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
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
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
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
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
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
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
ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Wärmepumpen Exergie‑Anergie‑Flußbild einer Kompressionswärmepumpe ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
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
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
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
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
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
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
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
ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Wasserstoff Beispiele für thermochemische Kreisprozesse: 1. Barnert, KFA Jülich, 2‑stufig Fe2O3 + 2SO2 + H2O → FeSO4 + H2 120°C 2FeSO4 → Fe2O3 + 2SO2 + ½O2 700°C 2. Wentorf, Hannemann, General Electric, 5‑stufig 2Cu + 2HCl → 2CuCl + H2 100°C 4CuCl → 2CuCl2 + 2Cu 100°C 2CuCl2 → 2CuCl + Cl2 600°C Cl2 + Mg(OH)2 → MgCl2 + H2O + ½O2 80°C MgCl2 + 2H2O → Mg(OH)2 + 2HCl 350°C ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT
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
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
ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Kohleveredelung Reaktionen: C + H2O CO + H2 - 135 880 kJ/kMol CO + 3H2 CH4 + H2O + E C + 2H2 CH4 + 81 543 kJ/kMol CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 - 163 700 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
ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Kohleveredelung Die wichstigsten Heizwerte: C : 406 830 kJ/kMol CH4 : 808 713 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
ERZEUGUNG VON HOCHTEMPERATURWÄRME UND ARBEIT Kohleveredelung Synthese von Methanol: Das hergestellte Gasgemisch aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff: C + H2O CO + H2 - 135 880 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
Erdölsubstitution im Verkehr Ausgangsbasis: 23 Mio t flüssiger Brennstoff 33 Mio t SKE (22 Mil. Autos) ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR
Verwendung von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren Speichervermögen der Metallhydriden: 600‑2500 Wh/kg im Benzin gespeicherten Energiemenge: 11000 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 ) 1200-2400 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
ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR Brennstoffzellen H2 + 1/2O2 H2O ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR
ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR Brennstoffzellen H2 + 1/2O2 H2O ENERGIESYSTEME 1. TEIL ERDÖLSUBSTITUTION IM VERKEHR