1. Einführung
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Prof. Dr. Friedel Bolle 1 Vorlesung "Energiewirtschaft" ____________________________________________________________________________ Prof. Dr. Friedel Bolle 2 Vorlesung "Energiewirtschaft" ____________________________________________________________________________ 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. Prof. Dr. Friedel Bolle 3 Vorlesung "Energiewirtschaft" ____________________________________________________________________________ Prof. Dr. Friedel Bolle 4 Vorlesung "Energiewirtschaft" ____________________________________________________________________________ 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. Prof. Dr. Friedel Bolle 5 Vorlesung "Energiewirtschaft" ____________________________________________________________________________ Prof. Dr. Friedel Bolle 6 Vorlesung "Energiewirtschaft" ____________________________________________________________________________ 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- Prof. Dr. Friedel Bolle 7 Vorlesung "Energiewirtschaft" ____________________________________________________________________________ Prof. Dr. Friedel Bolle 8 Vorlesung "Energiewirtschaft" ____________________________________________________________________________ 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?
