Skript "Elektrische Energieversorgung" – Professor Nelles

Zusammenfassung –Skript Energietechnik von Prof. Nelles
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Skript "Elektrische Energieversorgung" – Professor Nelles
1. Einführung
Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie
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Elektrizität = Energieträger
Quelle der Energie = Standort, an dem Mensch "Primärenergie" von Natur übernimmt
Verbraucher = Betriebsmittel, das elektrische Energie in gewünschte Form umwandelt
elektrische Energie nicht im Generator erzeugt à wird aus mechanischer Energie
umgewandelt (Begriff "Erzeugung" jedoch eingebürgert)
•
vom Generator bereitgestellte Energie auf relativ niedrigem Spannungsniveau (10 – 30
kV) à große Ströme (bis 30 kA) à Probleme bei Übertragung
⇒ Transformierung auf höhere Spannungsebene (380 kV) à abzuleitende Ströme
wirtschaftlich übertragbar
• Transformatoren in Nähe von Generatoren, Energieübertragung mit Freileitungen
• Gründe für Energieübertragung:
à Wirtschaftliche Gründe (Kraftwerk nahe bei Energiequelle)
à Technische Gründe (Wasserkraftwerke nur an Wasserläufen)
à Umweltschutzgründe (wegen Umweltbelastung eher in dünn besiedelten Gebieten)
•
in Verbraucherzentren ist Verteilung mit hohen Spannungen unwirtschaftlich/unmöglich
⇒ niedrigere Spannungen
à 110 kV für großflächige Verteilung
à 10 bzw. 20 kV für örtliche Verteilung
à 380 V für Verteilung zum einzelnen Verbraucher
(regionale Verteilung mit Kabeln)
•
Elektrische Energieversorgung betrachtet Weg der Energie vom Generator bis zum
Verbraucher
à Unterscheidung zw. Energieübertragung (Erzeugerzentren zu Verbraucherzentren)
und Energieverteilung (in Verbraucherzentren)
Grundgrößen der elektrischen Energie
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elektrische Leistung: W(att) oder kW
à Energieversorgung: MW
Energie: kWh oder kJ (kcal)
à Energiewirtschaft: GWh (106 W), TWh (109 W), SKE (Steinkohleeinheiten)
(SKE = Energieinhalt in 1 t bzw. 1 kg Steinkohle; 1 t SKE = 8140 kWh)
auch üblich: jährlicher Energieverbrauch ( kWh a ) à eigentlich Dimension Leistung,
i.a. Sprachgebrauch aber Energieverbrauch
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2. Energiebedarf
Gesamtenergieverbrauch
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Gesamtenergieverbrauch steigt weltweit an
Anteil der Primärenergieträger am Energieeinsatz hat sich nicht nennenswert geändert
Fossile Energieträger auch als Rohstoffe für Materialien genutzt (10 %), jedoch
üblicherweise als Primärenergieträger gerechnet
Pro-Kopf-Verbrauch = Energieverbrauch eines Landes bezogen auf Bevölkerungszahl
großer Teil der Primärenergie wird von kleinem Teil der Weltbevölkerung verbraucht
BRD: je 1/3 der Primärenergie in Industrie, privatem Bereich (v.a. Heizen, Auto) und
Handwerk
bei Berechnungen sollte Plausibilität geprüft werden (Gründe für Fehler: ungenaue
Quellenangaben, Zahlen aus verschiedenen Jahren, unterschiedliche Wertedefinitionen)
Korrelation:
"Wohlstand eines Landes und dessen Energieverbrauch"
"Wirtschaftswachstum und Zunahme an Energieverbrauch"
à Proportionalität zwischen Bruttosozialprodukt und Energieeinsatz
Energievorräte
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nichtregenerative Energieträger à nicht mehr neu von Natur gebildet
regenerative Energieträger à werden in dem Maße neu erzeugt, wie sie verbraucht
werden
Grenze zw. beiden Gruppen: Pflanzen (vgl. große Abholzung und Zuckerrohranbau)
nur 1% der auf Erde auftreffende Energie erreicht Erdoberfläche
Fossile Brennstoffe à Faktoren für Abbau
o Ort der Lagerstätte
o Tiefe der Vorkommen
o Mächtigkeit der Vorkommen
o Reinheit der Vorkommen
Abbauwürdigkeit
à ökonomisch gewinnbar
à technisch gewinnbar
Reichweite = Zeitraum in dem ökonomisch gewinnbare Rohstoffe aufgebraucht wären
zur Zeit werden jährlich mehr neue Vorkommen entdeckt als verbraucht
Energiefluss
• Deckung des Energiebedarfs in BRD: Öl (51%), Steinkohle (19%), Gas (16%),
Braunkohle (9%)
• nur 30% beim Verbraucher als "Nutzenergie" verfügbar à Verluste durch
thermodynamischen Wirkungsgrad bei Umwandlungsprozessen
Energieumwandlung
• mehrere Umwandlungsprozesse; i.a.: Verbrennung à Wärme à mechanische Bewegung
à elektrische Energie (evtl. über "Umweg" Wasserdampf)
• Kernenergie immer über Wasserdampf, Wind-/Wasserkräfte durch Turbinen in mechan.
Bewegung, Sonnenenergie über Kollektoren und Wasserdampf oder Solarzellen
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Verbrauch an elektrischer Energie
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elektrische Energie bequemer und universeller anzuwenden als andere Energieträger
elektrische Energie schwer speicherbar (à Probleme in Fahrzeugen)
bei Umwandlung gehen 60 % über Wärmeverluste verloren à Energie als Wärme ist
wirtschaftlicher wenn direkt beim Verbraucher umgesetzt
• Industrie ist Hauptabnehmer für elektrische Energie
• Primärenergieträger zur Stromerzeugung: Wasser, Kernerenergie, Braun-/Steinkohle,
Öl, Gas, Müll
Bereitstellung der elektrischen Energie
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elektrische Energie nur begrenzt speicherbar à muß zugleich mit Verbrauch
bereitgestellt werden à Kenntnis der Netzbelastung als Funktion der Zeit nötig
• Tagesganglinien, Jahresganglinien à Last im zeitlichen Verlauf
à charakteristische Größen:
entscheidend für Dynamik der Kraftwerke
Verhältnis Winterspitze zu Wintertal bzw. Sommerspitze zu Sommertal
à entscheidend für Hub, in dem Maschinensätze täglich an- und abgefahren
werden
Verhältnis Gesamtkraftwerksleistung zu Grundkraftwerksleistung
à Winterspitze zu Sommertal
Verhältnis Winterspitze zu Sommerspitze
à in welchem Maß können Kraftwerke im Sommer zur Wartung abgestellt
werden
notwendige Dynamik und mögliche Revisionszeiten aus Spitzen- und Talganglinien
ableitbar
• bei Planung: Entscheidung über Kraftwerkstyp à bestimmte Faktoren
o Dynamik (Häufigkeit des An- und Abfahrens)
o voraussichtliche jährliche Einsatzdauer à ableitbar aus geordneter
Jahresdauerlinie
• Jahresdauerlinie à Tagesganglinien werden (z.B. ¼ Stunden-Raster) so geordnet, dass
links hohe Leistungen, rechts niedrige Leistungen aufgetragen
à keine Zuordnung zwischen Zeitpunkt und Leistung mehr möglich
à Informationen über welchen Zeitraum bestimmte Leistung gebraucht wird
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Kraftwerkseinsatz richtet sich nach niedrigsten spezifischen Brennstoffkosten, diese
werden ganzen Tag voll ausgefahren
typische Reihenfolge: Laufwasser – Kernenergie – Braunkohle – Steinkohle – Erdgas,
Heizöl – Industrieeinspeisung – Speicher und Pumpspeicher
zur Reservehaltung muss gesamter Kraftwerkspark immer über höhere Leistung als
Spitzenleistung verfügen
ca. 50 % der Gesamtleistung als Grundlastkraftwerke ständig im Einsatz
Sommer: Wartungszeit für viele Kraftwerke à Betriebszeit liegt bei 75-85 %
für vorzuhaltenden Kraftwerksleistung ist Engpassleistung maßgebend
Engpassleistung:
à entscheidet sich i.a. nur geringfügig von Nennleistung
à beim Bau durch Messungen ermittelt; bestimmend: Betriebsmittel, welches in Kette
Brennstoffzufuhr ... Blocktransformator geringste Dauerleistung erbringen kann
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à jedoch nicht volleinsetzbar
Gründe:
o zulässige Grenzen durch fehlende Betriebsgenehmigungen, geringe
Wasserführung, hohe Fernwärmelieferung, längerfristige Stillsetzung
o Reserveleistung
o freie Reserve die wegen Unsicherheit bei Bedarfsermittlung installiert wurde
Elektrizitätsversorgungsunternehmen
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•
Investitionen zur Hälfte in Kraftwerkspark, andere Hälfte in Netz
Investitionsrückgang wegen Rationalisierung aber auch "Investitionsstau"
EVU
à Aktiengesellschaften (v.a. in öffentlicher Hand) oder kommunale Betriebe
à nach regionalen und aufgabenspezifischen Gesichtspunkten gegliedert
à Aufgaben: Erzeugung, Übertragung, regionale Verteilung, örtliche Verteilung
• deutsches Verbundnetz, europäisches Verbundnetz à Ausgleich
Strompreisgestaltung
•
ausgehend von Grundpreis und Arbeitspreis à orientiert an Entstehungskosten von
Bundesaufsichtsamt genehmigt
• Grundpreis: Abschreibung und Verzinsung der Investitionen
• Arbeitspreis: hauptsächlich Brennstoffkosten
• Haushaltstarife: Kleinstadttarif, Kleintarif, Großtarif
Elektroindustrie
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Verhältnis Einfuhr – Ausfuhr etwa konstant
große Bedeutung der Stromwirtschaft für industrialisierte Volkswirtschaft
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3. Wasserkraftwerke
Energiepotential
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potentielle Energie des Wassers wird genutzt (Verdunstung im Tal, Regen in Bergen)
Wasser in Speicherbecken aufgefangen und durch Turbinen abgearbeitet
Energieinhalt eines Spe icherbeckens
h +h
E = γ ⋅ V ⋅ h mit γ = spezifisches Gewicht und h = 1 2 = mittlere Fallhöhe
2
• Geschwindigkeit an Turbine (Ausströmungsgeschwindigkeit) à v = 2 gh
à dafür muss Turbine ausgelegt werden
à unterschiedl. Stauhöhen ⇒ v variiert ⇒ Optimierungsprobleme bei Dimensionierung
• Einzugsgebiet = Fläche dessen Entwässerung in Stausee geleitet
• Typen: Pump-Speicher-Kraftwerke, Laufwasserkraftwerke (an Stauwehren)
Wasserkraftmaschinen
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früher: Löffelräder, in strömendes Wasser getaucht
unterschlächtiges Wasserrad
à kinetische Energie des strömenden Wassers ausgenutzt
à Geschwindigkeit nicht voll nutzbar, da Wasser weiterfließen muss ⇒ η ca. 75 %
oberschlächtiges Wasserrad
à nutzt Fallhöhe à Durchmesser durch Fallhöhe bestimmt
à Wirkungsgrad durch nutzbare Höhe begrenzt ⇒ η ca. 70 %
moderne Wasserturbinen à Strömungsenergie des Wassers
à Francis-Turbine
à Pelton-Turbine
à Kaplan-Turbine
um Energie in strömendem/unter Druck stehenden Medium in Drehbewegung umzusetzen
⇒ Kolbenmaschinen, Turbinen
Vorteil von Turbinen: Drehmoment gleichförmig
Antriebsmoment dadurch erzeugt, dass strömendes Medium von Turbinenschaufeln
umgelenkt ⇒ es entsteht Kraft ⇒ Drehbewegung der Turbine
bei gegebener Baugröße liegt mit Fallhöhe die Drehzahl fest
Spezifische Drehzahl
•
geometrischer Aufbau einer Wasserturbine à bestimmt durch Fallhöhe, Drehzahl,
Bauleistung
• Einsatzbereich durch spezifische Drehzahl beschrieben: 2 Definitionen (vgl. Skript)
P
PS
à Dynamische spezifische Drehzahl ns = n ⋅
5
4 h
m
( )
à Kinetische spezifische Drehzahl
à Zusammenhang
nq = n ⋅
h1 Q
h1
⋅
m³ ⋅
s
h
h
ns = 3,65 ⋅ η ⋅ nq
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verschiedene Turbinentypen nur für best. spez. Drehzahl baubar
optimale Auslegung à η = 0,9.....0,93
Wirkungsgrad schlechter, wenn Leistungsabgabe nicht im Bestpunkt
Regelung durch Wasserdurchsatz Q
à Pelton-Turbine: Nadel im Strahlaustritt
à Francis-, Kaplan-, Propellerturbine: Veränderung des Leiterquerschnitts ⇒
Wasserstrom und Strömungsrichtung beeinflusst
à Kaplan-Turbine: zusätzlich Propeller verstellbar ⇒ hoher Wirkungsgrad in weitem
Betriebsbereich
Wasserführung
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durch Staumauer wird Entwässerung des gesamten Gebietes dahinter erfasst, evtl.
werden Flüsse aus anderen Tälern angezapft
falls Erfassungspunkt niedriger als Stausee à Wasser entsprechend hochgepumpt à
wirtschaftlich bei geringen Höhenunterschieden
Krone der Staumauer empfindlich gegen Überlaufen à Überlauf am Rand (Niveau)
Absenkziel = Höhe bei der Rohre See verlassen
Rohre i.a. mit geringem Gefälle zum Haupttal, dort steil ins Tal mit Kraftwerkhaus
Fallrohre müssen erheblichen Druck standhalten
Schnellschluß (Turbinen plötzlich abgeschaltet) à Stoßbeanspruchung à
Wasserschlösser zum Ausgleich
Drehzahlerhöhung bei Lastabschaltung à Belastung für Turbine und Generator à
müssen vorübergehende Drehzahlerhöhung ertragen können à Durchgangsdrehzahl
(dann η = 0 )
Wasseranfall oft abhängig von Jahreszeit à Schwankungen
Pump-Speicher-Kraftwerk arbeitet mit Energieverlust beim "Umpumpen" à
Wirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerkes à rentabel wegen Strompreis
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4. Dampfkraftwerke (konventionell)
Thermodynamische Grundlagen
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•
dynamisches Verhalten von Antriebsmaschinen und Steuerungen häufig durch
Gasdynamik der zu steuernden Prozesse bestimmt
Problematik der Wärmekraftkopplung
i.a. abgeschlossene Gasmenge
Zustandgrößen eines Gases
à Volumen
V
à Druck
p
à Temperatur
T
(in K)
p ⋅V
= R⋅m
Zustandsgleichung
T
kJ
mit allg. Gaskonstante R = 8,31 Kkmol
⋅
V
m = Gasmasse in kmol; häufig Volumen bezogen auf Gasmasse ⇒ v =
m
abgeschlossene Gasmenge à bestimmte Wärmemenge dQ zugeführt à Temperatur
erhöht sich um dT à zugeführte Wärmemenge im Gas gespeichert
⇒ innere Energie erhöht sich dU = dQ = cv dT
cv = spezifische Wärmekapazität; abhängig von Gasart, gilt unter Vorraussetzung
konstantes Volumen
cv = f ⋅ 12 ⋅ R ⋅ m
à abhängig von Anzahl der Freiheitsgrade f
à es gilt: κ =
cp
cv
= 1+
Einatomige Gase
Zweiatomige Gase
Dreiatomige Gase
2
f
àf=3
àf=5
àf=6
à κ = 1,333
à κ = 1,4
à κ = 1,667
•
Erhöhung der Temperatur verursacht Erhöhung des Druckes p ⇒ es kann äußere Arbeit
geleistet werden
à 1. Hauptsatz der Thermodynamik dQ = dU + pdV = cv dT + pdV
• Sonderfälle:
Konstanter Druck (Isobare)
o p1 = p2 → dp = 0
o
dQ = c p dT
Q12 = c p (T2 − T1 )
mit spezifischer Wärmekapazität c p (abhängig von Gasart)
o
c p = cv + R⋅ m
à Wärmekapazität bei konstantem Druck ist größer als Wärmekapazität bei
konstantem Volumen, da bei konstantem Druck mechanische Arbeit geleistet
wird
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Konstantes Volumen (Isochore)
o V1 = V2 → dV = 0
o Q12 = cv (T2 − T1 )
Konstante Temperatur (Isotherme)
o T1 = T2 → dT = 0
o
Q12 = Ea = p1 ⋅ V1 ⋅ ln
V1
V2
dQ = cv dT + dEa
kein Wärmeaustausch (Adiabaten)
o Q12 = 0 → dQ = cv dT + pdV = 0
o
p2 ⋅V2κ = p1 ⋅ V1κ
Carnotscher Kreisprozeß
•
kontinuierlich Energie umwandeln à Zustandsübergänge müssen zyklisch durchlaufen
werden (Gas muss am Ende wieder seinen Ausgangszustand erreicht haben)
⇒ Kreisprozesse
• Carnot-Prozess
o von Zustand 1 wird Gas isotherm in Zustand 2 entspannt (Wärme zugeführt, äußere
Arbeit entnommen)
o von Zustand 2 wird adiabatisch in Zustand 3 entspannt (äußere Arbeit entnommen)
o von Zustand 3 wird isotherm in Zustand 4 komprimiert (äußere Arbeit zugeführt,
Wärme abgeführt)
o von Zustand 4 wird adiabatisch in Zustand 1 komprimiert (äußere Arbeit zugeführt)
à Punkte so, dass Zyklus geschlossen
à Temperaturen der Isotherme durch äußere Umgebung festgelegt
• bei Bewertung des Energieaustausches müssen zugeführte Wärme Q und abgeführte
Arbeit E positiv gezählt werden
E
à Bilanz à Wirkungsgrad ηth = ab = 0,48
Q zu
• abgegebene Wärme Qab ist nicht mehr nutzbar, da sie bei Umgebungstemperatur anfällt
• allgemeine Bestimmung des Wirkungsgrades
V
V
zugeführte Wärme:
Qzu = Q12 = V1 ⋅ p1 ln 2 = R ⋅ m ⋅ T1 ⋅ ln 2
V1
V1
abgegebene mechanische Energie:
Eab = E12 + E 23 + E34 + E41
⇒ Wirkungsgrad der Carnot-Maschine ηth =
Eab T1 − T4 Tzu − Tab
=
=
Q zu
T1
Tzu
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Entropie
•
Carnot-Maschine: Wirkungsgrad bestimmt durch Temperatur der zugeführten Wärme Tzu
und Temperatur der Kühlung Tab à mehr Wärme in Energie umsetzbar, wenn bei hoher
Temperatur Tzu angeboten ( Tab durch Umwelt bestimmt)
à Wärmemenge mit hoher Temperatur "besser" als mit niedriger
dQ
⇒ "Qualität" der Wärme = Entropie S dS =
T
à Absolutbetrag über Integration
• Wärme dQ von Körper 1 auf Körper 2 übertragen à Entropie ändert sich
dQ
dQ
dS1 = −
dS 2 =
T1
T2
à für Gesamtsystem gilt
•
•
•
•
•
•
•
•
dS = dQ ⋅
T1 − T2
T1 ⋅ T2
à Wärmetransport nur möglich, wenn T1 > T2 ⇒ dS stets positiv
2. Hauptsatz der Thermodynamik: "In einem geschlossenen System kann Entropie s nur
dS ≥ 0
ansteigen bzw. konstant bleiben"
Temperatur eines Gases durch Bewegungsenergie der Moleküle definiert à statistisch auf
einzelne Moleküle verteilt à 2. HS gilt nicht absolut, nur statistisch
Entropie S = vierte Zustandsgröße
Änderung der Entropie
2 dQ
2 dT
T
Isobare
S12 = ∫
= cp ⋅ ∫
= c p ⋅ ln 2
1 T
1 T
T1
2 dT
T
Isochore S12 = cv ⋅ ∫
= cv ⋅ ln 2
1 T
T1
dQ Q12
V
V
V
Isotherme S12 = ∫
=
= p1 ⋅ 1 ⋅ ln 2 = R ⋅ m ⋅ ln 2
T
T
T1
V1
V1
Adiabte dS = 0
à Adiabate ist auch Isentrope (Entropie konstant)
Carnot-Prozeß lässt sich sehr einfach in T-S-Diagramm angeben à Rechteckfläche
Fläche in T-S-Ebene = mechanische Arbeit (wie Fläche in p-V-Ebene)
Carnot-Prozeß ist optimaler Prozeß à dient als Vergleichsprozeß
Carnot-Prozeß ist reversibel à Wärmepumpe (Umgebung wird bei niedriger Temperatur
Wärme entzogen und durch geringen Einsatz von mechanischer Arbeit auf höheres
Temperaturniveau gebracht à wirtschaftlich bei geringem Temperaturgefälle)
Gasturbinenprozess
•
vgl. Skript
Enthalpie
•
•
Energiebilanz von abgeschlossenem Gasvolumen
dQ = dU + pdV
in diesem Gasvolumen V kann Druck um dp erhöht werden durch Einschieben bestimmter
Gasmenge (z.B. Verdichter, der Arbeit Et leistet)
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à zu Wärmezufuhr dQ kommt noch technische Arbeit dEt hinzu
dH = dQ + dEt
à so erhaltene Energie = Enthalpie H
• bei Kreisprozessen nur Differenzen von zwei Enthalpien interessant
Verluste
•
Verluste bei Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie spielen bei
Auslegung von Anlage wesentliche Rolle
• Umwandlungsvorgänge finden bei hohen Temperaturen statt à Anlagenteile geben
Wärme an Umgebung ab (à Verringerung durch Isolation)
• Auswirkung der Wärmeabgabe bei adiabatischer Kompression
à in Gleichung p2 ⋅V2n = p1 ⋅ V1n wird Exponent kleiner ⇒ n < κ
⇒ adiabatische Kompression geht in "polytrope" Kompression über
Dampfprozesse
•
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•
•
•
•
•
bisher: Gasprozesse mit annähernd idealen Gasen
hier: Wasser à Betrachtung des Verhaltens
Wassermenge wird bei konstantem Druck Wärme zugeführt à Temperatur erhöht sich bis
Siedepunkt
bei weiterer Erwärmung bleibt Temperatur konstant bis gesamtes Wasser verdampft
(zunächst: Nassdampfbereich)
weitere Erwärmung führt zu Erhöhung der Temperatur à Dampf ist trocken (überhitzter
Dampf à verhält sich annähernd wie ideales Gas)
Siedetemperatur nimmt mit wachsendem Druck zu
notwendige Wärmemenge um Wasser von Siedepunkt S zu Dampfpunkt T zu bringen
nimmt mit steigendem Druck ab à wird an kritischem Punkt K Null
(hier gilt: T = 647 K; p = 221 bar)
Betrachtung der Zustandsdiagramme (mit spezifischen Zustandsgrößen, bezogen auf 1 kg)
o Flüssigkeitsbereich: Isotherme sind fast Isochore à Wasser ändert bei
Druckänderungen kaum sein Volumen à bei Komprimierung nur geringe
mechanische Energie nötig
o Oberhalb von p = 221 kein Sieden mehr
o Zustände im Nassdampfbereich durch Strich gekennzeichnet, Trockenbereich
durch 2 Striche
o Nassdampfbereich: Isobare und Isotherme fallen zusammen
o Isotherme verlaufen in Nähe der Taulinie nicht waagerecht à sind keine
Isentropen à Beziehungen für ideale Gase gelten nicht
einfacher Dampfkraftwerksprozeß: Clausius-Rankine (vgl auch Skript)
o Speicherwasserbehälter: Wasser unter Normalbedingungen
o wird durch Speisewasserpumpe auf Prozessdruck gebracht
à adiabatische Kompression, nicht sehr energiereich à Wassertemperatur
steigt nur minimal
o Wasser wird dann bis auf Siedepunkt erwärmt, wobei Druck konstant bleibt
o Speisewasservorwärmung i.a. nicht im Kessel, sondern außerhalb durch
Abwärme
o nun gelangt Wasser in Verdampfer, wird bei gleicher Temperatur verdampft
o danach: Überhitzer à maximal mögliche Temperatur wird erreicht
o Arbeitsmedium verlässt Kessel à wird in Turbine entspannt
à wesentlicher Teil: thermische Energie wird in mechanische Umgesetzt
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o Entspannung des Dampfes möglich, da hinter Turbine Unterdruck
(Nassdampfbereich à starke Beanspruchung der Turbinen)
o im Kondensator wird Dampf vollständig kondensiert (p, T konstant)
o Kondensatorpumpe bringt Druck wieder auf Normalwert (dabei entstehende
Temperaturerhöhung ist minimal)
o T-S-Diagramm nicht rechteckförmig à Carnot-Wirkungsgrad nicht
erreichbar
o Verbesserung des Wirkungsgrades:
Zwischenüberhitzung
à Turbosatz aus mind. 2 Turbinen, nachdem Dampf 1. Turbine verlassen hat
wird er im Kessel wieder erhitzt à Rechteck angenähert
Speisewasservorwärmung
à Teil des Dampfes der Turbine entzogen, bevor abgearbeitet à
Speisewasser wird erwärmt
Zusammenfassung thermodynamische Grundlagen
Zustandsgrößen (absolute Größen oder bezogen auf Masse)
• Druck p
• Volumen V
• Absolute Temperatur T
dU = dQ − pdV
• Innere Energie U
à kann durch Wärmezufuhr oder Verdichtungsarbeit verändert werden
• Entropie S
à Qualität einer Wärmemenge
dQ
à dS =
T
(kann in geschlossenem System nie negativ sein, sonst würde Wärme von kalt zu warm
fließen)
• Enthalpie H
à Energiepotential an einer Stelle des Wärmeschaltplans bei Strömungsprozessen
à dH = dU + d ( p ⋅V )
à H = F +G
• Exergie F (freie Energie)
à Teil der Enthalpie, der in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann
• Anergie G (gebundene Energie)
à Teil der Enthalpie der nicht in mechanische Arbeit verwandelt werden kann
•
Übergang von einem Zustand in einen anderen:
V1 V2
=
T1 T2
p1 p2
=
T1 T2
à Isobare
dp = 0
à Isochore
dV = 0
à Isotherme (Isenthalpie)
dT = 0, dH = 0
p1 ⋅V1 = p2 ⋅V2
à Adiabate (Isentrope)
dQ = 0, dS = 0
p1 ⋅V1κ = p2 ⋅ V2κ
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bei diesem Vorgängen kann Energieaustausch mit der Umgebung stattfinden:
à Wärmetausch Q
dQ = cv dT bzw. c pdT
à äußere Arbeit EA
dE A = pdV
à durch Volumenänderung einer abgeschlossenen Gasmasse wird mechanisch Arbeit
geleistet
à Technische Arbeit Et
dEt = Vdp
à durch Druckabbau in Turbine erzeugt durchströmendes Medium eine mechanische
Arbeit
à für Kreisprozess gilt:
Ñ∫ pdV = Ñ∫ Vdp ⇒ Et = EA
Kesselanlagen
Verbrennung
• Energieträger: Steinkohle, Öl, Erdgas, Braunkohle, Torf, Müll, Biogas
• Energie im wesentlichen durch Oxydation (Verbrennung) freigesetzt
• Zündtemperatur à Reaktion à Bindungsenergie wird frei (innere Energie)
(auch Verluste durch mechanische Energie bei Volumen-/Druckänderung; ca. 10%)
• Größe für Energiezustand: Enthalpie H =U +V ⋅ p
• Brennwert HO à Erhöhung der Enthalpie bei chem. Reaktion
• Heizwert HU à Brennwert – Verdampfungswärme (weil Wasser entsteht, das verdampft
werden muß)
• vollständige Verbrennung à Kessel mit Luftüberschuß (mehr Luft als eigentlich benötig)
Kesselaufbau
• Kohle in Kohlenmühle zu Kohlenstaub zermahlen à mit Frischluft verwirbelt à in
Kessel geblasen à verbrannt
• Asche fällt in Sumpf à von dort direkt (Trockenentaschung) oder mit Wasser
(Naßentaschung) zu Schlacke verbacken
• hohe Flammtemperatur à starke Materialbeanspruchung im Verdampfer
• Rauchgase in Kessel an Überhitzer und Zwischenüberhitzer vorbei
à werden auf Temperaturniveau von Frischdampf abgekühlt
à können noch zu Speisewasservorwärmung und Luftvorwärmung genutzt werden
• Gegenstromprinzip nicht angewendet, da Dampftemperatur 600°C nicht überschreiten
darf
⇒ Gleichlaufprinzip à intensive Kühlung bei kleinem Bauvolumen
• Ruß-/Aschereste in Rauchgas à in Elektrofiltern abgezogen
• anschließend Entschwefelung
Feuerung
• klassisch: Rostfeuerung à Kohle durchläuft auf beweglichem Rost die Brennkammer
• Transportreaktor
à Kohle-Luft-Gemisch in Brennraum eingeblasen
Wirbelschichtfeuerung
à zusätzlich Luft durch Bodendüsen ⇒ Brennmaterial verbrannt intensiv auf Luftbett
zirkulierende Wirbelschichtfeuerung
à Rauchgas mehrfach durch Brennraum ⇒ fast 100%-tige Verbrennung bei niedriger
Temperatur
• niedrige Temperatur à NOx -Ausstoß geringer; Direktentschwefelung möglich
(Kalknebel)
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Dampfturbinen
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Nachteil Dampfmaschine: ungleichförmiges Drehmoment, bei Turbinen gleichmäßig
Dampfmaschine: unter Druck stehender Dampf wird langsam entspannt
Dampfturbine: potentielle Energie in kinetische Strömungsenergie
à Dampfstromgeschwindigkeit aus Enthalpiedifferenz
optimale Drehzahl von Turbinen größer als von Generatoren à Kopplung über Getriebe
Turbinenschaufeln müssen im Verlauf immer größer werden, da Dampfvolumen bei
Entspannung zunimmt
Druckabbau in 4 Stufen
à Hochdruckteil
à Mitteldruckteil
à Niederdruckteil (2 parallel)
(MD, ND jeweils von Mitte durchströmt um axiale Dampfkräfte aufzuheben)
Dampf wird in Reihe von Turbinenschaufeln abgearbeitet, dazwischen Leitschaufeln
Leitschaufeln à darin sinkt Dampfdruck, Strömungsgeschwindigkeit steigt
Laufschaufeln à Druck konstant, Strömungsrichtung relativ zur Schaufel ändert sich ⇒
Absolutgeschwindigkeit sinkt
Druck in Laufschaufeln konstant ⇒ Gleichdruckturbine
Überdruckturbinen (gewisser Druckabbau in Laufschaufeln) à bei gleicher Leistung
kleiner
Niederdruckturbine à Dampf in Kondensator (evtl. Reduzierung des
Kondensatordrucks zur besseren Ausnutzung ⇒ größere Bauteile)
statt Kondensator auch Fernwärmenetz möglich à "Kraft-Wärme-Kopplung"
à Wirkungsgrad steigt, da Teil der Abwärme als Nutzenergie, jedoch geringere
elektrische Energieausbeute
Turbinen die Dampfnetz speisen = Gegendruckturbinen
Nachteil der Wärmekopplung à schlechte Regulierbarkeit
Kühlung
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Kühlmitteltemperatur bestimmt Temperatur und damit Druck im Kondensator
hoher Wirkungsgrad à Kühlwasser möglichst kalt
Flusswasser à ökologische Probleme durch die Erwärmung
Nasskühlung mittels Kühltürmen
evtl. Mischbetrieb: Vorkühlung in Kühlturm, Nachkühlung durch Flusswasser
Trockenkühlung à Kühlenergie direkt an Luft abgegeben
à Wirkungsgrad jedoch wegen großer Lüfterleistung und hoher Rücklauftemperatur
reduziert
Wirtschaftliche Blockgröße
•
kleine Blockgröße
à erhöhte Investitions- und Personalkosten
à geringerer Wirkungsgrad
à praktisch keine Einsparung im Versorgungsnetz (Verbundnetz muss aufrechterhalten
bleiben)
• kleinere Blöcke interessant bei Fernwärme
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5. Gasturbinen und Dieselkraftwerke
Gasturbinen
• Kessel von Dampfkraftwerk mit Gas oder Öl geheizt
• Gas und Öl direkt in Brennkammer mit Luft verbrennen à unter Druck stehendes
Gemisch in Turbine abarbeiten
à ca. 2/3 der Turbinenleistung gehen verloren als Kompressionsleistung
⇒ Gesamtwirkungsgrad klein, da Gasaustrittstemperatur relativ hoch
Kombi-Kraftwerke
• Abgas aus Gasturbine zum zuheizen im Dampfkraftwerk
⇒ guter thermischer Wirkungsgrad
• Brennstoffkosten für Öl und Gas recht hoch à nur Spitzenlastzeiten
• Gasturbinen haben niedrigere Investitionskosten à gut geeignet für Spitzenbetrieb
Entwicklungstendenzen
• "Gasturbinen" mit puderartigem zermahlenem Kohlestaub
• Problem: Ruß-/Ascheablagerungen an Turbinenschaufeln
• höherer Wirkungsgrad bei höheren Eingangstemperaturen à Keramik-Schaufeln oder
Wasserkühlung nötig
Dieselkraftwerke
• nur in OPEC-Staaten
• hohe Investitionskosten
• hier: als Notstromaggregate wegen kurzer Hochlaufzeit
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6. Kernkraftwerke
Physikalische Grundlagen
•
Energiegewinnung durch Freisetzung von Bindungsenergie zwischen Nukleonen
(Kernbindungskräfte)
à Nukleon in Atomkern ⇒ Bindungsenergie wird frei
Kettenreaktion
• im Mittel 2,5 Neutronen für weitere Kernspaltungen
à jedoch sehr schnell à geringe Wahrscheinlichkeit für Einfang und weitere Reaktion
⇒ Abbremsen der Neutronen durch Moderator (durch Stöße wird kinetische Energie
abgegeben)
• Moderatoren: Wasser (Leichtwasserreaktor), Schwerwasser (Schwerwasserreaktor),
Graphit (Hochtemperaturreaktor)
• Regelung der Kettenreaktion à konstante Neutronenrate erzeugen
à durch einfangen von Neutronen ⇒ Steuermaterial (Steuerstab) muß Neutronen
absorbieren
Brennstoffe
• Brennstoffgewinnung aufwendig
•
•
−t
Zerfall eines radioaktiven Stoffes
à m = m 0 ⋅e T
nur bestimmte Isotope brauchbar à chemische Trennung nicht möglich
à Urananreicherung (Massenunterschied wird ausgenutzt)
o Gasdiffusion
o Gaszentrifuge
o Trenndüse
Radioaktivität
• Abgabe von Strahlung
à α-Strahlung (Heliumkerne)
à β-Strahlung (Elektron)
à γ-Strahlung (extrem hochfrequente elektromagnetische Wellen)
à x-Strahlung (Röntgenstrahlung)
à n-Strahlung (Neutron)
• Ursache: Zerfall von Atomen
à Radioaktivität in Zerfällen je Sekunde (fürα-, β-, n-Strahler)
à Bestrahlungsdosis – Zahl der gebildeten Ionen (für γ-, x-Strahler, da ionisierend)
• Bestrahlungsdosis muß nicht gleich Absorptionsdosis sein à je nachdem was Körper
aufnimmt
• absorbierte Energie kein Maß für biologische Wirkung der Strahlung à Qualitätsfaktor
⇒ Äquivalentdosis
• Beurteilung der Schädlichkeit auf Organismus à Äquivalentdosis
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Reaktortypen
•
wirtschaftlich bedeutendst à Leichtwasserreaktoren (90 % der Kernenergiegewinnung)
à Siedewasserreaktor
à Druckwasserreaktor
• außerdem
à Schwerwasserreaktor
à Hochtemperaturreaktor
à Schneller Brutreaktor
à Fusionsreaktor
Siedewasserreaktor
• Dampfkreislauf wie bei konventionellem Dampfkraftwerk
• aus Sicherheitsgründen: Temperatur in Reaktor niedriger als Kesseltemperatur
⇒ Kraftwerkswirkungsgrad geringer
• Kühldampf im Reaktor als Arbeitsdampf durch Turbine à Radioaktivität dorthin
übertragen ⇒ Turbine in Kontrollbereich einbezogen
• Wasser kann selbst nicht radioaktiv werden à Verunreinigungen als Träger à werden
bei Verdampfung weitgehend zurückgehalten à auch bei langem Betrieb nach
Abschaltung gefahrloses Arbeiten
Druckwasserreaktor
• Kontrollbereich durch Einsatz von Wärmetauschern klein
• Reaktortemperatur begrenzt, Temperaturgefälle in Wärmetauscher
⇒ geringerer Wirkungsgrad (33 %) als Siedewasserreaktor (36 %)
• Siedewasserreaktor: Reaktortemperatur niedriger als bei Druckwasserreaktor
• Primärkreislauf: Wasser unter Druck (à Druckwasserreaktor) von ca. 150 bar ⇒ keine
Verdampfung, Kühlmedium besitzt große Dichte
• Kernstück eines AKW: Reaktordruckgefäß in dem Kettenreaktion abläuft à durch
Primärkreislauf gekühlt
• in Wärmetauschern wird Primärmedium gekühlt à Dampf für Sekundärkreis erzeugt
• bedingt durch Wärmetauscher und Sicherheitskonzept à mit wachsender Dampfleistung
werden Dampfdruck und Dampftemperatur abgesenkt ⇒ Wirkungsgrad sinkt
• Brennstäbe mit best. Konzentration à sinkt während Betrieb durch Abbrand à jedes Jahr
1/3 der Brennstäbe ersetzt
Schwerwasserreaktor
• Vorteil: keine Urananreicherung notwendig
• Nachteil: hohe Kosten für Schwerwasser
à Kohlendioxid-Gas als Kühlmedium à Wärmetauscher
Hochtemperaturreaktor
• Brennstoff: angereichertes Uran und Thorium à in Graphitkugeln eingebracht à Kugeln
durchlaufen langsam Reaktorkern
à können im externen Teil des Kreislaufs auf Beschädigungen untersucht werden
à kontinuierliche Nachladung möglich
• Kühlung: CO2 oder He à kann man in Turbinen entspannen, muss dann jedoch neu
komprimiert werden
⇒ Verdichterleistung benötigt Großteil der Turbinenleistung ⇒ besser: Dampfprozess mit
Wärmetauscher
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•
•
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im Reaktorkern wenig Metall à höhere Prozesstemperaturen
wesentlicher Vorteil: hohe Temperatur bei der Energie zum Ablauf chemischer Prozesse
à Kohle vergasen oder Wasserstoff erzeugen
Schneller Brutreaktor
• Brennelemente ähnlich wie Leichtwasserreaktor à Mischoidtabletten
• Kühlung des Kerns mit Flüssigmetall (Natrium)
à Schäden bei unkontrollierter Stillsetzung möglich, da fest bei ZT
à Vorteil: praktisch Druckloser Kühlkreislauf wegen geringer Siedetemperatur
à intensive Kühlung durch hohe spezifische Wärmekapazität
• Probleme: intensive chemische Reaktion von Natrium mit Wasser ⇒ Wärmetauscher zur
Sicherheit
Fusionsreaktor
• Probleme bei Realisierung
à Temperatur, Magnetfelder, Neutronenfluß, Radioaktivität des Tritiums, Baugröße
• Bau unwahrscheinlich
Entsorgung
• Teilabschnitte
à jährlich 1/3 der Brennstäbe entnommen und ½ Jahr in Lagerbecken des Reaktors
gelagert à Radioaktivität geht erheblich zurück
à Transport in Zwischenlager
à Wiederaufbereitungsanlage à Brennelemente in neuen Brennstoff uns Abfall zerlegt
(Abfall muß endgelagert werden)
• weiteres Problem: Stilllegung alter Kraftwerke
Transport von Kernbrennstoffen
• hohe Sicherheitsanforderungen an Transportbehälter
• Meldepflicht an Innenministerium
• v.a. auf Schiene
Zwischenlagerung
• zum Teil in KKW
• in speziellen Trocken- bzw. Nasslagern
• Radioaktivität sinkt auf 1,5 % (1 Jahr) und 0,3 % (5 Jahre)
Wiederaufbereitung
• PUREX
à leichter Unterdruck, 130 °C
à Probleme: Radioaktivität der Stoffe ⇒ Anlage hinter Beton automatisch/ferngesteuert
• Brennstäbe mechanisch zerkleinert
• mit Salpetersäure nitriert man Uran und Plutonium à Gase (ausgefiltert oder wieder
zugeführt nach chem. Verarbeitung)
• Uran-/Plutoniumnitrate in Wasser gelöst und in mehrstufigen Trennprozessen voneinander
geschieden ⇒ neuer Kernbrennstoff à Brennstabfertigung
• Abfallstoffe müssen endgelagert werden
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Endlagerung
• Abfallstoffe unterschieden nach
à Aggregatzustand (Gas, Flüssigkeit, Festkörper)
à Aktivitätsgehalt (hoch-, mittel-, schwachaktiv)
• Gase durch Filterung oder Auswaschung in flüssige Abfälle verwandelt
• Flüssigkeiten durch Ausdampfung und Filterung in Volumen reduziert und verfestigt
(Zementierung, Bitumierung, Einschluß in Kunststoff)
• Versenkung im mehr oder Endlagerung in Gestein bzw. Salzstöcken
Stilllegung von Kraftwerken
• Aktivität eines Kraftwerks stark abhängig von Betriebsdauer
• i.a. gesicherter Einschluß
• Großteile der wertvollen Werkstoffe wieder gewonnen
• Kosten für Totalabriss ca. 5 % der Investitionskosten
Reaktorsicherheit
Nachzerfallwärme
• betriebsmäßige Stillsetzung: Steuerstäbe einfahren à Über Elektromagnete aufgehängt à
bei Störfall fallen sie ein ⇒ Schnellabschaltung
• inhärente Sicherheit à wachsende Temperatur
à Uran absorbiert mehr Neutronen
à Kühlwasser dehnt sich aus à moderierende Wirkung nimmt ab ⇒ Kernreaktionen
hören auf
• Reaktorschnellabschaltung à Reaktorleistung auf 5 % der Nennleistung
à Restleistung durch Radioaktivität des Urans bedingt (Nachzerfallswärme)
• Restwärme nimmt mit Zeit ab à abhängig von Betriebsdauer
à Kern muß gekühlt werden, da Restwärme nicht abgeführt werden kann
• keine Kühlung ⇒ Super-GAU à Kernschmelzen
Strahlenbarrieren
• Spaltprodukte in Brennstofftabletten
• Brennstabhüllen gasdicht verschweißt
• Reaktordruckbehälter hält im Primärkreis vorhandene Verschmutzungsstoffe zurück
• Betonschirm absorbiert Strahlung
• Sicherheitsbehälter unter leichtem Unterdruck à hält radioaktive Stoffe zurück
• Stahlbetonhülle verhindert Einwirkungen von außen
Störfall
• genauer Ablauf vgl. Skript
• Aufrechterhaltung des Kühlkreislaufes wesentlich à Notspeisepumpen wichtig
Strahlenbelastung
• Höchstwerte festgelegt à Grenzen für Einzelorgane, Ganzkörperwert
• Zusammenhang zwischen Strahlendosis und Krebsrate
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Gefährdung
• Unterscheidung der Einwirkung auf Umwelt
à Normalbetrieb
à Störfall
à Entsorgung
à Stilllegung
à Nichtverbreitung von Kernkraft
• auch Risiken beachten, die ohne Kernkraft vorhanden wären
Bau und Betrieb von Kernkraftwerken
•
•
Leistungsbedarf in 10 Jahren
Leistungsstruktur (Verteilung des Energiebedarfs über Tages- und Jahreszeit;
Kraftwerkstyp)
• Kraftwerksabgang
• Brennstoffpreise
• Bauzeit à Inbetriebnahmezeitpunkt schwer vorauszusagen
Baukosten
• Bauherr ca. 60 %, Lieferfirma ca. 40 %
• hohe Kosten für Genehmigung à hoher Aufwandà generelle Genehmigung für best.
Typen
• Bauzinsen à "Nutzungsausfall" während Bauphase
Betriebskosten
• Baukosten auf Betriebskosten umgeschlagen
• weiterhin Arbeitskosten und Brennstoffkosten
• vielseitige Faktoren bestimmen Strompreis
Betrieb
• niedrige Brennstoffkosten ⇒ Grundlastbereich
• aus wirtschaftlichen Gründen konstante, möglichst maximale Leistung
• Brennstoffschonprogramme
• An-/Abfahren über Nacht wegen hoher Dauer nicht möglich
• Zuverlässigkeit à ausgedrückt in Verfügbarkeit (Arbeitsverfügbarkeit, Zeitverfügbarkeit)
• KKW im Grundlastbereich entweder Nennleistung oder keine Leistung (Wartung,
Störung)
• neben Verfügbarkeit à Ausnutzung
⇒ Unterschied zw. Verfügbarkeit und Ausnutzung à Reserve
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7. Alternative Energie
•
•
•
•
•
EVU à Verbraucher kostengünstig und zuverlässig mit Energie versorgen
⇒ Suche nach neuen Energiequellen und Kraftwerken
müssen wirtschaftlichen Vorteil bringen
Unternehmensstrategie muss beeinflusst werden à Gesetze, Kostenanreize
Verringerung der Umweltbelastung
alternative Energien unterschiedlich beurteilt à nichtkonventionelle Energie, additive
Energie
Wasserkraftwerke
• konventionelle Kraftwerke à siehe vorne
• gelten als sehr umweltfreundlich à Probleme durch Entwässerung von Tälern oder
anheben des Grundwasserspiegels durch große Stauseen
Depressionskraftwerke
• Stellen auf Erde unter Meerwasserspiegel à Meer kann in Mulden entwässert werden à
Gefälle zur Energieversorgung nutzen
Gezeitenkraftwerke
• nutzen Tidenhub der Gezeiten aus à treiben Turbinen an
• Meeresbuchten mit natürlichen Inseln oder auch Abschlussdamm
• 2 Kraftwerke im Gegentakt
• großer Tidenhub von Vorteil
Meereswellen
• keine technisch sinnvollen Vorschläge à zu große Fläche
Meereswärme
• Temperatur an Meeresboden niedriger als an Wasseroberfläche
• Meereswärme in Dampfkraftwerken mit Ammoniak ausnutzen
Windkraftwerke
•
•
•
•
•
•
•
•
Windleistung nicht vollständig nutzbar à Windkraftanlage reduziert
Windgeschwindigkeit
mittlere Geschwindigkeit als Berechnungsgrundlage
meistens Propeller mit unterschiedlicher Anzahl von Blättern
à viele Blätter ⇒ niedrigere Drehzahl und hohes Anzugsmoment (v.a. Direktantrieb von
Pumpen)
à elektrische Energie ⇒ möglichst wenige Blätter (2 oder 3, bei 1 Unwucht)
Darrieus-Rotor à Auftriebsprinzip (wie Propeller)
Savonius-Rad à Luftwiderstand genutzt
bei kleinen und großen Windgeschwindigkeiten kein Betrieb möglich
Einsatzort à wenn keine öffentliche Energieversorgung à evtl. Rückspeisung ins Netz
bei Überschuß
Verbundbetrieb Generator mit Netz à feste Drehzahl à problematisch (Wirkungsgrad
schlechter
⇒ Gleichstromzwischenkreis (Generator – Gleichrichter – Wechselrichter auf 50 Hz)
⇒ doppelt gespeiste Asynchronmaschine
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Solarkraftwerke
•
•
•
•
•
•
•
Aufbau vgl. Skript (dotiertes Material)
ohne Licht wie Diode
bei Lichteinfall à Erzeugung von Ladungsträgern à Spannung an Sperrschicht
Bestpunkt mit maximaler Leistung
bessere Ausnutzung durch Spiegel, die Licht bündeln
Wirkungsgrad Temperaturabhängig à Kühlung notwendig
Energieversorgung à mehrere Solarzellen in Reihe ⇒ Module à Module zu
Gestellrahmen, diese zu Gruppen
• Solarzellen über Schutzdioden angeschlossen um Rückspeisung zu verhindern
• niedrige Spannung à gut geeignet für Elektrolyse à Wasserstoff als Energieträger
Sonnenkollektoren
• Wasser in Rohrleitungen erwärmt à Häuser mit Brauchwasser und Heizung versorgen
• keine elektrische Energie erzeugt
• Bündelung von Sonnenlicht mit Spiegeln
Solarfarm
• Medium (Leichtöl) in Rohren an Sonnenkollektoren vorbeigeführt und erwärmt à
Wärmetauscher à Wasserdampf à Turbine
Solarturm
• bewegliche Spiegel à dem Sonnenstand nachgeführt à reflektieren Sonnenlicht auf
Kollektor (auf Turm)
• in Kollektor wird Natrium erhitzt à Wärmetauscher à Wasserdampf à Dampfturbine
MHD-Generator
•
•
Medium durch Magnetfeld à Spannung quer zur Strömungsrichtung
vgl. Skript
Brennstoffzelle
•
•
Umkehrung der Elektrolyse à aus Wasserstoff und Sauerstoff entsteht Wasser
Wirkungsgrad durch Stromverluste bestimmt, außerdem innerer Wirkungsgrad durch
Wärmeerzeugung bei chemischer Reaktion
Thermische Direktumwandlung
Thermoelektrische Energiewandlung
• Spannung an Grenzschicht zwischen Metallen bei wachsender Temperatur à
"Thermoelement"
Thermoionische Energiewandlung
• erwärmte Elektrode emittiert Elektronen die von 2. kälterer Elektrode eingefangen werden
• radioaktives Material als Wärmequelle
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Geothermische Energie
•
•
Wärme im Erdinneren nutzen à nur möglich, wenn heißes Gestein an Erdoberfläche
Oberflächenwasser durch Rohr ins Erdinnere à in 2. Rohr steigt Dampf auf ⇒ Turbinen
Bio-Energie
•
•
Biomasse die in Pflanzen erzeugt wird, wird verbrannt
Problem das natürlichen Kreislaufs
•
Gaserzeugung, Pyrolyse, Alkoholgärung, Biogas-Gärung
Sonderfragen
Wärmepumpen
• heben Wärmeenergie von niedriger Temperatur durch mechanische Arbeit (i.a. durch
Elektromotoren)
• durch Wärmepumpen wird nicht unbedingt Primärenergie gespart
• interessant, wenn Strom aus minderwertigen Energieträgern
Fernwärme
• aus Wasser-Dampf-Kreisprozeß ausgekoppelt à erzeugte elektrische Energie geringer
• Kostenfaktor: Leitungsnetz
à nur in Ballungsgebieten
à dezentrale Anordnung kleiner Krafwerke
• Optimierung oft schwierig
Batterien
• Energie durch chemische Reaktion
Batteriespeicher
• Akku = chemischer Energiespeicher à Kreisprozeß
• unterbrechungsfreie Stromversorgung
• evtl. Momentanreserve
Dampfspeicher
• thermische Kraftwerke à gespeicherter Dampf à Energiereserve
Magnetspeicher
• Supraleitende Spulen
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8. Kraftwerksregelung
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