Technik Umwelt Ökonomie

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1 Klimarelevante Energietechnik Bewertungsmethoden Brennstoffe / Verbrennung / Schadstoffe Biomasse Geothermie Solarenergie Wasserkraft Windenergie Ökobilanz Life cycle assessment Quelle : EN ff 1

2 Ökobilanz Life cycle assessment Quelle : EN ff Technik Energietechnik Umwelt 2 Ökonomie Ökobilanz Life cycle assessment Quelle : EN ff 2

3 Technik Energietechnik Umwelt 2 Ökonomie Ökobilanz Life cycle assessment Details der Anforderungen an die Sachbilanzen Wirkungsabschätzung / Wirkungsindikatoren Auswertung Berichterstellung Kritische Prüfung sind in der Norm beschrieben. Zusätzlich Datenblätter-Formvorlagen Datenquellen: Software: Quelle : EN ff Kumulierter Energieaufwand VDI Richtlinie 4600 Blatt 1 Quelle : VDI-Richtlinie 4600 Blatt 1 - Beispiele 3

4 Sankey-Diagramm Deutschland Primärenergieverbrauch Deutschland

5 Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch in Deutschland im Jahr 2011 Gesamt: PJ 1) Windenergie: 2,0 % Wasserkraft: 0,7 % Photovoltaik: 0,8 % fossile Energieträger (Steinkohle, Braunkohle, Mineralöl, Erdgas) und Kernenergie: 87,9 % Anteile EE ,1 % Biomasse 2) : 8,0 % Solarthermie, Geothermie: 0,5 % 1) Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.v. (AGEB); 2) Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls, Biokraftstoffe; Quelle: BMU - E I 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat) und ZSW, unter Verwendung von Angaben der AGEB; EE: Erneuerbare Energien; 1 PJ = Joule; Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Stand: Dezember 2012; Angaben vorläufig 9 Anteile erneuerbarer Energien am Energieverbrauch in den Bereichen Strom, Wärme und Kraftstoffe in den Jahren 2010 und Wasserkraft Windenergie Biomasse Biokraftstoffe 20 3,2 Photovoltaik Geothermie Solarthermie Anteile in [%] ,9 5,5 6,2 0,4 0,5 0,4 0,4 6,2 8,1 5 9,6 9,5 3,4 2,9 5,8 5, (17,1 %) 2011 (20,5 %) 2010 (10,3 %) 2011 (10,4 %) 2010 (5,8 %) 2011 (5,5 %) Strom * Wärme * Kraftstoff * Biomasse: Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; aufgrund geringer Strommengen ist die Tiefengeothermie nicht dargestellt; Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Quelle: BMU - E I 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Hintergrundbild: BMU / Dieter Böhme; Stand: Dezember 2012; Angaben vorläufig 10 5

6 Nutzenergie Deutschland 2011 Struktur Technik der Umwelt Bruttostromerzeugung Ökonomie Deutschland 2005 bis 2050 Quelle: BMU Leitstudie Ausbau Erneuerbare Energien

7 Prozesse zur Energienutzung von Brennstoffen am Beispiel Biomassen Trockener Brennstoff Verbrennung Rauchgas Dampfprozess Nasser Brennstoff Feuchte Brennstoffe Fermentation Pyrolyse Biogas Gärrest Holzkohle Stirling Trockene Brennstoffe Brennstoffe fein, trocken Schnellpyrolyse Vergasung Pyrolyseöl Brenngas Gasturbine Gasmotor Ölsaaten Pressen Pflanzenöl Pflanzenölmotor Brennstoffe Charakterisierung von biogenen Brennstoffen Elementaranalyse: Die organische Substanz der biogenen Brennstoffe besteht aus den 5 Elementen C, H, O, N, S (DIN V 65579) Prinzip der Bestimmung: Verbrennung (meist mit O 2 ) und quantitative Analyse der Verbrennungsprodukte CO 2, H 2 O, SO 2, N 2 ; Sauerstoff als Differenz Wasser Asche C H O N S m c m C m h m H m o m m n m w a c h o n s 1 O N m s m S 7

8 Brennstoffe Elementaranalyse von Biomassen F.B. waf w a wf c waf h waf n waf o waf N H /N C N O /N C H o,wf / MJ / kg Ölpalmschalen 0,79 0,11 0,02 0,56 0,05 0,00 0,39 1,07 0,52 21,11 Ölpalmfasern 0,81 0,11 0,04 0,50 0,06 0,02 0,42 1,33 0,64 19,33 Ölpalmkerne 0,93 0,07 0,02 0,62 0,09 0,02 0,27 1,69 0,32 29,36 Kaffeeschalen 0,82 0,10 0,01 0,50 0,05 0,01 0,44 1,26 0,65 19,03 Zuckerrohrbagasse 0,87 0,15 0,08 0,49 0,06 0,01 0,44 1,47 0,67 19,54 Buchenholz 0,79 0,09 0,01 0,47 0,06 0,00 0,47 1,53 0,75 20,33 Braunkohle (Fortuna) 0,56 0,55 0,04 0,69 0,05 0,01 0,25 0,87 0,27 30,74 Steinkohle (Ruhrgebiet) 0,22 0,01 0,03 0,87 0,05 0,01 0,05 0,69 0,04 35,31 Brennstoffe Brennwert DIN Brennwert H O : Als Brennwert H O wird der Quotient aus der Wärme, die bei vollständiger Verbrennung frei wird und der Masse des Brennstoffs unter folgenden Annahmen bezeichnet: die Temperatur des Brennstoffs vor dem Verbrennen und die seiner Verbrennungserzeugnisse beträgt 25 C das vor dem Verbrennen im Brennstoff vorhandene Wasser und das beim Verbrennen der wasserstoffhaltigen Verbindungen des Brennstoffs gebildete Wasser liegen nach der Verbrennung im flüssigen Zustand vor die Verbrennungserzeugnisse von Kohlenstoff und Schwefel liegen als Kohlendioxid und Schwefeldioxid im gasförmigen Zustand vor eine Oxidation des Stickstoffs hat nicht stattgefunden Prinzip der Bestimmung: Kalorimeter 8

9 Brennstoffe Heizwert DIN Heizwert H u : Der Heizwert H u unterscheidet sich vom Brennwert H O dadurch, dass das vor dem Verbrennen vorhandene Wasser und das beim Verbrennen der wasserstoffhaltigen Verbindungen des Brennstoffs gebildete Wasser nach der Verbrennung im gasförmigen Zustand bei 25 C vorliegen H H o Wasser Wasser u Wasser m m h Wasser, ; V w 8, 937 h h V Vergleich verschiedener Brennstoffe 9

10 Brennstoffe Heizwerte von Biomassen als Funktion des Wassergehalts Stroh Holz Feuchte in % 100 Heizwerte in MJ/kg: Cellulose 17,5 Hemicellulosen 16,5-17 Lignin 30 Harze, Wachse, Fettsäuren 38 Emissionen von Schadstoffen 10

11 Dampfkraftanlage mit Clausius Rankine Prozess Verbrennung Clausius-Rankine Prozess Generator Kühlsystem Quelle: RWE Power,Hr. Hüttemann 11

12 Quelle: RWE Power,Hr. Hüttemann Turbinentisch Block D (D0UMA) Kraftwerk Westfalen 12

13 Wirkungsgrade im Kraftwerksprozess Quelle: Cerbe / Wilhelms: Techn. Thermodynamik Wirkungsgrade im Kraftwerksprozess Quelle: Cerbe / Wilhelms: Techn. Thermodynamik 13

14 Wirkungsgrade im Kraftwerksprozess Quelle: Cerbe / Wilhelms: Techn. Thermodynamik Gasturbine Quelle: RWE 14

15 Quelle: RWE Gas- und Dampf Kombiprozess (GuD) Quelle: RWE 15

16 ISET e.v.: 6. Hanauer Dialog: Biogas zu Biomethan, Tagungsband 2008 ISET e.v.: 6. Hanauer Dialog: Biogas zu Biomethan, Tagungsband

17 ISET e.v.: 6. Hanauer Dialog: Biogas zu Biomethan, Tagungsband 2008 ISET e.v.: 6. Hanauer Dialog: Biogas zu Biomethan, Tagungsband

18 CO 2 Speicherung untertage Kosten der CO 2 Abtrennung und Speicherung IEA Ellina Levina,

19 Fliessbild einer Nassvergärungsanlage Quelle: BIOS, Graz, A Typische Daten einer Biogasanlage Substrate: Gülle, Mist, Fette, Silage, Häckselgut Bedingungen im Fermenter: Trockensubstanzanteil bei Nassvergärung < 15 % Temperatur: meist mesophil: C Verweilzeit insgesamt: ca. 3-7 Wochen je nach Substrat Gaszusammensetzung: CH 4 : 50-70% CO 2 : 30-40% H 2 : < 1% H 2 O: 2-7% N 2 : < 2% H 2 S: ppm NH 3 : < 500 ppm Gasaufbereitung: H 2 O, H 2 S, NH 3 - Entfernung, bei Netzeinspeisung auch CO 2 Wirkungsgrad chemisch: ca % bei Lignozellulosen, ca % ohne Lignin 19

20 Biogas FNR downloadbereich Ökologische Bewertung von Biogasanlagen Kriterien: CO 2 Emissionen bei Anbau, Düngerherstellung, Ernte und Verarbeitung CO 2 Emissionen indirekt durch Boden-Umnutzung und Verdrängung von Nahrungs- und Futtermittelanbau Humus-Bilanz CH 4 Leckagen an der Biogasanlage (Hauben, Durchführungen, Antriebe, Gärrestlager, Motor-Emissionen, d.h. Schlupf) Klimagasemissionen bei Düngerherstellung und Gärrestausbringung (NH 3, N 2 O) Ergebnisse: Widersprüchlich, je nach Annahmen Konsens: Abfälle und Exkremente (Gülle, Mist, Fette) positiver Effekt, NaWaRo: geringe positive Effekte bis: weit schlimmer als fossile Energien FNR: Gülzower Fachgespräche, Bd. 32,

21 ISET e.v.: 6. Hanauer Dialog: Biogas zu Biomethan, Tagungsband 2008 Geothermie 21

22 Geothermie Geothermie 22

23 Geothermie Organic Rankine Cycle ORC 23

24 Geothermie petrothermal (Hot Dry Rock HDR) Solarstrahlung Einfallswinkel auf eine geneigte Fläche: gen = arccos(-cos S. sin E. cos( S - E ) + sin S. cos E ) 24

25 Solarstrahlung Erst bei großer Abweichung von der idealen Richtung und Neigung wird der Einfluss auf die globale Einstrahlung (Jahressumme) nennenswert, hier am Beispiel Berlin. Der Neigungswinkel sollte an den Breitengrad angepasst sein. Konzentrierende Solarthermie zur Stromerzeugung 25

26 Konzentrierende Solarthermie zur Stromerzeugung Konzentrierende Solarthermie zur Stromerzeugung SEGS I IX (Solar Electric Generation Systems) in Kalifornien: , insgesamt eine Spiegel- Aperturfläche von 2,3 Millionen Quadratmeter volker-quaschning.de 26

27 Konzentrierende Solarthermie zur Stromerzeugung Konzentrierende Solarthermie zur Stromerzeugung 27

28 Heliostatenfeld PS10, Sevilla 11 MW, 23 GWh Konzentrierende Solarthermie zur Stromerzeugung volker-quaschning.de 28

29 Photovoltaik Photovoltaik 29

30 Photovoltaik Photovoltaik 30

31 Wasserkraft Wasserkraft, Rheinwasser 31

32 Wasserkraft Wasserkraft 32

33 Wasserkraft Wasserkraft 33

34 Wasserkraft Wasserkraft 34

35 Wasserkraft Wasserkraft 35

36 Wasserkraft Wasserkraft 36

37 Wasserkraft Größtes Wasserkraftwerk in D: Goldisthal, Sachsen Oberbecken: Unterbecken: Fallhöhe: Turbinen: Leistung: Kosten: Speichermenge: 12 Mio m³, Ringdamm 3370 m, 55 ha, 800 m Rohrleitung in das 19 Mio m³, Staudamm 67 m hoch, dazwischen Kavernenkraftwerk 300 m 4 Francis-Pump-Turbinen 1060 MW 623 Mio, Inbetriebnahme 2004, Klage durch BUND gegen den Bau wurde durch Vergleich gelöst (3,5 Mio. für eine neue Stiftung für Naturschutz und Erneuerbare Energie in den neuen Bundesländern) MWh Abruf

38 Wasserkraft Wasserkraft Projekt Seaflow 38

39 Windkraftanlagen Windkraftanlagen Leistung / W/m^2 Windleistung bei Windleistung 1 bar und 10 C Windgeschwindigkeit / m/s 39

40 Windkraftanlagen Windkraftanlagen 40

41 Windkraftanlagen Windkraftanlagen 41

42 Windkraftanlagen Stall-Regelung mit konstantem Blattwinkel Windkraftanlagen Pitch-Regelung: Anpassung des Anstellwinkels 42

43 Windkraftanlagen Windkraftanlagen 43

44 Windkraftanlagen Windkraftanlagen 44

45 Windkraftanlagen Windkraftanlagen 45

46 Windkraftanlagen Windkraftanlagen 46