1. Einführung. 1 Vorlesung "Energiewirtschaft"

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1 1 1. Einführung 1.1. Was ist Energie? Energie ist eine physikalische Größe, für die es viele Messeinheiten gibt. Das Messverfahren liefert dabei die Definition für Energie Bewegungsenergie: mv mit m = Masse, v = Geschwindi gkeit Einheit: gm = Nm = J sec Elektrische Energie: U I t mit U = Spannung, I = Stromstärke, t = Zeit Einheit: Wattsekunde oder Kilowattstunden Wärmeenergie: 1 g Wasser um 1 C erhöhen 1 Kalorie M viele weitere physikalische, technische und ökonomische Maße oft stofflicher Natur! Verschiedene Energiearten können (begrenzt!) in einander umgewandelt werden. Beispiele: Kohle Wärmedifferenz Bewegung Elektrizität (chem. Energie) (Umgebung gegen (Turbine/ Elektrizität heißen Dampf) Kolben) Licht Wärme Bewegung Chemische Energie Energieeinheiten (Auswahl): J Joule Wsec Wattsekunde kcal Kilocalorie kwh Kilowattstunde Twa Terawattjahr t.c.e. Tonne Steinkohleäquivalent (Tons of Coal Equivalent) SKE Steinkohleeinheit = t.c.e./1000 t.o.e. Tonne Erdökäquivalent (Tons of Oil Equivalent) bl Barrel (= 158,99 Liter) Maßeinheiten: P (peta) f (femto) T (tera) 10 1 p (pico) 10-1 G (giga) 10 9 n (nano) 10-9 M (mega) 10 6 µ (micro) 10-6 K (kilo) 10 3 m (milli) 10-3 Umrechnungsfaktoren: Einheit Kilojoule kcal kwh SKE (kg) 1 Kilojoule 1 0,388 0,0003 0, kcal 4, , , kwh ,19 1 SKE (kg) ,136 1 Wärmeäquivalente (Heizwerte) ausgewählter Energieträger: Energieträger Mengeneinheit Heizwert (in kjoule) Steinkohle* kg 9 90 Braunkohle* kg Erdöl (roh) kg 4 6 Motorenbenzin, -benzol kg Dieselkraftstoff kg Heizöl, leicht kg Heizöl, schwer kg Erdgas m Erdöl m Flüssiggas kg Brennholz kg Brenntorf kg * Durchschnittswert der Gesamtförderung

2 3 Energieerhaltungsgesetz (1. Hauptsatz der Thermodynamik) 4 Der Wirkungsgrad beschreibt die Effizienz eines Umwandlungsprozesses - Die Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt konstant. (Summe aller Energie B Energiearten, incl. Masse). Energie A Energie C Einzelne Energiearten können ineinander umgewandelt werden. Energie D M Wenn es einen 1. Hauptsatz gibt, dann auch einen zweiten Menge - In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie im Zeitablauf zu (. Hauptsatz der Thermodynamik) W AB = EnergieB Menge EnergieA = Wirkungsgrad eines Umwandlungsprozesses A B Entropie? = Maß der Unordnung Beispiel: warm kalt: Im Zeitablauf gleichen sich die Temperaturen an (wenn nicht weitere Prozesse hinzukommen) hoch niedrig: Im Zeitablauf gleich sich die Höhenunterschiede einer Landschaft aus. chem. Verbindg.: Im Laufe der Zeit in energieärmsten Zustand [dabei wieder Umwandlung in Wärmeenergie] Brennstoffzelle Batterie (a) Energie A = chemische Energie Energie B = elektrische Energie Heizung Energie C = Wärme (b) Energie A = chemische Energie Energie B = Raumwärme Motor Energie C = Wärme der Verbrennungs- produkte (Abluft) Am Ende : Welt mit gleichmäßiger Temperatur, ohne Höhenunterschiede, ohne energiereiche chemische Verbindung usw. (c) Energie A = chemische Energie Energie B = mechan. Energie Energie C = Wärme Turbine (d) Energie A = Gravitationsenergie Energie B = mechan. Energie (Wasser im Stausee) Energie C = Wärme

3 5 (e) Energie A = mechan. Energie Energie B = elektr.. Energie Bei zusammengesetzten Prozessen, z. B. (c) + (e) Generator Energie C = Wärme 6 Wie gesehen, ist die unerwünschte Energie i.a. Wärmeenergie, manchmal auch Strahlung, mechanische Energie (z. B. Vibrationen). Diese Wärmeverluste deuten auf ein grundlegendes Problem bei der Energieumwandlung hin und auf ein grundlegendes Problem von abgeschlossenen Systemen überhaupt. Zwar bleibt die Gesamtenergie erhalten, aber bei jeder Umwandlung geht ein Teil in eine nicht mehr nutzbare Form über: Energie Energie B Energie C (chem. Energie) (mechan. Energie) (Elektrizität) Wärme Wärme W AC = W AB W BC, d. h. Multiplikation der Wirkungsgrade. Die Wirkungsgrade hängen von der Technologie und vom Material-(Kapital-) Einsatz ab! Suchen Sie im Internet nach einer Tabelle mit Wirkungsgraden. Die Temperatur des Gesamtsystems wird erhöht. - Wärme ist Bewegungsenergie der Moleküle ungerichtet. - Temperatur ist ein Maß für die Wärmeenergie einer gegebenen Masse. - Ist die Temperatur in einem System überall gleich, so kann die enthaltene Wärmeenergie in keine andere Energie umgewandelt werden. - In jedem System wird die Temperaturverteilung im Zeitablauf immer gleichförmiger, wenn nicht andere Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird: allgemeiner: Systeme Veränderung sich immer in Zustände niedrigerer Ordnung (Entropiezunahme):. Hauptsatz der Thermodynamik Schließlich: Einheitliche Temperatur! Stellen wir uns nun vor, dass wir zwei getrennte Bereich unseres Systems haben mit Temperaturen t 1 und t, normalerweise einen kleinen Bereich hoher Temperatur t 1, ein großer Bereich mit t (Umgebung). Wie viel mechanische Energie kann erzeugt werden?

4 7 8 Carnot: Maximaler Wirkungsgrad (Wärmeenergie mechanisch Energie) Hinweis: Lesen Sie zur Erklärung der Entropie z. B. max t1 t t W = = 1 t1 t Die Bedeutung des Energiesektors Was ist Energiewirtschaft? t 1 und t in Grad Kelvin gemessen [-73 o C = 0 o K] manchmal Problem: Vergleich von Energie - Aggregation von Energie Beispiel: t 1 = 100 o C = 373 o K t = 0 o C = 93 o K Methoden: (a) physikalisch Mengen in kg zusammenzählen (vergleichen) W max 93 = 1 - = = Folgerung 1: (technisch erreichbare Wirkungsgrade sind kleiner) Heizwerte zusammenzählen (in irgendeiner Einheit) sinnvoll? Manchmal ja: (z. B. Überblick Vorräte) Manchmal nein: bei Elektrizität kommt es auf Spannung, Ort und Zeit an. Bei Umwandlung (Kraftwerk): chemische Energie Wärmeenergie mechanische Energie elektrische Energie (b) ökonomisch Werte = Preise x Mengen zusammenzählen (vergleichen) kommt es stark auf die Temperaturunterschiede an, d. h. die zur Umwandlung Beispiel für (a): Flussbild benutzten Gase müssen möglichst heiß sein: Allerdings Materialprobleme! Beispiel: 1. Dampfkraftwerk. GUD-Kraftwerk (Gas und Dampf) Gasturbine mit hoher Verbrennungstemperatur Nutzung der Abwärme (heiß!) zur Dampferzeugung Folgerung : Mit Abwärme von Kraftwerken lässt sich kaum noch mechanische/elektrische Energie erzeugen - kann allerdings zur Erzeugung von Raumwärme verwendet werden.

5 9 10 Beispiel für (b): Input-Output-Tabelle Aus Erdmann und Zweifel: Energieökonomik (008)

6 11 Die meisten Vorlesungen sind durch Problembereiche definiert, nicht durch Produkte (neben Energiewirtschaft aber auch Banken, Versicherungswirtschaft, etc.) 1. Genauere Fassung der Probleme durch konkretes Beispiel Genauere Erfassung der Strukturen (Märkte, gesetzliche Regelungen, Institutionen) ist möglich. Warum ist dies in diesem Fall so wichtig? Die Strukturen sind oft spezifisch und nicht allgemein!. Energie ist in einem technisch/biologischen Sinne die fundamentale Lebensgrundlage: - ohne Energiezufuhr kein Leben (dazu später mehr) - mit genügend Energiezufuhr fast beliebige Substitutions- und Produktionsmöglichkeiten (technische Utopien sind fast immer Phantasien von beliebig verfügbarer Energie) - d.h. knappe Energie liefert die wesentlichen Restriktionen in Biologie und Ökonomie 3. Die Verwendung der Energieressourcen bestimmt das Schicksal unseres Planeten - die Geschwindigkeit des Verbrauchs, die im Zusammenhang mit dem technischen Fortschritt die Frage aufwirft, ob wir den kommenden Generationen genügend Nutzungsmöglichkeiten übriglassen - die globalen externen Effekte (CO, sonstige Verschmutzung) - beide Probleme zusammen stellen die Menschheit vor den vielleicht unlösbaren Konflikt, Ziele zu verfolgen, die vielen unerreichbar erscheinen: 1 Oder sind das gar keine Gegensätze? Entkoppelung von Wachstum und Energieverbrauch? Ist zunächst weltweite Entwicklung notwenig? Die Wirtschaftsentwicklung in Europa und Indien im Vergleich zum Verbrauch von Strom (oben) und Primärenergie (unten). (Quelle: Annual Energy Review 1999, EU-Kommission) 1. Ziel:. Ziel Entwicklung Schonung der Ressourcen Vermeidung der Klimakatastrophe