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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

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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

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Inhalt

1.

Energieversorgung in Deutschland

2.

Tea Time

3.

Abwasser

4.

Wärmetauscher

5.

Wellen und Gezeiten

6.

Kommt auf uns zu

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Energieversorgung in Deutschland – ein Überblick

Anstieg

des weltweiten Energiebedarfs

um 45 % bis

2030 (1,6 % pro Jahr)

Quelle: World Energy Outlook (2008)

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Primärenergieverbrauch in Deutschland 2008 Quelle: AGBE

Mit anderen Worten: 82 % fossile Energieträger, 11 % Kernernergie

und nur 7 % Erneuerbare

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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

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Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energieressourcen in Deutschland

Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, TU-Berlin

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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

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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

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Inhalt

1.

Energieversorgung in Deutschland

2.

Tea Time

3.

Abwasser

4.

Wärmetauscher

5.

Wellen und Gezeiten

6.

Kommt auf uns zu

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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

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Verluste

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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

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PSW Goldisthal – Speicherbecken Tal der Schwarza (Thüringen) zwischen Wurzelbergmassiv und Rennsteig in 500 m Höhe

12 Mio. m³300m Fallhöhe8h Dauerleistung

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PSW Goldisthal Maschinenhaus PSW Goldisthal

Maschinenhaus

1.060 MW

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PSW Goldisthal - Speicherbecken

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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)

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Inhalt

1.

Energieversorgung in Deutschland

2.

Tea Time

3.

Abwasser

4.

Wärmetauscher

5.

Wellen und Gezeiten

6.

Kommt auf uns zu

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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

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19

Spree 2011 – Baden im Fluss -

www.spree2011.de

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Spree 2011 – Baden im Fluss -

www.spree2011.de

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480.000 km öffentliches Kanalsystem

380.000 km

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Betonkorrosion

XA3 -

chemisch starkangreifende Umgebung

Biogene Schwefelsäurekorrosion

pH-Werte < 1

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Aggressivität von H2 S

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Aggressivität von H2 S

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Aggressivität von H2 S

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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

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Glas-Biege Versuch

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Augenblick des Bruchs

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Praktisch durch Theorie

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Praktisch durch Theorie

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Praktisch durch Theorie

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Praktisch durch Theorie

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Praktisch durch Theorie

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Praktisch durch Theorie

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Praktisch durch Theorie

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Praktisch durch Theorie

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0.2 mm dickes Glas

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Verlegeplan

Corner Elements

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Fugenlösung?

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Fugenlösung!

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Schwarzbach April 2007

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180 bar Prüfung

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Sewage Water Collector

Fraunhofer InstitutFabrikbetriebund -automatisierung

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Emscher Sewage Water Collector

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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

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Standard Overview

Material

Glass PlasticsConcrete Ceramics

Quality

assuranceDesign Stress

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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

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Sewage Water Pipe

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Ultra-sound Skate Sled

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US Crack Detection

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Crack Detection Measurement Curve

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Sewage Pipe Inspection Operation Unit (SPION)

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SPION

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SPION

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SPION

Fraunhofer InstitutFabrikbetriebund -automatisierung

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Electronically Generated Virtual Objects

Fraunhofer InstitutFabrikbetriebund -automatisierung

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Abwasserbauwerke

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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!

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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]

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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)

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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

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Wärmetauscher- Systeme

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Inhalt

1.

Energieversorgung in Deutschland

2.

Tea Time

3.

Abwasser

4.

Wärmetauscher

5.

Wellen und Gezeiten

6.

Kommt auf uns zu

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Gebäudemanagement

Geothermie

KWK

Ventilation / Kühlung

Ausrichtung

Speicherung

Solarthermie

&

Photovoltaik

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Volkswagen Bibliothek der TU-Berlin

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Wärmetauscher

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Wärmetauscher

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Wärmetauscher

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Wärmetauscher

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Wärmetauscher

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Inhalt

1.

Energieversorgung in Deutschland

2.

Tea Time

3.

Abwasser

4.

Wärmetauscher

5.

Wellen und Gezeiten

6.

Kommt auf uns zu

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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

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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

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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

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Phase Change Materials

Melting-/ CrystallisationheatIce-Water: Δ

H = 333 kJ/kgat 0 °C

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Inhalt

1.

Energieversorgung in Deutschland

2.

Tea Time

3.

Abwasser

4.

Wärmetauscher

5.

Wellen und Gezeiten

6.

Kommt auf uns zu

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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

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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

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Sand – das Öl der Zukunft?

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80

SiO2 -Kreislauf

Silizium H2 OTransport

SiO2

H2Elektrizität WaterElektrolyse

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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!

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The World

Vielen

Dank für

Ihre

Aufmerksamkeit!

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