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2004 | Buch

Energiewirtschaftliche Grundlagen Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Elektrische Energieversorgung 2

Energie- und Elektrizitätswirtschaft, Kraftwerktechnik, alternative Stromerzeugung, Dynamik, Regelung und Stabilität, Betriebsplanung und -führung

verfasst von: Dr.-Ing. Valentin Crastan

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Professional Book Archive

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Über dieses Buch

Dieser Band stellt ein umfassendes Lehr- und Nachschlagewerk für Studenten und Ingenieure in der elektrischen Energietechnik. Es zeichnet sich durch die Synthese von theoretischer Fundierung und unmittelbarem Praxisbezug aus. Um das Verständnis und den Lernerfolg zu unterstützen, wurden zahlreiche Übungsaufgaben, Modellbeispiele und Simulationen (MATLAB/SIMULINK) in den Text aufgenommen. Der Autor schöpft inhaltlich aus seiner langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet der Energieversorgung sowie didaktisch aus seiner Tätigkeit als Professor an der Berner Fachhochschule, Hochschule für Technik und Architektur, Biel. Der zweite Band behandelt die Themen Energiewirtschaft, Kraftwerktechnik und alternative Stromerzeugung, Netzführung und Planung, dynamisches Verhalten und Regelung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Energiewirtschaft

Frontmatter
1. Energiewirtschaftliche Grundlagen
Zusammenfassung
Abbildung 1.1 veranschaulicht die Struktur der Energiewirtschaft mit den heute verwendeten und den möglichen zukünftigen Energieträgern. Zu unterscheiden sind vier Energieumwandlungsstufen: Primärenergie, Sekundärenergie, Endenergie und Nutzenergie. Unternehmen, die sich mit der Gewinnung, der Umwandlung und dem Transport der Energieträger befassen, bilden den Energiesektor der Wirtschaft. Sie haben die Aufgabe, dem Verbraucher die Energie in der gewünschten Energieträgerform zur Verfügung zu stellen (sog. Endenergie). Der Verbraucher wandelt die Endenergie mittels Nutzprozessen in Nutzenergie um.
Valentin Crastan
2. Wirtschaftlichkeitsberechnungen
Zusammenfassung
Planung und Betrieb energiewirtschaftlicher Anlagen erfordern umfangreiche Analysen technischer und wirtschaftlicher Art.. Die Analysen umfassen u.a. Energie-, Rohstoff-, Abwärme- und Ökobilanzen [2.3]. Bei der Planung sind auch politische Aspekte zu berücksichtigen, wie Fragen der Akzeptanz Allgemeine Gesichtspunkte für die Behandlung energietechnischer Probleme sind in [2.2] zu finden. Für die Einbettung in die allgemeinen Grundlagen wirtschaftlichen Handelns bei Wettbewerb sei auch auf die Abschn. 3.6 und 3.7 verwiesen. Folgende technisch-wirtschaftliche Aspekte seien hier erwähnt:
  • Investitionsvorhaben sind wirtschaftlich zu untermauern. Wichtige Entscheidungsgrundlage dazu bildet die Investitionsrechnung, Hauptthema des Abschn. 2.1. Sie bewertet jährlich anfallende Kapital- und Betriebskosten oder Erlöse verschiedener Ausführungsvarianten.
  • Die einzelnen Anlageteile wie auch die Anlage als ganzes sind im Rahmen der Planung in technisch-ökonomischer und in Zukunft vermehrt in technischökonomisch-ökologischer Hinsicht zu optimieren. Bei der technisch-ökonomischen Optimierung geht es oft um die Suche nach dem optimalen Wirkungsgrad, da mit zunehmendem Investitionsaufwand die Verluste reduziert, d.h. der Wirkungsgrad verbessert werden kann. Ein Beispiel solcher Rechnungen ist in Band 1, Abschn. 11.3, gegeben worden.
  • Beim Betrieb der Energieversorgungsanlagen sind Kosten- und Ertragsberechnungen durchzuführen, um den Einsatz der Anlagen möglichst wirtschaftlich zu gestalten, und wenn nötig Verbesserungen anzubringen. Es wird dann von Betriebsoptimierung gesprochen, dazu Näheres in Kap. 14.
Valentin Crastan
3. Elektrizitätswirtschaft
Zusammenfassung
Die Abschn. 3.1–3.4 befassen sich mit den klassischen Aspekten, betreffend die Entwicklung des Verbrauchs und dessen Deckung mit hydraulischen und thermischen Kraftwerken, die heute den weit größten Teil der Elektrizität liefern. Andere Methoden der Stromerzeugung werden in Teil III behandelt.
Valentin Crastan

Kraftwerktechnik Energieumwandlung

Frontmatter
4. Wasserkraftwerke
Zusammenfassung
Abbildung 4.la zeigt das Einzugsgebiet des Beobachtungspunktes P eines Flusslaufs Über die jährliche Wassermenge liegen i.d.R. langjährige Messungen vor, die eine statistische Beurteilung der oberirdischen Abflussverhältnisse erlauben.
Valentin Crastan
5. Thermische Kraftwerke, Wärmepumpe
Zusammenfassung
Ausgehend von den thermodynamischen und energiewirtschaftlichen Grundlagen (Anhang I und Kap. 3), werden im Folgenden die Prozesse der wichtigsten thermischen Kraftwerke sowie deren Aufbau und Modellierung dargelegt. Für die Technologie s. auch [5.15], [5.4] sowie [5.8]. Auf Grund der Bedeutung der Wärmepumpe für eine nachhaltige Wärmenutzung wird dieser Prozess ebenfalls analysiert und modelliert (Abschn. 5.9).
Valentin Crastan

Alternative Stromerzeugung

Frontmatter
6. Windkraftwerke
Zusammenfassung
Das Potential der Windenergie und die Bedingungen für eine wirtschaftliche Nutzung wurden bereits in Abschn. 1.3.3 kurz erörtert. Im Folgenden werden die technischen und wirtschaftlichen Aspekte der Windenergienutzung näher behandelt.
Valentin Crastan
7. Photovoltaik
Zusammenfassung
Das Verhalten von Halbleitern und Isolatoren lässt sich durch das Energiebändermodell gut erklären [7.1], [7.9]. Für die photoelektrischen Effekte spielen lediglich das Valenzband mit oberer Energiekante W v und das Leitungsband mit unterer Energiekante W L eine Rolle (Abb. 7. la). Die beiden Bänder sind durch eine Bandlücke ΔW = W L −W v getrennt, die z.B. beim Silizium 1.12 eV beträgt. Die Zustandsdichte Z(W) der Elektronenenergie W innerhalb der Bänder wird von einer Parabel beschrieben. Entsprechend dem Exklusionsprinzip von Pauli ergibt sich die Auftretenswahrscheinlichkeit eines Energiezustands durch Multiplikation mit der Fermi-Dirac-Statistik (Abb. 7.lb)
Valentin Crastan
8. Brennstoffzellen
Zusammenfassung
Mit Brennstoffzellen lassen sich Wasserstoff sowie Erdgas und andere Kohlenwasserstoffe (z.B. Benzin, Methanol) oder Biogas elektrochemisch direkt in elektrische Energie umwandeln. Gegenüber Wärmekraftmaschinen, die den Umweg über die mechanische Energie nehmen, ergeben sich höhere Wirkungsgrade, und dies ohne rotierende Teile und entsprechende Lärmemissionen. Bereits für kleine Leistungen lassen sich Wirkungsgrade von 50–60% erreichen, was mit konventioneller Technik nur mit Kombianlagen im 10–100 MW-Bereich möglich ist. Die Umweltbelastung bei Verwendung von Erdgas ist wegen des höheren Wirkungsgrads und der andersartigen Verbrennung (kein Ruß, keine Stickoxide, keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe) geringer als bei konventionellen thermischen Kraftwerken. Die CO2-Emissionen können durch Erhöhung des Wasserstoffanteils weiter reduziert werden.
Valentin Crastan
9. Kernfusion
Zusammenfassung
Seit den fünfziger Jahren werden Forschungsanstrengungen unternommen, durch kontrollierte Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Helium Energie zu gewinnen. Obwohl große Fortschritte erzielt worden sind, ist die technische Realisierung noch in weiter Ferne, weshalb die wirtschaftliche Tragbarkeit der Kernfusion heute schwer zu beurteilen ist. Es ist kaum damit zu rechnen, dass wenn überhaupt vor Mitte des 21. Jh. sie eine für die Energiewirtschaft nennenswerte Rolle spielen wird. Die internationale Gemeinschaft versucht dennoch, die Option Fusion für die Zukunft offen zu halten. Deren Bedeutung in Zusammenhang mit der in Kap. 1 dargelegten Klimaproblematik ist offensichtlich. Außerdem ist langfristig die Fusion zusammen mit der Photovoltaik die einzige Energiequelle mit praktisch unbegrenztem Potential. Für ein vertieftes Verständnis des Fusionsprozesses und der dazu notwendigen Technik werden im Folgenden einige Grundlagen gegeben.
Valentin Crastan

Regelung und Stabilität des Energieversorgungsnetzes

Frontmatter
10. Modellierung und Simulation
Zusammenfassung
Die Analyse des dynamischen Verhaltens und der Stabilität des Energieversorgungsnetzes setzt eine wirklichkeitsgetreue Modellierung der Netzelemente einschl. Regelkomponenten voraus. Sowohl zur Lösung spezieller Aufgaben wie für das Verständnis der sich abspielenden Vorgänge sind aber zweckmäßige Vereinfachungen sinnvoll. Die in den Abschn. 10.1 bis 10.3 behandelten Modelle betreffen Vorgänge für Frequenzen eindeutig unter 50 Hz (ohne transformatorische Terme (t.S.)). Eine weitergehende Modellierung zwecks Simulation großer Netze oder Berücksichtigung der elektromagnetischen Ausgleichsvorgänge wird in Abschn. 10.4 behandelt. Grundlagen sind ferner auch in Anhang III.5 gegeben.
Valentin Crastan
11. Drehzahl- und Frequenzleistungsregelung
Zusammenfassung
Hauptmerkmale einer technisch guten elektrischen Energieversorgung sind die Zuverlässigkeit des Netzbetriebs und die Qualität der Spannung, d.h. die Einhaltung aller Spannungsmerkmale wie Frequenz, Amplitude, Form und Symmetrie.
Valentin Crastan
12. Synchronisierung und Polradwinkelstabilität
Zusammenfassung
Kapitel 11 behandelt die Frage der Frequenzabweichungen und der Frequenzregelung unter der Annahme, die Synchronisiervorgänge seien unter Wahrung der Stabilität des Netzes erfolgreich abgeschlossen. Es bleibt zu klären, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit dies tatsächlich auch eintritt.
Valentin Crastan
13. Spannungsregelung und Spannungsstabilität
Zusammenfassung
Konstanz von Frequenz und Spannung sind wichtige Qualitätsmerkmale des Netzes. Das Problem der Frequenzhaltung ist in Kap. 11 behandelt worden. Die Frequenz ist in einem großen Verbundnetz sehr stabil, da die auftretenden Wirkleistungsstöße relativ zur Gesamtleistung des Netzes i.d.R. klein sind. Nach Abklingen der Synchronisierschwingungen (Kap. 12) ist die Frequenz im Netz überall gleich.
Valentin Crastan

Betriebsplanung und -führung

Frontmatter
14. Betriebsplanung
Zusammenfassung
Methoden zur Lösung der Betriebsfiihrungs- und Planungsprobleme eines vertikal integrierten Energieversorgungsuntenehmens (VIEVU) sind seit Jahrzehnten bekannt [14.11], [14.7], [14.13], [14.15], [14.9], (usw., s. dazu auch [14.2], [14.1]), und werden im folgenden zuerst zusammenfassend dargelegt und dann aus der Sicht der liberalisierten Energieversorgung ergänzt. Dies setzt die Kenntnis der elementaren mikroökonomischen Grundgesetze voraus, weshalb ein diese erklärender Abschnitt vorangestellt wird.
Valentin Crastan
15. FACTS-Elemente
Zusammenfassung
Mit der kommerziellen Verfügbarkeit leistungselektronischer Komponenten hoher Bemessungsleistung ist deren Anwendung in Anlagen für die Hoch- und Höchstspannungsseite der elektrischen Energieübertragung in unterschiedlichen Systemausführungen forciert worden. Im Zusammenhang damit entstand das Konzept der Flexible AC Transmission System (FACTS). In diesen Übertragungssystemen sind leistungselektronische und andere statisch regelbare Betriebsmittel installiert (FACTS-Elemente), um die Steuerbarkeit und damit Anpassungsfähigkeit zu vergrößern ([15.11], [15.12] und [15.24]). Der Einsatz von FACTS-Elementen ermöglicht eine stärkere Auslastung bestehender Energieübertragungssysteme — erreichbar ohne platzintensive Zubaumaßnahmen — durch anpassungsfähige Leistungsflussregelung, Vergrößerung der übertragbaren Leistung und schnelle Beeinflussung des Spannungsprofils.
Valentin Crastan
16. Leit- und Informationstechnik
Zusammenfassung
Die bedarfsgerechte Versorgung von Verbraucher mit elektrischer Energie stellt einen höchst komplexen Prozess dar, dessen einzelne Prozesskomponenten zudem noch räumlich weit verteilt sein können. Die Leittechnik dient dazu, diesen Prozess von zentralen Stellen aus zu überwachen und zu steuern. Die Grundfunktionalität der Leittechnik wird auch als SCADA (= Supervisory Control and Data Acquisition) Funktion bezeichnet und beinhaltet die Überwachung und Steuerung der Stellglieder eines Energieversorgungsnetzes sowie die Aufzeichnung der aus dem Netz übertragenen Mess- und Statuswerte.
Valentin Crastan
17. Netzleittechnik und Marktöffnung
Zusammenfassung
Die Deregulierung und Marktöffnung der Stromversorgungsindustrie hat dramatische Veränderungen für die Energiewirtschaft mit sich gebracht. Im wesentlichen werden gemäß Abb. 17.1 dabei vor allem vertikal organisierte Energieversorger neu in Energieerzeuger, Übertragungsnetzbetreiber und Energieverteiler aufgeteilt und die physische Stromproduktion und -verteilung von der kommerziellen Energievermarktung separiert.
Valentin Crastan
Backmatter
Metadaten
Titel
Elektrische Energieversorgung 2
verfasst von
Dr.-Ing. Valentin Crastan
Copyright-Jahr
2004
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-06958-5
Print ISBN
978-3-662-06959-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-06958-5