gerhard schmitz technische universität hamburg harburg institut für thermofluiddynamik (m21)...
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Gerhard Schmitz
Technische Universität Hamburg Harburg
Institut für Thermofluiddynamik (M21)
Technische Thermodynamik
Möglichkeiten und Grenzen der rationellen Energieverwendung
1
2
Energie kann nur gewandelt werden
Wandlungen von Energie sind Beschränkungen unterworfen
3
1. und und 2. Hauptsatz der Thermodynamik
4
Energieerhaltung
Wärme Arbeit
Innere EnergieKinetische EnergiePotenzielle Energie
Systemgrenze
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!!
7
Beispiel: Gaskessel
Niedertempe-raturwärmeErdgas
Primärenergie NutzenergieTransport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) UmwandlungEndenergie
8
UranKohleÖl Gas
Nicht – Regene-rativePrimär- energien
Regenerative PrimärenergienSonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie
Nutzenergien
NW
KÄ
NWHW
NW
HW
KÄ
NW
KÄ
NW
HW
KÄ
KIPO
KIPO
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-pumpeKälte-maschineHeizungs-kesselWärme-pumpe
Absorptions-kältemaschine
Motor
Feuerung
Groß-kraft-werk
Kraftanlagen (Foto-voltaik, Windanlag.)
ThermischeAnlagen
Sekundärenergie
Energieumwandlungswege
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 EnergienNutzung von Solarenergie (Strom und Wärme)Nutzung von BiomasseNutzung von Wärmesenken zur Kühlung
WärmedämmungVerbesserte DämmmaterialienVerbesserte Türen und FensterVermeidung von Wärmebrücken
AnlagenoptimierungIntegrierter Entwurf von Gebäude und AnlageEnergie- und Stoffrückgewinnung bei kontrollierter LüftungBrennwertnutzung bei fossilen BrennstoffenEnergetisch und exergetisch effizientere Geräte und BeleuchtungsanlagenBenutzerfreundliche Steuerungs- und RegelungsanlagenEffiziente Pumpen und VentilatorenOptimale Aufstellung von EnergieanlagenWärmepumpenKraft -, Wärme-, Kältekopplung (KWK) 11
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Energie-einspar-V.2007
Lüft
ung
Tran
smis
sion
Hei
zwär
me
gesa
mt
War
mw
asse
r
40 4035
15
120
80
4535
160
120
80
50
18 18 18 18
Wärmeschutz-verordnung1977
Wärmeschutz-verordnung1982
Wärmeschutz-verordnung1995
kWhm² a Durchschnitt in Deutschland 2008: 160 kWh/m² a
Wärmebedarf eines Einfamilienhauses (150 m², 3-4 Personen)
12
60
50
40
30
20
10
0
Solarbauaustellung Hamburg - Transmissionswärmebedarf
H
Quelle: Zebau 13
kWh/m²a
Entwicklung Verkauf Niedertemperaturheizgeräte - Brennwertheizgerät
141991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
800000
900000Anzahl in Tausend
Gas-Heizheizgeräte gesamtGas-Heizheizgeräte gesamt
Gas-BrennwertgeräteGas-Brennwertgeräte
2010:454 Tsd.
2010:340 Tsd.
1515
Solarenergie mit Rücklauf-temperaturanhebung
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
PJ Energiebedarf der Haushalte in Deutschland
Haus halte ver brau chen im mer weni ger Ener gie?
Quelle AG Energiebilanzen 2013
Wohnfläche pro Person in m²
Quelle: Statistisches Bundesamt
36
37
38
39
40
41
42
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
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35
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25
20
15
10
5
0
Solarbauaustellung Hamburg - Lüftungswärmebedarf
Quelle: Zebau 18
kWh/m²a
19
Ent-lüftung
KesselPumpe
Ausdehnungsgefäß
„Kleinigkeiten“ - Hydraulischer Abgleich
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
Primärenergie NutzenergieTransport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) UmwandlungEndenergie
21
UranKohleÖl Gas
Nicht – Regene-rativePrimär- energien
Regenerative PrimärenergienSonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie
Nutzenergien
NW
KÄ
NWHW
NW
HW
KÄ
NW
KÄ
NW
HW
KÄ
KIPO
KIPO
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-pumpeKälte-maschineHeizungs-kesselWärme-pumpe
Absorptions-kältemaschine
Motor
Feuerung
Groß-kraft-werk
Kraftanlagen (Foto-voltaik, Windanlag.)
ThermischeAnlagen
Sekundärenergie
Energieeinsparung im Bereich Energieverteilung
Angebot
Nachfrage
Zeit in h
Last in GW
Energiewende - vorher
Zeit in h
Last in GW
Nachfrage
Angebot
Energiewende - nachher
Mehr Regenerative Energie bedeuten:
weniger Berechenbarkeit,weniger (Strom-)versorgungssicherheit
und erfordertmehr Energiemanagement,mehr Speicher
Damit auch: der richtige Energieträger am richtigen Ort
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
Erdgas: 50 Fernwärme: 15 Wärmepumpen: 23
Erdgas: 69 F.Wärm. 6
Öl: 23
Stromhzg.: Öl:
66
67
74
75
74
76
76
77
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72
71
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66
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66
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16
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11
11
12
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6
4
3
2
2
2 Sonstige: 91
9
10
12
9
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7
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7
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7
9
9
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4 5
11
2
3
3
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3
3
2
58
51
7 21
Anschlussenergie im Neubaubereich
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Blockheizkraftwerk (BHKW)
Arbeit (Strom)
Erdgas
Niedertempe-raturwärme
Aber: Strom und Wärme müssen gleichzeitig nachgefragt werden!
Dezentralisierte Stromerzeugung
Quelle: Lichtblick
CFCL Hochtemperatur-BZ1,5 kWel 0,5 kWtherm
ZuhauseKraftwerke19,0 kWel 36,0 kWtherm
Vaillant-Ecopower4,7 kWel 12.5 kWtherm
VDI-Nachrichten23.11.2012S.1
Angebot
Nachfrage
Zeit in h
Last in GW
Energiewende - vorher
Angebot
Nachfrage
Zeit in h
Last in GW
Energiewende – etwas später
Funkgesteuerter Einsatz von BHKW
StrompreisBetrieb
>32 kW Wärme~19 kW Elektr.
0
20
40
60
80
100
120
9:30 9:40 9:50 10:00 10:10 10:20 10:30 10:40 10:50 11:00 11:10 11:20 11:30
Prim
ärle
istu
ng in
MW
Ges
amte
nerg
ieve
rbra
uch
in M
Wh
Primärleistung & Energiebedarf Schmelzbetrieb 1-Korb & 3-Korb Charge
Ofenleistung Energie
Primärleistung & Energiebedarf eines ElektrolichtbogenofensQuelle: ArcelorMittal Hamburg GmbH
Energie
Zeit
Ofenleistung
0
50%
100 %P/Pmax
Vor- und Nachteile von Energiespeichern
Effizienz Größe Dynamik Selbst-entladg.
Lebens-dauer
Um-welt
Pumpspeicher + - 0 + + + + -
Druckluftspeicher 0 0 - + + + + -
Druckluftspeicher adiabat 0 0 - 0 + + +
H2 - Kombiprozess - + 0 + + + 0
H2 – PEM Brennstoffzelle - - + + + + 0 0
Red-Ox-Flow - Batterie + 0 + + + + 0 -
Natrium-Schwefel-Batterie 0 0 + + - - -
Blei-Säure-Batterie + 0 + + + - - -
Schwungradmassespeicher HP ++ - - + - - + + +
Schwungradmassespeicher HTS ++ 0 + + - + + +
Thermische Exergiespeicher ? - 0 0 ?
34
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
+ -
+ -
+ -
+ -
Kohlekraftwerkmit 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-speicher
Kavernengasspei-cher (Allermöhe)
Gas-turbine
H2
H2CH4
CO2 CO2
CH4
H2
Wärme-Trans-formator
Foto-voltaik-anlage
Solarthermischeanlage
Heizungs-kessel
Elek-trischeWärmepumpe
Thermischer Speicher
BHKW
Batterie
(Groß-) Batterie
Schwung-radmasse-speicher
Industrieanlage z. B. Aurubis, Kupferhütte
Wohngebiet
Gasverdichter
Gasentsp.-Turb.
Druckluft-speicher
PCM-Speicher
En
erg
ien
etzm
od
ell
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
HamburgHamburgHamburgHamburgHamburg
BremenBremenBremenBremenBremen
KielKielKielKielKiel
SchwerinSchwerinSchwerinSchwerinSchwerin
OldenburgOldenburgOldenburgOldenburgOldenburg
LübeckLübeckLübeckLübeckLübeck
RostockRostockRostockRostockRostock
DelmenhorstDelmenhorstDelmenhorstDelmenhorstDelmenhorst
CuxhavenCuxhavenCuxhavenCuxhavenCuxhaven
NeumünsterNeumünsterNeumünsterNeumünsterNeumünster
WilhelmshavenWilhelmshavenWilhelmshavenWilhelmshavenWilhelmshaven
LüneburgLüneburgLüneburgLüneburgLüneburg
BremerhavenBremerhavenBremerhavenBremerhavenBremerhaven
WinsenWinsenWinsenWinsenWinsen
NorderstedtNorderstedtNorderstedtNorderstedtNorderstedt
UelzenUelzenUelzenUelzenUelzen
Bad OldesloeBad OldesloeBad OldesloeBad OldesloeBad Oldesloe
SalzwedelSalzwedelSalzwedelSalzwedelSalzwedel
ParchimParchimParchimParchimParchim
SoltauSoltauSoltauSoltauSoltau
PinnebergPinnebergPinnebergPinnebergPinneberg
StadeStadeStadeStadeStade
ItzehoeItzehoeItzehoeItzehoeItzehoe
VerdenVerdenVerdenVerdenVerden
RotenburgRotenburgRotenburgRotenburgRotenburg
WismarWismarWismarWismarWismar
NeuruppinNeuruppinNeuruppinNeuruppinNeuruppin
HeideHeideHeideHeideHeide
HusumHusumHusumHusumHusum
RendsburgRendsburgRendsburgRendsburgRendsburg
GüstrowGüstrowGüstrowGüstrowGüstrow
WarenWarenWarenWarenWaren
CloppenburgCloppenburgCloppenburgCloppenburgCloppenburg
Osterholz-Osterholz-Osterholz-Osterholz-Osterholz-ScharmbeckScharmbeckScharmbeckScharmbeckScharmbeck
AurichAurichAurichAurichAurich
VechtaVechtaVechtaVechtaVechta
WittmundWittmundWittmundWittmundWittmund
WesterstedeWesterstedeWesterstedeWesterstedeWesterstedeLeerLeerLeerLeerLeer
ReinbekReinbekReinbekReinbekReinbek
AhrensburgAhrensburgAhrensburgAhrensburgAhrensburg
QuickbornQuickbornQuickbornQuickbornQuickborn
GeesthachtGeesthachtGeesthachtGeesthachtGeesthacht
EckernfördeEckernfördeEckernfördeEckernfördeEckernförde
BuchholzBuchholzBuchholzBuchholzBuchholzin derin derin derin derin derNordheideNordheideNordheideNordheideNordheide
ElmshornElmshornElmshornElmshornElmshorn
PerlebergPerlebergPerlebergPerlebergPerleberg
WittenbergeWittenbergeWittenbergeWittenbergeWittenberge
GrevesmühlenGrevesmühlenGrevesmühlenGrevesmühlenGrevesmühlen
LudwigslustLudwigslustLudwigslustLudwigslustLudwigslust
Bad DoberanBad DoberanBad DoberanBad DoberanBad Doberan
SeevetalSeevetalSeevetalSeevetalSeevetal
Henstedt-Henstedt-Henstedt-Henstedt-Henstedt-UlzburgUlzburgUlzburgUlzburgUlzburg
PlönPlönPlönPlönPlön
Bad SchwartauBad SchwartauBad SchwartauBad SchwartauBad Schwartau
EutinEutinEutinEutinEutin
Bad SegebergBad SegebergBad SegebergBad SegebergBad Segeberg
RatzeburgRatzeburgRatzeburgRatzeburgRatzeburg
BrakeBrakeBrakeBrakeBrake
WedelWedelWedelWedelWedel
SchortensSchortensSchortensSchortensSchortens
SykeSykeSykeSykeSyke
AchimAchimAchimAchimAchim
LohneLohneLohneLohneLohne
StuhrStuhrStuhrStuhrStuhr
MoormerlandMoormerlandMoormerlandMoormerlandMoormerland
WildeshausenWildeshausenWildeshausenWildeshausenWildeshausen
WeyheWeyheWeyheWeyheWeyhe
Bad ZwischenahnBad ZwischenahnBad ZwischenahnBad ZwischenahnBad Zwischenahn
Neu WulmstorfNeu WulmstorfNeu WulmstorfNeu WulmstorfNeu Wulmstorf
VarelVarelVarelVarelVarel
WalsrodeWalsrodeWalsrodeWalsrodeWalsrode
BuxtehudeBuxtehudeBuxtehudeBuxtehudeBuxtehude
FriesoytheFriesoytheFriesoytheFriesoytheFriesoythe
PapenburgPapenburgPapenburgPapenburgPapenburg
A7/E45
A23
A23
A1/E22A31/E22
A29
A28/E22
A31/E22
A1/E37
A27/E234
A20/E22
A24/E26
A1/E47
A20/E22
A20/E22
A19/E55
A24/E26/E55
A19/E55
A24/E55
A7/E45
A20
A215
A24/E26
HöllenHöllenHöllenHöllenHöllenHöllenHöllenHöllenHöllen
40 km 40 km 40 km 40 km 40 km 40 km 40 km 40 km 40 km (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND
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!
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Weitere Informationen:
schmitz@tuhh.de
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