View
216
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
acatech – DEUTSCHE AKADEMIE DER TECHNIKWISSENSCHAFTEN
Der Umgang mit Wasser aus energetischer Sicht
EnergieMix 2050
Prof. Dr.-Ing. Bernd Hillemeier Präsidiumsmitglied acatech
Technische Universität Berlin
Berlin, 20. April 2010
Inhalt
1.
Energieversorgung in Deutschland
2.
Tea Time
3.
Abwasser
4.
Wärmetauscher
5.
Wellen und Gezeiten
6.
Kommt auf uns zu
Energieversorgung in Deutschland – ein Überblick
Anstieg
des weltweiten Energiebedarfs
um 45 % bis
2030 (1,6 % pro Jahr)
Quelle: World Energy Outlook (2008)
Primärenergieverbrauch in Deutschland 2008 Quelle: AGBE
Mit anderen Worten: 82 % fossile Energieträger, 11 % Kernernergie
–
und nur 7 % Erneuerbare
5
Die Bruttostromerzeugung in Deutschland (2007/1990)
58 % des Stroms kommt aus Kohle und Gas, 22 % aus Kernenergie, 14 aus % alternativen Ressourcen
Quelle: A. Voss, Uni Stuttgart; AGEB 2008
Braunkohle31.1%
Kernenergie27.7%
Heizöl / Sonstige
5.7%
Erdgas6.5%
Steinkohle25.6%
Erneuerbare Energien
3.4%
Gesamt: 550 TWh
Braunkohle24.4%
Erdgas11.9%
Erneuerbare Energien
14.1% Steinkohle22.3%
Kernenergie22.1%
Heizöl / Sonstige
5.2%
Gesamt: 637 TWh
20071990
Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energieressourcen in Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, TU-Berlin
Die Verteilung von Wasser weltweit
•
Gesamtmenge: 1,4 Milliarden Kubikkilometer •
Meere 83,51 %
•
Nicht förderbares Grundwasser (zu tief) 15,45 % •
Polareis 1,007 %
•
Flüsse 0,015 % •
Förderbares Grundwasser 0,015 %
•
Atmosphäre 0,0008 %
Anteil von Süßwasser am Wasservorkommen der Erde: 2,6-3 %
Anteil von verfügbarem Trinkwasser am Wasservorkommen der Erde: 0,3 %
LURI, watersystems
Zum überschläglichen Nachrechnen nützlich:
1 Jahr
9000 Stunden (8760) 1 Kernkraftwerk
1000 MW = 1 GW = 9000 GWh/a
Deutschland 82 Mio. Einwohner
k = 103
kilo M = 106
Mega G = 109
Giga T = 1012 Tera
Deutschland: Gesamtenergieverbrauch 4000 TWh/a Strom 600 TWh/a Leistung D/E: 4000 TWh/a
: 8760 h : 82 Mio. E = 5570 W/E
Deutschland ist eine 6000 Watt -
Gesellschaft
Inhalt
1.
Energieversorgung in Deutschland
2.
Tea Time
3.
Abwasser
4.
Wärmetauscher
5.
Wellen und Gezeiten
6.
Kommt auf uns zu
Tea Time in London
1 Liter Wasser wird in einem Kocher mit 2 kW Leistung in 210 svon 20°C auf 100°C erhitzt
Wärmemenge
336 kJLeistung
1600 W
1000.000 Wasserkocher = 2 GW
Verluste
Für einen Liter Tee = 1000 Liter Wasser
Wirkungsgrad
: 70%
Für die Wärmemenge von 336 kJ müssen 1000 Liter Wasser aus einer Höhe von 50 m herabfließen.
In Goldisthal
nur 166 l Wasser
PSW Goldisthal – Speicherbecken Tal der Schwarza (Thüringen) zwischen Wurzelbergmassiv und Rennsteig in 500 m Höhe
12 Mio. m³300m Fallhöhe8h Dauerleistung
PSW Goldisthal Maschinenhaus PSW Goldisthal
Maschinenhaus
1.060 MW
PSW Goldisthal - Speicherbecken
Energiegewinnung aus Wasserkraft Speicherkraftwerk
Leistung steht bei Bedarf innerhalb von Minuten zur Verfügung
Flexibel regelbar => kann Strombedarf in Spitzenzeiten decken
Drei-Schluchten-Staudamm (China)
Drei-Schluchten-Staudamm (China)
Inhalt
1.
Energieversorgung in Deutschland
2.
Tea Time
3.
Abwasser
4.
Wärmetauscher
5.
Wellen und Gezeiten
6.
Kommt auf uns zu
Weltweit werden lediglich fünf Prozent der Abwässer geklärt.
Jeden Tag gelangen rund zwei Millionen Tonnen Abfall in Flüsse und Seen, insgesamt werden so rund 12.000 Kubikkilometer Wasser verschmutzt.
LURI, watersystems
19
Spree 2011 – Baden im Fluss -
www.spree2011.de
20
Spree 2011 – Baden im Fluss -
www.spree2011.de
480.000 km öffentliches Kanalsystem
380.000 km
Betonkorrosion
XA3 -
chemisch starkangreifende Umgebung
Biogene Schwefelsäurekorrosion
pH-Werte < 1
Aggressivität von H2 S
Aggressivität von H2 S
Aggressivität von H2 S
Ökologische Probleme
Wirtschaftliche Probleme
Exfiltrationca. 15 l/Ew. am Tag
Fremdwasserzutrittca. 88 l/Ew. am Tag
Versickerung in Boden und Grundwasser!!
PrivateHaushalte Industrie
Kläranlage
NachStein: Instandhaltung von Kanalisationen
|||||
Das Problem
Glas-Biege Versuch
Augenblick des Bruchs
Praktisch durch Theorie
Praktisch durch Theorie
Praktisch durch Theorie
Praktisch durch Theorie
Praktisch durch Theorie
Praktisch durch Theorie
Praktisch durch Theorie
Praktisch durch Theorie
0.2 mm dickes Glas
Verlegeplan
Corner Elements
Fugenlösung?
Fugenlösung!
Schwarzbach April 2007
180 bar Prüfung
Sewage Water Collector
Fraunhofer InstitutFabrikbetriebund -automatisierung
Emscher Sewage Water Collector
Emscher
Length
51 kmInside
diameter
1,4 m –
2,8 m
Gradient
0,0015 –
0,0018Depth
8 m –
40 m
Catch basins
130Pumping
stations
3
Pipe material
Concrete
Standard Overview
Material
Glass PlasticsConcrete Ceramics
Quality
assuranceDesign Stress
Standards
DIN EN ISO 175 DIN EN 206-1/A1 DIN EN 295-1-10
DIN ISO 695 DIN ISO 719 DIN EN 752-1-5
DIN 1045-1 DIN 1120 DIN 4226-100
DIN 7742-1 DIN 12116 DIN EN 12889
DIN EN 13566-1-4DIN EN 13689 DIN EN 14636-1
DIN 16868-1-2 DIN 16869-1-2 DIN 16946-1-2
DIN 16964 DIN 16965-1-5 DIN 18820-1-4
DIN 19565 DIN 19695 DIN 28052-1-6
Design Material Stress Quality assurance
Sewage Water Pipe
Ultra-sound Skate Sled
US Crack Detection
Crack Detection Measurement Curve
Sewage Pipe Inspection Operation Unit (SPION)
SPION
SPION
SPION
Fraunhofer InstitutFabrikbetriebund -automatisierung
Electronically Generated Virtual Objects
Fraunhofer InstitutFabrikbetriebund -automatisierung
Abwasserbauwerke
Anaerobe SchlammstabilisierungEnergiegewinnung auf Kläranlagen
IST-Zustand:
Stromerzeugung: ~ 11,5
kWh/(E·a)
Wärmeproduktion: ~ 22
kWh/(E·a)
Potentiale
abhängig von der Art der Biogas-
verwertung
(Kessel, BHKW, ggf. Brennstoffzelle) und des Grades der Nutzung
Bei Nutzung des Biogases von allen Kläranlagen > 10.000
E in einem
BHKW:
Stromerzeugung: 21,2
kWh/(E·a)
Wärmeerzeugung: 33
kWh/(E·a)
Wirtschaftlichkeit im Einzelfall prüfen!
Kläranlagen = Kommunaler Energieverbraucher Nr. 1Stationär: Elektrizität: 20 bis 40 kWh / (EBSB5 · a) Wärme: ähnlich Elektrizität, aber jahreszeitlich schwankend Mobil: 5 bis 7,5 kWh / (EBSB5 · a)
Kläranlagen verbrauchen mit 4,4 TWh/a deutlich mehr Strom als alle Schulen in Deutschland
1. Schritt: Energieverbrauchssenkung aber: Einsparmöglichkeiten nicht
überschätzen!Kläranlagen sollen in erster Linie Abwasser
reinigen!
[Nach Schröder, 2008]
Stromverbrauchsaufteilung auf Kläranlagen Beispiel: Kläranlage 100.000 E [MunLV,1999]
Mech. Reinigung 0,68
Hebewerk 1,24
Biologische Stufe 16,65
Infrastruktur 1,60
Filteranlage 2,01 Nachklärung
0,15
Schlamm-behandlung
2,70
Idealwert: 25 kWh/(E·a)
Zentrales Heizwerk
Kühlsystem“Kalter” Kreislauf “Warmer” Kreislauf
Nutzung des Wärmepotenzials im Abwasser
Systembedingungen
Neu-Gebäude, Unterflurheizung, Benutzernähe, Niedrigtemperatur
Potentiale der Wärme des Abwassers
bei Temperaturentzug von 1 Kelvin ca.
1,15 kWh Wärme/m³
Abwasser
Theoretisches Potenzial 12.000.000 kWh/d können umgewandelt werden (reicht für ca. 10% aller Haushalte in Deutschland)
Einfluss der Temperatur auf den biologischen Abbau in der Kläranlage
Wärmetauscher- Systeme
Inhalt
1.
Energieversorgung in Deutschland
2.
Tea Time
3.
Abwasser
4.
Wärmetauscher
5.
Wellen und Gezeiten
6.
Kommt auf uns zu
Gebäudemanagement
Geothermie
KWK
Ventilation / Kühlung
Ausrichtung
Speicherung
Solarthermie
&
Photovoltaik
Volkswagen Bibliothek der TU-Berlin
Wärmetauscher
Wärmetauscher
Wärmetauscher
Wärmetauscher
Wärmetauscher
Inhalt
1.
Energieversorgung in Deutschland
2.
Tea Time
3.
Abwasser
4.
Wärmetauscher
5.
Wellen und Gezeiten
6.
Kommt auf uns zu
Energiegewinnung aus Wasserkraft Gezeitenkraftwerk
Bei Minimum an Tidenhub von 5 m gibt es weltweit nur ca. 100 Buchten, die für ein Gezeitenkraftwerk genutzt werden könnten
Probleme: Korrosion im Salzwasser, unterschiedliche Gezeitenhöhen im Jahresverlauf
Gezeitenkraftwerk am Fluss Rance (Bretagne)
Bau: 1966
Leistung: 540 Mio kWh/a
Internationaler Weltenergierat: Wellen-
(und Gezeiten-) kraftwerke
könnten 15% des
weltweiten Strombedarfs decken
Energiegewinnung aus Wasserkraft Wellenkraftwerk
Wellenkraftwerk in Limpet (Schottland)
Leistung: 500 kWKleiner Prototyp bei Aalborg, Dänemark,
237 t, 260 m breit
auslegbar auf max. 10 MW Leistung
Natürliche Meeresströmungen (auch Gezeiten) treiben Turbinen an, die über dem Meeresboden installiert sind (Prototypen z.B. Cornwall)
Energiegewinnung aus Wasserkraft Meeresströmungskraftwerk (Sea Flow)
Modellskizze Seaflow-Gallerie Prototyp vor der Küste von Cornwall
75
Phase Change Materials
Melting-/ CrystallisationheatIce-Water: Δ
H = 333 kJ/kgat 0 °C
Inhalt
1.
Energieversorgung in Deutschland
2.
Tea Time
3.
Abwasser
4.
Wärmetauscher
5.
Wellen und Gezeiten
6.
Kommt auf uns zu
77
Energieverbrauch pro Person: Von unseren Vorfahren bis heute
Industrial Revolution 3.700
USA 11.000
Germany 6.000
12.000
6.000
4.000
2.000
8.000
10.000
Domestication: 580with
Fire: 240 Aborigenes: 100
today- 2 Mio. -
0,75 Mio. -
6000Time in Years
Energy Consumption
in W
78
Zusammenhang zwischen Geburtenrate, Bruttosozialprodukt und Energieverbrauch
kWh/(p a)
BIP
%
5 000 10 000 15 000 20 000 25 00000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
70
35
23
18
14
low
(65%)medium
(25%)High income
economies
(10% of the
world‘s
population
of 5,5 Billion peoples)
Gross
Domestic
Product
per Capital (US-$)
Yearly
Average
Growth of Population [%]
Corresp. To a Doubling
in Years
20 000
40 000
60 000
80 000
100 000
120 000
Energy Consumption
per Captia
(kWh/a)
GUS
D(O)
Saud
GrieE
Iran
Alge
Vene
Bras
Bras
Nied
Swe
D(W)
I
CH
USA
Kan Nor
Eastern Europe
North America
Industrialized Countries
Developing Countries
Western Europe
JordSaud
Iran
Alge
Vene
AthiNige
MarokÄgyp
BangInd
MexBras
ThaiIndo
Arge
GrieGUS Nied
Aus
D(W)
Kan
USA
SWENor
CHE
GB
79
Sand – das Öl der Zukunft?
80
SiO2 -Kreislauf
Silizium H2 OTransport
SiO2
H2Elektrizität WaterElektrolyse
81
Energieverbrauch pro Person: Das Ziel
Industrial Revolution 3.700
USA 11.000
Germany 6.000
12.000
6.000
4.000
2.000
8.000
10.000
Domestication: 580with
Fire: 240 Aborigenes: 100
today- 2 Mio. -
0,75 Mio. -
6000Time in Years
Energy Consumption
in W
6000 W 3000 W!
Recommended