Teil 1: Nutzung und...
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1. Energie- und Stromversorgungssituation
heute
2. Prognosen für Stromverbrauch und Erzeugung
3. Nutzung des Stroms im Detail
4. Bereitstellung des Stroms
5. Beispielhafte Betrachtung:
KWK vs. GuD + Wärmepumpe
6. Zusammenfassung
2
Primärenergie: Aus den natürlichen
Ressourcen verfügbare Energie (ohne
Umwandlungsprozesse)
Endenergie: Energie, die letztendlich beim
Verbraucher ankommt
Exergie: Teil der Gesamtenergie, der Arbeit
verrichten kann
Leistungskredit: Teil der installierten Leistung,
welcher durch eine Anlage substituiert werden
kann
3
1 MWh/a = 3,6 GJ/a
≈ 114 MW
≈ 85,98 kg ÖE/a (Öleinheit)
≈ 122,84 kg SKE/a (Steinkohleeinheit)
≈ 3,78x10ˉ PE/a (Pyramideneinheiten)¹
¹ hierbei wurde mit einem Pyramidenvolumen von 2500000 m³ und einer
Dichte von Steinkohle von 1,3 t/m³ gerechnet
4 http://de.wikipedia.org/wiki/Cheops-Pyramide
Primärenergie: Dtl. (2010): 14021 PJ ¹ (≈ 134 PE)
weltweit (2007): 504 EJ² (≈ 4800 PE)
Endenergie: Dtl. (2007): 8581 PJ³ (≈ 82 PE)
weltweit (2007): 347 EJ² (≈ 3305 PE)
¹ Nach Zahlen des Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
http://www.bmwi.de/BMWi/Navigation/Presse/pressemitteilungen,did=374818.html
² „Key World Energy Statistics 2009“ der internationale Energieagentur:
http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2009/key_stats_2009.pdf
³ Nach einer Studie er Deutschen Physikalischen Gesellschaft
http://www.dpg-physik.de/veroeffentlichung/broschueren/studien/energie_2010.pdf
5
Anteil an der Endenergie:
weltweit: 17,1 %¹ ≈ 59,3 EJ ≈ 565 PE
Deutschland: 22 % ≈ 1888 PJ ≈ 18 PE
¹ „Key World
Energy Statistics
2009“ der
internationale
Energieagentur:
http://www.iea.org/
textbase/nppdf/fre
e/2009/key_stats_
2009.pdf
6
Nach „Key World Energy Statistics 2009“ der internationale Energieagentur:
http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2009/key_stats_2009.pdf
Gemäß dem World Energy Outlook 2009 der Internationalen Energieargentur
8
Unsicherheiten:
Trends sind schwer abschätzbar (z.B. Internet,
Mondstationen)
Politische Entscheidungen beeinflussen die
erwartete Entwicklung in unabsehbarer Weise
Quantensprünge in der Entwicklung treten
unvorhersehbar auf
Bsp.: Nuklearkatastrophe von Fukushima
10
http://de.wikipedia.org/wiki/Fukushima_I
Europäische Maßnahmen:
20-20-20 Formel:
-20% CO2 gegenüber 1990 bis 2020
20% der Endenergie aus erneuerbaren Energien bis
2020
Verschärfung dieser Ziele 2010 auf -30% CO2
Deutsche Maßnahmen
Zahlreiche Förderprogramme für erneuerbare
Energien
40% Szenario des Umweltbundesamts
11
88,6 % des Energiebedarfs für
Wärmeanwendungen (= 150 – 300 kWh/a)
Hier besteht viel Einsparpotential
Dies ermöglicht eine Reduktion des
Energiebedarfs auf 40 bis 60 KWh/a
Restlicher Endenergiebedarf:
5% Kühlen und Gefrieren
je <2% für Licht und Kommunikation
Diese Bereiche wird zum Großteil mit Strom bedient
Starke Zuwächse (Komfort, Zweitgeräte, steigendes
Durchschnittsalter)
15
Hier besteht wenig Einsparpotential Effizienzsteigerungen
Reduktion von Stand-by-Verlusten
Aber kaum in der Beleuchtung (Leuchtstoffröhren )
Effizienzerhöhung um 20% bis 2020 scheint möglich, diese wird allerdings vom erwarteten wirtschaftlichen Zuwachs bei weitem übertroffen
16
Hier gestaltet sich die Prognose sehr
schwierig, da sehr viele verschiedene
Verbraucher exisiteren.
Zusammengefasst werden 30% Zuwachs des
Energieverbrauchs bei einer
Effizienzsteigerung um 20% bis 2020 erwartet
Die Effizienzsteigerung ist schwierig
vorherzusagen, da sie stark von den
politischen Anreizen zum Stromsparen
abhängt.
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Elektrifizierungsgrad: 90%
Hier ist der mit Abstand größte
Stromverbraucher die Bahn
Vergleich:
138 g CO2/Pkm (Straße)
46g CO2/Pkm (Bahn)
In vielen Industrieländern (z.B. Frankreich,
England): Straßenbahnbau, denn:
Wirtschaftlicher als Bus
Günstiger als der Bau neuer U-Bahnlinien
18 http://www.kurs2.jummgis.webandworld.net/eisenbahn.html
Battery electronic vehicle (BEV): rein batterie-
betriebenes Elektrofahrzeug
Plug-in hybrid electric vehicle (PHEV):
Kombination aus Elektro- und Verbrennungs-
motor, allerdings mit einer größeren Batterie
als bei einem gewöhnlichen Hybrid
19 http://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_Roadster http://en.wikipedia.org/wiki/Plug-in_hybrid
Knackpunkt Batterie: Kosten: 333€/MJ (= 1200 €/kWh)
(= 24000 €/100 km Reichweite¹)
Lebensdauer: 1500 – 2500 Zyklen
Gewicht: mit Halterung ca. 330 kg/100km Reichweite¹
Energiedichte: 468-540 kJ/kg (=130-150 Wh/kg)
(vgl. Benzin: 12 kWh/kg)
In allen Bereichen noch etwa Faktor 5 bis zur Konkurrenzfähigkeit
¹Für einen Mittelklassewagen mit 20kWh/100km
21
Zur Prognose:
Alternative der Brennstoffzelle wird sich vermutlich
langfristig für große Reichweiten durchsetzen
Auch im konventionellen Automobilbau werden noch
erhebliche Verbesserungen der Effizienz (20-30%)
erwartet
Da die Batterien noch deutlich verbessert werden
müssen ist der Erfolg dieser Technik nicht gesichert
≥ 20 Jahren bis zur Konkurrenzfähigkeit des
Elektroautos aus.
22
23 www.fusion.kit.edu/85.php http://en.wikipedia.org/wiki/Geothermal_energy
http://de.wikipedia.org/wiki/Hoover-Staudamm
http://de.wikipedia.org/wiki/Solarthermisches_Kraftwerk
http://www.solarzelle.net/windenergie.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Biogasanlage
http://de.wikipedia.org/wiki/Atomkraftwerk_Neckarwestheim
http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlekraftwerk
Großes Potential: 80% CO2 Einsparung bis
2050 geplant
Abscheidung:
Wirkungsgradeinbußen (ca. 10%)
Abscheidefähigkeit (ca. 85-95% des CO2)
Umrüstung alter Anlagen ist sehr schwierig
Verfügbarkeit erwartet ab 2030
Window of Opportunity: ca. 2020
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Speicherung:
Optionen:
Lösung im Meer
Meeresgrund
Ölfelder und Aquifere
CO2 -Recycling
Gefahren bisher noch weitgehend ungeklärt
Ölfelder seit einigen Jahren in Erprobung
Erwartete CO2-Vermeidungskosten:
35-50 €/t CO2
25
Sehr geringe CO2-Emissionen, die fast ausschließlich vom Bau stammen
KKW decken 14% des Strombedarfs weltweit und 23% in Deutschland
Reichweite des Brennstoffs, bei bisherigen Gewinnungskosten und Verbrauch:
82 Jahre
27
Große Bedeutung für die erneuerbaren
Energien
Grund- und Regellastfähigkeit
Ersatz durch Kohle und Gaskraftwerke
Prognosen von 2009: starker Zuwachs der
Energie aus Kernkraftwerken bis 2050.
Probleme:
Abfall
Gefährdungspotential
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Aktuelle Situation:
2009: 6,3% der deutschen Stromproduktion: 136 PJ
(37,8 TWh)
2008: 1,2% der Weltproduktion: 936PJ (260 TWh)
Schneller Ausbau (Nennleistung, Zahlen von 2008):
USA: 31,6 GW
China: 23,8 GW
Deutschland: 6,6 GW
Hohe Installationskosten: 4200 €/kW (offshore)
Zubau hauptsächlich (offshore)
30
Windkraft erfordert sehr viel Regel- und Reserveleistung: Momentan: 10% Leistungskredit an konventionellen
Kraftwerken
2030: 3%Leistungskredit erwartet
Schon heute ist die Regelfähigkeit gelegentlich überschritten
Es ergibt sich also ein großer Bedarf nach Ausbau des Stromnetzes.
„Leitszenario 2009“:
2020: 346 PJ/a (96 TWh/a)
2030: 587PJ/a (163 TWh/a)
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Stauseen: Hoher Ausbaugrad schon erreicht
Wellenenergie: Benötigt viel Fläche
Wellen in der Nordsee relativ niedrig (ca. 1,5 Meter)
Noch Probleme mit der Sturmfestigkeit
Günstige Stromerzeugungskosten (ca. 10c/kWh) erwartet
Tidenhub- und Osmosekraftwerke: Nur an Küsten möglich, daher wenig Potential
Meereswärmekraftwerke: Bisher noch sehr unerforscht
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Aktuelle Situation: 2 Mio. ha. (14%) Anbaufläche in Deutschland
2,7 GW (= 23,4 TWh/a) in vielen kleinen Anlagen mit niedrigem Wirkungsgrad
8% der Primärenergie
Prognose: 2020 ca. 42% der landwirtschaftliche genutzten
Fläche für Energiepflanzen
Großes Potential: 30% der Primärenergie der Welt könnte alleine in Europa gedeckt werden
Langfristig 10-15% Bruttostrom in Deutschland erwartet
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Probleme: Flächenkonkurrenz : 100 l Ethanol (ca. 1000 km)
oder 1 Jahr ausreichend Essen (Weizen)
Bereits heute +70% bei Nahrungspreisen (v.a. wegen Treibstoffen)
Nicht NOx, SOx neutral
Rodungen und Düngung erforderlich
Daher neue Pflanzentypen benötigt: Tundra bebaubar
Höhere Erträge
Mehrjährige Pflanzen
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Ungleiche Verteilung der Strahlungsintensität 1km² ergeben 90 MW im jährlichen Mittel
Bau nur in südlichen Ländern rentabel Abhängigkeit
Notwendigkeit der Stromübertragung (ca. 20% Verlust bei Strom aus der Sahara)
Vermeidung von Regelleistung durch Biomassebefeuerung und Wärmespeicher
Hohe Investitionskosten
Für hohe Wirkungsgrade ist Frischwasser erforderlich
Stromgestehungskosten 10 – 20c/kWh
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Theoretisches Potential: 1000 EJ/a
Bisher 10,5 GW (= 331 PJ/a)
Verschiedene Techniken: Hydrothermische Systeme: Aquifere mit ausreichender
hydraulischer Leitfähigkeit bereits gegeben
Petrothermische Systeme: ingenieurtechnische Behandlungen müssen erst ausreichende Permeabilität erreichen
Deutschland: Wenig Standorte, ca. 5000 m Tiefe erforderlich
Gesteinsabkühlung und Erdbeben möglich
60g CO2/kWh (Konstruktion > 80%)
Investitionskosten hoch (15 €/Wnominal)
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Erst in der Entwicklung, erster Einsatz um 2050
Ungefährlich im Betrieb
Keine langlebigen Isotope erwartet
Energieproduktion pro Kraftwerk hoch
Praktisch unbeschränkte Rohstoffe (Brüten)
Voraussichtlich sehr günstiger Strom (abhängig
von der Lernkurve)
Bisher noch unklar, ob Umsetzung gelingt
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43 http://de.wikipedia.org/wiki/Kraft-Wärme-Kopplung
http://www.siemens.com/press/de/pressebilder/?press=/de/pressebilder/2009/fossil_power_generation/efpg20041101-01.htm
http://www.weishaupt.de/mainProdukte/produkteWP/WP-WW-Produkt/
Was ist ein Kreisprozess? Periodisch ablaufende Zustandsänderungen eines
Arbeitsmediums
Er wird immer als reversibel angenommen D.h. Prozess überall im Gleichgewicht
Umkehrung möglich
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Der Carnotzyklus
Wirkungsgrad:
η = 1 – Tkalt/Twarm
Dieser lässt sich durch große Temperaturdifferenzen erhöhen
Ist der maximale Wirkungsgrad für einen Kreisprozess
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In der Industrie, bei streng definiertem
Dampfbedarf ist eine KWK-Anlage energetisch
unschlagbar
Aufgrund der besseren Passgenauigkeit für die
jeweilige Anwendung ist die
GuD + Wärmepumpe jedoch für die
Versorgung privater Haushalte deutlich
überlegen
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Stromnutzung wird in den nächsten Jahren
deutlich zunehmen, aber Sparsamkeit ist geboten
CCS dringend notwendig für klimapolitische Ziele
Kein Königsweg unter den erneuerbaren Energien,
die Mischung macht‘s
Atomkraft ist dabei ein wichtiges Element
Schlüsselenergie:
GuD-Anlagen und Wärmepumpen
Steigende Anzahl elektrischer Anwendungen
Steigender Komfort und Alterung der Bevölkerung
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Weitere Quellen: http://www.bp.com/sectionbodycopy.do?categoryId=7500&contentId=7068481
http://www.dpg-physik.de/veroeffentlichung/broschueren/studien.html
Prof. Rief: Vorlesung zur Experimentalphysik, WS 2009/10 TU München
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