Teil 1: Nutzung und Bereitstellungtheorie1.physik.uni-erlangen.de/teaching/2011s/fa2011_sarntal/wp... · Stromgestehungskosten 10 – 20c/kWh 38 . 39 Theoretisches Potential: 1000

Teil 1: Nutzung und Bereitstellung

Johannes Lang Ferienakademie 2011

1. Energie- und Stromversorgungssituation

heute

2. Prognosen für Stromverbrauch und Erzeugung

3. Nutzung des Stroms im Detail

4. Bereitstellung des Stroms

5. Beispielhafte Betrachtung:

KWK vs. GuD + Wärmepumpe

6. Zusammenfassung

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Primärenergie: Aus den natürlichen

Ressourcen verfügbare Energie (ohne

Umwandlungsprozesse)

Endenergie: Energie, die letztendlich beim

Verbraucher ankommt

Exergie: Teil der Gesamtenergie, der Arbeit

verrichten kann

Leistungskredit: Teil der installierten Leistung,

welcher durch eine Anlage substituiert werden

kann

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1 MWh/a = 3,6 GJ/a

≈ 114 MW

≈ 85,98 kg ÖE/a (Öleinheit)

≈ 122,84 kg SKE/a (Steinkohleeinheit)

≈ 3,78x10ˉ PE/a (Pyramideneinheiten)¹

¹ hierbei wurde mit einem Pyramidenvolumen von 2500000 m³ und einer

Dichte von Steinkohle von 1,3 t/m³ gerechnet

4 http://de.wikipedia.org/wiki/Cheops-Pyramide

Primärenergie: Dtl. (2010): 14021 PJ ¹ (≈ 134 PE)

weltweit (2007): 504 EJ² (≈ 4800 PE)

Endenergie: Dtl. (2007): 8581 PJ³ (≈ 82 PE)

weltweit (2007): 347 EJ² (≈ 3305 PE)

¹ Nach Zahlen des Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

http://www.bmwi.de/BMWi/Navigation/Presse/pressemitteilungen,did=374818.html

² „Key World Energy Statistics 2009“ der internationale Energieagentur:

http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2009/key_stats_2009.pdf

³ Nach einer Studie er Deutschen Physikalischen Gesellschaft

http://www.dpg-physik.de/veroeffentlichung/broschueren/studien/energie_2010.pdf

5

Anteil an der Endenergie:

weltweit: 17,1 %¹ ≈ 59,3 EJ ≈ 565 PE

Deutschland: 22 % ≈ 1888 PJ ≈ 18 PE

¹ „Key World

Energy Statistics

2009“ der

internationale

Energieagentur:

http://www.iea.org/

textbase/nppdf/fre

e/2009/key_stats_

2009.pdf

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7

Nach „Key World Energy Statistics 2009“ der internationale Energieagentur:

http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2009/key_stats_2009.pdf

Gemäß dem World Energy Outlook 2009 der Internationalen Energieargentur

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9 http://www.nextnature.net/2007/11/walking-energy-cells/

Unsicherheiten:

Trends sind schwer abschätzbar (z.B. Internet,

Mondstationen)

Politische Entscheidungen beeinflussen die

erwartete Entwicklung in unabsehbarer Weise

Quantensprünge in der Entwicklung treten

unvorhersehbar auf

Bsp.: Nuklearkatastrophe von Fukushima

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http://de.wikipedia.org/wiki/Fukushima_I

Europäische Maßnahmen:

20-20-20 Formel:

-20% CO2 gegenüber 1990 bis 2020

20% der Endenergie aus erneuerbaren Energien bis

2020

Verschärfung dieser Ziele 2010 auf -30% CO2

Deutsche Maßnahmen

Zahlreiche Förderprogramme für erneuerbare

Energien

40% Szenario des Umweltbundesamts

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www.freetagger.com/ bild-mein-arbeitsplatz

88,6 % des Energiebedarfs für

Wärmeanwendungen (= 150 – 300 kWh/a)

Hier besteht viel Einsparpotential

Dies ermöglicht eine Reduktion des

Energiebedarfs auf 40 bis 60 KWh/a

Restlicher Endenergiebedarf:

5% Kühlen und Gefrieren

je <2% für Licht und Kommunikation

Diese Bereiche wird zum Großteil mit Strom bedient

Starke Zuwächse (Komfort, Zweitgeräte, steigendes

Durchschnittsalter)

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Hier besteht wenig Einsparpotential Effizienzsteigerungen

Reduktion von Stand-by-Verlusten

Aber kaum in der Beleuchtung (Leuchtstoffröhren )

Effizienzerhöhung um 20% bis 2020 scheint möglich, diese wird allerdings vom erwarteten wirtschaftlichen Zuwachs bei weitem übertroffen

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Hier gestaltet sich die Prognose sehr

schwierig, da sehr viele verschiedene

Verbraucher exisiteren.

Zusammengefasst werden 30% Zuwachs des

Energieverbrauchs bei einer

Effizienzsteigerung um 20% bis 2020 erwartet

Die Effizienzsteigerung ist schwierig

vorherzusagen, da sie stark von den

politischen Anreizen zum Stromsparen

abhängt.

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Elektrifizierungsgrad: 90%

Hier ist der mit Abstand größte

Stromverbraucher die Bahn

Vergleich:

138 g CO2/Pkm (Straße)

46g CO2/Pkm (Bahn)

In vielen Industrieländern (z.B. Frankreich,

England): Straßenbahnbau, denn:

Wirtschaftlicher als Bus

Günstiger als der Bau neuer U-Bahnlinien

18 http://www.kurs2.jummgis.webandworld.net/eisenbahn.html

Battery electronic vehicle (BEV): rein batterie-

betriebenes Elektrofahrzeug

Plug-in hybrid electric vehicle (PHEV):

Kombination aus Elektro- und Verbrennungs-

motor, allerdings mit einer größeren Batterie

als bei einem gewöhnlichen Hybrid

19 http://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_Roadster http://en.wikipedia.org/wiki/Plug-in_hybrid

Wie sinnvoll ist ein Elektroauto?

Vergleich der Energieeffizienz:

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Knackpunkt Batterie: Kosten: 333€/MJ (= 1200 €/kWh)

(= 24000 €/100 km Reichweite¹)

Lebensdauer: 1500 – 2500 Zyklen

Gewicht: mit Halterung ca. 330 kg/100km Reichweite¹

Energiedichte: 468-540 kJ/kg (=130-150 Wh/kg)

(vgl. Benzin: 12 kWh/kg)

In allen Bereichen noch etwa Faktor 5 bis zur Konkurrenzfähigkeit

¹Für einen Mittelklassewagen mit 20kWh/100km

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Zur Prognose:

Alternative der Brennstoffzelle wird sich vermutlich

langfristig für große Reichweiten durchsetzen

Auch im konventionellen Automobilbau werden noch

erhebliche Verbesserungen der Effizienz (20-30%)

erwartet

Da die Batterien noch deutlich verbessert werden

müssen ist der Erfolg dieser Technik nicht gesichert

≥ 20 Jahren bis zur Konkurrenzfähigkeit des

Elektroautos aus.

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23 www.fusion.kit.edu/85.php http://en.wikipedia.org/wiki/Geothermal_energy

http://de.wikipedia.org/wiki/Hoover-Staudamm

http://de.wikipedia.org/wiki/Solarthermisches_Kraftwerk

http://www.solarzelle.net/windenergie.htm

http://de.wikipedia.org/wiki/Biogasanlage

http://de.wikipedia.org/wiki/Atomkraftwerk_Neckarwestheim

http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlekraftwerk

Großes Potential: 80% CO2 Einsparung bis

2050 geplant

Abscheidung:

Wirkungsgradeinbußen (ca. 10%)

Abscheidefähigkeit (ca. 85-95% des CO2)

Umrüstung alter Anlagen ist sehr schwierig

Verfügbarkeit erwartet ab 2030

Window of Opportunity: ca. 2020

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Speicherung:

Optionen:

Lösung im Meer

Meeresgrund

Ölfelder und Aquifere

CO2 -Recycling

Gefahren bisher noch weitgehend ungeklärt

Ölfelder seit einigen Jahren in Erprobung

Erwartete CO2-Vermeidungskosten:

35-50 €/t CO2

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Sehr geringe CO2-Emissionen, die fast ausschließlich vom Bau stammen

KKW decken 14% des Strombedarfs weltweit und 23% in Deutschland

Reichweite des Brennstoffs, bei bisherigen Gewinnungskosten und Verbrauch:

82 Jahre

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Große Bedeutung für die erneuerbaren

Energien

Grund- und Regellastfähigkeit

Ersatz durch Kohle und Gaskraftwerke

Prognosen von 2009: starker Zuwachs der

Energie aus Kernkraftwerken bis 2050.

Probleme:

Abfall

Gefährdungspotential

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Aktuelle Situation:

2009: 6,3% der deutschen Stromproduktion: 136 PJ

(37,8 TWh)

2008: 1,2% der Weltproduktion: 936PJ (260 TWh)

Schneller Ausbau (Nennleistung, Zahlen von 2008):

USA: 31,6 GW

China: 23,8 GW

Deutschland: 6,6 GW

Hohe Installationskosten: 4200 €/kW (offshore)

Zubau hauptsächlich (offshore)

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Windkraft erfordert sehr viel Regel- und Reserveleistung: Momentan: 10% Leistungskredit an konventionellen

Kraftwerken

2030: 3%Leistungskredit erwartet

Schon heute ist die Regelfähigkeit gelegentlich überschritten

Es ergibt sich also ein großer Bedarf nach Ausbau des Stromnetzes.

„Leitszenario 2009“:

2020: 346 PJ/a (96 TWh/a)

2030: 587PJ/a (163 TWh/a)

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Stauseen: Hoher Ausbaugrad schon erreicht

Wellenenergie: Benötigt viel Fläche

Wellen in der Nordsee relativ niedrig (ca. 1,5 Meter)

Noch Probleme mit der Sturmfestigkeit

Günstige Stromerzeugungskosten (ca. 10c/kWh) erwartet

Tidenhub- und Osmosekraftwerke: Nur an Küsten möglich, daher wenig Potential

Meereswärmekraftwerke: Bisher noch sehr unerforscht

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Aktuelle Situation: 2 Mio. ha. (14%) Anbaufläche in Deutschland

2,7 GW (= 23,4 TWh/a) in vielen kleinen Anlagen mit niedrigem Wirkungsgrad

8% der Primärenergie

Prognose: 2020 ca. 42% der landwirtschaftliche genutzten

Fläche für Energiepflanzen

Großes Potential: 30% der Primärenergie der Welt könnte alleine in Europa gedeckt werden

Langfristig 10-15% Bruttostrom in Deutschland erwartet

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Probleme: Flächenkonkurrenz : 100 l Ethanol (ca. 1000 km)

oder 1 Jahr ausreichend Essen (Weizen)

Bereits heute +70% bei Nahrungspreisen (v.a. wegen Treibstoffen)

Nicht NOx, SOx neutral

Rodungen und Düngung erforderlich

Daher neue Pflanzentypen benötigt: Tundra bebaubar

Höhere Erträge

Mehrjährige Pflanzen

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Ungleiche Verteilung der Strahlungsintensität 1km² ergeben 90 MW im jährlichen Mittel

Bau nur in südlichen Ländern rentabel Abhängigkeit

Notwendigkeit der Stromübertragung (ca. 20% Verlust bei Strom aus der Sahara)

Vermeidung von Regelleistung durch Biomassebefeuerung und Wärmespeicher

Hohe Investitionskosten

Für hohe Wirkungsgrade ist Frischwasser erforderlich

Stromgestehungskosten 10 – 20c/kWh

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Theoretisches Potential: 1000 EJ/a

Bisher 10,5 GW (= 331 PJ/a)

Verschiedene Techniken: Hydrothermische Systeme: Aquifere mit ausreichender

hydraulischer Leitfähigkeit bereits gegeben

Petrothermische Systeme: ingenieurtechnische Behandlungen müssen erst ausreichende Permeabilität erreichen

Deutschland: Wenig Standorte, ca. 5000 m Tiefe erforderlich

Gesteinsabkühlung und Erdbeben möglich

60g CO2/kWh (Konstruktion > 80%)

Investitionskosten hoch (15 €/Wnominal)

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Erst in der Entwicklung, erster Einsatz um 2050

Ungefährlich im Betrieb

Keine langlebigen Isotope erwartet

Energieproduktion pro Kraftwerk hoch

Praktisch unbeschränkte Rohstoffe (Brüten)

Voraussichtlich sehr günstiger Strom (abhängig

von der Lernkurve)

Bisher noch unklar, ob Umsetzung gelingt

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43 http://de.wikipedia.org/wiki/Kraft-Wärme-Kopplung

http://www.siemens.com/press/de/pressebilder/?press=/de/pressebilder/2009/fossil_power_generation/efpg20041101-01.htm

http://www.weishaupt.de/mainProdukte/produkteWP/WP-WW-Produkt/

Was ist ein Kreisprozess? Periodisch ablaufende Zustandsänderungen eines

Arbeitsmediums

Er wird immer als reversibel angenommen D.h. Prozess überall im Gleichgewicht

Umkehrung möglich

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Der Carnotzyklus

Wirkungsgrad:

η = 1 – Tkalt/Twarm

Dieser lässt sich durch große Temperaturdifferenzen erhöhen

Ist der maximale Wirkungsgrad für einen Kreisprozess

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Funktionsweise

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http://de.wikipedia.org/wiki/BHKW

Gegenüberstellung der Wirkungsgrade

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In der Industrie, bei streng definiertem

Dampfbedarf ist eine KWK-Anlage energetisch

unschlagbar

Aufgrund der besseren Passgenauigkeit für die

jeweilige Anwendung ist die

GuD + Wärmepumpe jedoch für die

Versorgung privater Haushalte deutlich

überlegen

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Stromnutzung wird in den nächsten Jahren

deutlich zunehmen, aber Sparsamkeit ist geboten

CCS dringend notwendig für klimapolitische Ziele

Kein Königsweg unter den erneuerbaren Energien,

die Mischung macht‘s

Atomkraft ist dabei ein wichtiges Element

Schlüsselenergie:

GuD-Anlagen und Wärmepumpen

Steigende Anzahl elektrischer Anwendungen

Steigender Komfort und Alterung der Bevölkerung

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Weitere Quellen: http://www.bp.com/sectionbodycopy.do?categoryId=7500&contentId=7068481

http://www.dpg-physik.de/veroeffentlichung/broschueren/studien.html

Prof. Rief: Vorlesung zur Experimentalphysik, WS 2009/10 TU München

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