Kumulierte Treibhausgasemissionen zukünftiger Energiesysteme PDF
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Kumulierte Treibhausgasemissionen zukiinftiger Energiesysteme Springer Berlin Heidelberg New York Barcelona Budapest Hongkong London Mailand Paris Santa Clara Singapur Tokio Frank -Detlef Drake Kumulierte Treibhausgas emissionen zukUnftiger Energ iesysteme Mit 92 Abbildungen , Springer Dr.-Ing. Frank-Detlef Drake, M. Sc. UniversiHit Hannover Institut fur Thermodynamik CallinstraBe 36 30167 Hannover ISBN-13: 978-3-642-64836-6 e-ISBN:13 978-3-642-61421-7 DOl: 10.1007/978-3-642-61421-7 Die Deutsche Bibliothek -Cip-Einheitsaufnahme Drake, Frank-Detlef: Kumulierte Treibhausgasemissionen zukiinftiger Energiesystemel Frank-Detlef Drake. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer, 1996 ISBN 3-540-60203-8 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der 'Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielf<iltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielf<i1tigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechts gesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuHissig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996 Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1996 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in dies em Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direktoder indirekt aufGesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VD!, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fur die Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten <.lie vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Camera-ready by author SPIN: 10509014 68/3020 -5 43210 - Gedruckt auf saurefreiem Papier Vorwort Durch die Energieversorgung auf der Basis fossiler Brennstoffe werden in zunehmendem MaB Kohlendioxid und weitere Gase emittiert, die durch ei ne Verstarkung des atmospharischen Treibhauseffekts zu erheblichen Klima veranderungen fuhren konnen. Angesichts dieser Gefahr werden Energietech niken mit deutlich reduziertem TreibhausgasausstoB gefordert. Fur eine ge rechte Beurteilung des Potentials eines Energiesystems zur Emissionsminde rung sind nicht nur die CO -Emissionen wahrend des Betriebs, sondern auch 2 die herstellungsbedingten und weitere Emissionen im gesamten Lebensweg des Systems zu erfassen. Das Ziel dieses Buches ist die einheitliche Bestimmung dieser kumuliert an fallenden klimarelevanten Emissionen. Hierzu werden in einem ersten Schritt umfassende Energie- und Treibhausgasbilanzen fur Kraftwerke, Heiz- und Warmwassersysteme auf fossiler, nuklearer und regenerativer Basis erstellt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse werden anschlieBend verschiedene Ener gieversorgungsszenarien fur die Bundesrepublik Deutschland hinsichtlich der im Fall ihrer Umsetzung zu erwartenden Treibhausgasemissionen untersucht. In zwei Exkursen werden erganzend die langfristige Verfugbarkeit fossiler Brennstoffe und der anthropogene Treibhauseffekt thematisiert. Die diesem Buch zugrundeliegende Dissertation entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fur Thermodynamik der Universitat Hannover. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Baehr, dem ehemaligen Leiter des Instituts, fUr die mir groBzugig gewahrte wissenschaftliche Betatigungsfreiheit, die wohlwollende Betreuung und viele wert volle Anregungen und Hinweise. Herrn Prof. Dr.-Ing. Gietzelt, dem Inhaber des Lehrstuhls fur Dampfanlagen und Feuerungstechnik an der Universitat Hannover, danke ich fur die Ubernahme des Korreferats. Weiter hin mochte ich mich an dieser Stelle auch bei allen Mitarbeitern des Instituts fur Thermodynamik und allen Studenten, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben, herzlich bedanken. Ich widme dieses Buch meinen Eltern. Hannover, im Herbst 1995 Frank-Detlef Drake Inhaltsverzeichnis Formelzeichen . IX 1 Einleitung . 1 1.1 Zielsetzung der Arbeit 2 1.2 Uberblick . . . . . . . 3 2 Energetische und treibhausgasbezogene Analyse von Energiesystemen 6 2.1 Der kumulierte Energieaufwand ................ . 7 2.2 Energetische KenngroBen 11 2.3 Erweiterung der energetischen Analyse zur Emissionsanalyse 16 2.4 Diskussion der Netto-Energieanalyse und verwandter Methoden 18 3 Instrumentarium zur Bestimmung der kumulierten THG-Emissionen 24 3.1 Emissionsfaktoren von Brennstoffen 25 3.2 Emissionen bei der Bereitstellung von Energietriigern und Beton 25 3.2.1 Brennstoffe ...................... . 27 3.2.2 Elektrizitiit ...................... . 32 3.2.3 Bestimmung eines CO2-Emissionsfaktors von Beton 34 3.3 Input-Output-Analyse (lOA) ....... . 34 3.4 ProzeBkettenanalyse (PKA) ........ . 51 3.5 Erliiuterungen zur weiteren Vorgehensweise 56 4 Analyse von Stromerzeugungssystemen. . . . . . 60 4.1 Betrachtung des derzeitigen Kraftwerksparks 60 4.2 Fortschrittliche Kraftwerke auf fossiler Basis . 67 4.2.1 Gas- und Dampfturbinen - (GuD)-Prozesse 67 4.2.2 Brennstoffzellen-Kraftwerke ..... 71 4.3 Stromerzeugung aus regenerativen Energien 74 4.3.1 Windkraftwerke ........... . 75 4.3.2 Photovoltaik-Kraftwerke ...... . 81 4.3.3 Einbindung regenerativer Kraftwerke in die Energieversorgung 88 4.4 Ergebnistibersicht.................. 95 5 Analyse der Raumwiirme- und Warmwasserversorgung 101 5.1 Festlegung von Versorgungsaufgaben 102 5.2 Konventionelle Heizsysteme . . . . . 106 5.3 Wiirmepumpen . . . . . . . . . . . . 112 5.4 Fern- und N ahwiirmeversorgung mit Kraft-Wiirme-Kopplung 120 5.4.1 Zuordnung von Brennstoffverbrauch und Emissionen bei der Kraft-Wiirme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.4.2 CO -Emissionen der Nah- und Fernwiirmeversorgung ..... 131 2 VIII Inhaltsverzeichnis 5.5 Thermische Solarkollektoranlagen .... 136 5.5.1 Analyse einzelner Komponenten 137 5.5.1.1 Kollektor 137 5.5.1.2 Speicher ........ . 140 5.5.2 Systemanalyse ......... . 143 5.5.2.1 Brauchwassererwarmung 144 5.5.2.2 Solare Raumwarmeversorgung mit Kurzzeitspeicher 150 5.5.2.3 Solare Nahwarmeversorgung mit Langzeitspeicher 158 5.6 Analyse von WarmeschutzmaBnahmen 164 5.7 Ergebnisiibersicht........................ 170 6 Energieversorgungsszenarien fiir die Bundesrepublik Deutschland 176 6.1 Energieverbrauch und CO -Emissionen im Referenzjahr 1987 177 2 6.2 N utzungspotentiale regenerativer Energiequellen ....... 185 6.3 Erlauterungen zur Szenarienanalyse .............. 192 6.4 Voruntersuchungen fiir ausgewahlte Sektoren der Energieversorgung 199 6.4.1 Stromerzeugung ...................... . 199 6.4.2 Raumwarme- und Warmwasserversorgung . . . . . . .. . 207 6.5 Szenarien des Ubergangs auf eine CO -arme Energieversorgung . 215 2 7 Zusammenfassung und Ausblick . .228 Anhang A Langfristige Verfiigbarkeit fossiler Brennstoffe .235 B Der anthropogene Treibhauseffekt .244 C Ergebnismatrix der energetischen Input-Output-Analyse .256 Literatur .269 Hiiufig verwendete Formelzeichen Lateinische Formelbuchstaben A Flache Av Ver ar bei t ungsaufschlag A Inputkoeffizientenmatrix a·· Element der Inputkoeffizientenmatrix 'J B Brennstoffenergie; volumenbezogener Warmeverlust eines Gebaudes B Brennstoffenergiestrom C Matrix der inversen Koeffizienten (Leontief-Matrix) Element der Leontief-Matrix spezifische Warmekapazitat C Cp spezifische isobare Warmekapazitat C kumulierte CO Emissionen 2- C B kumulierte COrEmissionen der Bereitstellung und Verbrennung eines Brennstoffs C kumulierte COrEmissionen der Herstellung H C;;. kumulierte COraquivalente Emissionen anderer Treibhausgase D Durchmesser; Durchdringung D Matrix der direkten Energieaufwandskoeffizienten d direkter Energieaufwandskoeffizient kj E Energie EB kumulierter Brennstoffenergieaufwand kumulierter Stromaufwand Eel Epr kumulierter Primarenergieaufwand F Erntefaktor f Anteil; Deckungsgrad G Bestrahlungsstarke GWPlQO Global Warming Potential (Bezugszeitraum: 100 Jahre) H Hohe Ho Brennwert Hu Heizwert h spezifische Enthalpie I Einheitsmatrix I Einhei tsvektor l, J Zahl variablen X Formelzeichen K Kosten k Warmedurchgangskoeffizient; Zahlvariable l stiindliche Luftwechselrate; Zahlvariable M Molmasse m Masse m Massenstrom n Zahlvariable P Leistung p Druck Q Warme Q Warmestrom r Radius; jahrliche Zuwachsrate des Weltenergieverbrauchs Zeit tv Vollastbetriebszeit tN Nutzungsdauer T thermodynamische Temperatur v Geschwindigkeit V Volumen V Volumenstrom Vrn,N Molvolumen im Normzustand W Arbeit x Zuordnungsfaktor bei Kraft-Warme-Kopplung if Vektor der Endnachfrage Z Amortisationszeit Griechische Forrnelbuchstaben a Absorptionskoeffizient (Jp Stromausbeute bei Kraft-Warme-Kopplung r CO2-Emissionsfaktor r Summe von r und r B Bb u r heizwertbezogene CO -Emissionen der Brennstoffbereitstellung Bb 2 rei CO2-Emissionsfaktor der Stromerzeugung r Q CO2-Emissionsfaktor der Warmebereitstellung r u heizwertbezogene CO2-Emissionen cler Brennstoffverbrennung ra heizwertbez. Emissionen anderer Treibhausgase E Matrix cler kumulierten Energieaufwandskoeffizienten E* modifizierte Energieaufwandskoeffizientenmatrix Formelzeichen XI Ckj kumulierter Energieaufwandskoeffizient f Leistungszahl fa J ahresar bei tszahl TJ Wirkungsgrad TJa Jahresnutzungsgrad TJe Carnot-Wirkungsgrad TJV Verteilungswirkungsgrad {) Celsius-Temperatur spezifische Kosten K, ). Wiirmeleitfiihigkeit; Zuwachsrate; Wellenliinge v kinematische Viskositiit ~ Heizzahl 7r primiirenergetischer Bereitstellungsfaktor p Dichte a Stromkennzahl der Kraft-Wiirme-Kopplung T Transmissionskoeffizient w N utzungsfaktor der Kraft-Wiirme-Kopplung Wp elektrischer Wirkungsgrad der Kraft-Wiirme-Kopplung Indizes a auBen; Jahr, Jahres- ii COTiiquivalent +ii CO und COTiiquivalente 2 B Brennstoff Bb Brennstoffbereitstellung bed Bedarf biv bivalent Bw Brauchwasser C COTbezogen E Entsorgung; Erde eff effektiv el elektrisch, Strom-, strombezogen fl Fluid gas Gas ges gesamt H Herstellung; Heiz- K Kessel
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