1. Einführung

Prof. Dr. Friedel Bolle
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Vorlesung "Energiewirtschaft"
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Vorlesung "Energiewirtschaft"
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1. Einführung
Energieerhaltungsgesetz (1. Hauptsatz der Thermodynamik)
1.1. Was ist Energie?
Energie ist eine physikalische Größe, für die es viele Messeinheiten gibt. Das
- Die Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt konstant. (Summe aller
Energiearten, incl. Masse).
Messverfahren liefert dabei die Definition für Energie
Einzelne Energiearten können ineinander umgewandelt werden.
2
Bewegungsenergie: mv
Einheit: gm
2
sec 2
2
mit m = Masse, v = Geschwindigkeit
Wenn es einen 1. Hauptsatz gibt, dann auch einen zweiten …
= Nm = J
- In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie im Zeitablauf zu (2. Hauptsatz
Elektrische Energie: U ⋅ I ⋅ t mit U = Spannung, I = Stromstärke, t = Zeit
der Thermodynamik)
Einheit: Wattsekunde oder Kilowattstunden
Wärmeenergie: 1 g Wasser um 1°C erhöhen 1 Kalorie
Entropie?
=
Maß der Unordnung
M
viele weitere physikalische, technische und ökonomische Maße
oft stofflicher Natur!
Beispiel:
warm – kalt:
Im Zeitablauf gleichen sich die Temperaturen an (wenn nicht
weitere Prozesse hinzukommen)
Verschiedene Energiearten können (begrenzt!) in einander umgewandelt werden.
Beispiele:
hoch – niedrig:
Im Zeitablauf gleich sich die Höhenunterschiede einer Landschaft
aus.
Kohle
⇒
(chem. Energie)
Wärmedifferenz
⇒
Bewegung
(Umgebung gegen
(Turbine/
heißen Dampf)
Kolben)
⇒
Elektrizität
chem. Verbindg.: Im Laufe der Zeit in energieärmsten Zustand [dabei wieder
Umwandlung in Wärmeenergie]
⇒ „Am Ende“:
Licht
Elektrizität
Wärme
Bewegung
Chemische Energie
Welt mit gleichmäßiger Temperatur, ohne Höhenunterschiede, ohne
„energiereiche“ chemische Verbindung usw.
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Generator
Der Wirkungsgrad beschreibt die Effizienz eines Umwandlungsprozesses
(e) Energie A = mechan. Energie
Energie B
Energie A
→
Energie B = elektr.. Energie
→
Energie C = Wärme
Energie C
Energie D
W AB
=
M
Bei zusammengesetzten Prozessen,
Menge
z. B. (c) + (e)
EnergieB
Menge
=
Wirkungsgrad eines Umwandlungsprozesses A → B
Energie
EnergieA
(chem. Energie)
→
Energie B
→
Energie C
(mechan. Energie)
(Elektrizität)
Wärme
Wärme
Brennstoffzelle
Batterie
(a) Energie A = chemische Energie
W AC = W AB ⋅ W BC,
→
Energie B = elektrische Energie
→
Energie C = Wärme
d. h. Multiplikation der Wirkungsgrade.
Heizung
(b) Energie A = chemische Energie
Die Wirkungsgrade hängen von der Technologie und vom Material-(Kapital-) Einsatz ab!
→
Energie B = Raumwärme
→
Energie C = Wärme der Verbrennungsprodukte (Abluft)
Wie gesehen, ist die unerwünschte Energie i.a. Wärmeenergie, manchmal auch
Strahlung, mechanische Energie (z. B. Vibrationen). Diese Wärmeverluste deuten auf
Motor
ein grundlegendes Problem bei der Energieumwandlung hin – und auf ein
(c) Energie A = chemische Energie
→
Energie B = mechan. Energie
→
Energie C = Wärme
grundlegendes Problem von abgeschlossenen Systemen überhaupt.
Zwar bleibt die Gesamtenergie erhalten, aber bei jeder Umwandlung geht ein Teil in
Turbine
eine nicht mehr nutzbare Form über:
(d) Energie A = Gravitationsenergie
(Wasser im Stausee)
→
Energie B = mechan. Energie
→
Energie C = Wärme
Die Temperatur des Gesamtsystems wird erhöht.
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Folgerung 1:
-
Wärme ist Bewegungsenergie der Moleküle – ungerichtet.
-
Temperatur ist ein Maß für die Wärmeenergie einer gegebenen Masse.
-
Ist die Temperatur in einem System überall gleich, so kann die enthaltene
Bei Umwandlung (Kraftwerk):
Wärmeenergie in keine andere Energie umgewandelt werden.
chemische Energie → Wärmeenergie → mechanische Energie → elektrische Energie
-
In
jedem
System
wird
die
Temperaturverteilung
im
Zeitablauf
immer
gleichförmiger, wenn nicht andere Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird:
kommt es stark auf die Temperaturunterschiede an, d. h. die zur Umwandlung
benutzten Gase müssen möglichst heiß sein: Allerdings Materialprobleme!
allgemeiner: Systeme Veränderung sich immer in Zustände niedrigerer Ordnung
(Entropiezunahme): 2. Hauptsatz der Thermodynamik
Beispiel:
Schließlich: Einheitliche Temperatur!
1.
Dampfkraftwerk
2.
GUD-Kraftwerk (Gas und Dampf)
↑
Gasturbine mit hoher Verbrennungstemperatur …
Stellen wir uns nun vor, dass wir zwei getrennte Bereich unseres Systems haben mit
Nutzung der Abwärme (heiß!) zur Dampferzeugung
Temperaturen t1 und t2, normalerweise einen kleinen Bereich hoher Temperatur t1, ein
großer Bereich mit t2 (Umgebung).
Folgerung 2:
Wie viel mechanische Energie kann erzeugt werden?
Mit Abwärme von Kraftwerken lässt sich kaum noch mechanische/elektrische Energie
erzeugen - kann allerdings zur Erzeugung von Raumwärme verwendet werden.
Carnot: Maximaler Wirkungsgrad (Wärmeenergie → mechanisch Energie)
Hinweis:
t −t
t
W max = 1 2 = 1 − 2
t1
t1
o
o
t1 = 100 oC = 373 oK
o
o
t2 = 20 C = 293 K
⇒
W
max
=1-
Sie
zur
Erklärung
der
Entropie
kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_5/backbone/r5_3_2.html
t1 und t2 in Grad Kelvin gemessen [-273 C = 0 K]
Beispiel:
Lesen
293
= 1 – 0.79 = 0.21
373
(technisch erreichbare Wirkungsgrade sind kleiner)
z.
B.
http://www.tf.uni-
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1.2. Die Bedeutung des Energiesektors – Was ist Energiewirtschaft?
Die meisten Vorlesungen sind durch Problembereiche definiert, nicht durch Produkte
(neben Energiewirtschaft aber auch „Banken“, „Versicherungswirtschaft“, etc.
manchmal Problem:
Vergleich von Energie
1.
Aggregation von Energie
Genauere Fassung der Probleme durch konkretes Beispiel
Genauere
Erfassung
der
Strukturen
(Märkte,
gesetzliche
Regelungen,
Institutionen) ist möglich.
Methoden:
(a) physikalisch
→ Mengen in t zusammenzählen (vergleichen)
Warum ist dies in diesem Fall so wichtig? Die Strukturen sind of spezifisch und
→ Heizwerte zusammenzählen (in irgendeiner
Einheit)
sinnvoll?
(b) ökonomisch
nicht allgemein!
2.
Energie
ist
in
einem
technisch/biologischen
Sinne
die
Manchmal ja: (z. B. Überblick Vorräte)
Lebensgrundlage:
Manchmal nein: bei Elektrizität kommt es auf
- ohne Energiezufuhr kein Leben (dazu später mehr)
Spannung, Ort und Zeit an.
- mit genügend Energiezufuhr fast beliebige Substitutions- und
fundamentale
→ Werte = Preise x Mengen zusammenzählen
Produktionsmöglichkeiten (technische Utopien sind fast immer Phantasien von
(vergleichen)
beliebig verfügbarer Energie)
- d. h. knappe Energie liefert die wesentlichen Restriktionen in Biologie und
Beispiel für (a): Flussbild → http://www.ag-energiebilanzen.de/erlaeuterung/schema.pdf
Ökonomie
Beispiel für (b): Input-Output-Tabelle → http://www.destatis.de/basis/d/vgr/inputtab1.php
3.
Die Verwendung der Energieressourcen bestimmt das Schicksal unseres
Planeten
- die Geschwindigkeit des Verbrauchs, die im Zusammenhang mit dem
technischen Fortschritt die Frage aufwirft, ob wir den kommenden Generationen
genügend Nutzungsmöglichkeiten übriglassen
- die globalen externen Effekte (CO2, sonstige Verschmutzung)
- beide Probleme zusammenstellen die Menschheit vor den vielleicht unlösbaren
Konflikt, Ziele zu verfolgen, die vielen unerreichbar erscheinen:
1. Ziel:
Entwicklung
2. Ziel
Schonung der Ressourcen
Vermeidung der Klimakatastrophe
Oder sind das gar keine Gegensätze?
Entkoppelung von Wachstum und Energieverbrauch?
Ist zunächst weltweite Entwicklung notwenig?