W I S S E N Ethik & Ressourcen, Umwelt und Wasserstoff · 2020-04-22 · W I S S E N T E C H N I K L E I D E N S C H A F T u Ethik & Ressourcen, Umwelt und Wasserstoff in Einführung

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Ethik & Ressourcen, Umwelt

und Wasserstoffin Einführung in den Maschinenbau

und Technikfolgenabschätzung

23.04.2019

DI Dr. Alexander Trattner, SS 2020, LV 313.068

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Hintergrund

1. Zustand der natürlichen Umwelt verschlechtert sich

2. Mensch ist direkt oder indirekt von der Natur als

Lebensbasis abhängig

22.04.2020

Alexander Trattner, SS 2020, LV 313.0682

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Hintergrund

3. Mühevolle, kostspielige und langwierige

Anstrengungen um Verfall aufzuhalten und

zukünftige Existenzen zu sichern.

3

Quelle: 12. Ausgabe der Zeitschrift Brennstoff

22.04.2020


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Zukunftsaufgaben

4

ErnährungBevölkerungs-

gleichgewicht

Regenerative

Energieversorgung

Aufforstung

22.04.2020


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5

Perspektive 4 Orientierungsmodelle:

schrittweise

Veränderung

moderate

Veränderung

M3:

M4:gefährliche Veränderung

M2:expon.

Veränderung

M1:

22.04.2020


„panta rhei“ - „Alles fließt“

„Die einzige Konstante im

Universum ist die

Veränderung.“

Heraklit von Ephesos

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6

Perspektive Multidimensionale Interdependenzen

Wissenschaft

und

Technologie

Potential für

Humanität

Potential für

Produktivität

Potential für

Wissensgenerierung

Potential für

Destruktion

Potential für

Metaphysik

(second life)

Potential für

Lebensorientierung

22.04.2020


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7

Perspektive Neue strukturelle Koppelungen zwischen

wissenschaftlich-technologischen Komponenten und

ethischen Komponenten

Clashes zwischen:

Ethischen Welt von wissenschaftliche/

Dimensionen „living systems“ technische Dimensionen

Moderne Welt (Beispiele):

eher positive Muster eher negative Muster

1. Wissenschaftliche Erkenntnis 1. Nukleare Industrialisierung

2. non-invasive Technologien 2. Ökologische Deformation

3. Wissenschaftlich-technisch basierte

Wohlfahrtsgesellschaft 3. Asymmetrische Verteilung von

Einkommen

4. Wissenschaftlich-technisch basierte

Gerechtigkeit 4. Überbevölkerung

5. Pluralistische Gesellschaften 5. sensitive Abhängigkeit von

Stabilitäten (Rüstungswettlauf)

22.04.2020


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8

Perspektive Neuer Hintergrund für Wissenschaft und Gesellschaft?

1. Anstieg wissenschaftsbasierter Technologien

2. Anstieg der technologiebasierten Wissenschaften

3. Anstieg von mergings/Fusionen von Wissenschaft und Technologie mit

der Gesellschaft

4.…..deswegen besonders zu beachten:

4.1. Wissenschaft und Technologie sind nicht

wertfrei, sondern in höchstem Grad objektiv

4.2. Wissenschaft (Wissenschafter) ist basiert auf

einem einheitlichen Begriffsrahmen von

Erkenntnis und Werten (Ethik)

Zentrales Zwischenergebnis:

Alle Formen von Wissen/Technologien enthalten Werte (Ethik) und alle

Werte (Ethik) enthalten Wissen/Technologien

22.04.2020


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10

Unterschied zwischen formaler ETHIK und materialer (= inhaltlicher) ETHIK

a) nochmals formal: "Kategorischer Imperativ“ von I. Kant

Verkürzt: "Handle so, dass die Maxime Deines Handelns als

Grundlage einer allgemeinen Gesetzgebung gelten kann"

b) inhaltliche (materiale Ethik) bezieht sich dominant auf Lebensinhalte;

zentral z.B. inhaltlicher (materialer) Imperativ von

Albert Schweitzer (verkürzt):

„Ich bin Leben, inmitten von Leben, das leben will“

Beim Lösen von Problemen bzw. von Konflikten sind in der Regel immer

formal-ethische und inhaltlich-ethische (material-ethische) Prinzipien in

verschränkter Weise zu berücksichtigen.

Differenzierte gegenwärtige Perspektive = die Wertpyramide

Perspektive Inhaltliche (materiale) Ethik P

22.04.2020


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11

P

Orientierungen an einer

Wissenshierarchie (Wissenspyramide)

IV: Wahres Wissen/Gewissheit

III: Objektives Wissen

II: Intersubjektives Wissen

I: Alltagswissen/Subjektives Wissen

(common sense)

Orientierungen an einer

Werthierarchie (Wertepyramide)

IV: Prinzip der Gerechtigkeit

III: Prinzip der Vorsorge/Prävention

II: Prinzip der Autonomie

I: Prinzip der Nicht-Schädigung

Zur Komplexität und Dynamik des Netzwerkes von

Wissensebenen und Wertungsebenen

22.04.2020


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Maslow‘sche Bedürfnispyramide

22.04.2020


P

Maslow, A. H.: A theory of human motivation. [London]: Merchant Books 2013

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13

Bruttonationalglück

1972 hat der König von Bhutan das „Glück“ zum

obersten Ziel der nationalen Politik ausgerufen.

2008 erhielt Gross National Happiness (GNH)

Verfassungsrang.

Der Index umfasst neun Bereiche

(psychologisches Wohlbefinden, die Verwendung von

Zeit, die Vitalität der Gesellschaft, kulturelle Diversität,

ökologische Resilienz, Lebensstandard, Gesundheit,

Bildung und Good Governance)

die mit Hilfe von

33 aggregierten Indikatoren

messbar gemacht werden.

22.04.2020


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1422.04.2020


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15

http://worldhappiness.report/

Bruttonationalglück nach UNO

Als wichtigste “Glücksfaktoren”

haben die Forscher folgende 6

herausgefiltert:

• Pro-Kopf-Einkommen

• Lebenserwartung

• Abwesenheit von Korruption

• das Gefühl, frei über sein

Leben entscheiden zu

können

• jemanden zu haben, auf den

man zählen kann

• Großzügigkeit

P

22.04.2020


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16


Glücksindex

22.04.2020


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17


Glücksindex

1 Norwegen

2 Dänemark

3 Island

4 Schweiz

5 Finnland

6 Niederlande

7 Kanada

8 Neuseeland

9 Australien

10 Schweden

11 Israel

12 Costa Rica

13 Österreich

14 Vereinigte Staaten

15 Irland

16 Deutschland

17 Belgien

18 Luxemburg

19 Großbritannien

20 Chile

150 Togo

151 Ruanda

152 Syrien

153 Tansania

154 Burundi

155 Zentralafrika

31 Frankreich

32 Thailand

49 Russland

69 Türkei

79 China

87 Griechenland

97 Bhutan

99 Nepal

22.04.2020


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18

P(1) Menschen sind frei und gleich geboren.

(2) universeller Anspruch auf Menschenrechte, Verbot der Diskriminierung

nach Rasse, Geschlecht, Religion, politischer Überzeugung usw.

(3) Recht auf Leben, Freiheit und Sicherheit.

(4) Verbot von Sklaverei.

(5) Verbot von Folter und grausamer Behandlungen.

(6) Anerkennung des einzelnen als Rechtsperson.

(7) Gleichheit vor dem Gesetz.

(8) Anspruch auf Rechtsschutz.

(9) Schutz vor willkürlicher Verhaftung und Ausweisung.

(10) Anspruch auf unparteiisches Gerichtsverfahren.

(14) Asylrecht.

(16) Freiheit der Eheschließung, Schutz der Familie.

(17) Recht auf individuelles oder gemeinschaftliches Eigentum.

(18) Gedanken-, Gewissens- und Religionsfreiheit.

(19) Meinungs- und Informationsfreiheit.

(20) Versammlungs- und Vereinsfreiheit.

(21) Allgemeines gleiches Wahlrecht.

22.04.2020


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1922.04.2020


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20

»Ethik und Religion

sind wie

Wasser und Tee

Tee besteht aus Wasser, enthält aber noch verschiedene

Geschmäcker und Aromen,

wir können ohne Tee leben, aber nicht ohne Wasser.

Wir werden ohne Religion geboren,

aber nicht ohne das Grundbedürfnis nach Liebe.«

DALAI LAMA

22.04.2020


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21

Neben rein materiellen Werten,

die notwendig sind, aber nicht glücklich machen

sollten wir auch

ethische Werte pflegen wie

Gewaltlosigkeit, Toleranz, Respekt,

Achtsamkeit, Fürsorge, Bildung

DALAI LAMA

P

22.04.2020


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22

Gut Böse

was glücklich macht was Leid verursacht

Der Mensch hat den freien Willen zur Wahl

Altruismus, Zuneigung, Gewaltlosigkeit

Egoismus, Aggression, Gewalt

Säugetiere:

Fürsorge der Eltern, Füttern,

Beschützen, Erziehung

22.04.2020


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23

Technik Wirtschaft

Umwelt

Erde, Flora, Fauna, Mensch

Natur, Kultur

Klima, Schadstoffe, Rohstoffe (Öl, Wasser, Nahrung),

Artenvielfalt, Gesundheit, Werte, Ethik

(Religion, Philosophie, Humanismus)

Mb - Wi

22.04.2020


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24

Wohl der Allgemeinheit

Motivation

EGO

22.04.2020


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2522.04.2020


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• Stabilisierung der Bevölkerungszahl

• nachhaltige, umwelt- und ressourcenschonende Techniken und Wirtschaftspraktiken

→ Schlüsselfaktoren für ein nachhaltiges Ökosystem

26

Gesamtsystem Umwelt

P

22.04.2020


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27

Schadstoffaufnahme Mensch

Quelle: IVT

22.04.2020


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28

Energiebedarf und -verbrauch Mensch

Grundumsatz: (Atmung, Stoffwechsel, Körpertemperatur)

6700 kJ = 1600 kcal = 1,86 kWh / Tag, 80 W

Leistungsumsatz Schwerarbeit:

w 5862 kJ = 1400 kcal = 1,63 kWh / 8 Std, 203 W

m 8347 kJ = 2000 kcal = 2,33 kWh / 8 Std, 290 W

Leistungsumsatz Spitzensport:

500 – 2.000 W

Weltdurchschnittsverbrauch pro Kopf:

200000 kJ ≈ 50000 kcal ≈ 56 kWh / Tag, 2300 W

5 l Erdöl / Kopf / Tag ≈ 1,8 t Erdöl / Kopf / Jahr

1 l Öl ≈ 40000 kJ ≈ 10000 kcal ≈ 11 kWh

P

22.04.2020


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29

Energiequellen und - formen

22.04.2020


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30

Primärenergieverbrauch weltweit

Quelle: BP 2019

[Mtoe]

Jahre

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31

Erneuerbare Potentiale

22.04.2020


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32

Energieverbrauch global 2016

Quelle: BP und UN

P

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33

Energieverbrauch pro Kopf

Quelle: BP 2019

22.04.2020


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34

Energieverbrauch Österreich 2014

P

Quelle: bm.wfw 2016

22.04.2020


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35

Primärenergie (1381 PJ, 100 %)

Fossil 67 %: Erdöl 38 %, Kohle 9 %, Erdgas 20 %

Erneuerbar 33 %: Biomasse 19 %, Wasser 10 %,

Sonne & Wind & Geothermal 4 %

Energieverbrauch Österreich 2014

End- oder Sekundärenergie (1063 PJ, 77 % von 1381 PJ)

Fossil 56 %: Ölprodukte 38 %, Kohle 2 %, Erdgas 16 %

Erneuerbar 24 %: Biomasse 5 %, Fernwärme 4 %,

Wasser 13 %, Sonne & Wind & Geothermie 2 %

Strom 20 %

genutzt von Verkehr 35 %, Industrie 35 %, Haushalte 30 %

Nutzenergie (532 PJ, 39 % von 1381 PJ)

P

Quelle: bm.wfw 2016

22.04.2020


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36

Endenergieverbrauch global 2016

Quelle: UN

+56% im Vergleich zu 1990

22.04.2020


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37

Entwicklung der Weltbevölkerung

22.04.2020


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38

Bevölkerungspyramide

Welt Westeuropa

(Industrieländer)

Westafrika

(Entwicklungsländer)

Quelle: PopulationPyramid.net

22.04.2020


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Geburtenrate b = (Geburten/Jahr)/Bevölkerung

Sterberate d = (Sterbefälle/Jahr)/Bevölkerung

Die Nettoveränderung DP der Bevölkerung P im

Zeitraum Dt (Bsp.: 1 Jahr) ergibt sich aus:

DP = (b - d) * P * Dt

(b-d) wird auch Nettozuwachsrate r genannt

DP = r * P * Dt

Der momentane Zuwachs ergibt sich durch

Verkleinerung des Zeitraums Dt → 0

dP/dt = r * P

P(t) = P0 * ert

P0…Anfangszustand

Bsp.: Indien

1989: 880 Mio. Einwohner

b=39/1000; d=13/1000

Falls die Raten konstant bleiben, dann hat

Indien 2244 Mio. Einwohner im Jahr 2025.

P(2025) = 880 * e(0,039-0,013) * 36 = 2244 Mio.

39

PBevölkerungsentwicklung

Konstante Zuwachsrate führt zu exponentiellem Wachstum

22.04.2020


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Erde funktioniert seit Entstehung nach

dem Prinzip der Stoffrückführung →

Erhaltung von Materie

Dauerhaftes Funktionieren der Prozesse

setzt eine externe Energiequelle voraus

40

Energiequelle Sonne

P…Pflanzen

T…Tiere

Z…Zersetzer

N…NährstoffvorratSonnenlicht → hohe Arbeitsfähigkeit

Wärmestrahlung Erde → Abwärme

Energiemenge Abwärme = Energiemenge Sonnenlicht

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41

Kurzwellige Sonneneinstrahlung, langwellige reflektierte Wärmeabstrahlung

Mittlere Erdoberflächentemperatur: 15 °C statt -18°C

2/3 durch Wasser(dampf), 1/3 durch Kohlendioxid und Methan

Quelle: TU Berlin 2009

Natürlicher Treibhauseffekt

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42

Anthropogener Treibhauseffekt

P

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LUC…land use change (Bsp.: Rodung)

43

THG Emissionen

Quelle: UNEP 2018

Quelle: UNEP

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44

THG Konzentrationen Atmosphäre

Quelle: NOAA

22.04.2020


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45

Kohlenstoffkreislauf

22.04.2020


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ideale Verbrennung

P

Vollständig ablaufende Bruttoreaktion in mol oder kmol,

x, y, z….Anzahl der Atome C, H und O im Brennstoff

Massenerhaltung gilt für die Atome und

das Gewicht in kg.

Molare Massen der beteiligten Spezies:

C: 12 kg/kmol

H: 1 kg/kmol

O: 16 kg/kmol

OH2

yCOxO

2

z

4

yxOHC 222zyx +=

-++

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47

Verbrennung von C3H8 (Propan)

P

Beispiel Propan:

1 kmol C3H8: 3 x 12 + 8 x 1 = 44 kg

5 kmol O2: 5 x 2 x 16 = 160 kg S Edukte: 204 kg

3 kmol CO2: 3 x (12 + 2 x 16) = 3 x 44 = 132 kg

4 kmol H2O: 4 x (2 x 1 + 16) = 4 x 18 = 72 kg S Produkte: 204 kg

132 kg CO2 bei 44 kg C3H8: 132/44 = 3 kg CO2 pro kg C3H8

72 kg H2O bei 44 kg C3H8: 72/44 = 1,64 kg H2O pro kg C3H8

Heizwert von C3H8: Hu = 46300 kJ/kg = 12,86 kWh/kg

damit: 233 g CO2 / kWh , 128 g H2O / kWh

OH4CO3O4

83HC 22283 +=

++

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48

CO2 / H2O Emissionen (gerundet)

22.04.2020


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49

Emissionen der realen Verbrennung

Die reale Verbrennung erzeugt außer Wasser und Kohlendioxid abhängig vom

Luftverhältnis l zusätzliche Schadstoffe:

• unvollständige Verbrennung mit lokalem Luftmangel erzeugt Kohlenmonoxid,

Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoff als Basis für Ruß und Partikel

• hohe Temperaturen erzeugen Stickoxide

Die Berechnung der Rauchgaszusammensetzung erfolgt nach dem

chemischen Gleichgewicht.

....ON

NO

C

HCCO

OHCO

N 2

yx

21,0

79,0 O

2

yx HC

2O2N

xNO

RussRuss

mnHCCO

2OH2CO

22yx

22

x

mn

22

+++

++

++

+++

++

→

++

++

nn

n

n

nn

nn

ll

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50

CO2-Emissionen Nahrung

P

Eine Milchkuh verursacht durch Methanausstoß etwa denselben

Treibhauseffekt wie ein PKW bei 18.000 km Jahresfahrtstrecke

Für die Erzeugung von 1 kg Fleisch benötigt man ca. 10 kg Getreide

Für die Erzeugung von 1 kJ Fleisch benötigt man ca. 9 kJ Getreide

22.04.2020


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51

CO2-Emissionen Nahrung (täglich)

Quelle: Dr. Schmiedl

22.04.2020


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Haupttreiber der Entwaldung ist die Landwirtschaft

u.a. für Palmöl, Soja und Kakao

Sie ist für etwa 80% des Waldverlusts verantwortlich

52

Zerstörung von Waldflächen

Quelle: WWF

22.04.2020


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53WS 2019/2020

Alexander Trattner, LV 313.068

CO2-Emissionen pro Personenkilometer

0

100

200

300

400

Fußgänger

Fahrrad

Tram/U-

Bahn

Bus/Bahn PKW

fossil

PKW

Elektro

Flug

Europa

Flug

Übersee

CO

2-E

mis

sio

nen [g/k

m]

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54

Globaler Hintergrund

Die Beschränkung der

Erderwärmung auf

2 °C erfordert eine

radikale und

vollständige Reduktion

der Treibhausgas-

Emissionen

• Ökonomisch stellt das

2°C Ziel die

kosteneffizienteste

Variante dar.

IPCC: Friedensnobelpreis 2007

Temperatur

1900 1950 2000 2050 2100

5

6

4

3

2

1

0

Ab

we

ich

un

g d

er

mit

tle

ren

glo

ba

len

Ob

erf

läc

he

nte

mp

era

tur

(°C

)

-1

CO2

1900 1950 2000 2050 2100

0

20

40

60

80

100

120

-20

140

Tre

ibh

au

sg

as

em

issio

ne

n

(GtC

O2

eq

uiv

.)

22.04.2020


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55

Österreichischer Hintergrund

Kyoto-Ziel AT-Ziel

EU-Ziel mind. -80 % bis -95 %

Ohne EH

Entwicklung der Treibhausgasemissionen

und –szenarien bis 2050

22.04.2020


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56

Österreichischer Hintergrund

Bei nur 2 °C Klimaerwärmung werden die Klimaschäden in Österreich auf

circa 8 Mrd. € pro Jahr steigen!

22.04.2020


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57

Zukunft: Energiewende & Wasserstoffwirtschaft

22.04.2020


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58

Wasserstoffwirtschaft

Source: Züttel 2008

CO2-freier

Energie-

kreislauf

mit dem

Sekundär-

energieträger

Wasserstoff

Ökostrom

(elektr.) Energie

22.04.2020


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59

Vision: Vollständige Dekarbonisierung

Wasserstoff – nachhaltiger, CO2-freier und emissionsfreier Energiekreislauf

• Produktion durch Wasserelektrolyse mit Erneuerbaren Energien (Wind, Sonne und Wasser)

• Speicherung als komprimiertes Gas, flüssig oder chemisch gebunden

• Anwendung in Brennstoffzellen, Verbrennungsmotoren, Turbinen und Industrieprozessen

22.04.2020


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60

Carbon-freie Energie

power to

hydrogen

Sekundär-

energie:

Strom &

Wasserstoff

Verteilung &

Speicherung

Stromnetz,

Gasnetz,

Gasspeicher

Primär-

energie:

erneuerbar

Sonne,

Wind,

Wasser

Nutzenergie:

Transport,

Haushalt,

industrie

BZ, VKM, TU

electrische Maschinen

& Geräte

22.04.2020


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61

Carbon-freie Mobilität

Hydrogenium

Langstrecke, hoher

Wirkungsgrad, kurze Betankung

Elektrizität

Kurzstrecke, höchster

Wirkungsgrad, lange Ladezeit

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62

Eine Technologie von Heute!

22.04.2020


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63

Zukunft: Energiewende & Wasserstoffwirtschaft

22.04.2020


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64

www.hycenta.at

Kontakt:

HyCentA Research GmbH

DI Dr. Alexander Trattner (CEO)

Inffeldgasse 15

A-8010 Graz

0316-873-9500

[email protected]

22.04.2020


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