Exa (Energiewirts., Speicher, Sektork.)) Flashcards
Das alte EnWG trat 1935 in Kraft und blieb in seiner Substanz bis ?? erhalten.
1998 (Start der Liberalisierung/Entflechtung in DE)
(vorher Konzessionsverträge, Demarkationsverträge (Gebietsabsprachen), vertikal-integrierte EVUs)
Energiemarkt - Liberalisierung
Die Liberalisierung der Strommärkte im Jahr 1998 und die kurz darauf beschlossene ?? läutete eine drastische Umgestaltung des traditionellen Strommarkts ein.
Energiewende
Energiemarkt - Liberalisierung
Liberalisierung der Strommärkte
Zwei zentrale Elemente werden vereinbart: ?? (2)
- Spielregeln, nach denen Dritte Zugang zu den Transport- und Verteilnetzen der deutschen Netzbetreiber gewährt wird
- Kalkulationsleitfaden, nach denen die sogenannten Netznutzungsentgelte auf Basis einer Kostenkalkulation der Netzbetreiber berechnet werden
Energiemarkt - Liberalisierung
Liberalisierung der Strommärkte
Zwei zentrale Elemente werden vereinbart:
- Spielregeln, nach denen Dritte Zugang zu den Transport- und Verteilnetzen der deutschen Netzbetreiber gewährt wird
- Kalkulationsleitfaden, nach denen die sogenannten Netznutzungsentgelte auf Basis einer Kostenkalkulation der Netzbetreiber berechnet werden
Gleichzeitig entstehen weitere technische und organisatorische Regelwerke, die als ergänzende Bestimmungen Gültigkeit erhalten, z.B.: ?? (3)
Grid Code (Netz- und Systemregeln der deutschen ÜNBs)
Distributions-Code (Regeln für den Zugang zu den Verteilnetzen)
Metering Code (Regeln zur Erfassung, Weitergabe und Aufbereitung von Zähl- und Messwerten)
Strommarkt allgemein:
Wie sieht das heutige Strommarktdesign aus? (Wie ist der Strommarkt gegliedert?)
Großhandel (Energy-Only-Markt)
-> Börse (Terminmarkt, Spot-Markt)
-> Außerbörslicher Handel (OTC)
Systemdienstleitungen
-> Regelenergie
-> Blindleistung
-> (…)
Eingriffe durch Netzbetreiber/Bundesnetzagentur
-> Redispatch
-> Einspeisemanagement
-> (…)
(Details slide 33)
Was versteht man unter der Merit Order?
Definiert Einsatzreihenfolge der stromproduzierenden Kraftwerke
Dient wirtschaftlicher Optimierung
Orientiert sich an niedrigsten Grenzkosten und ist unabhängig von den Fixkosten
Es werden so lange Einheiten mit höheren Grenzkosten hinzugenommen bis die Nachfrage gedeckt ist
Strom-/Börsenpreis ergibt sich also aus Schnittstelle von Angebot und Nachfrage
Der Market-Clearing-Price (MCP) ist das letzte Angebot, welches einen Zuschlag erhält
–> uniform pricing: Das letzte Kraftwerk (Grenzkraftwerk) setzt den Preis, den alle für ihre Einspeisung ausgezahlt bekommen
1) Für was steht EEG?
2) Was sind die wesentlichen drei Aspekte, die das Gesetz schon in seiner Grundfassung besaß?
1) Erneuerbare-Energien-Gesetz
2)
Vorrangiger Anschluss von Stromerzeugungsanlagen aus Erneuerbaren Energien an die Netze für die allgemeine Versorgung
vorrangige Abnahme, Übertragung und Vergütung des Stromes aus Erneuerbaren Energiequellen durch die Netzbetreiber
bundesweiter Ausgleich des abgenommenen und vergüteten Stromes
Welche 3 wesentlichen Prinzipien sollten mit dem EEG erfüllt werden?
Absicherung von Investitionen
-> durch EEG-Vergütungssätze und Anschlussabsicherung
Keine Kosten für den Bundeshaushalt
-> Aufschlag auf Elektrizitätsrechnung (Nicht mehr!?)
Innovationen sollen durch sinkende Vergütungssätze angereizt werden
EEG 2009
1) Ziel war was?
2) Was wurde außerdem gemacht?
1) EEG-Anteil erhöhen
-> 35% - 2020, 50% - 2030, 80% - 2050)
2)
Absenkung der Fördersätze für neue PV-Anlagen (weil diese gut angelaufen waren)
Maßnahmen zum Netzmanagement
(-> Herzstück: direkte Zugriffsmglk. der Netzbetreiber auf die Steuerung der einspeisenden Erzeugungsanlagen)
Änderung des EEG-Ausgleichsmechanismus
-> Veräußerung des EEG-Stroms am Sportmarkt über ÜNB startet
EEG 2012:
Was geschah?
Anpassung der Vergütungsregelungen
-> für Wind an Land, für Wind auf See, PV, Biomasse
Förderung Direktvermarktung durch das Marktprämienmodell wird eingeführt
-> Marktprämie gleicht Differenz zwischen Marktpreis und EEG-Vergütung aus
Förderung der Direktvermarktung durch das Marktprämienmodel:
1) Berechnung der Marktprämie:
Marktprämie = ??
2) Was soll die Managementprämie sicherstellen?
Marktprämie
=
fixe Einspeisevergütung
(-)
Referenzmarktwert (bzw. Monatsmarktwert (gemittelter Wert))
2) Das man ziemlich sicher noch über der EEG-Vergütung liegt. (auch bei Marktpreisen niedriger als der Referenzwert)
(Details slide 23)
EEG 2014
-> ?(1)? für EE-Ausbau eingeführt
EEG 2017
-> Grundlage für was geschaffen? ?(2)?
(1) Ausbaukorridor
(2) Ausschreibungssystem
Für was ist das EEG 2023 die Grundlage und welche Ziele beinhaltet es?
Das EEG 2023 soll die Grundlage dafür legen, dass DE klimaneutral wird.
-> bis 2030: Anteil EE am Bruttostromverbrauch - min. 80%
Ziele:
- Begrenzung der Klimaerwärmung auf 1,5 Grad Celsius
- bis 2023 mind. 80% des Bruttostroms aus erneuerbaren Energien
- Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern
EEG 2023
Nenne die enthaltenen Maßnahmen: ?? (5)
- EE haben Vorrang
-> ermöglicht schnellere Genehmigungen - Förderung nicht mehr über Strompreis
-> nun EEG-Förderung aus Steuermitteln finanziert - Mehr Wind- und Solarenergie
-> Ausschreibungen werden bis 2029 erhöht - Bessere Vergütung für Solar
-> höhere Vergütung für neue Solaranlagen und einfachere Inbetriebnahme - Kommunen dürfen von Windenergie profitieren
-> soll Akzeptanz erhöhen
Erkläre das Marktprämienmodell, welches im EEG seit 2012 existiert. Wieso wurde dieses eingeführt? (Probeexam Lsg.)
Betreiber von EE Anlagen erhalten keine fixe Einspeisevergütung mehr, sondern den “normalen” Strompreis zuzüglich einer Markt- und einer Managementprämie.
Marktprämie ist so angepasst, dass sie zusammen mit einem Referenz-Strompreis (z.B. Monatsmarktwert) der ursprünglichen EE Vergütung entspricht.
Durch Managementprämie wird die Vergütung sogar höher als zuvor bzw. kann Schwankungen im Strompreis abfangen.
Dadurch sollen EE-Betreiber “lernen” am Strommarkt teilzunehmen, sodass EE Vergütung abgeschafft werden kann.
Erneuerbare Energien gehen mit Grenzkosten von 0 ct/kWh in den Strommarkt.
Welche Auswirkung hat dies auf den Strompreis. Wie wird dieser Effekt genannt? (Probeexam Lsg.)
Der Strompreis sinkt.
Merit-Order Effekt
Was versteht man unter dem Merit Order Effekt (MOE)?
Innerhalb der Merit Order verschieben dauerhaft sinkende Stromproduktionskosten die herkömmliche Kraftwerksreihenfolge
-> ein solcher Effekt lässt sich insb. durch die wachsende Einsspeisung von EE beobachten
-> EE mit Grenzkosten nahe Null (weil Fixkosten nicht berücksichtigt) stoßen in den Markt und nur die Residuallast müssen konventionelle Kraftwerke noch ausgleichen
(verdrängen Spitzenlastkraftwerke in der Merit Order weit nach hinten)
(slide 39,40,41,42!)
(Residuallast -> nachgefragte elektrische Leistung abzüglich der Einspeisung von volatilen Erzeugern wie z.B. Windkraft- oder PV)
Strommarkt - Merit Order
Welches Problem/Nachteile besteht hinsichtlich der Merit Order? (WICHTIG!!)
Es ist ein statisches Beschreibungsmodell
-> für die Darstellung kurzfr. Strompreisbildung gut geeignet
-> ABER:
- langfristige Effekte werden nicht berücksichtigt
- enorm hohe Investitions- und Rückbaukosten von Atomkraftwerken bilden sich im Merit Order-Modell nicht korrekt ab
-> ebenso wenig die tatsächlichen Gesamtkosten der EE (Speicher- und Netzverstärkungskosten) - Kopplung von Strom- und Gaspreisen kann die Strompreise in die Höhe treiben
1) Warum ist ein modifiziertes Strommarktmodell notwendig?
2) Was sollte ein modifiziertes Strommarktmodell grob erfüllen?
1) Grund: Merit Order statisches Beschreibungsmodell mit Problemen
2) Sollte die Einsatz-, Zubau- und Stilllegungsentscheidungen der Anlagenbetreiber mit einbeziehen und auch die Fixkosten berücksichtigen
Berechnung der Produktionskosten - Annuitäten
Beispiel WKA
-> siehe slide 51 + Formeln slide 50!!
…
Es soll eine Freiflächen PV-Anlage mit einer Leistung von 3 MW errichtet werden. Die Investitionen zu Beginn betragen 3 Mio. €. Aus Projekten wissen Sie, dass die Fikosten 7€/kWa und dass die variablen Kosten 30€/kWa betragen. Das Projekt soll auf 20 Jahre ausgelegt werden und unterliegt einem Zinssatz von 5%. Die Inflationsrate beträgt 4%. Mit welcher jährlichen Annuität muss gerechnet werden?
-> Formel für Annuitätsfaktor a und Preis-dynamischen Annuitätsfaktor b gegeben
Lsg. siehe Probeexam
Mache Annuitätenaufgabe in Altexam
…
Was versteht man unter primären Energiespeichern und was unter sekundären Energiespeichern?
Primäre Energiespeicher: Energiespeicher, die nur einmal geladen und entladen werden.
Sekundäre Energiespeicher:
Energiespeicher, die mehrfach geladen und entladen werden können.
Wie können Speicher nach ihrer Speicherdauer klassifiziert werden? Nenne je drei Beispiele! (Probeexam)
Kurzzeitspeicher (sec bis days):
- Batterien
- Druckluftspeicher
- Kondensatoren
Langzeitspeicher (Wochen-Monate):
- Gasspeicher
- Pumpspeicher
- Brenn- und Kraftstoffe
Residuallast = ??
Stromnachfrage - Strom aus EE
Skizziere kurz den Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks mit den wesentlichen Komponenten! (Altex.)
siehe Abb. Zsmf. !! (o. slide 9)
Nenne jeweils zwei Vor- und zwei Nachteile von Pumpspeicherkraftwerken! (Probeex.)
Vorteile:
- hohe Lebensdauer
- gute Regelbarkeit
Nachteile:
- stark abhängig von den örtlichen Bedingungen
- hohe Investitionskosten
1) Skizziere den allgemeinen Aufbau einer Primärbatterie.
2) Nenne 3 wesentliche Eigenschaften
3) Nenne eine Beispielzelle!
(Probeex.)
1) Skizze siehe slide 14!
2) Eigenschaften:
- irreversible Reaktion
- nicht wieder aufladbar
- Zusammenbau im geladenen Zustand
3) Beispiel: Zink/Kohle Batterie
(-> oder: Alkali/Mangan; Lithium)
1) Skizziere den allgemeinen Aufbau einer Sekundärbatterie.
2) Nenne 3 wesentliche Eigenschaften
3) Nenne eine Beispielzelle!
(Altex.)
1) Skizze siehe slide 15!
2) Eigenschaften:
- Reversible Reaktion
- wieder aufladbar ((wie Akkus))
- Zusammenbau im entladenen Zustand
3) Bsp.: Lithium-Ionen
(-> oder: Bleibatterie; NiMH)
1) Skizziere den allgemeinen Aufbau einer Reservebatterie.
2) Nenne 2 wesentliche Eigenschaften
3) Nenne eine Beispielzelle!
1) Skizze siehe slide 16
2) Eigenschaften:
- Ein Teil der Batterie fehlt (z.B. Aktivmaterial)
- Zusammenbau kurz vor dem Einsatz, dann wie Primärenergie (Einwegnutzung)
3) Beispiele: Zink/Luftbatterie
(-> oder: Magnesium/Wasser)
Batterien - Grundlagen
1) Für was steht SOC und für was DOD?
2) Wie erfolgt die Umrechnung?
1)
SOC - State of Charge:
-> Verhältnis noch entnehmbarer Ladung / Kapazität
DOD - Depth of Discharge:
-> Verhältnis entnommener Ladung / Kapazität
2)
SOC = 100% - DOD
DOD = 1 - SOC
(1 = 100%)
Kapazität
1) Welche Gesetzmäßigkeiten gelten für Verschaltung?
2) Was würde man machen, um die Kapazität zu erhöhen?
1)
Reihenschaltung von n-Zellen: CsubReihe = min(Csubi)
Parallelschaltung von n-Zellen: Csubparallel = Summe aus Csubi
(Maßeinheit: Ah, As und Coulomb)
2) Man würde Batterien parallel schalten, weil bei Reihenschaltung würde weiterhin die Batterie mit der geringsten Kapazität die Gesamtkapazität darstellen!
Nenne wichtige Parameter im Zusammenhang mit Batterien!
COD und DOD
Ruhespannung (engl. Open Cell Voltage, OCV)
Stromrate, C-Rate
Kapazität
(…)
Batterien
Skizziere und beschreibe das Konzept der Redox-Flow Cell (bzw. Redox-Flow-Batterie)!!
(wohl gut zu lernen!!!)
Skizze Abbildung slide 20!
Einzelne Zelle ist durch eine Membran in zwei Halbzellen, mit je einer Elektrode geteilt
Diese Halbzellen werden von unters. Elektrolytflüssigkeiten durchströmt.
Beim Laden wird über die Elektroden in die Halbzellen elektrische Energie zugeführt und eine Redox-Reaktion ausgelöst, die die chemische Energie der Flüssigkeit verändert.
Beim Entladen wird die chemische Energie der Flüssigkeiten durch Umkehr der Redox-Reaktion und Entnahme elektrischer Energie an den Elektroden wieder in den Ausgangszustand gebracht.
Die flüssigen Energieträger werden im Betrieb ständig im Kreis zwischen elektrochemischem Reaktor und Tanks gepumpt.
Ein Laderegler steuert den Energiefluss zum Reaktor (Laden), während ein Inverter die elektrische Energie für die Endnutzung passend umwandelt (Entladen)
Zeichne einen Druckluftspeicher und benenne die Komponenten!
(Altex.)
siehe slide 27!!
Druckluftspeicher
Erkläre das Konzept!
Schwachlastzeit: Motor nutzt überschüssige Energie zur Kompression von Druckluft im untertägigen Speicher.
In Zeiten hoher Nachfrage: Druckluft wir der Brennkammer zugeführt und treibt in Verbindung mit dem verbrennenden Erdgas Turbine an.
Speicherung erfolgt z.B. in Salzkavernen
Wird häufig für den Regelenergieeinsatz verwendet.
-> Bereits nach 10min. kann volle Leistung zur Verfügung stehen
Schwungradspeicher
Nenne 2 Vor- und 2 Nachteile!
Vorteile:
- Lebensdauer über 20 Jahre im Dauerbetrieb
- Ladezustand aus der Drehzahl des Schwungrades sofort erkennbar
Nachteile:
- relativ hohe Investitionskosten
- Selbstentladung beträgt 50% innerhalb von 2-4h
Schwungradspeicher
Fertige technische Skizze des Konzeptes an!
slide 32
Kondensatoren, Spulen
Supraleitende Magnetische Energiespeicher (SMES)
Beschreibe das Konzept und die Anwendung in der Praxis!
Speichern Energie in einem durch Gleitstrom in einer supraleitenden Spule erzeugten Magnetfeld
Supraleiter können Strom unterhalb einer kritischen Temp. ohne Widerstand leiten (Kühlung notw.)
Wenn einmal geladen, fällt die Spannung nicht ab und Speicherung kann über längere Zeit erfolgen.
(…)
Aufgrund des hohen Energieaufwandes für die Kühlung und die hohen Kosten von Supraleitern werden SMES zur Zeit vor allem zur kurzzeitigen Speicherung von Energie verwendet.
Gasspeicher
Nenne unterschiedliche Speicherbehälter!
Gasometer
Gasdruckbehälter
Kugelgasbehälter
Röhrenspeicher
Untertage-Gasspeicher (in Slazkavernen)
Gasspeicher - Speicherbehälter
Röhrenspeicher sind eher für was geeignet/werden für was verwendet?
Eher für kleinere Kapazitäten und damit für den Ausgleich geringer Verbrauchsschwankungen im Gasnetz geeignet.
Untertage-Gasspeicher
Was ist der Vorteil von Untertage-Gasspeichern gegenüber Obertage-Gassspeichern?
es können kostengünstiger wesentlich größere Speichervolumen realisiert werden
geringerer Flächenverbrauch
–
(Speicherkapazität hängt vom Produkt aus Volumen und Druck ab -> darum Untertage-Speicherung bevorzugt)
Salzkavernen:
- künstlich erstelle Hohlräume
- es wird eine Bohrung mit einem Durchmesser von d < 1m in das Salzgestein abgesenkt (abgeteuft) und mit einem einzementierten Stahlrohr abgedichtet
Die Erstellung des Hohlraums erfolgt nach dem Solprozess
-> Was ist der Vorteil des Verfahrens (Solprozess)?
Es muss kein aufwändiger Schacht abgeteuft werden und es werden weder Personal noch Maschinen Untertage benötigt
Gasspeicher - Untertage-Gasspeicher
Nenne 2 geologische Voraussetzungen!
Verfügbarkeit einer Salzformation mit ausreichender Ausdehnung
Ein begrenzter Anteil an unlöslichen Bestandteilen im Salz
(…)
1) Wärmespeicher können unterteilt werden in: ?? (3)
2) Ordne diese hinsichtlich der Energiedichte in kWh/m^3 (gering -> hoch)
3) Ordne diese hinsichtlich des Entwicklungsstandes (gering -> hoch)
1)
Sensible Wärmespeicher
Latente Wärmespeicher
Thermochemische Wärmespeicher
2)
Sensible Wärmespeicher
<
Latente Wärmespeicher
<
Thermochemische Wärmespeicher
3)
Thermochemische Wärmespeicher
<
Latente Wärmespeicher
<
Sensible Wärmespeicher
Sensible Wärmespeicher
Was wird unter sensibler Wärme verstanden?
Die Wärmeaufnahme oder Wärmeabgabe, die eine fühlbare Änderung der Temperatur zur Folge hat
Q = m * csupp * (T2 - T1)
csubp: spezifische Wärmekapazität
Latente Wärmespeicher
Nenne 1 Vor- und 2 Nachteile von latenten Wärmespeichern!
Vorteile:
- gut für Kältespeicherung geeignet
-> Latentwärmespeicher kann bei kleinen Temperaturänderungen mehr Wärme speichern als ein sensibler Wärmespeicher (Voraussetzung: Phasenwechsel im Temp.bereich)
Nachteile:
- komplexe technische Umsetzung
- häufig teurer als vergleichbare sensible Speicher
- (…)
Nach welchen 3 Kriterien wird ein Wärmespeicher allgemein ausgewählt?
Physikalische Kriterien
Technische Kriterien
Ökonomische Kriterien
Energiespeicher Zusammenfassung
Präge dir slide 66+67 ein!!!
…
Ordne die folgenden Pärchen von Energiespeichern jeweils nach ihrer Energiedichte (durchgehender Pfeil in Richtung der höheren Energiedichte):
Bsp.: Ein Kondensator hat niedrigere Energiedichte als ein Erdgas-Kavernenspeicher
Kondensator -> Erdgas-Kavernenspeicher
-> Achtung könnte Pfeilrichtung verändert werden oder statt Energiedichte der Wirkungsgrad, Ausspeicherdauer oder Speicherkapazität (!)
Nach Energiedichte:
a) Wasserstoff Kavernenspeicher Methan-Kavernenspeicher
b) Schwungradspeicher Druckluftspeicher
c) Li-Ion-Batterie Blei-Säure-Batterie
d) Latentwärmespeicher Sensible Wärmespeicher
a) Wasserstoff-Kavernenspeicher -> Methan-Kavernenspeicher
b) Schwungradspeicher
<- Druckluftspeicher
c) Li-Ion-Batterie <- Blei-Säure-Batterie
d) Latentwärmespeicher <- Sensible Wärmespeicher
(Slide 66+67 !!!!)
Benenne die vier Systemdienstleistungen eines Übertragungsnetzbetreibers! (4)
(Altex.)
Frequenzhaltung
Spannungshaltung
Versorgungswiederaufbau
Betriebsführung
Erkläre den Begriff Residuallast!
(Altex.)
Stromnachfrage - Strom aus EE
(nachgefragte elektrische Leistung abzüglich der Einspeisung von volatilen Erzeugern wie z.B. Windkraft- oder PV)
Beschreibe Frequenzhaltung und wie diese auch durch EE bereitgestellt werden kann.
Frequenzhaltung erfolgt über Regelleistungsprodukte. (Primär-, Sekundärleistung und Minutenreserve)
Negative Minutenreserve kann z.B. durch WEA bereitgestellt werden, nach der Methode der möglichen Einspeisung.
Wird negative Minutenreserve benötigt drosselt die WEA die Einspeiseleistung
(???)
Beschreibe die Systemdienstleistung eines ÜNBs -> Spannungshaltung und wie diese auch durch EE bereitgestellt werden kann.
erfolgt über Blindleistungseinspeisung.
Diese kann an WEA mit Synchrongeneratoren durch Änderung des Erregerstroms geschehen. Diese Änderung verursacht eine Änderung in der Polradspannung, was wiederum zur Blindleistungseinspeisung führt.
Zukünftige Wärmeversorgungskonzepte sollte auf folgende Quellen zurückgreifen: ?? (5)
- Biomasse
- Solarthermie
- Tiefengeothermie
- elektrische Wärmepumpe betrieben durch EE-Strom
- Gas: hergestellt durch Power-to-Gas Anlagen mithilfe von Strom
Raumwärme- Warmwasserbedarf
Direkte Power-to-Heat Anlage (großskalige Heizstab)
1) Nach welchem Prinzip funktionieren diese?
2) Wozu kann eine solche Anlage dienen? (2)
1) Prinzip der Widerstandsheizung
2)
- Bereitstellung (negativer) Regelleistung
- Verwertung erneuerbaren Überschussstroms
Das größte System in diesem Bereich in Deutschland aktuell ist in Berlin von Vattenfall (Heizkraftwerk Reuter) -> Power-to-Heat Anlage mit 3 Elektrodenkesseln und Heizstäben. Block kann 30.000 Haushalte mit Fernwärme versorgen.
-> Verbraucht aber 10% des gesamten Berliner Stromverbrauches
Sektorkopplung -
Nenne ein konventionelles Verfahren zur Wasserstoffbereitstellung und welches dieses zukünftig ersetzen dürfte.
konventionell: Dampfreformierung
(slide 26)
neu: Elektrolyse
(slide 27-29)
Sektorkopplung - Elektrolyse
Im Wasser liegt ein geringer Anteil der Wasserteilchen (H2O) in Form von Ionen vor, einmal dem Wasser-Ion(H+) und andererseits dem OH- -Ion. Diese Ionen werden von der jeweils entgegengesetzt geladenen Elektrode angezogen:
An der Kathode - der negativen Elektrode - wird an das H+-Ion ein Elektron abgegeben, womit zwischenzeitlich ein ?(1)? entsteht. Dieses verbindet sich schnell mit einem weiteren ?(1)? zu einem ?(2)?; viele ?(2)? steigen dann als Gasblasen an der Elektrode auf und können gesammelt werden.
An der Anode - der positiv geladenen Elektrode - werden, vereinfacht dargestellt, ?(3)? zwei Elektronen abgenommen und zu einem Sauerstoffatom und einem Wassermolekül umstrukturiert. Zwei Sauerstoffatome bilden wiederum ein Sauerstoffmolekül, welches dann im Verbund mit anderen Sauerstoffmolekülen als Gasblase an der Anode aufsteigt und dort ebenfalls gesammelt werden kann.
(1) Wasserstoff-Atom
(2) Wasserstoffmolekül(e) H2
(3) zwei OH- -Ionen
Prinzip der Brennstoffzelle
-> Zeichne und beschrifte Abb. slide 28
…
Reaktionen in der Brennstoffzelle
Welche Reaktion läuft an Anode, welche an Kathode und welche im Gesamten ab?
Anode:
H2 -> H2+ + 2e-
Kathode
1/2 O2 + 2H+ + 2e- -> H2O
Gesamt: H2 + 1/2 O2 -> H2O
Sektorkopplung
Die Reaktion in der Brennstoffzelle verläuft im Wesentlichen genau anders herum wie die Elektrolyse.
Durch Prinzip der Brennstoffzelle kann also zum Beispiel der erzeugte Wasserstoff wieder rückverstromt werden.
(Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse und Wasserstoffnutzung durch Brennstoffzelle)
…
Übersicht:
Power to Heat: z.B. Heizstab
Power to Gas:
Elektrolyse, Methanisierung (H2, SNG)
Power to Liquid:
- Technologien, die aus Wasserstoff und Kohlenstoff flüssige Kohlenwasserstoffe machen
-> synthetische Kraftstoffe
- Fischer Tropsch
- Methanol Synthese
Verkehrssektor: 3 Möglichkeiten zur Dekarbonisierung
- PtL oder PtG
- Brennstoffzellen
- Batterie
…
Methanisierung
Die Erzeugung von CH4 (Methan) bzw. synthetischem Erdgas (SNG: Synthetic Natural Gas) erfolgt durch die katalytische Reaktion von ?(1)? mit ?(2)?
Die sog. ?(3)?-Reaktionen werden von Metallen der ?(4)? katalysiert, wobei ?(5)? am häufigsten zum Einsatz kommen.
Für exotherme Reaktionen mit Volumenverlust werden für einen hohen ?(6)? geringe Temperaturen und erhöhte Drücke bevorzugt.
Die Exothermie der Sabatier-Reaktionen stellt eine Herausforderung an die ?(7) dar.
Dementsprechend muss auf ?(8)? und folglich auf ?(9)? großes Augenmerk gelegt werden.
(1) H2
(2) Kohlenstoffquelle wie CO oder CO2
(3) Sabatier-Reaktionen
(4) 8. Nebengruppe
(5) Ni-Verbindungen
(6) CO2 Umsatz
(7) Prozessgestaltung und -führung
(8) Wärmeauskopplung
(9) Wärmenutzung
1) Wie lautet die Sabatier Reaktion für CO?
2) Wie lautet die Sabatier Reaktion für CO2?
1) CO + 3 H2 <-> CH4 + H2O
2) CO2 + 4 H2 <-> CH4 + 2 H2O
Was sind die Vorteile von SNG (Synthetic Natural Gas bzw. Methan) gegenüber Wasserstoff?
bestehende Infrastruktur
bekannte Technologien zur Nutzung
zahlreichen Abnehmern
Methanisierung - Reaktorsysteme
Welche 3 Systeme kommen im Wesentlichen zur Anwendung?
Festbett-Reaktoren
Wirbelschicht-Reaktoren
Drei-Phasen-Reaktoren
Was sind die zwei wesentlichen Produktionsprozesse für Power-to-Liquid?
Fischer-Tropsch Synthese
Methanol-Synthese
–
(Beide Prozesse liegen in einem ähnlichen Effizienzbereich für die Herstellung einer Einheit synthetischen Kraftstoffes
-> sind in der Effizienz sehr sensitiv inwieweit Abwärme eingekoppelt/genutzt werden kann)
Was versteht man unter Power-to-Liquid Technologien?
Technologien, die aus Wasserstoff und CO flüssige Kohlenwasserstoffe herstellen, die dann im späteren weiterverarbeitet werden, um z.B. synthetische Kraftstoffe herzustellen
Fischer-Tropsch wird häufig in folgendem Zusammenhang verwendet:
?? (4)
- Biomass-to-Liquid (BtL)
- Gas-to-Liquid (CtL)
- Coal-to-Liquid (CtL)
–> Jedoch kann auch Wasserstoff als Ausgangsstoff verwendet werden
Mit welchem Prozess kann mit Wasserstoff (H2), Kohlenstoff (CO) und Elektrizität Kohlenwasserstoff (z.B. Diesel) erzeugt werden?
(So oder so ähnlich in Altex)
Fischer-Tropsch
Wie lautet die Fischer-Tropsch Reaktion?
n CO + 2 n H2 -> CnH2n + n H2O
Zeichne Fischer-Tropsch Prozess!!
siehe slide 35
Welche zwei Varianten der Fischer-Tropsch-Synthese gibt es?
HTFT (High temperature Fisscher-Tropsch)
-> Hauptprodukte: kurzkettige Kohlenwasserstoffe wie Benzin pder Olefine
LTFT (Low-temperature Fischer-Tropsch)
-> Hauptprodukt: lineare langkettige Kohlenwasserstoffe (Wachse)
https://www.volker-quaschning.de/publis/studien/sektorkopplung/Sektorkopplungsstudie.pdf –> lesen(!)
…
Die Dekarbonisierung des Verkehrssektors durch biogene Treibstoffe ist in Deutschland technisch möglich.
Wahr/Falsch?
FALSCH
-> unmöglich(!), weil landwirtschaftliche Nutzfläche bei Weitem nicht ausreichen würde.
Ohne den weiteren Ausbau der Nutzung biogener Treibstoffe gibt es im Wesentlichen 3 Möglichkeiten zur Dekarbonisierung des Verkehrsbereichs: ?? (3)
Welches ist die effizienteste Variante?
Herstellung von flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen (Power-to-Gas oder Power-to-Liquid) auf Basis von regenerativ erzeugtem Strom und Nutzung in Verbrennungsmotoren
Herstellung von flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen (Power-to-Gas) auf Basis von regenerativ erzeugtem Strom und Nutzung nach Rückverstromung in Brennstoffzellen in Elektromotoren
Laden von Batterien mit regenerativ erzeugtem Strom oder leitungsgebundene Fahrten mit regenerativem Strom durch Elektrofahrzeuge
-> Effizienz bei Elektrofahrzeugen mit Batterie am höchsten (direkte Nutzung von EE-Strom, dadurch weniger Umwandlungsverluste!)
Wie kann der Verkehrssektor mit EE unterstützt werden (Defossillisierung)? Welche Möglichkeit ist die beste und warum? (Altex.)
Herstellung von flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen (Power-to-Gas oder Power-to-Liquid) auf Basis von regenerativ erzeugtem Strom und Nutzung in Verbrennungsmotoren
Herstellung von flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen (Power-to-Gas) auf Basis von regenerativ erzeugtem Strom und Nutzung nach Rückverstromung in Brennstoffzellen in Elektromotoren
Laden von Batterien mit regenerativ erzeugtem Strom oder leitungsgebundene Fahrten mit regenerativem Strom durch Elektrofahrzeuge
Letzte Variante ist die beste, weil am effizientesten.
-> direkte Nutzung von EE-Strom, dadurch weniger Umwandlungsverluste!
