energien

Gerhard Schmitz
Technische Universität Hamburg Harburg
Institut für Thermofluiddynamik (M21)
Technische Thermodynamik
Anpassung der Infrastruktursysteme an
die Anforderungen der Energiewende
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1. und und 2. Hauptsatz der Thermodynamik
Energie kann nur gewandelt werden
Wandlungen von Energie sind Beschränkungen
unterworfen
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Energieerhaltung
Systemgrenze
Innere Energie
Wärme
Arbeit
Kinetische Energie
Potenzielle Energie
Nur Innere Energie, Kinetische und Potenzielle Energie sind speicherbar!
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Energiewandlungen
Arbeit in Wärme:
geht immer! (Elektrischer Heizer)
Potenzielle Energie in Arbeit:
geht immer! (Wasserfall)
Kinetische Energie in Wärme:
geht immer! (Bremse)
Kinetische Energie in Arbeit:
geht immer! (Mühle)
Wärme in Arbeit:
Teilweise. Kommt auf die Temperatur der
Wärme an, je höher je besser (= höherer
Exergieanteil). Aber immer zwei
Wärmereservoirs (heiß-kalt) nötig!
Umweltenergie in Arbeit:
geht gar nicht!!
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Energiewandlungswege
Regenerative Primärenergien
Sonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie
Nutzenergien
Kraftanlagen (Fotovoltaik, Windanlag.)
Nicht –
Regenerative
Primärenergien
Uran
Kohle
Öl
Gas
Großkraftwerk
Thermische
Anlagen
Stromspeicher
Sekundärenergie
Wärmespeicher
Wärmepumpe
KI
PO
NW
KI: kinetische
Energie, z.B.
el. Rührbesen
Kältemaschine
KÄ
KÄ: Kälte z.B.
Kühlschrank
NW
HW
NW: Niedertemperaturwärme
für Heizung
Arbeitsmaschine
elektr.
Motor
Heizdraht,
Induktion
NW
Wärmetransformator
Absorptionskältemaschine
BHKW
Arbeitsmaschine
Motor
Feuerung
Wärmepumpe
Kältemaschine
Heizungskessel
Wärmepumpe
Absorptionskältemaschine
Primärenergie
Transport, Umwandlung
(ggfs. Sekundärenergie)
Endenergie
Umwandlung
HW
KÄ
KI
PO
NW
KÄ
HW: Hochtemperaturwärme
z.B. für das
Kochen oder
für Prozesse
PO: Potenzielle
Energie, z.B.
Aufzug
NW
HW
KÄ
Nutzenergie
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Fluktuierende Regenerative Energien
Quelle: Speicher für Stromnetze mit hohem Anteil erneuerbarer Energie. etz, (2):2–3, 2009.
Verlauf von Windenergieeinspeisung und Last im Vattenfall Hochspannungsnetz 2008
Primärleistung
& Energiebedarf
Schmelzbetrieb
1-Korb & 3-Korb Charge
Primärleistung &
Energiebedarf
eines
Elektrolichtbogenofens
Quelle: ArcelorMittal Hamburg GmbH
120
100 %
P/Pmax
Primärleistung in MW
Gesamtenergieverbrauch in MWh
100
80
60
50%
40
20
00
9:30
9:40
9:50
10:00
10:10
10:20
Ofenleistung
10:30
Ofenleistung
10:40
10:50
Energie
11:00
11:10
Energie
11:20
11:30
Zeit
Energiewende - vorher
Last
in
GW
Angebot
Nachfrage
Zeit in h
Energiewende – nachher, ohne Maßnahmen
Last
in
GW
Angebot
Nachfrage
Zeit in h
VDI-Nachrichten
23.11.2012
S.1
BILD 2.04.2012
Energiewende = Energiemanagement
Entsprechend dem optimierten Bedarf genau die erforderliche
Energiemenge mit der nötigen Energiequalität zum richtigen
Zeitpunkt an den richtigen Ort liefern - bei möglichst wenig
Energiewandlungsverlusten.
Die richtige Energie am richtigen Ort
Nachfrage so steuern, dass möglichst speicherbare
Energien genutzt werden
Energien möglichst „vor Ort“ wandeln
Gas (welches auch immer) ist ein speicherbarer
Energieträger
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Europäisches Gas Verbundnetz (Ausschnitt)
Deutsche Höchstspannungsleitungen
Wilster
Hamburg
Hannover
Lehrte
Kassel
Fulda
Grafenrheinfeld
VDE
Anschlussenergie bei Neubauten
Gasbeheizte Schnellerwärmungsanlage für Schmiedeknüppel als
Alternative zur Induktiven, elektrischen Erwärmung
Dezentralisierung der Energiewandlung
Dezentrale Anlagen sind nicht unbedingt effizienter als
große Energiewandlungsanlagen
aber:
Dezentrale Energiewandlungsanlagen wie BHKW sind
leichter zu realisieren
Bei dezentralen Anlagen kann die Wärme- und
Stromnachfrage besser bedient werden
Die Investitionskosten dezentraler Anlagen sind niedriger
Nachfrage nach neuen dezentralisierte Back-up Lösungen
steigt
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Dezentralisierte Stromerzeugung
Quelle: Lichtblick
ZuhauseKraftwerke
19,0 kWel 36,0 kWtherm
Quelle: Gaswärme-Institut Essen
CFCL Hochtemperatur-BZ
1,5 kWel 0,5 kWtherm
Whispergen Stirlingmotor
1,0 kWel , 5-7 kWtherm
Nutzung von BHKW-Abwärme zur Klimatisierung
Niedertemperaturwärme
Arbeit (Strom)
Erdgas
Aber: Strom und Wärme müssen gleichzeitig nachgefragt werden!
Modelica
Virtuelles Kraftwerk
BHKW
BHKW – Einsatzplanung & Optimierung
Speicheroptimierung
Loganova Spot
Loganova
spot
Dachs
base load
Dachs Grundlast
Ecopower
base load
ecopower Grundlast
8,900
7,600
7,550
Empfohlene
Speichergröße
8,850
7,500
8,800
7,450
8,750
7,400
8,700
7,350
7,300
8,650
7,250
8,600
ecopower (1,3-4,7 kWel, 12,5 kWth,
el=0,25), Spot-Betrieb
8,550
7,200
7,150
8,500
750
1000
1250
1500
Speichervolumen / [l]
1750
7,100
2000
Beitrag zum Gewinn im Grundlast-Betrieb [€]
Beitrag zum Gewinn im Spot-Betrieb [€]
Dachs
spot
Dachs Spot
Thermische Energiespeicher
„Auch die Erwärmung von Wasser für
Fernwärmesysteme bietet einen großen
Speicher für Windenergie….“
Quelle: Hamburger Abendblatt 06.03.14, Seite 6: „Der
Wind macht den Norden stark“