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

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1 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG 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

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

3 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT 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

4 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Fernwärmeversorgung durch Kraftwerksabwärme Die Abwärme: T K - Kondensatortemperatur Q - die im Dampferzeuger zugeführte Wärme Der Wirkungsgrad: T 0,C - die obere Temperatur eines äquivalenten Carnot Prozesses

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

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

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

8 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Wärmepumpen Exergie Anergie Flußbild einer Kompressionswärmepumpe

9 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Wärmepumpen Schema einer Absorptionswärmepumpe Als Leistungszahl für einen Carnot Prozeß: T T0T0 T TzTz

10 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG 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

11 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG 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

12 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG 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

13 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG 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

14 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Wasserstoff Die chemische Reaktion: Reaktion , ,7+ 44,6 Thermodynamische Daten des Systems H2/O2/H2O: H - Reaktionsenthalpie G - freie Reaktionsenthalpie S - Reaktionsentropie bei 298,15 K

15 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Wasserstoff Die Grenztemperatur: Elektrolysewirkungsgrad: E liegt für heutige moderne Verfahren bei %

16 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Wasserstoff Beispiele für thermochemische Kreisprozesse: 1. Barnert, KFA Jülich, 2 stufig Fe 2 O 3 + 2SO 2 + H 2 O FeSO 4 + H 2 120°C 2FeSO 4 Fe 2 O 3 + 2SO 2 + ½O 2 700°C 2. Wentorf, Hannemann, General Electric, 5 stufig 2Cu + 2HCl 2CuCl + H 2 100°C 4CuCl 2CuCl 2 + 2Cu100°C 2CuCl 2 2CuCl + Cl 2 600°C Cl 2 + Mg(OH) 2 MgCl 2 + H 2 O + ½O 2 80°C MgCl 2 + 2H 2 O Mg(OH) 2 + 2HCl350°C

17 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG 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: H 2 O + h ½O 2 + H 2 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

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

19 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Kohleveredelung Reaktionen: C + H 2 O CO + H kJ/kMol CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O + E C + 2H 2 CH kJ/kMol CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 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 + 2H 2 O CH 4 + CO 2

20 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Kohleveredelung Die wichstigsten Heizwerte: C: kJ/kMol CH 4 : 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 CO 2 Erzeugung am Ort der Gaserzeugung führt

21 ENERGIESYSTEME 1. TEILERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Kohleveredelung Synthese von Methanol: Das hergestellte Gasgemisch aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff: C + H 2 O CO + H kJ/kMol kann weiter zur Synthese von Methanol benutzt werden: CO + 2H 2 CH 3 OH 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

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

23 ENERGIESYSTEME 1. TEILERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR 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

24 ENERGIESYSTEME 1. TEILERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR 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

25 ENERGIESYSTEME 1. TEILERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR Verwendung von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren Speichervermögen der Metallhydriden: 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: Wh/kg Tieftemperatur Hydride (TiFeH 2 und LaNi 5 H 7 ) Wh/kg Freisetzung von Wasserstoff ist verhältnismäßig gering: 30 kJ/mol H 2 (genügt die Abwärme) Eine Wasserstofffreisetzung ist noch bis –80°C möglich Hochtemperatur Hydride (Mg 2 NiH 4, MgH 2 und TiH 2 ) Wh/kg Bindungsenthalpie: 80 kJ/mol H 2 beim MgH 2, 160 kJ/mol H 2 beim TiH 2 Die Freisetzung erfolgt im Temperaturbereich von 150 – 550°C.

26 ENERGIESYSTEME 1. TEILERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR Brennstoffzellen H 2 + 1/2O 2 H 2 O

27 ENERGIESYSTEME 1. TEILERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR Brennstoffzellen H 2 + 1/2O 2 H 2 O


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