Institut für Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik. Energietechnik. Energieumwandlung, Bilanzierung, Wirkungsgrad

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1 Institut für Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik Energietechnik Energieumwandlung, Bilanzierung, Wirkungsgrad

2 Unter Energieumwandlung versteht man die Umwandlung von einer Energieart in eine andere oder innerhalb einer Energieart Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 2 von 39

3 Energieformen: Mechanische Energie - Krafteinwirkung Lageenergie / potentielle Energie Bewegungsenergie / kinetische Energie Wärme / thermische Energie magnetische Energie Ruhemassenenergie - E = m c² elektrische Energie Strahlungsenergie chemische Energie Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 3 von 39

4 Umwandlungskette Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 4 von 39

5 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 5 von 39

6 (in der zentralen Umwandlungseinheit) Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 6 von 39

7 (beim Verbraucher) Endenergie = Sekundärenergie - Transportverluste Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 7 von 39

8 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 8 von 39

9 Beispiele: Rohenergie, Primärenergie Endenergie, Sekundärenergie Nutzenergie, Tertiärenergie fossile Brennstoffe nukleare Brennstoffe Sonnenstrahlung Biomasse Wasserkräfte Wind Meereswellen Meeresströmungen Meereswärme (T Oberfläche zu Tiefe) Gezeiten Erdwärme Holz, Torf, Braunkohle Braunkohlebriketts Braunkohlestaub Steinkohle, Koks Steinkohlebriketts Biomasse Heizöl Erdgas, Flüssiggas, Biogas Benzin, Dieselöl Elektroenergie Dampf, Heißwasser Pressluft Fernwärme, Wasserstoff Licht Wärme Kälte mechanische Energie elektromagnetische Wellen (Röntgenstrahlen) Schallwellen Elektroenergie (Elektrolyse, Antrieb von Rechnertechnik und Telekommunikation) Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 9 von 39

10 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 10 von 39

11 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 11 von 39

12 Jährliche Flüsse von Energie und Kohlenstoff in Deutschland Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 12 von 39

13 Jährliche Flüsse von Energie und Kohlenstoff weltweit - Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 13 von 39

14 - Energetische Bilanzierung - Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 14 von 39

15 Grundbausteine für die Bewertung von Verfahren und Verfahrensketten Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 15 von 39

16 Grundlage der Sachbilanzierung sind der Energieerhaltungssatz (1. Hauptsatz der Thermodynamik) und der Satz von der Erhaltung der Masse. Das Vorgehen richtet sich beispielsweise nach der VDI Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 16 von 39

17 Definitionen: Ströme: zeitbezogene Größen (mit Punkt z.b.: Ė) Feuerungswärmeleistung: der Energiestrom, der der Feuerung mit den Brennstoffströmen zugeführt wird. Einsatzenergie: In den Bilanzkreis eintretende zu bilanzierende Energie Zusatzenergie: wird zusätzlich zum Hauptstrom (z. B. Brennstoff) in den Bilanzkreis eingetragen Fremdenergie: Zusatzenergie von außerhalb des Bilanzkreises Eigenenergie: Zusatzenergie aus Rückführung Zielenergie: nach außen abgegebene nutzbare Energie Netto-Zielenergie: Zielenergie minus Zusatzenergie von extern Verlust: alle abgegebenen nicht genutzten Energieströme Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 17 von 39

18 Bilanzgrenzen und Ströme (Energie-, Stoff-, Massen-) Grundlagen: Grundlage ist ein Bilanzschema in Anlehnung an das Fließbild mit den wesentlichen Stoff- und Energieströmen Das Bilanzschema enthält Bilanzgrenzen, die je nach Erfordernis Bilanzkreise (A, B,...) bilden. Die einzelnen Ströme sind ganz formal bei Überschreiten der Bilanzgrenze zu nummerieren und entsprechend dem zugehörigen Bilanzkreis zu bezeichnen (z.b. Q5 Zusatzenergie elektrisch: E Q,5 ). Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 18 von 39

19 An jeden Strom werden Massenstrom, Energiestrom und gegebenenfalls benötigte spezifische Stoffströme angetragen (z.b. bei der CO2-Bilanzierung der in jedem Massenstrom enthaltene Massenstrom des Stoffes Kohlenstoff Grundsätzlich ist für die Bilanzierung ein einheitlicher Bezugszustand festzulegen (z.b. Normzustand 273,15 K, Pa). Dieser Bezugszustand muss bei allen ein- und austretenden Strömen berücksichtigt werden. Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 19 von 39

20 Blockfließbild einer klassischen Hausmüllverbrennung Bilanzgrenze des Gesamtverfahrens mit elektrischer Nutzenergie (GV) ggf. Zusatzbrennstoff (AGR) Luft (AGR) ggf. Zusatzbrennstoff Luft Bilanzgrenze des Hauptverfahrens mit thermischer Nutzenergie (HV) Bilanzgrenze AGR Abgasreinigung (AGR) Abgas 1. Einheit 2. Einheit Sauerstoff Abfall el. Energie ggf. Vorbehandlung z.b. Zerkleinern usw. stückig/ pastös Asche oder angesinterte Asche (bei λ > 1), (anorg.) Abgas und ggf. Flugstaub ggf. Nachbehandlung z.b. Einschmelzen von Asche, Aufbereitung der Schlacke usw. (Restausbrand von Gas und Flugstaub) Flugstaub/ -schlacke getrennte Nachbehandlung Betriebshilfsstoffe Wärmetauscher Speisewasser Dampf Verbrennung Verbrennung (Feststoffausbrand) Bilanzgrenze TG Dampfturbine Generator (TG) Reststoffe Abgas und ggf. Flugstaub Wärmeverluste el. Energie Reststoffe Reststoffe Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 20 von 39

21 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 21 von 39

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23 Bilanzieren Als nächster Schritt muss eine Massen-, Stoff- und Energiebilanz erstellt werden. Dann wird geprüft, ob die Bilanzen aufgehen, das heißt, ob die Summe der eintretenden gleich der Summe der austretenden Ströme ist. Die Summe der eintretenden Ströme ist der Aufwand. Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 23 von 39

24 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 24 von 39

25 - Wirkungsgrad - Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 25 von 39

26 Allgemein versteht man unter dem Wirkungsgrad Nutzen η = Aufwand beziehungsweise Verlust η = 1- Aufwand Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 26 von 39

27 Je nachdem, was als Nutzen, Aufwand oder Verlust angesehen wird ergeben sich unterschiedliche Wirkungsgrade Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 27 von 39

28 Anlagenwirkungsgrad Anlagenwirkungsgrad, elektrisch Anlagenwirkungsgrad, thermisch Gesamtanlagenwirkungsgrad Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 28 von 39

29 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 29 von 39

30 Beispiel zum elektrischen Anlagenwirkungsgrad [Scholz, Beckmann, Schulenburg: Abfallbehandlung in thermischen Verfahren. B.G. Teubner-Verlag, Stuttgart u.a Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 30 von 39

31 Man kann Wirkungsgrade für die verschiedensten Bilanzkreise definieren. Wichtig sind auch Wirkungsgrade für Teilprozesse, z.b.: Kesselwirkungsgrad Wirkungsgrad des thermodyn. Kreisprozesses Turbinenwirkungsgrad Generatorwirkungsgrad Rohrleitungswirkungsgrad mechanischer Wirkungsgrad Diese können im Regelfall noch weiter heruntergebrochen werden (Getriebewirkungsgrad, Wirkungsgrad einer Schaufelreihe...) Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 31 von 39

32 Gütegrad gibt an, wie weit ein Prozess an den theoretischen (idealen, reversiblen) Vergleichsprozess (z. B. Carnot-Prozess, isentroper Entspannung in Turbine) angenähert ist. P real η is = = P theor η real η vergleich Beispielsweise bewegt sich der Gütegrad von heutigen (stationären, großen) Verbrennungsmotoren im Bereich von 80 %, während der Wirkungsgrad ca. 45 % beträgt. Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 32 von 39

33 Wirkungsgrade für die Umwandlung von Primär- in Endenergie Enegieumwandlung Elektroenergieerzeugung - in Braunkohlekraftwerken - in Steinkohlekraftwerken - mit Gasturbinen - in GuD-Kraftwerken - in Wasserkraftwerken - mit Windenergiekonventern - mit Solarzellen (Serienproduktion) Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 33 von 39 η 0,25 0,4 0,3 0,43 0,2 0,38 0,45 0,58 0,8 0,92 0,3 0,5 0,06 0,12 Heizkraftwerke 0,7 0,93 Dampferzeugung 0,8 0,95 Warmwasserbereitung mit Sonnenkollektor 0,2 0,7 Stadtgaserzeugung 0,83 Brikettierung von Braunkohle 0,93 Produktion von Biomasse 0,001 0,01

34 Wirkungsgrade für die Umwandlung von End- in Nutzenergie Umwandlungsanlage oder -gerät η Tauchsieder, Elektroheizung, Elektroofen 0,9 1,0 kleiner Elektromotor 0,6 0,75 großer Elektromotor 0,9 0,96 Ottomotor 0,25 0,3 Dieselmotor 0,40 0,46 Blockheizkraftwerk (BHKW) 0,8 0,95 Glühlampe 0,05 0,07 Leuchtstofflampe 0,2 0,25 Kohleofen 0,4 0,8 Gaskessel 0,7 1,05* Brennstoffzelle 0,3 0,6 * Werte über 100% sind nur durch Brennwertnutzung erreichbar Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 34 von 39

35 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 35 von 39

36 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 36 von 39

37 Zusammenhang Wirkungsgrad - Emissionen Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 37 von 39

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39 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 39 von 39