Herzlich Willkommen zur Vorlesung. Elektrische Energietechnik

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1 Herzlich Willkommen zur Vorlesung Fachbereich für Gebäude N1, Tel , Sprechstunde: Di Skript zur Vorlesung WS 2014/15 1

2 Gliederung VL 1. Energieversorgung 1.1 Primärenergieträger Wirkungsgrad- und Substitutionsmethode Heiz- und Brennwert Energiegrößen und Einheiten Literatur 1.2 Regenerative Energien Wasserkraftnutzung Einführung zur Wasserkraftnutzung Arten von Wasserkraftwerken Laufwasserkraftwerke Speicherkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke Meeresströmungskraftwerke Turbinenarten Vergleich der Turbinenarten Literatur Skript zur Vorlesung WS 2014/15 2

3 Gliederung VL Windkraftnutzung Eigenschaften des Winds Wind-Grundlagen Windgeschwindigkeits-Verteilung Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit Höhenabhängigkeit des Luftdichte Leistungsberechnung Windkraftanlagen (WKA) WKA mit vertikaler Drehachse WKA mit horizontaler Drehachse Historische Entwicklung & aktueller Marktdaten Literatur Sonnenenergienutzung Eigenschaften solarer Einstrahlung Solarthermie solare Flachkollektoren solarthermische Systeme konzentrierende Systeme Skript zur Vorlesung WS 2014/15 3

4 Gliederung VL Photovoltaik photovoltaische Energiewandlung Eigenschaften photovoltaischer Komponenten photovoltaische Energiesysteme Marktentwicklung Literatur 1.3 Thermische Kraftwerke Thermodynamische Grundlagen thermodynamische Systeme Ideales Gasgesetz Zustandsänderung idealer Gase Kreisprozesse Carnotprozess Dieselprozess Literatur Kraftwerksarten Skript zur Vorlesung WS 2014/15 4

5 Gliederung VL Dampfkraftwerke Prinzip der Energiewandlung Wirkungsgrad des Kraftwerks Energieumsatz in der Dampfturbine Gasturbinenkraftwerke Jouleprozess Wirkungsgrad des Jouleprozesses Aufbau und Eigenschaften des Gasturbine GuD-Kraftwerke Geothermische Kraftwerke Geothermievorkommen, geothermische Heizwerke Kraftwerksprozesse Solarthermische Kraftwerke Parabolrinnenkraftwerk Solarturmkraftwerke Dish-Stirling Anlage Literatur Skript zur Vorlesung WS 2014/15 5

6 Gliederung VL 2. Umwandlung und Netze 2.1 Elektrische Energieversorgung Eigenschaften elektrischer Energie Aufbau der Elektrischen Energieversorgung Kraftwerkseinsatz Netzplanung 2.2 Grundlagen der elektromechanischen Energiewandlung Überblick und Bedeutung elektromechanischer Energiewandler Elektrische Betriebsmittel Synchronmaschine Drehstrom-Transformatoren Leistungsbilanz Skript zur Vorlesung WS 2014/15 6

7 Gliederung VL 2.3 Das Drehstromsystem Drehstromnetze Begriffe des Drehstromsystems Beschreibung des Drehstromsystems Leistungen in Wechsel- und Drehstromsystemen Drehstromtechnik Erzeugung symmetrischer Spannungen Symmetrische Belastung Unsymmetrische Belastung Symmetrische Komponenten (Mit-, Gegen- und Nullsystem) Skript zur Vorlesung WS 2014/15 7

8 Gliederung VL 2.4 Übertragung elektrischer Energie Leitungen Aufbau Ersatzschaltbild Leitungsparameter Blindleistungsbedarf von Leitungen Natürliche Leistung Betriebsdiagramm Übertragungsnetze Übertragungssysteme Einphasige Systeme Dreiphasige Systeme HGÜ- Anlagen Struktur von Drehstromnetzen Niederspannungsnetze Mittelspannungsnetze Hoch- und Höchstspannungsnetze Skript zur Vorlesung WS 2014/15 8

9 Gliederung VL 2.5 Elektr. Energieversorgungsnetze im symmetrischen Betrieb Aufgaben des Netzbetriebs per-unit-systeme Lastflussberechnung 2.6 Energieversorgung & Energiewirtschaft Elektrischer Energiebedarf Entwicklung der Elektrischen Energieversorgung Aufgaben einer zukünftigen Energieversorgung Kostenrechnung, Gestehungskosten Verlustbewertung, Ausgleichsenergien Skript zur Vorlesung WS 2014/15 9

10 1.1 Primärenergieträger Als Primärenergieträger werden die in der Natur in ihrer ursprünglichen Form dargebotenen Energieträger, z.b. Steinkohle, Rohbraunkohle, Erdöl, Erdgas, Holz, Kernbrennstoffe, Wasser, Sonne und Wind bezeichnet. Genau betrachtet wurden die fossilen Primärenergieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas durch Umwandlung von Sonnenenergie über einen Zeitraum von 150 Millionen Jahren über Photosynthese erzeugt. Durch ein- oder mehrfache Umwandlungsschritte kann Primärenergie in elektrische Energie als Sekundärenergie umgewandelt werden. Elektrische Energie in ihrer eigentlichen Form ist für den Menschen nicht direkt nutzbar, sie muss immer erst in andere (zum Beispiel in mechanische Energie) umgewandelt werden. Skript zur Vorlesung WS 2014/15 10

11 1.1 Primärenergieträger Bild: Primärenergie, Elektrische Energie als Sekundärenergie und Endenergieformen Quelle: Herold Skript zur Vorlesung WS 2014/15 11

12 1.1 Primärenergieträger Anteile der Primärenergieträger in Deutschland 1990 und 2011, berechnet nach der Wirkungsgradmethode (Quelle: Baehr/Kabelac) Skript zur Vorlesung WS 2014/15

13 1.1 Primärenergieträger Energieflussbild der Deutschlands im Jahr Die Zahlen geben Energien in PJ 10 J an. Quelle: Baehr Skript zur Vorlesung WS 2014/15 13

14 1.1.1 Wirkungsgrad- und Substitutionsmethode Wirkungsgradprinzip, Teil 1 Zur Berechnung des Primärenergieverbrauchs wird in Deutschland seit 1995 das Wirkungsgradprinzip benutzt. Auch in vielen internationen Statistiken wird diese Methode verwendet. Bei den Energieträgern, die durch Verbrennen ihre Energie umwandeln und deren Heizwert bekannt ist, wird der jeweilige Heizwert mit der jeweiligen eingesetzten Menge multipliziert. Bei den Energieträgern Biomasse, Müll und Klärschlamm wird, wenn kein Heizwert bekannt ist, das später beschriebene Substitutionsverfahren zur Ermittlung der in den Primärenergieverbrauch einfließenden Energien angewandt. Bei der Bewertung der Kernenergie wird ein Wirkungsgrad von 33% bei der Energieumwandlung zu Strom zugrunde gelegt. In den Primärenergieverbrauch fließt die Kernkraft also mit über der dreifachen Energie des durch die Kernkraft entstehenden Stromes ein. Die Wirkungsgradmethode führt im Vergleich zur Substitutionsmethode bei Kernenergie zu einem höheren, bei den anderen Energiequellen zu einem niedrigeren Primärenergieanteil. Skript zur Vorlesung WS 2014/15

15 1.1.1 Wirkungsgrad- und Substitutionsmethode Wirkungsgradprinzip, Teil 2 Die Energieträger Wasserkraft, Wind oder Photovoltaik sind, im Vergleich zu Energieträgern, bei deren Umsetzung ein geringer Wirkungsgrad eingesetzt wird, in den Statistiken zum Primärenergieverbrauch stark unterrepräsentiert, zum Beispiel um den Faktor drei in Bezug zur Kernkraft (ohne Kraft-Wärme-Kopplung: in Deutschland verfügt kein in Betrieb befindliches AKW über eine Kraft-Wärme- Kopplung; bis 1990 AKW Greifswald). Länder, die einen hohen Wasserkraftanteil haben (z.b. Norwegen mit 99%) haben nach dieser Berechnungsmethode einen besonders niedrigen Primärenergiebedarf und erscheinen energieeffizienter als dies der Fall ist. Der Saldo des Stromaußenhandels geht ebenfalls direkt in den Primärenergieverbrauch ein, auch hier wird sozusagen bei dem Saldo des importierten Stroms ein Wirkungsgrad von 100 % angenommen. Deutschland ist seit 2003 im Saldo Stromexporteur, wobei 2013 ein Rekordexportüberschuss von ca. 5% der Bruttostromerzeugung erzielt wurde (Stand Ende 2013). Die so ermittelten Energien werden in dem Primärenergieverbrauch summiert. Skript zur Vorlesung WS 2014/15

16 1.1.1 Wirkungsgrad- und Substitutionsmethode Substitutionsmethode Bei der Substitutionsmethode werden der Heizwert und die eingesetzten Mengen der Energieträger zugrunde gelegt. Bei der Berechnung des Primärenergieverbrauches mit der Substitutionsmethode angenommen, dass der Strom aus den Energieträgern, denen kein Heizwert beigemessen werden kann (Kernkraft, Wasserkraft, Wind und Photovoltaik), und gegebenenfalls der Stromimportsaldo die entsprechende Stromerzeugung in konventionellen Wärmekraftwerken ersetzt (substituiert). Zur Berechnung wird dann die Energie der konventionellen Energieträger benutzt, die zu der Erzeugung des "ersetzten" Stroms im Durchschnitt notwendig gewesen wäre. Der Anteil der regenerativen Energien am Primärenergieverbrauch ist je nach Berechnung, ob nach der Substitutionsmethode oder dem Wirkungsgradprinzip unterschiedlich. Zum Beispiel betrug der Anteil der regenerativen Energien in Deutschland im Jahr 2005 nach dem Wirkungsgradprinzip 4,6 % und nach der Substitutionsmethode rund 6,6 %. Bis 1994 wurde in Deutschland die Substitutionsmethode zur Ermittlung des Primärenergieverbrauchs angewendet Skript zur Vorlesung WS 2014/15

17 1.1.2 Brennwert und Heizwert Umwandlung von Primärenergie in Wärme: Brenn- und Heizwert Alle fossilen Brennstoffe enthalten chemische Energie, die im Verlauf einer chemischen Reaktion in Wärme (Reaktionswärme) umgewandelt wird. Die dabei freiwerdende Wärme Q wird durch folgende Gleichung beschrieben: m H Masse des verbrannten Brennstoffes m kg Heizwert des Brennstoffes H J/kg Es wird zwischen dem spezifischen Heizwert H i (früher: unterer Heizwert H u ), der die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge kennzeichnet, und dem spezifischen Brennwert H S (früher: oberer Heizwert H o ), der Maß für die spezifisch in einem Stoff enthaltene thermische Energie ist, unterschieden. Die Energie für das oft im Brennstoff enthaltene, zu verdampfende Wasser wird dem Brennwert abgezogen. Es gilt damit: H i < H S Bei gasförmigen Brennstoffen wird der Brennwert oftmals auf das Volumen bezogen: V bei H J/m³ Skript zur Vorlesung WS 2014/15 17

18 1.1.2 Brennwert und Heizwert Dichte, Masseanteile, Brenn- und Heizwerte von flüssigen Brennstoffen (Quelle: Baer/Kabelac) Beispiel: Um m = 1000 kg Wasser von 15 C auf 100 C zu erwärmen, wird folgende Wärmemenge benötigt:, setzt man die Wärmekapazität von Wasser 2 = 4187 J/kg K ein, ergibt sich: 3559 MJ. Mit Heizölerwärmung werden dafür idealerweise = 87,23 kg an Heizöl M benötigt. Skript zur Vorlesung WS 2014/15

19 1.1.2 Brennwert und Heizwert Brenn- und Heizwerte (letzte Spalte) von festen Brennstoffen (Quelle: Baer/Kabelac) Skript zur Vorlesung WS 2014/15

20 1.1.3 Energiegrößen und -einheiten Skript zur Vorlesung WS 2014/15 20

21 1.1.4 Literatur Baehr, Hans-Dieter; Kabelac, Stephan: Thermodynamik Grundlagen und technische Anwendungen, 15. Auflage, Springer Vieweg Verlag, Herold, Gerhard; Elektrische Energieversorgung 1; 3. Auflage, J. Schlembach Fachverlag, 2011 Zahoranowsky, Richard; Allelein, Hans-Josef; Bollin, Elmar; Oehler, Helmut; Schelling, Udo; Schwarz, Harald: Energietechnik - Systeme zur Energieumwandlung, 6. Auflage, Springer Vieweg Verlag, 2013 Skript zur Vorlesung WS 2014/15