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Zusammenfassung

Einsatz regenera­tiver Energien­: Chancen und Risiken

2.613 Wörter / ~11 Seiten sternsternstern_0.75stern_0.3stern_0.3 Autor Nicolas M. im Jul. 2011
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Zusammenfassung
Maschinenbau

Universität, Schule

HTW Aalen

Note, Lehrer, Jahr

2011 Wolf

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Nicolas M. ©
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sternsternstern_0.75stern_0.3stern_0.3
ID# 8045







Nr.

Antwort

1

Begründung Nutzbarmachung regenerativer Energien

Pro:

-         Weniger Verfügbarkeit fossiler Ressourcen

-         Geringerer Einsatz von Kohlenstoffverbindungen -> Hohe CO2 Belastung

-         Eindämmung der Gefahr von Störfallen in AKWs (Siehe Japan, Tschernobyl)

-         Flüssigkeiten bieten gute Speicherung und Transportmöglichkeiten

o   Grund für die Nutzung von Rohöl

-         Wasserstoff keine Energie, sondern Energieträger

o   Weiterer Energieträger: Elektrizität

-         Luftverschmutzung und deutlich spürbare Klima- Veränderungen

-         Erderwärmung „Plus 2“

o   Polkappen schmelzen

-         Fossiles Fördermaximum ist erreicht

-         Die konventionellen Energie-Vorräte gehen zur Neige

o   Kernenergie: 50% der Kraftwerke können ohne Energieprobleme abgeschaltet werden

-         Der globale Energiebedarf kann vollständig durch erneuerbare Energien gedeckt werden, allerdings muss berücksichtigt werden, wie die Energie geerntet und gespeichert werden kann.

Contra:

-        Energie wird teurer (Marketing teuer, Unkenntnis bei Bevölkerung)

-        Subventionierung nötig

-        Monokulturen (Mais) sorgen für Nahrungsmittelknappheit

-        Hohe Produktionskosten und Mittel sprechen gegen Nachhaltigkeit

-        Kernfusion wäre bessere Alternative (Forschung unterstützen)

-        Niemand will Windräder im eigenen Vorgarten

-        Bessere Lösung: Weniger Energie verbrauchen

-        Kognitive Dissonanz

-        Flexibilität geht verloren (Umstellung der Lebensweise)


2

„Lösungslabyrinth“

Instrument für zielorientiertes und strategisches Vorgehen.

  • Als Methode der Planung bezeichnet Bottom-up das Erstellen eines im Detail ausgearbeiteten Plans ohne herausfordernde Ziele („Fortschreitung des Bekannten“), während Top-down das Erstellen von Zeit- und Kostenplanungen unter Zielvorgaben ohne finale Konkretisierung im Detail mein („Entwicklung des Benötigten“).


3

Quellen regenerativer Energien:

-        Sonnenenergie (365%)

o   Photovoltaik (Photovoltaikanlage à Elektrische Energie)

o   Solarthermie (Sonnenkollektor, Sonnenwärmekraftwerk à Wärmegewinnung)

o   Solarchemie à Solarthermische Wasserstoff und Methanolgewinnung

o   Thermik (Thermikkraftwerk à Elektrische Energie)

-        Windenergie (50%)

o   Windenergieanlage à Elektrische Energie

o   Aufwind- oder Thermikkraftwerk à Elektrische Energie

o   Fallwindkraftwerk à Elektrische Energie

-        Wasserkraft (15% Gezeiten, 10% Wasser)

o   Staudämme und Staumauern à Elektrische Energie

o   Gezeitenkraft à Turbinen à Elektrische Energie

o   Laufwasserkraftwerkeà Elektrische Energie

o   Wellenenergie des Meeresà Elektrische Energie

o   Strömungsenergie des Meeresà Elektrische Energie

o   Meereswärmeà Elektrische Energie

o   Osmosekraftwerk (Unterschiedlicher Salzgehalt von Süß- und Salzwasser) à Elektrische Energie

-        Geothermie (40%)

o   Direkte Nutzung

§  In Verbindung mit Wärmepumpen wird oberflächenwarme Erdwärme in der Regel zum Heizen von Gebäuden sowie zur Warmwasserbereitung eingesetzt.

o   Indirekte Nutzung

§  Geothermie- Kraftwerke zur Stromerzeugung
Bei der hydrothermalen Stromerzeugung sind Wassertemperaturen von mindestens 100°C notwendig. Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen mit Temperaturen über 150°C können direkt zum Antrieb einer Turbine genutzt werden. (sog. Hot-Dry-Rock-Technik).

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Die genannten Quellen sind grundsätzlich dazu geeignet unseren Energiebedarf zu decken, doch bedarf es bei einigen davon, z. B. Wasserstoff noch Änderungen in der Infrastruktur der Stromverteiler und Stromanwender (smart-Grid).


4

Besonderheiten regenerativer Energiequellen gegenüber konventioneller Energiequellen

Regenerative Energien sind volatil bzw. treten oftmals fluktuativ auf.

Beispiele:

  • Windenergie: Der Wind tritt nicht überall und zu jeder Zeit in der gleichen Stärke auf.
  • Sonnenenergie: Strahlungsintensität variiert nach Jahreszeit, Einstrahlwinkel der Sonne beeinflusst Ausbeute

Dem können wir begegnen, indem wir die überschüssig produzierte Energie speichern (z. B. Akkumulator, Kondensatoren, Elektrolyse à Wasserstoffherstellung) und dann bei Spannungsspitzen ins Netz einspeisen.


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Warum zukünftige „Energieträger/ Energievektoren“?

Eine Standardisierung im Bereich Energieversorgung wird auf Dauer gewünscht.

Energieträger

Mit dem Ausdruck Energieträger werden im engeren Sinn Rohstoffe oder Stoffe bezeichnet, die in chemischer oder nuklearer Form Energie speichern und daher für die Energiegewinnung oder den Energietransport nutzbar gemacht werden, bzw. werden können. (Wasserstoff, Methanol etc.)
Unterscheidung zwischen primären und sekundären Energieträgern

Die direkt zur Energiegewinnung geeigneten - weil in verwertbarer Form in der Natur vorhandenen - primären Energieträger unterscheidet man in fossile, regenerative und nukleare Energieträger.

Als sekundäre Energieträger bezeichnet man Stoffe, die sich zwar zu Energietransport und zur Energiespeicherung eignen, in der Natur aber nicht in verwertbarer ("aufgeladener") Form vorkommen (z.B. Wasserstoff).

Primäre Energieträger
Fossile Energieträger

Die fossilen Energieträger sind aus Biomasse entstandene Stoffe, die nicht verrotten konnten und so ihre chemische Energie erhielten.

Bsp.:

Kohle, Erdgas, Erdöl und Methanhydrat.


Gemeinsamkeiten.:

Nur in begrenztem Maß vorhanden. Bei Verwendung à CO2-Emissionen (siehe Treibhauseffekt, Klimawandel, Klimaschutz).

Biomasse

Biomasse zählt zu den nachwachsenden Rohstoffen, d.h. sie steht nicht unbegrenzt zur Verfügung (wie etwa Wind- oder Sonnenergie), kann jedoch innerhalb kurzer Zeit auf natürliche Weise wieder entstehen (im Gegensatz zu fossilen Energieträgern).

Biomasse entsteht durch die Umwandlung von Energie aus der Sonnenstrahlung mit Hilfe von Pflanzen über den Prozess der Photosynthese in organische Materie à gespeicherte Sonnenenergie

Der Unterschied von Biomasse zu anderen Nutzungsarten der Sonnenenergie ist deren Unabhängigkeit von den Zeiten der Sonneneinstrahlung.

Unmittelbare Nutzung à Verbrennung zum Heizen oder zur Stromgewinnung

Mittelbare Nutzungà Verarbeitung zu Biogas, Kraftstoffen, etc.

Besonderheit:

Biomasse setzt bei der Verwertung nur CO2 frei, das vorher zeitnah aus der Atmosphäre gebunden wurde, ist also CO2-neutral.

Contra:

  • Bei der Verbrennung werden Stickoxide und Feinstaub freigesetzt
  • Platzbedarf ist hoch für Lagerung der Biomasse

o   CO2 Ausstoß der Landmaschinen verschlechtert Energiebilanz

  • Weltweite Anbauflächen sind zu klein, um den kontinuierlich zunehmenden Energiebedarf der Menschheit abzudecken

Sekundäre Energieträger

Als sekundäre Energieträger sind insbesondere

-        Elektrizität

-        Wasserstoff

-        Sekundäre organische Brenn- und Treibstoffe, wie z.B.:

o   Biogas

o   Ethanol

o   Methanol

o   Biodiesel

Wasserstoff, da Grundstoff (Wasser) unlimitiert vorhanden und 3 mal so viel Energiegehalt pro Kg im Vergleich mit Erdöl. Transportierbar und wandelbar in Elekzrizität, kann aber auch verbrannt werden.

Bessere Komprimierungsmöglichkeiten als bei Gas à größere Energieeffizienz


6

Energiequellen:

  • Anzahl: Viele
  • Verteilung: Nutzung mehrerer Quellen um Energiebedarf zu sichern
  • Verfügbarkeit: Auf Abruf, Regelung durch Speichern von Energieüberproduktionen um Bedarfsspitzen decken zu können

o   Wandelbarkeit: Alle Energiequellen intelligent vernetzt um versch. Energien nutzen zu können, wenn sie benötigt werden

Energieträger:

  • Anzahl: Wenige
  • Verteilung: Am besten Standardisiert (Wasserstoff, Elektrizität), zur besseren Nutzung für den Endverbraucher
  • Verfügbarkeit: Hoch, um Energiebedarf auch bei hohem und plötzlich auftretendem Bedarfsspitzen zu decken

o   Wandelbarkeit:


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-        Sonnenenergie (365%)

o   Photovoltaik (Photovoltaikanlage à Elektrische Energie à Energieträger (ET)

o   Solarthermie (Sonnenkollektor, Sonnenwärmekraftwerk à Wärmegewinnung) à ET

o   Thermik (Thermikkraftwerk à Elektrische Energie) à ET

-        Windenergie (50%)

o   Windenergieanlage à Elektrische Energie

o   Aufwind- oder Thermikkraftwerk à Elektrische Energie

o   Fallwindkraftwerk à Elektrische Energie

-        Wasserkraft (Gezeiten 15%, Wasser 10%)

o   Staudämme und Staumauern à Vor Umwandlung Energiequelle (EQ) à Elektrische Energie

o   Gezeitenkraft à Turbinen à Elektrische Energie

o   Laufwasserkraftwerkeà Elektrische Energie

o   Wellenenergie des Meeresà Elektrische Energie

o   Strömungsenergie des Meeresà Elektrische Energie

o   Meereswärmeà Elektrische Energie

o   Osmosekraftwerk (Unterschiedlicher Salzgehalt von Süß- und Salzwasser) à Elektrische Energie

-        Geothermie (40%)

§  In Verbindung mit Wärmepumpen wird oberflächenwarme Erdwärme in der Regel zum Heizen von Gebäuden sowie zur Warmwasserbereitung eingesetzt.

o   Indirekte Nutzung

§  Geothermie- Kraftwerke zur Stromerzeugung
Bei der hydrothermalen Stromerzeugung sind Wassertemperaturen von mindestens 100°C notwendig. Hydrothermale Heiß- und Trockendampfvorkommen mit Temperaturen über 150°C können direkt zum Antrieb einer Turbine genutzt werden. (sog. Hot-Dry-Rock-Technik).

-        Biomasse (20%)

o   Unmittelbare Nutzung à Verbrennung zum Heizen oder zur Stromgewinnung

o   Mittelbare Nutzung à Verarbeitung zu Biogas, Kraftstoffen, etc


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Heutiges Energiesystem

-         Verbrauch von Primärenergie

o   Kreislauf, Erneuerbare Energie kommt immer wieder

o   Wirkungsgrad regenerativer Energienutzung zweitrangig, da nichts „verbraucht“ wird

§  Wir gebrauchen Energie

-         Infrastruktur: Energie muss gespeichert und transportiert werden.


Beispiel für die Zukunft: BBI-Projekt

-        Strom wird durch Photovoltaik „erzeugt“

-        Überflüssiger Strom wird in H2 umgewandelt, welcher dann am Flughafen Berlin – Brandenburg an Wasserstoff Tankstellen eingesetzt wird


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Siehe Fragenkatalog

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Speicherung ist wichtig, da regenerative Energien volatil/ fluktuativ sind.

-         Schwungrad ~1500MWh

-         Batterien

-         CAES – Compressed Air Energy Storage -Druckluftkaverne (technisch ausgewaschene Salzsole, künstlich) ~4000MWh

-         H2 - Wasserstoffspeicher ~600.000 MWh

-         SNG – Synthetic Natural Gas


Als Universalspeichermedium bietet sich Wasserstoff an. Über die Elektrolyse kann Wasserstoff mithilfe jedes Energieträgers erzeugt und in flüssiger oder gasförmiger Form gespeichert und transportiert werden. Bei der Verbrennung kann Wärmeenergie freigesetzt oder in Brennstoffzellen Strom erzeugt werden. Bestehendes Gasnetz könnte mit verwendet werden à Kostenersparnis

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Wasserstoffherstellung

Dampfreformierung

Bei der Dampfreformierung wird aus Kohlenwasserstoffen in zwei Prozessschritten Wasserstoff erzeugt.

Rohstoffe: Erdgas, Biomasse, aber auch langkettigere Kohlenwasserstoffe aus Erdöl wie etwa die Mittelbenzinfraktion. (Anlagen mit Kapazitäten von bis zu 100.000 m³/h).

  1. Im zweiten Schritt wird im Reformer das Methan bei einer Temperatur von 800 bis 900 °C und einem Druck von etwa 25-30 bar an einem Nickelkatalysator mit Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt.


Allgemeine Gleichung:

Beispiel Methan:

Um im abschließenden Schritt Reinstwasserstoff zu gewinnen, nutzt man in der Praxis häufig Druckwechsel-Adsorptionsanlagen oder Lauge-Absorptionsgaswäschen, die Nebenprodukte wie CO, CO2 und CH4 bis auf einige wenige ppm herausfiltern.

Pro:

Die Dampfreformierung ist derzeit die wirtschaftlichste und am weitesten verbreitete (~90 %) Methode, Wasserstoff zu erzeugen.

Contra:

Durch die Verwendung fossiler Energieträger wird dabei aber genauso viel des Treibhausgases Kohlendioxid CO2 freigesetzt wie bei deren Verbrennung. Durch Verwendung von Biomasse kann die Klimabilanz verbessert werden, da dann nur das Kohlendioxid freigesetzt wird, das zuvor beim Wachstum der Pflanzen aus der, Atmosphäre aufgenommen wurde.


Kombination aus Dampfreformierung und partieller Oxidation, um den Wirkungsgrad zu optimieren.

Rohstoffe: Methanol, Erdgas, Benzin, Diesel usw.


Biomasse

Biomasse besteht hauptsächlich aus Kohlenhydraten und anderen wasserstoff- und kohlenstoffhaltigen organischen Verbindungen.

Diese können mittels allothermer oder autothermer Dampfreformierung in molekularen Wasserstoff umgewandelt werden.

Pro:

Leichteres Vergasen, da ca. 40 % Eigenanteil Sauerstoff à weniger Zugabe von zusätzlichem Sauerstoff benötigt für endotherme Reaktion à daher deutlich höhere Wirkungsgrade als beispielsweise bei der Vergasung von Kohle.


Elektrolyse von Wasser

Die Reaktion findet in einem mit leitfähigem Elektrolyten (Salze, Säuren, Basen) gefüllten Gefäß statt, in dem sich zwei Elektroden befinden, die mit Gleichstrom betrieben werden.


1.    Kathode:

2.    Anode:

3.    Gesamtreaktion:


An der Kathode werden im Prinzip Elektronen abgegeben und von der Anode wieder aufgenommen. In der Gesamtreaktion entsteht aus Wasser also molekularer Wasserstoff und molekularer Sauerstoff:

Pro:

Der rein erzeugte reine Sauerstoff kann abgefangen und energiewirtschaftlich sinnvoll verwendet werden.

Contra:

Wegen des geringen Wirkungsgrades von nur etwa 57 % wird aber nur rund ein Prozent des weltweit erzeugten Wasserstoffs so hergestellt.


Ein ökologischerer Verfahrenstyp ist die alkalische Elektrolyse, die wegen der niedrigen Strompreise und der häufigen Kombination mit Wasserkraftwerken als Energielieferanten vor allem in Norwegen und Island genutzt wird.


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Verwendung H2 in bestehender Infrastruktur

o   Energieträger: Beim Schweißen, als Raketentreibstoff. Auch als Kraftstoff für Strahltriebwerke oder Verbrennungsmotoren kann Wasserstoff verwendet werden – dieser Weg ist kurzfristig technologisch einfacher umzusetzen und besonders für Nutzfahrzeuge mit hohen Kilometerleistungen aufgrund der mangelnden Standfestigkeit der Brennstoffzellen die einzige Möglichkeit

o   Reduktionsmittel: H2 kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Das Verfahren wird bei der Verhüttung von metallischen Erzen angewandt, insbesondere um Metalle möglichst rein zu gewinnen.

o   Kühlmittel: Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität benutzt man Wasserstoff in Kraftwerken und den dort eingesetzten Turbogeneratoren als Kühlmittel. bei äußeren Schwankungen aufrechterhalten.


Öffentliche Infrastruktur:

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Industrielle Infrastruktur:

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Wasserstofftankstellen- Auflagen

  • 24 Std Verfügbarkeit
  • Mehrere Betankungen gleichzeitig (Flexibilität bei der Versorgung vom EV muss sichergestellt sein)
  • Weniger als 3 Min. Betankungszeit
  • Geringer Platzbedarf (muss in bestehende Tankstelle integriert werden können)
  • Universell und dual (gasförmig/ flüssig H2 muss verfügbar sein, da keine genormten Systeme)
  • H2- Reinheit in Brennstoffzellen Qualität
  • Vergleichbare Kosten (Erhaltung bzw. Schaffung Wettbewerbsfähigkeit)
  • Versorgungssicherheit (Tankstelle muss flexibel gegenüber langfristigen Trends sowie tageszeitlicher Bedarfsschwankungen sein)


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