22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 1 Wo kann elektrische Energie mit Vorteil Öl/Gas ersetzen? - als Beispiel für ein Konzept zu Einsparpotenzialen von

22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009 1

Wo kann elektrische Energie Wo kann elektrische Energie mit Vorteil mit Vorteil Öl/Gas ersetzen?Öl/Gas ersetzen?

- als Beispiel f- als Beispiel für ein Konzept zu ür ein Konzept zu Einsparpotenzialen von PrimärenergieEinsparpotenzialen von Primärenergie

Wolfgang Weingarten

AKE Herbstsitzung 2009

[email protected]


Grundgedanke (FrGrundgedanke (Frühjahrsitzung 2009)ühjahrsitzung 2009)

Die Verfügbarkeit von Energie liegt nicht im primären Interesse der menschlichen Gesellschaft.

Sie verlangt vielmehr in einer temperierten Umgebung mit enger Variabilität zu leben (293±5 K), und “Services” wie Nahrung, Kleidung, Beleuchtung, Fortbewegung, Kultur

etc. zur Vefügung zu haben. Alle diese Grundbedürfnisse hängen nur indirekt mit Energie

zusammen. Jedoch: Die “Services” lassen sich durch Umwandlung von Energie in

Form von Wärme und Arbeit bereitstellen. Gleichbleibender Bedarf an “Services” voraussetzt, ergeben sich

Einsparmöglichkeiten aus einer effizienten und nachhaltigen Umwandlung von Energie in “Services”.


Grundgedanke (FrGrundgedanke (Frühjahrssitzung 2009)ühjahrssitzung 2009) Wertigkeit der EneWertigkeit der Energie

Man unterscheidet im wesentlichen zwischen zwei Formen von Energie-austausch: Wärme und Arbeit.

Wärme ist Austausch von Energie und Entropie und lässt sich nur teilweise in Arbeit umwandeln.

Arbeit ist Austausch von Energie ohne Entropie und lässt sich vollständig in Wärme umwandeln.

=> Arbeit ist „energetisch wertvoller“ als Wärme.


Arbeit ist Austausch von Energie ohne Entropie zwecks Bereitstellung

eines „Service”, nämlich „Mahlen von Korn“

Grundgedanke (FrGrundgedanke (Frühjahrssitzung 2009) ühjahrssitzung 2009) Energie-austauschEnergie-austausch

Idee nach Jörg Schmid (CERN)

Aus: „Das Grosse Liederbuch“, Diogenes, Bilder von Tomi Ungerer


Grundgedanke (Frühjahrssitzung 2009)Grundgedanke (Frühjahrssitzung 2009) Energie und EntropieEnergie und Entropie

Energie ist nur durch Austausch veränderbar und kann weder erzeugt noch vernichtet werden (1. Hauptsatz).

Entropie ist durch Austausch und durch Erzeugung veränderbar.

Eine Abnahme der Entropie in einem Gesamtsystem findet nicht statt (2. Hauptsatz).

=> Die Entropie eines Teilsystems kann abnehmen durch Transfer von Entropie an ein anderes Teilsystem.


Grundgedanke (FrGrundgedanke (Frühjahrssitzung 2009)ühjahrssitzung 2009) Einspar-codexEinspar-codex

Was bedeutet also eine effiziente und nachhaltige Umwandlung von Energie in “Services”?

Minimisiere die Erzeugung von Entropie bei Energieumwandlungen; d. h.

o Beziehe Wärme durch Austausch mit der Umgebung (und vermeide Wärme durch Erzeugung - Reibung), d.h. benutze schon vorhandene Wärme aus der Umgebung.

o Gewinne Arbeit durch Austausch mit der Umgebung (und nicht durch Erzeugung von Wärme); falls Arbeit doch in einer Wärmekraftmaschine erzeugt wird, betreibe sie bei hoher Temperatur und nutze die Abwärme z. B. zum Heizen oder als Prozesswärme.

o Bewege dich fort mit Transportmitteln geringer Entropie-erzeugung.

o Reduziere Wärmelecks infolge eines Temperaturgradienten, wie z. B. an Gebäuden, mittels konventioneller und unkonventioneller Isolationsverfahren (z. B. Anleihe bei der Kryotechnik).


AIP Studie …

Die AIP Conference Proceedings No. 25, “Efficient Use of Energy (The APS Studies on the Technical Aspects of the More Efficient Use of Energy)”, American Institute of Physics, New York 1975, Part I - A Physics Perspective, Ets. K. W. Ford et al.


… … alles schon mal dagewesen alles schon mal dagewesen 1)1)

Die AIP Konferenz-Proceedings beschränken sich auf die technischen Aspekte, mit dem Schwerpunkt auf

Energie-Effizienz; legen das Hauptaugenmerk auf den Endverbrauch von Energie in Form von

Diensten (tasks), nicht aber auf die Geräte (devices), wie z. B. Ofen, Verbrennungsmotor, etc.);

schmälern nicht die gesetzgeberischen, ökonomischen und die Öffentlichkeit überzeugenden Initiativen zur Erreichung von Energie-effizienz;

definieren eine Norm, gegenüber der die derzeitige Verwendung von Energie auf Effizienz geprüft werden kann; technische Neuerungen sollen es erlauben, sich dieser Norm anzunähern;

schlagen verschiedene und vielversprechende Forschungsfelder zur Energieeffizienz vor;

mit dem Ziel, die Beschränkungen und Ineffizienzen der gebräuchlichen Geräte zu identifizieren und Verbesserungen aufzuzeigen.

1) Dank an Herrn Dr. Luther


Aus der AIP Studie:Aus der AIP Studie: Thermodynamik und ben Thermodynamik und benötigte Arbeit ötigte Arbeit

Beschränkung auf Dienste => welches ist die minimale Energie zur Erreichung dieses Dienstes, unabhängig vom Gerät oder System ?

Erhaltung der Energie => 1. Hauptsatz der Theromodynamik ist ungeeignet

Prozesse mit Wärme-übertragung => nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik steht nur ein Teil der Energie zur Nutzung zur Verfügung

Begriff der Exergie (available work) als Kriterium für sparsames Haushalten mit Energie

Exergie-Wirkungsgrad nach dem 1. und 2. Hauptsatz (2nd law efficiency

=kleinste benötigte Arbeit zur Durchführung eines Dienstes

tatsächlich verwendete Arbeit


Aus der AIP Studie:Aus der AIP Studie: Vorschlag der Vorschlag der AIP Studie, S. 5AIP Studie, S. 5

“We strongly recommend that this formulation (2nd law efficiency), or a similar one, be widely adopted by the scientific and technical community as a standard from which all tasks (Dienste) should be measured, and against which all devices should be evaluated.”


Zum Begriff des Wirkungsgrades …


Konventioneller Begriff des Wirkungsgrads - Konventioneller Begriff des Wirkungsgrads - Beispiele und SchwBeispiele und Schwächenächen

Der Wirkungsgrad sollte im Idealfall =1 sein. Mitnichten; denn

Heizofen: Wirkungsgrad = Wärmeabgabe/Verbrennungswärme des Heizöls = 60 %; man könnte meinen, ein 100 % effizienter Heizofen sei pefekt.

Das ist aber falsch; Heizöl -> (el. Generator) -> Wärmepumpe -> Wärmeabgabe > Verbrennungswärme des Heizöls, d.h. > 100 %.

Klimaanlage mit COP = 2; was ist der maximale COP? Den gibt es aber nicht; denn COP = Qk/W = Tk/(T-Tk) ist abhängig von der Aussentemperatur T.

Ein Kohlekraftwerk hat einen Wirkungsgrad von ca. 40 - 50 %; d.h. das Verhältnis Stromabgabe/Verbrennungswärme der Kohle = 40 - 50 %;

Wegen des 2. Haupsatzes kann sie nie 100 % betragen.

Ein grosser Elektromotor ist 90 % effizient; d.h. das Verhältnis Abgabe an mechanischer Arbeit/zugeführter el. Arbeit ist 90 %.

Im Idealfall ist sie 100 %, wie es sein soll.

Der Wirkungsgrad hat in diesen Beispielen ungefähr die gleiche Grössenordnung. Er heisst Wirkungsgrad nach dem 1. Hauptsatz,

=gewünschter Energie-transfer eines Geräts oder Systems

Energie-aufnahme des Geräts oder Systems


Der Wirkungsgrad nach dem 1. Hauptsatz ist als Kriterium für Energie-

effizienz nicht ausreichend.

Konventioneller Begriff des Wirkungsgrades - 2Konventioneller Begriff des Wirkungsgrades - 2


Konventioneller Begriff des Wirkungsgrads - 3Konventioneller Begriff des Wirkungsgrads - 3

Tabelle 1

Bemerkung: Th (heiß) > Tw (warm) > T (Umgebung) > Tk (kalt)


Exergie - Wirkungsgrad Exergie - Wirkungsgrad ((2nd law efficiency2nd law efficiency))

… gestattet die Beurteilung des realen Prozesses bzgl. eines optimalen, mit dem 1. und 2. Hauptsatz verträglichen Prozesses.

Definition von :

Nutz-wärme/arbeit die von einem Gerät/System bereitgestellt wird

größtmögliche Nutz-wärme/Arbeit, die von einem beliebigen anderen Gerät/System für den gleichen Dienst (task) und bei dem gleichem Energie-Input bereitgestellt wird

= -------------------------------------------------------------------------------

Bemerkung; max() =1; Maximum bzgl. des Dienstes, nicht Gerätes


Exergie - Wirkungsgrad Exergie - Wirkungsgrad - 2- 2

gestattet die Reduzierung des Brennstoff-verbrauchs für jeden Wärme oder Arbeit benötigenden Dienst

zeigt auf, wieviel Raum für Energieeinsparungen vorliegt

mißt die Energie-verschwendung beeinflußt den Kapitaleinsatz, falls kein Brennstoff

benötigt wird (Wasserkraftwerk, Windrad, Erdwärme, Sonnenkollektoren, etc.)

=> beschreibt ein technisches Ziel, das gleichberechtigt steht neben den Zielen der Ökonomie, des Klimaschutzes und der Nachhaltigkeit


Exergie - Wirkungsgrad Exergie - Wirkungsgrad - Alternative Definition - Alternative Definition

Ausgehend von der Exergie B1) (“Available work” in der AIP Studie):

B = größtmögliche von einem System oder Brennstoff geleistete Arbeit bei irgendeinem Übergang zu einem End-Zustand im thermodynamischen Gleichgewicht mit der Atmosphäre2)

=> = Bmin/Breal

1) Bereitstehender brauchbarer Arbeitsbestand (Zitat AIP Studie)

2) Wechselwirkung mit der Atmosphäre ist zulässig, aber Arbeit an der Atmosphäre wird nicht gerechnet


Exergie B …

Keine Zustandsfunktion, aber wohldefiniert:B = (E - Ef) + P0 (V - Vf) - T0 (S - Sf) (ohne Diffusion)

Im Gegensatz zur Energie wird Exergie verbraucht


Exergie B, die von Quellen bereitgestellt und von Exergie B, die von Quellen bereitgestellt und von Diensten verbraucht wirdDiensten verbraucht wird

Bemerkung: Th (heiß) > Tw (warm) > T (Umgebung) > Tk (kalt)Tabelle 2

Input Arbeit Win Brennstoff mit

Verbrennungswärme | H|

Wärme Qh aus heißem Reservoir bei Th

Quelle

B = Win (z. B. Wasserkraft, Windkraft,

potentielle Energie, Elektrizität (falls die Steckdose als Quelle betrachtet wird)

B ≈ | H| (z. B. Kohle, Öl, Gas)

B = Qh (1-T/Th) (z. B. solarthermisches oder

Erdwärme-Kraftwerk)

Output Arbeit Wout Dem warmen Reservoir

bei Tw zugeführte Wärme Qw

Dem kalten Reservoir bei Tk entzogene Wärme Qk

Dienst Bmin = Wout

(z. B. Bohren von Schächten, Pumpen von Fluiden, Antrieb von Fahrzeugen)

Bmin = Qw (1-T/Tw) (z. B. Raum-Heizung,

Kochen, Backen, Trocknen)

Bmin = Qk (T/Tk - 1) (z. B. Kühlen und Klimaanlagen)


Wirkungsgrade Wirkungsgrade nach dem 1. und 2. Hauptsatz nach dem 1. und 2. Hauptsatz

Tabelle 3 Quelle

Arbeit Win Brennstoff: Verbrennungswärme | H|,

Exergie B

Wärme Qh aus heißem Reservoir bei Th

Arbeit Wout = Wout/Win

= (z. .B Elektromot )or

=Wout/| H|=Wout/ B (≈ )

(z. .B Kraftwer )k

=Wout/Qh= /(1-T/Th)

(z. .B geothermischesKraftwerk)

WärmezufuhrQ w anwarme sReservoir

beiTw

(CO )P =Qw/Win

= (1· - /T Tw)(z. .B elektrisch

betriebeneWärmepumpe)

(CO )P =Qw/| H|=Qw/B·(1-T/Tw)

(z. .B motorbetriebeneWärmepumpe)

(CO )P =Qw/Qh

= (1· - /T Tw)/(1-T/Th)(z. .B sonnenbetriebe rHeisswasserboile )r

Dienst

WärmeabfuhrQ k auskaltemReservoir

beiTk

(CO )P =Qk/Win

= (· T/Tk-1)(z. .B elektrischer

Kühlschra )nk

(CO )P =Qk/| H|=Qk/ (B· /T Tk-1)

( .zB.gasbetriebeneKlimaanla )ge

(CO )P =Qk/Qh

= (· T/Tk-1)/(1-T/Th)(z. .B

Absorptionskühlschra )nk


Beispiele …


Beispiele - Exergieverbrauch pro WBeispiele - Exergieverbrauch pro Wärmeeinheitärmeeinheit

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

-20 0 20 40 60

T [°C]

Bmin

/Q Wärmeabfuhr bei 10 °C

Wärmezufuhr bei 40 °CRadiator-Heizung

Wärmezufuhr oder -abfuhr bei Raumtemperatur 20 °CNiedertemperatur-heizung

RaumheizungRaumheizung


Beispiele - 2Beispiele - 2

Heizofen (Öl oder Gas): Minimaler Exergie-verbrauch Bmin/Q =1-T/Tw ≈ 0.17

Realer Exergie-verbrauch Breal/Q ≈ 1.7 (10 mal grösser!)

Weit geringerer Energieverbrauch bei Niedertemperatur-Heizung als bei Radiator-Heizung

Ineffizienz weit ausgeprägter bei Raumwärme (20 °C) als bei Prozeßwärme (300 – 600 °C)

Ist ein grosser Energie-verschwender; stellt Niedertemperatur-wärme bereit

Mit = 0.6 (d.h. 60 % der Verbrennungswärme wird als Heizwärme verwendet), Tw = 43 °C und T = 0 °C ist

= Qw/B ·(1-T/Tw) ≈ ·(1-T/Tw) = 0.082 (Tabelle 3)

Für einen Wärmeübertrag bei Raumtemperatur (Tw = 20 °C ) ist der Wirkungsgrad noch geringer, = Qw/B ·(1-T/Tw) ≈ ·(1-T/Tw) = 0.04


Beispiele - 3Beispiele - 3

Kraftwerk mit fossilen BrennstoffenExergie des Brennstoffs ≈ Verbrennungswärme

=> = ≈ 0.3 …0.4

Carnot (2000 °C) = 0.87; Carnot (550 °C) = 0.64, immer < 1

Der Wirkungsgrad nach dem 2. Hauptsatz besagt aber, daß Carnot keine obere Grenze setzt; die ideale Brennstoffzelle besitzt max = Wout/B = 1.

Wärmepumpe (COP) = Qw/W; = Qw/W ·(1-T/Tw)

≈ 0.3; (COP) = / (1-T/Tw)

Tw/T = 1.1 => (COP) = Qw/W = 3.3

Aber: die Wärmepumpe wäre nutzlos, falls <1; d.h. Tw/T > 1.4

=> Wärmepumpe wirkungsvoll bei relativ kleinen Temperaturunterschieden


Energieflussbilder …


Schematisches Energie-fluss-bildSchematisches Energie-fluss-bild



Berechnungsgrundlagen der SparversionenBerechnungsgrundlagen der Sparversionen

Tabelle 4Umrechnungsfaktoren bei Energie-umwandlungen [%]Wärme aus Erdöl, Erdgas, Kohle 75Wärme aus Umwelt 400Wärme aus Licht 75Wärme aus Fernwärme 100Strom aus Windkraft 99Strom aus Kraftwerk 55Strom aus Licht 15Arbeit (WKM) aus Erdöl, Erdgas, Kohle 40Arbeit (PKW) aus Erdöl, Erdgas 20Arbeit (Dampfturbine) aus Erdöl, Erdgas 85Licht aus Strom 15Langstrecke: Zug statt Auto 500Elektroauto statt Kraftstoffauto 200


0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Energie [E J]

PrimäresEnergieaufkommen

End-E. Nutz-E.

Energie-fluss

Ist-ZustandVerbrauchsektor Haushalt, Gewerbe, Handel, Dienstleistungen

und übrige VerbraucherErneuerbare Energien

Strom aus erneuerbarenEnergien

Strom aus Kraftwerken

Gas

Fernwärme

Mineralöl

Kohle (Braun, Stein)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Energie [E J]


End-E. Nutz-E.

Energie-fluss

Sparversion 1 (Heizenergie aus Mineralöl, Kohle und Gas durch Wärmepumpe mit Strom aus erneuerbaren

Energien ersetzt)

Energieflussbild (D) 2006 - Haushalt, Handel, … - 1 Energieflussbild (D) 2006 - Haushalt, Handel, … - 1


0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Energie [E J]


End-E. Nutz-E.

Energie-fluss

Ist-ZustandVerbrauchsektor Haushalt, Gewerbe, Handel, Dienstleistungen

und übrige VerbraucherErneuerbare Energien



Gas

Fernwärme

Mineralöl

Kohle (Braun, Stein)0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Energie [E J]


End-E. Nutz-E.

Energie-fluss

Sparversion 2 (Verkleinerung der Nutzenergie durch um einen Faktor 2 verbesserte Wärmedämmung)

Energieflussbild (D) 2006 - Haushalt, Handel, … - 2Energieflussbild (D) 2006 - Haushalt, Handel, … - 2


Energieflussbild (D) 2006 - GewerbeEnergieflussbild (D) 2006 - Gewerbe

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Energie [E J]


End-E. Nutz-E.

Energie-fluss

Ist-ZustandVerbrauchsektor: Gewinnung von Steinen und Erden, sonst.

Bergbau und verarbeitendes Gewerbe

Erneuerbare Energien



Gas

Fernwärme

Mineralöl

Kohle (Braun, Stein) 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Energie [E J]


End-E. Nutz-E.

Energie-fluss

Sparversion (Kraftstoff-motoren und Strom aus Kraftwerken zu 50 % mit Strom aus erneuerbaren

Energien ersetzt)


Energieflussbild (D) 2006 - VerkehrEnergieflussbild (D) 2006 - Verkehr

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Energie [E J]


End-E. Nutz-E.

Energie-fluss

Ist-ZustandVerbrauchsektor Verkehr

Erneuerbare Energien



Gas

Fernwärme

Mineralöl

Kohle (Braun, Stein)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Energie [E J]

Primäres Energieaufkommen End-E. Nutz-E.

Energie-fluss

Sparversion (25 % des Individual-verkehrs (Verbrennungsmotoren-auto) ersetzt durch Zug im

Fernverkehr; die anderen 25 % ersetzt durch Elektroauto im Stadtverkehr (mit Strom aus

erneuerbaren Energien)


Schlussbetrachtung - VorschlägeSchlussbetrachtung - Vorschläge

Es gibt einen physikalisch wohlbegründeten (und schon recht “alten”) Ansatz um Einsparpotentiale zu quantifizieren

Das Haupt-Augenmerk sollte auf die Dienste (tasks), nicht auf die Geräte (devices) gerichtet sein

Der übliche Begriff des Wirkungsgrades reicht nicht aus, weil er den 2. Hauptsatz der Thermodynamik nicht berücksichtigt; ergänzt wird er durch Begriffe wie “Exergie” (oder den entsprechenden exergetischen Wirkungsgrad nach dem 1. und 2. Hauptsatz)

Klare Kriterien für Wirkungsgrade und Spielraum für Verbesserungen werden angegeben (und sollten publik gemacht werden)

Die Thermodynamik spielt eine überragende Rolle zum Verständnis (gibt es Nachholbedarf bei der Ausbildung?); Begriffe wie Exergie, Entropie etc. sollten allgemein verständlich gemacht werden

Energieflussbilder für die wichtigsten Verbrauchssektoren illustrieren die Einsparpotentiale und die Tendenz: weg von fossilen Brennstoffen, hin zur Elektrizität!

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