ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Weitere Systeme zur Bereitstellung von Heiz und Prozesswärme Fernwärmeversorgung durch

ENERGIESYSTEME 1. TEIL

ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

Weitere Systeme zur Bereitstellung von Heiz‑ und Prozesswärme

Fernwärmeversorgung durch Kraftwerksabwärme Wärmepumpen

Wasserstoff Gasförmige Wärmeträger aus Kohle Prozesswärme aus dem Hochtemperaturreaktor Thermochemische Kreisprozesse



Fernwärmeversorgung durch Kraftwerksabwärme

T,S - Diagramm von Wasserdampf

K - der kritische Punkt (374,1°C, 221,3 bar)




Dampfkreislauf mit Anzapfvorwärmung:1 Dampferzeuger2 Turbine3 Vorwärmstrecke4 Kondensator5 Speisepumpe

T-s‑ Diagramm des Clausius‑Rankine‑Prozesses mit Anzapfvorwärmung und Überhitzung




ΔsTQ Kab

Δs

QT

def

,C 0

,C

Kababp T

T

Q

Q

Q

QQη

0

11

Die Abwärme:TK - KondensatortemperaturQ - die im Dampferzeuger zugeführte Wärme

Der Wirkungsgrad:

T0,C - die obere Temperatur eines äquivalenten Carnot‑Prozesses



Wärmepumpen

Kreisprozess mit Kompressionswärmepumpen

ΔsTMQ 00

ΔsTTMQQN 00

0

00

TT

T

N

Qη

01 00

Tfür TT

T

N

Qε

Kälteleistung (Wärmeaufnahme):

Heizleistung (Wärmeabgabe):

Antriebsleistung:

Wirkungsgrad bei Kuhlbetrieb:

Leistungsziffer bei Heizbetrieb:

ΔsTMQ



Wärmepumpen

1‑2 bedeutet isentrope Verdichtung im Verdichter2‑4 isotherme Wärmeabgabe2‑3 isotherme Verdichtung3‑4 isotherme und isobare Wärmeabgabe durch Verflüssigung4‑5 isentrope Entspannung5‑1 isotherme und isobare Wärmeaufnahme durch Verdampfung

Carnot‑Prozeß mit Phasenumwandlung



Wärmepumpen

Schema einer Kompressionswärmepumpe

5

1‑2 Verdichtung 2‑3 Wärmeabgabe mit Druckabfall infolge Reibung3‑4 Wärmeabgabe durch Verflüssigung mit Druckabfall 4‑5 Drosselung mit Wärmeaufnahme 5‑1 Wärmeaufnahme mit Druckabfall und Überhitzung

die reale Leistungszahl der Wärmepumpen erreicht nur Werte von etwa 50 ‑ 60 % der Carnotschen Leistungszahl



Wärmepumpen

Exergie‑Anergie‑Flußbild einer Kompressionswärmepumpe



Wärmepumpen

Schema einer Absorptionswärmepumpe

0

0

0

0

TT

T

T

TT

TT

TT

T

Tζ

z

zz

z

Als Leistungszahl für einen Carnot‑Prozeß:

T

T0

T

Tz



Wärmepumpen

Schema einer thermoelektrischen Wärmepumpe

Die thermoelektrische Wärmepumpe nutzt den Peltier‑Effekt aus; wird eine Lötstelle zwischen zwei verschiedenen elektrischen Leitern von einem Strom durch flossen, so wird sie sich je nach Stromrichtung abkühlen oder erwärmen Zur Zeit erreicht man mit thermoelektrischen Wärmepumpen etwa 20 % der Carnotschen Leistungsziffer



Wärmepumpen Die natürlichen Wärmequellen: Luft, das Erdreich und das Grundwasser

Luft als Wärmequelle Vorteil: sie steht an jeder Stelle zur Verfügung Nachteil: ihr Temperaturgang verläuft mit der Außentemperatur

Der Erdboden als Wärmequelle



Wärmepumpen

mit zunehmender Bodentiefe wird die Erdreichtemperatur immer stärker vergleichmäßigt und ihre Tiefstwerte erst verzögert auftreten

Wasser als Wärmequelle Vorteil: im Jahreslauf liegt seine Temperatur etwa bei der mittleren Jahrestemperatur



Wasserstoff

Öl könnte vorteilhaft durch elektrische Energie substituiert werden, da diese auch aus anderen Primärenergieträgern hergestellt werden kann

der wesentliche Nachteil der elektrischen Energie ist einerseits ihre geringe Speicherbarkeit, andererseits die Schwierigkeit, sie etwa in Fahrzeugen im Individualverkehr zu nutzen

da die chemischen Speicher die insgesamt höchste Energiedichte erlauben, ist eine chemische Speicherung des Stroms wünschenswert

Wasserstoff



Wasserstoff

222 2

1OHOH Die chemische Reaktion:

Reaktion

+ 286 + 237 + 163,3

+ 242 + 228,7 + 44,6

Thermodynamische Daten des Systems H2/O2/H2O:

kJ/mol

ΔH

22l2 O2

1HOH

22g2 O2

1HOH

kJ/mol

GKJ/mol

ΔS

H - ReaktionsenthalpieG - freie ReaktionsenthalpieS - Reaktionsentropie

bei 298,15 K



Wasserstoff

W

ΔH-Q

ΔH-TΔSΔG

KΔS

ΔHTW 43000

QW

ΔHη

elE

Die Grenztemperatur:

Elektrolysewirkungsgrad:

E liegt für heutige moderne Verfahren bei 77‑ 80 %



Wasserstoff

Beispiele für thermochemische Kreisprozesse:

1. Barnert, KFA Jülich, 2‑stufigFe2O3 + 2SO2 + H2O → FeSO4 + H2

120°C2FeSO4 → Fe2O3 + 2SO2 + ½O2

700°C2. Wentorf, Hannemann, General Electric, 5‑stufig2Cu + 2HCl → 2CuCl + H2

100°C4CuCl → 2CuCl2 + 2Cu100°C2CuCl2 → 2CuCl + Cl2 600°CCl2 + Mg(OH)2 → MgCl2 + H2O + ½O2 80°CMgCl2 + 2H2O → Mg(OH)2 + 2HCl 350°C



Wasserstoff Es besteht im Prinzip auch die Möglichkeit, den Wasserstoff durch unmittelbare Einwirkung des Sonnenlichts auf Wasser, mit Hilfe von Enzymen, durch Photolyse, zu erzeugen:

H2O + h ½O2 + H2 Der Wirkungsgrad liegt unterhalb 10 %

Auch bestimmte Salzlösungen lassen sich als Photonkatalysatoren einsetzen

Die Wirkungsgrade sind allerdings noch geringer

Im Prinzip kann man die erforderliche Spannung zur elektrolytischen Wasserspaltung natürlich auch über Halbleiter‑Fotozellen herstellen



EFD2004.pdfS25 von 56

EFD2004.pdfS24 von 56

33%

33%22%

25%

64 J

58 J166 J

7%

2%

10+1%

SNR: 3000 J



Kohleveredelung

Reaktionen:C + H2O CO + H2 - 135 880 kJ/kMolCO + 3H2 CH4 + H2O + EC + 2H2 CH4 + 81 543 kJ/kMolCH4 + 2H2O CO2 + 4H2 - 163 700 kJ/kMol

Die endothermen Reaktionen lassen sich statt auf auto-thermen Wege durch die von einem Hochtemperatur‑Kern-reaktor erzeugte Wärme durchführen In einem Hochtemperaturreaktor, dessen Kernbrennstoff in Graphit elemente eingelagert ist, lößt sich Helium auf sehr hohe Temperaturen erhitzen Es resultiert:2C + 2H2O CH4 + CO2



Kohleveredelung Die wichstigsten Heizwerte:C : 406 830 kJ/kMolCH4 : 808 713 kJ/kMol

Die in den Prozeß eingegebene Primärenergie stammt zu etwa einem Drittel aus dem Kernbrennstoff und zu zwei Drittel aus der Rohbraunkohle

Die Verluste aus der Gaserzeugungsanlage liegen bei etwa einem Drittel der als Braunkohle eingegebenen Primärenergie Man erkennt hieraus, daß die Kohleveredelung noch diesem Prozeß ebenfalls verhältnismäßig große Umwandlungsverluste bedingt und außerdem zu einer erheblichen CO2‑Erzeugung am Ort der Gaserzeugung führt



KohleveredelungSynthese von Methanol:

Das hergestellte Gasgemisch aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff:C + H2O CO + H2 - 135 880 kJ/kMolkann weiter zur Synthese von Methanol benutzt werden:CO + 2H2 CH3OH

Methanol ist der einfachste durch Kohleveredelung herstellbare flüssige Energieträger

Der Heizwert des Methanols liegt, auf das Volumen bezogen, etwa bei der Hälfte des Heizwertes von Superbenzin

Die Kohleveredelung ist besonders für den Antrieb von Kraftfahrzeugen interessant


ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR

Erdölsubstitution im Verkehr

Ausgangsbasis: 23 Mio t flüssiger Brennstoff 33 Mio t SKE(22 Mil. Autos)



Verwendung von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren Brennstofftank drei Lösungen: Druckbehälter,

Flüssig-wasserstoffbehälter, Speicherung des Wasserstoffs in Form von Metallhydriden

Druckbehälter: zu große Gewichtsprobleme

Flüssigwasserstoffbehälter: zu große Verluste bei einer längerfristigen Aufbewahrung

Metallhydriden: sicherheitstechnisch zufriedenstellende Möglichkeit Wasserstoff verbindet sich unter Wärmeabgabe mit verschiedenen Metallen zu deren Hydriden und kann durch Erwärmen wieder freigesetzt werden



Verwendung von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren

Prinzipieller Verlauf der Kennlinienschar von Metallhydriden

Die gesamte Masse M des "Tanks" ist die Summe aus der Masse des Metalls und der Masse des eingelagerten Wasserstoffs H

Wünschenswert sind deshalb Metalle mit geringer Massenzahl und einem hohen Wasserstoffaufnahmevermögen



Verwendung von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren Speichervermögen der Metallhydriden: 600‑2500 Wh/kg

im Benzin gespeicherten Energiemenge: 11000 Wh/kg (wird das Gewicht des Benzintanks mit berücksichtigt, so vermindert sich der genannte Wert auf 9500 Wh/kg) Bleibatterie: 25‑30 Wh/kg

Tieftemperatur‑Hydride (TiFeH2 und LaNi5H7) 600‑700 Wh/kg Freisetzung von Wasserstoff ist verhältnismäßig gering: 30 kJ/mol H2 (genügt die Abwärme) Eine Wasserstofffreisetzung ist noch bis –80°C möglich

Hochtemperatur‑Hydride (Mg2NiH4, MgH2 und TiH2 ) 1200-2400 Wh/kg Bindungsenthalpie: 80 kJ/mol H2 beim MgH2, 160 kJ/mol H2 beim TiH2 Die Freisetzung erfolgt im Temperaturbereich von 150 – 550°C.



Brennstoffzellen

H2 + 1/2O2 H2O



Brennstoffzellen

H2 + 1/2O2 H2O

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