Kumulierte Treibhausgasemissionen zukünftiger Energiesysteme

297 Pages·1996·13.88 MB·German

by  Dr.-Ing. Frank-Detlef Drake M. Sc. (auth.)

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
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1996
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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