Innovati­ve Energiet­echnolog­ien ausgearb­eitete Fragen

Innovative Energietechnik - Prüfungsfragen

Probleme in der Energietechnik:

- Umweltproblematik (CO₂, NO_x, Feinstaub, …) => Klimawandel, …

- Nachfragenproblematik: Nachfrage und Verschwendung steigt in Industrieländern,

Entwicklungsländer haben wenig Zugang zu Energie ->

ungleiche Verteilung

- Ressourcenproblematik: hauptsächlich nicht-erneuerbare=> Verknappung, d.h. steigende

Preise

Strategie: Verschwendung vermeiden, Energie effizient nutzten, erneuerbare Energie,

Aufklärung über Technologie und über

physikalische/wirtschaftliche/ökologische Hintergründe

1. zukünftig hohe Energiepreise, weil:

steigende Nachfrage weil steigende Bevölkerung, Wirtschaftswachstum …

Verknappung der Rohstoffe

2. Deckung des aktuellen Energiebedarfs:

Öl 35%, Kohle 25%, Gas 20%, Holz 5%, Wasser 5%, Kernenergie 5%

3. Endenergieverbrauch in Österreich:

Endenergie = Bezugsenergie, vermindert um den nicht-energetischen Verbrauch und die Umwandlungsverluste und den Eigenbedarf bei der Stromerzeugung

Erdöl: hauptsächlich Verkehr, weiters Heizung und Standmotoren

Elektrische Energie: Standmotoren, Beleuchtung, Industrieanlagen, Heizung

Gas: hauptsächlich Heizung; Dampferzeugung, Industrieöfen

Erneuerbare Energie: hauptsächlich Heizung; Dampferzeugung

Fernwärme: Heizung

Kohle: Industrieöfen

4. Umwandlungsverluste im Energieflussbild:

Ein wenig in der Mitte des Energieflussbildes (Energieumwandlung im Kraftwerk), aber hauptsächlich am Ende des Flussbildes (Endenergieeinsatz); der größte Teil im Bereich EDV, Beleuchtung und Mobilität

5. Bestandsentwicklung d. Kraftwerksparks in EU: Prognosen bis 2015

Kernkraft rückläufig; Wasserkraft rückläufig (strengere Richtlinien); Kohle, Gas, Öl rückläufig;

In Österreich (Prognose bis 2015): auch wie in EU; nur fossile in etwa gleich bleibend; Ökostrom steigt;

Zukünftige: Kraftwerke veralten; + 2% mehr Kraftwerksleistung pro Jahr benötigt => viele neue Kraftwerke müssen gebaut werden

6. Potentiale von Kraftwerken zur CO₂-Verminderung:

CO₂-Vermeidung durch

a) CO₂-freie/arme Kraftwerke (Wind, Wasser…)

b) Wirkungsgradsteigerung (d.h. Effizienzsteigerung der Kraftwerke):

Bsp. Kohlekraftwerk: durchschnittlicher Wirkungsgrad:

Weltweit 30%

EU 38%

Mit heutigen Technologien möglich wären 45%

Zukünftige Technologien (Dampfkraftwerk, CCS-Technologie): 50%

Das entspricht 50% weniger Brennstoff und somit 50 % weniger CO₂-Emissionen

7. Möglichkeiten zur CO₂-Verringerung:

CO₂-neutrale Energie: nachwachsende Rohstoffe, Wasser-, Windkraft, Solarenergie, Kernkraft (?!)

Wirkungsgradsteigerung im Kraftwerksbereich, bei Autos, bei allen Geräten… => man braucht weniger Brennstoffe

Regenwaldabholzug stoppen; Aufforstungen

CO₂-sparsamer Lebensstil: Produkte mit guter CO₂-Bilanz kaufen, sparsam Autofahren, …

8. CO₂-Vermeidungskosten:

Wie viel kostet es eine Tonne CO₂ einzusparen?

Es gibt viel Maßnahmen wo die Kosten positiv sind, d.h. man erspart sich Geld z.B. bessere Dämmstoffe, effizientere Autos, Biosprit aus Zuckerrohr, Energiesparlampen,…. -> hier sind Maßnahmen besonders wirtschaftlich

Hohe Vermeidungskosten: Abholzungen stoppen, Aufforstungen, Gas statt Kohle, Solarenergie, CO₂-Abtrennung und Speicherung, … (s. Foliensatz 1, Folie 34)

9. Begriffe:

-           Energetische Amortisationszeit (EAZ): Wie lange muss Kraftwerk betrieben werden

um Energie zu erhalten, die der Bau gekostet hat (hat den gleichen Aussagewert wie

Energieerntefaktor)

-          Energie-Erntefaktor (E): Energieerzeugung während der Lebensdauer des Kraftwerks/ Primärenergieaufwand für Bau, Wartung, Entsorgung; z.B. Windkraftwerk E=50 d.h. bringt 50 x mehr Energie als hineingesteckt wird

-          Kumulierter nicht-regenerativer Energieaufwand (KEA): wie viel kWh Primärenergie muss man hineinstecken um 1 kWh elektrische Energie zu erhalten

èsehr weiche Größen; kommt immer darauf an wer sie veröffentlicht hat und was er damit bezwecken will; Brennstoffe werden nicht mitgerechnet

10. Zustandsgröße:

Bei Änderung des Zustandes ist es für die Zustandsgröße egal, auf welchem Weg der neue Zustand erreicht wird;

Thermische Zustandsgrößen: Druck, Volumen, Temperatur, Dichte

Kalorische Zustandsgrößen: Innere Energie, Enthalpie, Entropie

11. 1. Hauptsatz der Thermodynamik:

Energieerhaltungssatz

In einem abgeschlossenen System bleibt die Summe der Energie gleich

Energie kann weder erzeugt noch zerstört werde; nur umgewandelt

Nicht erklärt werde kann damit: welche Vorgänge laufen spontan ab

12. 2. HS der Thermodynamik:

Wärme kann nicht von selbst von einem kälteren zu einem wärmeren Körper übergehen.

Übertragung von warmen auf kalten Körper ist irreversibel.

Alle Prozesse bei denen Reibung auftritt sind irreversibel.

Wärme kann nie vollständig zu mechanischer Arbeit umgewandelt werden (wegen Reibung).

Alle Energieumwandlungen führen am Ende zu Energieform Wärme.

Die Entropie kann in einem geschlossenen System nicht abnehmen.

13. Auswirkung des 2. HS auf die Kraftwerkstechnik:

Wärme kann nie vollständig in Energie umgewandelt werden, d.h. es ist immer mit Verlusten zu rechnen.

14. Skizze eines T-s-Diagramms für Wasser: s. Skriptum S. 24

x-Achse: Entropie; y-Achse: absolute Temperatur

Glockenkurve

Sattdampflinie = Taulinie

Kritischer Punkt: 374°C/ 221 bar

Isobare: Waagrechte Linie im Nassdampfgebiet

15. maximaler Wirkungsgrad einer Wärme-Kraftmaschine:

Wirkungsgrad = Energienutzen/Energieaufwand

Damit der Wirkungsgrad möglichst gut ist, muss der Prozess so gut wie möglich einem Carnot-Prozess ähneln.

Wärmezufuhr bei möglichst hohem Temperaturniveau; Wärmeabfuhr bei möglichst niedrigem Temperaturniveau

16. Wirkungsgrad im allgemeinen Kreisprozess:

Ist immer kleiner als der maximale Wirkungsgrad

17. Kritischer Punkt:

Wird erreicht bei bestimmter Temperatur und Druck (T_krit, p_krit)

Oberhalb des kritischen Punktes kann man Flüssigkeit und Gas nicht mehr unterscheiden; man spricht von überkritischem Fluid; oberhalb des kritischen Punktes keine Phasenänderungen (verdampfen, Kondensieren) mehr;

Oberhalb des kritischen Punktes kann ein Gas nicht mehr durch Druck verflüssigt werden

Erklärung: Gas wird durch Druck so komprimiert, bis die Molekülabstände denen von flüssigem flüssigem Wasser entsprechen => kein Unterschied mehr feststellbar

18. Exergie & Anergie:

Exergie: Teil der Energie, der vollständig in Arbeit umwandelbar ist

Anergie: nicht vollständig umwandelbare Teil

Exergie+Anergie=Energie

Exergieanteil von:

Elektrischer Energie: 100%

Mechanischer Energie: 100%

Chemischer Energie: Exergieanteil entspricht ca. dem Heizwert >80%

Mit konst. T übertragener Wärmestrom: Exergieanteil hängt von übertragener

Wärmemenge und Temperaturunterschied ab:

Bei Stoffstrom hängt E von Temperaturunterschied und Stoff ab

19. Temperaturverlauf von H₂O unter isobarer Wärmezufuhr (=Enthalpieinhalt von H₂O):

Abb. s. Skriptum S.35

Eis -> Eiswasser -> flüssiges Wasser -> Nassdampf -> überhitzter Dampf

Enthalpie entspricht dem Energieinhalt der dem Wasser bei konst. Druck zugeführt wird

Zum Schmelzen braucht man weniger Energie als zum Verdampfen => Dampf hat höheren Energieinhalt

20. Clausius-Rankine-Prozess:

Vergleichsprozess für ein einfaches Dampfkraftwerk

Rechts-Prozess: aus Wärme wird Arbeit gewonnen

Fläche, die der Prozess im T-s-Diagr. umschreibt ist ein Maß für die gewonnene Arbeit

Prinzip:

Wasser kommt flüssig aus dem Kondensator

Speisewasserpumpe bringt Wasser auf hohen Druck

Wasser wird im Vorheizer zum Sieden gebracht

Im Verdampfer wird es verdampft -> bis zum Sattdampf (keine flüssiges Wasser mehr vorhanden)

Überhitzer: dem Dampf wird weiter Wärme zugeführt =>überhitzter Dampf

Überhitzte Dampf kommt in die Turbine -> Druck, Temperatur sinkt => Enthalpieänderung des Dampfes erzeugt mechanische Arbeit

Mechanische Arbeit treibt Generator an; dieser erzeugt elektrische Arbeit daraus

Trafo speist elektrische Arbeit in Netz ein

Entspannter Dampf aus der Turbine kommt in Kondensator, wird dort kondensiert und gibt Wärme an Kühlmittel ab

Skizze + T-s-Diagramm s. Skriptum S. 37

(1)   flüssiges Wasser aus Kondensator

(2)   höherer Druck durch Speisewasserpumpe

(3)   Wasser auf Siedetemperatur im Vorheizer

(4)   Sattdampf

(5)   Überhitzter Dampf im Überhitzer

(6)   Kondensierendes Wasser

21. Unterschied unterkritisches / überkritisches Fluid:

Überkritisch: über kritischem Punkt: kein Unterschied zwischen flüssig und gasförmig

22. Kälteprozess – Wärmepumpenprozess:

Selbes Prinzip wie Clausius-Rankine-Prozess

Dient zur Hebung von Wärme auf ein anderes Temperaturniveau

Kompressor: Dampf wird komprimiert =>höherer Druck (mech. Arbeit a_t wird zugeführt)

Der komprimierte Dampf wird im Kondensator abgekühlt, kondensiert und gibt Kondensationswärme ab (-> Nutzeffekt)

Wasser verlässt in flüssiger Form den Kondensator

In der Drossel wird das Wasser ohne Wärmezu- oder Abfuhr (adiabat) entspannt => Temperatur sinkt, Volumen steigt

Wasser kommt in Verdampfer und wird dort verdampft

Skizze + T-S-Diagramm s. Skriptum S. 38

(1)   Dampf kommt in Kompressor (noch nicht komprimiert)

(2)   Komprimierte Dampf

(3)   Abkühlender Dampf im Kondensator

(4)   Flüssiges Wasser das aus Kondensator kommt

(5)   Dampf in Verdampfer

23. Zufuhr von Exergie bei Wärmepumpe notwendig?

Ja ist notwendig, Exergie wird in Form von elektrischer Arbeit zugeführt und in Wärme umgewandelt. (elektrische Arbeit entspricht 100% Exergie, ist also höherwertig als Wärme)

24. Begriffe:

-          Kraft-Wärme-Kopplung: Abgase einer Turbine haben ein hohes Energiepotential; diese Energie kann ausgekoppelt werden und in Fernwärmenetz eingespeist werden, für: Raumheizung, Warmwasseraufbereitung, industrielle Prozesswärme, Entsalzung von Meerwasser;

Gleichzeitige Erzeugung von Kraft und Wärme

-          Wärme-Kraft-Kopplung: ?

-          Kondensationsbetrieb: ?

-          KWK-Kleinanlage: lt. KWK-Richtlinien: < 1000 kW

KWK-Kleinstanlage: < 50 kW

- Hocheffiziente KWK-Anlage gemäß KWK-Richtlinien: mindestens 10 %

Primärenergieeinsparung bei Groß-KWK-Anlagen oder jede Klein-KWK-Anlage mit

Primärenergieeinsparung

25. Welche Technologien können als KWK eingesetzt werden?

26. Gegendruckturbine:

Der heiße Kesseldampf wird in der Turbine auf Kesseldruck entspannt und verrichtet so mechanische Arbeit an den Schaufeln, die diese auf den Generator übertragen der daraus elektrische Energie erzeugt;

Nach der Turbine befindet sich ein Wärmetauscher, um die restliche Wärme zu nützen;

27. Entnahmekondensationsturbine:

Ein Teil des Dampfes wird geregelt irgendwo zwischen Turbine und Kondensator entnommen;

Gewünschte Druck wird aber wegen Ventilen dabei aufrecht erhalten;

Die Wärme des entnommenen Dampfes wird über einen Wärmetauscher abgegeben und kann ins Fernwärmenetz eingespeist werden;

28. Leistungskennfeld eines KWK-Kraftwerks:

x-Achse: Fernwärmeleistung

y-Achse: elektrische Leistung

je nach Temperaturen ergeben sich verschiedene Kennfelder

29. Vorteile der KWK:

Energieeinsparung

CO₂-Einsparung

30. Was ist BHKW?

Blockheizkraftwerk; dient zur dezentralen Versorgung mit Strom und Wärme

Mechanische Energie einer Verbrennungskraftmaschine wird über einen Generator in elektrischen Strom umgewandelt und die dabei frei werdende Wärme wird für Heizzwecke genutzt

Als Brennstoffe können dienen:

Flüssige Brennstoffe: Heizöl, Diesel, Pflanzenöle (rein oder verestert), Altöl, …

Gasförmige Brennstoffe: Erdgas, Biogas, Klärgas, …

Auskopplung der Wärme kann erfolgen bei:

Wärmeabfuhr am Motor

Abkühlung des Abgases

Abwärme des Generators

Auskopplung der Wärme erfolgt mit:

Wärmeaustauscher

(Röhrbündelwärmetauscher,

Plattenwärmetauscher)

31. Welche Bauarten von Motor-BHKWs gibt es?

Dieselmotor: Gemischbildung erfolgt nach der Verdichtung durch Einspritzung des Brennstoffes; Selbstentzündung durch hohe Temperatur und Druck

Ottomotor: Gemischbildung (Brennstoff – Luft) erfolgt vor Beginn der Verbrennung; Entzündung von außen durch Zündkerze

Gasturbine

Zündstrahlmotor

Magermixmotor

Stirlingmotor

Brennstoffzelle

32. Was ist ein Wärmetauscher?

Wird zur Auskoppelung der Wärme verwendet:

Plattenwärmetauscher

Röhrbündelwärmetauscher

33. Wirtschaftlichkeit von BHKW?

Voraussetzungen:

Als dezentrale KWK-Anlage, meistens wärmebedarfsgeführt

Zusätzlicher Kessel (Spitzenkessel) zur Abdeckung der Wärmebedarfsspitzen

Wärme-Kraft-Kopplung sollte möglichst hoch ausgelastet sein

Gute Wärmenetze um Wärmeverlust bei der Verteilung möglichst niedrig zu halten

34. Einsatzgebiete von dezentralen KWK-Anlagen:

Industrie

Hallenbäder (ganzjährige Beheizung, hohe Nutzungsdauer)

Krankenhäuser (hoher Strombedarf, Notstromversorgung)

Wohnanlagen (Nahwärme, Warmwasser)

Brauereien

Kläranlagen, Deponiegasanlagen

Öffentliche Gebäude (Schulen, …)

35. Warum können sich Mikro-KWK-Anlagen in Ö kaum etablieren?

Hohe Amortierungszeit (bis sich die Investition auszahlt): mehr als 5 Jahre

Hohe Anschlusskosten ans Wärmenetz

Unwissenheit über die Vorzüge solcher Anlagen

36. Aufbau und Funktion eines Stirling-Motors:

Wärmekraftmaschine: wandelt Wärme in mechanische Arbeit um

Wärmezufuhr erfolgt von außen auf ein im Motor eingeschlossenes Arbeitsgas (H₂, He)

Aufbau:

Erhitzer: von außen wird über metallische Wände Hitze in den Motor gebracht;

Kühler: Abwärme wird abgegeben

2 Kolben: Verdränger-, Arbeitskolben

Arbeitsgas wird durch Arbeitskolben komprimiert, entstehende Wärme wird über Kühler abgegeben;

Verdrängerkolben drückt Arbeitsgas durch Erhitzer, wo es heiß wird und dann in den heißen Raum kommt; das heiße Gas wird entspannt und gibt so Arbeit an den Arbeitskolben ab, die auf die Kurbelwelle übertragen wird

Prinzip s. Skriptum S.45

37. Vorteile und Nachteile einer Stirling-Maschine:

Vorteile:

Viele Brennstoffe einsetzbar

Ungiftige Arbeitsmedien (H₂, He)

Emissionsarm

Sehr robust

Hoher Wirkungsgrad, sparsam

Leise

Nachteile:

Hohe Drücke

Hohes Gewicht

Teurer wie Ottomotor

Hohe Materialbelastung

Anwendungen von Stirling-Maschinen: Blockheizkraftwerke, Stirling-Wärmepumpen,

Stirling-Kältemaschine, Stirling-Motor, Solarkraftwerk

38. ORC-Prozess:

Organic Rankine-cycle

Clausius-Rankine-Prozess mit organischer Substanz (Silikonöl, iso-Pentan, Oktan, …) als Arbeitsmittel statt Wasser -> Anpassung an die Prozesstemperatur

Vorteilhaft bei niedrigen Temperaturen

Einsatz: Erzeugung elektrischer Energie aus Niedertemperaturwärme

Biomasse wird verbrannt, Wärme an einen Thermoölkreislauf überführt

Im Verdampfer gibt das Thermoöl seine Energie an das organische Arbeitsmittel ab, das dadurch verdampft wird

In der Turbine wird der organische Dampf entspannt, und gibt mechanische Arbeit an den Generator ab

Nach der Turbine kommt das org. Material in einen Regenerator, wo es abgekühlt wird und kondensiert

Skizze s. Skriptum S. 43

39. Vorteile des ORC:

hoher Turbinenwirkungsgrad

rasches Anfahren der Turbine

automatischer Betrieb ohne Personal

industriell erprobt

gute Regelbarkeit der Turbine

Nachteile des ORC:

Große Wärmetauscherflächen notwendig

Muss wärmegeführt sein, hohe Volllaststunden

Meist geringer elektrischer Wirkungsgrad, weil Niedrigtemperaturwärme verwertet wird

Anwendungen: überall dort, wo Niedrigtemperaturwärme billig zur Verfügung steht

Wärme-Kraft-Kopplung bei geothermischen Quellen

Wärme-Kraft-Kopplung mit Biomasse als Brennstoff

Verstromung von industrieller Abwärme

40. Aufbau und Funktion einer Mikrogasturbine:

Mikrogasturbine: bis 150 kW

Minigasturbine: 150 – 1000 kW

Aufbau wie eine normale Gasturbine s. Frage 82

Unterschied: höhere Läuferdrehzahl

41. Vor- und Nachteile von Mikrogasturbinen

Vorteile:

Gutes Teillastverhalten

Geringe Wartungskosten

Emissionsarm

Leise

Nachteile:

Wenig erprobt

Niedriger elektrischer Wirkungsgrad

Anwendungen:

Notfallaggregate

Kraft-Wärme-Kopplung (sehr großes Potential)

Lokale Stromerzeugung bei netzunabhängigen Anwendungen (Erz-, Ölförderung …)

Reserve- bzw. zusätzliche Kraftwerke

42. Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung:

Gleichzeitige Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte

Heizen im Winter; Kühlen im Sommer => ganzjährige KWK

Aus Primärenergie wird Strom und Wärme erzeugt; aus einem Teil der Wärme wird wiederum mittel Kältemaschine Kälte erzeugt

s. Foliensatz 9; Folie 16

Vorteile:

Ganzjährige KWK möglich

Einsparung von Primärenergie -> weniger CO₂

Einsatzmöglichkeiten:

Krankenhäuser, Einkaufszentren, Molkereien, Frachtschiffe mit Kältebedarf, …

43. Kompressionskältemaschine: Aufbau und Funktion:

Dampf wird in Kompressor führt dem Arbeitsmittel mechanische Arbeit a_t zu und verdichtet den Dampf; komprimierte Dampf wird in Kondensator abgekühlt; das nun flüssige Arbeitsmittel wir in der Drossel entspannt; T des Arbeitsmittels sinkt ànimmt im Verdampfer dann die Verdampfungswärme q_zu auf und verdampf;

Nutzeffekt ist die Aufnahme der Verdampfungswärme q_zu

Leistungsziffer: Verdampfungswärme/ zugeführte mechanische Arbeit a_t

44. Adsorptionskältemaschine: Aufbau und Funktion

Stoffpaar ist Wasser/Zeolith

Zeolith: Metall-Silikat „Käfig“ mit Hohlraum; z.B. Silikagel

Für Klimatechnik (5°C)

1.Takt:

Wasser verdampft im Verdampfer, nimmt dabei Wärme auf

Gasdruck im Verdampfer steigt; über Ventil strömt Dampf in Absorber

Adsorbierung: Zeolithe in Absorber nehmen Wasserdampf auf und schließen ihn ein

à es strömt so lange Dampf in Adsorber, bis er gesättigt ist

2. Takt:

Wärme wird Adsorber zugeführt => Desorption: Wasserdampf wird wieder abgegeben

Dadurch steigt Gasdruck im Adsorber à Dampf strömt in Kondensator, wo er kondensiert und Wärme an das Kühlwasser ab

Vorteile: Antrieb durch Niedrigtemperaturwärme

keine Pumpe/Verdichter

Einfacher Aufbau

Mit Solartechnik kombinierbar

Nachteil: noch nicht ausgereift; hoher Platzbedarf

45. Absorptionskältemaschine:

Als Kältemittel immer Stoffpaare z.B. Ammoniak/Wasser

Überhitzter Ammoniakdampf tritt aus Austreiber in den Kondensator, kühlt ab und kondensiert (noch immer unter Druck);

In der Drossel wird fl. Ammoniak entspannt und beginnt zu verdampfen, anschließend vollständige Verdampfung in Verdampfer (dabei nimmt er Wärme auf =>Kühlleistung)

Ammoniakdampf strömt in Absorber wo sich Ammoniak spontan in Wasser löst

Ko…Kondensator

Dr…Drossel

V …Verdampfer

A …Absorber

P …Lösungsmittelpumpe

LD…Lösungsmitteldrossel

WT…Wärmetauscher

At…Austreiber

Q_zu entspricht der Kühlleistung

Vorteil:

leise, keine Vibration

lange Lebensdauer; geringe Wartungskosten

geringe Stromkosten

Nutzung von Abwärme möglich

Keine umweltgefährdenden Kältemittel (keine FCKW…)

Nachteile:

Teuer

Viel Platzbedarf

Hoher Heizwärmebedarf

Anwendungen:

Kann in Privathaushalten nicht mit Kompressionskältemaschine konkurrieren

Je nach Kühlmittel entweder für Kältetechnik oder Klimatechnik

46. Welche Kältemittel in Absorptionskältemaschine?

Immer Stoffpaare; es gibt ca. 10 Paare aber nur folgende 2 werden in Praxis eingesetzt:

NH₃/H₂O: für Kältetechnik (bis -60°C)

Ammoniak ist Arbeitsmedium/Wasser ist Lösungsmittel

Vorteil: tiefere Temperaturen erreichbar, billiger, geringe Zähigkeit

Nachteil: hohe Drücke, giftig

H₂O/LiBr: für Klimatechnik (bis 5°C)

Wasser ist Arbeitsmedium/Lithiumbromid ist Lösungsmittel

Vorteil: niedrige Drücke, billiges Arbeitsmedium

Nachteil: hoher Gefrierpunkt (über O°C), Korrosionsgefahr

Stoffpaare unterscheiden sich in Austreibdruck, Gefriertemperaturen, Preis

47. Unterschied Wärmepumpe – Kältemaschine:

Wärmepumpe: Nutzeffekt ist die frei werdende Wärme

Kältemaschine: Nutzeffekt ist die aufgenommene Wärme

48. Bauarten von Kältemaschinen:

Kompressionskältemaschine (elektrisch angetrieben), Absorptionskältemaschine, Adsorptionskältemaschine (thermisch angetrieben)

49. Fernkältenetz:

Kaltwassererzeugung:

Kompressionskältemaschine (elektrisch)

Adsorptionskältemaschine (thermisch)

Free cooling

Kombinationen

Vorteile eines Fernkältenetzes:

Bessere Auslastung der KWK durch KWKK

Weniger Strombedarf zum Klimatisieren im Sommer

Zentrale Anlagen sind immer effizienter als kleine dezentrale (à CO₂ Ersparnis)

Keine Kühlwassertürme (Platz, Anreicherung von Krankheitserregern)

Nutzung von Free cooling im Winter

Vermeidung von schädlichen Kältemitteln

50. Vorteil eines Kältespeichers im Fernkältenetz:

Kaltwasserspeicher; Eiswasserspeicher

Vorteil: Lastspitzen können verschoben werden; damit wird Versorgung auch zu Spitzenzeiten sichergestellt

51. Free cooling:

In der kalten Jahreszeit kann die natürliche Kälte draußen zum Kühlen benutzt werden;

Kühlwasser aus See/ Fluss

Hohes Potential in kalten Ländern

Auch in Österreich: Nutzung des Donaukanals von November bis Aprilnutzbar

52. Wasserstoffherstellung:

Wasserstoff ist sekundärer Energieträger, d.h. kann nicht direkt gefördert werden, sondern muss aus H-reichen Verbindungen erzeugt werden:

• aus fossilen Energieträgern (hauptsächlich Erdgas) 95% der weltweiten Produktion
• Elektrolyse (nur wo billiger Strom, bzw. als Nebenprodukt der Cl-Alkali-Elektr.) 4%
• Biomassevergasung, aus Ammoniak, aus alternativen Energieträgern, aus Algen/Bakterien (kleine Rolle; erst im Forschungsstadium) 1%

53. Heizwert – Brennwert:

Heizwert: Wärmemenge, die bei der Verbrennung bei konstantem Druck aus dem Systemabgeführt werden muss, um die Reaktionswärme des Brennstoffs auf die Temperatur der Edukte abzukühlen

„Energieinhalt eines Brennstoffes“

(Heizwert=Verbrennungswärme; Wärme, die bei Verbrennung frei wird

H₂O als Verbrennungsprodukt gasförmig

H₂ + ½ O₂à H₂O (g) H_u=120 MJ/kg

Brennwert: Heizwert + Kondensationswärme; beim Brennwert liegt H₂O als Verbrennungsprodukt in flüssigem Zustand vor

H₂ + ½ O₂à H₂O (l) H_o=142 MJ/kg

H_o > H_u Brennwert ist immer größer als der Heizwert

54. Vor- und Nachteile von Wasserstoff:

Vorteil:

häufiges Element

Gut untersucht

Gute Verbrennungseigenschaften

Kaum schädliche Emissionen (NO_x bei Verbrennungsmotor)

Potential zur regenerativen Erzeugung von H₂

Bei H₂-Erzeugung ist ev. CO₂-Speicherung möglich (-> keine CO₂-Emissionen)

Nachteil:

mangelnde Infrastruktur (Tankstellen …)

Speicherproblem (besonders problematisch für mobilen Einsatz)

Hohe Treibstoffreinheit bei Brennstoffzelle notwendig

H₂-Herstellung aus regenerativen Energieträgern teurer als aus fossilen

Sicherheit: explosive Luftgemische, niedrige Zündenergie, geruchlos (wird nicht wahrgenommen), hoher Druck bei Speicherung, Kälte bei Speicherung, …

H₂-Erzeugung allgemein sehr ineffizient

55. Herstellungsverfahren:

Dampfreformierung: weltweit wichtigstes Verfahren „allothermisches Verfahren“

Katalytische Spaltung von Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf in H₂+CO+CO₂

CH₄ + H₂O -> 3H₂ + CO (800-900°C, Kat: Nickel)

CH₄ + 2H₂O -> 4 H₂ + CO₂

Oxidation von CO zu CO₂:

CO + H₂O -> H₂ + CO₂ (200-500°C, Kat: Fe/Cr)

Weiters: Feinreinigung, in der restliches CO entfernt wird

Abtrennung des H₂: Druckwechseladsorption (hauptsächlich), Waschprozesse oder Verflüssigung

Problem: viel CO₂ fällt an, könnte aber rel. einfach gespeichert werden

Partielle Oxidation:

Höherwertige Kohlenwasserstoffe + O_{2 ->} H₂ + CO + CO₂

Problem: CO₂, ev. S- und Russgehalt der KWs

Autothermer Reformer:

Kombination von Dampfreformierung und partieller Oxidation

Elektrolyse:

H₂O -> H₂ + ½ O₂

Produkte energiereicher als Edukte, d.h. Energiedifferenz muss zugeführt werden (elektr.)

Skizze s. Skriptum S. 96

Problem: viel Strom, nur dort wirtschaftlich, wo billiger Strom

In Zukunft ev. Elektrolyse mit Ökostrom

56. Speicherung von Wasserstoff

Speicherung ist Hauptproblem in der Wasserstofftechnik: muss hohe Energiespeicher-dichte haben (bei Gas schlecht), Widerstandsfähigkeit (Erschütterung, …), Temperaturbeständigkeit, oftmalige Verwendbarkeit

Alle heutigen Technologien können vom Komfort und Eigenschaften nicht mit Benzin/Diesel mithalten

• komprimierter Wasserstoff:

Vorteil: Erhöhung der Energiespeicherdichte (trotzdem noch rel. niedrig)

Nachteil: große, kugelförmige/zylindrische Behälter aus Stahl; schlecht für Fahrzeuge weil solch Tanks viel Platz brauchen

Hoher Energieaufwand zur Komprimierung

Hohes Diffusionsvermögen, d.h. spezielle Tanks notwendig

Hoher Druck => Explosionsgefahr

• flüssiger Wasserstoff:

Kühlung mit N₂à Claude-Verfahren à Joule-Thompson-Ventil

Vorteil: hohe Energiespeicherdichte; Technologie ausgereift wegen Forschung im Raumfahrtsbereich, keine hohen Drücke notwendig