Energie und Klimawandel 0. Einführung - extended abstract 0.1 Warum interessiert uns das Thema 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
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Energie und Klimawandel 0. Einführung - extended abstract 0.1 Warum interessiert uns das Thema 0.2 Einige Fakten zur Einführung in die Problematik... 0.3.
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Energie und Klimawandel
0. Einführung - extended abstract 0.1 Warum interessiert uns das Thema
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 KlimawandelDr. rer. nat. Gerhard Luther
Forschungsstelle Zukunftsenergie, c/o Technische Physik-Bau38, Universität des SaarlandesTel.: 302-2737; e-mail: [email protected]
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
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
3.1 Kernfusion in den Sternen und auf Erden 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 einDetail 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
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: CO2 release from transport of fuels and from flares; CH4 leakage from oil and gas fields and pipelines, and N2O 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
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 O2 = 44g CO2 ,
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 kWhel
II zum Vergleich: 331 g Kohle ergeben 1 kWhth --------------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.
Quelle: e.g. / AG-Energiebilanzen, AGEB-Vorwort.doc Abschnitt 4.1
0.51 Energieeinheiten und Umrechnungen
Vorsätze und Vorsatzzeichen für Energieeinheiten:
Kilo k 103 TausendMega M 106 MillionGiga G 109 MilliardeTera T 1012 BillionPeta P 1015 BilliardeExa E 1018 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 1021
Yotta Y 1024
Vorschlag: Große Lösung für große Zahlen
Vorsätze und Vorsatzzeichen für sehr große Einheiten: [ etwas very special ]
Kilo_Exa Kexa [ Kx ] kE 1021
Mega_Exa Mexa [ Mx ] ME 1024
Giga_Exa Gexa [ Gx ] GE 1027
Tera_Exa Texa [ Tx ] TE 1030
Peta_Exa Pexa [ Px ] PE 1033
Exa_Exa Eexa [ Ex ] EE 1036
usw.
Mein Geheimnis
etwas very special
Vorschlag: Große Lösung für kleine Zahlen
Vorsätze und Vorsatzzeichen für sehr kleine Einheiten:
milli_atto matto ma 10-21
mikro_atto müatto µa 10-24
nano_atto natto na 10-27
piko_atto patto pa 10-30
femto_atto fatto fa 10-33
atto_atto aatto aa 10-36
usw.
Übrigens:Nicht gebräuchlich, aber doch schon definiert: zepto z 10 -21
yocto y 10-24
Warum gerade Exa und atto als Ausgangs-Größenordnung
1. Exa und atto sind zueinander reziprok ( 1018 und 10-18) 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
Klein aber oho! 1 eV = 1,6 * 10-19 [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
Planet Earth in her orbitSpeed 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 [PxJ] = 2,7 [PetaExa J] =2.7x1033 J
Planet Earth : rotating around her axisRotation of the Earth around her axis with an angular velocity of ca. 2 /24h = 7.3xl0-5 [rad s-1]
corresponding to an additional kinetic energy of 0,22 [TxJ] = 0,22 [TeraExa J] =2.2x1029 J
Against the gravitational attraction :Work required in order to pull the Earth infinitely far away from the Sun = 5,3 [PxJ] = 5.3xl033 J to separate the Earth from its Moon = ca. 80 [GxJ] = 8x1028 J
Spontaneously fissioning nuclear isotopes in the Earth's crust release per year
about 400 [EJ /a] = 4 * 1020 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 [MxJ] = 1024 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 [TxJ] = 1031 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
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.
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 knowDer 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 = mc2 „ 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] (Hu)
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 23Südamerika 19 50 0
Europa 77 19 Deutschland 14,5 3,6frühere SU 38 9
Afrika 20 5Ozeanien 5 1
Weltweiter jährlicher Energieverbrauch
Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2003, Abschnitt F, p. 39 F, Energifluss.xls