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2009 | Buch

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Elektrische Energieversorgung 2

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

verfasst von: Valentin Crastan, Dr.

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Der zweite Band dieses umfassenden Lehr- und Nachschlagewerkes für Studenten und Ingenieure in der elektrischen Energietechnik wurde in dieser zweiten Auflage vor allen Dingen in den ersten Kapiteln erneuert und erweitert. Vor allem werden nun die Themen Klimawandel, Elektrizitätswirtschaft und die Liberalisierung des Energiemarktes vertiefter behandelt.

Die beiden Bände der „elektrischen Energieversorgung" zeichnen sich durch die Synthese von theoretischer Fundierung und unmittelbarem Praxisbezug aus und unterstützen das Verständnis und den Lernerfolg mit zahlreichen Übungsaufgaben, Modellbeispielen und Simulationen. 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 Informatik, Biel).

Dieser zweite Band behandelt die Themen Energiewirtschaft, Kraftwerktechnik und alternative Stromerzeugung, Netzführung und Planung, dynamisches Verhalten und Regelung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Energiewirtschaft, Elektrizitätswirtschaft

Frontmatter

1. Energiewirtschaft und Klimawandel

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.

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.

3. Elektrizitätswirtschaft, Liberalisierung

Zusammenfassung

Die Abschn. 3.1-3.4 befassen sich mit den klassischen Aspekten, betreffend die Entwicklung des Verbrauchs und dessen Deckung mit hydraulischen (Kap. 4) und thermischen Kraftwerken (Kap. 5), die heute den weit größten Teil der Elektrizität liefern. Andere Methoden der Stromerzeugung werden in Teil III behandelt. Die Elektrizitätswirtschaft befindet sich auf Grund der weltweiten Liberalisierung in einer Umbruchphase. In den Abschn. 3.5-3.8 werden die sich mit der Einführung des Wettbewerbs stellenden Fragen und deren mögliche Auswirkungen sowie die Funktionsweise liberalisierter Elektrizitätsmärkte und das damit verbundene Risikomanagement im Detail besprochen.

Kraftwerktechnik, Energieumwandlung

4. Wasserkraftwerk

Zusammenfassung

Abbildung 4.1a 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.

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 (fossil und nuklear) 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 (s. Kap. 1), evtl. in Verbindung mit der Wärmekraftkopplung und den Kombikraftwerken, wird dieser Prozess ebenfalls analysiert und modelliert (Abschn. 5.9).

Alternative Stromerzeugung

Frontmatter

6. Windkraftwerke

Zusammenfassung

Das Potential der Windenergie und die Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Nutzung wurden bereits in Abschn. 1.2.3 kurz erörtert. Im Folgenden werden die technischen und wirtschaftlichen Aspekte der Windenergienutzung näher behandelt.

7. Photovoltaik

Zusammenfassung

Das Verhalten von Halbleitern und Isolatoren lässt sich durch das Energiebändermodell gut erklären [7.1], [7.10]. Für die photoelektrischen Effekte spielen lediglich das Valenzband mit oberer Energiekante W_L und das Leitungsband mit unterer Energiekante W_V eine Rolle (Abb. 7.la). Die beiden Bänder sind durch eine Bandlücke ∆W = 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.

8. Brennstoffzelle

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 fur 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.

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. 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. Zusammen mit der Solarstrahlung ist die Kernfusion langfristig die einzige Energiequelle mit praktisch unbegrenztem Potential. Es ist jedoch kaum damit zu rechnen, dass vor Mitte des 21. Jh. die Fusion eine für die Energiewirtschaft nennenswerte Rolle spielen wird. Für ein vertieftes Verständnis des Fusionsprozesses und der dazu notwendigen Technik werden im Folgenden einige Grundlagen gegeben.

Regelung und Stabilität des Energieversorgungssystems

Frontmatter

10. Modellierung und Simulation

Zusammenfassung

Die Analyse des dynamischen Verhaltens und der Stabilität des Energieversorgungsnetzes setzt eine wirklichkeitsgetreue Modellierung aller Netzelemente einschließlich Regelkomponenten voraus. Sowohl zur Lösung spezieller Aufgaben wie für das Verständnis der sich abspielenden Vorgänge sind aber zweckmäßige Vereinfachungen sinnvoll.

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.

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.

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. In einem großen Verbundnetz ist die Frequenz 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.

Betriebsplanung und -führung

Frontmatter

14. Betriebsplanung

Zusammenfassung

Methoden zur Lösung der Betriebsführungs- und Planungsprobleme eines vertikal integrierten Energieversorgungsunternehmens (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.

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.

16. Leit- und Informationstechnik

Zusammenfassung

Zur Gewährleistung einer sichern und zuverlässigen Versorgung mit elektrischer Energie bedarf es, neben den primären Bestandteilen des Energieversorgungsnetzes, auch der sogenannte Sekundärtechnik, um den Energieversorgungsprozess überwachen und steuern zu können. Die dafür benötigte Leit- und Informationstechnik erstreckt sich von der Feldebene innerhalb der Schaltanlagen und Umspannwerke über die Stationsleittechnik bis zur Netzleitebene und die daran angrenzende Integration mit der EVU-weiten IT-Welt. In Abb. 16.1 sind die einzelnen Ebenen der Leit- und Informationstechnik dargestellt. In diesem Kapitel wird im Folgenden näher auf die unteren zwei Ebenen (Felderfassung, Lokalsteuerung & Automation sowie Kommunikation) eingegangen. Die oberen Ebenen (Netzüberwachung und –betrieb SCADA, Höherwertiger Netzbetrieb sowie Geschäftsprozesse) werden dann im Kapitel 17 „Leittechnik für elektrische Energienetze“ behandelt.

17. Netzleittechnik für elektrische Energienetze

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.

Backmatter

Titel: Elektrische Energieversorgung 2
verfasst von: Valentin Crastan, Dr.
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-540-70882-7
Print ISBN: 978-3-540-70877-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-70882-7