Optimierungspotentiale der Energiewende Herausforderungen für Forschung und Normung

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Institute for Energy Systems and Fuel Cell Technology W. Winkler Optimierungspotentiale der Energiewende Herausforderungen für Forschung und Normung DIN/DKE-Workshop zu Normung und Standardisierung in Horizont 2020 Brücken bauen zwischen Forschung und Normung 26. Mai 2014, DIN e. V., Berlin

Definition der Aufgabe und Lösungsoption Stationäre Strukturen Mobile Lösungen Speicher und Systemintegration Normung und Innovation Schlussfolgerungen

Zielfunktion Nachhaltigkeit Werkzeug: Thermodynamik 2. Hauptsatz Irreversibler Entropiefluss der Gesellschaft als Maß Reversibler Prozess definiert die Regeln Reversibler Prozess Grenzfall des Realprozesses

Erläuterung der Entropieerzeugung T 1 2 3 T 1 T 2 T 0 W Ges1 Q 12 W Ges2 Q 23 Potentielle Arbeit Verlustwärme Q 12 =Q 23 =Q W ges3 =0 Q V Q V Q V ΔS 1 ΔS 2 ΔS 3 Maß für Entwertung der Energie S

Überblick reversible Prozesse Potentialdifferenz h Kein reversibles S Reversibles mechanisches System Potentialdifferenz T quelle -T senke Reversibles S von: T quelle S Reversibles thermisches System (Carnot) Chemisches Potential Reversibles S ( R S) Reversibles chemisches System (Gibbs)

Transformation in reale Prozesse Exergetischer Gütegrad ζ = Exergie Exergie aus ein Reversibler Prozess Wissenschaft Struktur Realer Prozess Technologie

Reversible Docking Station ±W treva Reversible Aktivität ±Q 0revC Ideale Isolation Elektrochemischer Raum Reaktor T, p T, p C ±W trevc +W trevhp -W trevhe -Q 0revHE WP 1 WK n +Q 0revHP WP j WK 1 T 0,p 0 Reversible Wärmepumpe Reversible Wärmekraftm.

Bsp.: Reversible Brenngasnutzung von H 2 Freie Reaktionsenthalpie ΔG Rev. Systemarbeit: ΔG 0 T 0 Gibbs - BZ Reversible Brennstoffzelle Reversibler Reaktorbetrieb Ionenleitende Membran Reaktortemperatur T T C Carnot WK van t Hoff

Reversible Transportprinzipien Pendel Irreversibilität: Reibung Bedarf an externer Energiespeicherung und Arbeitszufuhr m m g h Maschine h m v² 2 Reversible Struktur Bedarf an interner Speicherung und Wandlung von Energie A Distanz AB B ARCHITEKTUR

Antriebsstrang und Reversibilität Irreversible Struktur VKM Reversible Struktur Elektro- Motor- Generat. Lastmanagement Range Extender: VKM BZ Batterie Rekuperationsbatterie

Grundsätzliche SpeicherprinzipienKMESmAelKMEStelVFVAcnW.0..0)( = Gespeicherte elektrische Arbeit VASnAc = *0*0)(Oberflächenspeicher Volumenspeicher ) ( ) ( ) ( 0 0 0 A M A A c β =

Substanzkonzentration der Leitsubstanz A 0 Substanzkonzentration c(a 0 ), c*(a 0 ) in mol/m³ wteles.km.oberflächenspeicher ZellspannungV ESm.PM in V

Paradigmenwechsel Kraft-Wärme-Kopplung Optimierte Wärmeerzeugung Thermische Prozesse Substanz Wärme Fluktuierende Einspeisung Optimiertes Wärmemanagment Elektrochemische Prozesse Substanz Elektrizität

Einsatzoptionen zur Flautendeckung Reversible Zyklenzahl 14 12 10 8 6 4 2 0 Fe C 2 H 4 Cl 2 NH 3 H 2 0 10 20 30 40 Reversible Arbeit in MWh/t

Innovation, reversibler und realer Prozess Bedarf an Aktivität Stand der Technik Bestmögliche Lösung Realprozess Reversibler Prozess Verbesserungspotential

Inhaltlicher Normungsaufbau Mess- oder Auslegungswerte der realen Maschine Arbeitsmaschine Regenerative Maschine Kraftmaschine Modus Gütegrad ζ AM Reversible Struktur Prozesskette mit: ζ = ζ j j Gütegrad ζ KM Irreversible Entropieproduktion ΔS irr.am Irreversible Entropieproduktion ΔS irr.km

Standardisierungswege Smart grid Standardisierte Bedingungen und Lösungen Standardisierte Bedingungen Individuelle Lösungen Gerät standardisiert Anlage Nur Vorgehen standardisiert Komponenten standardisiert

IEC ACEE Document: Thermodynamic view of Motor System Real Work Work Machine Thermodynamic Potential Electricity Rotating Mass

Schlussfolgerungen Verschiebung der Primärenergiequelle von Kohlenwasserstoffen zu elektrischem Strom Vermeidung von Wärmeverlusten (kostengünstige Dämmung und Wärmerückgewinnung) Einsatz neuer elektrochemischer Verfahren zur Stoff- und Energiewandlung Maximale Effizienz bei Maschinen Ablösung mechanischer Systeme durch elektrische Systeme mit integrierten Energiespeichern, Strukturänderung durch Vollhybridfahrzeuge Tarifpolitik Integrierte industrielle Speicher können industrielle KWK ablösen Keine generelle Reduzierungsverpflichtung der Stromversorgung hemmt Effizienz des Gesamtsystems durch Ausweichen auf thermische Verfahren

Normungsaspekte Verbesserung der Aussage von Energiestandards Präzisierung der Handlungsoptionen Anwendung in Systemnormen (extended product) Unterstützung der Innovationsprozesse

Die hier präsentierten Ergebnisse wurden zum Teil in dem BMWi geförderten und von der DKE geleiteten INS Projekt SO-FIE N 510 Smart grid und e-mobility als Instrument zur Maximierung von Energieeffizienz und Nachhaltigkeit erzielt. Der Autor möchte hierfür danken.