V01_*

Energie und Klimawandel
0. Einführung - extended abstract
0.1 Warum interessiert uns das Thema
0.2 Einige Fakten zur Einführung in die Problematik...
0.3 Aufbau der Vorlesung
0.4 Energie und Treibhausgase
0.5 Energieeinheiten und Größenordnungen
.51 Energieeinheiten und Umrechnungen
Das kleine und das große DreimalDrei
.52 Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch
.53 Größenordnung einiger Energiespeicher und -flüsse
.531 Fundamentales zur Erde als Energiespeicher
.532 Wichtige und interessante Energiespeicher
.533 Wichtige und interessante Leistungen
.534 Energiedichten von Brennstoffen
.54 Wirkungsgrad , Energieaufwand und Leistungsdichten
0.6 Was ist Energie
0.3 Aufbau der Vorlesung
Energie und Klimawandel
Dr. rer. nat. Gerhard Luther
Forschungsstelle Zukunftsenergie, c/o Technische Physik-Bau38, Universität des Saarlandes
Tel.: 302-2737; e-mail: [email protected]
0. Einführung und extended abstract:
Einige Fakten zur Klimaproblematik; Energieeinheiten und Größenordnungen
1. Die Energiesituation in Deutschland und in der Welt
2. Klimawandel - Auswirkungen des Einsatzes fossiler Energieträger,
2.1 Unmittelbare Umweltverschmutzung
2.2 Das Klima der Erde: Vielfalt, Ordnung und Komplexität
2.3 Klimawandel
2.4 Internationale Klimapolitik als Antwort auf drohenden Klimawandel
3. Verfügbarkeit ewiger Energiequellen
Kernfusion und Sonne als Energieressource, Wind- insbesondere offshore; Biomasse; Geothermie
4. Sparsame Nutzung externer Energiequellen
Wärmepumpe; Brennstoffzelle; Brennwertkessel; SWK;Wärmetauscher
5. Energiedienstleistungen: Energierelevante Ansprüche an Gebäude
u.a. Thermische Behaglichkeit (incl. Frischluft)
0. Einführung: Energieeinheiten und Größenordnungen
was ist Energie (Feynman);
von [J] bis [EJ] (vgl. Smil: Energies )
Vielfalt der Energiebezüge :
1. Die Energiesituation in Deutschland und in der Welt
1.1 Gegenwärtiger Energieeinsatz in BRD und in der Welt
1.2 Wachstum des Energieverbrauches
Einflußfaktoren: Bevölkerung - und Wirtschsftentwicklung
1.3 Vorräte fossiler Energiequellen: Reserven, Ressourcen
2. Klimawandel - Auswirkungen des Einsatzes fossiler Energieträger,
2.1 Unmittelbare Umweltverschmutzung
Rückgang der klassischen Umweltverschmutzung, insbesondere Luftverschmutzung
Im Saarland, in der BRD; Europa
Klassische Umweltverschmutzung in der Welt
2. Klimawandel - Auswirkungen des Einsatzes fossiler Energieträger,
2.1 Unmittelbare Umweltverschmutzung
2.2 Das Klima der Erde: Vielfalt, Ordnung und Komplexität
.21 Übersicht über Temperatur in Atmosphäre und Ozean
.22 Übersicht über das Klimasystem der Erde [TAR1_1]
.23 Die Entwicklung des Klimas auf der Erde [ Houghton GW _Chap4:Cimates at the past, TAR1_2]
2.3 Klimawandel
.31 Der Treibhauseffekt (zwei einfache Modelle)
.32 Beobachtete Klimaänderungen, insbesodere im 20.Jhd [IPCC1_B_2]
.33 GreenHouseGases und ihr Strahlungsantrieb [GW_Chap3,TAR1.3,4,5,6, und _C_3-6]
.34 Klimamodelle [GW_5, TAR1_7 Physical Climate Processes and Feedbacks, TAR1_D ]
Model evaluation [TAR1_8]
Climate change under status quo-Entwicklung [GW_6]
Vorhersagen zum Klimawandel [TAR1_9]; [IPCC1_F]
.35 Impacts: [GW_7]
, freshwater resources
agriculture and food supply
natural ecosystems
.36 Die Identifikation des anthropogenen Einflusses auf den Klimawandel
[TAR1_12;TAR1_E_12]
2.4 Internationale Klimapolitik als Antwort auf drohenden Klimawandel
UNFCCC 1992 - KlimarahmenKonvention
Kyoto Protocol 1997,
EU GHG "bubble" and internal burden share
BRD: EnEV, EEG, KWK-Gesetz ; Ökosteuer
3. Verfügbarkeit ewiger Energiequellen (regenerativ, "unendlich")
3.1 Kernfusion in den Sternen und auf Erden
3.2 Sonneneinstrahlung
global, lokal, Sonne als Energieressource
Verteilung über den Globus
3.3 Wind, insbesondere offshore
3.4 Biomasse
3.4 Geothermie
3.5 Andere: Wellen
4. Sparsame Nutzung externer Energiequellen
4.1 Primärenergieinsatz und Exergie als Gütekriteriem
4.2 Wärmetauscher, Brennwertkessel, Flächenheizung (AWH)
4.3 Wärmepumpe
4.4 Strom-Wärmekopplung
4.5 Brennstoffzelle
4.7 Wärmespeicher
5. Energiedienstleistungen: Energierelevante Ansprüche an Gebäude
5.1 Thermische Behaglichkeit (incl. Frischluft)
5.2 Feuchte (Tauwasser, Luftfeuchte)
auch in Nichtnutzungsräumen wie Keller und Dachgeschoss
5.3 Warmwasserverbräuche
5.4 Strom- Dienstleistungen
Licht
Stand:2002_0409
Die Vorlesung möchte versuchen einen breiten Zugang
zur Energiefrage zu finden. Daher:
- mehr Überblick, nur vereinzelt Details
- fachübergreifend mit Mut zur Lücke
- generalistischer Ansatz
„Auch die Wissenschaft ist nicht frei
von diesem Fluch der Komplexität.
Zu den meisten als wichtig angenommenen gesellschaftlichen Themen gibt es
Studiengruppen oder ganze Forschungsinstitute, mit Hunderten oder gar Tausenden
von dokumentierten, filigranen Detail-Untersuchungen.
Solches Wissen mag wissenschaftlich relevant sein, gesellschaftlich relevant ist es
nicht, da es nicht als Ganzes den Entscheidungsträgern oder der politisch interessierten Öffentlichkeit mitteilbar ist.
Da kann sich jeder Einzelne dann ein
Detail heraussuchen, das sich mit seinen Vorurteilen
deckt
und sich dabei auf wissenschaftliche Grundlagen berufen ! “
(aus dem Geleitwort der Heraeus Stiftung zu /Heinloth 97/)
Quelle: /Heinloth 97, p. VI /
Klaus Heinloth: „Die Energiefrage, Bedarf und Potentiale, Nutzung, Risiken und Kosten “, vieweg, Braunschweig (1997), 21 Euro
0.4
Energie und Treibhausgase
GHG emission factors for a number of fuels
The greenhouse gas emissions from combustion of a number of fuels are compared in the
table below. Emissions from all stages of the cycle of production, transport and use are
considered; apart from the combustion stage, these include:
CO2 release from transport of fuels and from flares;
CH4 leakage from oil and gas fields and pipelines, and
N2O from forestry
(Smith et al, 1994).
Fuel
CO2
[gC/MJ ]
(relativ)
Coal
25.1 1.00
Oil
20.8 0.83
Natural gas 14.3 0.57
Peat
29.7 1.18
Wood
31.1 1.24
Source: Smith I M, Nilsson C, Adams D M H (1994) :
CH4
N2O
[ gCH4/GJ ]
[ gN2O/GJ ]
5.5
8
3
4.5
40
2
2
1
2
2
Greenhouse gases - perspectives on coal. IEAPER/12, IEA Coal Research, London, UK, 41pp
Quelle: www.ieagreen.org.uk/fswitch.htm;
IEA_GHG\ IEA_Fuel switching.htm
Umrechnung auf kg CO2 pro kWhth
Ím wissenschaftlichen Bereich wird das CO2 meist als Kohlenstoff C angegeben.
Techniker bevorzugen meist Angaben direkt in kg CO2.
Molekulargewicht : 12g C + 2*16 g O2 = 44g CO2 ,
also Faktor [CO2]/ [C] = 44/12 =3,67
1
2
3
15
als
C/ MJ
16
[gC/MJ ]
17
Coal= 25,1 1,00
18
19
20
21
Oil
Natural gas
Peat
Wood
20,8
14,3
29,7
31,1
4
5
6
7
8
9
als
CO2/kWh
relativ
0,83
0,57
1,18
1,24
kg CO2/ kWhth
0,3313 =ZS(-2)/ 1000* [(12+2*16)/12] * 3,6
0,2746
0,1888
0,3920
0,4105
10
CO2 Emission Factors by Technology
(Current and Near-Term)
g CO2 pro kWhel
II zum Vergleich:
331 g Kohle ergeben 1 kWhth
--------------II 189 g Erdgas
Quelle: IEA:World Energy Outlook 2001 Insights; www.iea.org/weo/index.htm; WEO2001_light.pdf, fig.4.13,p.93
0.5
Energieeinheiten und Größenordnungen
0.5 Energieeinheiten und Größenordnungen
.51 Energieeinheiten und Umrechnungen
Das kleine und das große DreimalDrei
.52 Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch
.53 Größenordnung einiger Energiespeicher und -flüsse
.531 Fundamentales zur Erde als Energiespeicher
.532 Wichtige und interessante Energiespeicher
.533 Wichtige und interessante Leistungen
.534 Energiedichten von Brennstoffen
.54 Wirkungsgrad , Energieaufwand und Leistungsdichten
0.6 Was ist Energie
0.51 Energieeinheiten und Umrechnungen
Gesetzliche Einheiten im Meßwesen:
• Am 2. Juli 1969 wurde das “Gesetz über die Einheiten im Meßwesen”
erlassen. (siehe: BGBI.1969 I, S. 981)
• Für den geschäftlichen und amtlichen Verkehr in der Bundesrepublik
Deutschland sind die SI-Einheiten (Système International d’Unités) als
gesetzliche Einheiten ab 01.01.1976 verbindlich.
Definierte Einheit für Energie:
Joule (J)
Watt (W)
für Energie, Arbeit, Wärmemenge
für Leistung, Energiestrom, Wärmestrom
1 Joule (J) = 1 Newtonmeter (Nm) = 1 Wattsekunde (Ws)
Quelle: e.g. / AG-Energiebilanzen, AGEB-Vorwort.doc Abschnitt 4.1
0.511 Das kleine und große DreimalDrei
Das kleine DreimalDrei
Vorsätze und Vorsatzzeichen für Energieeinheiten:
Kilo
Mega
Giga
Tera
Peta
Exa
k
M
G
T
P
E
103
106
109
1012
1015
1018
Tausend
Million
Milliarde
Billion
Billiarde
Trillion
Für die nationale und internationale Energiewirtschaft ist
EJ
die richtige Größenordnung.
Übrigens: Nicht gebräuchlich, aber doch schon definiert:
Zetta Z 1021
Yotta Y 1024
Vorschlag: Große Lösung für große Zahlen
Vorsätze und Vorsatzzeichen für sehr große Einheiten:
[ etwas very special ]
Kilo_Exa
Mega_Exa
Giga_Exa
Tera_Exa
Peta_Exa
Exa_Exa
usw.
Kexa
[ Kx ]
Mein Geheimnis
Mexa
[ Mx ]
Gexa etwas
[ Gx ]
Texa very [special
Tx ]
Pexa [ Px ]
Eexa [ Ex ]
kE
ME
GE
TE
PE
EE
1021
1024
1027
1030
1033
1036
Vorschlag: Große Lösung für kleine Zahlen
Vorsätze und Vorsatzzeichen für sehr kleine Einheiten:
milli_atto
mikro_atto
nano_atto
piko_atto
femto_atto
atto_atto
matto
müatto
natto
patto
fatto
aatto
ma
µa
na
pa
fa
aa
usw.
Übrigens:
Nicht gebräuchlich, aber doch schon definiert:
zepto z 10-21
yocto y 10-24
10-21
10-24
10-27
10-30
10-33
10-36
Warum gerade Exa und atto als Ausgangs-Größenordnung
1. Exa und atto sind zueinander reziprok ( 1018 und 10-18)
daher ergibt sich eine symmetrische Bezeichnung
2. Die gegenwärtig gebräuchliche „Begriffsfront“ liegt bei
Exa und atto
3. Die Worte Exa und atto fangen als einzige Vorsatzzahlen
mit einem Vokal an und lassen sich daher zwanglos
mit den AnfangsKonsonanten
der sonstigen Vorsilben zusammenziehen .
„Gexa“, „natto“
4. Im Energiebereich: EJ sehr praktische Grundeinheit
einfaches Rechnen im großen „Dreimal Drei“
0.512 Umrechnungen
Energie Einheiten ohne kcal
Umrechnungsfaktoren zwischen Energieeinheiten
Einheiten
kJ
kWh
kg SKE
kg ÖE
kJ
1
3600
29304
41868
kWh
0,000278
1
8,14
11,63
kg SKE
kg ÖE
3,41E-05
2,39E-05
0,123
0,086
1
0,700
1,429
1
Wirklich merken muß man sich nur die beiden fett-roten Zahlen.
Öl: Umrechnung auf Liter:
1 kg Öl = ca. 1,170 [Liter], also ergibt 1Liter Öl 9,94 kWh
Faustformel:
MJ
kWh
Liter Öl
36
10
Quelle:e.g. /Heinloth97.Anhang A, p 484 / ;
EnergieGrößen.xls
Energie Einheiten
Umrechnungsfaktoren zwischen Energieeinheiten
Einheiten
kJ
kWh
kg SKE
kg ÖE
kcal
kJ
1
3600
29308
41868
4,1868
kWh
0,000278
1
8,14
11,63
0,001163
kg SKE
0,000034
0,123
1
1,429
0,000143
kg ÖE
0,000024
0,086
0,700
1
0,000100
kcal
0,239
860
7000
10000
1
Wirklich merken muß man sich nur die 3 fett-roten Zahlen.
Öl: Umrechnung auf Liter:
Erdgas:
1 kg Öl = ca. 1,170 [Liter],
also ergibt 1Liter Öl 9,94 kWh
Faustformel:
Quelle: Saarferngas, 11.4.2001
Liter Öl
MJ
36
kWh
10
Hu_Gas= 9,995 [kWh/m3]
Ho_Gas= 11,087 [kWh/m3]
kWh/m3
Heizwert
10
Brennwert
11
Quelle:e.g. /Heinloth97.Anhang A, p 484 /; / AG-Energiebilanzen, AGEB-Vorwort.doc/ EnergieGrößen.xls
Mio Tonnen SKE und Exa-Joule
Ganz praktisch zu merken:
1 Mt SKE = 109 kg SKE = 109 * 7000 kcal = 109 *103 * 7 * 4,1868 [103 J] = 29,308 [PJ]
1 Mt SKE = 0,029 [ EJ ]
Elektronenvolt
Klein aber oho!
1 eV = 1,6 * 10-19 [As *V] = 0,16 [atto Joule]
1 eV = 0,16 [ aJ ]
0.52
Einige Orientierungswerte für jährlichen
Energieverbrauch
Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2003, Abschnitt F, p. 39F, Energifluss.xls
Weltweiter jährlicher Energieverbrauch
Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2003, Abschnitt F, p. 39 F, Energifluss.xls
Primärenergieverbrauch der Weltregionen (1997, [EJ] )
Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2000, Abschnitt F, p. 36 F,
[GJ/a]
Abb.1: Die weltweite Verteilung des Energieverbrauchs an fossilen
Energieträgern pro Kopf der Bevölkerung 1997.
Nicht berücksichtigt sind hierbei dezentrale Energiesysteme, wie z. B. Holzfeuer
zum Kochen in Entwicklungsländern (bis zu 80 % Anteil im ländlichen Bereich)
Quelle:. /BINE_BE_7: Energie im Wandel,2000, Abb1, p.1; O-Folie aus bild0700...ptt
Flotte Umrechnungen
trivial aber wichtig:
Sekunde
Sekunde
Minute
Stunde
Tag
Jahr
1
60
3600 = 3,6 [ ks ] = 4*(1- 0,1) [ ks ]
86400
= 86,4 [ ks ]
31536000 = 31,5 [ Ms ]
Stunde
8760
Beispiele:
Europäer (OECD) verbrauchen im Jahr 141 [GJ /a]
141 [GJ / a] = 141/31,5 [Giga/Mega W] = 4,5 [ kW ]
Die Sonne liefert an einem schönen Tag im Juni 24 MJ/m^2
24 MJ / 3,6 k =~ 24 * {1/4 * (1+ 0,1)} *[M/k Wh]= 6,6 [kWh]
Die Welt besteht seit ca. 15 [Ga] = 15*31,5 [Ps] = 0,5 [Es]
Quelle:Energifluss.xls !Zeit
Entwicklung des Weltenergieverbrauchs (in EJ )
bisher:
Nicht erfasst sind:
Brennholz,
Dung und
andere Biomasse
(Entwicklungsländer)
Quelle:e.g. /BINE_BE_1: Klima und Energie,1998, Abb3, p.3
Grobes Primärenergie Portfolio, exemplarischer Pfad des WBGU
zukünftig ?
EJ/a
_1000/31,5 [E/M J/s]= 31,7[TW]__
Quelle: Prof.J. Luther, ISE Freiburg, Vortrag auf AKE2004F, verfügbar in http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2004F/Links_AKE2004F.htm
0.53
Größenordnung einiger Energiespeicher
und -flüsse
0.531 Fundamentales zur Erde als Energiespeicher
Fundamentales über die Erde im Weltraum
Planet Earth in her orbit
Speed of the Earth in her orbit around the Sun
= 30 [km /s] = 108 000 [km/h]
corresponding to a kinetic energy of some 2,7 [PxJ] = 2,7 [PetaExa J] =2.7x1033 J
Planet Earth : rotating around her axis
Rotation of the Earth around her axis with an angular velocity of ca. 2 /24h = 7.3xl0-5 [rad s-1]
corresponding to an additional kinetic energy of
0,22 [TxJ] = 0,22 [TeraExa
J] =2.2x1029 J
Against the gravitational attraction :
Work required
in order to pull the Earth infinitely far away from the Sun = 5,3 [PxJ] = 5.3xl033 J
to separate the Earth from its Moon
Sorensen, Bent: Renewable Energy, (2000) , Academic Press, London, p.1
= ca. 80 [GxJ] = 8x1028 J
Energie in und auf der Erde
Heat Energy of Earth against 0 K
The kinetic energy of molecular motion, i.e. heat energy , = ca. 5 [TxJ] = 5 * 1030 J
This estimate represents the total heat energy , relative to the absolute zero temperature.
Atmospheric and oceanic circulation
On average present as kinetic energy in the atmospheric and oceanic circulation:
1 [kxJ] = 1021 [ J ]
continental height-relief:
The potential energy of the continental height relief, relative to sea level,
is about 20 [MxJ] = 2xl025 [ J ]
taking into account density variations in the crust (Goguel, 1976).
Sorensen, Bent: Renewable Energy, (2000) , Academic Press, London, p.1 +2
Energie in chemischer Bindung
Carbon compounds of biological materials:
Fossilisation of biological material created the deposits of coal, oil and natural gas:
of which at least 100
[kxJ] = 100 [kiloExa J] = 1023 J
is presently believed to be recoverable in a form suitable for fuel uses .
Current standing crops of biomass correspond
to an average of
15 [kxJ] = 1,5 * 1022 J.
Sorensen, Bent: Renewable Energy, (2000) , Academic Press, London, p.2
Energie in nuklearer Bindung
Nuclear fission:
Spontaneously fissioning nuclear isotopes in the Earth's crust release per year
about
400 [EJ /a]
= 4 * 1020 J /a
.
With the necessary improvements in technology (of fast breeder reactors),
recoverable resources of nuclear fuels are estimated to be
of the order of 1 [MxJ] = 1024 J.
Nuclear fusion
lf fusion of deuterium nuclei to form helium nuclei could be made viable
on the basis of deuterium present in sea water,
this resource alone would amount to more than
10 [TxJ] = 1031 J.
Sorensen, Bent: Renewable Energy, (2000) , Academic Press, London, p.2
0.532 Wichtige und interessante Energiespeicher
Größenordnung einiger „Energiespeicher“
= 200 kE J
= 10 kE J
Quelle:/ Smil-98, Table 2, p. XIV /
Größenordnung einiger „Energiespeicher“ und kumulierter EnergieFlüsse
= 5,5 ME J /a = 0,17EW * 31,5 Ms/a
= 2 kE J /a
= 100 MJ / 86,4 ks = 1,16 kW
= 116 W
Quelle:/ Smil-98, Table 3, p. XV /
Typische Energiemengen
Kinetische
Energie:
Fußgänger (m = 72 kg, v = 6 km/h)
Rotierender Zylinder (m = 1 t, Radius r =1 m,
Frequenz = 1 Hz)
PKW (m = 1, 3 t, v = 100 km/h)
EuroCity (m = 400 t, v = 220 km/h)
Großraumflugzeug (m = 300 t, v = 880 km/h)
100 J
10 kJ
0, 5 MJ
0, 75 GJ
9 GJ
(Die Masse m und die Geschwindigkeit v sind so gewählt, daß sich in etwa runde Zahlen
ergeben. Die Rotationsenergie des Zylinders ist E rot = mr22/4.)
Potentielle En ergie:
Bergsteiger (m = 85 kg, Höhe = 1000 m)
Großraumflugzeug (m = 300 t, Höhe = 10 km)
Stausee (m = 107 t , Höhe = 500 m [theoretisch])
Quelle: /
0,8 MJ
29 GJ
48 TJ
Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1,p.24; manuskript p.21/
Bindungsenergie:
Chemische Bindungsenergie:
C und O2 in CO2
Atomare Bindungsenergie:
Ionisationsenergie in H
Nukleare Bindungsenergie:
Fusion (D+ T)
pro Nukleon
235U-Kern
pro Nukleon
4, 2 eV = 6, 7 · 10-
19
13, 6 eV = 21, 8 · 10-
?
3, 5 MeV=
1 MeV =
J
19
5, 6 · 101, 6 · 10-
= 0,67 [aJ]
J
= 2, 18 [aJ]
13 J
13
= 0,56 [pJ]
J = 0,16 [pJ]
F r e i s e t z u n g v o n B i n d u n g s e n e r g i e bei :
Verbrennung von 1 kg Steinkohle:
Verbrennung von 1 kg Erdöl:
Spaltung von 1 kg Uran (235U):
30 MJ
43 MJ
2 · 107 kWh =
72 TJ
Faktor 10 überprüfen?
Fusion von 1 kg (D + T):
Explosion einer H-Bombe
Quelle: /
2 · 108 kWh =
5 · 1010 kWh =
720 TJ
0,2 EJ
Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1, manuskript p.21/
Feldenergie:
Elektr. Feldenergie, Feld der Stärke 1 kV/m in 1 m3:
Magnetfeldenergie, Feld der Flußdichte 1 Tesla in 1 m3:
R u h e m a s s e n e n e r g i e (E = m0 c2)
Ruheenergie des Elektrons (m0e
4, 4 · 100,4 MJ
6
J
:
9, 11 · 10 -31 kg):
8, 2 · 10 -14 J=
Ruheenergie von 1 kg Materie: 9 · 107 GJ =
Ruheenergie der Sonnenmasse (m0 = 1, 99 · 10 30 kg):
17, 9 · 10 37 GJ=
=
82 [ f J ]
90 PJ
179 [GEE J ]
Masse der chem. Energie in 1 kg Steinkohle (30 MJ): 3,3 · 10 - 7g = 330 ng
V a k u u m e n e r g i e: (weiß jemannd was das ist?)
Vakuumenergiedichte:
ca. = 5 · 10 - 10 J m-3 = 500 pJ m-3
Vakuumenergie in einer Kugel vom Radius
r =5, 8·109 m = 15facher Abstand Erde – Mond: 4 · 10 20 J= 400 EJ
Quelle: /
Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1,p.19+20; manuskript p.22/
(all) tägliche S t r a h l u n g s e n e r g i e :
mittl. tägliche Sonneneinstrahlung auf 1m2 in BRD: 3,1 kWh =
11 MJ
tägl. Einstrahlung der Sonne auf die Erde: 4, 22 · 10 15 kWh =
= 0,17 EW* 86,4 ks =
15 · 103 EJ
15 kEJ
15 · Zeta-J
tägl. Abstrahlung der Sonne insgesamt:
9, 24 · 1024 kWh =
3, 3 · 1013 EJ
33 TEJ
Gemischte Energieformen:
Energie eines Gewitters oder Hurrikans:
Energie einer Zyklone:
5 · 1010 kWh =
5 · 1012 kWh =
!! Energie sämtlicher Gewitter auf der Erde
an einem Tag (insgesamt 44 000):
2 · 1015 kWh =
0,2 EJ
18 EJ
7200 EJ
7,2 kEJ
(!! stimmt aber irgendwie nicht, da tägl. Einstrahlung der Sonne auf die Erde nur 15 kEJ !!)
Quelle: /
Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1,p.24; manuskript p.22/
0.533 Wichtige und interessante Leistungen
Leistung einiger kontinuierlicher Vorgänge
**
= 0,17 EW =1,7 * 1017 W
??
Golfstrom
**
S0 *  * RErde2 = 1,37 kW/m2 ** ( 6,4 Mm )2 = 1,37 * 3,14 * 40*[ kT W] = 170[ PW] = 0,17 [EW]
Quelle:/ Smil-98, Table 4, p. XV /
Leistung einiger kurzzeitiger Ereignisse
1000 Bomber mit je 4 t Bomben in 1 h:
Sprengkraft: ca. 0,5 * 36 MJ / kg =5 kWh/kg = 5 MWh / t
Also:
1 k * 4 t /h * 5 MWh/ t = 20
GW
armes K, armes HH, armes Dresden, armes Tokyo
Quelle:/ Smil-98, Table 5, p. XV /
0.534 Energiedichten von Brennstoffen
Energiedichten von
„Brennstoffen“
aller Art
Messlatten:
Tagesration
für Menschen: 10 [ MJ ] = 10.000 [kJ]
Liter Heizöl : 36 [ MJ ] = 10 kWh
Quelle:/ Smil-98, Table 6, p. XVI /
0.54 Wirkungsgrade, Energieaufwand, Leistungsdichte
Wirkungsgrade
einiger
Energie-Wandler
Quelle:/ Smil-98, Table 7, p. XV I/
Wirkungsgrad typischer Energiewandler
59
GUD:59
35
PEM_FC:35
100-400
Wärmepumpe
WKM =Wärmekraftmaschine
Tabelle 1.2: Energieumwandlung und Energiewirkungsgrad  (in Prozent) typischer Energiewandler.
In der linken Spalte steht die Energieform vor der Umwandlung,.
In der oberen Zeile steht die Energieform nach der Umwandlung.
WKM = Wärmekraftmaschine.
Quelle: /
Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1, Tabelle1.2,p.31; manuskript p.28/
Energieaufwand
für
einige Materialien
3,6 MJ =1 kWh
Quelle:/ Smil-98, Table 8, p. XVII /
Leistung
auf der Fläche
einiger
Quellen und Senken
Eine Messlatte:
max. Solarstrahlung:
1 kW/m2
mittlere
solare Einstrahlung
in BRD: 100 W /m2
Power densities
of various energy
production
and
consumption phenomena.
Quelle:/ Smil-98, fig.1, p. XVIII /
Leistungsdichten und Ausdehnung von
Quellen und Senken
kW/m2
Typical ranges of
areas and power densities
in large-scale modern
energy production (lines)
and in
household and industrial
consumption (dots).
W/m2
Quelle:/ Smil-98, fig.2, p. XVIII /
Natürliches Angebot erneuerbarer Energien
Das natürliche Angebot der
erneuerbaren Energien
(hintere Quader)
ist außeror-dentlich groß.
Die daraus technisch
gewinn-baren
Energiemengen in Form von
Strom, Wärme und
chemischen Energieträgern
(vordere Quader)
übertreffen den derzeitigen
Weltenergieverbrauch
(Grauer Quader)
um das etwa Dreifache.
Quelle:
/ BMU: Erneuerbare Energien 1999, p66,
UrQuelle: DLR, J.Nitsch
Erneuerbare_Energien_14.pdf/
0.6
Was ist Energie
Was ist eigentlich Energie ?
1. Richard F. didn‘t know
Der Energiebegriff ist so fundamental, dass man die elementare Frage „Was ist
Energie?“ gar nicht so einfach beantworten kann.
Zum Trost schrieb Richard Feynman in seinen „Lectures on Physics“:
„
It is important to realize that in physics today we have no knowledge of what
energy is.
We do not have a picture that energy comes in little blobs of a definite amount.
“
2. Begnügen wir uns also mit:
• 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik
• E = mc2
„ an amusing and attractive thought“
( O-Ton Albert E. in einem Brief an einen Freund )
• der Rechnung der Stadtwerke: (ohne Verrechnungs- bzw. Leistungspreis)
1 kWh Strom :: 20 [cents] (linearer Tarif , brutto))
1 kWh „Heizgas“ :: 6 [cents] (Hu)
Quelle:/ V. Smil: „Energies“, MIT Press, Cambridge/Mass, (1998), p.VIII / , ISBN 0-262-19410-4
Table 5 Powers of Short-Lived Phenomena ~ Energy flows Duraclon Power Richter magnimde 8 earthquake Large volcanic eruption
Thunderstorm's kinetic energy Large WWII bombing raid Average U.S. tornado Four engines ofBoeing 747 Watt's largest steam
engine Running IOO-m dash Machine-washing laundry Playing a CD Candle burning to the end Hummingbird flight 30 s 10 h 20 min
Ih 3min loh lOh 10 s 20 min 60 min 2h 3min 1.6PW 100TW 100 GW 20GW 1.7GW 60MW 100 kW 1.3kW 500W 25W 5W 0.7W
Table 6 Ranges of Energy Densities of Common Fuels and Foodstuffs 1,- Energy density (MJ/kg) Hydrogen 114.0 Gasolines 46.047.0 Cmde oils 42.0-44.0 Pure plant oils 38.0-37.0 Natural gases 33.0.:-37.0 Butter 29.0-30.0 Ethanol 29.6 Best biturninous coals
27.0-29.0 Pure protein 23.0 Common steam coals 22.0-24.0 Good lignites 18.0-20.0 Pure carbohydrates 17.0 Cereal grains 15.2-15.4
Air-dried wood 14.0-15.0 Cereal straws l2.0-15.0 Lean meats 5.0-10.0 Fish 2.9-9.3 Potatoes 3.2-4.8 Fruits 1.5-4.0 Human feces 1.83.0 Vegetables 0.6-1.8 Urine 0.1-0.2
Table 7 Efficiencies of Common Energy Conversions (percent) Conversions Energies Efficiencies Large electricity generators M -+ e
98-99 Large power-plant boilers c -+ t 90-98 Large electric motors e -+ rn 90-97 Best horne natural-gas furnaces c -+ t 90-96 Dry-cell
batteries c -+ e 85-95 Human lactation c -+ c 85-95 Overshot waterwheels rn-+ rn' 60-85 Small electric motors e -+ rn 60-75 Large
steam turbines t -+ rn 40-45 Improved wood stoves c -+ t 25-45 Large gas turbines c -+ rn 35-40 Diesel engines c -+ rn 30-35
Mamma1ian postnatal growth c -+ c 30-35 Best photovoltaic cells r -+ e 20-30 Best large steam engines c -+ rn 20-25 Intemal
combustion engines c -+ rn 15-25 High-pressure sodium lamps e -+ r 15-20 Mamma1ian muscles c -+ rn 15-20 Traditional stoves c -+
t 10-15 Fluorescent lights e-+ r 10-12 Steam locomotives c -+ rn 3-6 Peak crop photosynthesis r -+ c 4-5 Incandescent light bulbs e -+
r 2-5 Paraffin candles c -+ r 1-2 Most productive ecosysterns r -+ c 1-2 Global photosynthetic mean r -+ c 0.3 Energy labels: cchemical, e -electrical, m- mechanical (kinetic), r-radiant (electromagnetic, solar), t-thettnal
Table 8 Typical EnerRY Costs ofCommon Materials (MJ/kg) Material Aluminum Bricb Cement Copper Glass Iron Limestone Nickel
Paper Polyethylene Polystyrene Polyvinylchloride Sand Silicon Steel Sulfuric acid Titanium Water Wood Energy cast 227-342 2-5 5-9
60-125 18-35 20-25 0.07-0.1 230-70 25-50 87-115 62-108 85-107 0.08-0.1 230-235 20-50 2-3 900-940 0.001-0.01 3-7 Made or
extracted from Bauxite Clay Clay and limestone Sulfide ore Sand, etc. Iron ore Sedimentary rock Ore concentrate Standing timber
Crude oil Crude oil Crude oil Riverbed Silica Iron Sulfur Ore concentrate Streams, reservoirs Standing timber
0.52
Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch
Primärenergieverbrauch:
Welt (1997)
USA (1997)
Deutschland (1997)
[EJ]
[%]
398
91
14,5
100
23
3,6
Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2000, Abschnitt F, p. 36 F, Energifluss.xls
Weltweiter jährlicher Energieverbrauch
Primärenergieverbrauch (1997):
[EJ]
[%]
[EJ]
[%]
Welt (1997)
398
Asien
134
100
34
Welt (1997)
398
China
47
100
12
Nordamerika
Südamerika
106
19
27
5
0
USA
91
23
77
38
19
9
Deutschland
14,5
0
3,6
Europa
frühere SU
Afrika
Ozeanien
20
5
5
1
Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2003, Abschnitt F, p. 39 F, Energifluss.xls