EnergyTransition 2012/2020/2050 AP-5: Werkstoffe und Energiebedarf
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- Heiko Vogel
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1 2012/2020/2050 AP-5: Werkstoffe und Energiebedarf Fokus und Zielsetzungen: Bewertung des Innovationspotentials von Polymerwerkstoffen (Kunststoffen) in Schlüsseltechnologien und Auswirkungen auf den Energiebedarf Aufzeigen von Werkstoffoptionen (-strategien) für die Bereiche Fahrzeugtechnik (Leichtbauweisen) und Solartechnologien (Solarthermie und Photovoltaik) Methodik: Abschätzung/Bewertung von Technologie-Substitutionseffekten in Hinblick auf Funktionalität und funktionsorientierte, energetische Bilanzierung
2 Warum Fokus auf Polymerwerkstoffe (Kunststoffe)? Development of Plastics and Steel Worldwide (1950 to 2004 in terms of volume) Source: Plastics Europe, D (2006)
3 Warum Fokus auf Polymerwerkstoffe (Kunststoffe)? Global CO 2 Mitigation Cost Curve 2030 (McKinsey/Vattenfall 2007: Beyond Business As Usual) Major contributions by plastics! Source: McKinsey/Vattenfall 2007 Graz Energy Agency - For requests: Bleyl@grazer-ea.at
4 Warum Fokus auf Polymerwerkstoffe (Kunststoffe)? Heizung Energetische Verwertung Öl Kraftstoff 80% Elektrizität Energiegewinnung Polymere Werkstoffe: ca. 4 % ca. 2 % für Kunststoffe Rohstoffe Rohstoffliche Verwertung Herstellung Gebrauch Werkstoffliche Verwertung Andere Produkte: 14 % Source: VKE, D (2004) Abfall Ordnungspolitik Deponie
5 Warum Fokus auf Polymerwerkstoffe (Kunststoffe)? Öl Heizung Kraftstoff 80% Elektrizität Polymere Werkstoffe: ca. 4 % Energiegewinnung ca. 2 % für Kunststoffe Rohstoffe Energetische Verwertung Rohstoffliche Verwertung Herstellung Ca. 6 % des Rohöls für die Produktion von Werkstoffliche Kunststoffen! Verwertung Andere Produkte: 14 % Abfall Ordnungspolitik Ausschöpfung des Potentials einer innovativen Werkstoffnutzung. Deponie Source: VKE, D (2004) Gebrauch Transformation von der dominierenden 1-stufigen energetischen Nutzung von Rohöl zur mehr-stufigen, kaskadischen Nutzung unter
6 Warum Fokus auf Polymerwerkstoffe (Kunststoffe)? Source: The Contribution of Plastic Products to Resource Efficiency H. Pilz et al., GUA Corporation for Comprehensive Analyses, Vienna, 2005) (Study commissioned by PlasticsEurope) Method: Projection based on a sufficient number of examples Total life cycle energy demand in Mio. TJ/a Total greenhouse gas emissions (CO 2 -equivalent) in Mt/a % % 237 plastics products substitution by alternative products Plastics products need 1.02 Mio. TJ/a less energy plastics products substitution by alternative products Plastics products reduce CO 2 emissions by 97 Mt/a
7 Kunststoffeinsatz und Energie-Effizienz im Fahrzeugbau Wie beeinflusst die Wahl der Werkstoffe das Energiesystem? Fallbeispiel: Kunststoffe im Automobilbau Beitrag zur Energie-Effizienz durch Kunststoffeinsatz: Energieeinsparung: Reduktion von Treibhausgasen: 47 Mill. GJ/a (Westeuropa) 4156 kt/a (Westeuropa) Massereduktion: 33 % Quelle: GUA, 2005
8 Werkstoffeinsatz im Fahrzeugbau Relative Bedeutung von Werkstoffen in Automobilanwendungen 60 Materialanteil, Vol.-% Stahl Kunststoffe Aluminium Jahr HY-LIGHT, 2004 Elektro- Leichtfahrzeug Quelle: Automobilproduktion 2003, IVW Kaiserslautern (D)
9 Kunststoffeinsatz und Energie-Effizienz im Fahrzeugbau? Innovative Hybrid/Elektro-Leichtfahrzeuge Aptera typ-1 (ab ~2009) 2(+1) Personen 386 kg (90% Composite) > 190 km 0.9 l/100 km ca $ Crash Sicherheit
10 Kunststoffeinsatz und Energie-Effizienz im Baubereich Wie beeinflusst die Wahl der Werkstoffe das Energiesystem? Fallbeispiel: Kunststoffe im Bauwesen Production of 1 m³ rigid PUR foam needs 70 liters oil and saves liters of fuel oil in 50 years use. Energetic amortisation factor: ~ 80! Source: VKE, D (2004)
11 Werkstoffeinsatz und Energie-Effizienz im Baubereich Vom teilsolaren Niedrigenergie- und Passivhaus Glass Photovoltaik Adhesive film Aktive Solarthermie Solar cell Solar cell Tedlar-back sheet Laminate Wärmedämmung
12 Kunststoffeinsatz und Energie-Effizienz in der Solartechnik zum Aktiv-Solar-Gebäude. SW S SE Quelle: W.Weiss 2006, AEE-INTEC, Gleisdorf (A)
13 Energetische Bilanzierung von Werkstoffen Werkstoff- vs. funktionsorientierte Energiebilanzierung (Energy life cycle analysis, ELCA) Ebene IV Ebene III Ebene II Ökologische Werkstoffindices Bauteil Bauelement Verarbeitung ELCA: Anwendungs- Performance Spezifisch (produkt- und anwendungsorientiert) AUSSAGE Ebene I Werkstoff Funktionseinheiten: kg, m 3 Allgemein (produkt- und anwendungsunabhängig)
14 Spezifischer Energiebedarf zur Werkstoffenherstellung Relative energy demand per kg material 12 [E n /kg] rel 10 Total Feedstock Consumed Energy PP-WF80 PE-HD PP PVC GRP CRP Aluminum Steel 0 PP-WF Thermoplastics Composites (UD) Metals PP-WF80P PE-HD PP PVC-S GFC CFC Alum Steel
15 Energiebedarf zur Herstellung von Werkstoffen im Vergleich Relative energy demand per specific strength unit [Energy per kg / (Tensile Strength 2/3 / Density)] rel [E n /(σ y 2/3 /ρ)] rel Example: Bending Beam - Strength PP-WF80 PE-HD PP PVC GRP CRP Total Feedstock Consumed Energy Aluminum Steel 0 PP-WF Thermoplastics Composites (UD) Metals PP-WF80P PE-HD PP PVC-S GFC CFC Alu Steel
16 2012/2020/2050 AP-5: Werkstoffe und Energiebedarf Fokus und Zielsetzungen: Bewertung des Innovationspotentials von Polymerwerkstoffen (Kunststoffen) in Schlüsseltechnologien und Auswirkungen auf den Energiebedarf Aufzeigen von Werkstoffoptionen (-strategien) für die Bereiche Fahrzeugtechnik (Leichtbauweisen) und Solartechnologien (Solarthermie und Photovoltaik) Schwerpunkte (Tasks): Auswahl von Kunststofftechnologien für den Einsatz in den genannten Bereichen Bewertung anhand ausgewählter Technologieszenarien (z.b. Elektro-Leichtfahrzeug und Solar-Aktiv-Haus) Vergleichende energetische Bilanzierung herkömmlicher Technologien mit innovativen, neuen Technologien Abschätzung von Technologieoptionen für 2012, 2020 und 2050
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