Gerhard Schmitz Technische Universität Hamburg Harburg Institut für Thermofluiddynamik (M21)

1. Gerhard Schmitz Technische Universität Hamburg Harburg Institut für Thermofluiddynamik (M21) Technische Thermodynamik Möglichkeiten und Grenzen der rationellen Energieverwendung

3. 1. und und 2. Hauptsatz der Thermodynamik • Energie kann nur gewandelt werden • Wandlungen von Energie sind Beschränkungen unterworfen

4. Energieerhaltung Systemgrenze Innere Energie Kinetische Energie Potenzielle Energie Wärme Arbeit

5. Energiewandlungen Arbeit in Wärme: geht immer! (Elektrischer Heizer) Potenzielle Energie in Arbeit: geht immer! (Wasserfall) Kinetische Energie in Wärme: geht immer! (Bremse) Kinetische Energie in Arbeit: geht immer! (Mühle) Wärme in Arbeit: kommt auf die Temperatur der Wärme an (Kraftwerk, Automotor) Umweltenergiein Arbeit: geht gar nicht!!

7. Beispiel: Gaskessel Niedertempe-raturwärme Erdgas

8. Energieumwandlungswege Regenerative Primärenergien Sonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie Nutzenergien Kraftanlagen (Foto-voltaik, Windanlag.) Thermische Anlagen KI KI: kinetische Energie, z.B. el. Rührbesen Arbeits- maschine PO NW Wärmepumpe elektr. Motor Strom- speicher Nicht – Regene- rative Primär- energien KÄ: Kälte z.B. Kühlschrank KÄ Kältemaschine Groß- kraft- werk NW NW: Niedertempe- raturwärme für Heizung Sekundärenergie Heizdraht, Induktion HW Wärme- speicher NW Wärmetrans- formator HW HW: Hochtempe- raturwärme z.B. für das Kochen oder für Prozesse Uran Kohle Öl Gas BHKW Absorptions- kältemaschine KÄ Arbeits- maschine KI PO PO: Potenzielle Energie, z.B. Aufzug Wärme- pumpe NW Motor Kälte- maschine KÄ Heizungs- kessel NW Feuerung Wärme- pumpe HW KÄ Absorptions- kältemaschine Transport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) Primärenergie Endenergie Umwandlung Nutzenergie

9. Rationelle Energieverwendung bedeutet: • Entsprechend dem optimierten Bedarf genau die erforderliche Energiemenge mit der nötigen Energiequalität zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Ort liefern - bei möglichst wenig Energiewandlungsverlusten.

10. Energieeinsparung im Bereich Haushalt und Kleinverbraucher Regenerative Energien Wärmedämmung Anlagenoptimierung 10

11. Energiesparmöglichkeiten im Bereich Haushalt und Kleinverbraucher • Regenerative Energien • Nutzung von Solarenergie (Strom und Wärme) • Nutzung von Biomasse • Nutzung von Wärmesenken zur Kühlung • Wärmedämmung • Verbesserte Dämmmaterialien • Verbesserte Türen und Fenster • Vermeidung von Wärmebrücken • Anlagenoptimierung • Integrierter Entwurf von Gebäude und Anlage • Energie- und Stoffrückgewinnung bei kontrollierter Lüftung • Brennwertnutzung bei fossilen Brennstoffen • Energetisch und exergetisch effizientere Geräte und Beleuchtungsanlagen • Benutzerfreundliche Steuerungs- und Regelungsanlagen • Effiziente Pumpen und Ventilatoren • Optimale Aufstellung von Energieanlagen • Wärmepumpen • Kraft -, Wärme-, Kältekopplung (KWK)

12. Wärmebedarf eines Einfamilienhauses (150 m², 3-4 Personen) kWh m² a Durchschnitt in Deutschland 2008: 160 kWh/m² a 160 120 120 Heizwärme gesamt 80 80 Transmission Warmwasser 50 45 40 40 35 35 18 18 18 18 15 Lüftung Wärmeschutz- verordnung 1977 Wärmeschutz- verordnung 1982 Wärmeschutz- verordnung 1995 Energie- einspar-V. 2007

13. Solarbauaustellung Hamburg - Transmissionswärmebedarf 60 50 40 30 20 10 0 kWh/m²a H Quelle: Zebau

14. Entwicklung Verkauf Niedertemperaturheizgeräte - Brennwertheizgerät

15. Solarenergie mit Rücklauf- temperaturanhebung 15

16. Haus­halte ver­brau­chen im­mer weni­ger Ener­gie? Quelle AG Energiebilanzen 2013

17. Wohnfläche pro Person in m² Quelle: Statistisches Bundesamt

18. Solarbauaustellung Hamburg - Lüftungswärmebedarf 35 30 25 20 15 10 5 0 kWh/m²a Quelle: Zebau

19. „Kleinigkeiten“ - Hydraulischer Abgleich Ent- lüftung Kessel Ausdehnungsgefäß Pumpe

20. Gründe, warum im HuK - Bereich der Energiebedarf nicht noch deutlicher sinkt: Steigende Nachfrage nach Energiedienstleistungen Nichtberücksichtigung von Nutzergewohnheiten Instationäre Verhältnisse nicht beachtet Mangelnde Qualitätsausführung Nicht das ganze System betrachtet Nicht das ganze Jahr betrachtet „Kleinigkeiten“ unterschätzt

21. Energieeinsparung im Bereich Energieverteilung Regenerative Primärenergien Sonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie Nutzenergien Kraftanlagen (Foto-voltaik, Windanlag.) Thermische Anlagen KI KI: kinetische Energie, z.B. el. Rührbesen Arbeits- maschine PO NW Wärmepumpe elektr. Motor Strom- speicher Nicht – Regene- rative Primär- energien KÄ: Kälte z.B. Kühlschrank KÄ Kältemaschine Groß- kraft- werk NW NW: Niedertempe- raturwärme für Heizung Sekundärenergie Heizdraht, Induktion HW Wärme- speicher NW Wärmetrans- formator HW HW: Hochtempe- raturwärme z.B. für das Kochen oder für Prozesse Uran Kohle Öl Gas BHKW Absorptions- kältemaschine KÄ Arbeits- maschine KI PO PO: Potenzielle Energie, z.B. Aufzug Wärme- pumpe NW Motor Kälte- maschine KÄ Heizungs- kessel NW Feuerung Wärme- pumpe HW KÄ Absorptions- kältemaschine Transport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) Primärenergie Endenergie Umwandlung Nutzenergie

22. Energiewende - vorher Last in GW Angebot Nachfrage Zeit in h

23. Energiewende - nachher Last in GW Angebot Nachfrage Zeit in h

24. Mehr Regenerative Energie bedeuten: weniger Berechenbarkeit, weniger (Strom-)versorgungssicherheit und erfordert mehr Energiemanagement, mehr Speicher • Damit auch: der richtige Energieträger am richtigen Ort

25. Anschlussenergie im Neubaubereich

26. Blockheizkraftwerk (BHKW) Niedertempe-raturwärme Erdgas Arbeit (Strom) Aber: Strom und Wärme müssen gleichzeitig nachgefragt werden!

27. Dezentralisierte Stromerzeugung Quelle: Lichtblick ZuhauseKraftwerke 19,0 kWel 36,0 kWtherm CFCL Hochtemperatur-BZ 1,5 kWel 0,5 kWtherm Vaillant-Ecopower 4,7 kWel 12.5 kWtherm

28. VDI-Nachrichten 23.11.2012 S.1

29. Energiewende - vorher Last in GW Angebot Nachfrage Zeit in h

30. Energiewende – etwas später Last in GW Angebot Nachfrage Zeit in h

31. Funkgesteuerter Einsatz von BHKW Betrieb Strompreis >32 kW Wärme ~19 kW Elektr.

32. Primärleistung & Energiebedarf eines Elektrolichtbogenofens Quelle: ArcelorMittalHamburg GmbH 100 % P/Pmax 50% 0 Zeit Ofenleistung Energie

33. Vor- und Nachteile von Energiespeichern

34. Forschungsvorhaben TransiEnt.EE Transientes Verhalten gekoppelter Energienetze mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien www.modelica.org

35. Pumpspeicherwerk (Geesthacht) Kavernengasspei- cher (Allermöhe) Abfall- bzw. Bio- Masseanlage (z. B. Köhl- brandshöft) Röhren- gas- speicher Kohlekraftwerk mit CO2 – Ab- Scheidung (z. B. Moorburg) Schwungrad- massespeicher Wind energie (Eigenerzg. & anteilig Nordsee) Druckluft- speicher H2 H2 CH4 Gas- turbine - + CO2 CO2 (Groß-) Batterie- speicher - - + + CH4 H2 El. Strom, Hochspannungs-, Mittel- spannungs-, Niederspannungs - Netze Fernwärmenetz HH 136/60°C Gasentsp.-Turb. Gasverdichter Gas, Hochdruck, Mitteldruck, Nieder- druck -Netze Elek- trische Wärme pumpe Wärme- Trans- formator - + Heizungs- kessel (Groß-) Batterie PCM- Speicher Energienetzmodell Solar thermische anlage Schwung-radmasse-speicher BHKW Foto- voltaik- anlage Batterie Wohngebiet Thermischer Speicher Industrieanlage z. B. Aurubis, Kupferhütte

36. Forschungsfragen am Beispiel Hamburg • Wo liegen die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen bei der Einbindung stark fluktuierender, Erneuerbarer Energien wie z. B. Strom aus Windkraft, Photovoltaikanlagen etc.? • Wann ist die Aufteilung zwischen dezentraler Energiewandlung in einem Gas - BHKW und zentraler Energiewandlung in einem Kohlekraftwerke unter ökologischen und ökonomischen Aspekten optimal? • Wie kann die Nachfrage zwischen sehr großen und sehr kleinen Energieverbrauchern ausbalanciert werden? • Welche Speicher wie Warmwasserspeicher, PCM-Speicher, Sorptionsspeicher, dezentrale (Bio-)Gasspeicher, Batterien, Schwungradmassespeicher, kleine Druckluftspeicher, werden wie groß und wo benötigt? • Kann ein Nahwärmenetz oder ein übergeordnetes Fernwärmenetz die Aufgabe einer Wärmesammelschiene übernehmen, in das kleine, dezentral angeordnete Gaskraft- bzw. Blockheizkraftwerke, aber auch Solaranlagen einspeisen können? • Welche Energiedienstleistungen (z. B. die Beheizung von Gebäuden, gewerbliche Prozesse) sollten unter übergeordneten Gesichtspunkten, also insbesondere vor dem Aspekt der Einbindung von fluktuierenden Erneuerbaren Energien, besser elektrisch, welche besser thermisch bereitgestellt werden? • In welchem Umfang kann die Beeinflussung von Nutzergeräten die Energieversorgung und –verteilung unterstützen?

37. Warum Hamburg?

38. Zusammenfassung Rationelle Energieverwendung: entsprechend dem optimierten Bedarf muss genau die erforderliche Energiemenge mit der nötigen Energiequalität zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Ort geliefert werden - bei möglichst wenig Energiewandlungsverlusten. Energiesysteme müssen dazu als ganzes betrachtet werden: die gesamte Wandlungskette über das ganze Jahr unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens. Nicht „entweder – oder“ sondern jede Energie am richtigen Platz! Speicherbarkeit von Energien beachten. Innovative Speichertechnologien für Strom, Wärme und Kälte entwickeln. Gasbetriebene Kraft-Wärme-Kopplung dient dem Aufbau neuer, dezentralisierter Back-up Lösungen in der Energieversorgung. Energieeinsparungen durch technische Lösungen werden zum Teil durch neue Energiebedarfe konterkariert. Der „Faktor 4“ ist aber notwendig für die Energiewende. Ganz ohne Verzicht wird das nicht gehen!

39. Weitere Informationen: schmitz@tuhh.de