Elektrizität Teil I: Nutzung und Bereitstellung - Institut für ...

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Elektrizität Teil I: Nutzung und Bereitstellung - Institut für ...

Teil 1: Nutzung und Bereitstellung

Johannes Lang Ferienakademie 2011


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

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• 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

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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

http://de.wikipedia.org/wiki/Cheops-Pyramide

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• 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


Gemäß dem World Energy Outlook 2009 der Internationalen

Energieargentur

Nach „Key World Energy Statistics 2009“ der internationale Energieagentur:

http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2009/key_stats_2009.pdf

8


http://www.nextnature.net/2007/11/walking-energy-cells/

9


• 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

http://de.wikipedia.org/wiki/Fukushima_I

Bsp.: Nuklearkatastrophe von Fukushima

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• 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


www.freetagger.com/ bild-mein-arbeitsplatz

14


• 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


• 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

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• 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

http://www.kurs2.jummgis.webandworld.net/eisenbahn.html

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• Battery electronic vehicle (BEV): rein batteriebetriebenes

Elektrofahrzeug

• Plug-in hybrid electric vehicle (PHEV):

Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor,

allerdings mit einer größeren Batterie

als bei einem gewöhnlichen Hybrid

http://en.wikipedia.org/wiki/Plug-in_hybrid

http://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_Roadster 19


• Wie sinnvoll ist ein Elektroauto?

• Vergleich der Energieeffizienz:

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• 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

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• 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


http://de.wikipedia.org/wiki/Ko

hlekraftwerk

http://de.wikipedia.org/wiki/Atomkraftwerk_N

eckarwestheim

http://www.solarzelle.ne

t/windenergie.htm

http://de.wikipedia.org/wiki/Biogasa

nlage

http://de.wikipedia.org/

wiki/Solarthermisches_Kr

aftwerk

http://de.wikipedia.org/wiki

/Hoover-Staudamm

http://en.wikipedia.org/wiki/Geothermal_energy

www.fusion.kit.edu/85.php 23


• 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

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KKW decken 14% des Strombedarfs weltweit und 23% in Deutschland

Reichweite des Brennstoffs, bei bisherigen Gewinnungskosten und Verbrauch:

82 Jahre

Sehr geringe CO2-Emissionen, die fast ausschließlich vom Bau stammen

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• 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)

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• 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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http://www.siemens.com/press/de/presse

bilder/?press=/de/pressebilder/2009/fossil

_power_generation/efpg20041101-01.htm

http://de.wikipedia.org/wiki/Kraft-

Wärme-Kopplung

http://www.weishaupt.de/mainProdukte/p

rodukteWP/WP-WW-Produkt/

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• 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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• Funktionsweise

http://de.wikipedia.

org/wiki/BHKW

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• Gegenüberstellung der Wirkungsgrade

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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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