Innovative Energietechnik - Prüfungsfragen
Probleme in der Energietechnik:
- Umweltproblematik (CO2, NOx, 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
- zukünftig hohe Energiepreise, weil:
steigende Nachfrage weil steigende Bevölkerung, Wirtschaftswachstum …
Verknappung der Rohstoffe
- Deckung des aktuellen Energiebedarfs:
Öl 35%, Kohle 25%, Gas 20%, Holz 5%, Wasser 5%, Kernenergie 5%
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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, …
- 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)
- 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
- 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
- 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
- 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.
- Auswirkung des 2. HS auf die Kraftwerkstechnik:
Wärme kann nie vollständig in Energie umgewandelt werden, d.h. es ist immer mit Verlusten zu rechnen.
- 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
- 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
- Wirkungsgrad im allgemeinen Kreisprozess:
Ist immer kleiner als der maximale Wirkungsgrad
- Kritischer Punkt:
Wird erreicht bei bestimmter Temperatur und Druck (Tkrit, pkrit)
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
- 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
- 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
- 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
- Unterschied unterkritisches / überkritisches Fluid:
Überkritisch: über kritischem Punkt: kein Unterschied zwischen flüssig und gasförmig
- 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 at 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
- 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)
- 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
- Welche Technologien können als KWK eingesetzt werden?
- 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;
- 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;
- Leistungskennfeld eines KWK-Kraftwerks:
x-Achse: Fernwärmeleistung
y-Achse: elektrische Leistung
je nach Temperaturen ergeben sich verschiedene Kennfelder
- Vorteile der KWK:
Energieeinsparung
CO2-Einsparung
- 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)
- 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
- Was ist ein Wärmetauscher?
Wird zur Auskoppelung der Wärme verwendet:
Plattenwärmetauscher
Röhrbündelwärmetauscher
- 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
- Einsatzgebiete von dezentralen KWK-Anlagen:
Industrie
Hallenbäder (ganzjährige Beheizung, hohe Nutzungsdauer)
Krankenhäuser (hoher Strombedarf, Notstromversorgung)
Wohnanlagen (Nahwärme, Warmwasser)
Brauereien
Kläranlagen, Deponiegasanlagen
Öffentliche Gebäude (Schulen, …)
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Aufbau und Funktion einer Mikrogasturbine:
Mikrogasturbine: bis 150 kW
Minigasturbine: 150 – 1000 kW
Aufbau wie eine normale Gasturbine s. Frage 82
Unterschied: höhere Läuferdrehzahl
- 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
- 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, …
- Kompressionskältemaschine: Aufbau und Funktion:
Dampf wird in Kompressor führt dem Arbeitsmittel mechanische Arbeit at 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 qzu auf und verdampf;
Nutzeffekt ist die Aufnahme der Verdampfungswärme qzu
Leistungsziffer: Verdampfungswärme/ zugeführte mechanische Arbeit at
- 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
- 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
Qzu 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
- 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
- Unterschied Wärmepumpe – Kältemaschine:
Wärmepumpe: Nutzeffekt ist die frei werdende Wärme
Kältemaschine: Nutzeffekt ist die aufgenommene Wärme
- Bauarten von Kältemaschinen:
Kompressionskältemaschine (elektrisch angetrieben), Absorptionskältemaschine, Adsorptionskältemaschine (thermisch angetrieben)
- 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
- Vorteil eines Kältespeichers im Fernkältenetz:
Kaltwasserspeicher; Eiswasserspeicher
Vorteil: Lastspitzen können verschoben werden; damit wird Versorgung auch zu Spitzenzeiten sichergestellt
- 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
- 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%
- 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) Hu=120 MJ/kg
Brennwert: Heizwert + Kondensationswärme; beim Brennwert liegt H2O als Verbrennungsprodukt in flüssigem Zustand vor
H2 + ½ O2à H2O (l) Ho=142 MJ/kg
Ho > Hu Brennwert ist immer größer als der Heizwert
- Vor- und Nachteile von Wasserstoff:
Vorteil:
häufiges Element
Gut untersucht
Gute Verbrennungseigenschaften
Kaum schädliche Emissionen (NOx 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
- 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 + O2 -> 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
- 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
Kühlung mit N2à Claude-Verfahren à Joule-Thompson-Ventil
Vorteil: hohe Energiespeicherdichte; Technologie ausgereift wegen Forschung im Raumfahrtsbereich, keine hohen Drücke notwendig