4 Fossile Energieträger

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1 4 Fossile Energieträger Lateinisch: FOSSILIUS = ausgegraben Vorkommen als ÖLE Kohlen Gase H. Podlech 1

2 Inhalt Fossile Energieträger Allgemeine Einführung Entstehung t Vorkommen Kraftwerke Turbinen Stromerzeugung Heizwärme Treibhauseffekt Dieselmotor Ottomotor H. Podlech 2

3 Dominanz der fossilen Energieträger Weltweiter eiter Energiebedarf: 75% Prozess- und Heizwärme: 73% Elektrische Energie: 66 % Treibstoffe: 94% H. Podlech 3

4 Grundreaktion bei fossilen Energieträgern C + O 2 CO ev Masse des entstehenden Kohlendioxids ist ca 3 mal so groß wie die des umgesetzten Kohlenstoffs Verbrauch eines Autos: 8l/100 km 80 ml/1 km 64 g/km 200 g CO 2 /1 km 100 l Volumen/1 km H. Podlech 4

5 Energiedichte Fossile Energieträger zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus 1 kg Kohle: 8 kwh 1l Erdöl (0.86 kg): 10 kwh 1 m 3 Erdgas (0.8 kg): 9 kwh Gute Transportfähigkeit Preisgünstig (immer noch) H. Podlech 5

6 Energiedichte Wasserkraftwerk mit 10 m 3 aus h=300 m 8kWh Moderne Bleiakkus haben Speicherkapazität von bis zu 40 Wh/kg Um W=8 kwh zu speichern: 200 kg KFZ mit 3l/100 km: 200 kg/100 km H. Podlech 6

7 Energiedichte Treibstoff Energiedichte [kwh/kg] Antriebskomponente mittlerer Wirkungsgrad des Antriebs Gesamtmasse des Energiespeichers in kg für 100 kwh nutzbare Energie Strom aus Bleiakkumulator 0,03 Elektromotor mit Nutzbremse 95 % bis zu 97 % 2700 Strom aus Lithium Ionen Akku 0,13 Elektromotor mit Nutzbremse 95 % bis zu 97 % 623 Dieselkraftstoff 11,8 Dieselmotor 25 % mit Getriebe 23,5 % 36 (+50 Tankbehälter) Superbenzin 12,0 Ottomotor mit Getriebe 15 % 14 % 59 (+50 Tankbehälter) Flüssiger Wasserstoff 33,3 Wasserstoffspeicherung Brennstoffzelle PAFC Elektromotor 38 % 95 % 8,3 (+600 Tanksystem (schwerer Tank )) H. Podlech 7

8 Vorkommen und Entstehung Fossiler Energieträger Heutige Vorstellung: Entstehung aus biologischem Material über große Zeiträume (mehrere 100 Mio Jahren) Licht CO 2 +H 2 O Biomasse + O 2 Photosynthese Druck, O 2 -Mangel Kohle, Öl, Gas H. Podlech 8

9 Entstehung Kohle Zersetzung organischer Materie (Lignin, Cellulose) unter Druck, hoher Temperatur und Sauerstoffmangel Umwandlung komplexer in einfacher strukturierte Materie Entweichen von gasförmigen Komponenten (Methan, Erdgas) Vorgang g der Inkohlung mit relativer Zunahme des C-Gehaltes Stationen: Torf, Weich- und Hartbraunkohle, Steinkohle, Anthrazit H. Podlech 9

10 Struktur Kohle (Beispiel) K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 10

11 Nutzung von Kohle: Vergasung Erzeugung von Wasserstoff oder Methan aus Kohle mit Prozesstemperaturen bis 1000 C C + (2H 2 O) D CO 2 + 2H 2 2C + (2H 2 O) D CO 2 + CH 4 H. Podlech 11

12 Nutzung von Kohle: Verflüssigung Aufbrechen der komplexen Kohlestruktur und Anlagerung von Wasserstoff an die Bruchstücke Direkte Hydrierung bei P=200 Bar und T=450 C Verflüssigung von Synthesegasen mit Katalysatoren: Bildung von CH 2 -Radikalen, die dann längerkettige Kohlenwasserstoffe bilden 2-3 t Kohle pro 1 t Treibstoff Kosten pro Liter > 1 H. Podlech 12

13 Entstehung Öl Entstehung aus pflanzlichen und tierischem Plankton Ablagerung mit Kalk- und Tonschlamm als Faulschlamm Unter Sauerstoffabschluss mit anaeroben Bakterien und Druck Umwandlung komplexer Materie (Proteine, Fette, Kohlenhydrate) zu einfachen Kohlenwasserstoffen Äußerer Druck presst das Öl in Kavernen H. Podlech 13

14 Charakterisierung von Öl Heizwert Dichte Schwefelgehalt Zusammensetzung C(%) H(%) S(%) O(%) N(%) H. Podlech 14

15 Veredelung von Rohöl Gemisch von verschiedenen flüssigen Kohlenwasserstoffen Destillation Raffinierung von Erdöl Kosten: 0.1 /l Energieaufwand: 5-10% H. Podlech 15

16 Veredelung von Rohöl Optimierung der Treibstoffausbeute mit Steamcrackern C 25 H 52 C 3 H 6 + C 4 H 10 + C 8 H 16 + C 10 H 20 Sehr hoher apparativer Aufwand, p=250 bar H. Podlech 16

17 Entstehung von Erdgas Folgeprodukt von Kohle und Mineralöl Flüchtiger Bestandteil Umwandlung von Öl zu Gas bei hohen Temperaturen Gas immer Beiprodukt von Öl Gasvorkommen ohne Öl H. Podlech 17

18 Charakterisierung von Erdgas Zusammensetzung (Mittelwerte) Methan (CH 4 ): 76.6% Ethan (C 2 H 6 ): 4.8% Propan (C 3 H 8 ): 1.4% Butan (C 4 H 10 ): 0.8% Pentan (C 5 H 12 ): 0.5% CO 2 : 55% 5.5% N 2 : 5.9% H 2 : 4.5% Indonesisches Erdgas: CO 2 -Gehalt 30% g 2 H. Podlech 18

19 Vorkommen fossiler Energieträger weltweit in Mrd tske Zahlenwerte variieren 30% je nach Studie K. Heinloth, Die Energiefrage H. Podlech 19

20 Vorkommen von Mineralöl (konventionell) Verbrauch: 4 Mrd t/jahr Förderkosten: Naher Osten: 1-5 $/Barrel Nordsee: $/Barrel Fracking: $/Barrel 50100$/Barrel 1 Barrel 159 l K. Heinloth, Die Energiefrage H. Podlech 20

21 Kohlevorkommen weltweit (z.z. zugänglich) Indien, China, Südafrika $/t Australien, USA, Canada $/t D $/t Subvention in D: /person/a K. Heinloth, Die Energiefrage H. Podlech 21

22 Braunkohle Kohleförderung Steinkohle Tagebau Untertagebau Tiefen bis 1500 m H. Podlech 22

23 Tagebau von Braunkohle Garzweiler II Abbauzeitraum 2006 bis 2045 Fläche 48 km 2 Kohleinhalt Förderung Flöztiefe 1.3 Mrd t Mio t/a 210 m Kohle-Abraum-Verhältnis 1:5 CO 2 -Emissionen 1 t Kohle = 1 t CO 2 Restsee 185 m tief, A=23 km 2,V=2 Mrdm 3 Umsiedlung 7600 Menschen in 18 Ortschaften H. Podlech 23

24 Tagebau von Braunkohle Garzweiler II H. Podlech 24

25 Vorkommen von Erdgas Verbrauch: 2.9 Mrd tske/jahr 3 Bio m 3 /Jahr K. Heinloth, Die Energiefrage H. Podlech 25

26 Vorkommen von Erdgas in Methanhydraten Methan bildet mit Wasser unter Hohem Druck Methanhydrat (instabil unter Normbedingungen) H. Podlech 26

27 Nutzung von fossilen Energieträgern zum Heizen Wirkungsgrad der chemischen Umwandlung (Verbrennung) Chemische Energie Nutzenergie Klassischer Kohleofen: 50-70% Modernes Heizkraftwerk : 90% η =Nutzbare Heizwärme/freigesetzte Verbrennungswärme H. Podlech 27

28 Heizwärme Frage: Wieviel Heizwärme braucht ein Mensch? Für den Stoffwechsel braucht ein Mensch 100 W Nach Stefan-Boltzmann gilt Mit T=37C und A=2m 2 ergibt sich ein Abstrahlung von 1050 W H. Podlech 28

29 Heizwärme Bei T=29C ist die Absorption 950 W Bei T=29C ist die Gesamtbilanz null keine Kleider oder Heizung Bei T=20C ist die Einstrahlung 840 W 110 W Verlustleistung Frieren Heizung und/oder Isolation Heizbedarf in Deutschland: Wohnungen: 2100 PJ = 580 Mrd kwh Büros, : 1000 PJ = 280 Mrd kwh H. Podlech 29

30 Heizwärme Heizbedarf für Wohnungen: Mittelwert für alle Wohnungen: 180 kwh/m 2 a Einfamilienhäuser: 250 kwh/m 2 a Mehrfamilienhäuser: 130 kwh/m 2 a KfW 70 Haus: <60 kwh/m 2 a Mittlerer Heizbedarf pro Person: P=1.7 kw kwh/a 1176 kgske H. Podlech 30

31 Kraftwerkstechnik Feuerungssysteme Dampferzeuger Turbinen Kreisprozesse Generatoren Kühlsysteme Rauchgasreinigung MHD-Wandler H. Podlech 31

32 Kraftwerkstechnik H. Podlech 32

33 Verbrennungstechnik Vorgänge bei der Verbrennung sind sehr komplex Aufheizung des Kohleteilchens Austritt der flüchtigen Bestandteile Gemischbildung mit der Verbrennungsluft Zündung und Verbrennung e der Flüchtigen Zündung und Verbrennung des Restkokses H. Podlech 33

34 Verbrennungstechnik Stöchiometrische Verbrennung von 1 kg Kohle erfordert 8.5 kg Luft Für gleichmäßiges Gemisch Luftkugel von dem 30-fachen Durchmesser des Kohleteilchens Ausbrennzeiten als Funktion der Partikelgröße Partikeldurchmesser Sauerstoffpartialdruck Mischverhältnis in der Flamme Mittlere Flammentemperatur K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 34

35 Feuerungsanlagen Rostbefeuerung Schichthöhe: 100 mm Geschwindigkeit: 2-15 m/s Rostbelastung: 1 MW/m 2 Luftgeschwindigkeit unten: 4-5 m/s Luftgeschwindkeit oben: 100 m/s K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 35

36 Feuerungsanlagen Rostbefeuerung mit Wurfbeschickung K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 36

37 Feuerungsanlagen Wirbelschichtbefeuerung Einströmendes Gas mit Bettasche (Sand) erzeugt eine selbst durchmischende Bewegung Gleichmäßige Temperatur Keine Temperaturspitzen Weniger Stickoxide NO x K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 37

38 Dampferzeuger Verdampfung und Überhitzung großer Massenströme (einige 1000 t/h) unter hohem Druck (einige 100 bar) Kurze Anfahrzeiten Hohe Laständerungsraten (10%/min) Hohe Wirkungsgrade g Lange Reisezeiten und hohe Verfügbarkeit Zeit ununterbrochenen Betriebs zwischen 2 Revisionen (1-2 Jahre) H. Podlech 38

39 Rauchgasreinigung Die inerten Bestandteile der Brennstoffe treten als Stäube auf Entstehung von SO 2 Entstaubung Entschwefelung e Entstickung Entstehung von NO x K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 39

40 Entstaubung Zyklonabscheider Tangenziales Einblasen der Rauchgase (E) Erzeugung einer Drehströmung Abscheiden des Staubes durch die Schwerkraft K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 40

41 Entstickung Reduktion der NO x (95% NO) mittels Ammoniak und Katalysatoren bei T= C Aufgrund der benötigten hohen Temperaturen (ohne Katalysator ca 1000C) geschieht die Entstickung direkt nach der Verbrennung. H. Podlech 41

42 K. Strauß, Kraftwerkstechnik Entschwefelung H. Podlech 42

43 00 m 30 Belchatow, Polen Größtes Braunkohlekraftwerk Europas Größtes Kohlekraftwerk weltweit: P=4440 MW el Emissionen: 31 Mio t CO 2 pro Jahr H. Podlech 43

44 H. Podlech 44

45 Kohlekraftwerk Staudinger Block Leistung el MW MW MW MW MW MW H. Podlech 45

46 Tih Taichung Kohlekraftwerk hlk kti Taiwan Größtes Kohlekraftwerk der Welt P=5760 MWel 15 Mio t Kohle pro Jahr Größter CO2-Emittent der Welt (41 Mio t/a) H. Podlech 46

47 Beim Betrieb von Kraftwerken entstehen immer auch Belastungen der Umwelt. Kohle enthält fast immer auch Spuren der radioaktiven Elemente Uran, Thorium und Radium. Der Gehalt liegt je nach Lagerstätte zwischen wenigen ppm und 80 ppm. Da weltweit etwa 7800 Millionen Tonnen Kohle pro Jahr in Kohlekraftwerken verbrannt wird, schätzt man den Gesamtausstoß auf Tonnen Uran und t Thorium, der zum großen Teil in der Asche enthalten ist. Die Asche von europäischer Kohle enthält etwa ppm Uran. Zwischen 1960 und 1970 wurde in den USA etwa 1100 Tonnen Uran aus Kohleasche gewonnen. Der Urangehalt der Asche lag mit durchschnittlich 210 ppm Uran (0, %U) über dem Urangehalt mancher Uranerze. H. Podlech 47