Energie und Klimawandel

Energie und Klimawandel

0. Einführung - extended abstract

0.2 Einige Fakten zur Einführung in die Problematik...

0.3 Aufbau der Vorlesung

0.4 Energie und Treibhausgase

0.5 Energieeinheiten und Größenordnungen .51 Energieeinheiten und Umrechnungen

Das kleine und das große DreimalDrei

.52 Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch .53 Größenordnung einiger Energiespeicher und -flüsse

.531 Fundamentales zur Erde als Energiespeicher .532 Wichtige und interessante Energiespeicher .533 Wichtige und interessante Leistungen

.534 Energiedichten von Brennstoffen

.54 Wirkungsgrad , Energieaufwand und Leistungsdichten

0.6 Was ist Energie

Energie und Klimawandel

Dr. rer. nat. Gerhard Luther

Forschungsstelle Zukunftsenergie, c/o Technische Physik-Bau38, Universität des Saarlandes Tel.: 302-2737; e-mail: luther.gerhard@vdi.de

0. Einführung und extended abstract:

Einige Fakten zur Klimaproblematik; Energieeinheiten und Größenordnungen

1. Die Energiesituation in Deutschland und in der Welt

2. Klimawandel - Auswirkungen des Einsatzes fossiler Energieträger,

2.1 Unmittelbare Umweltverschmutzung

2.2 Das Klima der Erde: Vielfalt, Ordnung und Komplexität 2.3 Klimawandel

2.4 Internationale Klimapolitik als Antwort auf drohenden Klimawandel

3. Verfügbarkeit ewiger Energiequellen

Kernfusion und Sonne als Energieressource, Wind- insbesondere offshore; Biomasse; Geothermie

4. Sparsame Nutzung externer Energiequellen

Wärmepumpe; Brennstoffzelle; Brennwertkessel; SWK;Wärmetauscher

5. Energiedienstleistungen: Energierelevante Ansprüche an Gebäude

u.a. Thermische Behaglichkeit (incl. Frischluft)

0.3 Aufbau der Vorlesung

0. Einführung: Energieeinheiten und Größenordnungen was ist Energie (Feynman);

von [J] bis [EJ] (vgl. Smil: Energies ) Vielfalt der Energiebezüge :

1. Die Energiesituation in Deutschland und in der Welt

1.1 Gegenwärtiger Energieeinsatz in BRD und in der Welt 1.2 Wachstum des Energieverbrauches

Einflußfaktoren: Bevölkerung - und Wirtschsftentwicklung 1.3 Vorräte fossiler Energiequellen: Reserven, Ressourcen

2. Klimawandel - Auswirkungen des Einsatzes fossiler Energieträger,

2.1 Unmittelbare Umweltverschmutzung

Rückgang der klassischen Umweltverschmutzung, insbesondere Luftverschmutzung Im Saarland, in der BRD; Europa

Klassische Umweltverschmutzung in der Welt

2. Klimawandel - Auswirkungen des Einsatzes fossiler Energieträger,

2.1 Unmittelbare Umweltverschmutzung

2.2 Das Klima der Erde: Vielfalt, Ordnung und Komplexität .21 Übersicht über Temperatur in Atmosphäre und Ozean

.22 Übersicht über das Klimasystem der Erde [TAR1_1]

.23 Die Entwicklung des Klimas auf der Erde [Houghton GW_Chap4:Cimates at the past, TAR1_2]

2.3 Klimawandel

.31 Der Treibhauseffekt (zwei einfache Modelle)

.32 Beobachtete Klimaänderungen, insbesodere im 20.Jhd [IPCC1_B_2]

.33 GreenHouseGases und ihr Strahlungsantrieb [GW_Chap3,TAR1.3,4,5,6, und _C_3-6]

.34 Klimamodelle [GW_5, TAR1_7 Physical Climate Processes and Feedbacks, TAR1_D ] Model evaluation [TAR1_8]

Climate change under status quo-Entwicklung [GW_6]

Vorhersagen zum Klimawandel [TAR1_9]; [IPCC1_F]

.35 Impacts: [GW_7]

, freshwater resources

agriculture and food supply natural ecosystems

.36 Die Identifikation des anthropogenen Einflusses auf den Klimawandel

[TAR1_12;TAR1_E_12]

2.4 Internationale Klimapolitik als Antwort auf drohenden Klimawandel UNFCCC 1992 - KlimarahmenKonvention

Kyoto Protocol 1997,

EU GHG "bubble" and internal burden share BRD: EnEV, EEG, KWK-Gesetz ; Ökosteuer

3. Verfügbarkeit ewiger Energiequellen

3.2 Sonneneinstrahlung

global, lokal, Sonne als Energieressource Verteilung über den Globus

3.3 Wind, insbesondere offshore 3.4 Biomasse

3.4 Geothermie 3.5 Andere: Wellen

4. Sparsame Nutzung externer Energiequellen

4.1 Primärenergieinsatz und Exergie als Gütekriteriem

4.2 Wärmetauscher, Brennwertkessel, Flächenheizung (AWH) 4.3 Wärmepumpe

4.4 Strom-Wärmekopplung 4.5 Brennstoffzelle

4.7 Wärmespeicher

5. Energiedienstleistungen: Energierelevante Ansprüche an Gebäude

5.1 Thermische Behaglichkeit (incl. Frischluft) 5.2 Feuchte (Tauwasser, Luftfeuchte)

auch in Nichtnutzungsräumen wie Keller und Dachgeschoss 5.3 Warmwasserverbräuche

5.4 Strom- Dienstleistungen Licht

Stand:2002_0409

Die Vorlesung möchte versuchen einen breiten Zugang zur Energiefrage zu finden. Daher:

- mehr Überblick, nur vereinzelt Details

- fachübergreifend mit Mut zur Lücke

- generalistischer Ansatz

„Auch die Wissenschaft ist nicht frei

von diesem Fluch der Komplexität ^.

Zu den meisten als wichtig angenommenen gesellschaftlichen Themen gibt es

Studiengruppen oder ganze Forschungsinstitute, mit Hunderten oder gar Tausenden von dokumentierten, filigranen Detail-Untersuchungen.

Solches Wissen mag wissenschaftlich relevant sein, gesellschaftlich relevant ist es nicht, da es nicht als Ganzes den Entscheidungsträgern oder der politisch interes- sierten Öffentlichkeit mitteilbar ist.

Da kann sich jeder Einzelne dann ein

Detail heraussuchen, das sich mit seinen Vorurteilen deckt

und sich dabei auf wissenschaftliche Grundlagen berufen ! “

(aus dem Geleitwort der Heraeus Stiftung zu /Heinloth 97/)

Quelle: /Heinloth 97, p. VI /

Klaus Heinloth: „Die Energiefrage, Bedarf und Potentiale, Nutzung, Risiken und Kosten “, vieweg, Braunschweig (1997), 21 Euro

Energie und Treibhausgase

0.4

Fuel CO

CH

N

O

[gC/MJ ] (relativ) [ gCH

/GJ ] [ gN

O/GJ ]

Coal 25.1 1.00 5.5 2

Oil 20.8 0.83 8 2

Natural gas 14.3 0.57 3 1

Peat 29.7 1.18 4.5 2

Wood 31.1 1.24 40 2

Source:

Quelle: www.ieagreen.org.uk/fswitch.htm; IEA_GHG\ IEA_Fuel switching.htm

GHG emission factors for a number of fuels

The greenhouse gas emissions from combustion of a number of fuels are compared in the table below. Emissions from all stages of the cycle of production, transport and use are considered; apart from the combustion stage, these include:

CO

release from transport of fuels and from flares;

CH

leakage from oil and gas fields and pipelines, and

N

O from forestry (Smith et al, 1994).

Smith I M, Nilsson C, Adams D M H (1994) :

Greenhouse gases - perspectives on coal. IEAPER/12, IEA Coal Research, London, UK, 41pp

Umrechnung auf kg CO2 pro kWh _th

Ím wissenschaftlichen Bereich wird das CO2 meist als Kohlenstoff C angegeben.

Techniker bevorzugen meist Angaben direkt in kg CO2.

Molekulargewicht : 12g C + 2*16 g O

= 44g CO

,

also Faktor [CO2]/ [C] = 44/12 =3,67

Quelle: IEA:World Energy Outlook 2001 Insights; www.iea.org/weo/index.htm; WEO2001_light.pdf, fig.4.13,p.93

CO2 Emission Factors by Technology (Current and Near-Term)

g CO2 pro kWh

II zum Vergleich: 331 g Kohle ergeben 1 kWh

---II 189 g Erdgas

Energieeinheiten und Größenordnungen

0.5

0.5 Energieeinheiten und Größenordnungen .51 Energieeinheiten und Umrechnungen

Das kleine und das große DreimalDrei

.52 Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch .53 Größenordnung einiger Energiespeicher und -flüsse

.531 Fundamentales zur Erde als Energiespeicher .532 Wichtige und interessante Energiespeicher .533 Wichtige und interessante Leistungen

.534 Energiedichten von Brennstoffen

.54 Wirkungsgrad , Energieaufwand und Leistungsdichten

0.6 Was ist Energie

Gesetzliche Einheiten im Meßwesen:

• Am 2. Juli 1969 wurde das “Gesetz über die Einheiten im Meßwesen”

erlassen. (siehe: BGBI.1969 I, S. 981)

• Für den geschäftlichen und amtlichen Verkehr in der Bundesrepublik Deutschland sind die SI-Einheiten (Système International d’Unités) als gesetzliche Einheiten ab 01.01.1976 verbindlich .

Definierte Einheit für Energie ^:

Joule (J) für Energie, Arbeit, Wärmemenge

Watt (W) für Leistung, Energiestrom, Wärmestrom

1 Joule (J) = 1 Newtonmeter (Nm) = 1 Wattsekunde (Ws)

Quelle: e.g. / AG-Energiebilanzen, AGEB-Vorwort.doc Abschnitt 4.1

0.51 Energieeinheiten und Umrechnungen

Vorsätze und Vorsatzzeichen für Energieeinheiten:

Kilo k 10

Tausend Mega M 10

Million Giga G 10

Milliarde Tera T 10

Billion Peta P 10

Billiarde Exa E 10

Trillion

Für die nationale und internationale Energiewirtschaft ist EJ

die richtige Größenordnung .

Das kleine DreimalDrei

0.511 Das kleine und große DreimalDrei

Übrigens: Nicht gebräuchlich, aber doch schon definiert: Zetta Z 10

Yotta Y 10

Vorschlag: Große Lösung für große Zahlen

Vorsätze und Vorsatzzeichen für sehr große Einheiten:

[ etwas very special ]

Kilo_Exa Kexa [ K

] kE 10

Mega_Exa Mexa [ M

] ME 10

Giga_Exa Gexa [ G

] GE 10

Tera_Exa Texa [ T

] TE 10

Peta_Exa Pexa [ P

] PE 10

Exa_Exa Eexa [ E

] EE 10

usw.

Mein Geheimnis etwas

very special

Vorschlag: Große Lösung für kleine Zahlen

Vorsätze und Vorsatzzeichen für sehr kleine Einheiten:

milli_atto matto ma 10

mikro_atto müatto µa 10

nano_atto natto na 10

piko_atto patto pa 10

femto_atto fatto fa 10

atto_atto aatto aa 10

usw.

Übrigens:

Nicht gebräuchlich, aber doch schon definiert: zepto z 10

yocto y 10

Warum gerade Exa und atto als Ausgangs-Größenordnung

1. Exa und atto sind zueinander reziprok ( 10

und 10

) daher ergibt sich eine symmetrische Bezeichnung

2. Die gegenwärtig gebräuchliche „Begriffsfront“ liegt bei Exa und atto

3. Die Worte Exa und atto fangen als einzige Vorsatzzahlen mit einem Vokal an und lassen sich daher zwanglos

mit den AnfangsKonsonanten

der sonstigen Vorsilben zusammenziehen . „Gexa“, „natto“

4. Im Energiebereich: EJ sehr praktische Grundeinheit

einfaches Rechnen im großen „Dreimal Drei“

Energie Einheiten ohne kcal

Quelle:e.g. /Heinloth97.Anhang A, p 484 / ; EnergieGrößen.xls

Umrechnungsfaktoren zwischen Energieeinheiten

Einheiten kJ kWh kg SKE kg ÖE

kJ 1 0,000278 3,41E-05 2,39E-05

kWh 3600 1 0,123 0,086

kg SKE 29304 8,14 1 0,700

kg ÖE 41868 11,63 1,429 1

Wirklich merken muß man sich nur die beiden fett-roten Zahlen.

Öl: Umrechnung auf Liter:

1 kg Öl = ca. 1,170 [Liter], also ergibt 1Liter Öl 9,94 kWh Faustformel:

MJ kWh

Liter Öl 36 10

0.512 Umrechnungen

Energie Einheiten

Quelle:e.g. /Heinloth97.Anhang A, p 484 /; / AG-Energiebilanzen, AGEB-Vorwort.doc/ EnergieGrößen.xls

Umrechnungsfaktoren zwischen Energieeinheiten

Einheiten kJ kWh kg SKE kg ÖE kcal

kJ 1 0,000278 0,000034 0,000024 0,239

kWh 3600 1 0,123 0,086 860

kg SKE 29308 8,14 1 0,700 7000

kg ÖE 41868 11,63 1,429 1 10000

kcal 4,1868 0,001163 0,000143 0,000100 1

Wirklich merken muß man sich nur die 3 fett-roten Zahlen.

Öl: Umrechnung auf Liter: Erdgas:

1 kg Öl = ca. 1,170 [Liter],

also ergibt 1Liter Öl 9,94 kWh Hu_Gas= 9,995

Faustformel: Ho_Gas= 11,087

MJ kWh kWh/m

Liter Öl 36 10 Heizwert 10

Brennwert 11

Ganz praktisch zu merken:

1 Mt SKE = 10

kg SKE = 10

* 7000 kcal = 10

*10

* 7 * 4,1868 [10

J] = 29,308 [PJ]

1 Mt SKE = 0,029 [ EJ ]

Mio Tonnen SKE und Exa-Joule

Klein aber oho!

1 eV = 1,6 * 10

[As *V] = 0,16 [atto Joule]

1 eV = 0,16 [ aJ ]

Elektronenvolt

Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch

Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2003, Abschnitt F, p. 39F, Energifluss.xls

0.52

Weltweiter jährlicher Energieverbrauch

Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2003, Abschnitt F, p. 39 F, Energifluss.xls

Primärenergieverbrauch der Weltregionen (1997, [EJ] )

Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2000, Abschnitt F, p. 36 F,

Abb.1: Die weltweite Verteilung des Energieverbrauchs an fossilen Energieträgern pro Kopf der Bevölkerung 1997.

Nicht berücksichtigt sind hierbei dezentrale Energiesysteme, wie z. B.

Holzfeuer zum Kochen in Entwicklungsländern (bis zu 80 % Anteil im ländlichen Bereich)

Quelle:. /BINE_BE_7: Energie im Wandel,2000, Abb1, p.1; O-Folie aus bild0700...ptt

[GJ/a]

Flotte Umrechnungen

trivial aber wichtig:

Sekunde Stunde

Sekunde 1

Minute 60

Stunde 3600 = 3,6 [ ks ] = 4*(1- 0,1) [ ks ]

Tag 86400 = 86,4 [ ks ]

Jahr 31536000 = 31,5 [ Ms ] 8760

Beispiele:

Europäer (OECD) verbrauchen im Jahr 141 [GJ /a]

141 [GJ / a] = 141/31,5 [Giga/Mega W] = 4,5 [ kW ]

Die Sonne liefert an einem schönen Tag im Juni 24 MJ/m^2

24 MJ / 3,6 k =~ 24 * {1/4 * (1+ 0,1)} *[M/k Wh]= 6,6 [kWh]

Quelle:Energifluss.xls !Zeit

Die Welt besteht seit ca. 15 [Ga] = 15*31,5 [Ps] = 0,5 [Es]

Quelle:e.g. /BINE_BE_1: Klima und Energie,1998, Abb3, p.3

Entwicklung des Weltenergieverbrauchs (in EJ ⁾

Nicht erfasst sind:

Brennholz, Dung und

andere Biomasse (Entwicklungsländer)

bisher:

Grobes Primärenergie Portfolio, exemplarischer Pfad des WBGU

Quelle: Prof.J. Luther, ISE Freiburg, Vortrag auf AKE2004F,verfügbar in http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2004F/Links_AKE2004F.htm

zukünftig ?

EJ/a

_ 1000/31,

[E/M J/s] = 31,

[TW]__

Größenordnung einiger Energiespeicher und -flüsse

0.53

Sorensen, Bent: Renewable Energy, (2000) , Academic Press, London, p.1

Planet Earth in her orbit

Speed of the Earth in her orbit around the Sun = 30 [km /s] = 108 000 [km/h]

corresponding to a kinetic energy of some 2,7 [P

J] = 2,7 [PetaExa J] =2.7x10

J

Planet Earth : rotating around her axis

Rotation of the Earth around her axis with an angular velocity of ca. 2 /24h = 7.3xl0

[rad s

] corresponding to an additional kinetic energy of 0,22 [T

J] = 0,22 [TeraExa J] =2.2x10

J

Against the gravitational attraction :

Work required

in order to pull the Earth infinitely far away from the Sun = 5,3 [P

J] = 5.3xl0

J

to separate the Earth from its Moon = ca. 80 [G

J] = 8x10

J

Fundamentales über die Erde im Weltraum

0.531 Fundamentales zur Erde als Energiespeicher

Sorensen, Bent: Renewable Energy, (2000) , Academic Press, London, p.1 +2

Heat Energy of Earth against 0 K

The kinetic energy of molecular motion, i.e. heat energy , = ca. 5 [T

J] = 5 * 10

J

This estimate represents the total heat energy , relative to the absolute zero temperature .

Atmospheric and oceanic circulation

On average present as kinetic energy in the atmospheric and oceanic circulation:

1 [k

J] = 10

[ J ]

continental height-relief :

The potential energy of the continental height relief, relative to sea level, is about 20 [M

J] = 2xl0

[ J ]

taking into account density variations in the crust (Goguel, 1976).

Energie in und auf der Erde

Sorensen, Bent: Renewable Energy, (2000) , Academic Press, London, p.2

Carbon compounds of biological materials:

Fossilisation of biological material created the deposits of coal, oil and natural gas:

of which at least 100 [k

J] = 100 [kiloExa J] = 10

J

is presently believed to be recoverable in a form suitable for fuel uses .

Current standing crops of biomass correspond

to an average of 15 [k

J] = 1,5 * 10

J.

Energie in chemischer Bindung

Sorensen, Bent: Renewable Energy, (2000) , Academic Press, London, p.2

Nuclear fission:

Spontaneously fissioning nuclear isotopes in the Earth's crust release per year

about 400 [EJ /a] = 4 * 10

J /a .

With the necessary improvements in technology (of fast breeder reactors), recoverable resources of nuclear fuels are estimated to be

of the order of 1 [M

J] = 10

J.

Energie in nuklearer Bindung

Nuclear fusion

lf fusion of deuterium nuclei to form helium nuclei could be made viable on the basis of deuterium present in sea water , this resource alone would amount to more than

10 [T

J] = 10

J.

Quelle:/ Smil-98, Table 2, p. XIV /

Größenordnung einiger „Energiespeicher“

= 200 kE J

= 10 kE J

0.532 Wichtige und interessante Energiespeicher

Quelle:/ Smil-98, Table 3, p. XV /

Größenordnung einiger „Energiespeicher“ und kumulierter EnergieFlüsse

= 5,5 ME J /a = 0,17EW * 31,5 Ms/a = 2 kE J /a

= 100 MJ / 86,4 ks = 1,16 kW

= 116 W

Typische Energiemengen

Quelle: / Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1,p.24; manuskript p.21/

K i n e t i s c h e E n e r g i e :

Fußgänger (m = 72 kg, v = 6 km/h) 100 J Rotierender Zylinder (m = 1 t, Radius r =1 m, 10 kJ

Frequenz = 1 Hz)

PKW (m = 1, 3 t, v = 100 km/h) 0, 5 MJ

EuroCity (m = 400 t, v = 220 km/h) 0, 75 GJ Großraumflugzeug (m = 300 t, v = 880 km/h) 9 GJ (Die Masse m und die Geschwindigkeit v sind so gewählt, daß sich in etwa runde Zahlen ergeben. Die Rotationsenergie des Zylinders ist E rot

mr



/4.)

P o t e n t i e l l e E n e r g i e :

Bergsteiger (m = 85 kg, Höhe = 1000 m) 0,8 MJ

Großraumflugzeug (m = 300 t, Höhe = 10 km) 29 GJ

Stausee (m = 10

t , Höhe = 500 m [theoretisch]) 48 TJ

Quelle: / Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1, manuskript p.21/

B i n d u n g s e n e r g i e :

Chemische Bindungsenergie:

C und O2 in CO2 4, 2 eV = 6, 7 · 10

J = 0,67 [aJ]

Atomare Bindungsenergie:

Ionisationsenergie in H 13, 6 eV = 21, 8 · 10

J = 2, 18 [aJ]

Nukleare Bindungsenergie:

Fusion (D+ T) pro Nukleon 3, 5 MeV= 5, 6 · 10

J = 0,56 [pJ]

235

U-Kern pro Nukleon 1 MeV = 1, 6 · 10

J = 0,16 [pJ]

F r e i s e t z u n g v o n B i n d u n g s e n e r g i e bei :

Verbrennung von 1 kg Steinkohle: 30 MJ

Verbrennung von 1 kg Erdöl: 43 MJ

Spaltung von 1 kg Uran (

U): 2 · 10

kWh = 72 TJ Fusion von 1 kg (D + T): 2 · 10

kWh = 720 TJ Explosion einer H-Bombe 5 · 10

kWh = 0,2 EJ

?

Faktor 10 überprüfen?

Quelle: / Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1,p.19+20; manuskript p.22/

F e l d e n e r g i e :

Elektr. Feldenergie, Feld der Stärke 1 kV/m in 1 m

: 4, 4 · 10

J Magnetfeldenergie, Feld der Flußdichte 1 Tesla in 1 m

: 0,4 MJ

R u h e m a s s e n e n e r g i e (E = m

c

) ^:

Ruheenergie des Elektrons (m0e

9, 11 · 10

kg):

8, 2 · 10

J= 82 [ f J ] Ruheenergie von 1 kg Materie: 9 · 10

GJ = 90 PJ Ruheenergie der Sonnenmasse (m0

1, 99 · 10

kg):

17, 9 · 10

GJ= 179 [GEE J ] Masse der chem. Energie in 1 kg Steinkohle (30 MJ): 3,3 · 10

g = 330 ng

V a k u u m e n e r g i e: (weiß jemannd was das ist?)

Vakuumenergiedichte: ca. = 5 · 10

J m

= 500 pJ m

Vakuumenergie in einer Kugel vom Radius

r =5, 8·10

m = 15facher Abstand Erde – Mond: 4 · 10

J= 400 EJ

Quelle: / Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1,p.24; manuskript p.22/

(all) tägliche S t r a h l u n g s e n e r g i e :

mittl. tägliche Sonneneinstrahlung auf 1m

in BRD: 3,1 kWh = 11 MJ tägl. Einstrahlung der Sonne auf die Erde: 4, 22 · 10

kWh = 15 · 10

EJ = 0,17 EW* 86,4 ks = 15

kEJ

15 · Zeta-J tägl. Abstrahlung der Sonne insgesamt: 9, 24 · 10

kWh = 3, 3 · 10

EJ 33 TEJ

G e m i s c h t e E n e r g i e f o r m e n :

Energie eines Gewitters oder Hurrikans: 5 · 10

kWh = 0,2 EJ Energie einer Zyklone: 5 · 10

kWh = 18 EJ !! Energie sämtlicher Gewitter auf der Erde

an einem Tag (insgesamt 44 000): 2 · 10

kWh = 7200 EJ

7,2 kEJ

(!! stimmt aber irgendwie nicht, da tägl. Einstrahlung der Sonne auf die Erde nur 15 kEJ !!)

Quelle:/ Smil-98, Table 4, p. XV /

Leistung einiger kontinuierlicher Vorgänge

S

*  * R

= 1,37 kW/m

** ( 6,4 Mm )

= 1,37 * 3,14 * 40*[ kT W] = 170[ PW] = 0,17 [EW]

**

**

= 0,17 EW =1,7 * 10

W

??

0.533 Wichtige und interessante Leistungen

Golfstrom

Quelle:/ Smil-98, Table 5, p. XV /

Leistung einiger kurzzeitiger Ereignisse

1000 Bomber mit je 4 t Bomben in 1 h:

Sprengkraft: ca. 0,5 * 36 MJ / kg =5 kWh/kg = 5 MWh / t Also:

1 k * 4 t /h * 5 MWh/ t = 20 GW

armes K, armes HH, armes Dresden, armes Tokyo

Quelle:/ Smil-98, Table 6, p. XVI /

Energiedichten von „Brennstoffen“

aller Art

Messlatten:

Tagesration

für Menschen: 10 [ MJ ] = 10.000 [kJ]

Liter Heizöl : 36 [ MJ ] = 10 kWh

0.534 Energiedichten von Brennstoffen

Quelle:/ Smil-98, Table 7, p. XV I/

Wirkungsgrade einiger

Energie-Wandler

0.54 Wirkungsgrade, Energieaufwand, Leistungsdichte

Tabelle 1.2: Energieumwandlung und Energiewirkungsgrad  (in Prozent) typischer Energiewandler.

In der linken Spalte steht die Energieform vor der Umwandlung,.

In der oberen Zeile steht die Energieform nach der Umwandlung.

WKM = Wärmekraftmaschine.

Wirkungsgrad typischer Energiewandler

Quelle: / Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1, Tabelle1.2,p.31; manuskript p.28/

WKM =Wärmekraftmaschine

100-400

Wärmepumpe

59 35 GUD:59

PEM_FC:35

Quelle:/ Smil-98, Table 8, p. XVII /

Energieaufwand für

einige Materialien

Strom !

3,6 MJ =1 kWh

Quelle:/ Smil-98, fig.1, p. XVIII /

Leistung auf der Fläche

einiger

Quellen und Senken

Eine Messlatte:

max. Solarstrahlung:

1 kW/m

mittlere

solare Einstrahlung in BRD: 100 W /m

Power densities of various energy production

consumption phenomena.

Quelle:/ Smil-98, fig.2, p. XVIII /

Leistungsdichten und Ausdehnung von Quellen und Senken

Typical ranges of

areas and power densities

in large-scale modern

energy production (lines)

and in

household and industrial consumption (dots).

kW/m

W/m

Quelle:

/ BMU: Erneuerbare Energien 1999, p66,

UrQuelle: DLR, J.Nitsch Erneuerbare_Energien_14.pdf/

Natürliches Angebot erneuerbarer Energien

Das natürliche Angebot der erneuerbaren Energien (hintere Quader)

ist außeror-dentlich groß.

Die daraus technisch gewinn-baren

Energiemengen in Form von Strom, Wärme und

chemischen Energieträgern (vordere Quader)

übertreffen den derzeitigen Weltenergieverbrauch (Grauer Quader)

um das etwa Dreifache.

Was ist Energie

0.6

Was ist eigentlich Energie ?

1. Richard F. didn‘t know

Der Energiebegriff ist so fundamental, dass man die elementare Frage „Was ist Energie?“ gar nicht so einfach beantworten kann.

Zum Trost schrieb Richard Feynman in seinen „Lectures on Physics“:

„

It is important to realize that in physics today we have no knowledge of what energy is.

We do not have a picture that energy comes in little blobs of a definite amount.

“

2. Begnügen wir uns also mit:

• 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik

• E = mc

„ an amusing and attractive thought“

( O-Ton Albert E. in einem Brief an einen Freund )

• der Rechnung der Stadtwerke: (ohne Verrechnungs- bzw. Leistungspreis) 1 kWh Strom :: 20 [cents] (linearer Tarif , brutto))

1 kWh „Heizgas“ :: 6 [cents] (H

)

Quelle:/ V. Smil: „Energies“, MIT Press, Cambridge/Mass, (1998), p.VIII / , ISBN 0-262-19410-4

Table 5 Powers of Short-Lived Phenomena ~ Energy flows Duraclon Power Richter magnimde 8 earthquake Large volcanic eruption Thunderstorm's kinetic energy Large WWII bombing raid Average U.S. tornado Four engines ofBoeing 747 Watt's largest steam engine Running IOO-m dash Machine-washing laundry Playing a CD Candle burning to the end Hummingbird flight 30 s 10 h 20 min Ih 3min loh lOh 10 s 20 min 60 min 2h 3min 1.6PW 100TW 100 GW 20GW 1.7GW 60MW 100 kW 1.3kW 500W 25W 5W 0.7W

Table 6 Ranges of Energy Densities of Common Fuels and Foodstuffs 1,- Energy density (MJ/kg) Hydrogen 114.0 Gasolines 46.0- 47.0 Cmde oils 42.0-44.0 Pure plant oils 38.0-37.0 Natural gases 33.0.:-37.0 Butter 29.0-30.0 Ethanol 29.6 Best biturninous coals 27.0-29.0 Pure protein 23.0 Common steam coals 22.0-24.0 Good lignites 18.0-20.0 Pure carbohydrates 17.0 Cereal grains 15.2- 15.4 Air-dried wood 14.0-15.0 Cereal straws l2.0-15.0 Lean meats 5.0-10.0 Fish 2.9-9.3 Potatoes 3.2-4.8 Fruits 1.5-4.0 Human feces 1.8-3.0 Vegetables 0.6-1.8 Urine 0.1-0.2

Table 7 Efficiencies of Common Energy Conversions (percent) Conversions Energies Efficiencies Large electricity generators M -+ e 98-99 Large power-plant boilers c -+ t 90-98 Large electric motors e -+ rn 90-97 Best horne natural-gas furnaces c -+ t 90-96 Dry-cell batteries c -+ e 85-95 Human lactation c -+ c 85-95 Overshot waterwheels rn-+ rn' 60-85 Small electric motors e -+ rn 60-75 Large steam turbines t -+ rn 40-45 Improved wood stoves c -+ t 25-45 Large gas turbines c -+ rn 35-40 Diesel engines c -+ rn 30-35 Mamma1ian postnatal growth c -+ c 30-35 Best photovoltaic cells r -+ e 20-30 Best large steam engines c -+ rn 20-25 Intemal combustion engines c -+ rn 15-25 High-pressure sodium lamps e -+ r 15-20 Mamma1ian muscles c -+ rn 15-20 Traditional stoves c - + t 10-15 Fluorescent lights e-+ r 10-12 Steam locomotives c -+ rn 3-6 Peak crop photosynthesis r -+ c 4-5 Incandescent light bulbs e -+ r 2-5 Paraffin candles c -+ r 1-2 Most productive ecosysterns r -+ c 1-2 Global photosynthetic mean r -+ c 0.3 Energy labels: c- chemical, e -electrical, m- mechanical (kinetic), r-radiant (electromagnetic, solar), t-thettnal

Table 8 Typical EnerRY Costs ofCommon Materials (MJ/kg) Material Aluminum Bricb Cement Copper Glass Iron Limestone Nickel Paper Polyethylene Polystyrene Polyvinylchloride Sand Silicon Steel Sulfuric acid Titanium Water Wood Energy cast 227-342 2-5 5-9 60-125 18-35 20-25 0.07-0.1 230-70 25-50 87-115 62-108 85-107 0.08-0.1 230-235 20-50 2-3 900-940 0.001-0.01 3-7 Made or extracted from Bauxite Clay Clay and limestone Sulfide ore Sand, etc. Iron ore Sedimentary rock Ore concentrate Standing timber Crude oil Crude oil Crude oil Riverbed Silica Iron Sulfur Ore concentrate Streams, reservoirs Standing timber

Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch

Primärenergieverbrauch:

[EJ] ^[%]

Welt (1997) 398 ¹⁰⁰

USA (1997) 91 ²³

Deutschland (1997) 14 ^{,5 3,6}

Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2000, Abschnitt F, p. 36 F, Energifluss.xls

0.52

Primärenergieverbrauch (1997):

[EJ]

[EJ]

Welt (1997) 398 ¹⁰⁰ Welt (1997) 398 ¹⁰⁰

Asien 134 34 China 47 12

Nordamerika 106 27 USA 91 23

Südamerika 19 5 0 0

Europa 77 19 Deutschland 14,

3,6

frühere SU 38 9

Afrika 20 5

Ozeanien 5 1

Weltweiter jährlicher Energieverbrauch

Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2003, Abschnitt F, p. 39 F, Energifluss.xls