Energie und Klimawandel 0. Einführung - extended abstract 0.1 Warum interessiert uns das Thema 0.2...

Energie und Klimawandel

0. Einführung - extended abstract 0.1 Warum interessiert uns das Thema

0.2 Einige Fakten zur Einführung in die Problematik...

0.3 Aufbau der Vorlesung

0.4 Energie und Treibhausgase

0.5 Energieeinheiten und Größenordnungen .51 Energieeinheiten und Umrechnungen Das kleine und das große DreimalDrei

.52 Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch .53 Größenordnung einiger Energiespeicher und -flüsse .531 Fundamentales zur Erde als Energiespeicher .532 Wichtige und interessante Energiespeicher .533 Wichtige und interessante Leistungen

.534 Energiedichten von Brennstoffen .54 Wirkungsgrad , Energieaufwand und Leistungsdichten

0.6 Was ist Energie

Energie und KlimawandelDr. rer. nat. Gerhard Luther

Forschungsstelle Zukunftsenergie, c/o Technische Physik-Bau38, Universität des SaarlandesTel.: 302-2737; e-mail: [email protected]

0. Einführung und extended abstract:Einige Fakten zur Klimaproblematik; Energieeinheiten und Größenordnungen

1. Die Energiesituation in Deutschland und in der Welt

2. Klimawandel - Auswirkungen des Einsatzes fossiler Energieträger, 2.1 Unmittelbare Umweltverschmutzung 2.2 Das Klima der Erde: Vielfalt, Ordnung und Komplexität 2.3 Klimawandel 2.4 Internationale Klimapolitik als Antwort auf drohenden Klimawandel

3. Verfügbarkeit ewiger Energiequellen Kernfusion und Sonne als Energieressource, Wind- insbesondere offshore; Biomasse; Geothermie

4. Sparsame Nutzung externer Energiequellen Wärmepumpe; Brennstoffzelle; Brennwertkessel; SWK;Wärmetauscher

5. Energiedienstleistungen: Energierelevante Ansprüche an Gebäude u.a. Thermische Behaglichkeit (incl. Frischluft)

0.3 Aufbau der Vorlesung

0. Einführung: Energieeinheiten und Größenordnungen was ist Energie (Feynman);

von [J] bis [EJ] (vgl. Smil: Energies ) Vielfalt der Energiebezüge :

1. Die Energiesituation in Deutschland und in der Welt

1.1 Gegenwärtiger Energieeinsatz in BRD und in der Welt 1.2 Wachstum des Energieverbrauches Einflußfaktoren: Bevölkerung - und Wirtschsftentwicklung 1.3 Vorräte fossiler Energiequellen: Reserven, Ressourcen

2. Klimawandel - Auswirkungen des Einsatzes fossiler Energieträger,

2.1 Unmittelbare Umweltverschmutzung Rückgang der klassischen Umweltverschmutzung, insbesondere Luftverschmutzung Im Saarland, in der BRD; Europa Klassische Umweltverschmutzung in der Welt

2. Klimawandel - Auswirkungen des Einsatzes fossiler Energieträger,

2.1 Unmittelbare Umweltverschmutzung

2.2 Das Klima der Erde: Vielfalt, Ordnung und Komplexität .21 Übersicht über Temperatur in Atmosphäre und Ozean .22 Übersicht über das Klimasystem der Erde [TAR1_1] .23 Die Entwicklung des Klimas auf der Erde [Houghton GW_Chap4:Cimates at the past, TAR1_2]

2.3 Klimawandel .31 Der Treibhauseffekt (zwei einfache Modelle) .32 Beobachtete Klimaänderungen, insbesodere im 20.Jhd [IPCC1_B_2] .33 GreenHouseGases und ihr Strahlungsantrieb [GW_Chap3,TAR1.3,4,5,6, und _C_3-6] .34 Klimamodelle [GW_5, TAR1_7 Physical Climate Processes and Feedbacks, TAR1_D ] Model evaluation [TAR1_8] Climate change under status quo-Entwicklung [GW_6] Vorhersagen zum Klimawandel [TAR1_9]; [IPCC1_F] .35 Impacts: [GW_7] , freshwater resources agriculture and food supply natural ecosystems .36 Die Identifikation des anthropogenen Einflusses auf den Klimawandel[TAR1_12;TAR1_E_12]

2.4 Internationale Klimapolitik als Antwort auf drohenden Klimawandel

UNFCCC 1992 - KlimarahmenKonvention Kyoto Protocol 1997, EU GHG "bubble" and internal burden share BRD: EnEV, EEG, KWK-Gesetz ; Ökosteuer

3. Verfügbarkeit ewiger Energiequellen (regenerativ, "unendlich")

3.1 Kernfusion in den Sternen und auf Erden 3.2 Sonneneinstrahlung global, lokal, Sonne als Energieressource Verteilung über den Globus 3.3 Wind, insbesondere offshore 3.4 Biomasse 3.4 Geothermie 3.5 Andere: Wellen

4. Sparsame Nutzung externer Energiequellen

4.1 Primärenergieinsatz und Exergie als Gütekriteriem 4.2 Wärmetauscher, Brennwertkessel, Flächenheizung (AWH) 4.3 Wärmepumpe 4.4 Strom-Wärmekopplung 4.5 Brennstoffzelle 4.7 Wärmespeicher

5. Energiedienstleistungen: Energierelevante Ansprüche an Gebäude

5.1 Thermische Behaglichkeit (incl. Frischluft) 5.2 Feuchte (Tauwasser, Luftfeuchte) auch in Nichtnutzungsräumen wie Keller und Dachgeschoss 5.3 Warmwasserverbräuche 5.4 Strom- Dienstleistungen Licht

Stand:2002_0409

Die Vorlesung möchte versuchen einen breiten Zugang zur Energiefrage zu finden. Daher:- mehr Überblick, nur vereinzelt Details- fachübergreifend mit Mut zur Lücke- generalistischer Ansatz

„Auch die Wissenschaft ist nicht frei

von diesem Fluch der Komplexität.

Zu den meisten als wichtig angenommenen gesellschaftlichen Themen gibt es Studiengruppen oder ganze Forschungsinstitute, mit Hunderten oder gar Tausenden von dokumentierten, filigranen Detail-Untersuchungen.

Solches Wissen mag wissenschaftlich relevant sein, gesellschaftlich relevant ist es nicht, da es nicht als Ganzes den Entscheidungsträgern oder der politisch interes-sierten Öffentlichkeit mitteilbar ist.

Da kann sich jeder Einzelne dann einDetail heraussuchen, das sich mit seinen Vorurteilen

deckt und sich dabei auf wissenschaftliche Grundlagen berufen ! “

(aus dem Geleitwort der Heraeus Stiftung zu /Heinloth 97/)

Quelle: /Heinloth 97, p. VI / Klaus Heinloth: „Die Energiefrage, Bedarf und Potentiale, Nutzung, Risiken und Kosten “, vieweg, Braunschweig (1997), 21 Euro

Energie und Treibhausgase

0.4

Fuel CO2 CH4 N2O[gC/MJ ] (relativ) [ gCH4/GJ ] [ gN2O/GJ ]

Coal 25.1 1.00 5.5 2Oil 20.8 0.83 8 2Natural gas 14.3 0.57 3 1Peat 29.7 1.18 4.5 2Wood 31.1 1.24 40 2Source:

Quelle: www.ieagreen.org.uk/fswitch.htm; IEA_GHG\ IEA_Fuel switching.htm

GHG emission factors for a number of fuels

The greenhouse gas emissions from combustion of a number of fuels are compared in the table below. Emissions from all stages of the cycle of production, transport and use are considered; apart from the combustion stage, these include: CO2 release from transport of fuels and from flares; CH4 leakage from oil and gas fields and pipelines, and N2O from forestry (Smith et al, 1994).

Smith I M, Nilsson C, Adams D M H (1994) :Greenhouse gases - perspectives on coal. IEAPER/12, IEA Coal Research, London, UK, 41pp

Umrechnung auf kg CO2 pro kWhth

15

16

17

18

19

20

21

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

als C/ MJ

als CO2/kWh

[gC/MJ ] relativ kg CO2/ kWhth

Coal= 25,1 1,00 0,3313 =ZS(-2)/ 1000* [(12+2*16)/12] * 3,6Oil 20,8 0,83 0,2746Natural gas 14,3 0,57 0,1888Peat 29,7 1,18 0,3920Wood 31,1 1,24 0,4105

Ím wissenschaftlichen Bereich wird das CO2 meist als Kohlenstoff C angegeben. Techniker bevorzugen meist Angaben direkt in kg CO2.

Molekulargewicht : 12g C + 2*16 g O2 = 44g CO2 ,

also Faktor [CO2]/ [C] = 44/12 =3,67

Quelle: IEA:World Energy Outlook 2001 Insights; www.iea.org/weo/index.htm; WEO2001_light.pdf, fig.4.13,p.93

CO2 Emission Factors by Technology (Current and Near-Term)

g CO2 pro kWhel

II zum Vergleich: 331 g Kohle ergeben 1 kWhth --------------II 189 g Erdgas

Energieeinheiten und Größenordnungen

0.5

0.5 Energieeinheiten und Größenordnungen

.51 Energieeinheiten und Umrechnungen Das kleine und das große DreimalDrei .52 Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch .53 Größenordnung einiger Energiespeicher und -flüsse .531 Fundamentales zur Erde als Energiespeicher .532 Wichtige und interessante Energiespeicher .533 Wichtige und interessante Leistungen .534 Energiedichten von Brennstoffen .54 Wirkungsgrad , Energieaufwand und Leistungsdichten

0.6 Was ist Energie

Gesetzliche Einheiten im Meßwesen:• Am 2. Juli 1969 wurde das “Gesetz über die Einheiten im Meßwesen” erlassen. (siehe: BGBI.1969 I, S. 981)

• Für den geschäftlichen und amtlichen Verkehr in der Bundesrepublik Deutschland sind die SI-Einheiten (Système International d’Unités) als gesetzliche Einheiten ab 01.01.1976 verbindlich.

Definierte Einheit für Energie:

Joule (J) für Energie, Arbeit, Wärmemenge Watt (W) für Leistung, Energiestrom, Wärmestrom 1 Joule (J) = 1 Newtonmeter (Nm) = 1 Wattsekunde (Ws)

Quelle: e.g. / AG-Energiebilanzen, AGEB-Vorwort.doc Abschnitt 4.1

0.51 Energieeinheiten und Umrechnungen

Vorsätze und Vorsatzzeichen für Energieeinheiten:

Kilo k 103 TausendMega M 106 MillionGiga G 109 MilliardeTera T 1012 BillionPeta P 1015 BilliardeExa E 1018 Trillion

Für die nationale und internationale Energiewirtschaft ist

EJ die richtige Größenordnung.

Das kleine DreimalDrei

0.511 Das kleine und große DreimalDrei

Übrigens: Nicht gebräuchlich, aber doch schon definiert: Zetta Z 1021

Yotta Y 1024

Vorschlag: Große Lösung für große Zahlen

Vorsätze und Vorsatzzeichen für sehr große Einheiten: [ etwas very special ]

Kilo_Exa Kexa [ Kx ] kE 1021

Mega_Exa Mexa [ Mx ] ME 1024

Giga_Exa Gexa [ Gx ] GE 1027

Tera_Exa Texa [ Tx ] TE 1030

Peta_Exa Pexa [ Px ] PE 1033

Exa_Exa Eexa [ Ex ] EE 1036

usw.

Mein Geheimnis

etwas very special

Vorschlag: Große Lösung für kleine Zahlen

Vorsätze und Vorsatzzeichen für sehr kleine Einheiten:

milli_atto matto ma 10-21

mikro_atto müatto µa 10-24

nano_atto natto na 10-27

piko_atto patto pa 10-30

femto_atto fatto fa 10-33

atto_atto aatto aa 10-36

usw.

Übrigens:Nicht gebräuchlich, aber doch schon definiert: zepto z 10 -21

yocto y 10-24

Warum gerade Exa und atto als Ausgangs-Größenordnung

1. Exa und atto sind zueinander reziprok ( 1018 und 10-18) daher ergibt sich eine symmetrische Bezeichnung

2. Die gegenwärtig gebräuchliche „Begriffsfront“ liegt bei Exa und atto

3. Die Worte Exa und atto fangen als einzige Vorsatzzahlen mit einem Vokal an und lassen sich daher zwanglos mit den AnfangsKonsonanten der sonstigen Vorsilben zusammenziehen . „Gexa“, „natto“

4. Im Energiebereich: EJ sehr praktische Grundeinheit einfaches Rechnen im großen „Dreimal Drei“

Energie Einheiten ohne kcal

Quelle:e.g. /Heinloth97.Anhang A, p 484 / ; EnergieGrößen.xls

Umrechnungsfaktoren zwischen Energieeinheiten

Einheiten kJ kWh kg SKE kg ÖE kJ 1 0,000278 3,41E-05 2,39E-05

kWh 3600 1 0,123 0,086kg SKE 29304 8,14 1 0,700kg ÖE 41868 11,63 1,429 1

Wirklich merken muß man sich nur die beiden fett-roten Zahlen.

Öl: Umrechnung auf Liter:1 kg Öl = ca. 1,170 [Liter], also ergibt 1Liter Öl 9,94 kWh Faustformel:

MJ kWh

Liter Öl 36 10

0.512 Umrechnungen

Energie Einheiten

Quelle:e.g. /Heinloth97.Anhang A, p 484 /; / AG-Energiebilanzen, AGEB-Vorwort.doc/ EnergieGrößen.xls

Umrechnungsfaktoren zwischen Energieeinheiten

Einheiten kJ kWh kg SKE kg ÖE kcal kJ 1 0,000278 0,000034 0,000024 0,239

kWh 3600 1 0,123 0,086 860kg SKE 29308 8,14 1 0,700 7000kg ÖE 41868 11,63 1,429 1 10000kcal 4,1868 0,001163 0,000143 0,000100 1

Wirklich merken muß man sich nur die 3 fett-roten Zahlen.

Öl: Umrechnung auf Liter: Erdgas:1 kg Öl = ca. 1,170 [Liter], Quelle: Saarferngas, 11.4.2001

also ergibt 1Liter Öl 9,94 kWh Hu_Gas= 9,995 [kWh/m3]

Faustformel: Ho_Gas= 11,087 [kWh/m3]

MJ kWh kWh/m3

Liter Öl 36 10 Heizwert 10

Brennwert 11

Ganz praktisch zu merken:

1 Mt SKE = 109 kg SKE = 109 * 7000 kcal = 109 *103 * 7 * 4,1868 [103 J] = 29,308 [PJ]

1 Mt SKE = 0,029 [ EJ ]

Mio Tonnen SKE und Exa-Joule

Klein aber oho! 1 eV = 1,6 * 10-19 [As *V] = 0,16 [atto Joule]

1 eV = 0,16 [ aJ ]

Elektronenvolt

Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch

Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2003, Abschnitt F, p. 39F, Energifluss.xls

0.52

Weltweiter jährlicher Energieverbrauch

Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2003, Abschnitt F, p. 39 F, Energifluss.xls

Primärenergieverbrauch der Weltregionen (1997, [EJ] )

Quelle:e.g. /BMWi: Energiedaten2000, Abschnitt F, p. 36 F,

Abb.1: Die weltweite Verteilung des Energieverbrauchs an fossilen Energieträgern pro Kopf der Bevölkerung 1997.

Nicht berücksichtigt sind hierbei dezentrale Energiesysteme, wie z. B. Holzfeuer zum Kochen in Entwicklungsländern (bis zu 80 % Anteil im ländlichen Bereich)

Quelle:. /BINE_BE_7: Energie im Wandel,2000, Abb1, p.1; O-Folie aus bild0700...ptt

[GJ/a]

Flotte Umrechnungen

trivial aber wichtig:

Sekunde StundeSekunde 1Minute 60Stunde 3600 = 3,6 [ ks ] = 4*(1- 0,1) [ ks ]Tag 86400 = 86,4 [ ks ]Jahr 31536000 = 31,5 [ Ms ] 8760

Beispiele:Europäer (OECD) verbrauchen im Jahr 141 [GJ /a] 141 [GJ / a] = 141/31,5 [Giga/Mega W] = 4,5 [ kW ]

Die Sonne liefert an einem schönen Tag im Juni 24 MJ/m^2 24 MJ / 3,6 k =~ 24 * {1/4 * (1+ 0,1)} *[M/k Wh]= 6,6 [kWh]

Quelle:Energifluss.xls !ZeitDie Welt besteht seit ca. 15 [Ga] = 15*31,5 [Ps] = 0,5 [Es]

Quelle:e.g. /BINE_BE_1: Klima und Energie,1998, Abb3, p.3

Entwicklung des Weltenergieverbrauchs (in EJ )

Nicht erfasst sind:Brennholz, Dung und andere Biomasse(Entwicklungsländer)

bisher:

Grobes Primärenergie Portfolio, exemplarischer Pfad des WBGU

Quelle: Prof.J. Luther, ISE Freiburg, Vortrag auf AKE2004F, verfügbar in http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2004F/Links_AKE2004F.htm

zukünftig ?

EJ/a

_1000/31,5 [E/M J/s]= 31,7[TW]__

Größenordnung einiger Energiespeicher und -flüsse

0.53

Sorensen, Bent: Renewable Energy, (2000) , Academic Press, London, p.1

Planet Earth in her orbitSpeed of the Earth in her orbit around the Sun = 30 [km /s] = 108 000 [km/h]

corresponding to a kinetic energy of some 2,7 [PxJ] = 2,7 [PetaExa J] =2.7x1033 J

Planet Earth : rotating around her axisRotation of the Earth around her axis with an angular velocity of ca. 2 /24h = 7.3xl0-5 [rad s-1]

corresponding to an additional kinetic energy of 0,22 [TxJ] = 0,22 [TeraExa J] =2.2x1029 J

Against the gravitational attraction :Work required in order to pull the Earth infinitely far away from the Sun = 5,3 [PxJ] = 5.3xl033 J to separate the Earth from its Moon = ca. 80 [GxJ] = 8x1028 J

Fundamentales über die Erde im Weltraum

0.531 Fundamentales zur Erde als Energiespeicher

Sorensen, Bent: Renewable Energy, (2000) , Academic Press, London, p.1 +2

Heat Energy of Earth against 0 K The kinetic energy of molecular motion, i.e. heat energy , = ca. 5 [TxJ] = 5 * 1030 J

This estimate represents the total heat energy , relative to the absolute zero temperature.

Atmospheric and oceanic circulation On average present as kinetic energy in the atmospheric and oceanic circulation:

1 [kxJ] = 1021 [ J ]

continental height-relief:The potential energy of the continental height relief, relative to sea level, is about 20 [MxJ] = 2xl025 [ J ]

taking into account density variations in the crust (Goguel, 1976).

Energie in und auf der Erde


Carbon compounds of biological materials:

Fossilisation of biological material created the deposits of coal, oil and natural gas:

of which at least 100 [kxJ] = 100 [kiloExa J] = 1023 J

is presently believed to be recoverable in a form suitable for fuel uses .

Current standing crops of biomass correspond

to an average of 15 [kxJ] = 1,5 * 1022 J.

Energie in chemischer Bindung


Nuclear fission:

Spontaneously fissioning nuclear isotopes in the Earth's crust release per year

about 400 [EJ /a] = 4 * 1020 J /a .

With the necessary improvements in technology (of fast breeder reactors), recoverable resources of nuclear fuels are estimated to be

of the order of 1 [MxJ] = 1024 J.

Energie in nuklearer Bindung

Nuclear fusion

lf fusion of deuterium nuclei to form helium nuclei could be made viable on the basis of deuterium present in sea water, this resource alone would amount to more than

10 [TxJ] = 1031 J.

Quelle:/ Smil-98, Table 2, p. XIV /

Größenordnung einiger „Energiespeicher“

= 200 kE J

= 10 kE J

0.532 Wichtige und interessante Energiespeicher

Quelle:/ Smil-98, Table 3, p. XV /

Größenordnung einiger „Energiespeicher“ und kumulierter EnergieFlüsse

= 5,5 ME J /a = 0,17EW * 31,5 Ms/a

= 2 kE J /a

= 100 MJ / 86,4 ks = 1,16 kW

= 116 W

Typische Energiemengen

Quelle: / Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1,p.24; manuskript p.21/

K i n e t i s c h e E n e r g i e :

Fußgänger (m = 72 kg, v = 6 km/h) 100 JRotierender Zylinder (m = 1 t, Radius r =1 m, 10 kJ

Frequenz = 1 Hz)PKW (m = 1, 3 t, v = 100 km/h) 0, 5 MJEuroCity (m = 400 t, v = 220 km/h) 0, 75 GJGroßraumflugzeug (m = 300 t, v = 880 km/h) 9 GJ

(Die Masse m und die Geschwindigkeit v sind so gewählt, daß sich in etwa runde Zahlenergeben. Die Rotationsenergie des Zylinders ist E rot = mr22/4.)

P o t e n t i e l l e E n e r g i e :

Bergsteiger (m = 85 kg, Höhe = 1000 m) 0,8 MJGroßraumflugzeug (m = 300 t, Höhe = 10 km) 29 GJStausee (m = 107 t , Höhe = 500 m [theoretisch]) 48 TJ

Quelle: / Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1, manuskript p.21/

B i n d u n g s e n e r g i e :

Chemische Bindungsenergie:C und O2 in CO2 4, 2 eV = 6, 7 · 10- 1 9 J = 0,67

[aJ]Atomare Bindungsenergie:Ionisationsenergie in H 13, 6 eV = 21, 8 · 10- 19 J = 2, 18

[aJ]Nukleare Bindungsenergie:Fusion (D+ T) pro Nukleon 3, 5 MeV= 5, 6 · 10- 13 J = 0,56 [pJ]235U-Kern pro Nukleon 1 MeV = 1, 6 · 10- 13 J = 0,16 [pJ]

F r e i s e t z u n g v o n B i n d u n g s e n e r g i e bei :

Verbrennung von 1 kg Steinkohle: 30 MJVerbrennung von 1 kg Erdöl: 43 MJ

Spaltung von 1 kg Uran (235U): 2 · 107 kWh = 72 TJ

Fusion von 1 kg (D + T): 2 · 108 kWh = 720 TJExplosion einer H-Bombe 5 · 1010 kWh = 0,2 EJ

?

Faktor 10 überprüfen?

Quelle: / Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1,p.19+20; manuskript p.22/

F e l d e n e r g i e :

Elektr. Feldenergie, Feld der Stärke 1 kV/m in 1 m3: 4, 4 · 10- 6 JMagnetfeldenergie, Feld der Flußdichte 1 Tesla in 1 m3: 0,4 MJ

R u h e m a s s e n e n e r g i e (E = m0 c2) :

Ruheenergie des Elektrons (m0e = 9, 11 · 10 -31 kg): 8, 2 · 10 -14 J= 82 [ f J ]

Ruheenergie von 1 kg Materie: 9 · 107 GJ = 90 PJ Ruheenergie der Sonnenmasse (m0 = 1, 99 · 10 30 kg):

17, 9 · 10 37 GJ= 179 [GEE J ]

Masse der chem. Energie in 1 kg Steinkohle (30 MJ): 3,3 · 10 - 7g = 330 ng

V a k u u m e n e r g i e: (weiß jemannd was das ist?)

Vakuumenergiedichte: ca. = 5 · 10 - 10 J m-3 = 500 pJ m-3

Vakuumenergie in einer Kugel vom Radiusr =5, 8·109 m = 15facher Abstand Erde – Mond: 4 · 10 20 J= 400 EJ

Quelle: / Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1,p.24; manuskript p.22/

(all) tägliche S t r a h l u n g s e n e r g i e :

mittl. tägliche Sonneneinstrahlung auf 1m2 in BRD: 3,1 kWh = 11 MJ

tägl. Einstrahlung der Sonne auf die Erde: 4, 22 · 10 15 kWh = 15 · 103

EJ = 0,17 EW* 86,4 ks = 15 kEJ 15 · Zeta-J tägl. Abstrahlung der Sonne insgesamt: 9, 24 · 1024 kWh = 3, 3 · 1013 EJ 33 TEJ

G e m i s c h t e E n e r g i e f o r m e n :

Energie eines Gewitters oder Hurrikans: 5 · 1010 kWh = 0,2 EJEnergie einer Zyklone: 5 · 1012 kWh = 18 EJ

!! Energie sämtlicher Gewitter auf der Erdean einem Tag (insgesamt 44 000): 2 · 1015 kWh = 7200 EJ

7,2 kEJ (!! stimmt aber irgendwie nicht, da tägl. Einstrahlung der Sonne auf die Erde nur 15 kEJ !!)


Leistung einiger kontinuierlicher Vorgänge

S0 * * RErde2

= 1,37 kW/m2 ** ( 6,4 Mm )2 = 1,37 * 3,14 * 40*[ kT W] = 170[ PW] = 0,17 [EW]

**

**

= 0,17 EW =1,7 * 1017 W

??

0.533 Wichtige und interessante Leistungen

Golfstrom


Leistung einiger kurzzeitiger Ereignisse

1000 Bomber mit je 4 t Bomben in 1 h:Sprengkraft: ca. 0,5 * 36 MJ / kg =5 kWh/kg = 5 MWh / t

Also:

1 k * 4 t /h * 5 MWh/ t = 20 GW

armes K, armes HH, armes Dresden, armes Tokyo

Quelle:/ Smil-98, Table 6, p. XVI /

Energiedichten von „Brennstoffen“

aller Art

Messlatten:

Tagesration für Menschen: 10 [ MJ ] = 10.000 [kJ]

Liter Heizöl : 36 [ MJ ] = 10 kWh

0.534 Energiedichten von Brennstoffen

Quelle:/ Smil-98, Table 7, p. XV I/

Wirkungsgrade einiger

Energie-Wandler

0.54 Wirkungsgrade, Energieaufwand, Leistungsdichte

Tabelle 1.2: Energieumwandlung und Energiewirkungsgrad (in Prozent) typischer Energiewandler.In der linken Spalte steht die Energieform vor der Umwandlung,.In der oberen Zeile steht die Energieform nach der Umwandlung.WKM = Wärmekraftmaschine.

Wirkungsgrad typischer Energiewandler

Quelle: / Rebhan - 2002, „EnergieHandbuch“, Kap.1, Tabelle1.2,p.31; manuskript p.28/

WKM =Wärmekraftmaschine

100-400Wärmepumpe

59 35 GUD:59

PEM_FC:35

Quelle:/ Smil-98, Table 8, p. XVII /

Energieaufwandfür

einige Materialien

Strom !

3,6 MJ =1 kWh

Quelle:/ Smil-98, fig.1, p. XVIII /

Leistung auf der Fläche

einiger Quellen und Senken

Eine Messlatte:max. Solarstrahlung: 1 kW/m2

mittleresolare Einstrahlungin BRD: 100 W /m2

Power densitiesof various energyproduction and

consumption phenomena.

Quelle:/ Smil-98, fig.2, p. XVIII /

Leistungsdichten und Ausdehnung von Quellen und Senken

Typical ranges ofareas and power densitiesin large-scale modern energy production (lines) and in household and industrial consumption (dots).

kW/m2

W/m2

Quelle:/ BMU: Erneuerbare Energien 1999, p66, UrQuelle: DLR, J.Nitsch Erneuerbare_Energien_14.pdf/

Natürliches Angebot erneuerbarer Energien

Das natürliche Angebot der erneuerbaren Energien(hintere Quader) ist außeror-dentlich groß.

Die daraus technisch gewinn-baren Energiemengen in Form von Strom, Wärme und chemischen Energieträgern (vordere Quader)

übertreffen den derzeitigen Weltenergieverbrauch(Grauer Quader)

um das etwa Dreifache.

Was ist Energie

0.6

Was ist eigentlich Energie ?

1. Richard F. didn‘t knowDer Energiebegriff ist so fundamental, dass man die elementare Frage „Was ist Energie?“ gar nicht so einfach beantworten kann. Zum Trost schrieb Richard Feynman in seinen „Lectures on Physics“:„ It is important to realize that in physics today we have no knowledge of what energy is. We do not have a picture that energy comes in little blobs of a definite amount. “

2. Begnügen wir uns also mit:

• 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik

• E = mc2 „ an amusing and attractive thought“ ( O-Ton Albert E. in einem Brief an einen Freund ) • der Rechnung der Stadtwerke: (ohne Verrechnungs- bzw. Leistungspreis) 1 kWh Strom :: 20 [cents] (linearer Tarif , brutto)) 1 kWh „Heizgas“ :: 6 [cents] (Hu)

Quelle:/ V. Smil: „Energies“, MIT Press, Cambridge/Mass, (1998), p.VIII / , ISBN 0-262-19410-4

Table 5 Powers of Short-Lived Phenomena ~ Energy flows Duraclon Power Richter magnimde 8 earthquake Large volcanic eruption Thunderstorm's kinetic energy Large WWII bombing raid Average U.S. tornado Four engines ofBoeing 747 Watt's largest steam engine Running IOO-m dash Machine-washing laundry Playing a CD Candle burning to the end Hummingbird flight 30 s 10 h 20 min Ih 3min loh lOh 10 s 20 min 60 min 2h 3min 1.6PW 100TW 100 GW 20GW 1.7GW 60MW 100 kW 1.3kW 500W 25W 5W 0.7W

Table 6 Ranges of Energy Densities of Common Fuels and Foodstuffs 1,- Energy density (MJ/kg) Hydrogen 114.0 Gasolines 46.0-47.0 Cmde oils 42.0-44.0 Pure plant oils 38.0-37.0 Natural gases 33.0.:-37.0 Butter 29.0-30.0 Ethanol 29.6 Best biturninous coals 27.0-29.0 Pure protein 23.0 Common steam coals 22.0-24.0 Good lignites 18.0-20.0 Pure carbohydrates 17.0 Cereal grains 15.2-15.4 Air-dried wood 14.0-15.0 Cereal straws l2.0-15.0 Lean meats 5.0-10.0 Fish 2.9-9.3 Potatoes 3.2-4.8 Fruits 1.5-4.0 Human feces 1.8-3.0 Vegetables 0.6-1.8 Urine 0.1-0.2

Table 7 Efficiencies of Common Energy Conversions (percent) Conversions Energies Efficiencies Large electricity generators M -+ e 98-99 Large power-plant boilers c -+ t 90-98 Large electric motors e -+ rn 90-97 Best horne natural-gas furnaces c -+ t 90-96 Dry-cell batteries c -+ e 85-95 Human lactation c -+ c 85-95 Overshot waterwheels rn-+ rn' 60-85 Small electric motors e -+ rn 60-75 Large steam turbines t -+ rn 40-45 Improved wood stoves c -+ t 25-45 Large gas turbines c -+ rn 35-40 Diesel engines c -+ rn 30-35 Mamma1ian postnatal growth c -+ c 30-35 Best photovoltaic cells r -+ e 20-30 Best large steam engines c -+ rn 20-25 Intemal combustion engines c -+ rn 15-25 High-pressure sodium lamps e -+ r 15-20 Mamma1ian muscles c -+ rn 15-20 Traditional stoves c -+ t 10-15 Fluorescent lights e-+ r 10-12 Steam locomotives c -+ rn 3-6 Peak crop photosynthesis r -+ c 4-5 Incandescent light bulbs e -+ r 2-5 Paraffin candles c -+ r 1-2 Most productive ecosysterns r -+ c 1-2 Global photosynthetic mean r -+ c 0.3 Energy labels: c- chemical, e -electrical, m- mechanical (kinetic), r-radiant (electromagnetic, solar), t-thettnal

Table 8 Typical EnerRY Costs ofCommon Materials (MJ/kg) Material Aluminum Bricb Cement Copper Glass Iron Limestone Nickel Paper Polyethylene Polystyrene Polyvinylchloride Sand Silicon Steel Sulfuric acid Titanium Water Wood Energy cast 227-342 2-5 5-9 60-125 18-35 20-25 0.07-0.1 230-70 25-50 87-115 62-108 85-107 0.08-0.1 230-235 20-50 2-3 900-940 0.001-0.01 3-7 Made or extracted from Bauxite Clay Clay and limestone Sulfide ore Sand, etc. Iron ore Sedimentary rock Ore concentrate Standing timber Crude oil Crude oil Crude oil Riverbed Silica Iron Sulfur Ore concentrate Streams, reservoirs Standing timber

Einige Orientierungswerte für jährlichen Energieverbrauch

Primärenergieverbrauch:

[EJ] [%]

Welt (1997) 398 100

USA (1997) 91 23

Deutschland (1997) 14,5 3,6


0.52

Primärenergieverbrauch (1997):

[EJ] [%] [EJ] [%]

Welt (1997) 398 100 Welt (1997) 398 100

Asien 134 34 China 47 12

Nordamerika 106 27 USA 91 23Südamerika 19 50 0

Europa 77 19 Deutschland 14,5 3,6frühere SU 38 9

Afrika 20 5Ozeanien 5 1

Weltweiter jährlicher Energieverbrauch


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