Kraftwerksanlagen für Elektrotechniker

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1 Fakultät für Maschinenwesen, Institut Energietechnik, Professur VWS Kraftwerksanlagen für Elektrotechniker Leitung der Professur: Prof. Dr.-Ing. M. Beckmann Dresden,

2 TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 2

3 1 Einleitung Sommersemester: 13 Vorlesungen 1-2 Exkursionen bzw. Besichtigungen geplant 1 Gastvorlesung Ansprechpartner Vorlesung: Übung: Dr.-Ing. A. Hiller Dr.-Ing. A. Hiller Mi. 4. DS alternativ Do. 3. DS Telefon: HA andreas.hiller@tu-dresden.de Walther-Pauer-Bau, Zi. 303 TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 3

4 Homepage Kraftwerkstechnik TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 4

5 Möglichkeit der Bearbeitung von: Großen Belegen Diplomarbeiten (auch hier Informationsmöglichkeit über Internet oder persönliche Vorsprache) Je nach aktueller Finanzierungslage ist die Beschäftigung von Studentischen Hilfskräften (SHK) möglich. Exkursionsmöglichkeiten: Pirna (Wirbelschicht und Vergaser) Kraftwerk Lippendorf Wärmeübertragerbau Leisnig / Grimma TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 5

6 Schwerpunkte der Professur VWS Drittmittelforschung: (Co-)Verbrennung und (Co-)Vergasung von biogenen Energieträgern und von Rest- und Abfallstoffen Kraftwerke mit CO2-Abtrennung Oxyfuel-Prozess (Verbrennung mit reinem Sauerstoff) Rauchgasreinigung und behandlung Rauchgasdestillation Biomasse-Stirling stoffliche Nutzung von Pyrolyseprodukten Produktgasreinigung (katalytische partielle Oxydation) Keramische Wärmetauscher Drittmittelprojekte für Linde und RWE Auslegung und Gestaltung neues ZET TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 6

7 Dampferzeugerkonzept für die Verbrennung mit Sauerstoff als Voraussetzung für eine wirtschaftliche CO2 Abscheidung Quelle: BHE TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 7

8 Auslegung von Dampferzeuger Wärmeübertragerflächen Brennraumgeometrie Nebenanlagen TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 8

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12 Versuchsanlagen Zirkulierende Wirbelschichtfeuerung (300 kw) ab 2010 Gleichstromvergaser in Pirna Staubfeuerung (10 kg/h) VVT-Halle Field-Rohr im Pauer-Bau, ab 2009 im ZET Pellet-Feuerung im Pauer-Bau Neubau ZET Fertigstellung Ende 2010 TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 12

13 Leistung: Brennstoff: Oxyfuelbetrieb: Luftbetrieb: Brennkammer: Durchmesser: Messtechnik: 10 kg/h Braunkohle ja, bis 80 % Rezi ja 2,50 m hoch 290 mm Temperatur, Druck Rauchgasanalyse Messebenen: 13 Rauchgasrezirkulation über Kühler und Filter Ascheansatzmessung, Profilmessungen Primär,- Sekundärluftvorwärmung 400 C auch einzeln einregelbar Kameraaufnahme Luft Kameraaufnahme Oxyfuel TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 13

14 Rauchgaswäsche TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 14

15 Rauchgasdestillation TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 15

16 Gleichstromvergaser IGEL (Standort z.zt. Pirna) zur Vergasung von Biomassen Holzhackschnitzel Holzpellets Stroh(-pellets) Miscanthus Erdnussschalen... Katalysatorversuche TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 16

17 Zirkulierende Wirbelschicht 300 kw, bis 14 m hoch innerer Durchmesser 320 mm Verbrennung von Trockenbraunkohle Steinkohle Holzhackschnitzel Lackschlamm Klärschlamm Rückständen aus der Papierindustrie... Altanlage demontiert Im Rahmen mit dem Neubau ZET: modulare ZWSF Verbrennen Vergasen Oxyfuel TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 17

18 Kraftwerkschemisches Labor Walther-Pauer-Bau TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 18

19 Modellierung mit CFD (FLUENT) TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 19

20 Modellierung von Kraftwerksprozessen mit Ebsilon TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 20

21 Gliederung der Vorlesung TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 21

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27 1 Einleitung 1.1 Ziel und Gliederung 1.2 Überblick über die globale Situation hinsichtlich Energieerzeugung, Umwelt, Kraftwerkstypen, Entwicklungstendenzen Globale Energiesituation Industrieländer: Zuwachsrate gering Verbesserung der Wirkungsgrade KWK Entwicklungsländer: Starkes Bevölkerungswachstum Wachstum des Pro-Kopf-Verbrauches Sprung in die Industriewelt in weltgeschichtlich kurzer Zeit Löhne und Kosten niedriger Auswirkung auf die wirtschaftlich optimale Technik TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 27

28 Weltbevölkerung in Tausend Menschen: TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 28

29 1 Einleitung Entwicklung des Weltprimärenergieverbrauchs in der Studie nachhaltiges Wachstum der Shell AG TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 29

30 Weltenergieverbrauch nach Energieträgern TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 30

31 Technische Schwierigkeiten bei der Versorgung: hier am Beispiel der Erdgasleitungen TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 31

32 Stromverbrauch in Europa TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 32

33 Energiemix in den europäischen Ländern TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 33

34 Energieflussbild BRD 2005 in Mio. t SKE Umrechnung Quelle: FNR TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 34

35 Entwicklung der regenerativen Erzeugung und des Elektrizitätsverbrauchs in Deutschland TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 35

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37 Vergleich: Primärenergieverbrauch Deutschland PJ/a!!! 3,55 % TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 37

38 Von 17 Mio. h Landwirtschaftsfläche TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 38

39 Auswirkungen auf die Umwelt: - Staub - CO - Kohlenmonoxid - NO 2 - Stickoxid - SO 2 - Schwefeldioxid - H 2 O - Wasserdampf - Dioxine und Furane und auch - CO 2 - Kohlendioxid. Der Schadstoffausstoß muss aus ökologischen Gründen begrenzt werden. In vielen Industrieländern wurden in den letzten 25 Jahren wesentliche Schritte zur Emissionsreduzierung gesetzt u.a. (verbesserte Entstaubung, Entschwefelung und Entstickung). In den Entwicklungsländern sind die umwelttechnischen Standards wesentlich niedriger. TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 39

40 Entwicklung der Emissionen in Deutschland TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 40

41 Schadstoffemissionen aus fossilen Kraftwerken weltweit im Jahr 2020 ohne und mit emissionsmindernden Maßnahmen TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 41

42 Schwerpunkt CO2-Konzentration in der Atmosphäre KYOTO Protokoll 38 Industrieländer Reduzierung der 6 wichtigsten Treibhausgase um 5,2 % bezogen auf 1990, zwischen 2008 und 2012 Europäische Union - 8 % USA 7 % Japan - 6 % TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 42

43 TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie Grundlagen der Energieumwandlung Die Grundlagen der Energieumwandlung werden in der Lehrveranstaltung - Thermodynamik und - Prozess -Thermodynamik vermittelt. Hier wird nur auf die Grundbeziehungen hingewiesen: - Energiebilanz zwischen den Zuständen und - Energiebilanz z g 2 c h + + Q W z g 2 c h / / = i p i t c h = Q ) z g (z 2 c 2 c h h W / / = +

44 1.4 Kraftwerke Übersicht Vergleich hinsichtlich: Leistungsbereiche Wirkungsgrade spezifischer Flächenbedarf CO 2 Emissionen spezifische Investitionskosten spezifische Stromgestehungskosten TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 44

45 Leistungsbereich TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 45

46 Wirkungsgrad Elektrische Netto-Wirkungsgrade verschiedener Stromerzeugungsanlagen TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 46

47 Wirkungsgrad Dezentral/Zentral TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 47

48 Flächenbedarf Industrieländer: TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 48

49 Quelle: Ökoinstitut 03/2007 TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 49

50 Investitionskosten Industrieländer: TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 50

51 Investitionskosten TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 51

52 Schwerpunkt Müll Mit der Entwicklung der Wohlstandsgesellschaft ist aber auch ein massenhafter Anfall von Müll, Klärschlamm und Industrieabfällen verbunden, so rechnet man zur Zeit für Dresden mit ca. 400 bis 600 kg Müll /a Einwohner. Durch Abfallvermeidung, stoffliche Nutzung und biologisch mechanische Verwertung kann ein großer Teil entsorgt werden. Der verbleibende beträchtliche Rest soll als inerter Stoff mit kleinstem Volumen deponiert werden, dazu ist die thermische Behandlung notwendig. Die freigesetzte Wärme muss genutzt werden. TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 52

53 Weitere Grundlagen Leistung 2 Ptheoretisch = m W 1 & Pel Pel = ηel Ptheoretisch, ηel = = 2 m& W 1 Nutzen Aufwand Massestrom m& = const. V& = C A / C A m& = V & ρ ρ = 1 ν m& = C A ρ TU Dresden Kraftwerkstechnik Folie 53