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I. Einleitung
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Die bessere NuLzung der gegenwärtigen Energiequellen ist sicherlich
eine der vordringlichsten volkswirtschaftlichen Aufgaben. Der Wunsch, die Abwärme
der Kraftwerk zu nutzen, d.h. Kraftwerke als Heizkraftwerke zu betreiben, ist so
alt wie die Technologie selbst. Die sehr rasch gestiegenen Energiepreise haben dieser
Forderung jedoch erneut Aktualität verliehen. So einsichtig das Verlangen nach Nutzung
der Kraftwerksabwärme ist, so bemerkenswert gerincj ist trotz neuerlichen intensiver
Bemühungen /1/der bisherige Fortschritt zu einer Realisierung.
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Die folgenden Gründe hierfür sind oder waren wirtschaftlicher als
auch insbesondere technischer Art: Durch die notwendige Reduzierung des elektrischen
Wirkungsgrades leidet die Wirtschaftlichkeit des Kratfwertes. Bei den heute erreichten
Wärmepreisen verliert dieses Argument jedoch rasch an Gewicht. Der erzielbare Wärmepreis
ab Kraftwerk kann den Verlust an elektrischer Leistung leicht überkompensieren.
Allerdings müßten die Kraftwerke turbinenseitig anders geplant bzw. umgerüstet werden,
um bei einer Wärmeentnahme bei ca. 120° optimal zu arbeiten.
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Das Haupthindernis jedoch ist darin zu sehen, daß die Kosten sowohl
für Wärmetransport über größere Strecken als auch für Wärmespeicherung bei dem heutigen
Stand der Technil< unverhältnismäßig hoch liegen. Kostengünstige Wärmespeicher
sind erforderlich, da Angebot und Nachfrage nach Wärme noch größeren Schwankungen
und Phasenverschiebungen unterliegen als Angebot und Nachfrage nach Elektrizität.
Wärmetransport über größere Entfernungen ist sicherlich erforde-licll, da die heutigen
und auch die meisten zukünftigen Kraftwerke nicht wärmeverbrauchernahe Megen. Das
Transportproblem ist das schwerwiegendere. Analog zur Verteilung der Wärme in Rohrleitungen
von einem Holzwerk zu den Verbrauchern wird das Konzept großer Transportleitungen
für Heißwasser oder Dampf zwischen Kraftwerken und städtischen Heizwerken diskutiert
/1/.
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Solche Transportleitung mit enLs-prcchender Leistung sind jedoch (sngewöhnlich
teuer (7-10 Mill. DM/km). Urur eine über das ganze Jahr sich erstreckende effektive
Nutzung zu erreichen, kann @ damit nur die Grundlast eines Versorgungsgebietes transportiert
werden. Dementsprechend werden sich solche Transporfleitungen nur zur Versorgung
von einigen großen Ballungsgebieten nutzen lassen. Überdies ist der Rohrleitu ngs
transport aus wirtschaftlichen Gründen auf Entfernungen unter 50 km beschränkt /1/.
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Im folgenden wird ein Vorschlag für ein Fernwärmetransportsystem gemacht,
von dem wir zeigen wollen, daß es gegenüber bisherigen Konzepten erhebl iche Vorteile
hat: Getragen von dem Erfolg der "pipeline"- Systeme für Öl, Erdgas und sogar Kohle
war es naheliegend, auch für Fernwärme dieses Transportsystem ins Auge zu fassen.
Wir schlagen jedoch vor, unter Anwendung effektiver Wärmspeichermethoden, wofür
Vorschläge gemacht werden, den Wärmetransport auf den heute schon vorhandenen Schienen-
und Wasserwegen durchzuführen. Wir schlagen vor, daß Wärmezüge und Wärmeschiffe
die Niedertemperaturwärme, d. h. also wesentlich die Abwärme der Kraftwerke, zu
verbrauchernahen Heizstationen transportieren. Wir werden zeigen, daß der so erzielbare
Wärmepreis heute schon unter den sich durch Verbrennen n von Heizöl ergebenden Wärme
preisen liegt. Es gibt eine Reihe weiterer Vorteile, die am Schlußkurz gestreift
werden.
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Bevor wir eine Kostenabschätzung durchführen, soll das Prinzip der
Wärmespeicherung und des Wärmetransports an einem konkreten Beispicl erläutert werden
II. Die Wärmespeicherung Folgende oder ähnliche Reaktionen lassen sich zur Speicherung
von Niedertemperaturwärme ausnutzen /2, 3/:
| Wärrne.ipe,icherullcJ |
| CaC12 CaCI, 8 N143 (cJ;I:;l-örmirJ) -- 2 2NH3(festj~l-6N143(ga
t-ormiy) |
| Wärmeabgabe 3 5C>.?000 cal. |
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Durch Zuführung von \N<%rme auf dem Temperaturniveau von 100-wird
aus dem Ammoniakat CaC12 + 8 Nl-13 Ammoniak go.sfbrmig bei Drücken zwischen 15 und
50 bar abgegeben. Allein durch Abkühlung auf Umgebungstemperatur kann dieser Ammoniak
verflüssigt und damit kostengünstig gespeichert werden /2, 3/.. Zur Rückgewinnung
der Wärme läßt man obige Reaktion nach links verlaufen. Hierzu muß der Ammoniak
verdampft werden, was bei 20° Verdampfungstemperatur einen Druck von 9 bar ergibt.
Bei diesem Druck erfolgt die Freisetzung der Reaktionswärme auf einem Temperaturnivea-u
zwischen 80 und 9000.
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Der Wärmespeicher besteht also aus zwei Gefäßen, einem Tank mit flüssigem
NH3 und einem Tank für Ammoniakate. Der letztere Tank muß zur Ein- und Auskopplung
der Wärme mit Wärmetauschern ausgestattet sein.
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Obige Reaktion wurde als Beispiel angegeben, einmal, um das Prinzip
zu demonstrieren und andererseits, weil speziell die Eigenschaften dieses Systems
(sowie SrCl2 8 NH3) sehr gut bekannt sind /4, 5/.
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Die obige Reaktion wurde für den entgegengesetzten Prozeß - nämlich
der Kälteerzeugung in Absorptionskältemaschinen - in den 30er Jahren weitverbreitet
technisch genutzt. Solche Maschinen waren jahrelang in Betrieb, ohne daß Korrosionsprobleme
oder sonstige Reparaturen auftraten Selbst nach zehnjähriger Betriebszeit wurde
keine Alterung im Absorptionsvermögen des Salzes für NH3 festgestellt /6/.
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Sollte die Forderung erhoben werden, daß die Rückreaktion auf höherem
Temperaturniveau erfolgen soll, so gibt es statt obiger Reaktion eine Vielzahl von
Ersatzreaktionen, die allerdings bisher technisch noch nicht so weit erprobt sind
/7/. Für eine ausführlichere Darstellung
des Prinzips der Heterogenverdampfung
sei auf Ref./2/ und /3/ verwiesen.
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Bei einem Transport auf Wasserstraßen werden also Schiffe verwendet,
die im wesentlichen aus zwei getrennten Tanks bestehen.
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Der eine dient zur Aufnahme von flüssigem NH3 (Technologie des Transports
von NH (fl) auf dem Wasserwege ist voll entwickelt!), der andere enthalt bei Fahrt
zurn Heizwerk CaCl2 2 NH3, bei Rückfahrt zum Kraftwerk CaCl2 8 NH3. Der letztere
Tank ist mit Wärmetauschern bestückt. Vermutlich wird man den Salz teil in Modultechnik
ausführen, während für NH3 (51) durchaus ein einziger großer Tank genügt.
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Bei einem Transport per Schiene besteht der Wärmezug einmal aus Ammoniak-Tankwagen
(Technologin heute Standard!) und den mit Wärmeaustauschern ausgestatteten Salzkesselwagen.
Das Volumenverhältnis der beiden Waggons ist etwa 1 : 1, wobei allerdings der Salzwaggon,
der bei der Rückfahrt auch den gespeicherten Ammoniak enthält, ein etwa dreimal
größeres Tragvermögen haben muß (siehe unten).
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Als Beispiel sei kurz der technische Ablauf des Wärmetransports per
Schiff von an einem Fluß gelegenen Kraftwerken zu nahe gelegenen Abnehmern beschrieben.
Statt die Abwärme an den Fluß abzugeben, wird diese (einschließlich eines Teils
der nutzbaren Wärme) auf einem Niveau von 1000 bis 1200C in obiger Reaktion gespeichert.
Der Fluß bzw. die Kühltürme des Kraftwerkes dienen hierbei zur Abführung der Verflüssigungswärme
des NH3. Der Wärmeübertrag auf konstantem Temperaturniveau wird durch Kondensation
von Wasserdampf bei der Speichertemperatur erreicht. Die Dauer dcs Ladevorgangs
ist durch die Realctionsgeschwi ndigkeit obiger Reaktion bestimmt. Auf Grund der
Erfahrungen mit Absorberkältemaschinen sind 6 Stunden eine obere Grenze. Es wird
jedoch berichtet /5/, daß durch Einsatz aktivierender Substanzen die Reaktionsgeschwindigkeiten
erheblich
gesteigert werden konnten, so daß diese Zeit sicher weiter reduziert werden kann.
Das Wärmeschiff transportiert nun die getrennten Substanzen zu einem am Fluß gelegenen
Zentralheizwerk. Dort wird die Verdampfungswärme des NH3 dem Fluß entzogen (falls
man diese nicht anderweitig zu Kühl zwecken verwenden will). Die Reaktion wärme
von gasförmigem NH3 mit CaCl2 2 NHa wird zum Aufheizen von Wasser verwendet, das
in das Heizungsnetz eingespeist wird Nach Beendigung der Reaktion (max. 6 Std.)
kann die Rückfahrt zum Kraftwerk angetreten werden.
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Der Transport per Schiene wird ganz analog durchgeführt. Bc.i der
Standortplanung des Heizwerkes muß man Sorge tragen, daß die Beschaffung der Verdampfungswärme
des NH3 möglich ist. Sicherlich kann man diese einem Fluß, dem Grundwasser oder
der Luft entziehen. Ideal wäre, wenn man diese Wärme dem Abwasser der Stadt entnehmen
könnte, das man dadurch für das Temperaturniveau der angelieferten Wärme von der
Umgebungstemperatur unabhangig wird.
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Schließlich ist die Kombination der vVärmeübergangsstation mit einer
Kälte verbrauchenden Anlage (Kühlhäuser in Brauereien, Schlachthöfen, Supermärkten
etc.; Eiserzeugung, Gefriertrocknung usw.) zur Ausnutzung bzw. . Deckung der Verdampfungswä.rme
des NH3 denk bar. Jede solche Kälteleistung geht allerdings auf Kosten des Tempe
raturniveaus der Rückreaktion.
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So, wie die Verdampfung des NH3 an der Wärmeübergabestation in einer
eigenen Anlage erfolgt, wird man ähnlich bei der Kühlun3 zur Verflüssigung am Kraftwerk
verfahren, wobei man die Abwarmeeinrichtungen des Kraftwerkes nutzen wird.
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Es sei betont, daß das vorgeschlagene Fernwärmetransportsystem lediglich
zur Abdeckung des mittleren Wärmebedarfs dienen soll. Das Heizwerk besteht deshalb
aus der Wärmeübergabestation und einem Heizwcrk alter Art, das aber, verglichen
zur Gesamtleistung, erheblich kleiner ausfällt und zur Regulierung der Vorlauftemperatur
bei schwankenden
Außentermperaturen dient. Ein anderes Verfahren
zur Regulierung der Vorlauftemperatur bestünde darin, den Druck des reagierenden
Ammoniakgases durch Kompressionen zu regulieren. Ob dieses zweite Verfahren Vorteile
gegenüber dem ersten hat, bedarf eigener detaillierter Untersuchungen.
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Bei der Speicheruny des Ammoniaks verliert man zunächst von der gespeicherten
Wärme von 560 kcal/kg NH3 die Verflüssigungswärme von 280 kcal/kg NH3. Da jedoch
bei der Rückreaktion die Verdampfungswärme auf Umgebungstemperaturniveau zugeführt
wird und auf diesem Niveau große Wärmemengen zur Verfügung stehen, braucht dieser
Betrag nicht als Verlust angesetzt werden.
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Während des Transports befindcn sich sowohl der Ammoniak (fl) als
auch das Salz CaCl2 2 NH3 auf Umgebungstemperatur. Die zur Erwärmung des Salzes
sowie des Ammoniakgases auf Reaktionstemperatur erforderliche Wärme ist als Verlust
einzusetzen. Da diese Verluste aber unter 10% liegen, werden diese in der folgenden
Absch'tzung nicht berücksichtigt.
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III. Kostenabschätzung Zur Freisetzung von 1 Gcal Wärme nach obiger
Reaktionsgleichung werden 4,4 to Speichermaterial nach folgender Aufteilung benötigt:
| <-- 1, 82 to NH3 (fl) |
| 1 Gcal |
| 0,61 to NH3 (gebunden) + 1.96 to Carl2. |
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Die Energiedichte, gemittelt über das gesamte. Speichermaterial, be-KWh
trägt somit 230 kcal/kg ( 0,38 kg ) und übersteigt die von heißem Wasser mit einer
Temperaturspreizung von 500 um einen Faktor 5.
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Zur Bewelung der Wirtschaftlichkeit schätzen wir ab, zu welchem Preis
1 Gcal Wärme aus dem Krartvvark am Heizwerk angelieFert
werden
kann und vergleichen diesen Preis mit den Brennstoffkosten von 45 DM/Gcal für Wärme
aur 1eizM (0,30 DM/l, i = 0,8), Bci diesem Preisvergleich gehen wir davon aus, daß
die Unterverteilung der Wärme von der zentralen Wärrnestation zu den Abnehmeranlagen
in beiden Fällen gleich anzusetzen ist. Dem Heizwerk für Öl soll die Wärmeübergabestation
für Fernwärme entsprechen. In dieser Annahme steckt eine kleine Unsicherheit, die
erst bei Detailplanung geklärt werden kann, Von 45 DM ziehen wir zunächst 10 DM/Gcal
als Preis für Wärme ah Kraftwerk ab. Dieser Preis soll den Verzicht auf elektrische
Leistung und die Übergabestation am Kraftwerk finanzieren. Bei einer Reduktion des
Wirkungsgrades von 40% auf 30% durch Anheben der Abwärmetemperatur von 200 auf 120°C
werden anstelle von lkWh elektrischer Leistung 7 kWh Wärmeleistung erbracht; d.h.
obiger Preis von 10 DM/Gcal entspricht 0.06 DM für 1 kWh entgangene elektrische
Leistung. Dieser Preis liegt um einen Faktor 2 bis 3 über dem heute ab Werk erzielbaren
Preis, so daß der Bau einer Wärmeübergabestation bzw. eventuelle turbinenmäßige
Umrüstung nicht durch Wirtschaftlichkeitsüberlegungen in Frage gestellt werden muß.
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Folgende grobe Abschätzung soll demonstrieren, daß das vorgeschlagene
Konzept bei den heutigen Ölpreisen durchaus schon konkurrenzfähig sein kann: Nach
Abzug von 10 DM von 45 DM verbleiben 35 DM/Gcal für Transport, d. h. 8 DM/to Speichermaterial.
Dieser Preis liegt um mindestens einen Faktor 2 bis 3 über der Rate, die für Großaufträge
bei langfristig voll ausgelastetem Schifüsraum (Fahrstrecke 100 km, Hin- und Rückfahrt
beladen) erzielbar ist. Die Mehrkosten für die Spezial au srüstung der Wärmeschiffe
und das Speichermaterial sollten also leicht bei obiger Rate aufrangbar sein.
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Bei Schienentransport ist der Spielraum naturgemäß kleiner. Wir zielen
hier
zum Vergleich den Preis für den Transport von Öl in Ganzzügen über ca. 100 km (Ingolstadt
und München) heran: Der kosterldeckende Preis beträgt 2,90 DMjto, abzüglich 15%
Privatwagenabschlag, also 2,47 DM/to /8/. Multipliziert man mit 2 wegen Vollbeladung
des Wärmezuges bei l-lin- und Rückfahrt, ergeben sich etwa 5 DM/to. Dies ist eine
Abschätzung nach oben, da in dem Preis von 2,47 DM/to eine Leerrückfahrt schon enthalten
ist, also in 5 DM/to zwei nicht benutzte Leerfahrten berechnet sind. Wenn es gelingt,
mit 8-5 = 3 DM/to Speichermaterial bzw 13,20 DM/Gcal pro Fahrt die Annuitäten für
die Investitionen in Wärmewaggons zu decken, ist auch der Wärme transport via Schiene
wirtschaftlich.
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Im folgenden wollen wir je für Schienen- und Wasserweg eine detail
liertere Abschätzung vornehmen. Diese Abschätzung soll lediglich gegen den Ölpreis
von 45 DM/Gcal abheben und keineswegs die beiden Systeme gegeneinander vergleichen,
da verschiedene Voraussetzungen gemacht werden, insbesondere über die TransporW'ntfernung.
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1. Schienentransport a) Ammoniaktankwagen: Standardausführung mit
95 m³, max. Beladung 50 to NH3, also 50 : 1,8 = 28 Gcal/Waggon.
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3 b) Salzwaggon: ca. 120 to Belastbarkeit, ca. 120 m Volumen ohne
Wärmetauscher. Schüttungshohlräume, die zur Vermeidung von Quellung und zur Erhöhung
der Reaktionsgeschwindigkeit erforderlich sind, verursachen diesen Volumenbedarf.
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3 NH3-Waggon 70 NH3--Ladung (50 to NH3 zu 0,8 DM/ kg NH3) 40 CaCl2-Waggon
mit Kessel 90 Wärmetauscher und Armaturen (30 TDM/Gcal/h plus 50% Aufschlag wegen
schlechten Wärme übergangs in Sz; 6 h Entladezeit, also 4,7 Gcal/h Wärmeleistung)
210
Füllung: 10,0 to NH3 (0,8 DM/kg) 14 55 to CaCl2 (200 DM/to)
11 Investition pro Doppelwaggon bzw. pro 28 Gcal: 435 TD'?'A Bei 100 km Abstand
zwischen Kraftwerk und Verbraucher ist eine Hin-und Rückfahrt/Tag möglich. Bei etwa
20% Stillstand für Instandhaltung ergeben sich rund 300 Tage/Jahr, also 8 400 Gcal/Jahr
pro Doppelwaggon, also 52 DM/Gcal/Jahr Investitionskosten. Mit 14% Annuität tragen
die Investitionen zum Wärmepreis 0,14 ' 435/8,4 7 DM/Gcal bei.
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Damit ergibt sich folgender Gesamtpreis: Wärmepreis ab Kraftwerk 10
DM/Gcal Investition in Transportgefäßen (14% Annuität) 7 DM/Gcal Transportpreis
(5 DM/to für 100 km) 22 DM/Gcal Wärmepreis bei Schienentransport über 100 km: 39
DM/Gcal Erhöht man den Transportpreis der Bahn auf 6,40 DM/to, so daß mit erheblichem
Gewinn gefahren werden kann, so erreicht man gerade den heutigen Preis für Warme
aus Öl. Aus obiger Aufstellung ist ersichtlich daß die Entwicklung @g der Transportpreise
relativ zu den Ölpreisen und nicht so sehr die Investitionen bzw. der Wärmepreis
ab Kraftwerk die Wirtschaftlichkeit der Fernwärme relativ zum Öl bestimmen /9/.
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Die Investitionskosten in Wärmewaggons für den Transport der halben
Abwärme eines großen Kraftwerkes (1000 Gcal/h) verrechnen sich aus obigen Daten
zu 370 Mill. DM. Dazu kommen Investitionen für die beiden Wärmeübergabestationen
und eventucll in zusätzlichen Zugmaschinen der Bundesbahn. Diese Gesamtinvestionen
sind zu vergleichen mit ca. 1000 Mill. DM für eine Heißwasser-Doppelrohrleitung
über 100 km Die Versorgung von 20% der Bevölkerung Westdeutschlands mit einem durch
Fernwärme abdeckbaren Durchschnittsverbrauch von 10 Gcal/Jahr
pro
Person erfordert die Investitionssumme von 6 Mrd. DM zum Bau von 14000 Doppelwaggons,
was unter 10% des heutigen Waggonbestandes von 330000 liegt. Pro Jahr würden zusätzlich
530 Mill. to Güter beweyt, entsprechend einem Transportumsatz von 3,4 Mrd. DM (6,4
DM/to). Mit einer Belastbarkeit von 1350 to/Zug würden täglich insgesamt 1300 Wärmezüge
verkehren, eine für die Bahn leicht zusätzlich erfüllbare Transportleistung (zum
Vergleich: München-Hbf.
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hat 3000 Zugbewegungen pro Tag).
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Unter der Annahme obigen Durchschnittsverbrauchs versorgt: 1 Doppelwaggon
etwa 1 000 Personen/Tag, 1 Zug (1350 to = ii Doppelwaggons) etwa 11 000 Personen/Tag.
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An einem Heizwerk für 44 000 Menschen würden bei 6 Stunden Entladezeit
im Mittel 1 Zug mit 11 Doppelwaggons entladen, ist also technisch leicht durchführbar.
Pl atzschwierigkeiten könnte es all erdings bei der Beladung am Kraftwerk geben.
Bei einer Abgabeleistung von 1000 Gcal/h würden bei 6 Stunden Beladezeit im Mittel
200 Doppelwaggons, d. h. ca. 10 Züge, beladen werden. Eine Reduzierung der Beladezeit
scheint von der Kinetik her durchaus möglich zu sein; allerdings wird zu prüfen
sein, ob hierbei die Anforderungen an die Wärmetauscher nicht zu groß werden.
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Eine Fernwärmeversorgung obiger Größenordnung ergäbe bei einem Importpreis
für Öl von 12 /barrel (= 30 DM/Gcal) eine Importersparnis von 3,6 Mrd. DM/Jahr.
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2. Wasserstraßentrasport /10/ Europa-Typ (johann Welker) Tragfähigkeit
1350 to, also 310 Gcal/Fahrt.
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Investitionskosten (in 10³ DM) TDM Speichermaterial: 560 to NH3 (fl)
460 190 to NH3 (gebunden) 150 600 to CaCl2 120
TDM Tank für NH3
(1000 m³) 300 Tank üfür CaCl2 . 2 NH3 300 Wärmetauscher und Armaturen (30 TDM/Gcal/h
+ 50% Aufschlag wegen schlechten Wärmeübergangs in Salz; 6 h Entladezeit, also 52
Gcal/h Wärmeleistung) 2320 Schiff mit voller Ausrüstung 2200 5850 TDM Im Gegensatz
zur Abschätzung für Schienenwege enthält diese Investition von 5,8 Mill. DM für
310 Gcal auch den Antrieb für den Transport.
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Bei 50 km Kraftwerkabstand (gegenüber 100 km bei Bahn) ist eine Fahrt/Tag
möglich. Wegen Aus fall tage für Reparaturen, Schiffahrtssperren, Hoch- oder Niedrigwasser
etc. 250 Tage/Jahr Einsatz, also Wärmetransport/Jahr: 78 000 Gcal/Jahr.
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Mit 14% Annuität tragen die Investitionen zum Wärmepreis 0,14 5850/78
10,5 DM/Gcal bei. Die betriebskosten seien zur Sicherheit hoch, d.h. mit 2000 DM,Fahrt
angesetzt, also 2000/310 -6,5 DM/Gcal.
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Damit ergibt sich folgender Gesamtpreis: Wärmepreis ab Kraftwerk 10
DM/Gcal Investionskosten (14% Annuität) 10,5 DM/Gcal Betriebskosten 6,5 DM/Gcal
Wärmpreis bei Wasserstraßentransport über 50 km: 27 DM/Gcal Dieser Preis liegt ganz
erheblich unter 45 DM/Gcal.
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Bei einem Transport über 100 km Entfernung benötigt 1 volle Fahrt
rund 1,5 Tage; also 166 Fahrten/Jahr, 51000 Gcal/Jahr, Investitionskosten bei 14%
Annuität 16 DM/Gcal; Betriebskosten 3000 DM/Fahrt, also 10 DM/Gcal; Wärmepreis bei
Wasserstraßentransport über 100 km also 36 DM/Gcal.
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In obiger Rechnung wurdcn die f3etriebsl-osten sicherheitshalber sehr
hoch, nämlich mit 500 TDM/Jahr angesetzt Üblicherweise rechnet man bei Vollauslastung
(allerdings ohne Überstunden) mit etwa 200 bis 250 TDM/Jahr. Legt man diesen Wert
zugrunde, so ergibt sich ein Wärmepreis von 24 DM/Gcal (bei 50 km) bzw. 31 DM/Gcal
(bei 100 km). Läßt man die Annahme, daß jedes Schiff voll mit Antrieb, Navigationsinstrumenten
usw. ausgerüstet ist, d. h. arbeitet man mit Schubleichtern, so kann eine weitere
Reaktion des Wärmepreises erwartet werden.
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1 Schiff/Tag versorgt ca. 1 1000 Menschen/Tag. Urn 10% der Bevölkerung
Westdeutschlands auf dem Wasserweg zu versorgen, wären 7 Mrd. DM an Investitionen
in Wärmeschiffen erforderlich, entsprechend 1160 Schiffen (bei 100 km Abstand zwischen
Kraftwerk und Verbraucher). Im Gegensatz zum Schienentransport ist dieser Zuwachs
an Schiffslcapazität keineswegs mehr Iclein gegenüber der Gesamtkapazität. Die Belastbarkeit
der Wasserstraßen bedarf einer eigenen Prüfung.
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Obige Abschätzungen erheben nicht den Anspruch großer Verbindlichkeit.
So sind z B. das Gewicht der Wärmetauscher, Wirkungsgrade beim Speicherprozeß, andererseits
wiederum auch Mengenrabatte nicht berücksichtigt. Dennoch liefern diese Zahlen Evidenz
dafür, daß der gemachte Transportvorschlag zusammen mit den effektiven Wärmespeicherverfahren
houte schon einen konkurrenzfähigen Wärmepreis ergeben. Jede Ölpreiserhöhung, die
nicht mit einer gleichgroßen Transporterhöhung verbunden ist, verschiebt das Verhältnis
immer mehr zugunsten des vorgeschlag-nen Fernwärmekonzepts. Auf längere Sicht bleibt
sowieso keine andere Wahl.
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Bisher wurden rein wirtschaftliche Aspekte diskutiert. Die Vorteile
der Nutzung der Kraftwerksfernwärme sind viel weitcrrcichend und werden im nächsten
Kapital schlagwortartig gestreift.
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IV. Wertung des Wärmetransportsystems Die Vorteile des vorgeschlagenen
Wärmeversorgungssystems, insbesonder des Wärmetransportsystems sind offenkundig
und sehr tiefgehend. Im Gegensatz zu einem großen Transportrohr erfolgt hier der
Wärmetransport in kleinen Einheiten, die dem täglichen Wärme bedarf von ca. 1000
bzw. 10000 Personen entsprechen. Hieraus ergeben sich folgende Vorteile: 1) . Das
Wärmetransportsystem ist sehr flexibel; es ist sehr leicht steucr- und regelbar.
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2) Das Wärmetransportsystem kann verhältnismäßig einfach die Kurzzeitschwankungen
zwischen Wärmelieferung und Wärmenachfrage ausgleichen. Nach obiger Aufstellung
gehen bei Schienentransport die Investitionen in Wärmewaggons nur zu 15% in den
Rohwärmepreis am Heizwerk ein. Eine Verdoppelung der fahrbaren Speicherkapazität
ist also finanziell vertretbar. Mit einer solchen Überkapazität ist es möglich,
Kraftwerkswärme vorwiegend dann zu speichern, wenn diese im Überschuß vorhanden
ist, also z. B. nachts und an den Wochenenden. Die Mehrinvestition ließe sich dann
aus einem reduzierten Wärmepreis ab Kraftwerk bestreiten. Sommer-Winter-Ausgleich
mit diesem Verfahren ist nicht möglich; jedoch könnten durch Reservehaltung an Transporteinheiten
bzw. durch Verlagerung von Überholarbeiten in die Sommermonate Winterbedarfsspitzen
stark reduziert werden.
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3) Auf VVasser- und Schienenwegen sind in mitteleuropäischen La."ndern
etwa 80% der Bevölkerung erreichbar Durch Nutzung dieser Verteilungswege erhöht
sich die Einsatzmöglichkeit von Fernwärme gegenüber bisherigen Konzepten /1/ ganz
erheblich. Selbst für kleinere Gemeinden mit entsprechend großer Siedlungsdichte,
so daß die Nahverteilung der Wärme nicht zu teuer wird, würde
eine
zentralc Wärmeversorgung möglich und wirtschaftlich sein 4) Durch die Stückelung
in Trans'porteinheiter0 ist auch die Reduzierung der Kosten für die Nahverteilung
möglich. Es ist nicht erforderlich, große Heizzentralen mit langen Verteilungskanälen
zu bauen. Die Möglichkeit der Feinverteilung der Wärmewaggens bzw. -schiffe könnte
kleinere Heizzentralen mit entsprechnd kürzeren Transport weyen für Heißwasser zum
Verbraucher rationeller rnachen.
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5) Folgender Punkt ist für die technologische Entwicklung des Konzepts
sowie auch vom unternehmerischen Standpunkt aus wichtig: Kleine Transporteinheiten
ermöglichen eine behutsame versuchsweise Einführung mit einem Minimum an Kapitalaufwand.
Bevor große Investitionen erforderlich werden, können die Grundeinheiten sorgfältig
getestet und verbessert werden.
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Der Transport von NH3 (fl) auf Schiene oder Wasser ist heute Standard
der Technik. Sicherheitstechnische Tragen sollten also leicht lösbar sein. Für die
Salzspeicher mit den zugehörigen Wärmetauschern ist noch Entwicklungsarbeit erforderl
ich Folgende weitere Vorteile sollten angeführt werden: 6) Das W5.rmeversorgungssystem
ist sehr umweltfreundlich. Die Emission von Schadstoffen über Wohngebieten wird
erniedrigt bei gleichzeitiger Herabsetzung der Abwärmeabgabe an Wasser und Luft
durch Kraftwerke. Durch Nutzuny der schon existierenden Transportwoge werden keine
neuen Transport:trassen erforderlich.
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7) Mittels Wärmeschiffen läßt sich sehr einfach die Abwärme der aus
Gründen des Umweltschutzes in Küstengewässern geplanten Großkraftwerke nutzen Da
hier noch größere Schiffseinheiten als bei der Binnenschiffahrt zum Einsatz kommen
können, ist eine kostengünstige Fernwärmeversorgung von Hafenstädten möglich, so
z.B.
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im Osten der USA und an den Großen Seen. Bei einer weiteren Reduzierung
der Transportkosten durch Bau großer Schiffseinheiten kann es sogar wirtschaftlich
werden, Sonnenwärme aus tropischen Gebieten zum Verbraucher zu transportieren. Man
würde auf tropischen Inseln oder in Wüstengebieten rollende Speichereinheiten mit
Sonnenwärme beladen und diese per Schiff zum Verbraucher transportieren.
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8) In Ländern, die im Sommer einen hohen Kühl bedarf haben, wie z,B.
die USA, können Schiffe im Winter als Wärmeschiffe und im Sommer als Kälteschiffe
fahren. Ein 1350 to Schiff transportiert immerhin 155 Gcal, die als Kälteleistung
bei -18° bis -20°C zur Verfügung stünden nd für ddie vermutlich der doppelte Preis
wie für Wärmeleistung erzielbar ist, so daß der Transport wirtschaftlich ist.
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Bei einem solchen Betrieb würde die Kombination Kraftwerk-Schiff
im Sommer einer diskontinuierlichen Absorptionskältemaschine, im Winter einer dis1<ontinuierlichen
Wärmepumpe entsprechen.
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9) Die volkswirtschaftliche Bedeutung einer teilweisen Umstellung
von Öl auf Kraftwerkswärme, insbesondere vom Standpunkt der Außenhandelsbilanz sowie
der Versorgungssicherheit, braucht nicht erläutert werden. Es ist jedoch noch hervorzuheben,
daß ein wesentlicher Prozentsatz des heute vom Verbraucher gezahlten Wärme preises
bei einer solchen Umstellung als Transportvergütung den heimischen Transportunternehmen
zunutze n kommt.
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V. Schlußbemerkung In dieser Arbeit sollte gezeigt werden, daß bei
Anwendung effektiver Wärmespeicherme thoden und unter Benutzung heute schon existierender
Transpof-tsysteme Wärme kostengünstig von Kraftwerken zu Verbrauchern
transportiert
worden kann. Der so vollzogene Wärmetrasport soll die Grundlast des Verbrauchs decken;
das Heizwerk soll aus regelungstechnischen Gründen nicht vollständig ersetzt werden.
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Für die Einführung des vorgeschlagenen Konzepts ist kein technologischer
Durchbruch erforderlich. Dcnnoch muß sicherlich für eine Optimalisierung der Systeme
noch intensive Forschungs- und Entvviclklungsarbeit geleistet werden. Diese Aufgaben
lassen sich folgendermaßen charakterisieren: i) Entwicklung geeigneter Wärmetauscher
zur Ein- und Auskopplung von Wärme in eine Salzschüttung. Da dieser Vorgang wärmetechnisch
analog ist zum Wärmeübergang bei Katalysatorschüttungen, kann sicherlich die Erfahrung
der chemischen Industrie auf diesem Gebiete genutzt werden. Ein ungewöhnlicher Zusatzaspekt,
der durch das vorgeschlagene Transportsystem impliziert wird, ist die Forderung
nach Gewichteinsparung bei den Wärmetauschern, so daß eine Werkstoffpräferenz besteht.
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2) Untersuchungen zur Erhöhung der Real<tionsgeschwindigkeit von
Salzen mit NH3. Vermeidung von Quellungsdrücken durch Gerüststrukturen.
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8) Untersuchung weiterer möglicher Ammoniakatsysteme. Es gibt neben
den genannten Systemen CaCl2 und SrCl2 noch viele andere Systeme /2, 3/, die zur
Wärmespeicherung in Frage kämmen, insbesondere, wenn eine Verschiebung der Speicher-
und Abgabetemperatur nach oben gewünscht bzw. zuglassen wird. Eine obere Grenze
in Temperatur ist durch die Gefahr der Ammoniakzersetzung gegeben. Jedoch im Gegensatz
zu geschlossenen Absorptionskältemaschinen ist dieses Problem hier weit weniger
schwerwiegend, da bei jedem Verflüssigun3sprozeß der zersetzte Ammoniak als H2-
bzw. N2-Gas abgeschieden werden kann. Die Investitionskosten für NH3 schlagen für
den Wärme preis nur geringfügig zu Buche, so daß ein gewisser Verlust getragen werden
kann. Durch Steigerung der Temperatur ist bei vorgegebenen
Arbeitsdrücken
eine Erhöhung der pro kg NH3 gespeicherten Wärme möglich. Da das Gewicht der Speichersubstanzen
auf: Grund des vorgeschlangenen Transportsystems erheblich in den Wärmepreis ein
geht, empflicht sich eine sorgfältige Untersuchung der aus den leichten Elementen
wie Li, Mg, F, Cl oder Mischungen aufgebauten Salze. Eventuelle Preisnachteile bei
der Wahl der speichersubstanz können leicht überkompensiert werden durch Preisvorteile
beim Transport. Eine Erhöhung des Salzpreises um einen Faktor 10 (auf 2 DM/<g)
verursacht eine Erfhöhung des Wärmepreises ab Heizstation um 4,5%.
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Wegen der für den Transport erforderlichen Verflüssigung des Ammoniaks
stellt das vorschlagene Wärmespeicherprinzip genaugenommen eine Mischung dar aus
Speicherung von Reaktionswärme kombiniert mit einem Wärmepumpeffekt (Absorberwärmepumpe).
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Für die oben angegebene Reaktion mit CaCl2 sind beide Beiträge gleich
groß, so daß bei Verzicht auf den Wärmepumpeffekt (Verdampfungswärme von NH3 wird
der Reakticn entnommen) um die Hälfte der Wärme zur Verfügung stehen würde. Will
man den Eeitrag aus der Wärmepumpung relativ zur Gesamtvärme erniedrigen, so muß
man notwendigweise zu Salzen übergehen, bei denen die Austreibung des NH3 erst bei
höheren Temperaturen stattfindet, da damit eine höhere Verdampfungswärme des NH3
aus dem Salz verbunden ist /2/. So kann z.B. NiCl2 6 NH3 ebenfalls 0,25 Gcc l/to
speichern, zersetzt sich jedoch erst bei 1750C ( p = 1 bar), wobei hier das Verhältnis
der gespeicherten Wärme pro kg NH3 zur Verdampfungswärme 3 : 1 beträgt.
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Insgesamt gesehen ist sicherlich CaCl2 eine gut geeignete Ausgangssubstanz
Obige Diskussion zeigt jedoch, daß das vorgeschlagene Prinzip der Wärmespeicherung
so viel Flexibilität besitzt, so daß die Parameter innerhalb gewisser Grenzen den
jeweiligen Umständen entsprechend optimalisierl: werden können.
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4) Schließlich bedarf es eingehender Untersuchungen zu regeltechnischen
Problemen (Kombination von Wärmeübergabestation mit H eizwcrk) sowie über mögliche
Kombinationen der Wärmeübergabestation mit Wärmequellen bzw. Kälteverbrauchern.
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Anhang: Transport von Heißwacsser per Schiene oder' Schiff Man kann
sich leicht davon überzeugen, daß die Abwärme von Kraftwerken durch Transport von
Heißwasser z.B. auf Schiene noch nicht konkurrenzfähig zu Öl genutzt wcrden kann:
Bei einer Temperaturspreizung von 700 (120°C auf 500 C) sind 14,3 to H2O/Gcal zu
transportieren. Der Transportpreis allein, also noch ohne Investitionskosten und
Wärmepreis ab Kraftwerk beläuft sich bei 5 DM/co auf 71 DM/Gcal, ist also noch unwirtschaftlich.
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Wir schlagen jedoch vor, Wärme aus Anlagen, die als reine Heizwerke
betrieben werden, wie z. B. Kernreaktoren, die aus bekannten Gründen in größerer
Entfernung von Siedlungen gebaut werden, in Wärmezügen oder Wärmeschiffen, gefüllt
mit Heißwasser, zum Verbraucher zu transportieren. Voraussetzung ist, daß die Wärme
auf einem erheblich höheren Temperaturniveau, also z. B. 260 C, entnommen werden
kann Der Wärmezug besteht dann aus Heißwasserwaggons, die bei T = 2600C Speichertem
pcratu r unter 47 bar Druck stehen. Der Heißwasserinhalt kann am zentralen Heizwerk
der Stadt verhältnismäßig einfach in das Heiznetz eingespeist werden. Die Wirtschaftlichkeitsrechnung
sieht folgendermaßen aus: Temperaturspreizung: 260°C/40°C Wärmespeicherung 230 kcal/kg
/11/ also 4 4 to H2O/Gcal 2 Zum einfachen Vergleich mit obiger Kalkjlation werde
1 Waggon mit 28 Gcal beladen, er muß also 123 to Nutzlast tragen. Die Kosten für
einen Heißwasserspeicher (T = 260°C, p 50 bar) werden mit (10-20) TDM/Gcal benannt
/1, 12/, allerdings für Großbehälter. Schätzen wir zur Sicherheit mit dem oberen
Wert ab, so kostet der Heißwassertank 560 TDM. Für das Eisenbahnfahrgestell werden
40 TDM addicrt, so daß die Investitionen für den Wärmewaggon sich auf rund 600 TDM
belaufen. Mit obigen
Vorausschätzungen ergibt sich folgender Wärmepreis:
Wärmepreis ab Reaktor 5 DM/Gcal Investitionen (14% Annuitait) 10 DM/Gcal Transport
(5 DM/to für 100 km) 22 DM/Gcal 37 DM/Gcal Sollte es möglich sein, den Heißwassertank
für 10 DM/Gcal zu bauen, so würde sich der Warmepreis auf den bemerkenswert niedrigen
Wert von 31,50 DM/Gcal reduzieren. Wesentliche Vor aussetzung bei diesen Überlegungen
ist die Annahme, daß weder bei der Verladung des Heißwassers am Reaktor noch bei
der Ausladung an der Wärmeübergabestation in der Stadt Wärmetauscher erforderlich
sind. Diese sollte möglich sein. Die Kostenreduzierung bei Schiffstransport verläuft
noch günstiger und ist noch vertrauenswürdiger, da die spezifischen Investitionskosten
für große HeiE-wassertanks anwendbar sind.
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Vom Standpunkt der Sicherheit wird zu prüfen sein, ob Heißwasserdruckgefäße
per Bahn oder Schiff gefahrlos transportiert werden können. Bisher gibt es keine
Vorschriften, die dem entgegenstehen /8, tO/, Das in der Nähe von Landshut stillgelegte
Kernkraftwerk Ohu könntc sofort nach diesem Konzept Fernwärme für München und Umgebung
liefern. Die oben genannten Vorteile des Schienentransports für Kraftwerkabwärme
gelten hier im gleichen Maße.
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Zur Klarstellung sei betont, daß das im Hauptteil dieser Arbeit vorgeschlagene
Konzept der Fernwärmeversorgung der Nutzung der Kraftwerksabwärme dienen soll. Heißwassertransport
ist hier unwirtschaftlich (außer vielleicht in großen Schiffen). Die Darlegung im
Anhang soll zeigen, daß Heißwassertransport von verbraucherfernen Heizwerken zum
Verbraucher heute schon konkurrenzfähig ist zu Wärme aus Öl.
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Literatur 1. Einsatzmöglichkeiten neuer Energiesysterne, Teil V,
Fernwärme, Herausgeber: Bundesministerium für Forschung und Technologie, Bonn (1975).
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2. G. Alefeld, Z. Wärme, Heft 5, (1975).
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3. G. Alefeld, Z. Energie, Helft 7/8, 180 (1975).
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4, z.B. W. Niebergall, Handbuch der Kältetechnik, Bd. VII, Herausgeber:
R. Plank, Springer-Verlag, Bln. Göttingen Heidelberg (1959) 5. R. Plan und J. Kuprianoff:
Die Kleinkältemaschine, Springer-Verlag, Bln. Göttingen Heidelberg (1960).
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6. R. Plank, Z. Ges. Kälteind. Bd. 43, 80 (1936).
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7. Landolt-Börnstein, Physikalisch-Chemische Tabellen, 6. Auflage,
Bd. 2, Herausgeber: K. Schäfer und E. Lax, Springer-Verlag.
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8. Der Bundesbahndirektion München (Gene ralvertrotung München-Nord)
und Frankfurt sei für freundliche Auskünfte herzlich gedankt.
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9. Für Ende 1976 wird von der Bundesbahn ein Durchschnittstarif für
Ganzzüge von 6,80 DM/to (Entfernung 100 km) abzüglich 10% bei Gewährung von Mengenrabatt,
also 6,10 DM/to, angestrebt /8/.
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Dieser Tarif, der unter Berücksichtigung des Gesamttransports gewinnbringend
kalkuliert ist, enthält den Preis für eine Leerrückfahrt Bei einer Voll rückfahrt
erhöhen sich die Zugabfertigungskosten nicht. Bei den Zugförderungskosten sind lediglich
der Energieverbrauch der Zugmaschine ( 0,15 DM/to) und Abschreibung auf Zugmaschine
bzw. Gleiskörper erhöht. Somit dürfte obig gemachte Abschätzung auch ein den kommenden
Jahren ihre Gültigkeit behalten.
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10. Dem "Bundesverband der deutschen Binnerschiffahrt e.V.", Duisburg-Ruhrort,
sowie der "Meidricher Schiffswerft", Duisburg, set für freundliche Auskünfte herzlich
gedankt.
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11, siehe z.B. F. Bosnjakovic, Techn. Thermodynamik, Verlag Theodor
Steinkopf, Dresden (1971).
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12. G. Beckmann, K. Fritz und P.V. Gilli, VDI-Berichte 223, 21 (1974).