Energietechnik und -systeme: Von Fusion bis zur Verteilung

Energien der Zukunft: Kalte Fusion & Brennstoffzelle

Kalte Fusion

Im Gegensatz zur gewöhnlichen Fusion wird bei der Kalten Fusion angenommen, dass diese bei Raumtemperatur auftreten kann und keine gefährlichen Abfälle in die Umwelt freisetzt. Der Betrieb würde wie folgt ablaufen: Es wird angenommen, dass Deuterium in einem Elektrolyt freigesetzt wird. Dadurch würde sich die Dichte des Deuteriums durch die Einbeziehung weiterer Atome erhöhen. Wenn diese Dichte einen kritischen Wert überschreitet, würden ihre Kerne durch Vereinigung fusionieren. Die Verbindung von zwei Deuterium-Kernen würde einen größeren Kern bilden: einen Heliumkern. Wenn dieser Kern nicht stabil ist, zerbricht er und setzt Energie frei.

Wasserstoff-Brennstoffzelle

Dies ist ein kleines Kraftwerk. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren chemisch und erzeugen dabei Strom, eine geringe Menge an Wärmeenergie und Wasserdampf als Abfallprodukt. Die Wasserstoff-Brennstoffzelle hat die Form eines Sandwichs. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt, durch den Wasserstoffatome oder positive Wasserstoffionen wandern, die sich mit Sauerstoff verbinden und eine Spannung zwischen den Elektroden sowie Wasserdampf erzeugen. Die Spannung jeder Zelle ist klein. Deshalb werden viele Zellen in Reihe geschaltet.

Stromerzeugung, Übertragung und Verteilung

Das elektrische System eines Landes setzt sich aus drei Hauptkomponenten zusammen:

A. Produktion und Stromerzeugung

Die spanische Gesetzgebung verpflichtet die großen Energieversorger, Strom von kleinen Stromproduzenten zu kaufen, insbesondere wenn diese Energie erneuerbar ist. Der Preis pro verkaufter kWh hängt von der Art der verwendeten erneuerbaren Energie ab.

B. Übertragung

Um den Strom zu transportieren und dabei nur sehr wenig Energie zu verlieren, ist es notwendig, die Spannung (elektrische Potentialdifferenz) mithilfe von Transformatoren zu erhöhen. Diese werden als primäre Netzwerke bezeichnet, Kabelsysteme, welche die Umspannstationen verbinden. Ihre Spannung beträgt 420 kV.

C. Verteilung

Kabelbaugruppen, die die Umspannwerke mit den Gebäuden verbinden, werden als sekundäre Netze bezeichnet. Entlang des sekundären Netzes befinden sich:

• Verarbeitungszentren: Diese liegen am Rande der Bevölkerung und dienen dazu, die Spannung von 132 kV auf 20 kV zu reduzieren.
• Trafostationen: Diese befinden sich in der Stadt und wandeln die Spannung von 20 kV auf 220 V oder 380 V um.

Energieumwandlung: Modellierung von Heizungsanlagen

Die Modellierung einer Erdgas-Heizungsanlage kann in drei Schritte unterteilt werden:

A. Bestimmung der Anlagenleistung

Um die Leistung zu bestimmen, wird der Energieverbrauch überwacht, der benötigt wird, um eine bestimmte Menge Wasser auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen.

1. Wir notieren den Zählerstand des Erdgaszählers.
2. Wir schalten die Heizung ein und erwärmen etwa 500 Liter Wasser.
3. Mithilfe eines Thermometers ermitteln wir die Temperatur des kalten Wassers und des warmen Wassers.

Aus diesen Daten können wir die Leistungsfähigkeit berechnen.

B. Analyse der Leistung

Was wirklich wichtig ist, ist die Analyse des Wärmeaustauschs. Das heißt, wie wird die Wärme aus der Verbrennung von Erdgas durch den Wärmetauscher an das Wasser in den Zick-Zack-Rohren übertragen?

C. Modellierung der Installation

Dies besteht in der Erstellung eines realen oder hochgradig optimierten Modells der Installation. Damit die Heizung einen Wirkungsgrad von 100 % erreicht, sollte die aus dem Schornstein austretende Luft Raumtemperatur haben, sodass die gesamte Wärme vom Wasser absorbiert wird.

Alternative Energien in Wohngebäuden und Industrie

Von allen untersuchten alternativen Energien sind Wind- und Solarenergie am besten für den Einsatz in Wohngebäuden, Beherbergungsbetrieben und zur Unterstützung der Industrie geeignet. In Regionen wie Levante, Andalusien, den Balearen und den Kanarischen Inseln, die viele Sonnenstunden pro Jahr aufweisen, ist die Solarenergie die wichtigste Energiequelle, wobei Windenergie zur Unterstützung in der Nacht oder an nicht sonnigen Tagen dient. Sie kann auch für abgelegene ländliche Wohnorte geeignet sein.

A. Minimaler Energiebedarf im Wohnungsbau

Häuser, die ausschließlich alternative Energien nutzen und keinen Teil der überschüssigen Energie verkaufen, müssen eine Voruntersuchung des minimalen Energiebedarfs durchführen. Dabei ist zu berücksichtigen:

1. Alle Verbraucher müssen eine maximale Energieeffizienz aufweisen (Typ A oder B).
2. Die größten Verbraucher (Waschmaschine, Bügeleisen, Geschirrspüler usw.) sollten zu Zeiten betrieben werden, in denen dies am günstigsten ist, um zu vermeiden, dass die Batterie mehr Energie verbraucht.
3. Die Energie, die nicht sofort verbraucht wird, kann in Batterien gespeichert oder zur Erwärmung von Brauchwasser verwendet werden.

B. Design der Hausanlage

Unter ungünstigsten Bedingungen beträgt die maximal erforderliche Leistung 675 W. In der Praxis sind die Werte stets kleiner. Die Anlage kann aus folgenden Komponenten bestehen: 6 Solarpaneele, 1 Turbine, 2 Spannungsregler, 4 Batterien und 1 Wechselrichter.

C. Design einer Industrie-Stützanlage

Zur Erwärmung von Wasser für den industriellen Einsatz gibt es zwei Systeme:

1. Direktes System (Thermosiphon-Effekt)

Ein Teil des kalten Wassers von außen wird in den Kollektor oder das Ausdehnungsgefäß geleitet. Das Ausdehnungsgefäß verhindert, dass ein erhöhter Druck zu einem Zusammenbruch der Anlage führt. Dieses System hat den Nachteil, dass sich Kalk im Kollektor ablagern kann.

2. Indirektes System (gepumpt)

Hierbei wird ein Wärmetauscher verwendet, sodass die Flüssigkeit, die durch den Kollektor fließt, ihre Wärme an den Speicher abgibt. In beiden Fällen, wenn der Speicher kalt ist, weil keine Sonne scheint, startet der Thermostat den elektrischen Widerstand und erwärmt das Wasser.

Energiekosten im Haushalt und in Bildungseinrichtungen

B. Energiequellen im Haushalt und in der Schule

Die Energien, die üblicherweise in Wohnhäusern und Schulen verwendet werden, sind:

• Strom: Wärme (Heizung, Bügeleisen, Backofen usw.), Beleuchtung, Motoren.
• Propan: Kochen + Warmwasser + Heizung.
• Butan: Kochbrenner + Heizung.
• Erdgas: Kochen + Warmwasser + Heizung.
• Heizöl C: Heizung.

C. Berechnung der Preise für einzelne Energieträger

1. Preis pro verbrauchter kWh Strom: Der durchschnittliche Preis pro kWh ergibt sich aus der Höhe der Rechnung geteilt durch die Anzahl der verbrauchten kWh.
2. Preis pro verbrauchter kWh Propan: Nach einer Faustregel kann man ableiten, wie viele Kilogramm Propan verbrannt werden müssen, um eine Energie von 1 kWh zu erhalten.
3. Preis pro verbrauchter kWh Butan: Um den Preis für Erdgas pro m³ zu berechnen, teilen Sie den Gesamtbetrag der Rechnung durch die Anzahl der verbrauchten Kubikmeter.
4. Preis pro verbrauchter kWh Heizöl C (Diesel C): Durch eine Faustregel können wir bestimmen, wie viele Kilogramm Diesel verbrannt werden müssen, um eine Energie von 1 kWh zu erhalten.