Gerhard Schmitz

Technische Universität Hamburg Harburg

Institut für Thermofluiddynamik (M21)

Technische Thermodynamik

Möglichkeiten und Grenzen der rationellen Energieverwendung

1

2

Energie kann nur gewandelt werden

Wandlungen von Energie sind Beschränkungen unterworfen

3

1. und und 2. Hauptsatz der Thermodynamik

4

Energieerhaltung

Wärme Arbeit

Innere EnergieKinetische EnergiePotenzielle Energie

Systemgrenze

5

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: kommt auf die Temperatur der Wärme

an (Kraftwerk, Automotor)

Umweltenergie in Arbeit: geht gar nicht!!

7

Beispiel: Gaskessel

Niedertempe-raturwärmeErdgas

Primärenergie NutzenergieTransport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) UmwandlungEndenergie

8

UranKohleÖl Gas

Nicht – Regene-rativePrimär- energien

Regenerative PrimärenergienSonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie

Nutzenergien

NW

KÄ

NWHW

NW

HW

KÄ

NW

KÄ

NW

HW

KÄ

KIPO

KIPO

KI: kinetische Energie, z.B. el. Rührbesen

PO: Potenzielle Energie, z.B. Aufzug

NW: Niedertempe- raturwärme für Heizung

KÄ: Kälte z.B. Kühlschrank

HW: Hochtempe- raturwärme z.B. für das Kochen oder für Prozesse

Wärme-speicher

BHKW

Strom-speicher

elektr.Motor

Heizdraht,Induktion

Wärmetrans-formator

Arbeits-maschine

Wärmepumpe

Kältemaschine

Absorptions-kältemaschine

Arbeits-maschine

Wärme-pumpeKälte-maschineHeizungs-kesselWärme-pumpe

Absorptions-kältemaschine

Motor

Feuerung

Groß-kraft-werk

Kraftanlagen (Foto-voltaik, Windanlag.)

ThermischeAnlagen

Sekundärenergie

Energieumwandlungswege

Rationelle Energieverwendung bedeutet:

Entsprechend dem optimierten Bedarf genau die erforderliche Energiemenge mit der nötigen Energiequalität zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Ort liefern - bei möglichst wenig Energiewandlungsverlusten.

Energieeinsparung im Bereich Haushalt und Kleinverbraucher

Regenerative Energien Wärmedämmung Anlagenoptimierung

10

Energiesparmöglichkeiten im Bereich Haushalt und Kleinverbraucher

Regenerative EnergienNutzung von Solarenergie (Strom und Wärme)Nutzung von BiomasseNutzung von Wärmesenken zur Kühlung

WärmedämmungVerbesserte DämmmaterialienVerbesserte Türen und FensterVermeidung von Wärmebrücken

AnlagenoptimierungIntegrierter Entwurf von Gebäude und AnlageEnergie- und Stoffrückgewinnung bei kontrollierter LüftungBrennwertnutzung bei fossilen BrennstoffenEnergetisch und exergetisch effizientere Geräte und BeleuchtungsanlagenBenutzerfreundliche Steuerungs- und RegelungsanlagenEffiziente Pumpen und VentilatorenOptimale Aufstellung von EnergieanlagenWärmepumpenKraft -, Wärme-, Kältekopplung (KWK) 11

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Energie-einspar-V.2007

Lüft

ung

Tran

smis

sion

Hei

zwär

me

gesa

mt

War

mw

asse

r

40 4035

15

120

80

4535

160

120

80

50

18 18 18 18

Wärmeschutz-verordnung1977

Wärmeschutz-verordnung1982

Wärmeschutz-verordnung1995

kWhm² a Durchschnitt in Deutschland 2008: 160 kWh/m² a

Wärmebedarf eines Einfamilienhauses (150 m², 3-4 Personen)

12

60

50

40

30

20

10

0

Solarbauaustellung Hamburg - Transmissionswärmebedarf

H

Quelle: Zebau 13

kWh/m²a

Entwicklung Verkauf Niedertemperaturheizgeräte - Brennwertheizgerät

141991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000Anzahl in Tausend

Gas-Heizheizgeräte gesamtGas-Heizheizgeräte gesamt

Gas-BrennwertgeräteGas-Brennwertgeräte

2010:454 Tsd.

2010:340 Tsd.

1515

Solarenergie mit Rücklauf-temperaturanhebung

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

PJ Energiebedarf der Haushalte in Deutschland

Haus halte ver brau chen im mer weni ger Ener gie?

Quelle AG Energiebilanzen 2013

Wohnfläche pro Person in m²

Quelle: Statistisches Bundesamt

36

37

38

39

40

41

42

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

17

35

30

25

20

15

10

5

0

Solarbauaustellung Hamburg - Lüftungswärmebedarf

Quelle: Zebau 18

kWh/m²a

19

Ent-lüftung

KesselPumpe

Ausdehnungsgefäß

„Kleinigkeiten“ - Hydraulischer Abgleich

Gründe, warum im HuK - Bereich der Energiebedarf nicht noch deutlicher sinkt:

Steigende Nachfrage nach Energiedienstleistungen

Nichtberücksichtigung von Nutzergewohnheiten

Instationäre Verhältnisse nicht beachtet

Mangelnde Qualitätsausführung

Nicht das ganze System betrachtet

Nicht das ganze Jahr betrachtet

„Kleinigkeiten“ unterschätzt

20

Primärenergie NutzenergieTransport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) UmwandlungEndenergie

21

UranKohleÖl Gas

Nicht – Regene-rativePrimär- energien

Regenerative PrimärenergienSonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie

Nutzenergien

NW

KÄ

NWHW

NW

HW

KÄ

NW

KÄ

NW

HW

KÄ

KIPO

KIPO

KI: kinetische Energie, z.B. el. Rührbesen

PO: Potenzielle Energie, z.B. Aufzug

NW: Niedertempe- raturwärme für Heizung

KÄ: Kälte z.B. Kühlschrank

HW: Hochtempe- raturwärme z.B. für das Kochen oder für Prozesse

Wärme-speicher

BHKW

Strom-speicher

elektr.Motor

Heizdraht,Induktion

Wärmetrans-formator

Arbeits-maschine

Wärmepumpe

Kältemaschine

Absorptions-kältemaschine

Arbeits-maschine

Wärme-pumpeKälte-maschineHeizungs-kesselWärme-pumpe

Absorptions-kältemaschine

Motor

Feuerung

Groß-kraft-werk

Kraftanlagen (Foto-voltaik, Windanlag.)

ThermischeAnlagen

Sekundärenergie

Energieeinsparung im Bereich Energieverteilung

Angebot

Nachfrage

Zeit in h

Last in GW

Energiewende - vorher

Zeit in h

Last in GW

Nachfrage

Angebot

Energiewende - nachher

Mehr Regenerative Energie bedeuten:

weniger Berechenbarkeit,weniger (Strom-)versorgungssicherheit

und erfordertmehr Energiemanagement,mehr Speicher

Damit auch: der richtige Energieträger am richtigen Ort

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

2010

2009

2008

2007

2006

2005

2004

2003

2002

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

Erdgas: 50 Fernwärme: 15 Wärmepumpen: 23

Erdgas: 69 F.Wärm. 6

Öl: 23

Stromhzg.: Öl:

66

67

74

75

74

76

76

77

75

73

71

72

71

71

66

24

20

14

66

18

17

16

16

16

13

11

11

12

11

6

4

3

2

2

2 Sonstige: 91

9

10

12

9

7

7

8

7

7

7

9

9

10

12

13

7

5

8

4 5

11

2

3

3

10

3

3

2

58

51

7 21

Anschlussenergie im Neubaubereich

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Blockheizkraftwerk (BHKW)

Arbeit (Strom)

Erdgas

Niedertempe-raturwärme

Aber: Strom und Wärme müssen gleichzeitig nachgefragt werden!

Dezentralisierte Stromerzeugung

Quelle: Lichtblick

CFCL Hochtemperatur-BZ1,5 kWel 0,5 kWtherm

ZuhauseKraftwerke19,0 kWel 36,0 kWtherm

Vaillant-Ecopower4,7 kWel 12.5 kWtherm

VDI-Nachrichten23.11.2012S.1

Angebot

Nachfrage

Zeit in h

Last in GW

Energiewende - vorher

Angebot

Nachfrage

Zeit in h

Last in GW

Energiewende – etwas später

Funkgesteuerter Einsatz von BHKW

StrompreisBetrieb

>32 kW Wärme~19 kW Elektr.

0

20

40

60

80

100

120

9:30 9:40 9:50 10:00 10:10 10:20 10:30 10:40 10:50 11:00 11:10 11:20 11:30

Prim

ärle

istu

ng in

MW

Ges

amte

nerg

ieve

rbra

uch

in M

Wh

Primärleistung & Energiebedarf Schmelzbetrieb 1-Korb & 3-Korb Charge

Ofenleistung Energie

Primärleistung & Energiebedarf eines ElektrolichtbogenofensQuelle: ArcelorMittal Hamburg GmbH

Energie

Zeit

Ofenleistung

0

50%

100 %P/Pmax

Vor- und Nachteile von Energiespeichern

Effizienz Größe Dynamik Selbst-entladg.

Lebens-dauer

Um-welt

Pumpspeicher + - 0 + + + + -

Druckluftspeicher 0 0 - + + + + -

Druckluftspeicher adiabat 0 0 - 0 + + +

H2 - Kombiprozess - + 0 + + + 0

H2 – PEM Brennstoffzelle - - + + + + 0 0

Red-Ox-Flow - Batterie + 0 + + + + 0 -

Natrium-Schwefel-Batterie 0 0 + + - - -

Blei-Säure-Batterie + 0 + + + - - -

Schwungradmassespeicher HP ++ - - + - - + + +

Schwungradmassespeicher HTS ++ 0 + + - + + +

Thermische Exergiespeicher ? - 0 0 ?

34

Forschungsvorhaben TransiEnt.EE

Transientes Verhalten gekoppelter Energienetze mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien

www.modelica.org

El. Strom, Hochspannungs-, Mittel- spannungs-, Niederspannungs - Netze

Gas, Hochdruck, Mitteldruck, Nieder- druck -Netze

Fernwärmenetz HH 136/60°C

+ -

+ -

+ -

+ -

Kohlekraftwerkmit CO2 – Ab-Scheidung(z. B. Moorburg)

Abfall- bzw. Bio-Masseanlage(z. B. Köhl-brandshöft) Wind

energie(Eigenerzg. & anteilig Nordsee)

Pumpspeicherwerk(Geesthacht)

Schwungrad-massespeicher

(Groß-)Batterie-speicher

Röhren-gas-speicher

Kavernengasspei-cher (Allermöhe)

Gas-turbine

H2

H2CH4

CO2 CO2

CH4

H2

Wärme-Trans-formator

Foto-voltaik-anlage

Solarthermischeanlage

Heizungs-kessel

Elek-trischeWärmepumpe

Thermischer Speicher

BHKW

Batterie

(Groß-) Batterie

Schwung-radmasse-speicher

Industrieanlage z. B. Aurubis, Kupferhütte

Wohngebiet

Gasverdichter

Gasentsp.-Turb.

Druckluft-speicher

PCM-Speicher

En

erg

ien

etzm

od

ell

Wo liegen die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen bei der Einbindung stark fluktuierender, Erneuerbarer Energien wie z. B. Strom aus Windkraft, Photovoltaikanlagen etc.?

Wann ist die Aufteilung zwischen dezentraler Energiewandlung in einem Gas - BHKW und zentraler Energiewandlung in einem Kohlekraftwerke unter ökologischen und ökonomischen Aspekten optimal?

Wie kann die Nachfrage zwischen sehr großen und sehr kleinen Energieverbrauchern ausbalanciert werden?

Welche Speicher wie Warmwasserspeicher, PCM-Speicher, Sorptionsspeicher, dezentrale (Bio-)Gasspeicher, Batterien, Schwungradmassespeicher, kleine Druckluftspeicher, werden wie groß und wo benötigt?

Kann ein Nahwärmenetz oder ein übergeordnetes Fernwärmenetz die Aufgabe einer Wärmesammelschiene übernehmen, in das kleine, dezentral angeordnete Gaskraft- bzw. Blockheizkraftwerke, aber auch Solaranlagen einspeisen können?

Welche Energiedienstleistungen (z. B. die Beheizung von Gebäuden, gewerbliche Prozesse) sollten unter übergeordneten Gesichtspunkten, also insbesondere vor dem Aspekt der Einbindung von fluktuierenden Erneuerbaren Energien, besser elektrisch, welche besser thermisch bereitgestellt werden?

In welchem Umfang kann die Beeinflussung von Nutzergeräten die Energieversorgung und –verteilung unterstützen?

Forschungsfragen am Beispiel Hamburg

HamburgHamburgHamburgHamburgHamburg

BremenBremenBremenBremenBremen

KielKielKielKielKiel

SchwerinSchwerinSchwerinSchwerinSchwerin

OldenburgOldenburgOldenburgOldenburgOldenburg

LübeckLübeckLübeckLübeckLübeck

RostockRostockRostockRostockRostock

DelmenhorstDelmenhorstDelmenhorstDelmenhorstDelmenhorst

CuxhavenCuxhavenCuxhavenCuxhavenCuxhaven

NeumünsterNeumünsterNeumünsterNeumünsterNeumünster

WilhelmshavenWilhelmshavenWilhelmshavenWilhelmshavenWilhelmshaven

LüneburgLüneburgLüneburgLüneburgLüneburg

BremerhavenBremerhavenBremerhavenBremerhavenBremerhaven

WinsenWinsenWinsenWinsenWinsen

NorderstedtNorderstedtNorderstedtNorderstedtNorderstedt

UelzenUelzenUelzenUelzenUelzen

Bad OldesloeBad OldesloeBad OldesloeBad OldesloeBad Oldesloe

SalzwedelSalzwedelSalzwedelSalzwedelSalzwedel

ParchimParchimParchimParchimParchim

SoltauSoltauSoltauSoltauSoltau

PinnebergPinnebergPinnebergPinnebergPinneberg

StadeStadeStadeStadeStade

ItzehoeItzehoeItzehoeItzehoeItzehoe

VerdenVerdenVerdenVerdenVerden

RotenburgRotenburgRotenburgRotenburgRotenburg

WismarWismarWismarWismarWismar

NeuruppinNeuruppinNeuruppinNeuruppinNeuruppin

HeideHeideHeideHeideHeide

HusumHusumHusumHusumHusum

RendsburgRendsburgRendsburgRendsburgRendsburg

GüstrowGüstrowGüstrowGüstrowGüstrow

WarenWarenWarenWarenWaren

CloppenburgCloppenburgCloppenburgCloppenburgCloppenburg

Osterholz-Osterholz-Osterholz-Osterholz-Osterholz-ScharmbeckScharmbeckScharmbeckScharmbeckScharmbeck

AurichAurichAurichAurichAurich

VechtaVechtaVechtaVechtaVechta

WittmundWittmundWittmundWittmundWittmund

WesterstedeWesterstedeWesterstedeWesterstedeWesterstedeLeerLeerLeerLeerLeer

ReinbekReinbekReinbekReinbekReinbek

AhrensburgAhrensburgAhrensburgAhrensburgAhrensburg

QuickbornQuickbornQuickbornQuickbornQuickborn

GeesthachtGeesthachtGeesthachtGeesthachtGeesthacht

EckernfördeEckernfördeEckernfördeEckernfördeEckernförde

BuchholzBuchholzBuchholzBuchholzBuchholzin derin derin derin derin derNordheideNordheideNordheideNordheideNordheide

ElmshornElmshornElmshornElmshornElmshorn

PerlebergPerlebergPerlebergPerlebergPerleberg

WittenbergeWittenbergeWittenbergeWittenbergeWittenberge

GrevesmühlenGrevesmühlenGrevesmühlenGrevesmühlenGrevesmühlen

LudwigslustLudwigslustLudwigslustLudwigslustLudwigslust

Bad DoberanBad DoberanBad DoberanBad DoberanBad Doberan

SeevetalSeevetalSeevetalSeevetalSeevetal

Henstedt-Henstedt-Henstedt-Henstedt-Henstedt-UlzburgUlzburgUlzburgUlzburgUlzburg

PlönPlönPlönPlönPlön

Bad SchwartauBad SchwartauBad SchwartauBad SchwartauBad Schwartau

EutinEutinEutinEutinEutin

Bad SegebergBad SegebergBad SegebergBad SegebergBad Segeberg

RatzeburgRatzeburgRatzeburgRatzeburgRatzeburg

BrakeBrakeBrakeBrakeBrake

WedelWedelWedelWedelWedel

SchortensSchortensSchortensSchortensSchortens

SykeSykeSykeSykeSyke

AchimAchimAchimAchimAchim

LohneLohneLohneLohneLohne

StuhrStuhrStuhrStuhrStuhr

MoormerlandMoormerlandMoormerlandMoormerlandMoormerland

WildeshausenWildeshausenWildeshausenWildeshausenWildeshausen

WeyheWeyheWeyheWeyheWeyhe

Bad ZwischenahnBad ZwischenahnBad ZwischenahnBad ZwischenahnBad Zwischenahn

Neu WulmstorfNeu WulmstorfNeu WulmstorfNeu WulmstorfNeu Wulmstorf

VarelVarelVarelVarelVarel

WalsrodeWalsrodeWalsrodeWalsrodeWalsrode

BuxtehudeBuxtehudeBuxtehudeBuxtehudeBuxtehude

FriesoytheFriesoytheFriesoytheFriesoytheFriesoythe

PapenburgPapenburgPapenburgPapenburgPapenburg

A7/E45

A23

A23

A1/E22A31/E22

A29

A28/E22

A31/E22

A1/E37

A27/E234

A20/E22

A24/E26

A1/E47

A20/E22

A20/E22

A19/E55

A24/E26/E55

A19/E55

A24/E55

A7/E45

A20

A215

A24/E26

HöllenHöllenHöllenHöllenHöllenHöllenHöllenHöllenHöllen

40 km 40 km 40 km 40 km 40 km 40 km 40 km 40 km 40 km (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND (c) PTV / NAVTEQ / AND

Warum Hamburg?

Zusammenfassung

Rationelle Energieverwendung: entsprechend dem optimierten Bedarf muss genau die erforderliche Energiemenge mit der nötigen Energiequalität zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Ort geliefert werden - bei möglichst wenig Energiewandlungsverlusten.

Energiesysteme müssen dazu als ganzes betrachtet werden: die gesamte Wandlungskette über das ganze Jahr unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens.

Nicht „entweder – oder“ sondern jede Energie am richtigen Platz! Speicherbarkeit von Energien beachten.

Innovative Speichertechnologien für Strom, Wärme und Kälte entwickeln.

Gasbetriebene Kraft-Wärme-Kopplung dient dem Aufbau neuer, dezentralisierter Back-up Lösungen in der Energieversorgung.

Energieeinsparungen durch technische Lösungen werden zum Teil durch neue Energiebedarfe konterkariert. Der „Faktor 4“ ist aber notwendig für die Energiewende. Ganz ohne Verzicht wird das nicht gehen!

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Weitere Informationen:

schmitz@tuhh.de