Einführung, Grundlagen. IER Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

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1 1 Einführung, Grundlagen Endenergieverbrauch nach Anwendungsbereichen 2007 in Deutschland: benötigte Energieformen sind mechanische Energie, Raum- und Prozesswärme, Warmwasser, Kälte, Licht, Informationsbereitstellung gesamter Endenergieverbrauch: PJ 2,3 % 26,2 % 43,3 % 5,0 % 23,2 % Raumwärme Warmwasser sonstige Prozesswärme mechanische Energie Beleuchtung 1

2 Endenergieverbrauch der Sektoren 2007 in Deutschland nach Verwendungszwecken Endenergieverbrauch in PJ * inkl. Information/Kommunikation ** inkl. Militär 0 Industrie Verkehr Haushalte GHD** gesamt Prozesswärme Raumwärme mech. Energie* Beleuchtung Verfügbare Energieformen Energieformen Energieform Gleichungen (Beispiele) Energieträger (Beispiele) chemische Energie C + O 2 CO 2 + m h u fossile (Kohle, Öl, Gas) kinetische Energie E = 1 / 2 m v 2 Wind potentielle Energie E = m g h Wasser elektromagnetische Wellen 1 Sonnenstrahlung W = ( E D H B), E = h 2 Kernenergie E = m c 2 Spaltmaterial (Uran) elektrische Energie E = U I t Strom thermische Energie Q = m c T Erdwärme 2

3 Energiebereitstellung bedeutet Umwandlung der verfügbaren in die benötigten Energieformen und Transport chemische Energie (fossile Brennstoffe, Biomasse) Kernenergie (Kernbrennstoffe) elektromagn. kinet. Energie potent. Energie Energie (Wind) (Wasser) (Sonne) Verbrennung Spaltung Kollektor thermische Energie Heizung, Prozeßwärme Wärme-Kraft-Maschine Rotor Turbine mechanische Energie Nutzarbeit Generator Photozelle elektrische Energie Energieformen und Energieumwandlung Wärme, Licht, Nutzarbeit Übersicht zum Energieverbrauch in Deutschland 2007 Primärenergieverbrauch in PJ Steinkohle (in %) 14,3 Braunkohle (in %) 11,6 Mineralöl (in %) 33,4 Naturgas (in %) 22,6 Kernenergie (in %) 11,1 Wasser- u. Windkraft (in %) 1,6 Sonstige (in %) 5,4 Endenergieverbrauch in PJ feste Brennstoffe (in %) 11,7 Mineralölprodukte (in %) 37,8 Gas (in %) 25,2 Strom (in %) 22,2 Fernwärme (in %) 3,1 Energieträger-Nettoimportanteil (in %) 71,2 3

4 Energiefluß von der Primärenergie zur Nutzenergie Stofflicher Einsatz an Umgebung abgegebene Energie Energiegewinnung (Bergbau, Ölfeld) Zentrale Energieumwandlung (Kraftwerke, Raffinerien) Transport, Verteilung, Speicherung (Gaspipeline, Hochspannungsnetz) Betriebliche Energieumwandlung (Gas, Strom) Betriebliche Energieumwandlung (Wärme, Dampf) Energieverbraucher (Mechanische Energie, Wärme) Energievorräte Energiequellen Primärenergie Sekundärenergie Bezugsenergie Endenergie Gebrauchsenergie Nutzenergie Hauptsätze der Thermodynamik 1. Hauptsatz der Thermodynamik: Der Energieinhalt eines abgeschlossenen Systems ist konstant 2. Hauptsatz der Thermodynamik: Bei allen irreversiblen Prozessen verwandelt sich Exergie in Anergie, nur bei reversiblen Prozessen in einem abgeschlossenen System bleibt die Exergie konstant. Es ist unmöglich, Anergie in Exergie zu verwandeln Wärme ist eine beschränkt wandelbare Energie, eine Mischung aus Exergie und Anergie. Exergie von Wärme: mit E Q Q h C T U T zu E T = C Q=(1- T )Q U Q zu Exergiestrom Wärmestrom Carnot-Wirkungsgrad Umgebungstemperatur (Temperatur der abgeführten Wärme) Temperatur der zugeführten Wärme 4

5 Energiebilanz eines fossil gefeuerten Kraftwerks mit Durchflußkühlung Brutto- Netto-Stromerzeugung 100 % % % % % 1 % 2 % mechanische und elektrische 47 % Kondensator-Verlust (steigt mit REA und DeNox) % Rauchgas- und Kesselverluste Weltweiter Primärenergieverbrauch Weltweiter Primärenergieverbrauch nach Energieträgern 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0, Holz Kernenerg. Wasserkr. Gase Mineralöl Kohle 5

6 Energieverbrauch der Entwicklungs- und Schwellenländer* und der OECD-Staaten 250 Primärenergieverbrauch in PJ Enwicklungs- und Schwellenländer OECD-Staaten Öl Erdgas Kohle Wasserkraft Kernenergie * Süd- u. Zentralamerika, Afrika, Mittlerer Osten, Nicht-OECD-Staaten in Asien und Europa Primärenergieverbrauch pro Kopf [kgoe/capital] USA EU Japan ehemalige Sovietunion Mittel- und Osteuropa Mittlerer Osten Lateinamerika China 6

7 Klassifizierung von Ressourcen Ökonomische und geologische Ressourcen (McKelvey-Box) Totale Ressourcen A B C D ökonomisch subökonomisch unökonomisch entdeckt effektive Reserven potentielle Reserven bekannte Res. in absehbarer Zukunft nicht wirtschaftliche Ressourcen mit heutiger Technik nicht abbaubare Ressourcen unentdeckt hypothetische noch zu und spekulative findende Ressourcen Ressourcen zunehmender Grad der Wirtschaftlichkeit zunehmender Grad geologischer Gewißheit A: Ressourcen auf Grund heutiger Preise (heute abbauwürdig) B: Ressourcen, die bei Preissteigerung abbauwürdig werden können (potentiell abbauwürdig) C: heutige technische Ressourcen (heute abbaufähig) D: geologische (maximale) Ressourcen Zeitliche Entwicklung der sicher gewinnbaren Erdölreserven in der Welt Jahr sicher gewinnbare Reserven in 10 6 t Ölförderung (weltweit) in 10 6 t/a statische Reichweite in Jahren

8 Wirkungskette von Umwelteinwirkungen Umwelteinwirkungen z.b. Emissionen direkte Beeinträchtigung der natürlichen Faktoren Beeinträchtigung menschlicher Nutzungsansprüche Beispiele für Umwelteinwirkungen: - Schadstoffe in der Abluft - Schadstoffe im Abwasser - Schadstoffeintrag in den Boden - Abwärme in der Luft - Abwärme im Abwasser/Kühlwasser - feste Abfälle indirekte Beeinträchtigung der natürlichen Faktoren durch Vernetzung im Ökosystem Beispiele für natürliche Faktoren (Ressourcen): - Oberflächengewässer - Grundwasserabsenkung durch Bau-maßnahmen und Wasserentnahme - Klima/Luft Grundwasser -Lärm - Boden - Flächen verbrauch -Flora - visuelle Belästigung - Fauna Beispiele für Nutzungsansprüche: -Atemluft - Nahrung - Wohnen - Erholung - Forstwirtschaft - Landwirtschaft - Trinkwasser - Brauchwasser - Existenzwert - Optionswert - Vermächtniswert Wirkungskette: Aktivität -> Umwelteinwirkung -> Ausbreitung und Umwandlung -> Exposition -> Wirkung -> Schaden/Nutzenverlust 8