Renewable Energy Technologies I Hinweise zu den K¨artchen
Ziele der Vorlesung
Diese Frage ist nicht ganz erst gemeint, da Lernziele jedoch sehr wichtig sind, solltest du wenigstens wissen was das Ziel gewesen w¨ are.
Frage Renewable Energy Technologies I 3
Analysierte Zeitpunkte
• Referenzpunkt (z. B. Kyoto-Vereinbarung)
• statistische Daten Verf¨ ugbar
• Zielzeitpunkt von Energie Schweiz und Kyoto
• ≈ Zeitpunkt des maximalen gobalen CO 2 Ausstosses
• maximaler zeithorizont ¨ okonomischer Modelle
• relevant f¨ ur globale Klima¨ anderung; Zielzeitpunkt f¨ ur weitrecihenden Umbau des Energiesystem
Frage Renewable Energy Technologies I 5
Energieverbrauch pro Person
• Realistisches Potential der erneuerbaren Energien
• Vergleich mit anderen Optionen nach diversen Kriterien
• Verf¨ ugbarkeit der fossilen Energietr¨ agern
• Rolle des Wasserstofs als Energietr¨ ager
• Motivation der Vorlesung ist Ihr Interesse! ⇒ Die Vorlesung gibt es also nur wegen uns!
• Aktive Auseinandersetzung mit dem Soff in den ¨ Ubungen
• Erfolgreiche Teilnahme (das hast du bereits hinter dir).
Die K¨ artchen wurden f¨ ur die Pr¨ ufung nach dem WS 2005/2006 bei A. Wokaun und A. Steinfeld geschrieben.
Unterlagen:
Diverse Folien die in der Vorlesung verteilt wurden Ubungen ¨
http://eem.web.psi.ch/Teaching/Teaching.html Erstellt von: Thomas Kuster (5. Semester, D-UWIS) Verf¨ ugbar via: http://fam-kuster.ch
6 Antwort
1 kW = 1 kWh / h = 1kWa / a
0.08 kW Bedarf des menschlichen Organismus 0.25 kW Verbrauch des J¨ agers und Sammlers
0.6 kW sesshafter Ackerbauer (noch heute in wenig enwickelten L¨ andern) 5 kW Schweiz, Japan
6 kW Westeuropa 11 kW USA
Weltdurchschnitt heute: ≈ 2 kW
• global 12 TW (6 Milliarden Menschen)
• Prim¨ arenergieverbrauch 370 ET = 370·10 18 J (1990 bis 2000)
4 Antwort
1990 Referenzpunkt (z. B. Kyoto-Vereinbarung) 2000 statistische Daten Verf¨ ugbar
2010 Zielzeitpunkt von Energie Schweiz und Kyoto
2020 ≈ Zeitpunkt des maximalen gobalen CO 2 Ausstosses 2050 maximaler zeithorizont ¨ okonomischer Modelle
2100 relevant f¨ ur globale Klima¨ anderung; Zielzeitpunkt f¨ ur
weitreichenden Umbau des Energiesystem
Energieverbrauch und Emissionen Typische Kennzahlen
410 EJ = 410·10 18 J zus¨ atzlich 20-60 EJ (5-15%) nicht-kommerziele Biomasse
Energietr¨ager und ihre Anteile am globalem Energieverbrauch
Frage Renewable Energy Technologies I 11
Empfehlungen des IPCC
Langfrom von IPCC
Frage Renewable Energy Technologies I 13
Verf¨ ugbarkeit fossiler Ressourcen
Kohle 25% (Anteil abnehmend) Erd¨ ol 38% (Anteil seit ≈ konstant) Kernenergie 7%
Wasserkraft 6%
410 EJ = 410·10 18 J entsprechen:
• 12 Milliarden Tonnen (Gt) Steinkohleeinheiten
• 9 Milliarden (Gt) ¨ Ol¨ aquivalenten
⇒
• 8 Gt Kohlenstoffemissionen (6 Gt energiebedingt und 2 Gt aus Brandrodungen)
14 Antwort
• Produktion folgt der Entdeckung der Reservern mit ≈ 30 Jahren Versp¨ atung.
• Wenige echte neue Erd¨ olfunde seit 1980
• F¨ orderpeak des Erd¨ ols innerhalb der n¨ achsten 10 Jahre
12 Antwort
• globaler Temperaturanstieg auf +2 ◦ beschr¨ anken
• CO 2 Konzentration auf 550 ppmv stabilisieren
• Emission bis 2100 auf 5 Gt C/a (Heute 6 Gt + 2 Gt)
• Ziel < Gt C/a im Jahr 2200 (EU im Jahr 2100), dann weitere Absenkung
IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change
Erd¨ol
• URR
• Peak of Oil
Erdgas
Reichweite der Reserven und Ressourcen
Frage Renewable Energy Technologies I 19
Reserven und Ressourcen
• Kohle
• Erd¨ ol
• Erdgas
• Uran
Frage Renewable Energy Technologies I 21
Heizwert und Kohlenstoffintensit¨at
• Steinkohle
• Erd¨ ol
• Erdgas
• Biomasse
Reserven statische Reichweite 65 Jahre Ressourcen zus¨ atzliche Reichweite 80 Jahre
Abbau der Methanhydrate ¨ okonomisch unwahrscheinlich, ¨ okologisch problematisch
URR (Ultimate Recoverable Resources) Absch¨ atzung der Summe allen f¨ orderbaren ¨ Oles weltweit. URR = 1950 bis 3500 Gb
Peak of Oil F¨ orderpeak bei der H¨ alfte der URR: jetzt falls URR = 2000 Gb, 2025 falls URR = 3500 Gb
1 Gb = 1 Gigabarrel = 10 9 barrel 1 Tonne = 7.3 barrel
1 barrel = 158.987294928 l falls es ein U. S. Fass ist;-)
22 Antwort
Kohle Erd¨ ol Erdgas Biomassen
unterer Heizwert [MJ/kg] 29 42 49 18
oberer Heizwert [MJ/kg] 30 44 54
kg CO 2 /MJ 0.09 0.08 0.05 neutral
20 Antwort
Kohle Erd¨ ol Erdgas Uran Reserven 2001 [EJ] 19600 6400 5100 1600
Reichweite ∗ [a] 200 44 55 60
Ressourcen 2001 [EJ] 116000 3500 6900 >1000
Reichweite ∗∗ [a] 300 18 ?
∗ bezogen auf heutige Jahresf¨ orderung
∗∗ relativ zum Total von 382 EJ
Kaya Gleichung Optionen zur Reduktion des CO 2 -Ausstosses (Mitigation)
Frage Renewable Energy Technologies I 27
Effizienzsteigerung
Frage Renewable Energy Technologies I 29
Entwicklung der
Prim¨arenergieverteilung
• Beschr¨ ankung der Nachfrage nach Energiedienstleistungen ⇒ Verhaltens¨ anderung, Wertesystem
• H¨ oherer Effizienz, beim erbringen von Energiedienstleistungen
• Substitution der Prim¨ arenergie-Rohstoffe durch solche mit geringerer Kohlenstoffintensit¨ at ⇒ Einsatz von Erdgas und von erneuerbaren Energien
• CO 2 -Sequestrierung: R¨ uckhalten des CO 2 vor der Emission in die Atmosph¨ are (geologisch, in Ozeanen, in Senken)
Mititagtion (engl.) = Milderung
Totale CO 2 -Emissionen = Weltbev¨ olkerung · GDP
Person · Energie
GDP · CO 2 Energie GDP (Gross domestic product) Bruttoinlandsprodukt, Maß f¨ ur die
wirtschaftliche Leistung eines Landes
30 Antwort
% Kohle
% Öl/Gas
% Erneuerbare/Nukleare
20 40 60 80 100
80
40 60 100
20
20
40
60
80
100
2030
1850 2100 1990
1950
1920 1900
1970
Isoshare Kohle
Isoshare Erneuerbare/Nukleare Isoshare Öl/Gas
28 Antwort
Geringere Verluste bei der Umwandlung von. . .
• Prim¨ arenergie in Sekund¨ arenergie (z. B. Roh¨ ol ⇒ Benzin)
• Sekund¨ arenergie in Endenergie (z. B. Erdgas ⇒ Elektrizit¨ at)
• Endenergie in Nutzenergie (z. B. Benzin ⇒ mechanische Arbeit)
Erbringen der Dienstleistung mit weniger Nutzenergie (z. B. Transport in
Leichtfahrzeugen, Telekommunikation (Videokonferenz anstelle ¨ uber den
grossen Teich zu fliegen))
Kyoto Trends
Szenarien mit CO 2 -Politik
Externe Kosten
• CO 2
• SO 2
• NO x
• PM 10
Frage Renewable Energy Technologies I 35
Szenario der 2000 W-Geschellschaft
Frage Renewable Energy Technologies I 37
Ziele des CO 2 Gesetz der Schweiz
Externe Kosten in folgen Luftverschmutzung pro Tonne Region/Schadstoffe SO 2 NO x PM 10
EU-15 (2004 in EUR 2000 ) 2940 2910 117000 Schweiz (2000, in USD) 7500 9400 11000 Asien (2000, in USD) 2000 1100 2300 S¨ udamerika (2000, in USD) 150 200 450 Welt (???, in ???) 1800 1200 2500
Wieso kostet der Feinstaub in Asien nur knapp mehr als SO 2 und in Europa kostet er deutlich mehr? Wieso sind die kosten f¨ ur SO 2 in der Schweiz viel h¨ oher?
Diskontierte Kosten pro Tonne CO 2 : Mittelwert Maximum
2000 in USD 2.4 16.4
2004 in EUR 2000 19
Annex I Regionen Kyoto Ziele sind in 2010 erf¨ ullt und nachher 5%
Reduktion pro Decade
Non-Annes I Regionen Ziele sind 2030 erf¨ ult und nachher 5%
Reduktion pro Decade
Nichtteilnehmende Regionen Nehmen ab 2030 oder 2010 teil???
38 Antwort
Das CO 2 -Gesetz legt den Grundstein f¨ ur eine nachhaltige Energie- und Klimapolitik. So m¨ ussen bis ins Jahr 2010 die CO 2 -Emissionen aus der Verbrennung fossiler Energien insgesamt um 10% unter das Niveau von 1990 gesenkt werden.
Zudem sind Teilziele verankert f¨ ur Brennstoffe (minus 15%) und Treibstoffe (minus 8%).
36 Antwort
Istzustand
• Energie pro Kopf und Zeit im gobalen Druchschnitt = 2000 W
• 6 Gt energiebedingte Kohlenstoffemissionen
• 6 Milliarden Menschen
C [t] CO 2 [t/(Person Jahr)]
Global 1 3.66
Schweiz 2 7
USA 5 18
Habe eine Notiz 6 anstelle 7 bei der Schweiz, geht dann aber nicht auf?
Szenario f¨ ur 2100 Menschen 10 Milliarden
zul¨ assige Emissionen gem¨ ass IPCC ≈ 3 Gt C (= 50% der heutigen Energieemissionen) = 0.3 t C = 1 t CO 2 / Person und Jahr
⇒ entspricht 2000 W-Gesellschaft mit 600 W fossilem Anteil.
Zus¨atzliche Argumente f¨ ur die 2000 W-Gesellschaft
Nachhaltigkeits-Szenario globales Prim¨arenergie-Portfolio langfristig
Frage Renewable Energy Technologies I 43
Kriterien f¨ ur die Bewertung von Energiesystemen
Frage Renewable Energy Technologies I 45
Kosten der Energiebereitstellung
neue erneuerbare Energien Wind 5-10%
Geothermie 5-10%
Solarenergie 10-15%
traditionell erneuerbare Energien Biomasse 25%
Hydroelektrizit¨ at 10%
nichterneuerbare Energien Kernenergie 10-15%
fossile Brennstoffe 25-30%
Annahmen:
• Welbev¨ olkerung 10-12 Milliarden
• Energieverbauch 2000 W
• CO 2 -Emissionen 3 Gt C/a
Preise der fossilen Energietr¨ ager
• Gefahr exorbitant steigender Erd¨ olpreise beiu Engp¨ assen
• wirtschaftliche Verwerfung als Folge
Perspektive der L¨ ander in der Entwicklung, zunehmende milit¨ arische Macht Chinas und Indiens
• Adaptation f¨ ur Entwicklungsl¨ ander schwierig
• Druck auf Industriel¨ ander zur starken CO 2 -Reduktion
• Bessere Chancen f¨ ur Entwicklungl¨ ander durch Anstrengungen der Industriel¨ ander (Export neuster Technologien)
⇒ 1. Weltl¨ ander m¨ ussen ihre Hausaufgaben machen damit 2. und 3.
Weltl¨ ander mitmachen (Vorbildfunktion)
46 Antwort
• Brennstoffkosten (auch wichtig z. B. bei Biomasse)
• Kosten f¨ ur Betrieb und Unterhalt
• Wirkungsgrad η und j¨ ahrliche Nutzungsdauer
• Investitionskosten pro intsallierte Leistung ($/kW) – Verzinsung und R¨ uckzahlung des Fremdkapitals – Annuit¨ atenmethode: Zinszahlung und Amortisation
gleichm¨ assig ¨ uber die Produktionszeit verteilt
44 Antwort
• globales Potential, r¨ aumliche und zeitliche Verf¨ ugbarkeit
• Anwendungsziel (Energiestufe) - Prim¨ arenergie (z. B. Biomasse)
- Sekund¨ arenergie (z. B. Methan aus Biomasse), Energie nach der ersten Transformationsstufe
- Endenergie (z. B. Ecogas an der Tankstelle), Energie welche gekauft werden kann
- Nutzenergie (z. B. Bef¨ orderung mit mechanischer Energie), Energie welche genutz wird z. B. warmer Raum, Licht. . .
• Energier¨ uckzahlzeit, Erntefaktor (Verh¨ altnis produzierte / eingesetzte Energie)
• Energiebereitstellungskosten (siehe K¨ artchen (45))
• R¨ uckkopplung
- Energieaufwand abh¨ angig vom technologischen Reifegrad - Kosten abh¨ angig von der installierten Kapazit¨ at
- ¨ Okobilanz abh¨ angig vom Typ der eingesetzten Eneregie (z. B. welcher
Strom(-Mix) wurde zur Herstellungverwendet)
Prinzip der Annuit¨at Produzierte Energie pro Jahr
Frage Renewable Energy Technologies I 51
Kosten pro Jahr
Frage Renewable Energy Technologies I 53
Energiebereitstellungskosten
Normierung Praktischerweise wir die Berechnung auf 1 kW installierte Leistung normiert. Die Investitionskosten C haben dann die
Dimension $/kW.
load factor Die Anlage (1 kW) ist w¨ ahrend eines Bruchteils des Jahres produktiv, dieser Anteil wird mit lf (load factor) bezeichnet (z. B.
Photovoltaikanlage im Mittelland lf ≈ 0.1) Jahresproduktion P · lf · 8766 h
| {z }
Stunden eines Jahres
, in den Folien wir nur die Jahreslaufzeit E errechnet (ohne ·P )?
Investiertes Kaptital C muss w¨ ahrend der Laufzeit der Anlage von n Jahren zur¨ uckgezahlt werden. Um (inflationsbereinigt) zeitlich konstanten Energiebereitstellungspreis zu berechnen, soll die R¨ uckzahlung in n gleich grossen Tranchen C · a erfolgen (d. h. die Summe aus Zins un
Amortisation ist konstant).
n
X
j=1
Ca(1 + i) −j = Ca 1 − (1 + i) −n (1 + i)(1 − (1 + i) −1 )
⇒ a = i 1 − (1 + i) −n
54 Antwort
Gestehungskosten G 0 = Gesamtkosten erzeugte Energie G 0 = C · a
lf · 8766 h + C · b
E + P Brennstoff /η Naja, ich habe das immer auf einen anderen Weg berechnet.
52 Antwort
Annunit¨ atkosten C · a
Operation & Maintance (OM) Kosten f¨ ur Betrieb und Unterhalt.
Angabe in % des investierten Kaptitals: C · b oder auch direkt in
$/kWh.
Brennstoffkosten = E · P Brennstoff /η wobei P Brennstoff = Brennstoffkosten in $/kWh und η = Wirkungsgrad (Brennstoff → Sekund¨ arenergie)
⇒ Jahreskosten = C · a + C · b + E · P Brennstoff /η
• C · a: h¨ oher bei erneuerbaren Energien
• E · P Brennstoff /η meistens = 0 bei erneuerbaren Energien (6= 0 falls
z. B. Holz verbrannt wird).
Technologisches Lernen Energie-Erntefaktor Energie-R¨ uckzahlzeit
Frage Renewable Energy Technologies I 59
Kennzahlen von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien
• realer Wirkungsgrad
• Energieerntefaktor
• Lebenszeit
• Energie-R¨ uckzahlzeit
Frage Renewable Energy Technologies I 61
Kennzahlen anderer Elektrizit¨atsanlagen
• realer Wirkungsgrad
• Energieerntefaktor
• Lebenszeit
• Energie-R¨ uckzahlzeit
= Sekund¨ arenergie
Totalaufwand an Energie f¨ ur die Anlage
Beide Energien werden ¨ uber die Lebenszeit der Anlage aufsummiert, zur Aufwandenergie geh¨ ort die Energie zum Bau, Unterhalt, Betrieb und Entsorgung der Anlage.
Die Bestimmung des Enegrie-Erntefaktors erfordert eine
Lebenszyklusanalyse ( ¨ Okobilanz, life cycle assessment) unter Einbezihung aller verwendeten Materialien, Produkte und Dienstleistungen.
Energie-R¨ uckzahlzeit
T Payback = T L T L : Lebenszeit
Die spezifischen Investitionskurven C sinken durch
• Forschung und Entwickung (learning by research and development)
• Installation (learning by doing, economy of scale)
Lernrate LR = prozentuale Abnahme von C bei Verdopplung der installierten Kapazit¨ at.
Fortschrittsrate: progress ratio
pr = 1 − LR/100 Lernraten LR, abgesch¨ atzt aus statistischen Daten:
fortgeschrittene Kohle- und Kernkraftwerke 5%
GCCT (Gas-Kombikraftwerke) 10%
Windkraftanlagen 15%
Brennstoffzellen, betrieben mit Erdgas 18%
solare Photovoltaik 20%
nicht-elektrische erneuerbare Energie 10 bis 15%
62 Antwort
Umwandlungs- anlage
realer Wirkungs- grad [%]
Energie- erntefaktor []
Lebenszeit [a]
Energie- R¨ uck- zahlzeit [a]
¨ ol/gasbefeuertes Dampfkraftwerk
40% 8 40 5
Dampfheizkraftwerk 35%
+ W¨ arme
8 30 4
Gas- und Dampf- Kombikraftwerk
60% 8 40 5
steinkohlebefeuertes Dampfkraftwerk
40% 4 40 8-10
Siedewasserreaktor 30% 7 40 6
60 Antwort
Umwandlungs- anlage
realer Wirkungs- grad [%]
Energie- erntefaktor []
Lebenszeit [a]
Energie- R¨ uckzahl- zeit [a]
Wasserkraft 90% 10-20 ≈ 60 3-6
Windenergie 40% ≈ 8 15-20 2-2.5
Solarthermisches Kraftwerk
30% ≈ 3 (Ziel) ≈ 25 (Pro- jektion)
≈ 8 Photovoltaikanlage 15% ≈ 4-6 ≈ 20-30 ≈ 5
Sonnenkollektor 50% 4 20 5
Biogas-Block- Heizkraftwerk
50%
+ W¨ arme
3 20 7
Technologiesubstitution Zeitkonstante der
Technologiesubstitution
Frage Renewable Energy Technologies I 67
Ganzheitliche Betrachtung von Energiesystemen
• Ziele
• Allgemeiner Ansatz
Frage Renewable Energy Technologies I 69
Defintion Nachhaltigkeit
Brundtland-Kommission
Kapazit¨ at im Aufbau dCap
dt =
T L Cap − 1
T L Cap = − 1 T L Cap Zeitkonstante
T Aufbau = T L
− 1
Hoher Erntefaktor f¨ ordert schnellen Aufbau, offensichtlich notwendige Bedingung > 1 (eine Anlage < 1 gibt doch gar keine Sinn!?).
Beispiel: Photovoltaik, ≈ 5, T L ≈ 20 a
⇒ T Aufbau ≈ 4 Jahre unter der Annahme, dass aller PV-Strom f¨ ur neue Anlagen gebraucht wird!
• Grunds¨ aztlich kann die Energie zum Aufbau einer neuen Technologie aus vorhanden (existierende) Quellen bereitgestellt werden
• Beipiel: Zur Produktion eines PV-Modules wird europ¨ aischer Strommix verwendet. Kosequenz: Die Umweltbelastung gehen mit Faktor 0.2 in die ¨ Okobilanz der Photovoltaik ein.
• Aufbaue einer neuen Technologie
” aus eigenen Mittel“: bei Verwendung des gesamten Inputs zur Herstellung zus¨ atzlicher Produktionsanlagen kann w¨ ahrend der Lebenszeit T L maximal das -fache der Anfangskapazit¨ at generiert werden.
70 Antwort
Nachhaltige Entwicklung ist die F¨ ahigkeit,
” die Bed¨ urfnisse der
Gegenwart zu befriedigen, ohne gleichzeitig die M¨ oglichkeiten zuk¨ unftiger Generationen zur Befriedigung ihrer eigenen Bed¨ urfnisse einzuschr¨ anken“.
Diese Definiton ist als Ausgangsbasis akzeptiert.
68 Antwort
Ziele
• Multi-disziplin¨ are Bewertung von Energiesystemen und Szenarien f¨ ur die Schweiz und andere L¨ ander.
• Vermittlung der Resultate an Entscheidungstr¨ ager &
Interessenten.
• Unterst¨ utzung von rationalen und nachhaltigen Entscheidungen ( ” Ehrlicher Makler“).
Allgemeiner Ansatz
• Entwicklung und Implemetierung von
” state-of-the-art“ Methoden und Datenbanken
• Schwerpunkt auf prozessorientierten ¨ Okobilanzen, Risikoanalysen, Umweltauswirkungen & Externe Kosten, Energie¨ okomische
Modellierung, Simulation des Elektizit¨ atssektors und Multi-Kriterien
Entscheidungsanalysen (EUUS l¨ asst gr¨ ussen)
Energietechnologien und Nachhaltigkeit
Was m¨ ussen Energietechnologien erf¨ ullen!
Regeln f¨ ur die Nutzung von erneuerbaren Energien
Frage Renewable Energy Technologies I 75
Welche Kriterien veschaffen einen Uberblick bei der Beurteilung der ¨ Nachhaltigkeit von Enrgeisystemen?
Frage Renewable Energy Technologies I 77
PSI Kriterien und Indikatoren
Wirtschaftliche Dimension
• Die Nutzung der Ressource darf die Erneuerungsrate nicht
¨ uberschreiten
• Nichterneuerbare Energietr¨ ager und Materialen sollten nur in der Menge verwendet werden, welche dem physikalischen und
funktionellen Gebrauch einer ¨ okonomisch sinnvollen erneuerbaren Ressource entspricht ???
• Verschmutzung der Umwelt sollte nicht die Absorptionsf¨ ahigkeit der Umwelt ¨ uberschreiten.
• Nicht akzeptable Risiken f¨ ur die Gesundheit sollten begrenzt werden.
• Der Gebrauch von nicht erneuerbaren Enegrien ist ein wichtiges Kriterium f¨ ur die Beurteilung von nachhaltigen Optionen ⇒ Totale Kosten (externe und interne) kann als Nachhaltigkeitsindikator dienen.
Energietechnologien m¨ ussen sich dem Gebot der Nachhaltigkeit stellen
¨ okonomisch Versorgungssicherheit garantieren
” Bezahlbarkeit“
gew¨ ahrleisten
¨ okologisch nat¨ urliche Ressourcen schonen Emissionen reduzieren und Klima sch¨ utzen
gesellschaftlich gesellschaftliche Akzeptanz und Fairness beachten
⇒ Streben nach Nachhaltigkeit ist wohl begr¨ undet und keine Modeerscheinung
78 Antwort
Einflussgebiet Indikator Einheit
Finanzielle Anforderungen
Produktionskosten Eurocent/kWh Anf¨ alligkeit f¨ ur Preis-
erh¨ ohung des Rohstoffs
Faktor (Steige- rung der Pro- duktionskosten bei Verdopplung der Brennstoff- kosten)
Ressourcen
Verf¨ ugbarkeit (Lastfaktor) %
Geopolitische Faktoren Relative Skala Langzeit-Nachhaltigkeit:
Energetisch
Jahre Langzeit-Nachhaltigkeit:
Nicht energetisch
kg Cu /GWh Lastfolgeverhalten:
Verf¨ ugbarkeit z. B. Atom- strom ist nicht sofort verf¨ ugbar
relative Skala
76 Antwort
Nachhaltigkeits- bereich
Betroffener Bereich Okonomie ¨ ben¨ otigtes Kaptial
Ressourcen
Okologisch ¨
Globale Erw¨ armung
Reginonale Umweltverschmutzung nicht verschmutzungs Effekte Schwere Unf¨ alle
Gesamtabf¨ alle
Sozial
Besch¨ aftigung
Proliferation (milit¨ arische & zivile Nutzung ist m¨ oglich) menschliche Gesundheit
lokale St¨ orungen
Einschr¨ ankung von kritischem Abfall
Risiko-Aversion
PSI Kriterien und Indikatoren
Okologische Dimension ¨
PSI Kriterien und Indikatoren
Gesellschaftliche Dimension
Frage Renewable Energy Technologies I 83
Life Cycle Assessment (Motivation)
M¨ oglichkeiten, Probleme, Folgerung
Frage Renewable Energy Technologies I 85
Life Cycle Assessment
Vorgehen: Welche Schritte m¨ ussen gemacht werden?
Einflussgebiet Indikator Einheit Besch¨ aftigung Technologiespezifische Ar-
beitspl¨ atze
Personen- Jahre/GWh Proliferation (Ma-
terial welches zivil und mi- lit¨ arisch/terroristisch genutz werden kann)
Potenzial relative Skala
Auswirkungen auf die Gesundheit (Normal- betrieb)
Sterblichkeit (Reduzierte Lebenserwartung)
Verlorene Le- bensjahre/GWh Lokale St¨ orungen L¨ arm, visuelle Effekte relative Skala Einschluss des kriti-
schen Abfalls ” Erforderliche“ Einschluss- zeit
1000 Jahre Risiko-Aversion Maximale Konsequenzen ei-
nes potentiellen Unfalls
Todesf¨ alle/glaub- haftem Unfall
Einflussgebiet Indikator Einheit
Globale Erw¨ armung CO 2 Aquivalente ¨ t/GWh Regionale Umweltein-
fl¨ usse
Ver¨ anderung unge- sch¨ utzte ¨ Okosysteme
km 2 /GWh Schadstoffunabh¨ angige
Auswirkungen
Fl¨ achennutzung m 2 /GWh
Schwere Unf¨ alle Kollektives Risiko Todesf¨ alle/GWh
Gesamtabfall Gewicht t/GWh
86 Antwort
1. Zieldefinition und Systemgrenzen (goal and scope) 2. Sachbilanz/ ¨ Okoinventar (life cycle inventroy, LCI)
• Energie- und Stoffflussbilanz des zu untersuchenden Systems innerhalb der festgelegten Systemgrenzen
3. Wirkungsabsch¨ atzung (life cycle impact assessment, LCIA) (a) Kategorien (Umwelteffekte und Schutzg¨ uter)
(b) Klassifikation (Umwelteinwirkungen → Auswirkungen (c) Charakterisierung der Auswirkungen ( ¨ Aquivalenzfaktoren) (d) Signifikanzanalyse (Relevanz bzgl. Referenzwert)
(e) Bewertung (Aggregation der Umweltauswirkungen)
(f) Gewichtung (nach ethischen /subjektiven Kriterien). Nach umweltvertr¨ agliche Technologien besser nicht machen;-) 4. Interpretation: Sensitivit¨ aten, Fehlerabsch¨ atzung, Schl¨ usse
84 Antwort
• Vergleich der Umwelteinwirkungen verschiedenartiger Systeme
• Betrachtung eines Einzelschrittes ist nicht aussagekr¨ aftig, z. B.
Vergleich von zwei Fahrzeugen:
– Auto mit Verbrennungsmotor, Treibstoff: Benzin (aus Raffinerie)
– Auto mit Brennstoffzellenantrieb, Treibstoff: komprimierter Wasserstoff aus Reformierung von Erdgas
beide Systeme sind nicht sauber, welches ist sauberer/besser?
• Umwelteinwrikungen sind vielf¨ altig: Notwendigkeit der
Zusammenfassung in Kategorien, Bewertung mit ¨ Aquivalenzfaktoren
⇒ Vor- und Nachteile sind unterschiedlich: Beispiel: Wie vergleiche ich ein Kohlekraftwerk mit einem Kernkraftwerk? → Notwendigkeit der
Multikriterien-Analyse
Algorithmus der Life Cycle Assessment
Impact-Analyse Wirkungsklassen 1-13
Frage Renewable Energy Technologies I 91
Aquivalenzfaktoren ¨ Treibhausgas W¨ armepotenzial (Greenhouse Gas Warming Potentials (GWP))
Frage Renewable Energy Technologies I 93
Elektrizit¨atserzeugung: Strommix
Welche gibt es?
Wie heissen sie?
Welche Energietr¨ ager haben welchen Anteil?
Wirkungsklasse Stoffbeispiele
Treibhauseffekt CO 2 , CH 4 , N 2 O, FCKW
Ozonabbau (Startosph¨ are) FCKW
Photosmog / bodennahes Ozon Kohlenwasserstoffe, NO 2
Bodenversauerung SO 2 , NO 2
Uberd¨ ¨ ungung Phosphat, Nitrat, NH 3
Freisetzung von Radioaktivit¨ at 137 Cs, 3 H Humantoxizit¨ at
Okotoxizit¨ ¨ at Geruchsbelastung L¨ armbelastung
visuelle Beeintr¨ achtigung der Landschaft Ver¨ anderung der Erdoberfl¨ ache
Verbrauch von nicht erneuerbaren Ressourcen
Resourcenverbrauch und Nachfrage nach einem Produkt l¨ osen Nachfrage nach anderen Produkten aus!
Einfaches Beispiel: Welchen effektiven Verbrauch an Benzin und Diesel (Einschr¨ ankung auf Treibstoffe) l¨ ost ein Personen-Kilometer (p km ) aus?
Annahmen:
• PW verbraucht: 8 l/100 km, LKW mit 20 t Nutzlast: verbraucht 25 l/100 km.
• Treibstoff (Benzin) werde von einem Tanklastzug (Kapazit¨ at 20 t) im Mittel 150 km bis zur Tankstelle transportiert.
• Besetzung PW: 2 Personen, LKW Auslastung 50% (durchschnittswerte) p km
tot= p km
endt km
tot= t km
end+ n 1 b tot + n 2 d tot
b tot : gesamter Benzinverbrauch; d tot : gesamter Dieselverbrauch Nach mehreren Schritten und Inversion einer 2×2-Matrix folgt:
b tot = c 11 p km
endd tot = c 21 p km
end+ c 22 t km
endPersonen und G¨ uterransport verursacht d tot , entsprechend aufteilen!
94 Antwort
Energietr¨ ager UCTE [%] CH [%]
Braunkohle 11.7 -
Steinkohle 14.5 -
Erd¨ ol 6.4 -
Erdgas 12.6 -
Industriegase 1.6 -
Kernenergie 35.6 38.0
Wasserkraft 14.7 57.7
Andere 2.9 4.3
UCTE: Union for the Coordinantion of Production and Transmission of Electricity (europ¨ aischer Strommix)
Industriegase sind Kokereigase (CO 2 < Erdgas) und Hochofengase (CO 2 hoch)
Referenzjahr: 2000
92 Antwort
Wichtigste energiebezogene Treibhausgase: CO 2 , CH 4 , N 2 O
Die ¨ Aquivalenzfaktoren (GWP, ermittelt von IPCC 2001) werden auf 100 Jahre bezogen (entspricht mittlerer Verweilzeit des CO 2 in der
Atmosph¨ are)
Treibhausgas GWP 100
CO 2 ≡ 1
CH 4 23
N 2 O 296
CF 4 5700
HFC-134a 1300
Kumulierte Treibhausgasemissionen verschiedener Energieketten
Okobilanzierung ¨
Zusammenfassung, Ausblick, Probleme
Frage Renewable Energy Technologies I 99
YOLL
Frage Renewable Energy Technologies I 101
Mortalit¨at
• Systemgrenzen m¨ ussen sorgf¨ altig gew¨ ahlt werden
• Gegenw¨ artiger Status des Energiesystems beeinflusst Resultat
• Allokation bei Multi-Output-Prozessen kann nach verschiedenen Gesichtspunkten erfolgen
• Gruppierung nach Wirkungsklassen ist unumg¨ anglich
• Verschiedene Wirkungsklassen sind nur schwer vergleichbar
• Eine Reihe von Enrgiebereitstellungsoptionen mit den Methoden der Multikriterienanalyse erfordert deren Gewichtung durch die
Stakeholder → Stakeholder-Dialog, Konsensfindung, robuste Optionen
• Forschungsziel: dynamisierte LCA, d. h. in einem Szenario wird f¨ ur zuk¨ unftige Zeitpunkte eine vollst¨ andige ¨ Okobilanz des gesamten Energiesystems erstellt.
Energiekette CO 2 [g/kWh e ]
Photovoltaik (durchschnitt CH) 79 Windkraft (min: Europa; max: CH) 14-21
Wasserkraft (durchschnitt CH) 3
Steinkohle (europ¨ aische Anlage) 949-1280 Braunkohle (europ¨ aische Anlage) 1060-1690 Erd¨ ol (europ¨ aische Anlage) 519-1190 Industriegase (europ¨ aische Anlage) 865-2410 Erdgas (europ¨ aische Anlage) 485-991 Kernenergie (europ¨ aische Anlage) 8-11
102 Antwort
Sterberate
100 Antwort
Year of Life Lost
Einheit um Verschmutzungen vergleichen zu k¨ onnen.
Morbidit¨at Mortatlit¨at verursacht durch heutige Durchschnittstechnologien
Frage Renewable Energy Technologies I 107
Vergleiche Todesf¨alle durch Naturkatastrophen mit
menschgemachten Katastrophen
Frage Renewable Energy Technologies I 109
Externe Kosten (ohne globale Erw¨armung) heutiger
Durchschnittstechnologien
Braunkohle Steinkohle Öl Erdgas Nuklear Wasserkraft Wind Photovoltaik
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 Verlust an Lebesnjahren [YOLL/GWh]
Werte f¨ ur Deutschland
Unter Morbidit¨ at (von lat. morbidus - krank) versteht man die Krankheitswahrscheinlichkeit eines Individuums bezogen auf eine
bestimmte Population, also wie wahrscheinlich es ist, dass ein Individuum einer Population eine bestimmte Krankheit oder St¨ orung entwickelt.
110 Antwort
Braunkohle Steinkohle Öl Erdgas Nuklear Wasserkraft Wind Photovoltaik
0 1.50
Externe Kosten [Euro cents/GWh]
0.50 1.00 2.00
Werte f¨ ur Deutschland
108 Antwort
Es gibt um etwa eine Gr¨ ossenordnung mehr Todesf¨ alle durch
Naturkatastrophen bis sogar zwei, falls nur der Energiesektor betrachtet wird, als bei den menschgemachten (im Durchschnitt).
Naturkatasrophen ≈ 100000/a
menschgemachte Katastrophen (nicht im Enegriesektor) ≈ 10000 menschgemachte Katastrophen (im Energiesektor) ≈ 3000
Die Kurve der menschgemachten Katasprophen scheinen zu steigen (besonders die nicht den Energiesektor betreffenden) und sich daher den Naturkatastrophen anzun¨ ahern.
Die Werte im Jahr 2000 der Naturkatastrophen (sehr wenige ≈ 15000) entspricht beinahe dem der menschgamachten im nicht Energiesektor (≈
12000).
Gerechtfetigte und ungerechfertigte Kritik von Interessengruppen an Externen Kosten
Die Probleme Multikriterielle Entscheidungsverfahren
The Multi-Criteria Decsision Analysis (MCDA) Problem
Frage Renewable Energy Technologies I 115
Schritte einer MCDA
Langform von MCDA
Frage Renewable Energy Technologies I 117
Multi-Kriterien Sensitivit¨atsanalyse
Schlussfolgerung
• grosses, komplexes Problem ⇒ viele Interessengruppen, viele Kriterien
• verschiedene Interessen ⇒ verschiedene vorlieben, keine einfaches Optimum
• Komplexizit¨ at und die menschliche unzul¨ anglichkeit alles zu erkennen, k¨ onnen einen einzelnen Entscheidungsmacher daran hindern konsistente Bewertungen zu machen
• Zweck: Hilfe zum denken und zur Entscheidungsfindung (aber MCDA gibt nicht die Antwort)
• Monetarisierung ist nicht von allen akzeptiert (z. B. Monetraisierung des Menschenlebens)
• Alternative Ann¨ aherung mit
” Willingnes to Pay (WTP)“ wird bevorzugt
• Die Art wie WTP gesch¨ atzt wird, wird in Frage gestellt
• Die Gesamtungewissheit f¨ ur zu nicht genug robusten Bewertungen.
• Die geschichtliche Entwicklung der Kostensch¨ atzung ist m¨ uhselig (???)
• Sch¨ atzwerte der externen Kosten haben zum Teil eine schlechte Grundlage und einige potentiell wichtigen Werte sind nicht verf¨ ugbar
• Soziale Faktoren sind kaum verf¨ ugbar
• Es ist unm¨ oglich bzw. sinnlos gewisse Soziale Faktoren zu monetarisieren.
118 Antwort
• Keines der analysierten Systeme kann alle Kriterien hinsichtlich Nachhaltigkeit und Markt erf¨ ullen
• Rangordnung der Technologien kann fallspezifisch unterschiedlich sein (Land, Standort, Zustand der Referenztechnologien)
• Kompromisse zwischen ¨ okologischen, ¨ okonomischen und
gesellschaftlichen Nachhaltigkeitskomponenten sind unvermeindlich.
Diese sind durch Werturteile beeinflusst.
• Betonung. . .
– der ¨ Okonomie: benachteiligt Erneuerbare – der Umwelt: benachteiligt fossile Ketten – sozialer Aspekt: benachteiligt Kernenergie
116 Antwort
MCDA Multi-Criteria Decision
• w¨ ahlen oder generieren einer Reihe von Alternativen und Optionen
• w¨ ahlen der Kriterien und Indikatoren welche notwendig sind die verschiedenen Leistungen zu messen
• Daten sammeln, mit Analysen generieren oder Experten-Meinungen f¨ ur die Leistungsmatrix P ji (Alternative j × Messungen i )
• Umwandeln qualitiver und quantitiver Messungen in eine Skala von 0 bis 1 (oder 0 bis 100)
• Gewichten der einzelnen Kriterien durch die Entscheidungsmacher ( P
w i = 1)
• Gewichtete Summe berechnen ( P w i p i j )
• Rangieren der Optionen und die beste Option w¨ ahlen (z. B. diejenigen mit den meisten Punkten)
• Falls notwendig die Entscheidungsmacher, die Gewichtungen,
Transformationen und subjektive Kriterien wiederholen lassen, um die Rangierung anzupassen (bzw.
” wie fakte man das ganze“, pers¨ onliche
Anmerkung;-) )
Windr¨ader
Typen und ihre Eigenschaften (nur Grundprinzipien)
Beiwert f¨ ur verschiedene Rotortypen Ausnutzungsgrad der Windenergie
Herleitung nach wem?
Was sagt diese Herleitung aus?
Frage Renewable Energy Technologies I 123
Weshalb baut man
Asynchrongenerator in Windr¨ader ein?
Frage Renewable Energy Technologies I 125
CO 2 Emissionen von
Windenergieanlagen
Herleitung nach Betz Definition a = (1 − U U
0)
Windgeschwindigkeit vor dem Windrad: U Windgeschwindigkeit nach dem Windrad: U 0
C p = 4a(1 − a) 2 Maximum f¨ ur:
a = 1
3 ⇒ C p = 16
27 = 0.59
Bei welcher Drehzahl bzw. Lineargeschwindigkeit an der Blattspitze wird dieses Maximum erreicht?
vertikale Rotorachse (z. B. Savonius-Rotor, Darrieus-Rotor)
• einfache Verankerung am Boden
• Ausrichtung auf die Windrichtung entf¨ allt
• Wirkungsgrad beschr¨ ankt
horizontale Rotorachse (z. B. American multiblade, Dutch four arm, High speed propeller (3-Blatt))
• Propeller heute meist gegen den Wind (upwind)
• Umdrehungszahl und Ausrichtung kritisch
126 Antwort
≈ 40 t CO 2 /GWh
≈ 200 kg SO 2 /GWh
Abh¨ angig von der Gr¨ osse der Anlage und der Windgeschwindigkeit Anteile
Fundament 8% (Aushub, Beton, Stahl) Turm 10%
Rotorbl¨ atter 19%
Gondel 18%
Generator, Getriebe, Netzanschluss, Sonstiges 16%
Betrieb, Abbruch 19%
124 Antwort
Durch einen Asynchrongenrator kann das Windrad bei seiner optimaler Drehzahl drehen wodurch eine Wirkungsgradsteigerung m¨ oglich ist.
Bei einem Syncrongenerator muss der Generator genau mit einer bestimmten Umdrehungzahlt drehen da ansonsten eine
Phasenverschiebung auftritt (das Ding muss halt 50 Hz liefern und kann
nicht mal zwischendurch etwas mehr oder weniger als 50 Hz liefern).
Potential der Windenergie in der Schweiz
Wie wurde vorgegangen?
Ergebnisse?
Potential der Windenergie in der Schweiz
Ertrag und Stromerzeugungspreis?
Frage Renewable Energy Technologies I 131
Weltweites Potential der Windenergie
Frage Renewable Energy Technologies I 133
Energie aus dem Ozean
Welche M¨ oglichkeiten gibt es und wie hoch ist da Potential?
Windgeschwindigkeit >5.5 ms −1 4.5 - 5.5 ms −1 <4.5 ms −1
Volllaststunden/Jahr 1300 1100 900
Stromerzeugungspreis <20 Rp./kWh 20-
30 Rp./kWh
30-
40 Rp./kWh durchschnittliche Investition 2200 sFr./kW (1.1 Mio sFr./Anlage Gesamtinvestition bis 2030: 4.4 Milliarden sFr.
bei 70% Realisierung ⇒ 3.4% Beitrag zum Schweizer Strombedarf (wenn nur 70% der 1. Priorit¨ atstandorte installiert wird, oder???)
Systematische Erfassung aller potentiellen Standorte. Studie im Auftrage des Bundesamtes f¨ ur Energie (1996)
Raster 250 m × 250 m (geeignet f¨ ur 500 kW-Windturbine)
Randbegingung erf¨ ullt f¨ ur 8000 Zellen = 500 km 2 : keine Siedlungen, W¨ alder, Seen, geeignete Topographie (Kreten, Kuppen, Hochebene), H¨ ohenlage zwischen 800 und 3000 m ¨ uber Meer, erschlossen/erschliessbar durch Strasse.
Windgeschwindigkeit >5.5 ms −1 4.5 - 5.5 ms −1 <4.5 ms −1 Potentialgebiet aus-
serhalb Schutzzonen, optisch beeintr¨ achtigt
1. Priorit¨ at 16 Zellen
1. Priorit¨ at 638 Zellen
2. Priorit¨ at 2891 Zellen kritisches Gebiet
optisch intaktes Ge- biet, bereits belastete Schutzzone
2. Priorit¨ at 135 Zellen
2. Priorit¨ at 634 Zellen
3. Priorit¨ at
Tabugebiet intakte Schutzzone
3. Priorit¨ at 3. Priorit¨ at 3. Priorit¨ at
134 Antwort
Gezeitenenegrie Poteantial: 2500 GW, praktisch 20 GW
Wellenenegrie Potential: 10 000 GW (offene See), 500 GW (sich anbietende Gew¨ asser)
Temperatur Differenz (ocean thermal energy conversion OTEC) Potential: enorm, 40 GW (Ufernah), 10 000 GW (offshore)
Salinit¨ atgradienten Marine Str¨ omungen
132 Antwort
• Gute Standorte haben > 3000 Volllaststunden/Jahr
• Extrahierbare Leistung ∝ (Windgeschwindigkeit) 3
• ∃ viele Standorte mit U > 10 ms −1
• ausgew¨ ahlte Gegenden mit U > 40 ms −1 (z. B. Patagonien)
• installierte Leistung (2002): 36 GW, davon EU 24 GW, DE 12 GW
• j¨ ahrliches Wachstum ≈ 40%
• Elektrizit¨ atserzeugungskosten in Deutschland < 0.10 Euro/kWh
• Beitrag von 10% zum Welt-Prim¨ arenergiebedarf scheint m¨ oglich
Gezeitenkraftwerke
Bauweise, wichtige Kennwerte
Wellenenergie
wichtige Kennwerte
Frage Renewable Energy Technologies I 139
Wellenenergieumwandler
Welche Konstruktionen w¨ aren m¨ oglich und wie funktionieren sie?
Frage Renewable Energy Technologies I 141
Ocean Thermal Energy Conversion
• H¨ ohe h der Welle (Wellenkamm bis Wellental)
• Potentieller Energiegewinn pro L¨ ange der Wellenfront:
∆E pot = mgδh = %λgh 2 16
• Oberfl¨ achliche Wellenl¨ ange: λ = gT 2π
2mit T Wellenperiode in [s]
• Totale Leistung der Welle:
1.96h 2 T in kW/m
• Beispiel: h = 2 m, T = 6 s ⇒ P = 47 kW/m mehr als typische Windenergienutzung pro L¨ ange der Rotorbl¨ atter
• Vom Meer durch einen Damm mit Turbine abgetrenntes Becken (mit der Fl¨ ache: A und einer Dammh¨ ohe: h)
• Dammh¨ ohe entspricht dem totalem Gezeitenhub
• Potentielle Energiedifferenz:
E = %Agh 2 2 Beachte h¨ angt on h 2 ab.
• Periode der Gezeiten: T = 12.4 h ⇒ τ = 2π T . F¨ ullzeit muss daran angepasst werden.
• Energie pro Zyklus in eine Richtung(???): 1 400Ah 2
• Durchschnittliche Gewinnung pro Jahr (η = COP )
≈ 10 6 · COP · A · h 2 η = COP = 0.25-0.35 (η ideal oder nicht???)
142 Antwort
Kurz OTEC
• Idealer Carnowirkungsgrad η C = 0.06 (Oberfl¨ achenwassertemperatur T O = 25 ◦ C Wasser in der Tiefe (1000 m) T T = 5 ◦ C
• realistischer Wirkungsgrad η = 0.03
• Energie zum Pumpen ist notwendig (gegen Dichteunterschied)
• Syteme mit einem offenen (Dampf) oder geschlossenen (Arbeitsfluid) Zyklus sind denkbar
• Nur Konzepte, keine Demonstrationskraftwerk wurde bis jetzt gebaut
140 Antwort
• zulaufender Kanal f¨ ullt ein Becken (Strom via Turbine)
• Oszillierende Wassers¨ aule (Luftturbine am Land)
• Schwimmer (an der K¨ ustenlinie oder an Flossen)
• ” Salter-duck“ K¨ orper welcher sich wie ein Stein am Ufer hin und her bewegt wird
• Membranpumpen am Meeresboden welche die Durckschwankungen nutzen
• ” Archimedes wave swing“ Kompression und Expansion eines
abgeschlossenen Luftvolumen durch Druckschwankungen ¨ uber dem
Volumen(???)
Gesch¨atzte Kosten der Energieformen aus dem Ozean im Vergleich zu
fossiler Elektrizit¨at
W¨armepunpe
Definiton
Idealer Wirkungsgrad Jahresarbeitszahl
Frage Renewable Energy Technologies I 147
Geothermie
Definiton
Gesteinsarten und Nutzung Geothermischer Gradient
Frage Renewable Energy Technologies I 149
W¨armepumpe
Funktionsweise (schematisch)
Definition Aufwertung von Umweltw¨ arme durch Aufwenden elektrischer Arbeit
Ideal Wirkungsgrad Carno Wikrungsgrad
η c = eingesetzte Arbeit abgegebene W¨ arme bei T H
Jahresarbeitszahl einer realen W¨ armepumpe
J AZ real = total genutzte Heizenergie (inkl. Abw¨ arme) elektrische Energie
Gezeiten 1.5×
OTEC 2×
Wellen 2.5×
fossile Elektrizit¨ at
150 Antwort
Die W¨ armepumpe ist eine Umkehrung einer Carnot’schen W¨ armekraftmaschine
Expansion adiabatische adiabatische Kompression Kondensor
Innenraum T 1
Verdampfer T 2 Motor f¨ ur Kompression Elektro, Gas. . .
Der Kondensor/Verdampfer k¨ onnen auch W¨ armetauscher sein, wodurch geringere Mengen an bedenkliche K¨ uhlmittelstoffen ben¨ otigt
(Sekund¨ arkreislauf wird mit einem Glykol-Wasser-Gemisch gef¨ ullt).
148 Antwort
Defintion Nutzung von hochwertiger Mitteltemperaturw¨ arme aus dem Erdinneren zur Heizung / Dampferzeugung
Gesteinsarten es wird unterschieden zwischen
wasserhaltigen Heisswasser / Heissdampferzeugung trockenen Pumpen und Erhitzen von Wasser
Geothermischer Gradient 3 ◦ C/100 m (Variation von 2 ◦ C/100 m
(Sedimente) bis 7 ◦ C/100 m (Bruchzone))
W¨armebereitstellung f¨ ur die W¨armepumpe
Vor- und Nachteile
Geothermische Energienutzung
• Installationskosten
• Stromproduktionskosten
• W¨ armebereitstellungskosten
• Entwicklung
Frage Renewable Energy Technologies I 155
Nutzung von Warm-, Heisswasser-/
Heissdampfquellen
Wie k¨ onnen sie genutzt werden?
Frage Renewable Energy Technologies I 157
Hot Dry Rock - Verfahren
• Funktion
• Probleme
• Nachhaltigkeit
Installationskosten 500 - 3 000 $/kW
Stromproduktionskosten 0.015 - 0.065 $/kWh W¨ armebereitstellungskosten 0.0003 - 0.003 $/kWh
Entwicklung (erwartete / m¨ ogliche): jeweils Verdopplung innerhalb von 5 Jahren (2005/2010)
Sonden H¨ ohere Temperatur im Sondenbereich da die Sonde tief hinunter reicht, daher jedoch auch teuer (tiefe Bohrungen notwendig)
Erdw¨ armek¨ orbe billig (werden in eine Tiefe von 1.5 m bis 3.5 m installiert), durch die Phasenverschiebung des Temperaturverlaufs mit der Tiefe, ist es in dieser Tiefe im November am w¨ armsten (optimal zum heizen), im Sommer ist k¨ uhlen ebenfalls gut m¨ oglich.
158 Antwort
Funktion Wasser wird durch ein Bohrloch in den Fels indiziert (≈ 5 km Tiefe) und verdampft dort und steigt durch ein anderes Bohrloch wieder auf.
Probleme Der Fels muss fraktioniert sein um f¨ ur Wasser/Dampf in gr¨ osseren Mengen durchl¨ assig zu sein, evtl. ist er dies bereits nat¨ urlich (z. B. St¨ orung) oder ein Spaltsystem muss zuerst durch Wasserdruck (Verfolgen mit Horchbohrungen) angelegt werden.
Nachhaltigkeit Es handelt sich um
” Deep Heat Mining“, nach
Entnahme von P = 10 MW w¨ ahrend 70 Tagen dauert der R¨ uckfluss an W¨ arme 20 Jahre, es stellt sich daher die Frage ob eine solche Nutzung Nachhaltig ist.
156 Antwort
Idealfall trockener Dampf (dry stream) direkt in die Turbine Dampf/Fl¨ ussig einmaliges bzw. zweimaliges Abziehen von Dampf
(single double flash) ???
Direkt Falls das Wasser zu k¨ uhl ist ≈ 45 ◦ C kann es direkt zur
W¨ armeversorgung genutzt werden (z. B. Warmwasser aus dem
Gotthard-Basistunnel).
Welweites Potential der Geothermie Abfall zu Energie / Waste to Energy
Ziele
Frage Renewable Energy Technologies I 163
Abfall zu Energie / Waste to Energy
Welche M¨ oglichkeiten gibt es?
Frage Renewable Energy Technologies I 165
Hauptteile einer thermischen
Abfallbehandlungsanlage
• Verwendung von gasf¨ ormigen Produkten von Abf¨ allen f¨ ur Erzeugung. . .
– elektrischer Energie – von W¨ arme
• Recycling von Wertstoffen zur Reduktion von Abfallproduktion und Energieverbrauch der Prim¨ arproduktion (z. B. Aluminium)
• Konversion von energiehaltigem Material (z. B. Kunstoffe) zu Energiespeicher ( ¨ Ol, Methanol,. . . )
Theorie Nur 0.1% der Erde ist k¨ uhler als 100 ◦ C
Tiefen f¨ ur praktische Nutzung zwischen 3 km (≈ 100 ◦ C) und 7 km (≈
220 ◦ C)
Reale Limitierung f¨ ur geothermische W¨ armenutzung
Verf¨ ugbarkeit von Fernw¨ armenetzen (alle W¨ arme n¨ utzt nichts, wenn sie niemand abnimmt)
Reale Limitierung f¨ ur geothermische Elektrizit¨ atserzeugung Bohrkosten im harten (kristallinen) Gestein ⇒ Standorte f¨ ur
” Deep Heat Mining“
Einsatz von W¨ armepumpen f¨ ur Niedertemperaturheizungen sehr gross f¨ ur Raumheizungen, Herkunft der Antriebsenergie beachten
⇒ Nutzung von Erdw¨ arme ist nicht durch theoretisches Potential, sondern durch praktische/¨ okonomische Faktoren limitiert
166 Antwort
• Beschickungseinrichtung
• Thermischer Reaktor (Brenn- oder Pyrolyseraum, Vergasungsraum, Fliessbett,. . . )
• Dampferzeuger bzw. Vergaser
• Raugasreinigungsanlage
• Wasseraufbereitung
• R¨ uckstandsbehandlung
• Kraftwerk (Dampf, Gas, Brennstoffzelle. . . )
• Restw¨ armenutzung (Fernheizung, Gew¨ achshaus. . . )
164 Antwort
• Verbrennung
• Pyrolyse (HT)
• Schmelzen
• Anaerobe Zersetzung
• Aerobe Zersetzung
• Pyrolyse (NT) (Unterschied NT, HT: niedrig-, hochtemperatur???)
• Hydrolyse
Probleme einer thermischen
Abfallbehandlungsanlagen Energie Bilanz einer KVA
Beispiel KVA Basel
Frage Renewable Energy Technologies I 171
Pyrolyse
Weshalb?
Frage Renewable Energy Technologies I 173
Brennstoffzelle
Welche Brennstoffe sind denkbar?
Was sind ihre Nachteile
Fluss Input Abgabe
Kehricht 567.87 GWh (100%) -
Stromabgabe - 14.77 GWh (2.6%)
Fernw¨ armeabgabe - 356.84 GWh (62.8%)
Dampfabgabe - 80.35 GWh (14.1%)
Vernichtung - 3.88 GWh (0.7%)
Das gibt nur 455.84 GWh an Abgabe, somit fehlen 112.03 GWh (19.7%) die nach der n¨ achsten Grafik auf seinen Folien wohl intern
(Stromverbrauch, W¨ armeverbrauch,. . . ) verbraucht werden.
• Abwasser
• Feste R¨ uckst¨ ande
• Werkstoffe
• Restw¨ arme
Abgasprobleme sind durch moderne Raugasreinigungen gel¨ ost!
174 Antwort
Biogas (Faul- und Kl¨ argase) Aus G¨ ar- oder Vergasungsprozessen, m¨ ussen f¨ ur ihre Verwendung durch eine Gasaufbereitung geschickt werden.
Kohle (Stein- oder Braunkohle) M¨ ussen in einem aufw¨ andigen Verfahren vergast werden, dieses Verfahren ist selbst f¨ ur konventionelle Kraftwerke noch in der Entwicklung, f¨ ur
Brennstoffzellen sind nur einige Versuche durchgef¨ uhrt worden → wird nicht darauf eingegangen.
Methanol Wird von einigen Vertretern der Automobilindustrie favorisiert: • Enth¨ alt chemisch gebunden Wasserstoff, wird unter hohem Energiebedarf hergestellt. • Grosstechnisch wird es durch Dampfreformierung von Erdgas erzeugt. • Energiedichte etwa die H¨ alfte wie die von Bezin, Diesel, jedoch ungleich giftiger. • Wird in Deutschland aus Off-Gas, R¨ uckstands¨ olen hergestellt, ausserdem mittels Verschwelung von Kl¨ arschlamm und Altkunstoffen(???). • Zur Deckung der Deutschen Nachfrage wird bereits importiert.
172 Antwort
• Keine Hochtemperatur Korrosion, da unter Ausschluss von O 2 (stimmt das???)
• Brennstoffgewinnung (Pyrolysegas, -Coke, -Treibstoffe)
Andere M¨oglichkeiten zur
Entsorgung/Recycling der Abf¨alle
Kunststoffverwertung
Welche M¨ oglichkeiten gibt es?
Frage Renewable Energy Technologies I 179
Sonne als Energie Quelle
Wof¨ ur?
Uberblick ¨
Frage Renewable Energy Technologies I 181
Sonne und Physik
Was gibt es dazu zu sagen?
Stoffliches-Recycling
Syncrude Gase, ¨ Ole, Regranulate Fertigprodukte Monomere
werden zerlegt Makromolek¨ uhle bleiben unver¨ Makromolek¨ andert uhle
sortierte Kunststoffe
gemischte Kunststoffe
Hydrolyse Solvolyse
Hydrierung Gaserzeugung Rohstoff-Recycling Materialrecycling
Dampf, Strom werden verbrannt Makromolek¨ uhle
Verwertung
Thermische Indirekt geheizter Solar Reaktor f¨ ur Recycling
Zementofen sehr hohe Temperaturen ⇒ vollst¨ andige Verbrennung Hochofen z. B. Kunststoffe welche das Eisenerz zu Roheisen reduzieren R¨ uckgewinnung von Metallen aus Schrott sehr hohe
Energieeinsparung z. B. bei Aluminium 94%
182 Antwort
Nur das wichtigste, ich denke dies sollte bekannt sein:
Schwarzk¨ orper Die Sonne kann als schwarzer K¨ orper mit einer
Temperatur von T = 5780 K betrachtet werden und daher gelten die Strahlunggesetze des schwarzen K¨ orpers
Planck W¨ ustes Intergal das die abgestrahlte Energie in einem Frequenzbereich ergibt.
Stefan-Boltzmann Totale abgestrahlte Energie e b = σT 4 mit σ = 5.67 · 10 −8 W m −2 K −4 Stefan-Boltzmanm-Konstante, folgt aus R ∞
0 Planck
Wiensche Verschiebung λ max T = b mit b ≈ 2.898 · 10 −3 Km Standpunkt Erde Diffuse und direkte Sonnenstrahlung treffen auf die
Erde, an einem klaren Tag ist der direkte Anteil 80% der Strahlung.
180 Antwort
Biomasse Wind
Windenergie- konverter:
Windm¨uhlen, Windr¨ader, Windanlagen W¨armepumpen
Laufwasser
Wasser- r¨ader, Wasser- trubinen Umgebungsw¨arme:
Erdreich, Grundwasser, Luft
Solarzelle (PV) direkt indirekt Solarkollektor (Solarthermie)
Energiekonverter
Konzentrator- Kollektor Flach-
kollektor
W¨arme:
Warmwasser- bereitstellung, Heizen
strom
Elektrischer- W¨arme, Mech.-Antrieb chemisch strom
Elektrischer- Elektrischer-
strom Prozessw¨arme, Heizen, W¨arme:
Sterilisieren Elektrischer- strom Warmwasser- bereitstellung, Heizen Elektrischer- strom W¨arme:
Nutz- energie
Energie Verbrennung, Biogasanlagen, Alkoholdest., Olpresse¨
