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3. Die Richtung der Energieumwandlungsprozesse Umwandlung von Wärme in Arbeit ist nur eingeschränkt möglich. - Zustandsgröße Entropie S: [s] = J/(kg K)

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1 3. Die Richtung der Energieumwandlungsprozesse Umwandlung von Wärme in Arbeit ist nur eingeschränkt möglich. - Zustandsgröße Entropie S: [s] = J/(kg K) = W/K _________________________________________ intensiv-spezifisch Strom - Entropieverhalten abgeschlossener Systeme: Abgeschlossene Systeme sind in der Technik nicht wichtig! irreversibel, adiabat (natürlich):ds > 0 Reversibel, adiabat:ds = 0 unmöglich (erzwungen, künstlich):ds < 0 - Entropieverhalten geschlossener und offener Systeme: ds > 0 ds = 0 ds < 0

2 - Exergie offener Systeme: Systeme können nur dann Arbeit verrichten, wenn sie nicht mit der Umgebung im Gleichgewicht sind, d.h. wenn sich ihr Zustand von der Umgebung unterscheidet. Exergie ist die maximal gewinnbare technische Arbeit. Exergiestrom: Index UUmgebungsbedingungen Isentrop isotherm

3 Exergie ist die Energie, die sich bei vorgegebener Umgebung in jede andere Energieform umwandeln lässt. Anergie ist dagegen die Energie, die nicht als Exergie genutzt werden kann. Energie = Exergie + Anergie Bei allen Prozessen bleibt die Summe aus Exergie und Anergie konstant. Sämtliche irreversiblen Vorgänge sind mit einem Verlust an Exergie, d.h. mit der Umwandlung von Exergie in Anergie, verbunden. Ein Vorgang zur Verwandlung von Anergie in Exergie ist unmöglich. reine Exergie: elektrischer Strom, potenzielle und kinetische Energie

4 - Freie Energie nach HELMHOLTZ / Freie Enthalpie nach GIBBS: / Die Freie Energie/Freie Enthalpie ist der Teil der Inneren Energie/Enthalpie, der bei einem reversiblen Vorgang in jede beliebige Energieform verwandelbar ist. Die gebundene Energie T s ist der Teil, der bei konstanter Temperatur einem System nicht als Nutzarbeit (oder chemischer Energie) entzogen werden kann, sondern nur als Wärme zur Verfügung steht. -- Verhalten geschlossener und offener Systeme: df, dg < 0: natürlich, selbständig, spontan verlaufender Vorgang df, dg = 0: Gleichgewicht df, dg > 0: unmöglicher, erzwungener, künstlicher Vorgang f freie Energie, J/kg gfreie Enthalpie, J/kg

5 - Zustandsfunktion der Freien Energie/Freien Enthalpie: -- Allgemeine Prozesse: -- Chemisch-physikalische Prozesse, isobar: Δh 0 R,n molare Standardreaktionsenthalpie, kJ/mol Δs 0 R,n molare Standardreaktionsentropie, kJ/(mol K) Δg 0 R,n molare Freie Standardreaktionsenthalpie, kJ/mol --- Berechnung der molaren Standardreaktionsgrößen aus den molaren Standardbildungsgrößen

6 Beispiel: Ist folgende chemische Reaktion möglich? Kohlenstoff + Wasserstoff Benzen 6 C+ 3 H 2 C 6 H 6 Benzen: [Daten Atkins] molare Standardbildungsenthalpie ΔH 0 B,n = 82,92 kJ/mol molare Standardbildungsentropie ΔS 0 B,n = 0,2693 kJ/(mol K) Kohlenstoff: molare Standardbildungsenthalpie ΔH 0 B,n = 0 kJ/mol molare Standardbildungsentropie ΔS 0 B,n = 0,0057 kJ/(mol K) Wasserstoff H 2 : molare Standardbildungsenthalpie ΔH 0 B,n = 0 kJ/mol molare Standardbildungsentropie ΔS 0 B,n = 0,1307 kJ/(mol K) Daraus folgt: molare Standardreaktionsenthalpie Δh 0 R,n = 82,92 kJ/mol molare Standardreaktionsentropie Δs 0 R,n = 0,2693 – 3·0,1307-6·0,0057) = -0,157 kJ/(mol K) molare freie Standardreaktionsenthalpie Δg 0 R,n = Δh 0 R,n – T Δs 0 R,n = 82,92 – 298·(-0,157) Δg 0 R,n = 129,78 kJ/mol Δg > 0: unmöglicher, erzwungener, künstlicher Vorgang

7 4. Kreisprozesse Rechtskreisprozess: Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit (Wärmekraftmaschine) Linkskreisprozess: Wärmetransport von niederer Temperatur auf höhere Temperatur (Wärmepumpe) - Kreisprozess ohne Nutzeffekt, da reversible, adiabate Zustandsänderungen: Die Turbine treibt den Kompressor an. Rechtskreisprozess

8 -Rechtskreisprozess mit Nutzeffekt durch Wärmezu- und Wärmeabfuhr: 11'2: Wärmezufuhr und Expansion: q 11' + w t,1'2 = h 2 - h 1 22'1: Wärmeabfuhr und Kompression: q 22' + w t,2'1 = h 1 - h 2 (+) _______________________________ (q 11' + q 22' ) + (w t,1'2 + w t,2'1 ) = 0 >>0 0 q K -w K q K Kreiswärme, J/kg w K Kreisarbeit, J/kg

9 Vorzeichenregel: q K > 0: Kreiswärme wird zugeführt w K < 0: Kreisarbeit wird abgeführt -Thermischer Wirkungsgrad η th : Zur Beurteilung der Effektivität der Umwandlung von Wärme in technische Arbeit. Satz: Auch in der vollkommensten Wärmekraftmaschine kann Wärme niemals vollständig in Arbeit umgewandelt werden. da Abwärme q ab auftritt folgt η th < 1 da die Abwärme nicht bei 0 K abgeführt wird, folgt η th < 1 ohne Wärmeabfuhr wäre η th = 1, Perpetuum mobile (2. Art) (unmöglich)

10 CARNOT-Prozess: Der CARNOT-Prozess beschreibt die Güte einer thermodynamischen Energieumwandlung von Wärme in Arbeit. Er ist technisch nicht realisierbar. 12:isotherme Kompression mit Wärmeabfuhr 23:isentrope Kompression 34:isotherme Expansion mit Wärmezufuhr 41:isentrope Expansion CARNOT-Prozess technisch nicht realisierbar weil: · isentrope Prozesse nur in sehr schnellen Prozessen vorstellbar · isotherme nur in sehr langsamen Prozessen vorstellbar - Thermischer Wirkungsgrad η th : für:T min = 0 K oder T max = folgt: η th = 1 nicht realisierbar s Spezifische Entropie, J/(kg K)

11 Beispiele: · Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad wenn die Wärme bei 550 °C zu und bei 30 °C abgeführt wird. Es ist kein Kreisprozess mit einem höheren thermischen Wirkungsgrad als beim CARNOT-Prozess denkbar. Satz: tatsächlicher Wirkungsgrad:η th = 0,43 · Kraftwerk 50+ bei >700 °C, 350 bar: η th.C = 0,689 Zu große Werkstoff- und Fertigungsprobleme!

12 ERICSON-Prozess: Kreisprozess mit regenerativer Wärmeübertragung in nur einem Wärmeübertrager 12:isotherme Kompression mit Wärmeabfuhr (gekühlter Kompressor) 23:isobare Wärmezufuhr (regenerativ) 34:isotherme Expansion mit Wärmezufuhr (beheizte Turbine) 41:isobare Wärmeabfuhr (regenerativ) Der Wärmeübertrager muss sehr groß sein. Es ist nur eine Gegenstromführung möglich. A Wärmeübertragungsfläche, m² -- Thermischer Wirkungsgrad η th : Der thermische Wirkungsgrad ist so groß wie beim CARNOT-Prozess:

13 Einfacher JOULE-Prozess: Der JOULE-Prozess hat eine sehr große Bedeutung als Vergleichsprozess für Gasturbinenanlagen: Gasturbinenkraftwerk Strahltriebwerk für Flugzeug 1-2:isentrope Kompression 2-3:isobare Wärmezufuhr 3-4:isentrope Expansion 4-1:isobare Wärmeabfuhr -- Thermischer Wirkungsgrad η th : π Kompressionsverhältnis, - κ Isentropenexponent, - η th = f( π, κ) Bei Gasturbinenanlagen ist zwischen geschlossenen und offenen Kreisprozessen zu unterscheiden.

14 - offener JOULE-Prozess: - geschlossener JOULE-Prozess: Brennkammer mit direkter Erhitzung Kühler wird durch die Umgebung ersetzt Brennstoff muss rückstandsfrei verbrennen, um die Turbinenschaufeln nicht zu schädigen. κ = 1,67 Edelgase; κ = 1,4 Luft; κ = 1,3 CO 2 Brennkammer mit indirekter Erhitzung Arbeitsmittelkreislauf von der Umgebung stofflich getrennt: keine Verschmutzung

15 - Verbrennungsmotor: Bei Verbrennungsmotoren wird die chemische Energie des Brennstoffes durch Verbrennung im Arbeitsraum in Wärme umgewandelt, d.h. die Wärmezufuhr erfolgt von innen. OTTO-Prozess (Gleichraumprozess): 1-2:isentrope Kompression 2-3:isochore Wärmezufuhr 3-4:isentrope Expansion 4-1:isochore Wärmeabfuhr Viertaktmotor: 1. Hub:a - 1Ansaugen des Kraftstoffgemisches 2. Hub:1 - 2isentrope Verdichtung 2 - 3Ende des Hubes:, Zündung des verdichteten Gemisches mittels Zündfunken und isochore Verbrennung, d.h. isochore Wärmezufuhr 3. Hub:3 - 4Isentrope Expansion, wobei die Arbeit auf den Kolben übertragen wird Ende des Hubes: Öffnen des Auslassventiles und der Druck sinkt bei gleichem Volumen, d.h. isochore Wärmeabfuhr. 4. Hub:1 - aAusstoß der restlichen Verbrennungsgase aus dem Zylinder

16 -- Thermischer Wirkungsgrad η th : ε Verdichtungsverhältnis, - Der OTTO-Motor arbeitet um so günstiger, je höher die Verdichtung und je höher die Arbeitstemperatur ist. Grenzen werden durch die Selbstzündungstemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches gesetzt. ε =

17 DIESEL-Prozess (Gleichdruckprozess): - 1-2:isentrope Kompression 2-3:isobare Wärmezufuhr 3-4:isentrope Expansion 4-1:isochore Wärmeabfuhr Viertaktmotor: 1. Hub:a - 1Ansaugen der Luft 2. Hub:1 - 2isentrope Verdichtung 3. Hub:2 - 3Beginn des Hubes: Brennstoff wird fein verteilt eingespritzt, der sich sofort selbst entzündet. Die Brennstoffzufuhr wird so geregelt, dass bei Ausweichen des Kolbens p = konst. ist weiterer Hub: Nach der Verbrennung expandieren die Gase isentrop Ende des Hubes: Auslassventil öffnet sich und der Druck fällt isochor auf den Umgebungsdruck (isochore Wärmeabfuhr) 4. Hub:1 - aAusstoß der restlichen Verbrennungsgase aus dem Zylinder.

18 -- Thermischer Wirkungsgrad η th : εVerdichtungsverhältnis, - φ Einspritzverhältnis, - Der thermische Wirkungsgrad des DIESEL-Prozesses ist vom Verdichtungsverhältnis ε, und auch vom Einspritzverhältnis φ abhängig. Der thermische Wirkungsgrad steigt mit wachsendem ε, aber mit fallendem φ, ist also bei kleinerer Wärmezufuhr größer. ε = ; φ =

19 -- Schema eines DIESEL-Motors: 1:Zylinder 2:Kolben 3:Einlassventil 4:Einspritzdüse 5:Auslassventil 6:Pleulstange -- Schiffsdiesel: Weltgrößte Containerschiffe 2006: Emma-Klasse der Reederei Maersk-Line, Dänemark TEU Standardcontainer (größtes Schiff Marco Polo, TEU, französische Reeder CMA CGM) Länge: 397 m Antrieb:14-Zylinder Diesel 80 MW Bohrung: 960 mm Hub: mm Hubraum eines Zylinders: Gesamthubraum: Wirkungsgrad: 49 % Treibstoffverbrauch bei voller Leistung: 14,4 m³/h = 2,7 Schweröl/(100 km und Container mit 14 t)

20 Vergleich: OTTO-ProzessDIESEL-Prozess >1 wenn: ε OTTO = ε DIESEL η th,OTTO > η th,DIESEL da aber: ε OTTO << ε th,DIESEL η th,OTTO < η th,DIESEL

21 Linkskreisprozess - Linksläufige Kreisprozesse (Arbeitsmaschinenprozesse): -- Zufuhr mechanischer Energie -- Wärmeabgabe größer als Wärmezufuhr - Durch einen Linkskreisprozess kann durch Aufwand von Arbeit innere Energie entgegen dem natürlichen Temperaturgefälle auf ein höheres Temperaturniveau gehoben werden. -- Wärmepumpenprozess, z.B. als Heizenergie für ein Wohnhaus. -- Kältemaschinenprozess, z.B. bei der Kühlung eines Raumes

22 - Umkehrung des CARNOT-Prozess: 1-4: isentrope Kompression 4-3: isotherme Kompression mit Wärmeabfuhr (auf hohem Temperaturniveau) 3-2: isentrope Expansion 2-1: isotherme Expansion mit Wärmezufuhr (auf tiefem Temperaturniveau)

23 5. Spezielle Energieumwandlungen 8./9.: elektrische Energie chemische Energie 1./2.: Strahlungsenergie elektrische Energie 5./6.: potentielle Energie kinetische Energie 3./4.: kinetische Energie elektrische Energie 10.: chemische Energie thermische Energie 11.: Strahlungsenergie thermische Energie Solarzelle (Photovoltaik) LED-Lampe Solarkollektor Öl-/Gasheizung Akkumulator Brennstoffzelle Generator Motor / / / / /

24 Wirkungsgrade für die Speicherung und die Umwandlung sind multiplikativ verknüpft. η ges = η 1 = 0,9 η ges = η 1 η 2 = 0,9 0,9 = 0,81 η ges = η 1 η 2 η 3 = 0,9 0,9 0,9 = 0,729 η ges = η 1 η 2 η 3 η 4 = 0,9 0,9 0,9 0,9 = 0,656

25 Energieumwandlungen werden verwendet für: Spezielle Anwendungen (Bahn, Heizung, Kühlung … ) Speicherung von Energie (Wasser im Speicherbecken, … ) Transport von Energie (Hochspannungsleitung, Gaspipeline, … ) Der elektrische Strom ist eine sehr hochwertige Energieform (reine Exergie): 21 % Strom aus erneuerbarer Energieträgern

26 Vorteil: universell verwendbar Informationstechnologie Licht Antriebe Nachteil: Viele Verluste bei der Herstellung, schwer speicherfähig Kohlekraftwerk: η th = 43 % Gas- und Dampfkraftwerk: η th = 60 % - Produktion (Kupfer) Wärme Transport

27 Die thermische Energie, Wärme (latente und sensible Wärme): Vorteil: leicht herstellbar, relativ gut speicher- und transportierbar Nachteil: Nur bedingt umwandelbar (2. Hauptsatz), beschränkte Umwandelbarkeit in Arbeit Müllheizkraftwerk Bremerhaven, 2009 in Deutschland: 69 Anlagen Fernwärmeleitungen im Bau

28 Erneuerbare Energie: Wasserkraft Windenergie Solare Strahlung - thermische Solaranlagen

29 - Photovoltaikanlagen Solarpark Finsterwalde, Brandenburg, 80,7 MW p Hausdach, ca. 10 kW p Hausfassade

30 Die Erdwärme: Unterhaching, Bayern, größtes Erdwärmekraftwerk Deutschlands, Tiefenbohrung m Wasserkreislauf 133 °C; 3,36 MW Strom; 38 MW thermische Leistung; ab 2009 Kalina-Technik: Wärmeübertragung an Wasser-Ammoniak-Gemisch (verdampfbar) - Turbine mit Generator

31 Nachwachsende Rohstoffe: 21 % der Ackerfläche in Deutschland für die Energieerzeugung genutzt Mais, Getreide, Gras für die Biogasanlage: Willinghausen, Hessen Silomais

32 Raps zur Umesterung (Alkoholyse), bar, °C, NaOH, Katalysator: Rapsöl + Methanol Rapsöl-Methylester+ Glycerin (Triglyzerid) (Rapssäuremethylester RME) ADM Biodiesel, Leer Rapsöl-Methylester seit ,5 % im Diesel-Kraftstoff enthalten

33 6. Energiespeicherung Thermische Energie:Fernwärmespeicher im Kraftwerk Theiß, Niederösterreich Inhalt: m³ Wasser Speichervermögen: 2 GWh je Ladevorgang Temperatur: > 60 °C

34 Latentwärmespeicher: Natriumacetat-Trihydrat: Schmelztemperatur 58 °C Paraffin: Schmelztemperatur 50 … 120 °C SCHNEIDER-VOGT GmbH, Lahr

35 Chemische Energie: Akkumulatoren; Blei; NiCd; NiMH; Li-Ion Verwendung im PKW: Elektro-Motor: Leistung: 125 kW Reichweite: 160 km Höchstgeschwindigkeit:145 km/h Lithium-Ionen-Akkumulator

36 Mechanische (potentielle) Energie: Pumpspeicherkraftwerk, Harz In Deutschland in ca. 40 Anlagen:6,5 GW, 38 GWh Planung:Bis 2018 Seekabel Nord.Link nach Norwegen für MW, 500 kV Gleichstrom Forschung: Pumpspeicherkraftwerk unter Tage (alte Bergwerke)

37 Druckluftspeicher-Kraftwerk Compressed Air Energy Storage: CAES-Kraftwerke

38 Forschung: MMotor LPNiederdruckkompressor HPHochdruckkompressor ATTurbine GGenerator Speicher für Brenn- und Kraftstoffe in Kavernen, Tanks Deutschland:20 Mrd m N ³ Erdgas in 40 Anlagen = 16 % des Jahresverbrauch 25,2 Mio t Erdöl und Produkte um 90 Tage den Bedarf zu sichern IVG Caverns GmbH NWKG GmbH Kaverne: V = m³ H = 500 m D = 40 m Tiefe …1.300 m

39 · Tanklager NWO GmbH Wilhelmshaven 90-Tage Bevorratung (Deutschland): 2010: 21,6 Mio t Öl und Ölprodukte

40 7. Einsparung von Energie: Energieeinsparungsgesetz für Gebäude Energieverbrauch in Deutschland Energiebedarf eines privaten Haushalts

41 Thermobild einer ungedämmten Hauswand Glühlampe: 5 % Licht, 95 % Wärme · Schlechte Beispiele! Hummer H2 von GM: V8 6,2 Hubraum, 232 kW, 24 /100 km

42 Osterfeuer oder Abfallverbrennung? Marode Fernwärmeleitung Abfackeln von Prozessgas

43 Brand auf illegaler Mülldeponie Alte Heizungstechnik Raumtemperatur im Winter Birnen aus Chile Weintrauben aus Südafrika Erdbeeren aus Indonesien

44 Energielabel einer Waschmaschine · Gute Beispiele Isoliertes Mauerwerk

45 Verbrauch ca. 4-5 /100 km Freizeitgestaltung ohne Motorkraft

46 8. Wasserstofftechnologie

47

48 Herstellung von Wasserstoff, Elektrolyse (klassisch): Eigenschaften von H 2 Siedepunkt: -252,9 °C Dichte 273 °C:0,0899 kg /m 3 Energieinhalt: 120 MJ/kg Kritischer Druck: 13,15 bar Vergleich: Benzin: 43,2 MJ/kg 1 kg Wasserstoff entspricht 2,8 kg Benzin.

49 Zentrales Problem der Energiespeicherung:

50 -- Speicherung in Drucktanks 200 – 300 bar: - Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung: Speicherdichte

51 - Vakuumisolierte Flüssigkeitsstank Druck: 1,2 - 3,5 bar Temperatur: K Verdampfungsverluste: 1 – 2 %/d Bild: Messer Griesheim

52 - Chemisch: - N-Carbazol / Perhydro-N-Carbazol

53 Transport:

54 Brennstoffzelle:

55 - Versuchs-KFZ mit Brennstoffzelle - U31 seit 2002 mit Brennstoffzellen, Howaldtswerk-Deutsche Werft (HDW): Sauerstoff aus Drucktanks Wasserstoff aus Metallhydridspeicher Brennstoffzelle: 306 kW Dieselmotor:1.050 kW E-Motor:1.700 kW


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