Möglichkeiten und Grenzen der rationellen Energieverwendung Gerhard Schmitz Technische Universität Hamburg Harburg Institut für Thermofluiddynamik (M21) Technische Thermodynamik Möglichkeiten und Grenzen der rationellen Energieverwendung
1. und und 2. Hauptsatz der Thermodynamik Energie kann nur gewandelt werden Wandlungen von Energie sind Beschränkungen unterworfen
Systemgrenze Energieerhaltung Innere Energie Kinetische Energie Potenzielle Energie Wärme Arbeit
Arbeit in Wärme: geht immer! (Elektrischer Heizer) 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!!
Beispiel: Gaskessel Niedertempe-raturwärme Erdgas
Energieumwandlungswege Regenerative Primärenergien Sonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie Nutzenergien Kraftanlagen (Foto-voltaik, Windanlag.) Thermische Anlagen Arbeits- maschine KI KI: kinetische Energie, z.B. el. Rührbesen PO Wärmepumpe NW Nicht – Regene- rative Primär- energien Strom- speicher elektr. Motor Kältemaschine KÄ KÄ: Kälte z.B. Kühlschrank Groß- kraft- werk NW Sekundärenergie NW: Niedertempe- raturwärme für Heizung Heizdraht, Induktion HW Wärme- speicher NW Wärmetrans- formator HW HW: Hochtempe- raturwärme z.B. für das Kochen oder für Prozesse Uran Kohle Öl Gas BHKW Absorptions- kältemaschine KÄ Arbeits- maschine KI PO PO: Potenzielle Energie, z.B. Aufzug Wärme- pumpe Motor NW Kälte- maschine KÄ Heizungs- kessel NW Feuerung Wärme- pumpe HW Absorptions- kältemaschine KÄ Transport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) Primärenergie Endenergie Umwandlung Nutzenergie
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.
Energieeinsparung im Bereich Haushalt und Kleinverbraucher Regenerative Energien Wärmedämmung Anlagenoptimierung 10
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)
Wärmebedarf eines Einfamilienhauses (150 m², 3-4 Personen) kWh m² a 160 Durchschnitt in Deutschland 2008: 160 kWh/m² a 120 120 Heizwärme gesamt 80 80 Transmission Warmwasser 50 45 40 40 35 35 18 18 18 18 15 Lüftung Wärmeschutz- verordnung 1977 Wärmeschutz- verordnung 1982 Wärmeschutz- verordnung 1995 Energie- einspar-V. 2007
Solarbauaustellung Hamburg - Transmissionswärmebedarf 60 50 40 30 20 10 kWh/m²a H Quelle: Zebau
Entwicklung Verkauf Niedertemperaturheizgeräte - Brennwertheizgerät
Solarenergie mit Rücklauf- temperaturanhebung 15
Haushalte verbrauchen immer weniger Energie? Quelle AG Energiebilanzen 2013
Wohnfläche pro Person in m² Quelle: Statistisches Bundesamt
Solarbauaustellung Hamburg - Lüftungswärmebedarf 35 30 25 20 15 10 5 kWh/m²a Quelle: Zebau
„Kleinigkeiten“ - Hydraulischer Abgleich Ent- lüftung Kessel Ausdehnungsgefäß Pumpe
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
Energieeinsparung im Bereich Energieverteilung Regenerative Primärenergien Sonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie Nutzenergien Kraftanlagen (Foto-voltaik, Windanlag.) Thermische Anlagen Arbeits- maschine KI KI: kinetische Energie, z.B. el. Rührbesen PO Wärmepumpe NW Nicht – Regene- rative Primär- energien Strom- speicher elektr. Motor Kältemaschine KÄ KÄ: Kälte z.B. Kühlschrank Groß- kraft- werk NW Sekundärenergie NW: Niedertempe- raturwärme für Heizung Heizdraht, Induktion HW Wärme- speicher NW Wärmetrans- formator HW HW: Hochtempe- raturwärme z.B. für das Kochen oder für Prozesse Uran Kohle Öl Gas BHKW Absorptions- kältemaschine KÄ Arbeits- maschine KI PO PO: Potenzielle Energie, z.B. Aufzug Wärme- pumpe Motor NW Kälte- maschine KÄ Heizungs- kessel NW Feuerung Wärme- pumpe HW Absorptions- kältemaschine KÄ Transport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) Primärenergie Endenergie Umwandlung Nutzenergie
Energiewende - vorher Angebot Nachfrage Zeit in h Last in GW
Energiewende - nachher Zeit in h Last in GW Nachfrage Angebot
Mehr Regenerative Energie bedeuten: weniger Berechenbarkeit, weniger (Strom-)versorgungssicherheit und erfordert mehr Energiemanagement, mehr Speicher Damit auch: der richtige Energieträger am richtigen Ort
Anschlussenergie im Neubaubereich
Blockheizkraftwerk (BHKW) Niedertempe-raturwärme Erdgas Arbeit (Strom) Aber: Strom und Wärme müssen gleichzeitig nachgefragt werden!
Dezentralisierte Stromerzeugung Quelle: Lichtblick ZuhauseKraftwerke 19,0 kWel 36,0 kWtherm CFCL Hochtemperatur-BZ 1,5 kWel 0,5 kWtherm Vaillant-Ecopower 4,7 kWel 12.5 kWtherm
VDI-Nachrichten 23.11.2012 S.1
Energiewende - vorher Angebot Nachfrage Zeit in h Last in GW
Energiewende – etwas später Last in GW Angebot Nachfrage Zeit in h
Funkgesteuerter Einsatz von BHKW Strompreis Betrieb >32 kW Wärme ~19 kW Elektr.
Primärleistung & Energiebedarf eines Elektrolichtbogenofens Quelle: ArcelorMittal Hamburg GmbH 100 % P/Pmax 50% Zeit Ofenleistung Energie
Vor- und Nachteile von Energiespeichern Effizienz Größe Dynamik Selbst-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 ?
Forschungsvorhaben TransiEnt.EE Transientes Verhalten gekoppelter Energienetze mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien www.modelica.org
El. Strom, Hochspannungs-, Mittel- spannungs-, Niederspannungs - Netze Gas, Hochdruck, Mitteldruck, Nieder- druck -Netze Fernwärmenetz HH 136/60°C + - Kohlekraftwerk mit CO2 – Ab- Scheidung (z. B. Moorburg) Abfall- bzw. Bio- Masseanlage (z. B. Köhl- brandshöft) Wind energie (Eigenerzg. & anteilig Nordsee) Pumpspeicherwerk (Geesthacht) Schwungrad- massespeicher (Groß-) Batterie- speicher Röhren- gas- Kavernengasspei- cher (Allermöhe) Gas- turbine H2 CH4 CO2 Wärme- Trans- formator Foto- voltaik- anlage Solar thermische Heizungs- kessel Elek- trische Wärme pumpe Thermischer Speicher BHKW Batterie (Groß-) Batterie Schwung-radmasse-speicher Industrieanlage z. B. Aurubis, Kupferhütte Wohngebiet Gasverdichter Gasentsp.-Turb. Druckluft- PCM- Speicher Energienetzmodell
Forschungsfragen am Beispiel Hamburg 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?
Warum Hamburg?
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!
Weitere Informationen: schmitz@tuhh.de