Regelungstechnik in der el. Energieversorgung

Transkript

1 Einführung in die Kybernetik: Regelungstechnik in der el. Energieversorgung T. Weißbach 2. Erzeuger 3. Verbraucher 1. Netz 31

2 Primärenergieverbrauch weltweit Quelle: WEO

3 Primärenergieverbrauch weltweit Zur Stromerzeugung Quelle: WEO

4 fossil befeuerte thermische Kraftwerke Nennleistung der Kraftwerksblöcke nimmt kontinuierlich zu: von ca. 800 MW in den 90iger Jahren bis zur heutigen Größenordnung von bis zu ca MW Gleiches gilt für Dampfdrücke und temperaturen (SH: superheater Frischdampf) Forschungstrend: CO 2 -freies Kraftwerk, erste Pilotanlagen in Erprobung Erhöhte Anforderungen an Verfahrenstechnik, Materialwissenschaften und Prozessleittechnik Quelle: Alstom Kybernetik 34

5 Kraftwerksleittechnik Aufgaben eines Kybernetikers Erhöhung des Wirkungsgrads Verbesserung des stationären und dynamischen Betriebsverhaltens Einhalten von Sicherheitsvorgaben Minimierung des Anlagenverschleißes Einsparung von Personalkosten Siemens: Only one operator for 1000 MW (PowerGen Europe 2003) 1000 MW entspricht der Leistung von ca Porsche 911 GT3 35

6 Heutige Anforderungen an Großkraftwerksblöcke P * G % mehrere Lastwechselvorgänge über den gesamten Leistungsbereich im Laufe eines Tages :00 12:00 24:00 Uhrzeit * G P pu 1,00 Block B 100 1,00 1,00 Block A Block C 1% 0,5% 095 0,95 C 0,95 A 0,95 B Zeit [h] 36

7 Beispiel eines Regelkreises: Dampftemperaturregelung R 9 p FR p soll p FR Innenansicht eines Dampfkessels (HKW Pfaffenwald, Blick nach oben) Prinzip der Dampftemperaturregelung Ist die Dampftemperatur FD höher als die Solltemperatur FD,soll, wird der Massenstrom m EK3 erhöht. Das kalte Einspritzwasser verringert die Dampftemperatur wieder. Zu berücksichtigen ist dabei die Dynamik von Ü4 (erst nach Ü4 erfolgt die Temperaturmessung) Saugzug soll c O2 c O2 R 8 ZÜ2 ZÜ-EK ZÜ1 Ü4 EK3 Ü3 EK2 Ü2 m EK1 L m B soll p FD R 2 m m ZÜ EK m EK3 soll P G ZÜ2a 100 R 7 soll ZÜ2a P G R 1 p FD FD m FD R 6 soll FD Ü3a R 5 soll m EK2 Ü3a Ü2a R 4 soll m EK1 Ü2a Ü1 ECO + VD SWP m w G HD MD+ND R 3 soll h Ü1e h Ü1e die wichtigsten Regelkreise eines Kraftwerksblocks Ü4 EK3 FD R 6 soll m FD EK3 f N soll f 37

8 Solarthermische Stromerzeugung DESERTEC: Regenerative Stromerzeugung fern der Lastzentren, Übertragung über tausende von Kilometern 38

9 Solarthermische Stromerzeugung 39

10 Solarthermische Stromerzeugung: Turmkraftwerk 40

11 Solarthermische Stromerzeugung: Paraboloidkraftwerk (Dish-Stirling) 41

12 Solarthermische Stromerzeugung: Parabolrinnenkraftwerk 42

13 Solarthermische Stromerzeugung: Linear-Fresnel-Rinnenkraftwerk 43

14 Linear-Fresnel-Rinnenkraftwerke: Aufbau Receiver Sekundärreflektor Absorberrohr Isolierung und Abdeckung Primärreflektor (Spiegel) Glasabdeckung 44

15 Linear-Fresnel-Rinnenkraftwerke: Verfahrenstechnik - Schematischer Aufbau Dampftrommel Kondensatabscheider G Dampfturbine Sammler Kondensat Luftkondensator T T T T M Verdamp pfer 1 M Verdampfer 2 M fer 3 Verdampf M 4 Verdampfer N.N. Verdampfer Kondensatwasserpumpe Speisewasserpumpe V V V V M M M M Sammler 45

16 Linear-Fresnel-Rinnenkraftwerke: Regelung des Verdampfers Möglichst konstante Dampfparameter Breite: 940 m Länge: 806 m 46

17 Linear-Fresnel-Rinnenkraftwerke: Regelung des Verdampfers Möglichst konstante Dampfparameter Breite: 940 m Länge: 806 m 47

18 Linear-Fresnel-Rinnenkraftwerke: Regelung des Verdampfers Möglichst konstante Dampfparameter Breite: 940 m Länge: 806 m 48

19 Linear-Fresnel-Rinnenkraftwerke: Regelung des Verdampfers Möglichst konstante Dampfparameter Breite: 940 m Länge: 806 m 49

20 Automatisierung von Wasserkraftwerken Goldisthal (1060 MW) Speicherbecken Kopswerk I und II (im Bau) Schema eines Pumpspeicherwerks 50

21 Maschinenkaverne Kopswerk II (Baustelle August 2006) 51

22 Optimierung des Regelverhaltens von Pumpspeicherwerken [pu] Einsatz konventioneller Regelungskonzepte [pu] Einsatz verbesserter Regelkonzepte Stellung des Ventilservos a T Turbinenleistung P T Druck im Druckstollen h e Messung Simulation (Validierung) Messung (mit konv. Regelungskonzepten) Simulation modifizierte Parameter 52

23 Windkraftanlagen Windkraft spielt bereits heute eine erhebliche Rolle in der europäischen Energieerzeugung Windkraft-Prognosen für Deutschland: Quelle: dena-netzstudie 53

24 Regelung von Windkraftanlagen Vielfältige Möglichkeiten und Konzepte: z.b. Pitch-Regelung (Stellung der Rotorblätter) entspricht einer Leistungsregelung, Ziel: C p (performance coefficient) möglichst hoch Pitch-Winkel tip speed ratio r v : Winkelgeschwindigkeit des Rotors r: Radius der Rotorblätter v: Windgeschwindigkeit Quelle: CIGRE Intern. Council on Large Electric Systems Regelungen auf Netzseite (z.b. Blindleistungsregelung) über Leistungselektronik Quelle: ENERCON GmbH 54

25 Einführung in die Kybernetik: Regelungstechnik in der el. Energieversorgung T. Weißbach 2. Erzeuger 3. Verbraucher 1. Netz 55

26 Beispiel: Universitätscampus Vaihingen HKW IFK MPA DLR ETI IWZ NWZ I+II II Fraunhofer RUS Studentenwohnheime Stromversorgung 56

27 Beispiel: Universitätscampus Vaihingen HKW IFK MPA DLR ETI IWZ NWZ I+II II Fraunhofer RUS Studentenwohnheime Wärmeversorgung 57

28 Elektrischer Energiebedarf des Uni-Campus Vaihingen 1995 verbrauchergruppenabhängige Lastaufteilung 15 Beleuchtung Laborbetrieb Werkstätten Kopiergeräte P V usw. [MW] Restverbrauch 17% der Institute 10 Instituts-/Arbeits- 7% platzrechner Großversuchsanlagen 9% Dauerversuchsanlagen 8% Rechenzentrum 3% HKW Eigenbedarf 5% Klärwerk 2% Flur-/Außenbeleuchtung 4% Kompressoren 3% P V 44% benutzerspezifische Lastanteile 5 Lüftung 28% 56% versorgungsspezifische Lastanteile Kälteerzeugung 14% t [h] 58

29 Beispiel: Lastgang eines Industrie-Unternehmens 35 PV [MW] PV t t 10 00:00 04:00 08:00 einzelne Tages-Lastgänge gemittelter Tages-Lastgang 12:00 16:00 20:00 Uhrzeit 59

30 Deckung der Last durch den Stromhandel 60

31 Beispiel: Lastdeckung durch den Stromhandel P Quelle: Krämer, EFET, 2005 Unterschiedliche Stromprodukte, z.b. für unterschiedliche Tageszeiten mit unterschiedlichen Vorlaufzeiten aus unterschiedlichen Handelskonzepten für unterschiedliche Stromverträge (z.b. Strom aus erneuerbaren Energiequellen, etc.) 61

32 Beispiel: Lastdeckung durch den Stromhandel P f Hz December 2007 December December December :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 time 62

33 Deckung des Lastprofils in Deutschland: Heute Quelle: Aktuelle Stromerzeugung über eine Juliwoche 63

34 Deckung des Lastprofils in Deutschland: Morgen? Quelle: BMU-Leitszenario 2008 Stromerzeugung über eine Juliwoche in 2020, Szenario des BMU 64

35 Deckung des Lastprofils in Deutschland: Übermorgen? Quelle: Bundesverband Erneuerbare Energien (BEE) Stromerzeugung über eine Juliwoche in 2020, Szenario des BEE 65

36 Einführung in die Kybernetik: Regelungstechnik in der el. Energieversorgung T. Weißbach 54 o N 48 o N 42 o N 36 o N 30 o N 12 o W 36 o E 24 o E 0 o 2. Erzeuger 3. Verbraucher 1. Netz o E

37 Jtt Jetzt: Kraftwerksführung durch das HKW Pfaffenwald Dauer: ca. 30 Minuten 67