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Gerhard Schmitz Technische Universität Hamburg Harburg Institut für Thermofluiddynamik (M21) Technische Thermodynamik Möglichkeiten und Grenzen der rationellen.

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Präsentation zum Thema: "Gerhard Schmitz Technische Universität Hamburg Harburg Institut für Thermofluiddynamik (M21) Technische Thermodynamik Möglichkeiten und Grenzen der rationellen."—  Präsentation transkript:

1 Gerhard Schmitz Technische Universität Hamburg Harburg Institut für Thermofluiddynamik (M21) Technische Thermodynamik Möglichkeiten und Grenzen der rationellen Energieverwendung 1

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3 Energie kann nur gewandelt werden Wandlungen von Energie sind Beschränkungen unterworfen 3 1. und und 2. Hauptsatz der Thermodynamik

4 4 Energieerhaltung Wärme Arbeit Innere Energie Kinetische Energie Potenzielle Energie Systemgrenze

5 5 Energiewandlungen Arbeit in Wärme: geht immer! (Elektrischer Heizer) Potenzielle Energie in Arbeit: geht immer! (Wasserfall) Kinetische Energie in Wärme: geht immer! (Bremse) Kinetische Energie in Arbeit: geht immer! (Mühle) Wärme in Arbeit: kommt auf die Temperatur der Wärme an (Kraftwerk, Automotor) Umweltenergie in Arbeit: geht gar nicht!!

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7 7 Beispiel: Gaskessel Niedertempe- raturwärme Erdgas

8 PrimärenergieNutzenergie Transport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) UmwandlungEndenergie 8 Uran Kohle Öl Gas Nicht – Regene- rative Primär- energien Regenerative Primärenergien Sonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie Nutzenergien NW KÄ NW HW NW HW KÄ NW KÄ NW HW KÄ KI PO KI PO KI: kinetische Energie, z.B. el. Rührbesen PO: Potenzielle Energie, z.B. Aufzug NW: Niedertempe- raturwärme für Heizung KÄ: Kälte z.B. Kühlschrank HW: Hochtempe- raturwärme z.B. für das Kochen oder für Prozesse Wärme- speicher BHKW Strom- speicher elektr. Motor Heizdraht, Induktion Wärmetrans- formator Arbeits- maschine Wärmepumpe Kältemaschine Absorptions- kältemaschine Arbeits- maschine Wärme- pumpe Kälte- maschine Heizungs- kessel Wärme- pumpe Absorptions- kältemaschine Motor Feuerung Groß- kraft- werk Kraftanlagen (Foto- voltaik, Windanlag.) Thermische Anlagen Sekundärenergie Energieumwandlungswege

9 Rationelle Energieverwendung bedeutet: Entsprechend dem optimierten Bedarf genau die erforderliche Energiemenge mit der nötigen Energiequalität zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Ort liefern - bei möglichst wenig Energiewandlungsverlusten.

10 Energieeinsparung im Bereich Haushalt und Kleinverbraucher Regenerative EnergienWärmedämmungAnlagenoptimierung 10

11 Energiesparmöglichkeiten im Bereich Haushalt und Kleinverbraucher Regenerative Energien Nutzung von Solarenergie (Strom und Wärme) Nutzung von Biomasse Nutzung von Wärmesenken zur Kühlung Wärmedämmung Verbesserte Dämmmaterialien Verbesserte Türen und Fenster Vermeidung von Wärmebrücken Anlagenoptimierung Integrierter Entwurf von Gebäude und Anlage Energie- und Stoffrückgewinnung bei kontrollierter Lüftung Brennwertnutzung bei fossilen Brennstoffen Energetisch und exergetisch effizientere Geräte und Beleuchtungsanlagen Benutzerfreundliche Steuerungs- und Regelungsanlagen Effiziente Pumpen und Ventilatoren Optimale Aufstellung von Energieanlagen Wärmepumpen Kraft -, Wärme-, Kältekopplung (KWK) 11

12 Energie- einspar-V Lüftung Transmission Heizwärme gesamt Warmwasser Wärmeschutz- verordnung 1977 Wärmeschutz- verordnung 1982 Wärmeschutz- verordnung 1995 kWh m² a Durchschnitt in Deutschland 2008: 160 kWh/m² a Wärmebedarf eines Einfamilienhauses (150 m², 3-4 Personen) 12

13 Solarbauaustellung Hamburg - Transmissionswärmebedarf H Quelle: Zebau 13 kWh/m²a

14 Entwicklung Verkauf Niedertemperaturheizgeräte - Brennwertheizgerät 14

15 15 Solarenergie mit Rücklauf- temperaturanhebung

16 Haus­halte ver­brau­chen im­mer weni­ger Ener­gie? Quelle AG Energiebilanzen 2013

17 Wohnfläche pro Person in m² Quelle: Statistisches Bundesamt 17

18 Solarbauaustellung Hamburg - Lüftungswärmebedarf Quelle: Zebau 18 kWh/m²a

19 19 Ent- lüftung Kessel Pumpe Ausdehnungsgefäß Kleinigkeiten - Hydraulischer Abgleich

20 Gründe, warum im HuK - Bereich der Energiebedarf nicht noch deutlicher sinkt: Steigende Nachfrage nach Energiedienstleistungen Nichtberücksichtigung von Nutzergewohnheiten Instationäre Verhältnisse nicht beachtet Mangelnde Qualitätsausführung Nicht das ganze System betrachtet Nicht das ganze Jahr betrachtet Kleinigkeiten unterschätzt 20

21 PrimärenergieNutzenergie Transport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) UmwandlungEndenergie 21 Uran Kohle Öl Gas Nicht – Regene- rative Primär- energien Regenerative Primärenergien Sonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie Nutzenergien NW KÄ NW HW NW HW KÄ NW KÄ NW HW KÄ KI PO KI PO KI: kinetische Energie, z.B. el. Rührbesen PO: Potenzielle Energie, z.B. Aufzug NW: Niedertempe- raturwärme für Heizung KÄ: Kälte z.B. Kühlschrank HW: Hochtempe- raturwärme z.B. für das Kochen oder für Prozesse Wärme- speicher BHKW Strom- speicher elektr. Motor Heizdraht, Induktion Wärmetrans- formator Arbeits- maschine Wärmepumpe Kältemaschine Absorptions- kältemaschine Arbeits- maschine Wärme- pumpe Kälte- maschine Heizungs- kessel Wärme- pumpe Absorptions- kältemaschine Motor Feuerung Groß- kraft- werk Kraftanlagen (Foto- voltaik, Windanlag.) Thermische Anlagen Sekundärenergie Energieeinsparung im Bereich Energieverteilung

22 Angebot Nachfrage Zeit in h Last in GW Energiewende - vorher

23 Zeit in h Last in GW Nachfrage Angebot Energiewende - nachher

24 Mehr Regenerative Energie bedeuten: weniger Berechenbarkeit, weniger (Strom-)versorgungssicherheit und erfordert mehr Energiemanagement, mehr Speicher Damit auch: der richtige Energieträger am richtigen Ort

25 Anschlussenergie im Neubaubereich

26 26 Blockheizkraftwerk (BHKW) Arbeit (Strom) Erdgas Niedertempe- raturwärme Aber: Strom und Wärme müssen gleichzeitig nachgefragt werden!

27 Dezentralisierte Stromerzeugung Quelle: Lichtblick CFCL Hochtemperatur-BZ 1,5 kW el 0,5 kW therm ZuhauseKraftwerke 19,0 kW el 36,0 kW therm Vaillant-Ecopower 4,7 kW el 12.5 kW therm

28 VDI-Nachrichten S.1

29 Angebot Nachfrage Zeit in h Last in GW Energiewende - vorher

30 Angebot Nachfrage Zeit in h Last in GW Energiewende – etwas später

31 Funkgesteuerter Einsatz von BHKW StrompreisBetrieb >32 kW Wärme ~19 kW Elektr.

32 Primärleistung & Energiebedarf eines Elektrolichtbogenofens Quelle: ArcelorMittal Hamburg GmbH Energie Zeit Ofenleistung 0 50% 100 % P/P max

33 Vor- und Nachteile von Energiespeichern EffizienzGrößeDynamikSelbst- entladg. Lebens- dauer Um- welt Pumpspeicher Druckluftspeicher Druckluftspeicher adiabat H2 - Kombiprozess H2 – PEM Brennstoffzelle Red-Ox-Flow - Batterie Natrium-Schwefel-Batterie Blei-Säure-Batterie Schwungradmassespeicher HP Schwungradmassespeicher HTS Thermische Exergiespeicher?-00?

34 34 Forschungsvorhaben TransiEnt.EE Transientes Verhalten gekoppelter Energienetze mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien

35 Energienetzmodell

36 Wo liegen die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen bei der Einbindung stark fluktuierender, Erneuerbarer Energien wie z. B. Strom aus Windkraft, Photovoltaikanlagen etc.? Wann ist die Aufteilung zwischen dezentraler Energiewandlung in einem Gas - BHKW und zentraler Energiewandlung in einem Kohlekraftwerke unter ökologischen und ökonomischen Aspekten optimal? Wie kann die Nachfrage zwischen sehr großen und sehr kleinen Energieverbrauchern ausbalanciert werden? Welche Speicher wie Warmwasserspeicher, PCM-Speicher, Sorptionsspeicher, dezentrale (Bio-)Gasspeicher, Batterien, Schwungradmassespeicher, kleine Druckluftspeicher, werden wie groß und wo benötigt? Kann ein Nahwärmenetz oder ein übergeordnetes Fernwärmenetz die Aufgabe einer Wärmesammelschiene übernehmen, in das kleine, dezentral angeordnete Gaskraft- bzw. Blockheizkraftwerke, aber auch Solaranlagen einspeisen können? Welche Energiedienstleistungen (z. B. die Beheizung von Gebäuden, gewerbliche Prozesse) sollten unter übergeordneten Gesichtspunkten, also insbesondere vor dem Aspekt der Einbindung von fluktuierenden Erneuerbaren Energien, besser elektrisch, welche besser thermisch bereitgestellt werden? In welchem Umfang kann die Beeinflussung von Nutzergeräten die Energieversorgung und –verteilung unterstützen? Forschungsfragen am Beispiel Hamburg

37 Warum Hamburg?

38 Zusammenfassung Rationelle Energieverwendung: entsprechend dem optimierten Bedarf muss genau die erforderliche Energiemenge mit der nötigen Energiequalität zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Ort geliefert werden - bei möglichst wenig Energiewandlungsverlusten. Energiesysteme müssen dazu als ganzes betrachtet werden: die gesamte Wandlungskette über das ganze Jahr unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens. Nicht entweder – oder sondern jede Energie am richtigen Platz! Speicherbarkeit von Energien beachten. Innovative Speichertechnologien für Strom, Wärme und Kälte entwickeln. Gasbetriebene Kraft-Wärme-Kopplung dient dem Aufbau neuer, dezentralisierter Back-up Lösungen in der Energieversorgung. Energieeinsparungen durch technische Lösungen werden zum Teil durch neue Energiebedarfe konterkariert. Der Faktor 4 ist aber notwendig für die Energiewende. Ganz ohne Verzicht wird das nicht gehen! 38

39 Weitere Informationen:


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