Ressourcen, Umwelt und Wasserstoff - WS 2019/2020 Alexander Trattner, LV 313.068 - IVT TU Graz
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Hintergrund
1. Zustand der natürlichen Umwelt verschlechtert sich
2. Mensch ist direkt oder indirekt von der Natur als
Lebensbasis abhängig
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Hintergrund
3. Mühevolle, kostspielige und langwierige
Anstrengungen um Verfall aufzuhalten und
zukünftige Existenzen zu sichern.
Quelle: Brennstoff, 12. Ausgabe
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Technik Wirtschaft
Mb - Wi
Umwelt
Erde, Flora, Fauna, Mensch
Natur, Kultur
Klima, Schadstoffe, Rohstoffe (Öl, Wasser, Nahrung),
Artenvielfalt, Gesundheit, Werte, Ethik
(Religion, Philosophie, Humanismus)
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Umwelt (Erde, Flora, Fauna, Mensch)
Natur, Kultur
Wohl der Allgemeinheit
Motivaton
EGO
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Zukunftsaufgaben
Bevölkerungs- Ernährung Aufforstung Regenerative
gleichgewicht Energieversorgung
Ressource kann ein materielles oder immaterielles Gut sein.
Ressourcen gebrauchen und nicht verbrauchen!
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Gesamtsystem Umwelt
• Stabilisierung der Bevölkerungszahl
• nachhaltige, umwelt- und ressourcenschonende Techniken und Wirtschaftspraktiken
→ Schlüsselfaktoren für ein nachhaltiges Ökosystem
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Schadstoffaufnahme Mensch
Quelle: IVT
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Energiebedarf und -verbrauch Mensch
P
Grundumsatz: (Atmung, Stoffwechsel, Körpertemperatur)
6700 kJ = 1600 kcal = 1,86 kWh / Tag, 80 W
Leistungsumsatz Schwerarbeit:
w 5862 kJ = 1400 kcal = 1,63 kWh / 8 Std, 203 W
m 8347 kJ = 2000 kcal = 2,33 kWh / 8 Std, 290 W
Leistungsumsatz Spitzensport:
500 – 2.000 W
Weltdurchschnittsverbrauch pro Kopf:
200000 kJ ≈ 50000 kcal ≈ 56 kWh / Tag, 2300 W
5 l Erdöl / Kopf / Tag ≈ 1,8 t Erdöl / Kopf / Jahr
1 l Öl ≈ 40000 kJ ≈ 10000 kcal ≈ 11 kWh
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Primärenergieverbrauch weltweit
[Mtoe]
Jahre
Quelle: BP 2019
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Energieverbrauch global 2016
P
Quelle: BP und UN
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Energieverbrauch pro Kopf
Quelle: BP 2019
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Energieverbrauch Österreich 2014
P
Quelle: bm.wfw 2016
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Energieverbrauch Österreich 2014
P
Primärenergie (1381 PJ, 100 %)
Fossil 67 %: Erdöl 38 %, Kohle 9 %, Erdgas 20 %
Erneuerbar 33 %: Biomasse 19 %, Wasser 10 %,
Sonne & Wind & Geothermal 4 %
End- oder Sekundärenergie (1063 PJ, 77 % von 1381 PJ)
Fossil 56 %: Ölprodukte 38 %, Kohle 2 %, Erdgas 16 %
Erneuerbar 24 %: Biomasse 5 %, Fernwärme 4 %,
Wasser 13 %, Sonne & Wind & Geothermie 2 %
Strom 20 %
genutzt von Verkehr 35 %, Industrie 35 %, Haushalte 30 %
Nutzenergie (532 PJ, 39 % von 1381 PJ)
Quelle: bm.wfw 2016
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Endenergieverbrauch global 2016
Quelle: UN
+56% im Vergleich zu 1990
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Entwicklung der Weltbevölkerung
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Bevölkerungspyramide
Welt Westeuropa Westafrika
(Industrieländer) (Entwicklungsländer)
Quelle: PopulationPyramid.net
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Bevölkerungsentwicklung
P
Geburtenrate b = (Geburten/Jahr)/Bevölkerung Bsp.: Indien
Sterberate d = (Sterbefälle/Jahr)/Bevölkerung
1989: 880 Mio. Einwohner
b=39/1000; d=13/1000
Die Nettoveränderung DP der Bevölkerung P im
Zeitraum Dt (Bsp.: 1 Jahr) ergibt sich aus:
DP = (b - d) * P * Dt Falls die Raten konstant bleiben, dann hat
Indien 2244 Mio. Einwohner im Jahr 2025.
(b-d) wird auch Nettozuwachsrate r genannt
DP = r * P * Dt
P(2025) = 880 * e(0,039-0,013) * 36 = 2244 Mio.
Der momentane Zuwachs ergibt sich durch
Verkleinerung des Zeitraums Dt → 0
dP/dt = r * P
P(t) = P0 * ert
P0…Anfangszustand
Konstante Zuwachsrate führt zu exponentiellem Wachstum
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Energiequelle Sonne
Erde funktioniert seit Entstehung nach
dem Prinzip der Stoffrückführung →
Erhaltung von Materie
P…Pflanzen
Dauerhaftes Funktionieren der Prozesse T…Tiere
setzt eine externe Energiequelle voraus Z…Zersetzer
N…Nährstoffvorrat
Sonnenlicht → hohe Arbeitsfähigkeit
Wärmestrahlung Erde → Abwärme
Energiemenge Abwärme = Energiemenge Sonnenlicht
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Natürlicher Treibhauseffekt
Quelle: TU Berlin 2009
Kurzwellige Sonneneinstrahlung, langwellige reflektierte Wärmeabstrahlung
Mittlere Erdoberflächentemperatur: 15 °C statt -18°C
2/3 durch Wasser(dampf), 1/3 durch Kohlendioxid und Methan
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Anthropogener Treibhauseffekt
P
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THG Emissionen
Quelle: UNEP 2018
LUC…land use change (Bsp.: Rodung) Quelle: UNEP
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THG Konzentrationen Atmosphäre
Quelle: NOAA
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Kohlenstoffkreislauf
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ideale Verbrennung
P
y z y
C x H y O z + x + - O 2 = x CO 2 + H 2 O
4 2 2
Vollständig ablaufende Bruttoreaktion in mol oder kmol,
x, y, z….Anzahl der Atome C, H und O im Brennstoff
Massenerhaltung gilt für die Atome und
das Gewicht in kg.
Molare Massen der beteiligten Spezies:
C: 12 kg/kmol
H: 1 kg/kmol
O: 16 kg/kmol
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Verbrennung von C3H8 (Propan)
P
8
C3H 8 + 3 + O 2 = 3 CO 2 + 4 H 2 O
4
Beispiel Propan:
1 kmol C3H8: 3 x 12 + 8 x 1 = 44 kg
5 kmol O2: 5 x 2 x 16 = 160 kg S Edukte: 204 kg
3 kmol CO2: 3 x (12 + 2 x 16) = 3 x 44 = 132 kg
4 kmol H2O: 4 x (2 x 1 + 16) = 4 x 18 = 72 kg S Produkte: 204 kg
132 kg CO2 bei 44 kg C3H8: 132/44 = 3 kg CO2 pro kg C3H8
72 kg H2O bei 44 kg C3H8: 72/44 = 1,64 kg H2O pro kg C3H8
Heizwert von C3H8: Hu = 46300 kJ/kg = 12,86 kWh/kg
damit: 233 g CO2 / kWh , 128 g H2O / kWh
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CO2 / H2O Emissionen (gerundet)
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Emissionen der realen Verbrennung
Die reale Verbrennung erzeugt außer Wasser und Kohlendioxid abhängig vom
Luftverhältnis l zusätzliche Schadstoffe:
• unvollständige Verbrennung mit lokalem Luftmangel erzeugt Kohlenmonoxid,
Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoff als Basis für Ruß und Partikel
• hohe Temperaturen erzeugen Stickoxide
Die Berechnung der Rauchgaszusammensetzung erfolgt nach dem
chemischen Gleichgewicht.
y 0,79 y
Cx H y + l x + O2 + l x + N2 →
2 0,21 2
nCO 2 CO 2 + nH 2O H 2 O +
+ nCO CO + nC n H m C n H m +
+ nRuss C Russ +
+ nNO x NO x +
+ nN 2 N 2 + nO 2 O 2 + ....
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CO2-Emissionen Nahrung
P
Eine Milchkuh verursacht durch Methanausstoß etwa denselben
Treibhauseffekt wie ein PKW bei 18.000 km Jahresfahrtstrecke
Für die Erzeugung von 1 kg Fleisch benötigt man ca. 10 kg Getreide
Für die Erzeugung von 1 kJ Fleisch benötigt man ca. 9 kJ Getreide
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CO2-Emissionen Nahrung (täglich)
Quelle: Dr. Schmiedl
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Energiefluss Waldökosystem
Etwa 2% der einfallenden Sonnenstrahlung werden photosynthetisch gebunden
(Bruttoprimärproduktion). Hiervon wird für die pflanzliche Atmung etwa 50% benötigt, sodass
letztlich 1% für den Zuwachs an organischer Trockensubstanz (Nettoprimärproduktion) bleibt.
1t Trockensubstanz:
0,6 t H2O der Umwelt entzogen
1,47 t CO2 der Umwelt entzogen
1,07 t O2 der Umwelt abgegeben
Regenwälder: 10 - 30 t/(ha*a)
Laubwälder: 5 – 20 t/(ha*a)
Kulturland 2 – 10 t/(ha*a)
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Zerstörung von Waldflächen
Quelle: WWF
Haupttreiber der Entwaldung ist die Landwirtschaft
u.a. für Palmöl, Soja und Kakao
Sie ist für etwa 80% des Waldverlusts verantwortlich
Quelle: Faszination-Regenwald
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Ökosystemleistung
Ökosystemleistung des Waldes:
•Biologische Vielfalt
•Wasserqualität u. –verfügbarkeit
•Bodenfruchtbarkeit
•Klima, Kohlenstoffspeicher
•Luftqualität
•Schutzwirkung
•Energie
•Kulturlandschaft
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Bodendegradation
Bodendegradation kostet
jährlich 9 Billionen Euro
20-20% der Böden weltweit
degradiert (Leistungsfähigkeit
stark gesunken)
5-10 Mio. Hektar kommen Degradationsprozesse:
jährlich dazu - Erosion
- Versalzung
- Kontamination
Boden ist eine der wichtigsten Ressourcen
Millionen Menschen brauchen bald eine neue Heimat
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Desertifikation
Trockengebiete bedecken 41% der Landfläche, produzieren 44% der
Ernte und sind das Zuhause von 2 Mrd. Menschen und die Hälfte des
weltweiten Viehbestands.
Trockengebiete sind besonders vom Klimawandel gefährdet
Haupursachen:
- Überweidung der Flächen
- Zerstörung von Wäldern
- Übernutzung des Bodens
- falsches Wassermanagement
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Wasser als Ressource
Quelle: UNCCD
2,1 Mrd. Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser
→ 361000 Kinder sterben jährlich an Durchfallerkrankungen
70% des globalen Wasserverbrauchs dient der Bewässerung der
Landwirtschaft
1kg Baumwolle benötigt 7000 bis 29000 Liter Wasser
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O2 in Gewässern
Löslichkeit von O2 verringert sich mit steigender Temperatur
Sauerstoffbedarf für Abbau von organischen Abfallstoffen
→warmes Wasser verkraftet weniger Belastung als kaltes Wasser
O2 Mangel → anaerobe Zersetzung → Bildung von H2S und CH4
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Ökobilanzen
Bilanzen können für verschiedenste
Parameter durchgeführt werden:
• Emissionen
• CO2
• Schadstoffe
• Kosten
• Energiebedarf
• Wirkungsgrade
• Etc.
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CO2-Emissionen pro Personenkilometer
400
CO2-Emissionen [g/km]
300
200
100
0
Fußgänger Tram/U- Bus/Bahn PKW PKW Flug Flug
Fahrrad Bahn fossil Elektro Europa Übersee
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links Großhirn rechts
digital, logisch, rational analog, ganzheitlich, intuitiv
Limbisches
System:
Emotionen
Stammhirn:
Vegetative
Funktionen,
Instinkte
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PKW pro 1000 Einwohner
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CO2-Emissionen
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CO2-Emissionen Life Cycle
PKW mit jährlicher Laufleistung von 15.000 km/a mit Lebensdauer 15 Jahre
THG-Emissionen in g/Fkm
Benzin
Benzin HEV
Benzin PHEV (Aut-Mix)
Diesel
Diesel HEV
direkte Emissionen
CNG
BEV (Aut-Mix, 200km) Energiebereitstellung
BEV (EE, 200km) (indirekte Emissionen)
BEV (Aut-Mix, 600km) Fahrzeugherstellung
(indirekte Emissionen)
BEV (EE, 600km)
Akkuherstellung
FCEV (Reforming, 600km)
(indirekte Emissionen)
FCEV (EE, 600km)
0 50 100 150 200 250
Daten basierend auf: UMWELTBUNDESAMT (2017c)
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Motivation, Vision
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New Delhi 2017 / Feinstaubgrenzwerte x 40
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Fossiles
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Kosten für Import fossiler Energie
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Kosten für Import fossiler Energie
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Wirtschaftliches Potenzial in Österreich
43 Mio. EUR / TAG
Black Green
Jobs Jobs
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…treffen sich zwei Planeten…
hallo, wie
geht‘s?
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…schlecht – ich hab homo sapiens…
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…oje, kenn’ ich, sehr lästig…
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…aber es geht schnell vorbei!
Zukunft I: Mad Max Fury Road
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Zukunft I: Kampf um fossile Ressourcen
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Zukunft II: Energiewende
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Zukunft II: Energiewende
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Motivation, Vision: global
Die Beschränkung der
Erderwärmung auf
2 °C erfordert eine
radikale und
vollständige Reduktion
der Treibhausgas-
Emissionen
• Ökonomisch stellt das
2°C Ziel die
kosteneffizienteste
Variante dar.
IPCC: Friedensnobelpreis 2007
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Motivation, Vision: Österreich
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Leitlinien für eine nachhaltige Umwelt
Die Entwicklung der nächsten Jahrzehnte muss sich an
vier grundlegenden Erfordernissen orientieren:
• Bevölkerungswachstum stoppen
• Schadstoffeintrag verhindern
• erneuerbare Ressourcen nachhaltig nutzen
• Verbrauch nicht-erneuerbarer Rohstoffe minimieren
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Vision: Vollständige Dekarbonisierung
Wasserstoff – nachhaltiger, CO2-freier und emissionsfreier Energiekreislauf
• Produktion durch Wasserelektrolyse mit Erneuerbaren Energien (Wind, Sonne und Wasser)
• Speicherung als komprimiertes Gas, flüssig oder chemisch gebunden
• Anwendung in Brennstoffzellen, Verbrennungsmotoren, Turbinen und Industrieprozessen
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Vision: Wasserstoffwirtschaft
CO2-freier
Energie-
kreislauf
mit dem
Sekundär-
energieträger
Wasserstoff
Ökostrom
(elektr.) Energie
Source: Züttel 2008
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Vision: Carbon-freie Energie
Primär- Sekundär- Verteilung & Nutzenergie:
energie: energie: Speicherung
Transport,
erneuerbar Strom & Stromnetz, Haushalt,
Wasserstoff Gasnetz, Industrie
Sonne, Gasspeicher
Wind,
Wasser
electrische Maschinen
& Geräte
power to
hydrogen
BZ, VKM, TU
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Vision: Carbon-freie Mobilität
Elektrizität
Kurzstrecke, höchster
Wirkungsgrad, lange Ladezeit
Hydrogenium
Langstrecke, hoher
Wirkungsgrad, kurze Betankung
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Energiesystem Österreich heute
2/3 des Primärenergieverbrauchs basieren auf fossilen Energieträgern
Quelle: Statistik Austria 2014
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Endverbrauch H2 statt C effizient
Optimierungsmaßnahmen: Wirkungsgradsteigerungen, Gebäudeisolation u.a.
Gas
Energetischer Endverbrauch [TWh/a]
100 Ölprodukte
Kohle
Wasserstoff
80 Gleicher Nutzen
Elektrische Energie
Höhere Effizienz
Fernwärme und Umgebungswärme
60 Brennbare Abfälle
Erneuerbare Energieträger
40
20
0
Raumheizung Dampfer- Industrie- Stand- Traktion Beleuchtung
und zeugung öfen motoren und
Klimaanlagen EDV
Basisdaten 2015 und Aufteilung in Nutzerkategorien nach Statistik Austria
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Energiesystem Österreich H2 statt C effizient
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Vorteile der Dekarbonisierung
• Vermeidung der Emissionen von Schadstoffen, Lärm und
P
Treibhausgasen
• Vermeidung der Importe fossiler Energien aus politisch instabilen
Ländern
• Verringerung / Vermeidung weiterer Klimaschäden:
Wetterextreme, Klimaflüchtlinge, etc.
• Steigerung der Effizienz:
Elektrochemie anstatt Wärmekraft (Carnot-Wirkungsgrad)
• Hohes wirtschaftliches Potenzial zur Marktführerschaft durch
Schaffung von „Green Jobs“
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WS 2019/2020Viel Erfolg…
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Glauben Sie aber ja nicht,
dass das Skriptum alleine
zum Bestehen der Prüfung
ausreicht!
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WS 2019/2020…und Freude im Studium!
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