Weitere Systeme zur Bereitstellung von Heiz‑ und Prozesswärme

Präsentation zum Thema: "Weitere Systeme zur Bereitstellung von Heiz‑ und Prozesswärme"—  Präsentation transkript:

1 Weitere Systeme zur Bereitstellung von Heiz‑ und Prozesswärme
Fernwärmeversorgung durch Kraftwerksabwärme Wärmepumpen Wasserstoff Gasförmige Wärmeträger aus Kohle Prozesswärme aus dem Hochtemperaturreaktor Thermochemische Kreisprozesse ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

2 Fernwärmeversorgung durch Kraftwerksabwärme
K - der kritische Punkt (374,1°C, 221,3 bar) T,S - Diagramm von Wasserdampf ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

3 Fernwärmeversorgung durch Kraftwerksabwärme
Dampfkreislauf mit Anzapfvorwärmung: 1 Dampferzeuger 2 Turbine 3 Vorwärmstrecke 4 Kondensator 5 Speisepumpe T-s‑ Diagramm des Clausius‑Rankine‑Prozesses mit Anzapfvorwärmung und Überhitzung ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

4 Fernwärmeversorgung durch Kraftwerksabwärme
Die Abwärme: TK - Kondensatortemperatur Q - die im Dampferzeuger zugeführte Wärme Der Wirkungsgrad: T0,C - die obere Temperatur eines äquivalenten Carnot‑Prozesses ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

5 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Wärmepumpen Kreisprozess mit Kompressionswärmepumpen Kälteleistung (Wärmeaufnahme): Heizleistung (Wärmeabgabe): Antriebsleistung: Wirkungsgrad bei Kuhlbetrieb: Leistungsziffer bei Heizbetrieb: ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

6 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Wärmepumpen Carnot‑Prozeß mit Phasenumwandlung 1‑2 bedeutet isentrope Verdichtung im Verdichter 2‑4 isotherme Wärmeabgabe 2‑3 isotherme Verdichtung 3‑4 isotherme und isobare Wärmeabgabe durch Verflüssigung 4‑5 isentrope Entspannung 5‑1 isotherme und isobare Wärmeaufnahme durch Verdampfung ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

7 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Wärmepumpen Schema einer Kompressionswärmepumpe 1‑2 Verdichtung 2‑3 Wärmeabgabe mit Druckabfall infolge Reibung 3‑4 Wärmeabgabe durch Verflüssigung mit Druckabfall 4‑5 Drosselung mit Wärmeaufnahme 5‑1 Wärmeaufnahme mit Druckabfall und Überhitzung 5 die reale Leistungszahl der Wärmepumpen  erreicht nur Werte von etwa 50 ‑ 60 % der Carnotschen Leistungszahl ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

8 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Wärmepumpen Exergie‑Anergie‑Flußbild einer Kompressionswärmepumpe ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

9 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Wärmepumpen T Schema einer Absorptionswärmepumpe Tz T0 T Als Leistungszahl für einen Carnot‑Prozeß: ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

10 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Wärmepumpen Schema einer thermoelektrischen Wärmepumpe Die thermoelektrische Wärmepumpe nutzt den Peltier‑Effekt aus; wird eine Lötstelle zwischen zwei verschiedenen elektrischen Leitern von einem Strom durch­flossen, so wird sie sich je nach Stromrichtung abkühlen oder erwärmen Zur Zeit erreicht man mit thermoelektrischen Wärmepumpen etwa 20 % der Carnotschen Leistungsziffer ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

11 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

12 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

13 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

14 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Wasserstoff Die chemische Reaktion: Thermodynamische Daten des Systems H2/O2/H2O: Reaktion + 286 + 237 + 163,3 + 242 + 228,7 + 44,6 H - Reaktionsenthalpie G - freie Reaktionsenthalpie S - Reaktionsentropie bei 298,15 K ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

15 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Wasserstoff Die Grenztemperatur: Elektrolysewirkungsgrad: E liegt für heutige moderne Verfahren bei 77‑ 80 % ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

16 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Wasserstoff Beispiele für thermochemische Kreisprozesse: 1. Barnert, KFA Jülich, 2‑stufig Fe2O3 + 2SO2 + H2O → FeSO4 + H °C 2FeSO4 → Fe2O3 + 2SO2 + ½O °C 2. Wentorf, Hannemann, General Electric, 5‑stufig 2Cu + 2HCl → 2CuCl + H °C 4CuCl → 2CuCl2 + 2Cu °C 2CuCl2 → 2CuCl + Cl °C Cl2 + Mg(OH)2 → MgCl2 + H2O + ½O °C MgCl2 + 2H2O → Mg(OH)2 + 2HCl 350°C ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

17 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

18 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
SNR: 3000 J EFD2004.pdf S24 von 56 64 J EFD2004.pdf S25 von 56 58 J 166 J 10+1% 2% 22% 33% 33% 25% 7% ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

19 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Kohleveredelung Reaktionen: C H2O  CO + H kJ/kMol CO + 3H2  CH4 + H2O + E C H2  CH kJ/kMol CH4 + 2H2O  CO2 + 4H 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 Graphit­elemente eingelagert ist, lößt sich Helium auf sehr hohe Temperaturen erhitzen Es resultiert: 2C + 2H2O  CH4 + CO2 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

20 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Kohleveredelung Die wichstigsten Heizwerte: C : kJ/kMol CH4 : 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

21 ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
Kohleveredelung Synthese von Methanol: Das hergestellte Gasgemisch aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff: C H2O  CO + H kJ/kMol kann 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT

22 Erdölsubstitution im Verkehr
Ausgangsbasis: 23 Mio t flüssiger Brennstoff  33 Mio t SKE (22 Mil. Autos) ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR

23 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR

24 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR

25 Verwendung von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren
Speichervermögen der Metallhydriden: 600‑2500 Wh/kg im Benzin gespeicherten Energiemenge: 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 ) Wh/kg Bindungsenthalpie: 80 kJ/mol H2 beim MgH2, 160 kJ/mol H2 beim TiH2 Die Freisetzung erfolgt im Temperaturbereich von 150 – 550°C. ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR

26 ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR
Brennstoffzellen H2 + 1/2O2  H2O ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR

27 ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR
Brennstoffzellen H2 + 1/2O2  H2O ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR