesellschaftspolitischen Dimension Aufmerksamkeit zu schenken.
Bevor man über die zukünftige Energieversorgung diskutieren kann, ist eine Analyse der derzeitigen Situation der Energie national wie international erforderlich. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die spezifischen Primärenergieverbräuche pro Kopf in ausgewählten Regionen.
Die Darstellung belegt, dass weltweit starke Unterschiede im Primärenergieverbrauch festzustellen sind. Dabei ist der Lebensstandard nur einer von mehreren Faktoren, wie der Vergleich USA/EU beispielhaft belegt: Bei annähernd gleichem Lebensstandard unterscheidet sich der Verbrauch von Primärenergie um mehr als den Faktor 2. Deutschland liegt innerhalb der EU bei einem Vergleich des Primärenergieverbrauchs deutlich über dem Durchschnitt. Weitere Einflussparameter sind geografische, aber auch gesellschaftliche Aspekte. Eine genauere Betrachtung des Energiebedarfs und der zugehörigen Energiearten muss zwangsläufig regionalisiert erfolgen, da beispielsweise der Wärmeenergiebedarf ganz wesentlich von den klimatischen Bedingungen abhängt. Die entsprechende Aufteilung des Endenergiebedarfs, also die Verwendung der Energie, für die Bundesrepublik Deutschland ist in Tabelle 2 angegeben.
Allein diese Tabelle belegt die Bedeutung von den drei großen Anwendungssektoren Verkehr, Raumund Prozesswärme. Beleuchtung ist demgegenüber eine Größenordnung kleiner. Politische Aktionen wie das Verbot der matten Glühbirnen sind an sich genommen aus energetischer Sicht zwar sinnvoll, ihre Bedeutung wird aber stark relativiert, wenn man die Zahlen von Tabelle 2 zugrunde legt. Der Wert für Informations- und Kommunikationstechniken steigt mit zunehmender „Computerisierung“ unserer Gesellschaft rasch an. Die Computerindustrie hat die Bedeutung des Energiebedarfs jedoch bereits erkannt und entwickelt zunehmend auch Computersysteme mit besonderer Energieeffizienz. Für die drei Hauptenergiebedarfsträger Verkehr, Prozesswärme und Hauswärme gilt es sowohl zentral wie dezentral, alle Anstrengungen zu unternehmen, um den Bedarf signifikant zu reduzieren. Dieses Gebot ist sowohl mit der Frage der beschränkten Ressourcen als auch mit der Wirkung auf unser Klima zu formulieren. Unabhängig von der jeweiligen Energienutzung werden auf dem Weg der Wandlung Stoffe (z. B. CO2), Wärme, Larm etc. emittiert, die sich negativ auf das Klima und die Umgebung auswirken. Die gesamte Kette vom Ausgangsstoff bis zur Energienutzung und darüber hinaus bedarf der intensiven Betrachtung.
Tabelle 1. Primärenergieverbrauch pro Kopf 2006 (Quelle: US Energy Information Administration, Dez. 2008)
| GJ/Kopf | |
| D | 188 |
| EU | 154 |
| USA | 353 |
| Afrika | 17 |
| China | 59 |
| Welt | 76 |
Tabelle 2. Endenergiebedarf in Deutschland nach Energiearten 2007 [6] (auf der Basis von Daten der AGEB, des BDEW und der TU München/IfE)
| Prozent | PJ | |
| Mechanische Energie | 41,6 | 3571 |
| – davon: Verkehr | 29,8 | 2558 |
| Raumwärme | 26,1 | 2241 |
| Prozesswärme | 28,1 | 2412 |
| Beleuchtung | 2,4 | 206 |
| IuK | 1,8 | 155 |
PJ = Petajoule = 1015 Joule (Energie pro Leistungseinheit)
Der Begriff des Energieverbrauchs ist im physikalischen Sinne nicht richtig, da Energie nicht verbraucht werden kann (Gesetz der Energieerhaltung), sondern nur entwertet. Verbraucht werden die eingesetzten Energieträger (konventionelle Energieträger).
Bild 2. Energieflussdiagramm für die Bundesrepublik Deutschland [6]
Tabelle 3. Anteil fossiler und nuklearer Energieträger 2007 (Quelle: IEA-Webseite, http://iea.org/stats/index.asp)
(Stromerzeugung aus Abfall nicht als fossil gerechnet)
Die Energiewandlung geschieht durch verschiedene Prozesse, die zentral oder dezentral organisiert sein können. Eine besondere Rolle kommt in der Stromversorgung derzeit (noch) den zentralen Anlagen zu, da diese zur Sicherung der zuverlässigen Energieversorgung auf eine lange Tradition zurückblicken können und viele Prozesse einen größenabhängigen Wirkungsgrad aufweisen. Tabelle 3 gibt den Anteil der verschiedenen zentralen Kraftwerkstypen in verschiedenen Regionen der Welt wieder.
Zunehmend werden bei der Stromerzeugung auch dezentrale Anlagen eingesetzt, während bisher lediglich die Wärmeerzeugung bis auf den Maßstab einzelner Haushalte hinab verbreitet war. Kleine Blockheizkraftwerke, basierend auf Otto- oder Dieselmotoren, haben ihren Weg bereits gefunden, aktuelle Entwicklungen beschäftigen sich mit dem Einsatz der Brennstoffzelle und Hybridsystemen, bei der Brennstoffzellen und Mikrogasturbinen zur Erreichung hoher Wirkungsgrade gekoppelt werden (Bild 3).
Bild 3. Hybridkraftwerk Brennstoffzelle – Mikrogasturbine
Im Weiteren werden eher die zentralen Systeme betrachtet, da hier die baulichen Anforderungen starker im Mittelpunkt stehen.
Wie bereits dargestellt, ist der heutige Umgang mit Energie nicht nachhaltig. Hierzu tragen zwei wesentliche Aspekte bei: Einerseits werden globale Klimarisiken in Kauf genommen, die in ihren Auswirkungen schwer abzuschätzen sind, und andererseits werden endliche Ressourcen unwiederbringlich verbraucht. Es ist ein Gebot der Verantwortung gegenüber zukünftigen Generationen, die Energieversorgung und -nutzung so zu organisieren, dass wesentlich geringere Nachteile und Risiken damit verbunden sind.
Hierfür gibt es keine ideale Handlungslinie, mit der in kurzer Zeit alle energiepolitischen Ziele erreicht werden können. Uns steht weder ein „perfekter“ Kraftwerkstyp, noch ein „idealer“ Rohstofftyp noch eine hoch effiziente rechtliche oder ökonomische Maßnahme zur Verfügung, mit der das Energiesystem in kurzer Zeit nachhaltig gemacht werden kann. Es sind im Wesentlichen drei Handlungslinien, die parallel mit Konsequenz verfolgt werden müssen und die demnach auch die Energiepolitik auf dem Weg zur Nachhaltigkeit bestimmen werden:
In allen drei Handlungslinien sind Aktivitäten der Bauwirtschaft erforderlich: Beim Energiesparen kommt es ganz wesentlich auf die baulichen Konzepte an, die von Dämmmaßnahmen bis zu Passivhaus- bzw. Plus-Energiehauskonzepten, sowie Klimahauskonzepten für Wohn-, Geschäfts- und Industriebauten reichen. Die Modernisierung der Energiewandlung und die Erhöhung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen werden Kraftwerksneubauten in allen Leistungsklassen erfordern, aber auch umfassende Investitionen in die deutsche und europäische Energie-Infrastruktur. Ein Ausbau der Netze – Strom, aber auch Gas und Wärme – und insbesondere auch der Bau von Energiespeichern als zunehmend wichtigem Element des Energiesystems wird substanzielle bauliche Investitionen bedingen. Hiermit werden auch neue technische Anforderungen verbunden sein, die die Innovationskraft der Branche herausfordern.
Für Deutschland wurden Szenarien einer zukünftigen Energieversorgung vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Auftrag der Bundesregierung in einer Leitstudie entwickelt (Bild 4). Gegenstand der Untersuchung war die Frage, wie die gegenwärtig von der Politik bereits gesetzten energiepolitischen Ziele in Zukunft erreicht werden können.
Die Leitstudie ermittelt, wie das Ziel einer 80%igen CO2-Reduktion bis 2050 in Deutschland erreicht werden kann und mit welchen strukturellen und ökonomischenWirkungen hierbei zu rechnen ist. Das 80%-Ziel ergibt sich für alle Industriestaaten, wenn die weltweiten Emissionen so begrenzt werden sollen, dass die CO2-Konzentration in der Atmosphäre auf maximal 450 ppm ansteigt. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, müssen alle Möglichkeiten entlang der drei Handlungslinien genutzt werden: Eine starke Steigerung der Nutzungseffizienz, insbesondere im Wärmebereich, geht einher mit einer weiteren deutlichen Steigerung der Umwandlungseffizienz. Der Primärenergieverbrauch kann so auf ein Niveau von 58% des Wertes von 2005 gesenkt werden. Vom verbleibenden Bedarf an Strom können erneuerbare Energiequellen 2050 in einem intensiven Zusammenspiel mit Speichern und Lastmanagement etwa 85% decken, zudem decken sie etwa die Hälfte des Wärmebedarfs und etwa 30% des Bedarfs im Verkehr. Die relative Bedeutung von Strom gegenüber Wärme und Kraftstoffen wird deutlich zunehmen, was die Nutzung erneuerbarer Energiequellen erleichtert. Soweit noch Strom aus fossilen Energieträgern gewonnen wird, geschieht dies mit hohen Anteilen von Kraft-Wärme-Kopplung, also unter gleichzeitiger Erzeugung von Strom und Wärme und somit einer wesentlich besseren Ausnutzung der Brennstoffe. Bei den erneuerbaren Energien trägt in diesem Szenario der Ausbau der Windenergie gemeinsam mit der Solarenergie den größten Teil des Ausbaus, während die Bioenergie und die Geothermie mit kleineren Anteilen beitragen. Zur Solarenergie zählt auch ein relevanter Beitrag aus solarthermischen Kraftwerken in Südeuropa und Nordafrika.
Ökonomisch ermittelt die Studie die erforderlichen Investitionen wie auch die mittleren Bereitstellungskosten für Strom, Wärme und Kraftstoffe. Vor dem Hintergrund verschiedener Annahmen zur Preisentwicklung fossiler Energieträger können so die Differenzkosten ermittelt werden. Es zeigt sich, dass das Energiesystem dieser Struktur nach einer Phase von Mehrkosten bereits vor 2025 zu Einsparungen gegenüber einer Fortführung des Bisherigen führt und sich diese Einsparungen bis 2050 zu deutlichen Gesamtüberschüssen addieren.
Bild 4. Leitstudie 2009 für Deutschland [1]
Allen Energiewandlungsverfahren ist gemeinsam, dass sie bauliche Anlagen benötigen, der jeweilige Aufwand ist jedoch sehr unterschiedlich.
Im Bereich der konventionellen Energieumwandlung geht es insbesondere um den Kraftwerksbau einschließlich der erforderlichen „Nebenbauwerke“, wie Turbinengebäude, Schaltanlagengebäude, Umspannanlagen und Hochspannungsmasten.
Auch die erneuerbaren Energien erfordern Bauwerke besonderer Art, wie z. B. Windkraftanlagen auf dem Land und off-shore, Solarthermietürme und Spiegelkonstruktionen, Biogasanlagen und Speicherbauwerke zur bedarfsgerechten Deckung des Energiebedarfs bei weitgehend volatiler Energiebereitstellung, z. B. durch die Abhängigkeit von Wind und Sonne.
Wichtig ist zunächst eine sehr grobe Klassifizierung entsprechend der Wirkweisen der verschiedenen Kraftwerkstypen.
Unter thermischen Kraftwerken versteht man Systeme, bei denen meist über einen Dampfkreisprozess thermische Energie in einer Turbine erst in mechanische Energie (Drehbewegung) und schließlich mittels eines Generators in Strom umgewandelt wird. Die thermische Energie kann teilweise (Abwärmenutzung in Kraft-Wäme-Kopplungsanlagen) oder vollständig (wärmegeführte Heizkraftwerke) auch für thermische Prozesse genutzt werden (Bild 5).
Kraft-Wärme-Kopplung ist eine sinnvolle Maßnahme, um den Nutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie deutlich zu erhöhen und so Primärenergie einzusparen. Alle Energiekonzepte für die Zukunft enthalten Kraft-Wärme-Kopplung als eine zentrale Komponente. Thermische Kraftwerke stellen heute den mit Abstand groäßten Anteil an der deutschen Kraftwerksleistung dar.
Zu den thermischen Kraftwerken gehoären insbesondere:
Je nach Konstruktion muss bei thermischen Kraftwerken ein Teil der Ausgangsenergie beim Wandlungsprozess als „Restwärme“ abgeführt werden. Dazu werden z. B. auch Kühltürme eingesetzt.
Für die Kraftwerke 1. bis 6. sind es Verbrennungsvorgange, d. h. chemische Oxidation, die als Wärmequelle dienen.
Bild 5. Prinzip thermischer Kraftwerke
Bei den Kernkraftwerken sind es Kernreaktionen, die auf der Grundlage der Kernspaltung bzw. Kernverschmelzung Waärme erzeugen.
Geothermische Kraftwerke nutzen die Wärme des Erdinneren, hervorgerufen durch Kernspaltungsvorgänge und gespeichert aus der Entstehung der Erde. Die Erde stellt ein enormes Wärmereservoir dar; die gespeicherte Energie betragt ca. 2,8 × 1024 kWh. Die Verfahren der Erdwärmenutzung sind insbesondere:
Solarthermische Kraftwerke nutzen die Wärmestrahlung der Sonne, die durch Fusionsvorgänge im Sonneninneren entsteht. Um die Solarstrahlung besser ausnutzen zu koännen, werden sogenannte Konzentratoren, Spiegel oder Linsen verwendet. Sie haben die Aufgabe, die einfallende Strahlung zu sammeln und an den Kollektor weiterzuleiten.
Eine weitere Form der Energiewandlung aus chemisch gespeicherter Energie stellt die Brennstoffzelle dar. Eine Brennstoffzelle liefert unmittelbar elektrische Energie, in der Regel durch kontrollierte Oxidation von Wasserstoff.
Bei den Wasserkraftwerken wird potenzielle Energie, d. h. Lageenergie in elektrischen Strom gewandelt. Pumpspeicherkraftwerke sind eine spezielle Form von Wasserkraftwerken mit einem besonders großen Hoähenunterschied, bei denen über die Verrichtung von Arbeit (elektrisches Hochpumpen von Wasser) Energie gespeichert und im Bedarfsfall wieder in Strom zuruäckgewandelt werden kann. Ähnliches gilt für Druckluftspeicherkraftwerke, bei denen Luft in unterirdischen Kavernen unter hohem Druck gespeichert wird.
Photovoltaik-Kraftwerke wandeln die Sonneneinstrahlung mittels Halbleitereffekt direkt in elektrische Energie um.
Bei den Windkraftwerken wird die in den bewegten Luftmassen vorhandene kinetische Energie in elektrischen Strom gewandelt oder z. B. zum direkten, mechanischen Antrieb von Pumpen verwendet. Während übliche Windkraftwerke den natuärlichen Wind ausnutzen, wird bei Aufwindkraftwerken die Tatsache genutzt, dass heiße Luft nach oben steigt. Die Luft wird durch Sonneneinstrahlung unter entsprechenden Konstruktionen erhitzt und treibt dann in einem Turm eine entsprechende Turbine an.
Insbesondere solarthermische, Photovoltaik- und Windkraftwerke sind direkt abhängig von der Verfügbarkeit der jeweiligen Ressource Solarstrahlung oder Wind. Um diese Systeme in großem Umfang in Energieversorgungsstrukturen einzubinden, sind neben einer intelligenten Steuerung und Verteilung („Smart Grid“), wirkungsvolle Energiespeicher erforderlich. Energiespeicher können als chemische (z. B. Batterie, Wasserstoff), physikalische (z. B. Wärmespeicher) oder mechanische (z. B. Pumpspeicher) Konzepte realisiert werden.