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

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1 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 1 Wo kann elektrische Energie mit Vorteil Öl/Gas ersetzen? - als Beispiel für ein Konzept zu Einsparpotenzialen von Primärenergie - als Beispiel für ein Konzept zu Einsparpotenzialen von Primärenergie Wolfgang Weingarten AKE Herbstsitzung 2009 wolfgang.weingarten@cern.ch

2 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 2 Grundgedanke (Frühjahrsitzung 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.

3 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 3 Grundgedanke (Frühjahrssitzung 2009) Wertigkeit der Ene Grundgedanke (Frühjahrssitzung 2009) Wertigkeit 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.

4 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 4 Arbeit ist Austausch von Energie ohne Entropie zwecks Bereitstellung eines Service, n ä mlich Mahlen von Korn Idee nach Jörg Schmid (CERN) Grundgedanke (Frühjahrssitzung 2009) Energie-austausch Idee nach Jörg Schmid (CERN) Aus: Das Grosse Liederbuch, Diogenes, Bilder von Tomi Ungerer

5 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 5 Grundgedanke (Frühjahrssitzung 2009) Energie 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.

6 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 6 Grundgedanke (Frühjahrssitzung 2009) Einspar-codex Was bedeutet also eine effiziente und nachhaltige Umwandlung von Energie in Services? Minimisiere die Erzeugung von Entropie bei Energieumwandlungen; d. h. 1.Beziehe Wärme durch Austausch mit der Umgebung (und vermeide Wärme durch Erzeugung - Reibung), d.h. benutze schon vorhandene Wärme aus der Umgebung. 2.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. 3.Bewege dich fort mit Transportmitteln geringer Entropie- erzeugung. 4.Reduziere Wärmelecks infolge eines Temperaturgradienten, wie z. B. an Gebäuden, mittels konventioneller und unkonventioneller Isolationsverfahren (z. B. Anleihe bei der Kryotechnik).

7 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 7 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.

8 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 8 … alles schon mal dagewesen 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

9 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 9 Aus der AIP Studie: Thermodynamik und benötigte 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 (2 nd law efficiency

10 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 10 Aus der AIP Studie: Vorschlag der AIP Studie, S. 5 We strongly recommend that this formulation (2 nd 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.

11 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 11 Zum Begriff des Wirkungsgrades …

12 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 12 Konventioneller Begriff des Wirkungsgrads - Beispiele und Schwächen 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 = Q k /W = T k /(T-T k ) 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,

13 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 13 Der Wirkungsgrad nach dem 1. Hauptsatz ist als Kriterium für Energie- effizienz nicht ausreichend. Konventioneller Begriff des Wirkungsgrades - 2

14 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 14 Konventioneller Begriff des Wirkungsgrads - 3 Tabelle 1 Bemerkung: T h (heiß) > T w (warm) > T (Umgebung) > T k (kalt)

15 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 15 Exergie - Wirkungsgrad (2nd law efficiency) … gestattet die Beurteilung des realen Prozesses bzgl. eines optimalen, mit dem 1. und 2. Hauptsatz vertr ä glichen 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

16 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 16 Exergie - Wirkungsgrad - 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

17 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 17 Exergie - Wirkungsgrad - Alternative Definition Ausgehend von der Exergie B 1) (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 Atmosphäre 2) => = B min /B real 1) Bereitstehender brauchbarer Arbeitsbestand (Zitat AIP Studie) 2) Wechselwirkung mit der Atmosphäre ist zulässig, aber Arbeit an der Atmosphäre wird nicht gerechnet

18 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 18 Exergie B … Keine Zustandsfunktion, aber wohldefiniert: B = (E - E f ) + P 0 (V - V f ) - T 0 (S - S f ) (ohne Diffusion) Im Gegensatz zur Energie wird Exergie verbraucht

19 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 19 Exergie B, die von Quellen bereitgestellt und von Diensten verbraucht wird Bemerkung: T h (heiß) > T w (warm) > T (Umgebung) > T k (kalt) Tabelle 2

20 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 20 Wirkungsgrade nach dem 1. und 2. Hauptsatz Tabelle 3

21 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 21 Beispiele …

22 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 22 Beispiele - Exergieverbrauch pro Wärmeeinheit Wärmeabfuhr bei 10 °C Wärmezufuhr bei 40 °C Radiator-Heizung Wärmezufuhr oder -abfuhr bei Raumtemperatur 20 °C Niedertemperatur-heizung Raumheizung

23 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 23 Beispiele - 2 Heizofen (Öl oder Gas): Minimaler Exergie-verbrauch B min /Q =1-T/T w 0.17 Realer Exergie-verbrauch B real /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), T w = 43 °C und T = 0 °C ist = Q w /B ·(1-T/T w ) ·(1-T/T w ) = 0.082 (Tabelle 3) Für einen Wärmeübertrag bei Raumtemperatur (T w = 20 °C ) ist der Wirkungsgrad noch geringer, = Q w /B ·(1-T/T w ) ·(1-T/T w ) = 0.04

24 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 24 Beispiele - 3 Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen Exergie 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 = W out /B = 1. Wärmepumpe (COP) = Q w /W; = Q w /W ·(1-T/T w ) 0.3; (COP) = / (1-T/T w ) T w /T = 1.1 => (COP) = Q w /W = 3.3 Aber: die Wärmepumpe wäre nutzlos, falls 1.4 => Wärmepumpe wirkungsvoll bei relativ kleinen Temperaturunterschieden

25 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 25 Energieflussbilder …

26 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 26 Schematisches Energie-fluss-bild

27 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 27

28 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 28 Berechnungsgrundlagen der Sparversionen Tabelle 4

29 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 29 Energieflussbild (D) 2006 - Haushalt, Handel, … - 1

30 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 30 Energieflussbild (D) 2006 - Haushalt, Handel, … - 2

31 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 31 Energieflussbild (D) 2006 - Gewerbe

32 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 32 Energieflussbild (D) 2006 - Verkehr

33 22 Oktober 2009AKE Herbstsitzung 2009 33 Schlussbetrachtung - 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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