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

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”. 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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. 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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

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. 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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. Beziehe Wärme durch Austausch mit der Umgebung (und vermeide Wärme durch Erzeugung - Reibung), d.h. benutze schon vorhandene Wärme aus der Umgebung. 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. Bewege dich fort mit Transportmitteln geringer Entropie-erzeugung. Reduziere Wärmelecks infolge eines Temperaturgradienten, wie z. B. an Gebäuden, mittels konventioneller und unkonventioneller Isolationsverfahren (z. B. Anleihe bei der Kryotechnik). 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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. 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

… 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. 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009 1) Dank an Herrn Dr. Luther

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 (2nd law efficiency  22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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

Zum Begriff des Wirkungsgrades … 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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. h > 100 %. Klimaanlage mit COP = 2; was ist der maximale COP? Den gibt es aber nicht; denn COP = Qk/W = Tk/(T-Tk) 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, 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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

Konventioneller Begriff des Wirkungsgrads - 3 Tabelle 1 Bemerkung: Th (heiß) > Tw (warm) > T (Umgebung) > Tk (kalt) 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

Exergie - Wirkungsgrad  (2nd law efficiency) … gestattet die Beurteilung des realen Prozesses bzgl. eines optimalen, mit dem 1. und 2. Hauptsatz verträglichen Prozesses. Definition von e : Nutz-wärme/arbeit die von einem Gerät/System bereitgestellt wird e = ------------------------------------------------------------------------------- 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(e) =1; Maximum bzgl. des Dienstes, nicht Gerätes 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

Exergie - Wirkungsgrad  - Alternative Definition Ausgehend von der Exergie B1) (“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 Atmosphäre2) => e = Bmin/Breal 1) Bereitstehender brauchbarer Arbeitsbestand (Zitat AIP Studie) 2) Wechselwirkung mit der Atmosphäre ist zulässig, aber Arbeit an der Atmosphäre wird nicht gerechnet 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

Exergie B … Keine Zustandsfunktion, aber wohldefiniert: B = (E - Ef) + P0 (V - Vf) - T0 (S - Sf) (ohne Diffusion) Im Gegensatz zur Energie wird Exergie verbraucht 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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

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

Beispiele … 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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

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

Beispiele - 3 Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen Wärmepumpe Exergie des Brennstoffs ≈ Verbrennungswärme => e = h ≈ 0.3 …0.4 hCarnot (2000 °C) = 0.87; hCarnot (550 °C) = 0.64, immer < 1 Der Wirkungsgrad nach dem 2. Hauptsatz besagt aber, daß hCarnot keine obere Grenze setzt; die ideale Brennstoffzelle besitzt emax = Wout/B = 1. Wärmepumpe  (COP) = Qw/W; e = Qw/W ·(1-T/Tw) e ≈ 0.3;  (COP) = e / (1-T/Tw) Tw/T = 1.1 =>  (COP) = Qw/W = 3.3 Aber: die Wärmepumpe wäre nutzlos, falls  <1; d.h. Tw/T > 1.4 => Wärmepumpe wirkungsvoll bei relativ kleinen Temperaturunterschieden 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

Energieflussbilder … 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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

22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

Berechnungsgrundlagen der Sparversionen Tabelle 4 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009

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

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

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

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

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 (h) reicht nicht aus, weil er den 2. Hauptsatz der Thermodynamik nicht berücksichtigt; ergänzt wird er durch Begriffe wie “Exergie” (oder den entsprechenden exergetischen Wirkungsgrad e 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! 22 Oktober 2009 AKE Herbstsitzung 2009