Vortrag China 2013 Thermodynamik Teil 2

3. Die Richtung der Energieumwandlungsprozesse Umwandlung von Wärme in Arbeit ist nur eingeschränkt möglich. - Zustandsgröße Entropie S:

E n tro p ie 

A rb e it o d e r W ä rm e T e m p e ra tu r

[s] = J/(kg K) = W/K _________________________________________ intensiv-spezifisch Strom

- Entropieverhalten abgeschlossener Systeme: Abgeschlossene Systeme sind in der Technik nicht wichtig! irreversibel, adiabat (natürlich): Reversibel, adiabat: unmöglich (erzwungen, künstlich):

ds > 0 ds = 0 ds < 0

- Entropieverhalten geschlossener und offener Systeme:

ds > 0 ds = 0 ds < 0

- Exergie offener Systeme: Systeme können nur dann Arbeit verrichten, wenn sie nicht mit der Umgebung im Gleichgewicht sind, d.h. wenn sich ihr Zustand von der Umgebung unterscheidet. Exergiestrom:



  H  H  T S  S  E U U U

E   k W

 Index U Umgebungsbedingungen

Exergie ist die Energie, die sich bei vorgegebener Umgebung in jede andere Energieform umwandeln lässt. Anergie ist dagegen die Energie, die nicht als Exergie genutzt werden kann. Energie = Exergie + Anergie ∘ Bei allen Prozessen bleibt die Summe aus Exergie und Anergie konstant. ∘ Sämtliche irreversiblen Vorgänge sind mit einem Verlust an Exergie, d.h. mit der Umwandlung von Exergie in Anergie, verbunden. ∘ Ein Vorgang zur Verwandlung von Anergie in Exergie ist unmöglich. ∘ reine Exergie: elektrischer Strom, potenzielle und kinetische Energie

- Freie Energie nach HELMHOLTZ / Freie Enthalpie nach GIBBS:

is o c h o r

is o b a r

f  uT s

g  hT s

f g

/

freie Energie, J/kg freie Enthalpie, J/kg

Die Freie Energie/Freie Enthalpie ist der Teil der Inneren Energie/Enthalpie, der bei einem reversiblen Vorgang in jede beliebige Energieform verwandelbar ist. Die gebundene Energie T⋅s ist der Teil, der bei konstanter Temperatur einem System nicht als Nutzarbeit (oder chemischer Energie) entzogen werden kann, sondern nur als Wärme zur Verfügung steht. -- Verhalten geschlossener und offener Systeme:

df, dg < 0: natürlich, selbständig, spontan verlaufender Vorgang df, dg = 0: Gleichgewicht df, dg > 0: unmöglicher, erzwungener, künstlicher Vorgang

- Zustandsfunktion der Freien Energie/Freien Enthalpie: -- Allgemeine Prozesse: iso ch o r

iso b a r

df   s dT  p dv

dg   s dT  v dp

-- Chemisch-physikalische Prozesse, isobar:  g R ,n   h R ,n  T  s R ,n 0

0

Δh0R,n Δs0R,n Δg0R,n

0

molare Standardreaktionsenthalpie, kJ/mol molare Standardreaktionsentropie, kJ/(mol K) molare Freie Standardreaktionsenthalpie, kJ/mol

--- Berechnung der molaren Standardreaktionsgrößen aus den molaren Standardbildungsgrößen  0  h R ,n   



 0  s R ,n   



0



j 1

j 1



 j  H B ,n , j  P ro d u k t



 j  S B ,n , j  0



P ro d u k t

   



   



0



j 1

j 1



 j  H B ,n , j  Edukt



 j  S B ,n , j  0



Edukt

Beispiel: Ist folgende chemische Reaktion möglich? Kohlenstoff +

6C +

Wasserstoff

3 H2

→

Benzen

→ C6H6

Benzen: [Daten Atkins] molare Standardbildungsenthalpie molare Standardbildungsentropie Kohlenstoff: molare Standardbildungsenthalpie molare Standardbildungsentropie Wasserstoff H2 : molare Standardbildungsenthalpie molare Standardbildungsentropie

ΔH0B,n = 82,92 kJ/mol ΔS0B,n = 0,2693 kJ/(mol K)

ΔH0B,n = 0 kJ/mol ΔS0B,n = 0,0057 kJ/(mol K) ΔH0B,n = 0 kJ/mol ΔS0B,n = 0,1307 kJ/(mol K)

Daraus folgt: molare Standardreaktionsenthalpie molare Standardreaktionsentropie

Δh0R,n = 82,92 kJ/mol Δs0R,n = 0,2693 – 3·0,1307-6·0,0057) = -0,157 kJ/(mol K) molare freie Standardreaktionsenthalpie Δg0R,n = Δh0R,n – T Δs0R,n = 82,92 – 298·(-0,157) Δg0R,n = 129,78 kJ/mol Δg > 0: unmöglicher, erzwungener, künstlicher Vorgang

4. Kreisprozesse ∘ Rechtskreisprozess: Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit (Wärmekraftmaschine) ∘ Linkskreisprozess: Wärmetransport von niederer Temperatur auf höhere Temperatur (Wärmepumpe) -Kreisprozess ohne Nutzeffekt, da reversible, adiabate Zustandsänderungen:

w

t,1 2

E xp a n s io n

 w

t,2 1

K o m p re s s io n

Die Turbine treibt den Kompressor an.

-Rechtskreisprozess mit Nutzeffekt durch Wärmezu- und Wärmeabfuhr:

1→1'→2: Wärmezufuhr und Expansion: q11' + wt,1'2 = h2 - h1 2→2'→1: Wärmeabfuhr und Kompression: q22' + wt,2'1 = h1 - h2 (+) _______________________________ (q11' + q22') + (wt,1'2 + wt,2'1) = 0 >>0 700 °C, 350 bar: ηth.C = 0,689 Zu große Werkstoff- und Fertigungsprobleme!

∘ ERICSON-Prozess: Kreisprozess mit regenerativer Wärmeübertragung in nur einem Wärmeübertrager 1→2: isotherme Kompression mit Wärmeabfuhr (gekühlter Kompressor) 2→3: isobare Wärmezufuhr (regenerativ) 3→4: isotherme Expansion mit Wärmezufuhr (beheizte Turbine) 4→1: isobare Wärmeabfuhr (regenerativ)

A

Wärmeübertragungsfläche, m²

Der Wärmeübertrager muss sehr groß sein. Es ist nur eine Gegenstromführung möglich. -- Thermischer Wirkungsgrad ηth: Der thermische Wirkungsgrad ist so groß wie beim CARNOT-Prozess:

 th  1 

T m in Tm ax

∘ Einfacher JOULE-Prozess: Der JOULE-Prozess hat eine sehr große Bedeutung als Vergleichsprozess für Gasturbinenanlagen: ⋅ Gasturbinenkraftwerk ⋅ Strahltriebwerk für Flugzeug 1-2: 2-3: 3-4: 4-1:

isentrope Kompression isobare Wärmezufuhr isentrope Expansion isobare Wärmeabfuhr

Bei Gasturbinenanlagen ist zwischen geschlossenen und offenen Kreisprozessen zu unterscheiden. -- Thermischer Wirkungsgrad ηth:  1

 th

p   1  1  p2 



1

 1

 1

 m it:

ηth = f(π, κ)



 

p2 p1

π κ

Kompressionsverhältnis, Isentropenexponent, -

- geschlossener JOULE-Prozess:

∘ Brennkammer mit indirekter Erhitzung ∘ Arbeitsmittelkreislauf von der Umgebung stofflich getrennt:→ keine Verschmutzung

κ = 1,67 Edelgase; κ = 1,4 Luft; κ = 1,3 CO2

- offener JOULE-Prozess:

∘ Brennkammer mit direkter Erhitzung ∘ Kühler wird durch die Umgebung ersetzt ∘ Brennstoff muss rückstandsfrei verbrennen, um die Turbinenschaufeln nicht zu schädigen.

- Verbrennungsmotor: Bei Verbrennungsmotoren wird die chemische Energie des Brennstoffes durch Verbrennung im Arbeitsraum in Wärme umgewandelt, d.h. die Wärmezufuhr erfolgt von innen. ∘ OTTO-Prozess (Gleichraumprozess): 1-2: isentrope Kompression p q zu 3 2-3: isochore Wärmezufuhr 3-4: isentrope Expansion 2 4-1: isochore Wärmeabfuhr

Iso cho re Isen trope w - K 4 q ab a 1 v A n saug -A u spu ff lni ei

Viertaktmotor: 1. Hub: a - 1 2. Hub: 1 - 2 2-3

3. Hub:

3-4 4-1

4. Hub:

1-a

T

3 Iso cho re 2

qK

Isen trope 4

1 s

Ansaugen des Kraftstoffgemisches isentrope Verdichtung Ende des Hubes: , Zündung des verdichteten Gemisches mittels Zündfunken und isochore Verbrennung, d.h. isochore Wärmezufuhr Isentrope Expansion, wobei die Arbeit auf den Kolben übertragen wird. Ende des Hubes: Öffnen des Auslassventiles und der Druck sinkt bei gleichem Volumen, d.h. isochore Wärmeabfuhr. Ausstoß der restlichen Verbrennungsgase aus dem Zylinder

-- Thermischer Wirkungsgrad ηth:  th

v   1  2   v1 

 1

 1

1



 1

m it:

 

v1 v2

ε

Verdichtungsverhältnis, -

Der OTTO-Motor arbeitet umso günstiger, je höher die Verdichtung und je höher die Arbeitstemperatur ist. Grenzen werden durch die Selbstzündungstemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches gesetzt. ε = 6 ... 10

∘ DIESEL-Prozess (Gleichdruckprozess): 1-2: isentrope Kompression p 2-3: isobare Wärmezufuhr 3-4: isentrope Expansion 4-1: isochore Wärmeabfuhr

Viertaktmotor: 1. Hub: a - 1 2. Hub: 1 - 2 3. Hub: 2 - 3

3-4 4-1

4. Hub:

1-a

T

zu

2

Isoba re

3

Isoba re Isen trope - K 4 Iso cho re w q ab a 1 v A n saug A - u spu ff lni ei

2 1

qK

3 Isen trope 4 Iso cho re s

Ansaugen der Luft isentrope Verdichtung Beginn des Hubes: Brennstoff wird fein verteilt eingespritzt, der sich sofort selbst entzündet. Die Brennstoffzufuhr wird so geregelt, dass bei Ausweichen des Kolbens p = konst. ist. weiterer Hub: Nach der Verbrennung expandieren die Gase isentrop. Ende des Hubes: Auslassventil öffnet sich und der Druck fällt isochor auf den Umgebungsdruck (isochore Wärmeabfuhr) Ausstoß der restlichen Verbrennungsgase aus dem Zylinder.

-- Thermischer Wirkungsgrad ηth:

 th  1  m it:





1

    1   

v1 v2

  1

 

v3 v2

ε φ

Verdichtungsverhältnis, Einspritzverhältnis, -

Der thermische Wirkungsgrad des DIESEL-Prozesses ist vom Verdichtungsverhältnis ε, und auch vom Einspritzverhältnis φ abhängig. Der thermische Wirkungsgrad steigt mit wachsendem ε, aber mit fallendem φ, ist also bei kleinerer Wärmezufuhr größer. ε = 16 ... 25; φ = 2 ... 5

-- Schema eines DIESEL-Motors: 1: Zylinder 2: Kolben 3: Einlassventil 4: Einspritzdüse 5: Auslassventil 6: Pleulstange

-- Schiffsdiesel: ∘ Weltgrößte Containerschiffe 2006: Emma-Klasse der Reederei Maersk-Line, Dänemark 14770 TEU Standardcontainer (größtes Schiff Marco Polo, 16000 TEU)

Länge: 397 m Antrieb: 14-Zylinder Diesel 80 MW Bohrung: 960 mm Hub: 2500 mm Hubraum eines Zylinders: 1809 l Gesamthubraum: 25326 l Wirkungsgrad: 49 % Treibstoffverbrauch bei voller Leistung: 14,4 m³/h = 2,7 l Schweröl/(100 km und Container mit 14 t)

Vergleich:

OTTO-Prozess

 th  1 

DIESEL-Prozess

1



 1

 th  1 







1

   1

>1 wenn: →

εOTTO = εDIESEL ηth,OTTO > ηth,DIESEL

da aber: εOTTO 60 °C

Latentwärmespeicher:

⋅ Natriumacetat-Trihydrat: ⋅ Paraffin:

Schmelztemperatur 58 °C Schmelztemperatur 50 … 120 °C

SCHNEIDER-VOGT GmbH, Lahr

∘ Chemische Energie: Akkumulatoren; Blei; NiCd; NiMH; Li-Ion Lithium-Ionen-Akkumulator

Verwendung im PKW: Elektro-Motor: ∙ Leistung: ∙ Reichweite: ∙ Höchstgeschwindigkeit:

125 kW 160 km 145 km/h

∘ Mechanische (potentielle) Energie: ⋅ Pumpspeicherkraftwerk, Harz

In Deutschland in ca. 40 Anlagen:

6,5 GW, 38 GWh

∙ Planung:

Bis 2018 Seekabel „Nord.Link „ nach Norwegen für 1400 MW, 500 kV Gleichstrom

⋅ Forschung:

Pumpspeicherkraftwerk unter Tage (alte Bergwerke)

⋅ Druckluftspeicher-Kraftwerk Compressed Air Energy Storage: CAES-Kraftwerke

∙ Forschung: M LP HP AT G

Motor Niederdruckkompressor Hochdruckkompressor Turbine Generator

∙ Speicher für Brenn- und Kraftstoffe in Kavernen, Tanks Deutschland: 20 Mrd mN³ Erdgas in 40 Anlagen = 16 % des Jahresverbrauch 25,2 Mio t Erdöl und Produkte um 90 Tage den Bedarf zu sichern Kaverne: V = 600.000 m³ H= 500 m D= 40 m Tiefe …1300 m

∙ IVG Caverns GmbH ∙ NWKG GmbH

· Tanklager NWO GmbH Wilhelmshaven

90-Tage Bevorratung (Deutschland): 2010: 21,6 Mio t Öl und Ölprodukte

6. Einsparung von Energie: Energieverbrauch in Deutschland

Energiebedarf eines privaten Haushalts

Energieeinsparungsgesetz für Gebäude

· Schlechte Beispiele! Thermobild einer ungedämmten Hauswand

Hummer H2 von GM: V8 6,2 l Hubraum, 232 kW, 24 l/100 km

Glühlampe: 5 % Licht, 95 % Wärme

Marode Fernwärmeleitung

Abfackeln von Prozessgas

Osterfeuer oder Abfallverbrennung?

Brand auf illegaler Mülldeponie

Raumtemperatur im Winter

Alte Heizungstechnik

Birnen aus Chile Weintrauben aus Südafrika Erdbeeren aus Indonesien

· Gute Beispiele

Energielabel einer Waschmaschine

Isoliertes Mauerwerk

Verbrauch ca. 4-5 l/100 km

Freizeitgestaltung ohne Motorkraft

7. Wasserstofftechnologie

∘ Herstellung von Wasserstoff, Elektrolyse (klassisch):

Eigenschaften von H2 Siedepunkt: -252,9 °C Dichte 273 °C: 0,0899 kg /m3 Energieinhalt: 120 MJ/kg Kritischer Druck: 13,15 bar Vergleich: Benzin:

43,2 MJ/kg

1 kg Wasserstoff entspricht 2,8 kg Benzin.

∘ Zentrales Problem der Energiespeicherung:

- Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung:

-- Speicherung in Drucktanks 200 – 300 bar:

- Vakuumisolierte Flüssigkeitsstank Druck: 1,2 - 3,5 bar Temperatur: 21 - 25 K Verdampfungsverluste: 1 – 2 %/d

Bild: Messer Griesheim

- Chemisch:

- N-Carbazol / Perhydro-N-Carbazol

∘ Transport:

∘ Brennstoffzelle:

- Versuchs-KFZ mit Brennstoffzelle

- U31 seit 2002 mit Brennstoffzellen, Howaldtswerk-Deutsche Werft (HDW):

Sauerstoff aus Drucktanks Wasserstoff aus Metallhydridspeicher Brennstoffzelle: 306 kW Dieselmotor: 1050 kW E-Motor: 1700 kW