Energietechnik

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Mit der Beherrschung der Energie, zunächst des Feuers, schaffte sich die Menschheit die Basis zur technischen und wirtschaftlichen Entwicklung. Energie in ihren verschiedenen Erscheinungsformen ist zur Nahrungszubereitung, zum Wohnen, zum Transport, zur Kommunikation, in der Technik, Industrie und in der Freizeit unverzichtbar. Energie gehört zu den Grundbedürfnissen.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

2. Energietechnische Grundlagen

Zusammenfassung

Energie hat die Einheit Joule J. Energie tritt in verschiedenen Erscheinungsformen auf und kann, beispielsweise gemäß Tabelle 2.1, klassifiziert werden. Kinetische und potenzielle Energien zählen zur mechanischen Energie, magnetische, elektromagnetische, elektrische und Strahlungsformen der Energie zur elektrischen Energie. Unter chemischer Energie ist die freisetzbare Energie zu verstehen, die sich durch chemische Reaktionen (meist Verbrennung) ergeben kann, unter Kernenergie diejenige Energiefreisetzung, die bei kerntechnischen Reaktionen (Kernspaltung, Kernfusion, radioaktiver Zerfall) auftritt. Die thermische Energie ist am häufigsten anzutreffen. Umgangssprachlich wird sie oft fälschlich als Wärme bezeichnet, da die Übertragung von Wärme i. d. R. die thermische Energie ändert.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

3. Überblick

Zusammenfassung

Die Energietechnik wandelt natürliche Energievorkommen in für den Menschen nutzbare Formen um. Die in vier Klassen einteilbaren Energieformen lassen sich alle umwandeln, wie Bild 3.1 veranschaulicht.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

4. Konventionelle Dampfkraftwerke

Zusammenfassung

Das Dampfkraftwerk beruht als thermisches Kraftwerk auf einem thermodynamischen Kreisprozess, der Wärme in technische Arbeit umwandelt. Die Arbeit wird mittels Elektrogenerator als elektrische Energie abgegeben.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts erreichte die elektrische Energie den Verbraucher, wobei zunächst die Wasserkraft genutzt wurde. Mit der Kolbendampfmaschine beginnt im 18. Jahrhundert die Nutzung thermischer Prozesse. Anfang des 20. Jahrhunderts setzten sich Dampfturbinen durch. Zwischen 1965 und 1985 erfolgten in Deutschland vor allem Investitionen in Kernkraftwerke. Der heutige Zubau konzentriert sich auf Kombikraftwerke von Gasturbinen und Dampfkraftwerken. Mit thermischen Kraftwerken lässt sich nicht nur elektrische Energie erzeugen, sondern auch die Kraft-Wärme-Kopplung realisieren.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

5. Kernkraftwerke

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Die Nutzung der Kernenergie ist untrennbar mit dem Element Uran verknüpft. Da die Umwandlung eines Elements in ein anderes auf chemischem Weg nicht möglich ist, muss das heute vorhandene Uran durch kosmische Prozesse vor Entstehung der Erde entstanden sein. Reines Uran ist ein silberweiß glänzendes, relativ weiches Schwermetall. In der Elementhäufigkeit steht Uran vor Gold, Silber oder Quecksilber.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

6. Gasturbinen-Kraftwerke

Zusammenfassung

Stationäre Gasturbinen-Kraftwerke zur Stromerzeugung wurden zuerst von Holzwarth Anfang des 20. Jahrhunderts zur kommerziellen Reife entwickelt und bis zum 2. Weltkrieg hergestellt. Hierbei handelte es sich um Verpuffungs-Gasturbinen mit isochorer Wärmezufuhr [6.1]. 1939 präsentierte die Firma BBC auf der Zürcher Landesausstellung die erste stationäre Gasturbine mit isobarer Wärmezufuhr, nach deren Prinzip die heutigen Gasturbinen aufgebaut sind. Diese 4 MW Maschine ist noch heute in Neuchâtel betriebsbereit. Friedrich Stolze gilt als Erfinder dieser Gasturbinen-Bauweise. Seine erste, schon 1904 bei BBC gebaute Anlage erbrachte wegen zu geringer Maschinenwirkungsgrade und zu geringer Turbineneintrittstemperatur jedoch keine Nutzleistung [6.2].

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

7. Kombinationskraftwerke

Zusammenfassung

Die Gründe, aus denen Energieversorgungsunternehmen zunehmend Kombinationskraftwerke aus Gasturbinen und Dampfkraftwerken (auch Kombikraftwerke oder Gas- und Dampfturbinen GuD® genannt) beim Zubau von Kraftwerkskapazitäten bevorzugen, sind vielfältig.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

8. Stationäre Kolbenmotoren für energetischen Einsatz

Zusammenfassung

Kolbenmotoren finden in der Energieversorgung vielfältig Verwendung als Notstromaggregate, als Antrieb für Pumpen in Großkraftwerken und in dezentralen Blockheizkraftwerken BHKW. Motoren für Notstromaggregate und zum Antrieb von Arbeitsmaschinen werden meist mit Diesel-Kraftstoff betrieben. In BHKW dominieren Gasmotoren, wobei Erdgas, Deponie- oder Klärgas bevorzugt sind. Die wesentliche Thermodynamik der Otto-, Diesel- und Stirling-Motoren wird in Kürze behandelt, während die Gasmotoren tiefere Behandlung finden. Die Motoren für die Energieversorgung stammen i. Allg. von mobilen Anwendungen ab und werden an die energietechnischen Anwendungen angepasst. Technische Details der Motoren sind in der Fachliteratur zu finden, z. B. [8.1].

Die hier nicht behandelten, altbekannten Kolbendampfmaschinen finden in der Energietechnik vereinzelt Anwendung bei geringer Leistung und geringen Temperaturniveaus, z. B. in ORC-Anlagen oder für die Erdgasentspannung [8.2, 8.3].

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9. Brennstoffzellen

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Brennstoffzellen sind seit einigen Jahren in aller Munde, ihre Entwicklungsgeschichte begann allerdings schon vor dem Einsatz der Verbrennungskraftmaschinen.

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10. Kraft-Wärmekopplung und Blockheiz-Kraftwerke BHKW

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Die thermischen Wirkungsgrade von Kraftwerken zur Stromerzeugung sind relativ gering. Beispielsweise erreichen moderne Kohlekraftwerke heute bis etwa 45 %, Gasturbinen maximal 40 % und Diesel-Motoren nicht über 50 %. Kombinations-Kraftwerke, Gas- und Dampfturbinen- Prozesse können an die 60 % thermischer Wirkungsgrad bei der Umwandlung der zugeführten Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie erzielen. Ein ähnlich hoher Wert wird in Zukunft von den Brennstoffzellen erwartet. Der nicht in Arbeit umgewandelte Anteil der zugeführten Wärme fällt als Abwärme an und geht ungenutzt in die Umgebung. Ein Teil dieser Abwärme lässt sich durch entsprechende Installationen bei allen Kraftwerksprozessen zur Wassererwärmung oder zur Dampferzeugung für industrielle Zwecke nutzen. Für Heizzwecke genügt eine Temperatur der Abwärme von 60 °C bis 80 °C, während die Erzeugung von Industriedampf deutlich höhere Temperaturen voraussetzt.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

11. Wasserkraftwerke

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Die Wasserkraft ist global die bedeutendste erneuerbare Energiequelle. Sie hat in Deutschland einen stagnierenden Anteil von ca. 5 % der gesamten Stromerzeugung (Bild 1.2). In Deutschland wurde die Wasserkraft allerdings bei der Stromerzeugung durch die Windkraft und vor kurzem sogar von der Biomassevergasung überholt. Die Wasserkraft ist andererseits eine gut berechenbare Energiequelle und unterliegt nicht den nur kurzfristig vorhersehbaren Schwankungen der Wind- und Solarenergien.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

12. Solartechnik

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Die Erde ist ein Strahlungsempfänger für kosmische Strahlungen. Sie empfängt nur einen winzigen Bruchteil der von der Sonne ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung. Dieser Bruchteil ist im Wesentlichen bestimmt durch den Abstand zwischen Sonne und Erde und durch das Verhältnis der Durchmesser von Erde und Sonne. Außerhalb der Erdatmosphäre, also extraterrestrisch, werden vom World Radiation Center WRC je Quadratmeter horizontaler Empfängerfläche 1,367 kW/m2 +/– 1 % konstant über das gesamte Jahr gemessen.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

13. Windenergie

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Die Griechen bauten wahrscheinlich schon im ersten Jahrhundert unserer Zeitrechnung Windmühlen. Ab dem Jahr 600 n. Chr. sind sie mit vertikalen Drehachsen in Persien bekannt. Weit früher wurde die Windenergie zum Antrieb von Schiffen verwendet. Die Niederlande nutzten im 17. und 18. Jahrhundert Windmühlen, um ihre Landflächen durch Leerpumpen eingedeichter Flächen zu vergrößern.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

14. Energetische Verwertung von Biomasse

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Etwa 0,1 % der Solarenergie wandeln sich durch Photosynthese aus dem Kohlendioxid der Luft in Biomasse um. Die Biomassen sind als Festbrennstoff nutzbar oder zu gasförmigen Brennstoffen weiterverarbeitbar.

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15. Geothermie

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Mit zunehmender Tiefe nimmt die Erdtemperatur zu. Im flüssigen inneren Erdkern herrschen Temperaturen von 3000 bis 6000 K. Durch Wärmeleitung entsteht ein Wärmestrom zur kalten Erdoberfläche. Nur an wenigen Stellen in der oberen Erdkruste wird Erdwärme durch Wasserund Dampfströmungen an die Oberfläche befördert. Die vom Erdkern abgegebene Wärme wird zu etwa 60 % durch den im Kern ablaufenden radioaktiven Zerfall, im Wesentlichen der Elemente Kalium K-40, Thorium Th-232, Uran U-235 und U-238, gespeist. Der Rest der Wärme zählt zur Ursprungswärme, die einmal bei der Erdentstehung entstand und zum anderen durch umgewandelte kinetische Energie großer Meteoriteneinschläge sowie permanent durch die Erstarrung des Erdkernmaterials in der Übergangszone vom flüssigen zum festen Kern freigesetzt wird. Die Erstarrung setzt Kristallisationswärme (Latentwärme) frei. Die Geothermie ist für menschliche Zeitvorstellungen unerschöpflich, obwohl sich langfristig die Erde abkühlt.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

16. Energetische Müllverwertung

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In den 1970er Jahren entstand in der Bundesrepublik Deutschland das Bewusstsein für die Problematik von Mülldeponien mit ihren Sickerwässern und entweichenden Gasen. Die lokalen Müllkippen wurden zugunsten weniger zentraler, überwachter Anlagen geschlossen (Faustregel: Eine Zentraldeponie pro Landkreis).

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

17. Energieverteilung

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Dem Verbraucher muss die Energie in Form von Primär- und Sekundärenergieträgern geliefert werden. Fluide Brennstoffe wie Gase, Erdöl, Fernwärme sowie elektrische Energie sind in entsprechenden Leitungen kontinuierlich transportierbar, während Festbrennstoffe wie Kohle mit Fahrzeugen (Schiff, Bahn, Lkw) transportiert werden. Leitungsgebundene Energietransportsysteme sind an die geografische Lage der Energievorkommen und der Verbraucherschwerpunkte angepasst.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

18. Energiespeicherung

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Der Endverbraucher erwartet die Energielieferung direkt an den Verbrauchsort. Er unterhält für die elektrische Energie und das Erdgas keine Vorratshaltung, weshalb diese bedarfsgleich geliefert werden müssen. Energiespeicher entkoppeln die Primärenergiegewinnung, z. B. im Bergbau, und die Energieumwandlung beim Versorger einerseits und des Energieverbrauchs mit seinen zeitlichen Variationen andererseits und führen deshalb zu folgenden Vorteilen:

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

19. Liberalisierung der Energiemärkte

Zusammenfassung

Die extremen Preisschwankungen für Energie in den letzten Jahren, gekennzeichnet durch rasant steigende Preise bis zu einem Spitzenwert für Erdöl von knapp unter 150$ pro Barrel im Sommer 2008, dem nachfolgenden Absturz aufgrund der Wirtschaftskrise sowie dem aktuell im Sommer 2012 abermals deutlichen Anstieg des Erdölpreises Richtung 120 $ pro Barrel, lassen das Interesse für Mechanismen an den globalen und lokalen Märkten für Energie nicht abklingen. In diesem Zusammenhang rücken die Auswirkungen der Liberalisierung der Märkte für leitungsgebundene Energien wieder mehr in das Zentrum des Interesses, wobei häufig einerseits Ursachen und Wirkung vermischt, andererseits aber auch völlig verfehlte Erwartungen an die Liberalisierung, die Unternehmen sowie das Kundenverhalten gestellt werden. Zu beobachten ist außerdem, dass die gewünschten Schwerpunkte bei den erhofften Effekten des Wettbewerbs Schwankungen unterliegen, je nachdem welche Interessen gerade meinungsbestimmend sind, z. B. Versorgungssicherheit oder Preise.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

20. Kyoto-Protokoll

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In den letzten 100 Jahren hat sich die mittlere Temperatur der Erdoberfläche um etwa 0,6 bis 0,8°C erhöht, Bild 20.1. Diese Temperatur korreliert mit der Zunahme der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre. CO2 sowie verschiedene andere Gase erzeugen eine Erwärmung der Atmosphäre, da diese das sichtbare Licht (kurzwellige elektromagnetische Wellen) in Wärme umwandeln (längerwellige elektromagnetische Wellen, Infrarot-Strahlung), die weniger gut in das Weltall abgestrahlt wird und somit die Atmosphäre langfristig erwärmt. Dieser Effekt wird für die solare Erwärmung der Gewächshäuser bzw. Treibhäuser (Greenhouses) angewandt.

Richard A. Zahoransky, Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin, Helmut Oehler, Udo Schelling, Harald Schwarz

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