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1
ALLGEMEINE TECHNOLOGIE - ENERGIEUMSATZ
Vorlesung für
Lehramt Gr (Hauptstudium, Lernbereich NW mit Technik als Leitfach)
Lehramt HRGe (SI) Grundstudium
Lehramt GyGe (SII) (Grundstudium)
im Fach Technik an allgemein bildenden Schulen
WS 2008/2009
Prof. Dr.-Ing. E. Sauer, Universität Duisburg-Essen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften,
Campus Essen, Abt. Technik (Lehramt), Fach Technologie und Didaktik der Technik (TUD),
V15 S02 C51, Tel.: 0201/183-2642, Fax: 0201/183-2637,
E-Mail: [email protected], Homepage: http://www.tud.uni-essen.de/2index.htm
Inhaltsverzeichnis
Seite
1
Einführung....................................................................................................................... 3
1.1
Richtlinien und Begründungen für das Schulfach Technik .............................................. 3
1.2
Einordnung Allgemeine Technologie in größere Zusammenhänge, Systemmodell ........ 4
1.3
Beispiel hydraulischer Durchlauferhitzer ......................................................................... 5
1.4
Energiefluss und Energiebegriffe .................................................................................... 7
2
Energierohstoffe.............................................................................................................. 9
2.1
Heizwert als Energieinhalt fossiler Primärenergieträger.................................................. 9
2.2
Derzeitige Situation auf dem Primärenergiemarkt der Welt und Deutschland................. 9
2.3
Energiereserven und Reichweite fossiler Energieträger ............................................... 10
2.4
Lebensdauer und Grenzen des Wachstums ................................................................. 11
2.5
Wachstum der Grenzen ................................................................................................ 11
3
Gewinnung und Transport von Energie......................................................................... 14
3.1
Gewinnung von festen, flüssigen und gasförmigen Primärenergieträgern .................... 14
3.2
Primärenergieträgertransport ........................................................................................ 16
3.2.1 Transport von Erdöl......................................................................................................... 16
3.2.2 Transport von Erdgas...................................................................................................... 18
3.2.3 Transport von Steinkohle ................................................................................................ 19
3.2.4 Transport von Braunkohle ............................................................................................... 19
3.3
Sekundärenergieträgertransport ................................................................................... 20
3.3.1 Transport von Mineralölprodukten................................................................................... 20
3.3.2 Transport von elektrischer Energie.................................................................................. 20
3.3.3 Transport von Fernwärme ............................................................................................... 22
3.4
Zusammenstellung der Transporttechniken .................................................................. 24
4
Analyse komplexer Systeme des Energieumsatzes...................................................... 25
4.1
Analyse und Bewertung, Energiekette .......................................................................... 25
4.2
Schaltschema eines Dampfkraftwerks .......................................................................... 26
4.3
Das Wärmeschaltbild des Braunkohlenkraftwerks Weisweiler ...................................... 27
4.4
Das T,s-Diagramm für Wasser und Wasserdampf........................................................ 27
4.5
Wirkungsgrad und Leistungsbetrachtungen an der Turbine.......................................... 29
4.6
Das h,s-Diagramm für Wasserdampf ............................................................................ 30
5
Struktur komplexer Systeme des Energieumsatzes...................................................... 34
5.1
p,v,T-Fläche und ideale Gasgleichung.......................................................................... 34
5.2
Abgeschlossenes System und Nullter Hauptsatz.......................................................... 35
Geschlossenes System und 1. Hauptsatz..................................................................... 35
5.3
5.4
Wärme Q....................................................................................................................... 36
5.5
Volumenänderungsarbeit .............................................................................................. 36
5.6
Innere Energie............................................................................................................... 36
5.7
1. Hauptsatz für stationäre Fließprozesse..................................................................... 37
5.8
Enthalpie H.................................................................................................................... 38
2
5.9
Druckänderungsarbeit................................................................................................... 38
5.10
Kreisprozesse ............................................................................................................... 39
5.11
2. Hauptsatz der Thermodynamik ................................................................................. 39
5.12
Reversibler Carnot-Prozess und thermischer Wirkungsgrad......................................... 40
5.13
Die Polytrope................................................................................................................. 42
6
Teilsysteme beim thermischen Kraftwerk...................................................................... 43
6.1
Verbrennung ................................................................................................................. 43
6.2
Wärmeübertragung ....................................................................................................... 46
6.3
Kernreaktoren ............................................................................................................... 48
6.4
Turbine .......................................................................................................................... 53
6.5
Generator ...................................................................................................................... 57
6.6
Maschinentransformator ............................................................................................... 59
.7
Kondensator und Kühlturm ........................................................................................... 60
6.7.1 Oberflächenkondensator ................................................................................................. 60
6.7.2 Nasskühlturm und h,x-Diagramm .................................................................................... 61
7
Abwärmenutzung .......................................................................................................... 65
7.1
Probleme bei der Abwärmenutzung .............................................................................. 65
7.2
Agrotherm ..................................................................................................................... 65
7.3
Hortitherm ..................................................................................................................... 65
7.4
Limnotherm ................................................................................................................... 66
8
Literaturverzeichnis ....................................................................................................... 67
ANHANG
Thermodynamik - Begriffe und Definitionen ......................................................... 72
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3
1
EINFÜHRUNG
1.1
Richtlinien und Begründungen für das Schulfach Technik
Was ist Technik?:
Finaler Charakter
Absicht, Ziel (lat.: finis), Zweck)!
Lebenszyklus von Apparaten, Maschinen und Verfahren unter Beachtung und Umsetzung der Naturgesetze zur Nutzbarmachung der Natur und Umwelt unter vorgegebenen
Randbedingungen (τεχνη: 1. Geschicklichkeit, 2. List, 3. Kunstwerk).
Was ist Physik?
Kausaler Charakter
Begründung, Ursache, Wirkung!
Gesetzmäßige und mathematische Darstellung von Naturgesetzen durch Beobachten
und Messen.
Wie ist das Technikverständnis nach RiLi NRW Kultusministerium?
Aspekte zum Technikbegriff für Fach Technik /1/, /2/, /3/ http://www.ritterbach.de/ (10.09.2008)
→ Folie
-
„Technikverständis nach den Schulrichtlinien in NRW“
/1/, S. 28; /2/, S. 5; /3/, S. 32
Gestaltung und Veränderung der Umwelt,
Technik und Natur nutzen Energie, Stoff, Information und
wandeln, transportieren und speichern sie,
Gegenstände und Verfahren,
Technik – Wirtschaft – Gesellschaft,
Ziele und Mittel für Gesellschaft.
Warum Technik in der Schule?
→ Folie
„Aufgaben der Schule und Lernziele"
Aufgaben: Unterricht und
Erziehung
- Neigungsdifferenzierung →
erkennen, wecken, fördern; Propädeutik: Einführung in die
Vorkenntnisse für Beruf oder Studium,
- Wechselwirkung mit anderen Lernbereichen →
Technik-Wirtschaft-Gesellschaft,
- Technische Grundbildung zum Urteilen → Abwägen Vor- und Nachteile; Bewältigung von
Lebenssituationen,
- Tägliche Umgang mit Technik →
→ Folie
Mindestmaß an technischem Sachverstand in technikorientierter Welt).
„Lösungsansätze zu Bestimmung der Inhalte des Technikunterrichts“
/4/, S. 9
4
1.2
Einordnung Allgemeine Technologie in größere Zusammenhänge, Systemmodell
4 Konzeptvorstellungen:
- Wissenschaftsgeleitet (Stoff, Energie, Information)
- Anwendungsorientiert (Arbeitslehre, Produktion)
- Technikhistorisch (Technikgeschichte, Gesellschaft)
- Mehrperspektivisch (Handlungsfelder: Arbeit und Produktion, Bauen und gebaute
Umwelt, Versorgung und Entsorgung, Transport und Verkehr, Information und Kommunikation).
Ergebnis:
Inhalte werden nicht nur nach einer Konzeptvorstellung bestimmt sondern
je nach Bedarf kommen verschiedene Konzepte überschneidend zur Anwendung!
→ Zeigen Faltblatt „Combined heat and power plant“
Problem:
Große Bereiche und Vielfalt der Technik!
Vielzahl von Einzelkomponenten mit komplizierten Zusammenhängen
Unzahl von unterschiedlichen technischen Systemen und Einzelgeräten.
Abhilfe:
- Didaktische Reduktion (Didaktik: Unterrichtslehre/Methodik der Lehrfächer)
horizontal: Einschränkung ähnlicher Beispiele,
vertikal:
Tiefe der theoretischen Durchdringung;
und
- Systemmodell Stellt Grundgemeinsamkeiten fest einer Allgemeinen Technologie /5/,
/6/ (Art „Zwangsjacke“, gemeinsamer „Hut“)
→ Folie
„Systemmodell und Studienschwerpunkte Lehramt Technik“, nach /5/, S. 29
5 Säulen des Studiums (Studienschwerpunkte):
1 Stoffumsatz
2 Energieumsatz
3 Informationsumsatz
4 Soziotechnik
5 Didaktik.
Systenmodellaufbau:
Input:
S = Stoff, E = Energie, I = Information;
Abgrenzung:
System zur Umgebung;
Relationen:
Teilsysteme untereinander;
Output:
Stoff, Energie, Information.
Frage:
Gründe für Anwendung des Systemmodells in Technikausbildung/-unterricht?
5
1.3
Beispiel hydraulischer Durchlauferhitzer
Beispiel:
Hydraulischer Durchlauferhitzer (kompakt gebauter Elektro-Wassererwärmer,
Erwärmung des Wassers beim Durchströmen "Durchlauf")
→ Folie
„Hydraulischer Durchlauferhitzer“, /7/, S. 12/13
⇒ Bild an Tafel
Input:
S=
E=
„System Durchlauferhitzer“ (Rohrheizkörper 4, Sicherheitstemperaturbegrenzer 6, Strömungsschalter 7 mit in der Regel zwei Leistungsstufen für Pel bei den Durchflüssen 4 l/min und 6 l/min)
I=
Kaltwasser = m W (Masse),
Elektrische Energie = E el (elektrische Ladung), Druckenergie (potentielle
Energie), kinetische Energie (Strömung),
& W (Massenstrom) und ϑE,
Menge und Temperatur des Kaltwassers: m
Output:
S=
E=
I=
Warmwasser = m W (Masse)
Thermische Energie des Warmwassers = Q W , kinetische Energie
& W (Massenstrom) und ϑA,
Menge und Temperatur des Warmwassers = m
Relation:
Strömungsschalter 7 und/oder Sicherheitstemperaturbegrenzer 6 schalten elektrische Heizung 4 an oder aus.
Leistungsbilanz (Energie/Zeit) am Durchlauferhitzer):
⇒ Bild an Tafel
& → EA-E/Zeit"
"Black Box Pel → Q
W
& (ohne Verluste über InnenbeElektrische Leistung Pel = Wärmeleistung an Wasser Q
W
hälter, Verluste = 0)
&
&
P =Q
=m
⋅c
⋅ (ϑ − ϑ ), oder
el
W
W pW
A
E
mit
∑ Leistungen = 0,
& W = Massenstrom des Wassers z. B. in kg/s,
m
c pW = spezifische Wärmekapazität des Wassers bei konstantem Druck p,
Werte z. B. in kJ/(kg·K) aus Tabellen, Achtung: ϑ in °C,
ϑ = Temperatur in °C.
→ Folie
"Stoffwerte von Wasser - Isobare spezifische Wärmekapazität cp von Wasser in kJ/(kg·K) in Abhängigkeit von Druck und Temperatur", /8/, S. Db 5
Annahme:
cpW = konstant im Temperaturbereich 1 (E) → 2 (A) (Mittelwert),
ϑA = Temperatur des austretenden Warmwassers (30 °C bis 60 °C),
ϑE = Temperatur des eintretenden Kaltwassers (6 °C bis 20 °C),
6
& W = 0,18 kg ,
ϑA = 40 °C, ϑE = 12 °C,
m
s
kJ
c pW = 4,18
,
kg ⋅ K
Umrechnung:
1 J = 1 W ⋅ s.
Werte:
Umrechnung von Temperatur ϑ°C in ϑK: ϑK = 273 K + ϑ°C,
Ergebnis
ϑK2 - ϑK1 = ϑC2 - ϑC1, cp nicht mit K-Temperatur multiplizieren!
& = 0,18 kg ⋅ 4,18 kJ ⋅ (40 °C − 12 °C) = 0,18 kg ⋅ 4,18 kW ⋅ s ⋅ 28 K.
Pel = Q
W
s
kg ⋅ K
s
kg ⋅ K
Pel = 21 kW!
Diskussionspunkte:
Was passiert, wenn sich die Eintrittstemperatur des Wassers von 12 °C auf 6 °C erniedrigt?
Regelungsmöglichkeit der Warmwassertemperatur?
Was passiert, wenn der Wasservolumenstrom nur noch ein Drittel (3,6 l/min)
&
m
Wassermass enstrom
( V& W =
= W ) des ursprünglichen Wertes besitzt und der StröρW
Dichte des Wassers
mungsschalter nicht abschaltet?
Anhaltswerte für H20 bei der Wärmezufuhr bei p = konstant:
→ Folie
„T,Q-Diagramm für 1 kg Wasser bei p = 1 bar“, /9/, S. 80
Aggregatzustände:
Fest
cpEis ≈
Fest → Flüssig
e≈
Flüssig
cpW ≈
Flüssig → Dampfförmig
r(0 °C) ≈
Dampfförmig
cpD ≈
kJ
,
kg ⋅ K
kJ
330
Schmelzwärme Eis,
kg
kJ
4
,
kg ⋅ K
kJ
2500
Verdampfungswärme,
kg
kJ
2
.
kg ⋅ K
2
Systembetrachtungen und Energie:
Sehr oft interessieren dabei nur Energiedifferenzen zwischen In- und Output.
Sehr oft wird der untere Energiebezugspunkt im interessierenden Bereich gleich
Null gesetzt (0 °C).
7
Endenergie für 5 Minuten Duschen:
⇒ Bild an Tafel
"Leistung P = f(τ = Zeit) mit Energie E als Fläche"
Energie = Leistung x Zeit = Pel⋅τ bei P = konstant, 1 h = 60 min,
5
E el = 21 kW ⋅ 5 min = 21 kW ⋅
h,
60
Eel = 1,75 kWh.
Vergleich Betriebszeit τ einer 100 W Glühlampe bei gleicher elektrischer Energie?
Was passiert, wenn beim Abschalten der Wasserzufuhr Pel nicht abschaltet?
Wie lange dauert es, bis bei einem Wasserinhalt von 0,5 kg ϑA = 100 °C beträgt?
Welche Sicherheitseinrichtung verhindert Übertemperaturen?
Welche Art von Durchlauferhitzern mit welchen Regel-/Messgrößen sind heute üblich auf dem
Markt?
1.4
⇒ Zeigen Film
„Stiebel Eltron Elektronisch geregelter Durchlauferhitzer“
⇒ Bild an Tafel
& und ϑA = f( V
& ) bei hydraulischem und elektronisch geregel"Pel, Q
W
W
tem Durchlauferhitzer“
⇒ Bild an Tafel
"Steuerung hydraulischer und Regelung elektronischer Durchlauferhitzer“
Energiefluss und Energiebegriffe
Primärenergie/Brennstoffeinsatz im Kraftwerk für 5 Minuten Duschen:
Mit Wirkungsgrad η =
Elektrische Energie
Nutzen
=
= 0,35 = 35 %
Aufwand
Brennstoff energie
→ Brennstoffeinsatz im Kraftwerk
= Nutzen/η = 1,75 kWh/0,35
EB = 5 kWh
(Verluste für Transport, Transformatoren, Speicherung und Verteilung noch nicht berücksichtigt: Netzverluste Deutschland 2000 = %?)!
Was ist Energie? - energeia: Wirksamkeit
- Zustandsgröße, die den Zustand eines materiellen (Masse, elektrische
Ladung) Systems angibt /10/.
Ziel der Betrachtung:
Energiemix, Energieketten,
viele Energieformen und zahlreiche Umwandlungssysteme.
8
→ Folie
„Energiebegriffe und Energiefluss“, /11/, S. 4
Energiemix: viele Energieträger (Kohle, Erdgas, Kernenergie, etc.) und
Technikmix: viele Energietechniken (Kraftwerk, Heizwerk, Raffinerie, Motor, Brenner, etc.)
Energiefluss:
Primärenergie (100 %)
→ Nutzenergie/Verluste =
33 %
: Bilanz Deutschland (1995),
67 %
auch Nutzenergie geht letztendlich als Abwärme an die Umgebung!
Energiebegriffe:
Primärenergie PE:
Sekundärenergie SE:
Endenergie EE:
Nutzenergie NE:
→ Folie
natürlich vorhanden (fossil, KE, regenerativ),
nach technischer Umwandlung,
PE und SE beim Kunden vor letzter Umwandlung,
Nutzung beim Kunden nach Abzug aller Verluste.
„Energiearten und ihre Umwandlungen“, /12/, S. 31
⇒ Bild an Tafel
"Systemmodell Bilanz PE → NE/Verluste"
⇒ Bild an Tafel
"4 Energie- und 2 umwandlungsblöcke von PE bis NE"
Zusammenfassung zu Kapitel 1:
Technik, Physik, Technikverständnis, Warum Technikunterricht? Didaktische Reduktion (horizontal, vertikal), Systemmodell, Bilanz Durchlauferhitzer, Energie, Energiefluss, Energiebegriffe,
Energiemix.
9
2
ENERGIEROHSTOFFE
2.1
Heizwert als Energieinhalt fossiler Primärenergieträger
Fossile Primärenergieträger:
Energierohstoffe, die natürlich auf Erde vorhanden sind (Kohle, Erdöl, Erdgas), Ursprung tierisch oder pflanzlich.
Bezeichnung des Energieinhaltes von Energierohstoffen (Primärenergie, Brennstoff):
- Heizwert H (früher: unterer Heizwert Hu):
Freigesetzte Energie bei vollkommener
Verbrennung bezogen auf die Brennstoffmenge beim Temperaturniveau
25 °C, Umgebungsdruck und ohne die Verdampfungswärme r = 2.442
kJ/kg von Wasser
(Woher kommt das H2O bei der Verbrennung?);
- Brennwert B (früher: oberer Heizwert Ho):
Einheiten.
Früher :
Heute:
1 Kalorie = 1 cal → Wärmemenge/-energie,
um ein Gramm Wasser von 14,5 °C auf 15,5 °C zu erwärmen.
1
cal /13/.
1 Joule = 1 J = 1 W⋅s = 1 N⋅m = 1 kg⋅m2⋅s-2 =
4,1868
Umrechnung:
Schreibweisenvereinfachung:
1k
= 1 Kilo
1 M = 1 Mega
1 G = 1 Giga
1T
= 1 Tera
1 P = 1 Peta
1 E = 1 Exa
→ Folie
Heizwert + r.
z. B. mechanische Arbeit aus N⋅m = Kraft·Weg
m
= Masse⋅Beschleunigung⋅Weg = kg⋅ 2 ⋅m.
s
z. B. 1 t Steinkohleneinheit = 1 t SKE = 103 kg⋅HSteinkohle
= 103 kg⋅29.308 kJ/kg (Festlegung).
= 1.000
= 1.000.000
= 1.000.000.000
= 1.000.000.000.000
= 1.000.000.000.000.000
= 1.000.000.000.000.000.000
= 103,
= 106,
= 109,
= 1012,
= 1015,
= 1018.
„Ausgewählte Stoffwerte fossiler Primärenergieträger (Anhaltswerte)
(1 kg SKE = 29.308 kJ)“, /11/, S. 9
Beispiel H-Umrechnung bei Steinkohle von MJ/kg in kWh/kg:
29,7 MJ/kg → ........ kWh/kg?
2.2
Derzeitige Situation auf dem Primärenergiemarkt der Welt und Deutschland
Situation Primärenergiemarkt PE
→ Verteilen „Steinkohle Jahresbericht 2007 – Optionen für die Zukunft“, GVST /14/
10
Leporello „Steinkohle 2004“, GVST, /15/, http://www.gvst.de/ (10.09.2009) (gibt es nicht mehr!)
→ Folie
„Primärenergieverbrauch der Welt in 109 t SKE“, /17/, S. 539
Weltprimärenergieeinsatz PE (ohne Holz, Torf und sonstige nicht kommerziell gehandelte
Brennstoffe)
Jahr
1973
1995
2000
2020
9
Einwohner x 10 E
4,0
5,7
6,0
8,0?
PE x 109 t SKE/a
8,59
12,24 (+1,7 mit )
13,6
19?
→ Folie
„Weltenergieverbrauch nach Energieträgern“, /16/, Ausgabe 2001, S. 20
http://www.energie-welt-dnk.com; http://www.weltenergierat.de/ (10.09.2008)
Erdöl:
36 %;
Kohle:
22 %;
Erdgas:
22 %;
Kernenergie: 7 %;
Wasser:
2 %!
2000 Anteile Welt in %:
Ergebnis Welt:
→ Folie
Ansteigende Tendenz!
15 Milliarden t SKE/a (2003)
„Energieverbrauch in Deutschland“, /14/, Ausgabe 2001, S. 16
Primärenergie-Einsatz Deutschland (PE alte und neue Bundesländer BL) nach /14/ und Mineralölwirtschaftsverband MWV, Hamburg http://www.mwv.de/ (10.09.2008)
Jahr
1970
1985
1995
2000
6
Einwohner x 10 E
79,0
77,6
81,5
81,5
PE x 106 t SKE/a
441
514
487
484
→ Verteilen „Erdgaswirtschaft im Überblick – Markt, Leistung, Pertspektiven Stand Sept. 2007“
E.ON Ruhrgas AG, Essen, 10/2003, /18/
→ Folie
„Primärenergieverbrauch nach Energieträgern in Deutschland 2001“
/18/, S. 4; http://www.ruhrgas.de/ (10.09.2008)
2001 Anteile Deutschland in %:
Erdöl:
38 %;
Kohle:
24 %;
Erdgas:
22 %;
Kernenergie: 13 %;
Sonstige:
3 % (Wasser 1 und andere)!
Ergebnis Deutschland: Ähnliche Anteile wie in Welt,
Verbrauch stagnierend, 500 Millionen t SKE/a (2003)
abnehmende Tendenz!
2.3
Energiereserven und Reichweite fossiler Energieträger
Frage:
Wie lange reichen die Energieträger noch?
11
→ Folie
„Vorräte fossiler Primärenergieträger in der Welt und in Deutschland 1994“
/19/, S. 1109; /20/, S. 8
→ Folie
„Wirtschaftlich gewinnbare Weltvorräte und –verbrauch 2000 von Kohle, Erdöl und Erdgas“, /14/, Ausgabe 2001, S. 20
Energiereserven Steinkohle (w. g.: wirtschaftlich gewinnbar):
BRD(1994): 24⋅109 t
Welt(1994): 521⋅109 t.
Energiereserven aller fossilen Energieträger (w. g.):
Welt (2000):
1.180⋅109 t SKE.
Energieverbrauch aller fossilen Energieträger:
Welt (2000):
11,2⋅109 t SKE/a.
Geologische Vorräte:
Problem:
2.4
Reserven (wirtschaftlich gewinnbar) x 10!
Zur Zeit nicht Energieversorgung, sondern Handhabung großer Massen- und Volumenströme und der Reststoffe (Asche, Abgas, Abwasser).
Lebensdauer und Grenzen des Wachstums
Energiereserven (wirtschaftlich gewinnbar)
Lebensdauer statisch
LDstat. =
≠ statisch
= f(Preise P, Technik T, Exploration E).
Reserven w.g.
Jahresverbrauch derzeitig
.
- bestimmtes Jahr: fester Wert = Momentanangabe,
Beispiel:
Welt, 2000, Werte aus „ Wirtschaftlich gewinnbare Weltvorräte und –
verbrauch 2000...“,
Annahme: zukünftiger PE-Verbrauch nur aus fossilen PE-Trägern (ohne
Kernenergie)
LDstat. =
Reserven w.g.
Jahresverbrauch derzeitig
= ----------? = ..........a?
Schlussfolgerung: → Grenzen des Wachstums (Meadows, Club of Rome)!
2.5
Wachstum der Grenzen
- verschiedene Jahre = f(Zeit) = variabel,
→ Folie
„Zunahme der Erdöl- und Erdgasreserven und ihrer statischen Reichweite“
/16/, Ausgabe 2001, S. 12
12
Ergebnis:
Statische Lebensdauer LDstat der Energieträger nimmt trotz steigender
Nachfrage zu!
Zeitraum
1970 → 2000
1970 → 2000
Beispiele:
Erdöl
Erdgas
LDstat
33 a → 43 a,
43 a → 68 a.
Schlussfolgerung: → Wachstum der Grenzen (Knizia /21/)!
⇒ Bild an Tafel
3 Blöcke:
„Dreidimensionale Zeichnung mit 3 Bewertungskriterien
1 Preis/Bauwürdigkeit/Wirtschaftlichkeit billig ↕ teuer
2 Exploration/Nachweissicherheit zunehmend/sicher ← unsicher
3 Technik/Gewinnbarkeit einfach kompliziert“
(3 Achsen entsprechen Längen → Volumen → x Dichte = Masse)
1 Bisheriger Verbrauch (Vergangenheit)
2 Wirtschaftlich gewinnbare Vorräte → Zur Zeit noch Wachstum
3 Geologische Vorräte (in Erde vorhanden, Schätzungen).
Grenzen des Wachstums → Wachstum der Grenzen!
Umkehrung der Aussage:
Frage:
Unterschied Energierohstoffe zu übrigen Rohstoffen (siehe Allgemeine Technologie – Stoffumsatz)?
Streckung der Vorräte:
Frage:
- Sparsamer Umgang mit Rohstoffen zur Erfüllung von Kundenwünschen/Dienstleistungen.
- Substitution (Wechsel auf andere Energieträger).
- Verzicht/Sparen.
Wieviel müssen wir „sparen“ an Jderzeitig (Reduzierung auf ½, ¼, 1/8, 1/16, 1/100,
1/1000?) für wieviel zukünftige Generationen nG (5, 10, 20, 100, 1000 ?) (τG ≈ 30
a/Generation) z. B. im Bereich der fossilen Primärenergieträger mit Startwert 2000
für eine nachhaltige (sustainable) Energieversorgung?
R w.g.
Ansatz:
nG =
LD stat
=
τG
J derzeit
30 a
Generation
1.180 ⋅ 10 9 tSKE
11,2 ⋅ 10 9 tSKE/a
= 3,5 Generationen,
30 a
Generation
nG (1/2·Jderzeitig) =...........?
NG (1/4·Jderzeitig) =...........?
Etc.?
Zusammenfassung zu Kapitel 2:
Fossile Primärenergieträger, Heizwert, Brennwert, Energieeinheiten, Schreibweisen Kilo bis
Exa, Stoffwerte, Situation Primärenergiemarkt (Welt, Deutschland), Reserven (geologische Vor-
13
räte und wirtschaftlich gewinnbar), LDstatisch, Technik-Wirtschaftlichkeit-Nachweissicherheit,
Grenzen des Wachstums – Wachstum der Grenzen.
14
3
GEWINNUNG UND TRANSPORT VON ENERGIE
3.1
Gewinnung von festen, flüssigen und gasförmigen Primärenergieträgern
-
Obertägige Gewinnung:
Abbau der Deckschichten/Deckgebirge und der Rohstoffe (z. B. Braunkohle,
Steinkohle, Uranerz)
mit Maschinen ( z. B. Schaufelradbagger ) und
Transport ( z. B. Förderband, Bahn, Schiff ) der Rohstoffe zur
Aufbereitung oder zum Verbraucher.
→ Folie
„Schematische Darstellung einer Tagebauentwicklung“, /22/, S. 64
Siehe auch Schema Braunkohlentagebau:
http://www.braunkohle.de/tools/download.php?filedata=1165493160.pdf&filename=grafik40.pdf
&mimetype=application/pdf (9.5.2007)
t BK
(alle Beschäftigte)!
Abbauleistung Deutschland, Braunkohle, 1994:
14
Mann ⋅ Schicht
Anwendung der obertägigen Förderung:
-
Braunkohle, Steinkohle, Uran.
Untertägige Gewinnung:
Primärenergieträger PE wird über Schächte oder Bohrungen durch die Deckschichten/Deckgebirge zu Tage gefördert.
Schachtförderung:
Primärenergieträgerabbau (feste PE) mit Maschinen,
Transport über Bänder, Züge und Fördertürme zu Tage.
→ Verteilen „STEINKOHLENBERGBAU in Deutschland“, GVST /23/
→ Folie
„Schnitt durch ein Steinkohlenbergwerk“, /24/, S. 19
Hinweis: http://www.dsk.de/virtuelle_grubenfahrt/index.php (10.09.2008)
Abbauleistung Deutschland, 1995, Steinkohle:
Belegschaft unter Tage:
5,33
Alle Beschäftigte:
3,06
t SK
Mann ⋅ Schicht
t SKE
M ⋅S
,
.
Fragen:
Welche Werte resultieren daraus für Kohlepreis/Kosten? Im Vergleich zum Erlös/t?
Frage:
Wie sind die Werte für die spezifischen Abbauleistungen 2000 ermittelbar mit den
bisher verteilten Unterlagen?
15
Gewinnungsteufe 1995:
941 m,
Anwendung der Schachtförderung:
Flözmächtigkeit 1995:
149 cm.
Steinkohle.
Bohrförderung:
Unterirdische Felder der Primärenergieträger durch Tiefbohranlagen erschließen,
Förderung der flüssigen oder gasförmigen Energieträger mit Hilfe der Lagerstättenenergie, Pumpen oder Verdichtern über Rohrleitungen.
→ Verteilen „Öl – Rohstoff und Energieträger“, MWV /25/
MWV Mineralölwirtschaftsverband, Internetadresse http://www.mwv.de/ (05.09.2008)
→ Folie
„Bohrung“, /25/, S. 6
Rattenloch: zum Abstellen der Mitnehmerstange bei Gestängeverlängerung.
Siehe auch http://www.erdgasinfo.de/608.asp (10.09.2008)!
→ Folie
„Bohr-Meißel“, /25/, S. 2
Bohr-Meißel: Innen hohl, Spühl- und Kühlflüssigkeit strömt von Innen nach Außen
zum Transport des Bohrgesteins.
→ Folie
„Förderung von Erdöl über Bohrungen“, /25/, S. 7
⇒ Bild an Tafel
„Arbeitsweise einer Tiefpumpe/Plunger-Pumpe (Verdrängerpumpe:
Kolben) für Erdöl mit 2 Kugelventilen“
⇒ Zeigen
Frage:
„Demonstrationsmodell Pumpe“
Warum kann der Kolben der Pumpe nicht in der Höhe der Erdoberfläche betrieben
werden (Einsparung der langen Kolbenstange) und als Saugpumpe für die gesamte Flüssigkeitssäule betrieben werden (Anwendungsbeispiele: Schrebergarten,
Feuerwehr)?
⇒ Bild an Tafel
"Druckbilanz an Kolben der Pumpe“
Anwendung Bohrförderung:
Erdgas (Verdichter) und Erdöl (Pumpe).
Hohe Förder- und Transportmengen.
Förderorte/Lieferländer und Verarbeiter/Verbraucher:
teilweise weite Entfernungen und Transport:
→ aufwändige Logistik!
Beispiel Erdöl weltweit: Jede zweite Tonne des zur Verarbeitung kommenden
Erdöls (2002: 3,5⋅109 t/a) hat einen Tanker- und Pipelinetransport
hinter sich!
→ Folie
„Seetransport von Erdöl im Jahre 1989“, /26/, S. 4
→ Folie
"Energy Worldwide in 1998", /27/, S. 76
16
→ Folie
„Energielieferanten Deutschlands“, /17/, S. 538
Beispiel Deutschland 2001:
3.2
62 % der eingesetzten Primärenergieträger von
etwa 495⋅106 t SKE/a werden importiert!
Primärenergieträgertransport
Definition Transport:
- Große Mengen/Leistungen,
- weite Entfernungen,
- wenige Abnehmer!
3.2.1 Transport von Erdöl
→ Folie
„Mineralöl- und Mineralölproduktenfluss von der Quelle bis zum Verbraucher“, /28/, S. 100
→ Verteilen MWV Leporello/Faltblatt/geheftet „Mineralöl-Zahlen 2003“ /29/
Erdöl Deutschland 2001: ≈ 100 Mio. t Import,
≈ 3 Mio. t Inlandsförderung,
≈ 45 Mio. t Produktimporte,
Summe
Vergleich
106 (2003)
4 (2003)
36 (2003) Preis, Fusion, Verbr.↓!
146 Mio. t!
Inlandsabsatz Mineralölprodukte 115 Mio. t!
Frage: Wo bleibt die Differenz Mineralölbilanz 2003 – Inlandsabsatz 2003
= (146 – 115) Mio. t?
Importiertes Erdöl erst mit Tanker (bis 500.000 t, 20.000 km ein Weg!
(Fahrzeit τ bei 10 kn: τ = ........d?
außer von GUS (Pipeline)!
Transportstatistik Deutschland 1996
Pipeline: 70 %
Tanker/Seeschiffahrt: 30 %
Warum taucht in der Transportstatistik für Deutschland die Pipeline mit 70 % auf und nicht der
Tanker?
→ Folie
Ergebnis:
„Raffinerien und Pipelines 2001“, /30/, S. 22
Verlagerung der Raffinerien von den Seehäfen ins Inland ab 1958 in Deutschland
wegen Transportkosten für Produkte
→ Pipelinebetrieb notwendig!
Hohe Auslastung wegen hoher Investitionskosten bei Pipeline notwendig!
⇒ Bild an Tafel
"Erdölpipeline mit verschiedenen Pumpstationen und Druckverlauf“
17
Berechnungsansätze:
Kosten Gesamt pro Jahr KGa
≈ Pipeline(Investition) + Energie (Pumpen) + Sonstiges
= KPa + KEa + Sa in DM/a,
Spezifische Transportkosten bezogen auf eine Tonne Erdöl (Sa nicht berücksichtigt)
mit
ma = Jahresdurchsatz in t/a
K
K
= Pa + Ea = k P + k E in DM/t.
kG
ma ma
Investition:
kP
mit
⇒ Bild an Tafel
Beispiel:
"Spezifischer Transportkostenverlauf in Abhängigkeit vom Jahresdurchsatz kP = f(1/ma), fixe Kosten"
Trans-Alaska-Pipeline (T), Länge 1.200 km,
0,12
18 ⋅ 10 9 DM ⋅
a = 36 DM !
k PT =
t
t
60 ⋅ 10 6
a
Frage: Viel im Vergleich zum Erdölpreis?
Energie:
⇒ Bild an Tafel
Beispiel:
IP ⋅ a P
1
= f( ),
x
ma
IP
= Investitionskosten = fixe Kosten, warum fix?
= Annuität (Zinsen und Tilgung),
aP
x
= einzige Variable in Gleichung = ma.
=
⎛ m a2 ⎞
kE = f(∆p) = f ⎜⎜ 5 ⎟⎟ = f(x2), variable Kosten,
warum variabel?
⎝ Di ⎠
mit
∆p
= Druckverlust in Rohrleitung,
Di
= Innendurchmesser der Pipeline,
x
= einzige Variable in Gleichung = ma.
"Spezifischer Transportkostenverlauf in Abhängigkeit vom Jahresdurchsatz kE = f( m a2 ), variable Kosten"
Spezifischer Energiebedarf (NW Nennweite 700 mm) = e = 9
kWh Strom
t ⋅ 1000 km
kETrans-Alaska-Pipeline = ..........€/t?
Optimaler Betriebspunkt: Minimum der Summe aus den Kostenkurven! Verlauf?
,
18
3.2.2 Transport von Erdgas
Erdgasversorgung von Deutschland im Jahr 2001 mit 74,6 Mio t OE/a aus:
36 % Russland (bis 6.000 km, 10 - 15 % Treibgasverbrauch),
21 % Norwegen,
19 % Niederland,
6 % Großbritannien, Dänemark, Sonstige
Summe = 82 %!
Woher kommt der Rest?
Aktuelle Werte siehe:
→ Folie
http://www.ruhrgas.de/deutsch/index.htm (10.09.2008)
„Der Erdgasfluss vom Fundort bis zum Verbraucher“, /11/, S. 52
⇒ Bild an Tafel
"Aufbau und Druckverlauf für eine Erdgaspipeline“
Transport: mit Verdichtern über Rohrleitungen (Pipeline: 60 bis 80 bar)
bis zum Endverbraucher (1,1 bar).
Ausnahmen: bei sehr weiten Entfernungen oder für die Pipeline schwierigen geographischen Verhältnissen wird Ergas in verflüssigter Form
LNG = liquefied natural gas (-161 °C, 1 bar: ρLNG = 480 kg/m3);
z. B. Japan: Transport/Anlieferung mit LNG-Tankern.
Frage: Unterschiede zum Erdöltanker?
Rohrnetz Deutschland Ende 2001:
circa 370.000 km /31/!
Niederdruck ( bis 100 mbar Überdruck)
98.084 km
92.055 km
Mitteldruck (> 100 mbar bis 1 bar Überdr.)
67.766 km
Hochdruck (> 1 bar Überdruck)
Summe
257.905 km
5 neue BL 1990
43.165 km
Gesamtsumme (Werte 1995)
301.070 km
→ Folie
„Erdgasuntertagespeicher in Deutschland 1996“, /32/, S. 12
Warum Erdgasuntertagespeicher?
- Erdgas wegen geringer Dichte beim Verbraucher nicht speicherbar (Sicherheitsund Kostenaspekte),
- Lieferung möglichst konstant (pay or take),
- Verbrauch Sommer/Winter unterschiedlich!
Deutschland 2001, /19/, Ausgabe 2002:
In Betrieb:
42 Untertagespeicher (23 Porenspeicher, 19 Kavernenspeicher),
VGas
= 30,5⋅109 m3,
VArbeitsgas
= 18,5⋅109 m3 (Betriebsdruck 30 bis 200 bar).
Rest?
In Bau/Planung:
19 Untertagespeicher (5 Porenspeicher, 14 Kavernenspeicher)
VGas
= 7,7⋅109 m3,
= 5,2⋅109 m3.
VArbeitsgas
19
Frage:
Angegebene m3 = Speichervolumen?
Vergleich:
Verbrauch
Ziel:
Konstante Lieferung über Jahr bei variierendem Absatz.
⇒ Bild an Tafel
„Erdgasjahresabsatz (Mittelwert über mehrere Jahre) bei konstanter
Lieferung mit Ausgleich Sommer-Winter durch Jahresspeicher“
= 83·109 m3/a (m3 = Nm3, Deutschland, 2002).
3.2.3 Transport von Steinkohle
Steinkohle: Deutschland 2000 http://www.kohlenstatistik.de/uebersicht.php (05.09.2008)
Absatz deutscher Steinkohlenbergbau
≈ 38,6⋅106 t SKE/a
Importkohle http://www.verein-kohlenimporteure.de/ (5.9.08)
≈ 33,9⋅106 t SKE/a
ergeben etwa 13,5 % am Primärenergie-Einsatz!
Importe mit Überseeschiffen:
40.000 bis 140.000 t → Frachtraten 5 – 15 $/t (2002).
→ Folie „Der Weg der Steinkohle und ihrer Produkte von der Förderung bis zum Endverbraucher“, /11/, S. 71
Transportstatistik Steinkohle:
Bahn (DB) 60 %
Binnenschiff 20 %
→ Folie
Eigene Transporte 15 %
Straße 5 %
„F Offene Drehgestell-Schüttgutwagen mit Schwerkraftentladung - schlagartig -“, /33/, S. 30/31
3.2.4 Transport von Braunkohle
Braunkohle:
Deutschland 2001
Förderung 175⋅106 t/a, Verbrauch = 55,6 Mio. t SKE ≈ 11 % am PE-Einsatz!
http://www.braunkohle.de/ (05.09.2008)
→ Folie
„Der Weg der Braunkohle von der Gewinnung bis zum Einsatzort“
/11/, S. 94
Transport: Band und Bahn
- Bandanlagen: Länge 1994 bei 435 km, Durchschnittsentfernung 10,5 km,
- Betriebseigene Bahnen:
Länge 1994 bei 1130 km.
→ Folie
Achtung:
„Schema, Antrieb und Aufbau von Gurtbandförderern“, /11/, S. 98
zusätzlicher Transport von 8 t Abraum/1 t Braunkohle,
geringer Heizwert und hoher Wasseranteil (bis 60 %) fordern geringe Entfernung
zum Kraftwerk!
20
3.3
Sekundärenergieträgertransport
3.3.1 Transport von Mineralölprodukten
Siehe auch: http://www.mwv.de/cms/upload/pdf/broschueren/160_Logistik.pdf (4.6.2007)
Deutschland, 2001
Mineralölprodukte:
Inlandsabsatz:
≈ 128 Mio. t/a,
115 (2003)
Ausfuhr:
≈ 18 Mio. t/a,
19 (2003),
Aktuelle Daten: http://www.mwv.de/cms/upload/pdf/aktuelles/000_JB.pdf (10.09.2008)
Mineralölprodukte: Transport nach Verkehrsträgern, Deutschland 1996 ca. 126 Mio t/a!
Anteil in %
Technik
Menge in 106 t/a
43,6
Binnenschiff
35
26,5
Eisenbahn
21
22,1
18
LKW (> 50 km)
21,4
Tanker
17
12,1
9
Produkt-Pipeline(> 40 km)
Summe
125,7
100
Frage: Welche Bedeutung hat der LKW bei Entfernungen < 50 km?
→ Folie
„Schnittzeichnung eines Binnentankschiffs (Europa-Typ) für den Transport
von Mineralölprodukten“, /11/, S. 170
Frage: Was ist eine Gaspendelleitung und welche Analogie gibt es zu nach den Umweltauflagen
umgerüsteten Tankstellen?
Frage: Warum Heizschlangen mit Zu- und Abdampfleitungen?
⇒ Zeigen
„Glas mit Erdölprobe Ardjuna (Java) Erdöl“
3.3.2 Transport von elektrischer Energie
Elektrizität: Deutschland 2000
Nettostromerzeugung der Stromversorger = 469⋅109 kWh/a!
http://www.strom.de/
→ Folie
„Elektrizitätsfluss 1998 in Millionen Kilowattstunden“
/34/, Ausgabe 1999, S. 20/21
Stromtransport: Vermaschtes System (früher: Netz) über
Freileitungen und Kabel mit
Drehstrom und den
Spannungsebenen 115 kV, 230 kV und 400 kV (früher: 110/220/380 kV)!
(geben auch ca. maximal wirtschaftliche Länge in km an; wirklich ausgeführte Längen bis zum nächsten Knoten ≈ 100 km in Deutschland!)
21
(Siehe auch Veranstaltungen des Hauptstudiums: „Elektrische Energie- und Sicherheitstechnik“ und „Systeme des Energieverbundes“)
→ Folie
„Drehstromfreileitung mit sechs Stromkreisen und einem Erdseil“
/11/, S. 113
⇒ Zeigen "Leiterseil, Bündelleiter, Erdseil mit Lichtwellenleiter"
Bündelleiter:
aus verdrehten Einzeldrähten (Stahl/Aluminium)
= Leiterseil zu
Bündeln mit Abstandshaltern kombiniert
= Bündelleiter
→ genormte Leiterseile (billig), reduziert Skin-Effekt (Stromverdrängung
nach außen).
Stromkreislängen: Deutschland 2000, ≥ 36 kV http://www.vdn-berlin.de/ (10.09.2008) VDNJahresbericht
Hochspannung (36 – 110 kV und Höchstspannung ( 220 und 380 kV) etwa 113.000 km /34/
Technik
Länge in km
Anteil in %
Freileitungen
108.400
96
Kabel
4.600
4 (10 x teurer als Freil.)
Summe
113.000 (2,7 x Erdumfang) 100
→ Folie
Hinweis:
„Schematischer Aufbau der Spannungsebenen“, /35/, S. 18
Niederspannungsnetz (400/230 V) in der Regel nicht vermascht sondern Strahlennetz, da vermaschtes Netz zu teuer und Reparaturdauer sehr gering!
Warum Stromtransport bei hohen Spannungen Un?
Antwort:
Verlustleistung PV = PLastabhängig=Va + PLastunabhängig=Vu soll gering sein!
Netzverluste alte Bundesländer 1995:
4,7 %!
Beweis:
Vereinfachte Ansätze für homogene, symmetrische Drehstromleitung:
PV ~ 3 ⋅ In2 ⋅ R L + 3 ⋅ Un2 ⋅ GL ,
mit: In
= Bemessungsstrom des Leiters,
RL
ρL
l
A
Un
GL
RA
= ohmscher Leitungswiderstand = ρL ⋅
l
,
A
Ω ⋅ mm 2
,
= spezifischer ohmscher Leitungswiderstand [ρ] =
m
= Länge des Leiters,
= Querschnitt des Leiters,
= Bemessungsspannung des Leiters,
1
1
, [G] = ,
= Leitwert der Ableitung, GL =
RA
Ω
= Widerstand der Ableitung (Luft, Isolatoren, Kabelmantel);
real: sehr hoher Wert,
ideal: ∞,
Pn ~ Un ⋅ In ,
mit: Pn = Bemessungsleistung der Last (Kundenwunsch)
22
→ In ~
Pn
in Gleichung mit PV einsetzen.
Un
2
Ergebnis:
→ Folie
⎡P ⎤
U2
PV ~ ⎢ n ⎥ ⋅ R L + n .
RA
⎣ Un ⎦
↓
↓→ sehr groß (ideal:∞!)
im Nenner zum Quadrat!
„Verlustleistung PV beim Stromtransport“, /36/, S. 934
3.3.3 Transport von Fernwärme
Fernwärme: Zentrale Erzeugung von Heiz- oder Prozesswärme (Industrie) in
Heizkraftwerken (Wärme und Strom)/Heizwerken (Wärme) und
Transport in Form von Heißwasser oder Dampf in isolierten Rohrleitungen (Zweioder Dreileitersystem) zu den Verbrauchern.
Warum 2-/3-Leitersysteme?
→ Folie
„Schematischer Aufbau einer Fernwärmeversorgung“, /11/, S. 135
→ Verteilen „Fernwärmeauskopplung aus einem Kondensationskraftwerk (elektrische Leistung
400 -780 MW)“,
„Schema einer Fernwärmeheizungsanlage mit Trinkwassererwärmung - indirekter Anschluss“,
AGFW /37/, AGFW Arbeitsgemeinschaft für Wärme und Heizkraftwirtschaft e. V., Frankfurt a.
M., Internet http://www.agfw.de/ (05.09.2008)
→ Folie
„Fernwärmeauskopplung aus einem Kondensationskraftwerk (elektrische
Leistung 400 - 780 MW)“, /37/
Auskopplung der gesamten Kondensationsleistung:
→ Folie
Gegendruckkraftwerk/-betrieb!
„Schema einer Fernwärmeheizungsanlage mit Trinkwassererwärmung - indirekter Anschluss -“, /38/
&
Fernwärmeheizleistung: Q
FW
& W ⋅ c pW (t V ) ⋅ t V − m
& W ⋅ c pW (t R ) ⋅ t R ,
=m
Vereinfachungen:
&
Q
FW
cpW
ρW
= konstant, Mittelwert von tV und tR,
= Dichte ρ des Wassers als Mittelwert,
≈ v W ⋅ FRohr ⋅ ρ W ⋅ c pW ⋅ (t V − t R ) ,
mit
= Strömungsgeschwindigkeit des Wassers,
vW
FRohr = Querschnittsfläche des Rohrs (Kreis)
D2
= π⋅ R ,
4
= Innendurchmesser des Rohrs.
DR
23
Ergebnis:
&
Q
FW
≈ vW ⋅ π ⋅
DR2
⋅ ρ W ⋅ c pW ⋅ (t V − t R ) .
4
Beispiel für Temperaturen Vorlauf - Rücklauf:
tV - tR = 130 °C - 60 °C = 70 K.
Beispiel für Geschwindigkeit:
vW = 1 ÷ 3
m
.
s
Beispiel für Durchmesser:
DR = 600 mm = 0,6 m.
& :
Beispiel für Fernwärmeleistung Q
FW
m
0,6 2 ⋅ m 2
kg
kJ
&
Q
≈
2
⋅
π
⋅
⋅ 962 3 (95 °C! ) ⋅ 4,18
⋅ (130 °C − 60 °C) ,
FW
s
4
m
kg ⋅ K
&
Q
= 159 MW.
FW
Vergleich Erdölpipeline: Betriebsdaten Volumenstrom
Dichte Erdöl
Heizwert
0,6 2 ⋅ m2
m
E& EP = V& E ⋅ ρE ⋅ HU = 2
⋅π⋅
s
4
& !
= 20.188 MW ≈ 127· Q
V& wie Fernwärme,
ρE = 840 kg/m3,
H = HU = 42,5 MJ/kg,
kg
MJ
⋅ 840 3 ⋅ 42,5
,
m
kg
FW
→ Folie
„Kanalaufbau und Kanalprofil bei Fernwärmeleitungen“
/11/, S. 146
Querschnittsaufbau (von Innen 1. nach Außen 3.) von Fernwärmeleitungen
(Vor- und Rücklauf):
⇒ Bilder an Tafel „FW-Leitung 2er-System, direkter Anschluss“
„FW-Leitung 2er-System, indirekter Anschluss“
"Zweileitersystem; Rohraufbau"
1. Mediumrohr
2. Isolierung
3. Mantelrohr
Verlegearten:
→ Folie
(Stahl: wegen Druck und Temperatur)
(Schaum, Mineralwolle, „Vakuum“: wegen Wärmeverlusten)
(Stahl, Zement, Kunststoff: Schutz gegen Erdboden und Feuchtigkeit).
unterirdisch: Kanal
(teuer, sehr betriebsicher),
kanalfrei
(zunehmend),
oberirdisch: freiverlegt, z. B. Industriegelände, Olympisches Dorf München
(selten wegen Optik/Platzgründe).
„Anteil mit Fernwärme beheizter Wohnungen im europäischen Vergleich“,
/39/
24
Fernwärmedaten, Deutschland /40/, /41/
1993
-Anteil fernwärmebeheizte Wohnungen:
12
- Fernwärmeanschlussleistung:
55.300
- Anzahl Kundenanlagen (Hausübergabest.) 232.325
- Fernwärmenetzeinspeisung:
349
- Netzverluste bezogen auf Netzeinspeisung 10
- Anteil Kraft-Wärme-Kopplung:
67
- Trassenlänge:
14.100
- Spezifische Netzlänge:
11
Fragen:
1998
12
56.000
319.775
355
13
76
18.200
12
2000
13
53.606
311.902
313
13
77
18.326
13,9
Einheit
%
MW
PJ/a (1015 J)
%
%
km
km /Netz.
- Ist die Auslastung der Fernwärmeanschlussleistung hoch?
- Wird die Anschlussleistung jemals im Jahr erreicht?
- Entspricht die Anzahl der Hausübergabestationen auch der Anzahl der Endkunden oder dem Anteil fernwärmebeheizter Wohnungen?
- Wie viel Wohnungen gibt es in Deutschland und wie viele sind davon fernwärmebeheizt?
3.4
Zusammenstellung der Transporttechniken
Zusammenstellung der Primär- und Sekundärenergietransporttechniken:
Energie
Transporttechnik
PE: Erdöl
Pipeline (Rohrleitung mit Pumpen), Tanker;
Erdgas
Pipeline (Rohrleitung mit Verdichtern), LNG-Tanker bei -161 °C/1 bar
(nicht für Deutschland);
Steinkohle
Überseeschiffe (Importkohle), Bahn (DB), Binnenschiff, Straße;
Braunkohle
Bandanlagen (Förderbänder), Bahn (betriebseigene Bahnen).
SE:
Mineralölprodukte Binnentankschiff, Eisenbahn, LKW (> 50 km), Tanker, Produktenpipeline (> 40 km);
Elektrizität
Freileitung und Kabel mit Drehstrom, weite Entfernungen: HGÜKabel (Hochspannungsgleichstromübertragung);
Fernwärme
Wärmeisolierte Rohrleitungen (mit Pumpen) mit Wasser oder Dampf/Wassernetz (2-/3-Leiter-Systeme).
Zusammenfassung zu Kapitel 3:
Gewinnungsarten, Abbauleistungen, Importabhängigkeit/Transportentfernungen, Erdölbilanz
und -transport, Transportkostenanteile bei Erdölpipeline, Erdgasherkunft und -transport, LNG,
Steinkohlenbilanz und -transport, Braunkohlenförderung und -transport, Abraumanteil, Mineralölproduktentransport, Elektrizitätsfluss und -transport, Stromtransport bei hohen Spannungen,
Fernwärme: Schema, Leistung, Querschnittsaufbau, Verlegearten, Daten.
25
4
ANALYSE KOMPLEXER SYSTEME DES ENERGIEUMSATZES
4.1
Analyse und Bewertung, Energiekette
Beschreibung komplexer Systeme bezüglich
Stoff-, Energie- und Informationsumsatz mit
Systemmodell möglich und formalisiert (siehe Kapitel 1).
Analyse und Bewertung komplexer Systeme möglich nach folgendem Schema:
- ZIEL/ZWECK (technisch, wirtschaftlich, gesellschaftlich)
- ATTRIBUTE
(charakteristische Eigenschaften)
- FUNKTION
(Wirkungsweise)
- TEILSYSTEME/SYSTEMELEMENTE
- STRUKTUR.
Beispielhafte Anwendung auf das System THERMISCHES KRAFTWERK:
ZIEL:
Umwandlung der chemisch gebundenen Energie des Brennstoffs in
elektrische Arbeit.
→ Folie
„System Wärmekraftwerk“, nach /6/, S. 9
Unterscheidung notwendig in:
- Zustandsformen von Energie:
beschreiben den Zustand in einem abgeschlossenen System, was sich im thermischen Gleichgewicht befindet,
(z. B. Brennstoff:
chemische Energie,
Verbrennungsgase:
innere Energie,
Arbeitsmittel Dampf/Wasser:
innere Energie,
Turbine:
kinetische Drehbewegungsenergie),
- Prozessformen von Energie:
beschreiben die über die Grenzen eines Systems
zu- oder abgeführten Energien Wärme Q und Arbeit W,
(z. B. Dampferzeuger:
Wärme von Verbrennungsgasen an
Arbeitsmittel,
Generator:
technische Arbeit von Turbine).
Energiekette:
1 Chemische Energie
2 Verbrennungswärme
3 Energie der Verbrennungsgase
4 Dampferzeugerwärme
5 Energie
des Dampfes
6 Mechanische Arbeit
Turbine
7 Elektrische Arbeit
Ech = mB⋅H mit m = Masse, B = Brennstoff,
H = Heizwert,
QV = mG·∆hG mit spezifische Enthalpiedifferenz,
EG = mG·hG
mit G = Verbrennungsgas, h = spezifische
Enthalpie,
QD = mD·∆hD mit spezifische Enthalpiedifferenz,
ED = mD·hD
mit m = Masse, D = Dampf, h = spezifische
Enthalpie (kinetische und potentielle Energie vernachlässigt),
Wmech = 2⋅π⋅n⋅MD⋅τ
mit n = Drehzahl, MD = Drehmonent, τ = Zeit,
Wel = U⋅I⋅τ
26
mit U = Spannung, I = Strom, τ = Zeit.
Generator
4.2
Schaltschema eines Dampfkraftwerks
Darstellung der Energiekette:
Schaltschema eines Dampfkraftwerks mit
4 Variationen der Darstellung
1. Variante
Schwarz-weiß Folie
→ Folie
„Vereinfachtes Schaltschema eines Dampfkraftwerkes“, /6/, S. 35
2. Variante
Bunt-Folie
→ Folie
„Vereinfachtes Schaltschema eines Dampfkraftwerkes als Buntfolie“
3. Variante
Klapp-Folie
→ Folie
„Vereinfachtes Schaltschema eines Dampfkraftwerkes als Klappfolie“
4. Variante
Power-Point Präsentation mit Ton
⇒ Zeigen
„Vereinfachtes Schaltschema eines Dampfkraftwerkes als Power-PointPräsentation mit Ton“
ATTRIBUTE:
→ Folie
FUNKTION:
Ein- und Ausgangsgrößen
Zustandsgrößen.
„Attribute zur Analyse des Systems Thermisches Kraftwerk“
Energie- und Stoffbilanz, Wirkungsgrad.
TEILSYSTEME/SYSTEMELEMENTE und STRUKTUR
→ Folie
„Teilsysteme, Systemelemente und Struktur Thermisches Kraftwerk“
→ Folie
„Das Kraftwerk – so einfach ist Stromerzeugung“, /42/, S. 10
Frage:
Was/Welche Hauptkomponenten (Maschinen, Apparate, Leitungen, Armaturen) braucht man für ein einfaches Dampfkraftwerk?
⇒ Bild an Tafel
„Symbole für Flüssigkeitsleitung, Pumpe, Elektromotor, Feuerung
und Dampferzeuger, Überhitzung, Dampfleitung, Dampfturbine, Generator, Kondensator, Wärmeaustauscher, Absperrventil“
⇒ Bild an Tafel
„Wir bauen uns ein einfaches (ohne ZÜ) Dampfkraftwerk in einem
Blockschaltbild mit Brennstoff Steinkohle und einem Nasskühlturm“
27
⇒ Bild an Tafel
„Zustandsverlauf des Arbeitsmittels eines einfachen Dampfkraftwerks
ohne Verluste (keine Dissipations-, Wärme- und Druckverluste) im
T,s-Diagramm“
Verbesserungs-/Änderungsmöglichkeiten?
4.3
Das Wärmeschaltbild des Braunkohlenkraftwerks Weisweiler
Komplexheit des Systems Wärmekraftwerk zeigt beispielhaft Wärmeschaltbild (Block H).
→ Folie
„Das Wärmeschaltbild mit Wasser-Dampf-Kreislauf des Braunkohlenkraftwerks Weisweiler (Block H)“, /42/, S. 14
Start: nach Kondensator
Kondensatpumpe
→ Abdampf ist kondensiert (Wasser: T = 38 °C = 311 K)
→ Drucherhöhung (Wasser an Siedelinie, würde bei
Energiezufuhr wieder verdampfen) mindestens bis 4,76
bar (tS = 150 °C), durch Druckverluste pHK-P ≈ 19 bar
ND-Vorwärmstufen 1 bis 3
→ Aufwärmung mit „minderwertiger“ Dampfenergie bis
150 °C = 423 K (Einsparung von Brennstoffexergie)
Speisewasserpumpe
→ Druckerhöhung auf mindestens 163 bar bei isobarer
Wärmezufuhr bis zur Überhitzungstemperatur 525 °C
(Realität: etwa 40 % Druckverlust bezogen auf Enddruck → pHD-Vorw. 1 ≈ 230 - 240 bar!)
HD-Vorwärmstufen 1 bis 2
→ Aufwärmung mit „minderwertiger“ Dampfenergie bis
237 °C = 510 K
Dampferzeuger
→ Weitere Aufwärmung bis mindestens 349 °C = 622
K, Verdampfung bei konstantem Druck und Temperatur
und Überhitzung bis 525 °C = 798 K
Hochdruckturbine
→ Entspannung auf 34 bar
Dampferzeuger
→ Zwischenüberhitzung auf 525 °C, Druckabfall
(Druckverluste im Dampferzeuger) auf 31 bar
Mitteldruckturbine
→ Entspannung auf 5 bar
Niederdruckturbine
→ Entspannung auf ca. 0,065 bar
Kondensator
→ Kondensation bei konstantem Druck p = 0,065 bar
und Temperatur von 37,8 °C = 311 K.
⇒ Bild anTafel
„Vereinfachtes Schaltbild eines Dampfkraftwerkes mit ZÜ, Turbine, 2 Pumpen und 2 Vorwärmwärmeaustauscher“ (Komponenten: Kondensatpumpe/Motor, NDVorwärmung, Speisewasserpumpe/Motor, HD-Vorwärmung, Dampferzeuger mit Ü, HDTurbine mit Anzapfung, Dampferzeuger mit ZÜ, MD-Turbine, ND-Turbine mit Anzapfung,
Kondensator mit Kühlturmkreislauf)“
4.4
Das T,s-Diagramm für Wasser und Wasserdampf
Darstellung der Zustandsänderungen und des Prozessverlaufs des Arbeitsmittels
im T,s-Diagramm mit
T = absolute Temperatur in K,
s = spezifische Entropie in kJ/(kg·K) = q/T + sDissipation, Entropie
= Verwandlungsgröße?, oder ds = dq/T + dsDissipation,
q = spezifische Wärmezu- oder -abfuhr.
28
→ Folie
„T,s-Diagramm für Wasser mit Isobaren, Isochoren und Isenthalpen“
/13/, S. 187 (1996)
Erläuterung der Größen x, p, v, K und h = konstant:
mD
x = Dampfgehalt =
, m = Masse, D = Dampf, W = Wasser,
mD + m W
x = 0: Wasser an Siedelinie,
x = 1: Dampf an Taulinie, dazwischen: Nassdampf;
p = Druck = Kraft/Fläche, p = konstant = Isobare;
1
v = spezifisches Volumen = Volumen/Masse = , v = konstant = Isochore,
ρ
K = kritischer Punkt:
TK = 374 °C = 647 K, pK = 221 bar, fester Wert für jeden Stoff,
T ≥ TK → v‘= spezifisches Volumen Wasser = v‘‘ = spezifisches Volumen Dampf und r = 0;
h = spezifische Enthalpie = u + p·v, u = innere Energie des Arbeitsmittels,
h ist Maß für Arbeitsvermögen in kJ/kg, h = konstant = Isenthalpe;
s = spezifische Entropie in kJ/(kg·K), ds = 0 → s = konstant = Isentrope
= maximale Arbeit von Maschinen (ohne Verluste) bei adiabaten Systemen
(adiabat = ohne Wärmezu- oder -abfuhr q).
⇒ Bild an Tafel
„T,s-Diagramm für Wasser mit x, 2 Isobaren (---) (1 über
Nassdampf, 2 überkritisch), 2 Isenthalpen (-●-●-) (1 überhitzt, 2
Nassdampf) und 1 Isochore (- - -) über Nassdampf und überhitzt“
Exakte Werte des T,s-Diagramms liegen in Tabellenform/Rechenformeln vor,
z. B. Eckwerte für Sättigungszustand → Wasserdampftafeln.
→ Folie
„Auszug aus den Wasserdampftafeln für den Sättigungszustand als
Temperatur- oder Drucktafel“, /43/, S. 316 - 331
Erläuterung der Größen t, T, p, v‘, v‘‘, ρ‘‘, h‘, h‘‘, r, s‘ und s‘‘:
t
= Siedetemperatur in °C = konstant bei p = konstant,
T
= Siedetemperatur in K,
p
= Siededruck = f(t),
‘
= Werte an Siedelinie (Wasser),
‘‘
= Werte an der Taulinie (Sattdampf),
v
= spezifisches Volumen (bezogen auf Masse),
ρ
= Dichte = 1/v,
h
= spezifische Enthalpie,
r
= Verdampfungswärme/-enthalpie (u + p·v) = h‘‘ - h‘,
s
= spezifische Entropie, s‘‘ - s‘ = r/T, → r = T·(s‘‘ - s‘),
Nassdampf: hN = h‘ + x·r, s = s‘ + x·r/T.
Beispiel:
Zustand des Arbeitsmittels vor und nach Kondensator
t = 37,8 °C ≈ 38 °C:
→ aus Wasserdampftafeln/Temperaturtafel pS = 0,06624 bar,
m3
21,63
v' '
kg
=
= 21.480 Volumenreduktion im Kondensator,
v'
m3
0,0010070
kg
29
kJ
kJ
= 2411,71
= r,
kg
kg
kJ
kJ
(s‘‘ - s‘) = (8,2962 - 0,5453)
= 7,7509
,
kg ⋅ K
kg ⋅ K
kJ
kJ
r = T·(s‘‘ - s‘) = (273,15 + 38)K·7,7509
= 311,5 K·7,7509
,
kg ⋅ K
kg ⋅ K
kJ
r = 2411,7 .
kg
h‘‘ - h‘ = (2570,8 - 159,09)
⇒ Verteilen "T,s-Diagramm für Wasser mit Isobaren, Isochoren und Isenthalpen"
4.5
Aufgabe:
Eintragen der Zustandswerte Braunkohlenkraftwerk Weisweiler (Block H)
im T,s-Diagramm und
Zustandsverlauf des Arbeitsmittels und
Pfeilangaben über Wärme- und Arbeits- zu- und abführung mit den Werten
Kondensator-Austritt tKA = 38 °C = (38 + 273) K = 311 K,
Hauptkondensatpumpe,
ND-Vorwärmung bis tND-Vorw. = 150 °C = 423 K,
Speisewasserpumpe (∆t = 3 K),
Verdampfungsbeginn tDE = 349 °C = 622 K, pDE = 163 bar,
Hoch-Druck-Eintritt tHDE = 525 °C = 798 K, pHDE = 163 bar,
Hoch-Druck-Austritt tHDA = 305 °C = 578 K, pHDA = 34 bar,
Zwischenüberhitzung ZÜ
Mittel-Druck-Eintritt tMDE = 525 °C = 798 K, pMDE = 31 bar,
[Mittel-Druck-Austritt = Nieder-Druck-Eintritt tNDE = 290 °C, pNDE = 5 bar,]
Nieder-Druck-Austritt = Kondensator-Eintritt tKE = 38 °C = 311 K, xKE = 0,912.
→ Folie
„T,s-Diagramm für Wasser mit Isobaren, Isochoren und Isenthalpen und
den Werten des Braunkohlenkraftwerks Weisweiler (Block H)“
/13/, S. 187 (1996); /42/, S. 14
Wirkungsgrad und Leistungsbetrachtungen an der Turbine
Wirkungsgrad- und Leistungsbetrachtungen an der Turbine:
→ Folie
⇒ Bild an Tafel
„Dissipationsenergie, Arbeitsverluste und Arbeitsmehraufwand bei der adiabaten Entspannung und Verdichtung“, /13/, S. 284
„Blockschaltbild und Zustandsverlauf des Arbeitsmittels einer offenen Gasturbinenanlage mit Dissipations-Verlusten in Verdichter (da Gas; bei Dampfkraftwerk erfolgt Druckerhöhung mit Pumpe, da Flüssigkeit) und in Gasturbine im T,s-Diagramm“
30
Spezifische technische Arbeit:
wt12 = h2 - h1, w(h) negativ bei Turbine, da Energie vom System
abgeführt wird,
Ablesen der Arbeit besser im h,s-Diagramm → Strecken!
→ Folie
„Einfache Dampfkraftanlage (schematisch)
Zustandsänderungen des Wasserdampfes beim Kreisprozess der einfachen Dampfkraftanlage“, /13/, Ausgabe 2000, S. 521 und 524
Technische Arbeit wt bei Dampf- und Gasturbinen, Pumpen und Verdichtern
lässt sich im h,s-Diagramm direkt als Strecke ∆h abgreifen;
s = konstant (ds = 0) → reversibler = verlustfreier Prozess mit maximaler
Arbeit = Senkrechte im h,s-Diagramm,
ds > 0 → irreversibler = verlustbehafteter Prozess,
Turbine:
abgeführte technische Arbeit wird kleiner, bei ZÜ verringert
sich die Wärmezufuhr im DE, beim Kondensator erhöht sich die
Wärmeabfuhr,
Pumpe/Verdichter: zugeführte technische Arbeit wird größer, die nachfolgende
Wärmezufuhr verringert sich.
4.6
Das h,s-Diagramm für Wasserdampf
→ Folie
„Adiabate Turbine
Irreversible adiabate Expansion 12 und reversible, isentrope Expansion 12‘
im h,s-Diagramm“, /13/, S. 280
(wt12‘)rev = ∆hs = h1 – h2‘ = maximale Arbeit,
Annahmen: adiabat, s = konstant, kinetische (∆c2/2) und potentielle
(g·∆z) Energie des Arbeitsmittels vernachlässigbar gegenüber ∆h;
isentroper Turbinenwirkungsgrad ηs,T:
realer Expansionsverlauf
h − h2
∆h
.
=
η s,T = 1
=
h1 − h 2' ∆h s
(adiabater, verlustfreier) = isentroper Expansionsverlauf
→ Folie
„Adiabate Expansion in einer Dampfturbine, dargestellt im h,s-Diagramm für
Wasserdampf“, /13/, S. 282
Beispiel:
Dampfturbine
& = 30,6 kg/s, h1 = 3495,6 kJ/kg, h2‘ = 2214,5 kJ/kg,
Gegeben: m
h2 = 2437,8 kJ/kg, ηm = mechanischer Wirkungsgrad
= 0,98;
Gesucht:
wt12, ∆hs, ηs,T, ІP12І, PT;
Lösung:
1. HS offene Systeme q12 + wt12 = h2 - h1 + ∆c2/2 + ∆z·g,
mit q12 = 0, ∆c2/2 ≈ 0, ∆z·g = 0 folgt
kJ
kJ
w t12 = h 2 − h1 = (2437,8 − 3495,6)
= −1057,8 ;
kg
kg
31
∆h s = h 2' − h1 = (2214,5 − 3495,6)
kJ
kJ
= −1281,1 ;
kg
kg
kJ
h − h1
kg
= 2
=
= 0,826 ≈ 83 %.
kJ
h 2' − h1
− 1281,1
kg
− 1057,8
η s,T
Übliche Werte für ηs,T:
HD = 0,82; MD = 0,84; ND = 0,79.
Messwerte an Turbinen: Nicht spezifische Enthalpiewerte h sondern
Druck p, Temperatur t (überhitztes Gebiet),
Druck p oder Temperatur t, Dampfgehalt x (Nassdampfgebiet).
⇒ Verteilen "h-s-Diagramm für Wasserdampf"
Frage:
Wie lässt sich die Rechenaufgabe zeichnerisch lösen, wenn die spezifischen Enthalpiewerte h nicht gegeben sind?
Angaben:
Punkt 1:
Punkt 2:
Punkt 2':
⇒ Wertevergleich mit Folie
p1 = 35 bar, t1 = 520 °C,
p2 = 0,0562 bar, x2 = 0,947,
p2' = p2 = 0,0562 bar (wird vom Kühlsystem vorgegen,
da t2 = t2' nach Dampfdruckkurve),
x2’ = 0,856 → Angabe notwendig?
„h-s-Diagramm für Wasserdampf mit Werten für 1, 2 u. 2’“
& ⋅ w t12 = 30,6 kg ⋅ 1057,8 kJ = 32368,68 kJ , 1 J = W·s,
P 12 = m
s
kg
s
|P12| = 32,4 MW;
PT = ηm·IP12I = 0,98·32,4 MW = 31,7 MW (durch Reibungsverluste an Welle).
Warum noch ηm?
⇒ Bild an Tafel
„Turbine mit Lager und Generator“
Stoffbilanz für 1 kWh Elektrische Energie
Stoffbilanz (In- und Output) nach Systemmodell im Vergleich zur Zielenergie Elekrische Energie bezogen auf 1 kWh.
→ Folie
„Ein- und austretende Stoffe pro erzeugter Kilowattstunde (Weisweiler)“,
/42/, S. 8
32
Input S:
Rohkohle
Luft
Rohwasser
Kalkstein
Summe
(Wasseranteil bis 60 %!):
4,5 m3, ρL ≈ 1,295 kg/m3:
2,1 l, ρW ≈ 1 kg/l:
Anlieferung:
m:
1,3 kg
5,8275 kg
2,1 kg
0,0047 kg
9,2322 kg;
Output S:
Abgas
Schwaden
Abwasser
Gips
Asche
Summe
5,4 m3, ρA ≈ 1,366 kg/m3:
Wasserdampf, 1,7 l, ρW ≈ 1 kg/l:
0,08 l, ρW ≈ 1 kg/l:
feucht:
feucht:
m:
7,3764 kg
1,7 kg
0,08 kg
0,0151 kg
0,0565 kg
9,228 kg.
ρ A > ρ L?
Elektrische Energie bezogener Massendurchsatz beim Braunkohlenkraftwerk: ≈ 10 kg/kWh!
Massendurchsatz für einen Tag:
Annahmen: Elektrische Leistung Pel = 600 MW,
Betriebszeit 24 h Vollast pro Tag.
Berechnung: Elektrische Energie Eel = Pel·τ = 600 MW·24 h/d,
Eel = 14,4·106 kWh/d,
& d = Eel·10 kg/kWh = 14,4 ⋅ 10 6 kWd ⋅ 10 kg ,
Tagesmassendurchsatz m
d
kWh
& d = 144·106 kg/d = 144.000 t/d!
m
Wirkungsgrad des Kraftwerks ηKW:
Elektrisch e Energie über Kraftwerks zaun
Nutzenergie
=
ηKW =
,
Aufwandsen ergie
Brennstoff energie
1 kWh
1 kWh
η KW =
=
,
1,3 kg Rohbraunkohle ⋅ H 1,3 kg ⋅ 8,6 MJ
kg
1 J = 1 W·s,
1 h = 3.600 s,
1 kWh
ηKW =
,
MWh
1,3 kg ⋅ 8,6
kg ⋅ 3600
ηKW = 0,322 ≈ 32 %.
Zusammenfassung zu Kapitel 4:
Schema Analyse und Bewertung komplexer Systeme, Ziel/Zweck thermisches Kraftwerk, Zustands- und Prozessformen von Energie, Energiekette im thermischen Kraftwerk, Schaltschema
thermisches Kraftwerk, Attribute, Teilsysteme, Struktur, Wärmeschaltbild, T,s-Diagramm, Wasserdampftafeln, Zustandsverlauf Arbeitsmittel im T,s-Diagramm, Dissipation, Arbeitsverlust, Arbeitsmehraufwand, technische Arbeit, Zustandsänderungen im h,s-Diagramm, adiabate Expansion reversibel und irreversibel, isentroper Turbinenwirkungsgrad, technische Leistung der Tur-
33
bine, mechanischer Turbinenwirkungsgrad, Turbinenleistung, Stoffbilanz Braunkohlenkraftwerk,
Wirkungsgrad Kraftwerk.
⇒ Verteilen "T,s-Diagram for Water and Steam“ /44/ und „h,s-Diagram for Water and
Steam“ /44/ zum Üben!
34
5
STRUKTUR KOMPLEXER SYSTEME DES ENERGIEUMSATZES
5.1
p,v,T-Fläche und ideale Gasgleichung
Komplexes System Thermisches Kraftwerk und
Zustandsgrößen vor und nach den Teilkomponenten (In- und Output) lassen sich durch die
Thermodynamik = Allgemeine Energielehre beschreiben (früher: Wärmelehre) /13/.
Thermische Zustandsgleichung:
Einfaches homogenes System besitzt in jedem
Gleichgewichtszustand bestimmte Werte der Zustandsgrößen
p (Druck), T (absolute Temperatur), und v (spezifisches Volumen = 1/ρ)
F(p, T, v) = 0 (thermische Zustandsgrößen):
beschreibt Zustandsenergie.
→ Folie
„p,v,T-Fläche eines reinen Stoffes“, /13/, S. 158
Frage: Kann diese p,v,T-Fläche für Wasser gelten?
Beispiel:
Gasgleichung
)
Ideal: (p → 0)
p·V = n· R ·T
mit
V = Volumen
n = Stoffmenge, Mole
)
R = universelle Gaskonstante = 8,315
Ergebnis
J
mol ⋅ K
Hinweis auf molares Normvolumen für 6,023·1026 Moleküle
VNn(1,013 bar, 273,15 K) = 22,4141 m3/kmol,
p·V = m·R·T, V/m = v,
mit
m = Masse
R = spezielle Gaskonstante in J/(kg·K)
p·v = R·T oder p = ρ·R·T.
Was gibt das Produkt p·v an?
m
3
s2 ⋅ m =
kg
m2
kg ⋅
Kraft Volumen Masse ⋅ Beschleunigung Volumen
⋅
=
⋅
=
Fläche Masse
Fläche
Masse
Masse ⋅ Beschleunigung ⋅ Weg Energie
=
spezifische Energie!
=
Masse
Masse
p⋅v =
Beispiel Erdgas CH4
Was sind
mit RE = 0,518 kJ/(kg·K), p = 1,013 bar, T = 273,15 K,
N
kg ⋅ m 2
1 J = 1 W·s = 1 N·m = 1
, 1 bar = 105 2 :
2
s
m
gesucht Dichte des Erdgases bei Normzustand und spezifikg
m3
sches Volumen ρE = .......... 3 ? vE = ...........
?
kg
m
Isothermen, Isobaren, Isochoren und p·v im p,v-Diagramm?
R⋅T
→ p=
; T = konstant = Isotherme: p ~ 1/v.
v
35
⇒ Bild an Tafel
„p,v-Diagramm mit
zwei Isothermen T1 < T2, Isobaren, Isochoren, p·v"
Zur Korrektur der idealen Gasgleichung für reale Gase:
real: Realgasfaktor Z =(p·v)/(R·T),
Z < 1 ∪ Z > 1 (1 > Z >1) (aus Tabellen, Diagrammen).
5.2
Abgeschlossenes System und Nullter Hauptsatz
Vorraussetzung für eine thermodynamische Untersuchung:
Bilanzraumabgrenzung und Angabe der Eigenschaften/Zustand!
Bilanzraumabgrenzung:
- Abgeschlossene Systeme:
kein Energie- und Massenaustausch
Systeme:
(∆m = 0, ∆E (Wärme, Arbeit) = 0) mit Umgebung.
→ Folie
„Thermisches Gleichgewicht zwischen den Systemen A und B“, /13/, S. 16
Temperatur: Zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht haben dieselbe
Temperatur (Nullter Hauptsatz der Thermodynamik),
diatherm = wärmedurchlässig!
5.3
Geschlossenes System und 1. Hauptsatz
- Geschlossene Systeme:
(∆m = 0, ∆E ≠ 0)
→ Folie
kein Massenaustausch mit Umgebung
„Beispiele für geschlossene Systeme
Kombination von Volumenänderungsarbeit W12V und Wellenarbeit W12W
Adiabate Systeme: a) Zufuhr von elektrischer Arbeit über einen elektrischen
Widerstand, b) Zufuhr von Wellenarbeit durch Drehen des Rührers, c) Verrichten von Volumenänderungsarbeit“, /13/, S. 48, 56
Hinweis auf Arbeit (Welle, Volumen, Elektrisch), irreversibel, q, reversibel, 1. HS!
1.
Hauptsatz der Thermodynamik:
Prinzip von der Erhaltung der Energie.
Unterscheidung notwendig von
Energieinhalt eines Systems
= Zustandsgröße: kinetische c2, potentielle g·z und innere Energie u
Energie, die während eines Prozesses die Systemgrenze überschreitet
≠ Zustandsgröße: Wärme q und Arbeit w (spezifisch pro Masse).
1. Hauptsatz für ruhende (c2 und g·z = 0) geschlossene Systeme (∆m = 0):
q12 + w12 = u2 – u1 = Änderung der inneren Energie u (Definition der Wärme).
36
5.4
Wärme Q
Wärme Q:
⇒ Bild an Tafel "Zylinder mit Kolben und Wärmezufuhr dQ, 2 Fälle: V = konstant, p = konstant"
Ansatz:
dQ ~ dT, dQ = m·c·dT (gilt nicht für Phasenwechsel);
Spezifische Wärme:
dq = c·dT ergibt
dq
= c = spezifische Wärmekapazität.
dT
∆q
cv = (
Spezialfall konstantes Volumen v (Kolben fest):
)v ,
∆T
∆q
)p .
Spezialfall konstanter Druck p (Kolben bewegt sich): c p = (
∆T
Was ist größer: cv oder cp?
cp - cv = R
→ wegen Volumenänderungsarbeit bei p = konstant!
5.5
Volumenänderungsarbeit
Was ist Volumenänderungsarbeit ∫p·dv?
→in Bild „Beispiel für geschlossene Systeme“ Verschiebung des Kolbens um
dv → dwv = -p·dv, (-: dv negativ bei Kompression/positiv bei
/Expansion, zugeführte/abgeführte Arbeit nach Definition in Thermodynamik positiv/negativ).
( )
v
⇒ Bild an Tafel „ w 12
rev
2
= − ∫ p ⋅ dv im p,v-Diagramm mit –dwv = p·dv, 1→2
1
p = p(v)“ = Prozessgröße = f(Weg) ≠ Zustandsgröße.
5.6
Innere Energie
Kalorische Zustandsgleichung für die innere Energie u: u = u(T,v)
⎛ du ⎞
⎛ du ⎞
Totales Differential von u: du = ⎜
⎟ ⋅ dT + ⎜ ⎟ ⋅ dv ,
⎝ dT ⎠ v
⎝ dv ⎠ T
⎛ du ⎞
c v (T, v) = ⎜
⎟ = spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen,
⎝ dT ⎠ v
⇒ Bild an Tafel
"Abgeschlossenes System bei Beginn Überströmprozesses mit Ventil
und den Werten p1, v1, p0"
⎛ du ⎞
Überströmversuch : T1 = T2 , v 2 ≠ v 1 , ideale Gase, → ⎜ ⎟ = 0 ,
⎝ dv ⎠ T
Ergebnis für ideales Gas: du = cv(T)⋅dT, u =
∫c
v
(T) ⋅ dT ≠ f(v).
37
Beispiel für 1. HS geschlossene Systeme mit Wärmezufuhr und Volumenänderungsarbeit:
1 kg Wasser, tW = 100 °C, v1 = 1,004 l/kg, pU = 1,013 bar, Verdampfung bei
kJ
konstantem Druck, Verdampfungswärme r = 2.257
, v2 = 1,673 m3/kg.
kg
Gesucht:
q12, w12, u2 - u1 in J/kg.
⇒ Bild an Tafel"
Lösung:
„Behälter mit Deckel, Zustand 1 nur Wasser, 2 nur Dampf"
1. HS für geschlossene Systeme
q12 + w12 = u2 - u1,
v2
q = r, w12 = -
∫ p ⋅ dv
= -pU·(v2 - v1),
v1
m3
N
·(1673
-1,004)
·10-3,
2
m
kg
kJ
1 J = 1 N·m, w12 = -169,4
,
kg
kJ
u2 - u1 = (2.257 - 169,4)
= 2087,6 kJ/kg.
kg
-pU·(v2 - v1) = - 1,013·105
5.7
1. Hauptsatz für stationäre Fließprozesse
1. Hauptsatz (HS) für stationäre Fließprozesse:
Energiebilanz für Kontrollraum =
Offenes System mit technischer Arbeit/Wellenarbeit Wt.
- Offene Systeme: Energie und Massenaustausch mit Umgebung
(∆m ≠ 0, ∆E ≠ 0) über Kontrollraum.
→ Folie
& = konstant) Fließprozess mit offenem System als gedach„Stationärer ( m
tes geschlossenes System
Schema eines offenen Systems
Gedachtes geschlossenes System, bestehend aus der Stoffmenge im offenen System zwischen den Querschnitten 1 und 2 und der Masse ∆m“
/13/, S. 72
Hinweis auf gedachtes geschlossenes System und Verschiebearbeit!
q12 + w12 = e2 – e1, e = spezifische Gesamtenergie,
1 = Zustand 1, 2 = Zustand 2,
w 12 = w t12 + p1 ⋅ v 1 − p 2 ⋅ v 2 = w t12 − (p 2 ⋅ v 2 − p1 ⋅ v 1 ) ,
Aufteilung der Arbeit:
(p 2 ⋅ v 2 − p1 ⋅ v 1 ) = spezifische Verschiebearbeit,
q12 + w t12
c 22
c 12
e 2 − e1 = (u 2 +
+ g ⋅ z 2 ) − (u1 +
+ g ⋅ z1 ) .
2
2
c2
c2
= (u2 + p 2 ⋅ v 2 + 2 + g ⋅ z 2 ) − (u1 + p1 ⋅ v 1 + 1 + g ⋅ z1 ) .
2
2
38
5.8
Enthalpie H
Mit der Definition für die Enthalpie H:
H = U + p⋅V oder spezifisch h = u + p⋅v,
[h = h(T,p)], Totales Differential von h:
⎛ dh ⎞
⎛ dh ⎞
dh = ⎜
⎟ ⋅ dT + ⎜⎜ ⎟⎟ ⋅ dp
⎝ dT ⎠ p
⎝ dp ⎠ T
⎛ dh ⎞
⎜
⎟ = cp = spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck)
⎝ dT ⎠ p
folgt
1
q12 + w t12 = h 2 − h1 + ⋅ (c 22 − c 12 ) + g ⋅ (z 2 − z 1 ) ,
2
∆c 2
und ∆z·g oft 0 oder vernachlässigbar! → Beispiel für ∆z·= 10 m.
2
5.9
Druckänderungsarbeit
Was ist Druckänderungsarbeit ∫v⋅dp?
Nach Definition h = u + p·v folgt:
h 2 − h1 = u 2 − u1 + p 2 ⋅ v 2 − p 1 ⋅ v 1 .
Fluid als geschlossenes System:
u 2 − u1 = q12 + w 12
2
u 2 − u1 = (q12 )rev − ∫ p ⋅ dv
1
2
h2 − h1 = (q12 )rev − ∫ p ⋅ dv + p 2 ⋅ v 2 − p1 ⋅ v 1 = ?
1
⇒ Bild an Tafel
„p,v-Diagramm mit p = p(v) von 2←1 und den Anteilen -∫p·dv, + p2·v2
2
und -p1·v1 ergibt das Integral
∫ v ⋅ dp “
1
Ergebnis:
h2 - h1 = (q12 )rev +
2
∫ v ⋅ dp
= Wärmezu- oder abfuhr + Druckänderungsarbeit!
1
→ Folie
Hinweis:
„Darstellung der Druckänderungsarbeit im p,V-Diagramm" (a) Kompression
eines Gasstroms b) Druckerhöhung eines Flüssigkeitsstroms c) Expansion
eines Gasstroms), /43/, S. 20
Fläche = Maß für Arbeit,
im p,v,T-Diagramm (spezifische Energie)
Pumpe ganz links,
Dampfturbine rechts von x = 1,
Gasturbine und Verdichter weit
rechts:
39
→ spezifische Arbeit für Druckerhöhung bei Flüssigkeiten viel geringer als bei Gasen (Vergleich der Flächen: ∫ v ⋅ dp )!).
5.10
Kreisprozesse
Kreisprozesse mit stationär umlaufendem Fluid:
Prozess, der ein System wieder in den Anfangszustand zurückbringt,
z. B. Dampfkraftanlage, Wärmepumpe und Kühlschrank (linksläufiger Kreisprozess
ohne Flüssigkeitsturbine).
→ Folie
„Einfache Dampfkraftanlage, aufgeteilt in vier hintereinander geschaltete
Kontrollräume“, /13/, Ausgabe 2000, S. 516
Frage: Welche Komponenten ergeben sich für die linksläufigen Kreisprozesse Wärmepumpe
und Kühlschrank bei der Umkehrung der vier Teilprozesse?
Anwendung 1. Hauptsatz auf Teilprozesse i bis k (hier: 0→1→2→3→0):
∑ Prozessgrößen (Wärme, Arbeit) = ∑ Zustandsgrößen (h, c2, z·g),
∑ Qik + ∑ Wtik =
0
(da E2 – E1 = 0, weil das Arbeitsmittel wieder zu den Zustandsgrößen am Anfang gebracht wurde).
Reversibler Kreisprozess mit spezifischen Werten:
− (w t )rev = − ∫ v ⋅ dp = ∑(qik )rev , ∫ = Flächenintegral.
→ Folie
„Darstellung reversibler Kreisprozesse im p,v-Diagramm
a) Rechtsläufiger Kreisprozess des Arbeitsmediums einer Wärmekraftmaschine mit abgegebener Nutzarbeit.
b) Linksläufiger Kreisprozess des Arbeitsmediums einer Wärmepumpe mit
zuzuführender Nutzarbeit“, /13/, S. 87
Frage: Ist die unter a) dargestellte spezifische Volumenreduktion bei der Speisewasserpumpe des Dampfkraftwerks wirklich so groß?
5.11
Frage:
2. Hauptsatz der Thermodynamik
Wieviel Nutzarbeit wt läßt sich mit der zugeführten Wärme q gewinnen?
2. Hauptsatz der Thermodynamik:
Prinzip der Irreversibilität durch Zustandsgröße
Entropie = S qualitativ formulieren, Aussage über Umwandelbarkeit von
Energien.
40
Ausgangspunkt:
Wellenarbeit bei adiabaten Systemen mit V = konstant ist irreversibel
(zugeführte Energie dissipiert in innere Energie des Systems) WW = Wdiss.
Den selben Zustand hätte man erreichen können bei V = konstant durch die Zuführung
von Wärme Q (diatherme Wand).
→ Äquivalenz von Wärme und dissipierter Arbeit!
Schlussfolgerung:
Wenn Q und Wdiss zu demselben Endergebnis führen, liegt es nahe,
beide Terme mit einer extensiven Zustandsgröße zu beschreiben.
→ Neue Zustandsgröße
Entropie (Verwandlungsgröße)S oder s nach Clausius (deutscher Physiker 1850) mit
dem
Postulat:
ds = dq/T + dsirr = dsq + dsDissipation!
Auswirkungen:
Siehe Folie "Abb. 6.41 Dissipationsenergie, Abb. 6.42 Arbeitsverlust/Arbeitsmehraufwand in Kapitel 4"!
Formeln zur Berechnung der spezifischen Entropie:
dq
ds ≥ rev , mit 1. HS für geschlossene Systeme folgt
T
dq du + p ⋅ dv dh − v ⋅ dp
=
.
ds =
=
T
T
T
→ Je höher die Temperatur, um so geringer der Quotient (Änderung)!
5.12
Reversibler Carnot-Prozess und thermischer Wirkungsgrad
Carnot Prozess mit 4 reversiblen Teilprozessen (Carnot: französischer Ingenieur-Offizier,
1824):
→ Folie
„Schaltschema einer nach dem Carnot-Prozess arbeitenden Wärmekraftmaschine“, /13/, S. 87
Teilprozesse:
1 → 2:adiabate Verdichtung (Arbeit wie adiabate Entspannung),
2 → 3:isotherme Entspannung (Wärmezufuhr notwendig = Aufwand!),
3 → 4:adiabate Entspannung (Arbeit wie adiabate Verdichtung),
4 → 1:isotherme Verdichtung (Wärmeabfuhr notwendig!).
⇒ Bild an Tafel
„Carnot-Prozess mit Zustandsänderungen T, T0 im p, v-Diagramm
und Fläche – wt“
Nach 1. HS, stationärer Fließprozess:
q12 + w t12 = h 2 − h1 ,
adiabat: q12 = 0,
h = cp·T,
w t12 = h 2 − h1 = c p ⋅ (T2 − T1 ) = c p ⋅ (T − T0 ) ,
q34 + w t34 = h4 − h3 , adiabat: q34 = 0,
w t34 = h 4 − h3 = c p ⋅ (T4 − T3 ) = −c p ⋅ (T − T0 ) ,
→ Die beiden Arbeiten heben sich gerade auf.
Nutzarbeit = Arbeit isotherme Entspannung - Arbeit isotherme Verdichtung,
41
− w t = − w t23 − w t41 ,
q 23 + w t23 = h 3 − h 2 = c p ⋅ (T3 − T2 ) = c p ⋅ (T − T) = 0 ,
3
q 23 = − w t23 = − ∫ v ⋅ dp = R ⋅ T ⋅ ln
2
p2
nach idealer Gasgleichung,
p3
q 41 + w t41 = h1 − h 4 = c p ⋅ (T1 − T4 ) = c p ⋅ (T0 − T0 ) = 0 ,
1
q 41 = − w t23 = − ∫ v ⋅ dp = −R ⋅ T0 ⋅ ln
4
p1
nach idealer Gasgleichung.
p4
Thermischer Wirkungsgrad ηth:
Nutzen
,
η th =
Aufwand
− w t qzu − qab q23 − q41 T − T0
=
=
=
=
ηth =
q23
qzu
q23
T
nach Definition gilt q = s·T da bei reversiblem Prozess sDissipation = 0,
ηth =
T − T0
T
=1- 0.
T
T
Prozess praktisch nicht realisierbar,
aber Maßstab für die maximale Arbeit und Wirkungsgrad!!!
Frage:
Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad eines Kraftwerks nach dem idealisierten Carnot-Prozess, wenn die untere Prozesstemperatur 0 °C (Winterbetrieb) und die obere Prozesstemperatur 525 °C beträgt?
Zustandsänderungen des Carnot-Prozess im T,s-Diagramm (s = q/T da reversibel)
→ Folie
„Zustandsänderungen beim reversiblen Carnot-Prozess im T,s-Diagramm“,
/13/, S. 129
⇒ Bild an Tafel
"T,s-Diagramm für einfache Dampfkraftanlage ohne Reibungsverluste in der Pumpe/Dampfturbine"
⇒ Bild an Tafel
"T,s-Diagramm für einfache Dampfkraftanlage mit Reibungsverlusten
in der Pumpe/Dampfturbine"
→ Ergebnis:
Nicht jede Energieform ist in beliebig andere Energieform umwandelbar, da
nur ein Teil der dem Prozess zugeführten Wärme in Nutzarbeit umgewandelt wurde.
Beispiel Carnot-Prozess: − (w t )rev = qrev − (q0 )rev ("Altlast der Umgebung").
Es ist unmöglich, die einem Kreisprozess zugeführte Wärme vollständig in Arbeit umzuwandeln.
42
⇒ Bild an Tafel
5.13
"T,s-Diagramm mit Scheiben dq = ds·T (dsDissipation = 0 da keine Reibungsverluste in Maschinen) für
die zugeführte spezifische Wärme q23 = (s3 – s2)·T und
die abgeführte spezifische Wärme q41 = (s1 – s4)·T0 (negativ, da abgeführt) und die spezifische technische Arbeit wt (negativ, da abgeführt) nach dem ersten Hauptsatz q23 + q41 + wt = 0 (Kreisprozess)
für Carnot-Prozess und einfache Dampfkraftanlage ohne Verluste"
Die Polytrope
Mögliche Zustandsänderungen (Prozessverlauf) im p,v-Diagramm:
Ansatz:
in der Gleichung p⋅v1 = R⋅T wird die Temperaturabhängigkeit ersetzt
durch p⋅vn = konstant
(n = Polytropenexponent, polytrop = vielfach, n = 1: → Isotherme!).
→ Folie
„Polytropen im p,V-Diagramm und im T,s-Diagramm.
Dünnere Linien für spezielle Zustandsänderungen“, /43/, S. 90
Erklärung für Isochore:
V1
p
=n 2 ,
V2
p1
n
p2
p
= 1, lim(n ⎯
⎯→ ∞ )n 2 = 1.
p1
p1
Zusammenfassung zu Kapitel 5:
Gasgleichung, 3 Systeme, p-v-Diagramm, spezifische innere Energie u, 1. Hauptsatz, Volumenänderungsarbeit, Verschiebearbeit, spezifische Enthalpie h, totales Differential, Druckänderungsarbeit, Kreisprozess, spezifische Entropie s, 2. Hauptsatz, Carnot-Prozess, thermischer
Wirkungsgrad, T-s-Diagramm, polytrope (vielfache) Zustandsänderungen im p,V- und T,sDiagramm.
43
6
TEILSYSTEME BEIM THERMISCHEN KRAFTWERK
6.1
Verbrennung
VERBRENNUNG = irreversible chemische Reaktionen
→ Folie
„Vollständige Verbrennung unter konstantem Druck in einem offenen System (technische Feuerung)“ /45/, S. 60
Reaktionsenthalpie ∆H = Reaktionsenergie ∆U (innere Energie) – Volumenänderungsarbeit
p·∆V (Unterschied von ∆H und ∆U bei festen und flüssigen Brennstoffen vernachlässigbar und bei gasförmigen Brennstoffen sehr
klein),
B = Brennwert (früher = oberer Heizwert Ho, Abkühlung der Verbrennungsgase auf die Temperatur des zugeführten Brennstoffs und der
Luft mit Kondensation des Wasserdampfs, t0 = 25 °C), muss gemessen werden, von Bedeutung bei modernen Erdgas und Heizölheizungen,
H = Heizwert = H (früher = unterer Heizwert Hu) = B - w H2O ⋅ r , meist in
technischen Feuerungen von Bedeutung, da Wasserdampf nur selten aufstaut (höhere Temperaturen wegen Auftrieb und Vermeidung
von Korrosion), w H2O = Massenanteil Wasserdampf pro Masse Verbrennungsgase, r(25 °C) = spezifische Verdampfungsenthalpie =
MJ
2,442
.
kgH2O
Ansätze zur Verbrennungsrechnung /46/:
A
Reaktionsgleichungen von C, H und S mit O (Verbrennungsgleichungen):
Kohlenstoff C:
C + O2
= CO2;
1
Wasserstoff H:
H2 + 2 O2
= H2O;
Schwefel S:
S + O2
= SO2;
B
Mengenbilanz von C, H und S mit O:
Kohlenstoff C:
1 mol C + 1 mol O2
Wasserstoff H:
1 mol H2 + 21 mol O2
Schwefel S:
1 mol S + 1 mol O2
1 mol =
= 1 mol CO2;
= 1 mol H2O,
= 1 mol SO2,
Stoffmenge, in der soviele Teilchen enthalten sind wie Atome in 12 g des
Kohlenstoffisotops C 12. Die Stoffmenge 1 mol enthält bei allen Stoffen NA
= 6,0221367·1023 Teilchen (Atome, Moleküle), NA = Avogadro Zahl. Atomare Masseneinheit u: Zwölfte Teil des Masse eines Atoms des Nuklids C
12, u = 1,6605402·10-24g.
Frage: Masse 1 mol H2?
44
C
Massenbilanz von C, H und S mit O:
Kohlenstoff C:
12,011 g C + 31,9988 g O2
= 44,0098 g CO2,
oder bezogen auf 1 g Brennstoff C:
= 3,664 g CO2,
1 g C + 2,664 g O2
d. h. um 1 g Kohlenstoff zu verbrennen braucht man 2,664 g
Sauerstoff!
Wasserstoff H (≈):
2 g H2 + 16 g O2
= 18 g H2O,
= 64 g SO2.
Schwefel S:
32 g S + 32 g O2
Problem:
Der Brennstoff liegt nicht in chemisch einheitlicher Form vor sondern als Gemisch!
Elementaranalyse: Massenanteile der einzelnen Stoffe im Brennstoff B:
c + h + s + o + n + w + a = 1,
c = kg C/kg Brennstoff B, h = kg H/kg B, n = kg Stickstoff/kg B,
w = kg Wasser/kg B, a = kg Asche/kg B.
mB = 1 kg B = c kg C + h kg H2 + s kg S + o kg O2 + n kg N2 + w kg W + a kg A.
mN3 Luft
Mindestluftbedarf Lmin in
aus Verbrenungs- und Massenbilanz:
kg Brennstoff
Lmin = 8,89·c·σ m3 Luft/kg Brennstoff,
Mollierzahl σ:
σ=1+
Luftüberschusszahl λ:
3⋅h
3⋅s 3⋅o
+
.
c
8⋅c 8⋅c
λ=
L
(wegen vollständiger Verbrennung in technischen
L min
Feuerungen z. B. λ = 1,2).
Beispiel:
Verbrennung von Methan CH4 mit Luft bei λ = 1,1:
Gesucht:
Verbrennungsgleichung,
Mengenbilanz,
Massenbilanz,
Massenanteile c, h, s, o,
Mollierzahl σ,
Mindestluftmenge Lmin,
Luftmenge L.
Problem: Die Reaktionspartner bei der Verbrennung liegen bei verschiedenen
Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig vor /47/.
D
Volumenbilanz von C und H mit O:
Kohlenstoff C:
12 kg C + 22,39 mN3 O2 = 22,26 mN3 CO2
Wasserstoff H:
4 kg H2 + 22,39 mN3 O2 = 44,8 mN3 H2O:
V )
Warum wird nach der idealen Gasgleichung p ⋅ = R ⋅ T = p ⋅ Vm , Vm =
n
m3
molares Volumen, nicht das molare Normvolumen Vmn = 22,4141
kmol
bei T = 273,15 K und p = 1,013 bar eingesetzt?
45
→ Verbrennungsrechnung bei 25 °C und Abweichungen der realen
Gase vom Normzustand der idealen Gase durch den Realgasfaktor z:
p⋅v
a
z=
oder die van der Waalsche Gleichung (p + 2 ) ⋅ (v − b) = R ⋅ T ,
R⋅T
v
mit a = Konstante für die Anziehungskräfte der Moleküle von Außen
nach Innen und b = Konstante für das Grenzvolumen des Gases
(Eigenvolumen der Moleküle).
→ Folie
„Realgasfaktor z =
p⋅v
für Luft“, /43/, S. 131
R⋅T
[Energiebilanz für die Verbrennung von Methan CH4:
1 kg CH4 + 4 kg O2 = 2,75 kg CO2 + 2,25 kg H2O + ∆H (- 55,50 MJ/kg: mit r!).
⇒ Bild an Tafel
"Ein- und Austrittsbilanz für die Verbrennung von 1 kg CH4 bei
p = 1,013 bar, Bezugstemperatur (Standard) ϑS = 25 °C"
Werte:Brennstoff
Masse Brennstoff mB = 1kg,
Temperatur Brennstoff ϑB = 25 °C,
spezifische Wärmekapazität Brennstoff cpB = 2,227
Luft
Abgas
kJ
(aus Takg ⋅ K
bellen für Stoffwerte z. B. VDI-Wärmeatlas),
MJ
bei Standardtemperatur ϑS = 25
Untere Heizwert H = Hu = 50,02
kg
°C (aus Messwerten);
Temperatur Luft ϑL = 25 °C,
kg
Dichte Luft ρL = 1,184 3 (aus Tabellen für Stoffwerte),
m
Volumen der Luft bei 0 °C V0 = 13,335 m3 (aus Verbrennungsrechnung bei λ = 1, Normzustand T0 = 273 K),
298
= 14,556 m3 (aus GasgleiVolumen der Luft bei 25 °C VL = V0·
273
chung),
Masse der Luft mL = ρL·VL = 17,234 kg,
kJ
(aus Tabelspezifische Wärmekapazität der Luft cpL = 1,007
kg ⋅ K
len);
Masse Abgas mA = mB + mL = 18,234 kg,
spezifische Wärmekapazität des Abgases bei
cpA = 1,12 kJ/(kg·K), (aus Tabellen für StoffwerϑA = 100 °C:
te),
cpA = 1,51 kJ/(kg·K),
ϑA = 2.000 °C:
kJ
c pA = 1,4
(aus Integral der Tabellenwerte),
kg ⋅ K
Temperatur Abgas ϑA = ? °C.
46
Energiebilanzansatz:
mB·cpB·(ϑB - ϑS) + mL·cpL·(ϑL - ϑS) + H·mB = mA· c pA·(ϑA - ϑS),
→ ϑA =
ϑA =
H ⋅ m B + m B ⋅ c pB ⋅ (ϑB − ϑS ) + m L ⋅ c pL ⋅ (ϑL − ϑS )
m A ⋅c pA
+ ϑS ,
H ⋅ mB
+ ϑS,
m A ⋅ c pA
ϑA =……..° C? ]
→ Folie
„Temperatur in Abhängigkeit vom Luftverhältnis (λ) bei der Verbrennung
von Heizöl", /48/, S. 14
Fragen:
Warum nimmt die Verbrennungsendtemperatur bei Luftüberschuss ab?
Wie ist der weitere Verlauf bei λ < 1?
Reale Verbrennungstemperatur ϑAreal ≠ ϑAtheoretisch weil /47/:
- Abgase geben schon während Verbrennung durch Strahlung Energie ab,
- Dissoziation (Zerfall) der Verbrennungsgase bei ϑA > 1.500 °C.
⇒ Verbrennungsrechnungen sehr aufwendig!
Ort der Verbrennung:
→ Folie
Feuerraum, Feuerung, Brennraum, Brennkammer
„Feuerraum mit Brennstoff- und Luftstufung“, /42/, S. 27
Brennstoffstufung: Kohlenstaubeinblasung überwiegend in unterem Brennerbereich,
Luftstufung:
Verbrennungsluftzugabe in mehreren Ebenen und Rauchgasrezirkulierung: Verbrennung mit Luftmangel, Ausbrand erst kurz vor Berührungsheizflächen,
⇒
Verringerung der NOx-Bildung durch geringere Temperatur,
keine Sekundärmaßnahmen (DENOx-Anlage) notwendig.
6.2
Feuerraum:
keine Berührungsheizflächen (Temperatur), Feuerraumbegrenzung
als Flossenwände, werden nach Vorwärmung des Speisewassers
von Speisewasser gekühlt (Wärmeübertragung in der Hauptsache
durch Strahlung),
Heizflächenbelastung im Feuerraum q& ≈ 300 kW/m2!
⇒ Bild an Tafel
„Aufbau Flossenwand“
Wärmeübertragung
Nach Feuerung:
→ Folie
Berührungsheizflächen des Kessels/Dampferzeugers für eine weitere Wärmeübertragung (Abkühlung der Rauchgase)
„Der Kessel eines 600-MW-Blocks“, /42/, S. 11
Fläche/Dichte der Bündelwärmeaustauscher nimmt mit Höhe zu (Temperaturdifferenz
nimmt ab)
47
WÄRMEÜBERTRAGUNG (Beispiele): - Abgas in Feuerung und Dampferzeuger an Speisewasser und Dampf,
- Innenraumluft über Wand und Isolierung an Außenluft.
→ Folie
"Stationärer Wärmedurchgang durch eine ebene Wand", /45/, S. 19
⇒ Bild an Tafel
„Temperaturverlauf Seminarraum-Außen mit Messfühler"
Wärmedurchgang (k) = Wärmeübergang (α1, α2) + Wärmeleitung (λ: Wand, Isolierung, etc.)
Wärmeübergang:
Wärmeleitung:
Wärmeübergang:
Fall: t1, t2 = konstant
Ergebnisse:
Aufgabe:
gegeben
gesucht
Lösung
& = α ⋅ dA ⋅ (t − ϑ ) , z. B. Innenluft bis Innenseite Wand
dQ
1
1
1
λ
& = ⋅ dA ⋅ (ϑ − ϑ ) , z. B. Innenseite Wand bis Außenseite
dQ
1
2
δ
& = α ⋅ dA ⋅ (ϑ − t ) , z. B. Außenseite Wand bis Außenluft.
dQ
2
2
2
& integrieren (z. B. Q
& = α ⋅ A ⋅ (t −ϑ ) und gleichsetzen:
dQ
1
1
1
→
& = k·A·(t1 - t2) oder q& = k·(t1 – t2),
Q
→
k=
1
.
δi
1
1
+∑ +
α1
λi α2
Hauswand mit Innenputz IP, Hochlochziegel HZ, Außenputz AP
W
δIP = 2 cm, λIP = 0,70
,
m⋅K
W
δHZ = 25 cm, λHZ = 0,70
,
m⋅K
W
δAP = 2 cm, λAP = 0,80
,
m⋅K
W
,
Innen Lufttemperatur t1 = 20 °C, α1 = 8 2
m ⋅K
W
;
AußenLufttemperatur t2 = -12 °C, α2 = 23 2
m ⋅K
Innen
Wandflächentemperatur ϑ1 = ?
Außen
Isolierungsdicke δIS = ? wenn
ϑ1 = 17 °C,
W
.
λIS = 0,05
m ⋅K
& /A = q& = k ⋅ (t − t ) = t1 - ϑ1,
ϑ1 = ? Ansatz Q
i
a
δIS = ?
Fall: t1, t2 = variabel (ändern sich entlang einer Wärmeaustauscherwand)
→ Folie
"Gegenstrom-Wärmeübertrager (Schema)", /45/, S. 20
48
⇒ Bild an Tafel
"Temperaturverlauf bei Gleich- und Gegenstrom"
Integration
& = k·A·∆tm,
Q
mit ∆tm
= mittlere logarithmische Temperaturdifferenz
∆'− ∆' '
∆'+ ∆' '
≈
,
=
∆'
2
ln
∆' '
und
& =m
& i ⋅ c pi ⋅ ∆t i .
Q
Aufgabe:
gegeben
Gegenstromwärmeaustauscher für Fernwärmeheizung
'
''
Fernwärmeeintritt t FW
= 130 °C, Austritt t FW
= 110 °C,
''
'
= 75 °C, Austritt t HW
= 85 °C,
Heizungswassereintritt t HW
kg
m3
, Dichte ρHW = 975 3 ,
Volumenstrom V& HW = 5
h
m
mittlere spezifische Wärmekapazität cpHWm = 4,196
Wärmedurchgangskoeffizient k = 550
gesucht
6.3
kJ
,
kg ⋅ K
W
;
m2 ⋅ K
qualitativer Temperaturverlauf t = f(A),
& =?
Wärmeleistung Q
mittlere logarithmische Temperaturdifferenz ∆tm = ?
Wärmeaustauscherfläche A = ?
Kernreaktoren
Energiebereitstellung durch KERNREAKTOREN:
Energiefreisetzung nicht durch Verbrennung sondern durch Spaltung von
Kern"brennstoffen"
"Brennstoff" wird mit Erstbeladung zugeführt, im Jahresrhythmus umgesetzt
und ausgetauscht (1000 MW, 8000 h/a, 30 t/a; Kohle 2,5·106 t/a).
Bedeutung der Kernenergie in der Deutschland 2001 /49/, http://www.kernenergie.de/ (5.9.08):
13 %
Anteil an Primärenergiebilanz
Anteil an Stromerzeugung
30 % (Öffentliche Versorguung ÖV 34 %)
= 1. Stelle vor Braunkohle
Anteil an der Kraftwerksleistung
23 % ≡ 23,6 GW von 100 GW der ÖV
Ausnutzungsdauer Kernkraftwerksleistung 8000 h/a,
Bedeutung der Kernenergie für die Welt 2001:
Anteil an Weltstromerzeugung: 16 %.
Heute übliche Kernreaktoren: Druck (DWR)- und Siedewasserreaktor (SWR)!
49
Druckwasserreaktor:
Primärkreislauf durch Reaktorkern (Wasser unter Druck), von Arbeitsmittelkreislauf (Turbine) getrennt, dient als Wärmeaustauscher
für Dampferzeuger, Maschinenhaus mit Turbine und Generator gehört nicht mehr zum Kontrollbereich.
Siedewasserreaktor:
Primärkreislauf = Arbeitsmittelkreislauf, Dampferzeugung direkt im
Reaktorkern, Maschinenhaus mit Turbine und Generator gehört zum
Kontrollbereich.
→ Verteilen RWE Broschüre "Ein Kurzporträt Kraftwerke Lingen“
→ Folie
„Funktionsschema des Kernkraftwerkes Lingen (DWR)", /50a/, S. 6
→ Folie
"Technische Daten Kernkraftwerk Emsland (KKE)", /50a/, S. 7
→ Folie
"Blick auf den beladenen Reaktorkern", /50/, S. 10
5 Barrieren gegen die Aktivitätsfreisetzung an die Umgebung:
→ Folie
„Schnitt durch zwei Brennstäbe und Erzeugung von Wärmeenergie aus
Kernenergie“, /51/, S. 31
1. Barriere: Kristallgitter der Uranoxids des Brennstabs (Schmelztemperatur
ca. 2.800 °C, Stabinnentemperatur 1000 °C bis 2150 °C)
⇒ Zeigen
„Nachbildung BBC Uran-Brennstoff-Tablette“
2. Barriere: Zirkaloy-Brennstabhülle (Schmelztemperatur ca. 1.850 °C, Hüllrohrtemperatur 330 °C bis 350 °C)
→ Folie
„Aktivitätsbarrieren beim Druckwasserreaktor“, /52/, S. 13
3. Barriere: Druckbehälter beim Primärkreislauf (Wanddicke ca. 25 cm)
+ Betonabschirmung (biologisches Schild: 3 - 4 m Stahlbeton) um Druckbehälter
4. Barriere: Sicherheitsbehälter (Druckauslegung auf ca. 5 bar)
5. Barriere: Stahlbetonhülle (gegen Flugzeugabsturz, ca. 1,5 m).
Warum Energiegewinnung bei Kernspaltung möglich /53/, /54/?
Massendefekt bei der Bildung von Atomen:
Atommasse eines Elements (nach Messungen der modernen Massenspektroskopie) <
∑ Einzelteile (Protonen p, Neutronen n, Elektronen e) .
⇒ Verteilen „Basiswissen zum Thema Kernenergie“ /54/
→ Folie
„Bei der Entstehung eines Atomkerns aus Nukleonen tritt ein Massendefekt
auf“, /54/, S. 10
50
Einsteinsche Äquivalenz von Energie E und Masse m:
E = m·c2,
mit
c = Lichtgeschwindigkeit = 3·108 m/s = 300.000 km/s (in Vakuum).
Definition der Bindungsenergie EB, die bei der Bildung des Atoms nach außen abgegeben wurde und den Kern zusammenhält:
EB = -∆m·c2,
1 eV = 1,6·10-19 J, 1 u ≡ 931 MeV = 1,49·10-10J,
Beispiel Helium EB,He = - 0,03033·931 MeV = - 28,2 MeV.
Bindungsenergie B bezogen auf die einzelnen Teilchen A (Nukleonen):
B = EB/A, AHe = 4,
BHe = - 28,2 MeV/ 4 = -7,05 MeV pro Nukleon.
→ Folie
Ergebnis:
„Mittlere Bindungsenergie je Nukleon in Abhängigkeit von der Massenzahl
A“, /54/, S. 10/11
Sowohl bei der Fusion (hohe Temperaturen, z. B. Sonne) von leichten als auch
bei der Spaltung (Neutronen) von schweren Atomkernen (z. B. Uran 235, hohe
Protonenzahl 92 verstärkt Coulombschen Abstoßungskräfte, häufigste Spaltprodukte Krypton und Barium) wird Energie nach außen abgegeben (Massendefekt).
Bei der Wiederherstellung der Ursprungskerne müßte diese Energie wieder zugeführt werden. Ausgangsprodukte haben einen stabileren Energiezustand erreicht mit einem Maximum der mittleren Bindungsenergie mit den Massenzahlen
40 bis 100.
Spaltungsenergiefreisetzung bei Uran 235:
∆BU235 = BU235 – BKr,Ba =( - 7,6 + 8,45) MeV = 0,85 MeV pro Nukleon,
ESp = 236·0,85 MeV ≈ 200 MeV (236 = 235 + 1 Neutron).
→ Folie
„Spaltungsenergiefreisetzung bei Uran 235“, /55/, S. 24/25
Energiefreisetzung bei der Spaltung von 1 kg U-235:
6,023 ⋅ 10 26 ⋅ 190 MeV
kJ
= 7,85 ⋅ 1010
≡ 2.300 t Steinkohle,
Hu,U−235 =
235
kg
kg
nutzbare Energie eines Würfels 4x4x4 cm3 = 64 cm3 von angereichertem Uran
(3,2 %) entspricht etwa 84 t Steinkohle oder 58 t Heizöl.
Spaltungsvorgang:
Thermisches Neutron spaltet Urankern U-235, wobei neben den
Spaltbruchstücken (Kr, Ba) und der Energiefreisetzung noch 2 bis 3
Neutronen frei werden.
Bei der geregelten Spaltung im Reaktorkern muss ein Neutron wieder zu einer weiteren Spaltung verwendet werden.
→ Folie
„Spaltung eines Uran-235 Kerns“, /56/, S. 11
→ Folie
„Ingangsetzung einer unkontrolliert ablaufenden Kernkettenreaktion“
/57/, S. 117
51
Kritische Masse für Kernkettenreaktion bei U235 (ohne Moderator und Reflektor):
50 kg (Kugel mit d = 8,4 cm)!
→ Folie
3 Fragen:
„Ablauf einer gesteuerten Kernkettenreaktion im Kernreaktor“, /57/, S. 117
- Warum als Kernbrennstoff angereichertes Uran 235 (3,5 %; Natur: 0,7 %, Rest
99,3 % U 238)?
- Warum thermische Neutronen (abgebremst, mit der Temperatur des Reaktors)?
- Warum Wasser als Moderator (bremst Neutronen ab)?
Wirkungsquerschnitt
= Wahrscheinlichkeit für den Eintritt eines Ereignisses
Ereignisse: Absorption (Spaltung + Einfang)
Spaltung (fission),
Einfang,
Streuung.
Anreicherung:
erhöht Wahrscheinlichkeit für Spaltung in U 235.
Thermische Neutronen = Bewegungsenergie bei der Temperatur des Brennstoffs
1
E kin,Neutron = k ⋅ T = ⋅ mn ⋅ v n2 = wahrscheinlichste Energie von Neutro2
nen (Energiespektrum),
J
eV
k = 1,380658 ⋅ 10 − 23 = 8,617385 ⋅ 10 −5
= BoltzmannK
K
Konstante,
mNeutron = 1,67495·10-27 kg (Ruhemasse).
Thermische Neutronen: Wahrscheinlichkeit für Spaltung von U 235 hoch.
Spaltungsneutronen:
Ek,n,Spaltung = 5 MeV/2,5 = 2 MeV pro Neutron,
2 MeV → Spaltneutronen viel zu schnell für die Wechselwirkung
Spaltung mit U-235.
Häufigste Geschwindigkeit der Neutronen:
2 ⋅ E k,n
k⋅T
vn =
=
aus Häufigkeitsverteilung des Neutronenenermn
mn
giespektrums.
Beispiele:
a) T = 293,15 K, t = 20 °C, Ek,n (20 °C) = 0,025 eV,
2 ⋅ 0,025 eV
vn =
,
1,67495 ⋅ 10 − 27 kg
1 eV = 1,602189·10-19 J, 1 J = 1 kg ⋅
vn =
2 ⋅ 0,025 ⋅ 1,602189 ⋅ 10 −19 ⋅ kg ⋅
1,67495 ⋅ 10 −27 kg
m2
, 1 km = 1000 m,
s2
m2
s2 ,
52
vn =
m2
10 8 km 2
=
0,047828
⋅
⋅
,
s2
10 6 s 2
v = 2,186 km/s ≈ 2.200 m/s;
0,047828 ⋅ 10 8 ⋅
b) t = 1000 °C, T = 1273 K (Brennstabinnentemperatur),
J
1,380658 ⋅ 10 −23 ⋅ 1273 K
J
K
vn =
= 1049,3 ⋅ 10 4
,
− 27
1,67495 ⋅ 10 kg
kg
v = 3,24 km/s;
c) Ek,n = 2 MeV (Spaltungsneutronen)
vn =
2
2 ⋅ 2 ⋅ 10 6 eV
8 km
=
3,82
⋅
10
⋅
,
s2
1,67495 ⋅ 10 −27 kg
vn = 19.560 km/s ≈ 20.000 km/s!
→ Moderator notwendig, der die Spaltungsneutronen möglichst schnell auf die
gewünschte Energie/Geschwindigkeit abbremst, ohne Neutronen einzufangen.
Wasser H2O als Moderator: in LWR (Leichtwasserreaktor: DWR, SWR)
Gute Bremseigenschaften, geringe Einfangwahrscheinlichkeit,
gleichzeitig Arbeits- (Siedewasserreaktor) und Kühlmittel!
→ Verteilen „Kernenergie klar und verständlich – Der Nutzen der Kernkraft“, /58/
→ Folie
„Spalt- und Brutvorgang beim Schnellen Brüter“, /58/, S. 17
Schneller Brüter: Spaltstoff U-235 und Pu-239,
Kühlmittel Natrium (gute Wärmeabfuhr, kaum Einfang, geringe Bremsung),
schnelle Spaltungsneutronen: Brutstoff U-238 durch Einfang von schnellen Neutronen (kein Moderator) und Betazerfälle zu Pu-239 (spaltbar)
→ zur Streckung der Vorräte (60-fach bessere Ausnutzung des Urans als im
LWR) und zum Einsatz des im LWR entstehenden Plutoniums!
Radioaktivität:
spontane Umwandlung von Atomkernen und dabei Aussendung von
α-Strahlen: positiv geladene Teilchen aus 2 Protonen (p) und 2 Neutronen
(n), identisch mit Kern von Helium, Absorption durch Blatt Papier, gefährlich bei Einatmen oder Nahrungsaufnahme;
β-Strahlen: Emission von Elektronen (e), Energiespektrum mit Angabe der
maximalen Energie, Absorption z. B. durch 2 cm Kunststoff
oder 1 cm Aluminium, entstehen bei Abweichung von stabilen
Protonen-Neutronen-Verhältnissen durch Umwandlung eines
Neutrons (n) in ein Proton (p) und ein Elektron (e);
γ-Strahlen: hochenergetische (0,01 bis 10 MeV), kurzwellige elektrische
Strahlung aus Atomkernen, entstehen bei Alpha-, Beta-Zerfall
und beim Spaltungsvorgang, sehr durchdringend, Abschwächung durch Materialien hoher Dichte (z. B. Blei).
53
Halbwertszeit:
6.4
HWZ = Zeit T, nach der die Hälfte einer bestimmten Zahl von Atomen zerfallen ist, Beispiele: Polonium-214
HWZ = 1,64·10-4 s (α),
Tritium H-3
HWZ = 12,3 a (β),
Plutonium-239
HWZ = 2,41·104 a (α),
Uran-235
HWZ = 7,04·108 a (α),
Uran-238
HWZ = 4,47·109 a (α).
Turbine
Turbine:
Umwandlung der Enthalpie des Dampfes in kinetische Energie der Welle mit Gehäuse, Leit- (leiten Dampf in richtige Strömungsrichtung) und Laufrädern (übernehmen Teil der Energie des Dampfes)
Leistung der Turbine:
PT
= Drehmoment·Winkelgeschwindigkeit
= Kraft·Hebelarm·Winkelgeschwindigkeit
= Md·ω = 2·π·nd·Md.
Enthalpie h und Geschwindigkeit c:
Gedankenexperiment:
PKW mit Masse m wird mit Beschleunigung b von der Geschwindigkeit 0 auf die Geschwindigkeit c gebracht (keine
Steigung, keine Roll- und Windreibung).
Wie groß ist die aufzuwendende spezifische Energie?
E = m·c2/2.
Spezifische Energie für Beschleunigung auf c:
E
c2
=
= f(c2) = Zustandsenergie ≠ f(b).
m
2
Gedankenexperiment:
Ansatz:
Dampf aus Dampferzeuger (großer Behälter mit Druck p1) wird
von Geschwindigkeit 0 auf Geschwindigkeit c gebracht durch
Expansion auf p2.
Welche spezifische Energie ist dadurch maximal gewinnbar
(Abbremsen des Dampfteilchens auf 0 m/s)?
1. HS q + wt = ∆h + ∆c2/2 + g·∆z
mit
q = 0,
wt = 0,
c2
,
2
c = 2 ⋅ ∆h .
spezifische Energie ∆h =
∆c = c,
∆z = 0,
54
Beispiel:
Wie groß wäre die Ausströmgeschwindigkeit c, wenn man einen überhitzten
Dampf mit dem Zustand 1
mit
p1 = 35 bar,
t1 = 520 °C, h1 = 3495,6 kJ/kg
auf den Zustand 2' (isentrop)
mit
p2 = 0,0562 bar,
x2' = 0,856, h2' = 2214,5 kJ/kg
in einer Turbinenstufe verlustfrei entspannen würde?
kJ
,
kg
kg ⋅ m
Umrechnungen
k = 1000, 1 J = 1 N·m, 1 N = 1
,
s2
kg ⋅ m
1000 ⋅ 2 ⋅ m
m2
s
= 2.561.400 2 ,
c = 2561,4
kg
s
m
c = 1.600
.
s
c = 2 ⋅ ∆h =
Frage:
2 ⋅ (3495,2 − 2214,5)
kJ
=
kg
2561,4
Wie wird die kinetische Energie des Dampfes auf die Laufräder der Turbine übertragen?
Energie- und Leistungsüberlegungen an einer Pelton-Wasserturbine:
Addition von Geschwindigkeiten:
Absolutgeschwindigkeit
= Relativgeschwindigkeit + Führungsgeschwindigkeit
r r r
c = w +u.
⇒ Bild an Tafel
"Seitenansicht eines Pelton-/Freistrahl-Wasserturbinenrades"
Welche spezifische Energie/Leistung E = K·s = Kraft·Weg wird abgegeben, wenn das
Peltonrad festgehalten wird (u = 0, c = w)?
Antwort
s = 0 (Rad legt keinen Weg zurück)
→E/m = 0!
Welche spezifische Energie/Leistung wird abgegeben, wenn das Peltonrad die gleiche
Geschindigkeit u wie der eintretende Wasserstrahl c1 hat (c = u)?
Anwort
K = 0 (kein Impuls auf Rad)
→ E/m = 0!
Bei welcher Umfangsgeschwindigkeit u des Pelton-Rades im Vergleich zur Geschwindigkeit des eintretenden Wasserstrahls v1 wird die maximale spezifische Energie/Leistung
abgegeben?
Antwort (2 = Austritt, 1 = Eintritt)
E
= wt = u2·cu2 - u1·cu1, (Euler Gleichung) Achtung: Vektoren!
allgemein
m
speziell
wt = -
c 12
(- da Energieabgabe),
2
55
→ maximale spezifische technische Arbeit!
Aber cu1 = 0,→ c1 = 0 Wasser bleibt an Stelle!
Ergebnis:
Geschwindigkeitskomponente in Umfangsdrehrichtung mit Relativgeschwindigkeit
zusammen mit der Umlenkung ergibt eine Impulsänderung des Mediums mit Kraft
auf Schaufeln in Drehrichtung, Abführung (β > 0) des Strahls!
⇒ Zeigen und betreiben "Funktionsmodelle Pelton-Wasserkraftwerk"
Modell eines Wasserkraftwerks von Gampke Physik mit Generator und Verbraucher: Preis ca. 350,- DM!
Übertragung auf Dampfturbine:
⇒ Bild an Tafel
"Draufsicht auf Dampfturbine"
Vorgabe:
Turbinenschaufeln drehen sich auf Welle (Kreisbewegung),
mehrere Schaufelreihen (Laufräder) hintereinander zur Energieaufnahme notwendig (Druckabbau in einer Stufe wie bei Wasserturbine wegen ∆c2/2 nicht möglich),
Gehäuse der Turbine mit Leiträdern ähnlich wie Rohr mit zunehmendem Durchmesser (Dichte des Dampfes nimmt ab, Strömungsquerschnittsfläche muß größer
werden),
→ Strömung des Dampfes in "Rohr" in achsialer Richtung quer zur Drehrichtung
der Turbine!
Fragen:
Wie sind Leit- und Laufschaufeln zu gestalten und auszurichten?
Fall:
Laufschaufeln stehen senkrecht zur Turbinenachse und zur Dampfströmung
→ Maximale Kraft in Achsrichtung aber keine Geschwindigkeitskomponente in
vorgesehene Drehrichtung → Keine Energie- und Leistungsabgabe!
Laufschaufeln stehen parallel zur Turbinenachse und zur Dampfströmung
→ Keine Kraft in Achsrichtung und keine Geschwindigkeitskomponente in vorgesehene Drehrichtung → Keine Energie- und Leistungsabgabe!
Laufschaufeln werden in einem Anstellwinkel β = 45° zur Turbinenachse und zur
Dampfströmung gedreht
→ Leistungsabgabe, aber Falschanströmung und keine Komponente in uRichtung!
Dampfeinströmung wird um den Winkel 90° - α zur Welle des Laufrades gedreht.
→ Folie
"Anordnung von Schaufeln und Düsen; Zählrichtung der Anstellwinkel im
Experiment", /6/, S. 25
⇒ Zeigen/Vorführen
Praxis:
"Turbinenmodell mit Luftanströmung"
Es werden keine Düsen benutzt sondern Leiträder!
→ Geschwindigkeitserhöhung von 0 auf 1 und Umfangskomponente von w.
Es werden keine ebenen Schaufeln benutzt sondern gekrümmte!
→ Richtige An- und Abströmung.
56
Spezifische Stufenarbeit aus Drallsatz:
wt = u2·cu2 - u1·cu1,
mit
u2 = u1 = u folgt
wt = u·(cu2 - cu1).
→ Folie
"Stufe einer Dampfturbine a) Schaufel- und Geschwindigkeitsplan
b) Druck und Geschwindigkeitsverlauf
c) Energiefluss", /45/, S. 99
Beispiele für Geschwindigkeiten: u = 150 (Turbineneintritt) -400 m/s (Turbinenaustritt),
cu2
= 0 m/s,
c0
= 60 m/s,
cu1
= 200 m/s (Eintritt 1. Laufschaufel),
= 600 m/s (Eintritt letzte Laufschaufel),
cu1
Eintritt
(Turbineneintritt, erste Laufschaufelreihe)
m
m
m2
wt = 150
·(-200
) = -30.000 2 ,
s
s
s
kg ⋅ m
J
kg ⋅ m2
m2
Umrechnung mit 1 J = 1 N·m = 1
→1
=1 2 ,
·m = 1
s2
s2
kg
s
kJ
wtStufe = ∆hStufe
,
= -30
kg
Austritt
(Turbinenaustritt, letzte Laufschaufelreihe)
m
m
m2
·(-600
) = -240.000 2 ,
wt = 400
s
s
s
kJ
,
wtStufe = ∆hStufe
= -240
kg
kJ
∆hGesamt
(aus Beispiel).
= 2500
kg
→ Leistung wegen Geschwindigkeiten in Stufe begrenzt,
→ Energieumsatz in mehreren Stufen notwendig!
Folge: nach jedem Laufrad muss wieder ein Leitrad folgen zur Geschwindigkeitserhöhung
und -umlenkung!
→ Folie
"Gleichdruckturbine druckgestuft
Überdruckturbine druckgestuft", /6/, S. 22
Gleichdruck: im Laufrad bleibt statische Druck konstant, Dampf wird nur umgelenkt, Relativgeschwindigkeit bleibt im Betrag konstant,
Überdruck: im Laufrad nimmt statische Druck ab und wird in Geschwindigkeit umgewandelt, Relativgeschwindigkeit nimmt zu (pLe > pLa).
Frage:
Warum sind die Laufschaufeln in radialer Richtung noch verdreht?
→ Folie
"Niederdruckschaufel einer Kondensationsturbine", /6/, S. 22
57
Frage:
Stimmen die hier angegebenen Geschwindigkeitsdreiecke?
Hinweise:
Ergebnis:
u = f(r), ca = konstant über Querschnitt
→ Drehung des Schaufelprofils wegen richtiger Anströmung und ∆h = konstant
über Radius r notwendig!
→ Folie
6.5
- Relativgeschwindigkeiten w verlaufen immer entlang der Kontur der
Schaufel (Tangenten an Schaufelkontur bei Ein- und Austritt),
- 1, 2 hier nicht Ein- und Austritt Laufschaufel sondern Eintritt Nabe N und
Spitze S der Schaufel,
- Drehrichtung der Umfangsgeschwindigkeit u nach oben gerichtet,
- Strömungsrichtung Dampf von links nach rechts,
- Eintrittswinkel Nabe αN ≈ 20° und Eintrittswinkel Spitze αS ≈ 60° gegenüber Turbinenachse (aus Zeichnung),
- Radienverhältnis rN/rS ≥ 0,35 bis 0,4 wegen benötigter Fläche zur Befestigung der Laufschaufeln (hier gewählt: 0,375),
- Radien rS = 960 mm und rN = 360 mm aus 0,375 und rS - rN = 600 mm,
- Drehzahl der Turbine n = 3.000 min-1,
- Umfangsgeschwindigkeit u = 2·π·r·n = f(r)
→ uN = 113,1 m/s
→ uS = 301,6 m/s,
- technische Arbeit wt an Nabe und Spitze gleich → rN·cN1u ≈ rS·cS1u,
- Durchströmgeschwindigkeiten ca (achsial) an Nabe N und Spitze S am
Eintritt 1 in das Laufrad gleich
→ cN1a = cS1a = 138,7 m/s aus Forderung
zu wt und Geometriebetrachtungen mit αN und αS,
- Zeichenmaßstab für DIN A4 Blatt 1 m/s ≡ 2,8275 mm
(113,1 m/s ≡ 80 mm).
„Verlauf des Dampfdruckes am Beispiel einer 150-MW-Turbine“
/9/, S. 37
Generator
Generator: Umwandlung der mechanischen Energie der Turbine mit der Drehzahl n in elektrische Energie nach dem Induktionsprinzip (Bewegung eines Magneten in einer
Spule induziert im Leiter der Spule eine Spannung) im Drehstromsynchrongenerator.
Siehe auch: http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB123-002.htm (05.09.2008)→
StromBASISWISSEN → Der Dreh mit dem Drehstrom
→ Folie
"Gleich- und Wechselstrom durch Induktion
Die einfachste Lösung: Der Magnet dreht sich", /59/, S. 2
Ergebnisse: Magnetbewegung Gleiche Magnete mit N-S- (-/+) oder S-N-Polen (+/-) bewirken pulsierenden Gleichstrom (von Null auf Höchstwert)
Drehbewegung:
einphasiger Wechselstrom.
58
Prinzip des Drehstromsynchrongenerators: drehendes Polrad (Rotor, Läufer) mit Gleichstromspeisung IE (erzeugte Wechselstrom folgt genau der Drehbewegung des Rotors) übernimmt Funktion des Magneten,
Ständer (Stator) mit 3 Spulen liefert 3 um je 120° phasenverschobene Wechselspannungen UU, UV und UW.
→ Folie
"Erzeugung von je drei um 120° phasenverschobenen Wechselspannungen
Zeitliche Folge der induzierten Wechselspannungen", /60/, S. 146
Aufbau:
Polrad (Schenkelpolläufer, Rotor) aus Spulen mit Gleichstromspeisung IE
(über mitrotierende Schleifringe und ruhende Bürsten) bildet magnetisches
Feld mit N und S (Erregerfeld), Antrieb von Turbine,
Zwei Pole = Polpaar, Polpaar z. B.: p = 1
(Energiezufuhr);
Ständer, Stator aus drei Spulen U, V, W mit 1 = Spulenanfang und 2 =
Spulenende um 120° räumlich versetzt
(Energieabfuhr).
Induktionsprinzip
Probleme:
in jeder Spule wird eine mit der Zeit τ sich sinusförmig ändernde
Spannung u induziert zwischen Anfang 1 und Ende 2 des Wicklungsstranges.
- Energietransport aus phasenverschobenen Wechselspannungen benötigen
sechs Leitungen (Hin: U1, V1, W1; Rück: U2, V2, W2)
Abhilfe:
→ geeignete Schaltung der Strangwicklungen (Verkettung) kann Anzahl der ausgeführten Leiter auf drei verringern.
→ Folie
Sternschaltung:
"Sternschaltung und Dreieckschaltung"
Wicklungsenden U2, V2 und W2 intern zu Sternpunkt N verbunden,
3 Aussenleiter + zusätzlicher Neutralleiter = Vierleitersystem
Neutralleiter als Rückleiter bei Unsymmetrien und einphasigen Wechselstromgeräten,
U = Spannungen zwischen den Aussenleitern (Effektivwert, z. B. 400 V),
UN = Spannungen zwischen den Strängen (Effektivwert, z. B. 230 V),
U = 3 ·UN, 3 = Verkettungsfaktor,
im Verteilnetz, 2 Spannungen zur Verfügung.
Dreieckschaltung: Wicklungsverbindungen U1-W2, W1-V2,V1-U2,
U = UN (Effektivwert, z. B. 400 V),
im Transportnetz, nur 3 Leitungen.
- Hohe Fliehkräfte im Schenkelpolläufer bei Drehzahl n durch vorgegebene Frequenz f:
f
mit
f = 50 Hz = 50/s (Bemessungsfrequenz festgelegt)
n= ,
p
p = 1,
n = 50 s-1 = 3.000 min-1.
Abhilfe:
→ Polpaarerhöhung z. B. p = 3: n = 1000 min-1;
→ Läufer als rotationssymmetrischer Vollpol- oder Turboläufer,
Radius r ≈ 600 mm, Elektrische Energie Wel ~ Vläufer ~ r2·l,
r klein → langgestreckte Läuferform (VLäufer = Volumen).
59
→ Folie
"Läuferarten von Synchrongeneratoren,
a) Polrad, b) Vollpolläufer (Turboläufer)", /60/, S. 309
→ Folie
"Beispiel für Vollpol- oder Turboläufer", /59/, S. 1
Wirkungsgrad und Leistungen von Turbogeneratoren:
Innenpolgenerator: Eingangsgrößen mechanische Leistung Pm und Erregerleistung Pe
auf Turboläufer,
Ausgangsgröße elektrische Leistung P aus Ständerwicklung.
P
≈ 99 %.
Pm + Pe
Wirkungsgrad
ηGenerator =
Verluste:
elektrische Verluste in Läufer- und Ständerwicklungen
mechanische Verluste (Lager- und Luftreibung).
Scheinleistungen: 380 MVA ≤ Sn ≤ 1.300 MVA.
Kühlungen zur Abführung der Verlustleistungern:
Ständergehäuse mit gasförmigem Wasserstoff,
Ständerwicklung mit Wasser,
Turboläuferwicklung mit Gas.
Erregersysteme:
Erregermaschine mit Gleichstrom auf einer Welle mit Turboläufer,
Erregermaschine mit Wechselstrom und Gleichrichtern.
IE ≈ 10 kA.
⇒ Zeigen/Vorführen "Drehstromgenerator AEG-Modell", Preis (1978) ≈ 3.600 DM
- Spannungsanzeige an einem Strang ohne Last (Analog, Oszilloskop)
- Qualitativ Strangspannung in Dreieckschaltung mit Last (Lampe: Helligkeit) in Abhängigkeit von der Erregung IE und der Drehzahl n.
6.6
Maschinentransformator
)
- u ≤ 30 kV aus isolationstechnischen Gründen, U aus Transportverlustgründen
jedoch möglichst hoch,
Abhilfe:
→ Maschinentransformator für höhere Spannungen (z. B. 400 kV)
zum Transport notwendig,
→ Folie
"Schema eines Maschinentransformators", /59/, S. 4
60
.7
Kondensator und Kühlturm
Kondensator und Kühlturm:
& = H·m
&B
Welcher Anteil der zugeführten Brennstoffenergie Q
B
& über den Kondensator und das angemuß als Abwärme Q
K
schlossene Kühlsystem (z. B. Nasskühlturm an die Umgebung
abgegeben werden?
→ Folie
„Vereinfachter Dampfkraftwerkskreislauf mit Leistungsbilanzgrenze“
/61/, S. 2
& −Q
& −P −Q
& =0,
Leistungsbilanz: Q
B
V
el
K
Elektrische Leistung
P
Nutzen
η = & el =
=
.
Brennstoffleistung
QB Aufwand
Typische Werte:
fossil befeuertes Kraftwerk (FK) η = 0,4,
& ≈ 0,1⋅ Q
& (z. B. über Schornstein);
Q
V
B
Kernkraftwerk (KK)/LWR
η = 0,34;
& ≈ 0.
Q
V
Ergebnis:
& ≈ (1,25 (FK) bis 2 (KK))⋅ P .
Q
K
el
Beispiele:
720 MW Steinkohlenkraftwerk
& = 1,25·720 MW = 900 MW!
Q
K
&
1290 MW Kernkraftwerk Lingen QK = 2·1290 MW ≈ 2600 MW!
6.7.1 Oberflächenkondensator
Bauteile und Aufbau von Oberflächenkondensatoren:
→ Folie
"Bauteile eines Oberflächenkondensators", /61/, S. 28
Wasserweg: Wasser fließt innen in den Rohren, wird dreimal hin und hergeführt;
Dampfweg: Dampf strömt von oben nach unten außen an den Rohren entlang;
Austausch: Kreuz-Gegenstrom:
→ Folie
"Oberflächen-Kondensator mit federnder Fundamentabstützung", /61/, S. 29
61
Beispiel für 720 MW Steinkohlenkraftwerk:
Abwärmeleistung
Wärmedurchgangswert (Dampf/Flüssigkeit)
mittlere logarithmische Temperaturdifferenz
Kondensatorwärmeaustauscherfläche
Gesamte Rohrlänge
Anzahl der Rohre
Einzelrohrlänge
Rohrdurchmesser
→ Folie
&
Q
K
k
∆ϑm
A
LR
nR
lR
da
di
≈ 900 MW,
≈ 2190 W/(m2·K),
≈ 7,5 K,
≈ 55.000 m2,
≈ 830 km,
≈ 47.000,
≈ 18 m,
= 23 mm,
= 21 mm.
"Temperaturverhältnisse im Oberflächen-Kondensator", /61/, S. 33
& W , Abdampf m
& D und die
Leistungsbilanzen über die Massenströme Kühlwasser m
Wärmeaustauscherfläche A (aus differentiellen Ansätzen mit dϑ1, dx und dA:
& =m
& W ·cpW· (ϑ1'' − ϑ1' ) ,
Q
Kühlwasser
mit
cpW = spezifische Wärmekapazität von Wasser
cpW ≈ 4,18 kJ/(kg·K);
Abdampf/Kondensat
& =m
& D ·x·r,
Q
mit
x = Dampfgehalt (≈ 0,9),
r = Verdampfungsenthalpie
r = f(ϑ) = 2.500 kJ/kg bei 0 °C;
Wärmeaustauscher
& = k·A·∆ϑm.
Q
Abführung der Abwärme aus dem Kondensator über ein Kühlsystem an die Umgebung:
→ Folie
"Mögliche Kühlverfahren in der Kraftwerkstechnik", /61/, S. 22
6.7.2 Nasskühlturm und h,x-Diagramm
Häufigste Kühlart: Nasskühlturm (Umweltauflagen Gewässer, Effektivität, Kosten).
→ Folie
"Nasskühlturmkreislauf mit Auslegungsdaten für ein 720 MW Steinkohlenkraftwerk", /61/, S. 75
Wasserverluste und Zusatzwasser beim Nasskühlturm
& W1 :
im Vergleich zum Umlaufwasser m
& V ≈ 1,6 %· m
& W1 (gewollt, übernehmen ca. 70 % der
m
Verdunstungsverluste
Kühleistung, aber gelöste Stoffe bleiben in Wasser),
& Sp ≈ 0,01 %· m
& W1 (Reduktion durch Tropfenfänger,
m
Sprühverluste
Abschlämmmengen
Zusatzwasser
Auflage aus Genehmigungsverfahren),
& A ≈ 0,8 %· m
& W1 (abhängig von der Güte des Zusatzm
&A =
wassers: hier dreimal besser als Umlaufwasser, m
0: destilliertes Wasser als Zusatzwasser!)
&Z = m
&V + m
& A ≈ 2,5 %· m
& W1 .
& Sp + m
m
62
Rückkühlung und Luftzustandsverlauf im Nasskühlturm, dargestellt im
h,x-Diagramm für feuchte Luft.
→ Folie
"Zustandsverlauf im h(1+x)-x-Diagramm von Luft und Wasser beim Nasskühlturm", /61/, S. 80
⇒ Bild an Tafel
Erläuterungen:
"Aufbau h-x-Diagramm"
h = h1 + x spezifische Enthalpie der feuchten Luft bezogen auf die trockene
kJ
,
Luftmenge in
kg tr.L.
Fragen:
Warum bezogen auf die trockene Luftmenge?
Warum ist die h-Achse schiefwinklig?
Masse Wasser
kg H2O
g H2O
in
oder
,
x = absolute Feuchte =
Masse trockene Luft
kg tr. L.
kg tr. L.
mL = mtr. L + mW = mtr. L·(1 + x),
vorhandene r Dampfdruck
p
,
ϕ = relative Feuchte = D =
pS
Sättigungs dampfdruck
ϑ = Temperatur der Luft,
ϑK = Kühlgrenztemperatur (Abkühlung von Wasser auf ϑK durch Umgebungsluft bei ϑ > ϑK mit: Konvektion = Verdunstung),
∆h
= Randmaßstab (gibt Richtung der Mischungsgeraden an beim Trock∆x
nungsvorgang von nassen Gütern mit Luft, Mischungszustand ergibt sich
aus Zustand Trocknerluft mit Wasser: x = ∞),
p = Gesamtluftdruck = konstant (fester Wert muss angegeben werden, da
gesättigte feuchte Luft bei Druckerhöhung übersättigte Luft mit Nebel ergibt:
ϕ ⋅ p S RL
ϕ ⋅ pS
⋅
x=
= 0,622·
pS = f (ϑ), aus Dampfdrucktabelle!
p − ϕ ⋅ p S RD
p − ϕ ⋅ pS
→ Diagramm ändert sich).
Enthalpie der feuchten Luft h(1+x) bezogen auf die trockene Luftmenge:
- nicht mit Wasserdampf gesättigt = untersättigt (pD < pS: ϕ < 1)
h1 + x = hL = c pL ⋅ ϑL + x ⋅ (c pD ⋅ ϑL + r ) ,
mit
hL = spezifische Enthalpie feuchter Luft
kJ
)
kg ⋅ K
kJ
)
cpD = spezifische Wärmekapazität des Wasserdampfes (≈ 2
kg ⋅ K
kJ
)
r = spezifische Verdampfungsenthalpie von Wasser (≈ 2.500
kg
ϑL = Temperatur der Luft
cpL = spezifische Wärmekapazität der trockenen Luft (≈ 1
63
Enthalpienullpunkt der trockenen bei ϑL = 0 °C festgelegt (Differenzen interessieren), (x = 0: h = 0, x > 0: h = x·r(0 °C))
Anmerkung: In der Literatur findet man anstelle von hL häufig h1+x;
- mit Wasserdampf gesättigt (pD = pS: ϕ = 1)
h1 + x = hL = c pL ⋅ ϑL + x S ⋅ (c pD ⋅ ϑL + r ) ,
mit
xS
= Sättigungsbeladung;
- mit Wasserdampf übersättigt (Nebelgebiet: x > xS)
h1 + x = hL = c pL ⋅ ϑL + x S ⋅ (c pD ⋅ ϑL + r ) + (x - xS)·cpW·ϑL,
mit
cpW
= spezifische Wärmekapazität des Wassers (≈ 4
& :
Kühlturmleistung Q
K
kJ
).
kg ⋅ K
& =m
& tr.L. ·∆h(1+x).
Q
K
Was ergibt dh/dx(ϑL = konstant)? Verlauf der Nebelisothermen!
⇒ Verteilen "MOLLIER h,x-Diagramm für feuchte Luft pL = 1013 mbar", /62/
Übungsbeispiel
gegeben:
Lufteintritt
Luftaustritt
gesucht:
Lufteintritt
Luftaustritt
Naßkühlturm mit folgenden Daten bei pL = 1013 mbar
& L1 = 14.925 kg/s,
ϑL1 = 8,5 °C, ϕ1 = 75 %, m
ϑL2 = 27 °C, x2 = 22,7 g/kgtr. L., xS = 22,6 g/kgtr. L.;
Zustandspunkt 1 im h-x-Diagramm,
absolute Feuchte am Eintritt x1,
spezifische Enthalpie am Eintritt h1,
& tr.L. ,
Trockenluftmassenstrom m
Kühlgrenzgerade ϑK,
Zustandspunkt 2 im h-x-Diagramm,
spezifische Enthalpie am Austritt h2,
& Sp ,
Sprühverluste m
Kühlturmleistung
spezifische Enthalpiedifferenz ∆h(1+x),
& ,
Gesamtkühlleistung Q
K
sensibler spezifischer (∆ϑ) Enthalpiewert hs,
& ,
sensible Wärmeübertragung Q
s
& .
latente (∆x) Wärmeübertragung Q
l
Zusammenfassung zu Kapitel 6:
Energieumwandlungskette Dampfkraftwerk, Brennstoff- und Luftstufung, Brenneranordnung,
Brennwert, Heizwert, Verbrennungsgleichungen, Avogadro Zahl, Partial- und Gesamtdruck,
Gasgleichung, Mengenbilanz, Massenbilanz, Elementaranalyse, Mindestluftbedarf, Mollier-Zahl,
Luftüberschuss-Zahl, Volumenbilanz, Realgasfaktor, Verbrennungstemperatur, Dampferzeugerschema, Wärmeübertragung, Temperaturverlauf durch Wand, Wärmeaustauschergleichung,
k-Wert, Bedeutung Kernenergie, Druck- und Siedewasserreaktor, 5 Barrieren, Massendefekt,
64
Einstein, Spaltungsenergiefreisetzung, Spaltvorgang, Kettenreaktion, Anreicherung, thermische
Neutronen, Bewegungsenergie, Spaltungsneutronen, Schneller Brüter, Leistung Turbine, Beschleunigungsenergie, Geschwindigkeit und spezifische Enthalpie, Addition von Geschwindigkeiten, Pelton-Turbine, Euler-Gleichung, Turbinenmodell, spezifische Stufenarbeit, Geschwindigkeitspläne, Leit- und Laufrad, Expansionsverlauf, Induktion, Drehstromsynchrongenerator,
Polrad, Ständer, Stern- und Dreieckschaltung, Vollpolläufer, Modell Drehstromgenerator, Maschinentransformator, Abwärmeleistung, Oberflächenkondensator, Temperaturverhältnisse,
Leistungsbilanzen, Kühlverfahren, Nasskühlturmkreislauf, Wasserverluste, h-x-Diagramm für
feuchte Luft, spezifische Enthalpie, Kühlgrenztemperatur, Kühlturmleistung, Übungsbeispiel.
65
7
ABWÄRMENUTZUNG
7.1
Probleme bei der Abwärmenutzung
Probleme bei der Abwärmenutzung:
•
- Niedrige Abwärmetemperatur,
•
- Große Leistungen (Abnehmer/Kunden fehlen in der Nähe des Kraftwerks),
•
- Relativ große Entfernungen zum „Kunden“ mit relativ minderwertiger Energie,
•
- Verfügbarkeit (Ersatz bei Kraftwerksstillstand).
7.2
Agrotherm
AGROTHERM:
Freifeldbodenheizung mit Rohrschlangen ("Feldfußbodenheizung") /63/.
→ Folie
„Blockschaltbild der Agrotherm-Versuchsanlage Neurath“, /61/, S. 167
→ Folie
„Temperaturerhöhung im Erdboden durch Agrotherm auf dem Standort Auweiler“, /61/, S. 167
→ Folie
„Einfluss der Bodenerwärmung auf landwirtschaftliche Kulturen“, /61/, S. 168
Ergebnis:
7.3
Investitionskosten + Bodenprobleme
> Erntemehrertrag (früher, besser, mehr)
→ lohnt sich nicht.
Hortitherm
HORTITHERM:
Treibhausbeheizung über mechanisch belüftete NiedertemperaturWärmeaustauscher /64/.
→ Folie
„Schema der zwangsbelüfteten Niedertemperaturwärmeaustauscher mit
lichtdurchlässigem Kanal“, /64/, S. 2
→ Folie
„Tagesgang von Kühlwasser-, Außenluft- und Gewächshausinnentemperatur an einem sehr kalten Wintertag", /65/, S. 4
→ Folie
„Spezifischer täglicher Heizenergiebedarf einer Gewächshausanlage im
Jahresrhythmus“, /65/, S. 2
Ergebnis:
Thermische Heizleistung/Elektrische Ventilatorleistung ≈
20
,
1
Bezogen auf Primärenergie?
Gute wirtschaftliche Erfahrungen (spezifische Heizkosteneinsparungen)
Problem:
Ansiedlung (Familienbetriebe)!
66
7.4
Limnotherm
LIMNOTHERM:
Fischzucht im warmen und sauerstoffreichen Abschlämmwasser mit
kontrollierter Fütterung /66/.
→ Folie
„Kühlwasserkreislauf mit der Integration der Limnothermanlage Niederaußem im Abschlämmwasserstrom“, /61/, S. 173
→ Folie
„Aufwachs- und Erntenvergleich bei Karpfen zwischen Teich- und
Limnotherm-Anlagen (Einsatzgewicht: 40 g)“, /61/, S. 174
E
Ertragsvergleich: Limnotherm ≈
E Teich
kg
ha = 10.000 (ha = Hektar)!
kg
1
150
ha
1,5 ⋅ 10 6
Ergebnisse: Schneller Aufwuchs da keine Winterpause,
große Belegungsdichte wegen kontrollierter Fütterung möglich,
wegen zu kleiner Anlagengröße bisher noch nicht wirtschaftlich.
Zusammenfassung zu Kapitel 7:
Probleme Abwärmenutzung, Agrotherm, Erntemehrertragsvergleich, Hortitherm, Energieeinsparungsvergleich, Limnotherm, Ertragsvergleich.
67
8
LITERATURVERZEICHNIS
1 Einführung
/1/ -: Richtlinien für die gymnasiale Oberstufe in Nordrhein-Westfalen - Technik
Heft 4726, 1. Auflage 1981, Verlagsgesellschaft Ritterbach mbH, Frechen, Nachdruck
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Technischer Verlag Resch, Gräfelfing; Verlag TÜV Rheinland GmbH, Köln,
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Springer-Verlag, Berlin, 1978, 4. Auflage/1996, 9. Auflage
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Kontext 2001
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Die Industriegesellschaft und die Diskussion der Energiefrage
VGB-Buchreihe Mensch, Energie und Gesellschaft, Band 1
Verlag VGB-KRAFTWERKSTECHNIK GmbH, Essen, 1996
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Braunkohlentagebau und Umwelt – Materialien für den Erdkundeunterricht in
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Rheinbraun AG, Köln; Druck- und Verlags-GmbH Becher, Brühl, 1995
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MWV Mineralölwirtschaftsverband e. V., Hamburg, Mai 2002
/31/ -: Erdgas in der Bundesrepublik Deutschland
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/32/ -: Erdgas aus vielen Quellen/Natural Gas from Many Sources
Ruhrgas AG, Essen, 1996
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VDEW e.V., Frankfurt am Main; VWEW m.b.H., Frankfurt am Main, 1997
/35/ Horbelt, O. et al: Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie
RWE Energie AG, Essen; Energiewirtschaft und Technik VerlagsGesellschaft mbH, Essen, 1995
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/38/ -: Schema einer Fernwärmeheizungsanlage mit Trinkwassererwärmung –
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Arbeitsgemeinschaft Fernwärme (AGFW) e. V. bei der VDEW, Frankfurt a. M.
/39/ -: Grafiken zur Fernwärmeversorgung
Arbeitsgemeinschaft Fernwärme (AGFW) e. V.-Grafikdienst, Frankfurt a. M.,
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/42/ -: RWE Energie Kraftwerk Weisweiler
RWE Energie AG Kraftwerk Weisweiler, Eschweiler, 1997
/43/ Doering, E.; Schedwill, H.: Grundlagen der Technischen Thermodynamik
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/44/ Wagner, W.; Kruse, A.: Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf
Springer-Verlag, Berlin, 1998
5 Struktur komplexer Systeme des Energieumsatzes
6 Teilsysteme beim thermischen Kraftwerk
/45/ Hell, F.: Thermische Energietechnik
VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1985
/46/ Brandt, F.: Brennstoffe und Verbrennungsrechnung
FDBR Fachverband Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau e. V., Düsseldorf, 2.
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Unterglas-Gartenbau
RWE Energie AG, Essen, 1998
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/66/ -: Nutzung der Kühlwasserwärme thermischer Kraftwerke - Limnotherm
RWE Energie AG, Essen, 1998
72
ANHANG THERMODYNAMIK - BEGRIFFE UND DEFINITIONEN
adiabat:
ohne Wärmezu- oder –abfuhr
abgeschlossen: ∆m = 0, ∆E(Arbeit, Wärme) = 0 (keine Masse und keine Energie
über Systemgrenze)
Anergie:
nicht in Exergie umwandelbare Energie z. B. Umgebungsenergie
Arbeit:
Druckänderungsarbeit ∫v·dp, elektrische Arbeit ∫U·I·dτ, mechanische
Arbeit ∫K·dx, technische Arbeit wt, Verschiebearbeit p2·v2 – p1·v1,
Volumenänderungsarbeit ∫p·dv, Wellenarbeit 2·π·∫n·M·dτ
atomare Masseneinheit: u = 1,673·10-27 kg
Carnot-Prozess: adiabate Verdichtung, isotherme Entspannung (Wärmezufuhr),
adiabate Entspannung, isotherme Verdichtung (Wärmeabfuhr),
bei 4 reversiblen Teilprozessen maximale Arbeit und idealer
Wirkungsgrad ηC = -wt/q23 = (T-T0/T),
Prozess praktisch nicht realisierbar
Diagramme: p,v,T; p,v; u, v; T, s; h, s; logp, h; h, x
diatherm: wärmedurchlässig
Dichte:
ρ = m/V = Masse/Volumen
Dissipation: Reibung
Druck:
p = Kraft/Fläche
Energie:
chemische Bindungsenergie der Brennstoffe
innere u2 – u1 = (w12)adiabat (geschlossenes System)
kinetische m·v2/2
potentielle m·g·z
Enthalpie: absolut H = U + p·V
spezifisch h = u + p·v, ∆h = Maß für technische Arbeit
Entropie:
ds = dq/T + dsirr (Reibung) = dsq + dsDissipation = Verwandlungsgröße
Exergie:
unbeschränkt umwandelbare Energie z. B. Arbeit (reversibel)
extensiv:
Zustandsgröße wird bei Teilung verändert z. B. V
)
Gasgleichung:
ideal (p → 0) p·V = n· R ·T = m·R·T, V/m = v, p·v = R·T
real Realgasfaktor z =(p·v)/(R·T) ≠ 1
)
Gaskonstante:
molare/universelle R = 8,3145 J/(mol·K) = 0,083145 bar·l/(mol·K)
spezielle R = (208,3(Argon) bis 4126,1(Wasserstoff)) J/(kg·K)
geschlossen:
∆m = 0, ∆E(Arbeit, Wärme) ≠ 0 (keine Masse, aber Energie über
Systemgrenze)
Hauptsätze: 0.:
thermisches Gleichgewicht bei TA = TB
1.:
Energieerhaltungssatz
bewegt, geschlossen:
m
Q12 + W12 = E 2 − E1 = U2 − U1 + ⋅ (c 22 − c 12 ) + m ⋅ g ⋅ (z 2 − z1 ) ,
2
bewegt, offen:
1
q12 + w t12 = h 2 − h1 + ⋅ (c 22 − c 12 ) + g ⋅ (z 2 − z 1 ) .
2
2.:
Umwandelbarkeit von Energien (Irreversibilität, Begrenzung der
Energieumwandlung durch Wärme)
heterogen: zwei oder mehr Phasen
homogen: Zusammensetzung und Eigenschaften überall gleich
intensiv:
Zustandsgröße ändert sich nicht bei Teilung z. B. T
irreversibel: Vorgang nicht umkehrbar ohne Änderungen in der Umgebung
isenthalp: bei gleicher Enthalpie, h = konstant, dh = 0
73
isentrop:
bei gleicher Entropie, s = konstant, ds = 0
Isentropenexponent:
κ = cp /cv = spezifische Wärmekapazität bei konstantem
Druck/spezifische Wärmekapazität bei konstant. Volumen
isobar:
bei gleichem Druck, p = konstant, dp = 0
isochor:
bei gleichem Volumen,
absolut V = konstant, dV = 0
spezifisch v = konstant, dv = 0
isotherm: bei gleicher Temperatur, T = konstant, dT = 0
&1 =m
& 2 = konstant
Kontinuität: m
Kraft: m·b = Masse·Beschleunigung
Kreisprozeß:
∑ Qik + ∑ Wtik = E k − E1 = 0 (Zustand Arbeitsmittel wieder am
Anfang)
Masse:
m
& = Masse/Zeit
Massenstrom:
m
mol: Stoffmenge n mit so viel Teilchen wie Atome in 12 g C,
Teilchenzahl NA = 6,0221367 1023/mol
offen: ∆m ≠ 0, ∆E(Arbeit, Wärme) ≠ 0 (Masse und Energie über Systemgrenze)
polytrop:
vielfach, Zustandsänderung mit n = konstant (Polytropenexponent)
Polytropenexponent:
n bei p·vn = konstant
Prozess:
Zustandsänderung durch äußere Einwirkungen mit Angabe des Verfahrens und der näheren Umstände
Prozessenergie: Arbeit und Wärme = f(Weg)
reversibel: Vorgang umkehrbar ohne Änderungen in der Umgebung (Idealprozess
ohne Verluste/ohne Reibung)
spezifisch: bezogen auf Masse
System:
abgegrenzter Untersuchungsbereich
& = konstant ≠ f(Zeit)
stationär:
m
thermisches Gleichgewicht:
Systeme mit räumlich und zeitlich gleicher
Temperatur
Thermodynamik: allgemeine Energielehre
Volumen: V
spezifisch v = V/m
Wärme:
Q12 = U2 – U1 – W12 (ruhende geschlossene Systeme)
Wärmekapazität: spezifisch
cp = (dh/dT)p bei konstantem Druck, ideale Gase c 0v (T) + R
cv = (du/dT)v bei konstantem Volumen, ideale Gase c 0v (T)
Wirkungsgrad:
Bewertungsgröße mit verschiedenen Bezugsenergien oder –
leistungen, z. B. Nutzen/Aufwand
Zustandsänderung:
von einem (Gleichgewichts)Zustand zu einem anderen
Zustandsgleichung:
kalorisch
u(T,v) für innere Energie
totales Differential du = (du/dT)v·dT+ (du/dv)T·dv
h(T,p) für Enthalpie
totales Differential dh = (dh/dT)p·dT+ (dh/dp)T·dp
thermisch
F(p,T,v) = 0 beschreibt Zustandsenergie im
Gleichgewicht = Zustandsgröße
Zustandsgröße: feste Werte für einen Zustand mit thermodynamischem
Gleichgewicht ≠ f(Weg)
äußere z. B. Höhe und Geschwindigkeit
74
innere z. B. v, p, T
Stand: 5. Februar 2003