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Über dieses Buch

Die aktualisierte und ergänzte 5. Auflage dieses Standardwerks für in der Praxis stehenden Ingenieure, für Studierende und interessierte Laien liefert einen ausgezeichneten Überblick über den aktuellen Stand der Kraftwerkstechnik, die Systeme und zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten. In umfassender Weise wird der Leser in die Lage versetzt, die Nutzung unterschiedlicher Energiequellen im Kraftwerksbereich zu beurteilen. Dafür umspannt der Inhalt des Buches sowohl die klassischen fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl und Erdgas) wie auch die Geothermie, die Solarenergie und die Brennstoffzellen. Beispiele versetzen den Leser in die Lage, Größenordnungen von Energie- und Stoffströmen sowie Abmessungen von Komponenten und Bauteilen abgeschätzen zu können. Ergänzt wurden in dieser Auflage neue Ausführungen zur CO2-Sequestrierung (Verfahren, mit denen das Treibhausgas CO2 aus den Emissionen der fossilen Brennstoffe abgetrennt wird) und zu regenerativen Energien.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter

1. Einführung

Auszug
Energie ist für uns ein so vertrautes Wort, daß wir nicht mehr daran denken, wie schwierig es ist, seine Bedeutung zu definieren. Der Begriff Energie wurde Anfang des 19. Jahrhunderts eingeführt, um eine Reihe von scheinbar unzusammenhängenden Erscheinungen einer gemeinsamen Beschreibung und quantitativen Berechnung zugänglich zu machen. Die Größe Energie ist dabei so konzipiert, daß für sie ein Erhaltungssatz gilt: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Dies ist auch der Inhalt des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik1, der wie folgt definiert werden kann:
Die Energie eines adiabat abgeschlossenen Systems ist konstant. Unter einem System verstehen wir eine Anordnung von miteinander in Wechselwirkung stehenden Elementen, die mittels stichhaltiger Kriterien eindeutig von ihrer Umgebung abgrenzbar sind und vollständig von einer Fläche umschlossen werden können. Ein System heißt offen, abgeschlossen oder adiabat abgeschlossen, je nachdem ob über die Systemgrenzen Materie und Energie, nur Energie oder weder Materie noch Energie strömen kann.2 Innerhalb eines adiabat abgeschlossenen Systems kann demnach Energie nur umgewandelt, übertragen oder ausgetauscht werden. Im Verlauf solcher Umwandlungs- oder Austauschprozesse tritt Energie in unterschiedlichen Formen auf.

2. Energiequellen

Auszug
Energie wird in der Weise gewonnen, daß fossile oder mineralische Bodenschätze gefördert und die in ihnen gespeicherte Energie nutzbar gemacht wird, oder auf die Erde einfallende Energieströme verfügbar gemacht werden. Im einzelnen sind dies:
  • die chemische Energie der fossilen Brennstoffe Kohle, Erdgas und Erdöl
  • die nukleare Energie der schweren Atomkerne (Uran und Thorium); sie kann durch Spaltung freigesetzt werden
  • die nukleare Energie der leichten Atomkerne (Wasserstoff, Lithium); sie kann durch Kernverschmelzung nutzbar gemacht werden
  • die Erdwärme; sie kommt überwiegend durch den radioaktiven Zerfall der Spurenelemente Uran und Thorium in der Erdkruste zustande
  • der Energiefluß aus der Sonne auf die Erde in der Form elektromagnetischer Wellen
  • die Gravitation zwischen Sonne, Mond und Erde
Diese Energieströme sind insofern zu unterscheiden, als es sich bei den drei erstgenannten um in der Erdkruste gespeicherte, hochkonzentrierte Energierohstoffe handelt, die nach Bedarf gefördert und verwendet werden können. Bei den drei letztgenannten handelt es sich dagegen um Energieströme, die ohne Zutun des Menschen bestehen. Da diese in menschlichen Zeitmaßstäben gemessen unerschöpflich sind, spricht man von regenerativen Energiequellen.

3. Umwandlung von Wärme in Arbeit

Auszug
Die Umwandlung von Wärme in Arbeit wird mit Hilfe von Kreisprozessen durchgeführt.1 Dabei wird einem Arbeitsmittel, etwa einem Dampf oder einem Gas, das sich in einer Maschine befindet, Hochtemperaturwärme zugeführt. Das Arbeitsmittel leistet in der Maschine mechanische Arbeit, die als Nutzarbeit entnommen werden kann, und gibt schließlich Niedertemperaturwärme ab. Ein Kreisprozeß ist dadurch gekennzeichnet, daß der Endzustand des Arbeitsmittels nach einer Reihe von Zustandsänderungen wieder mit dem Anfangszustand identisch ist.

Nutzung fossiler Brennstoffe

Frontmatter

4. Dampfkraftwerke

Auszug
Die ersten Dampfkraftwerke wurden von dem vielseitigen Erfinder Thomas Alva Edison1 in New York und London errichtet und 1882 in Betrieb genommen. Nach zahlreichen Erfolgen als Erfinder hatte sich Edison 1877 dem Problem der elektrischen Beleuchtung zugewandt. Nachdem es ihm 1879 gelungen war, eine Glühlampe mit hitzebeständigen Leuchtdrähten zu entwickeln, wandte er sich unmittelbar der Kommerzialisierung seiner Erfindung zu. Mit der Inbetriebnahme der Anlagen in der Pearl Street in Lower Manhatten und am Holborn Viaduct in London, die Gleichstrom mit einer Spannung von 100 V und einer Leistung von jeweils 500 kW lieferten, eröffnete er das Zeitalter der Elektriziät. Im Jahr 1885 waren in New York bereits 250 000 Glühbirnen in Verwendung und um 1900 waren es allein in den USA mehr als 18 Millionen.

5. Grundlagen der Verbrennungstechnik

Auszug
Bei der Verbrennung handelt es sich um die Hochtemperatur-Oxidation eines Brennstoffes, bei der im wesentlichen Kohlenstoff und Wasserstoff, die in verschiedener Form im Brennstoff enthalten sind, mit Sauerstoff exotherm reagieren. Eine Verbrennung heißt vollständig oder vollkommen, wenn alle brennbaren Bestandteile in ihre höchste Oxidationsstufe überführt werden.

6. Feuerungssysteme und -anlagen

Auszug
Systeme, mit denen die chemische Energie fossiler Brennstoffe freigesetzt wird, heißen Feuerungen. Der dabei benötigte Sauerstoff wird in der Regel durch Luftzufuhr zur Verfügung gestellt, in selteneren Fällen auch durch Zuführung anderer sauerstoffhaltiger Gase. Je nach Suspensionszustand des Brennstoffs können Feuerungen unterteilt werden in, vgl. auch Abb. 6.1:
  • Festbett- oder Rostfeuerungen: Sie finden bei festen Brennstoffen Anwendung, die Verbrennung erfolgt auf einem festen oder beweglichen Rost.
  • Wirbelschichtfeuerungen: Der Brennstoff wird in einer vom Sauerstoffträger durchströmten Wirbelschicht aus inerten Teilchen verbrannt. Dieses System wird vorzugsweise für feste Brennstoffe eingesetzt.
  • Brennerfeuerungen: Der Brennstoff wird zusammen mit dem Sauerstoffträger in die Brennkammer eingeblasen. Dieses System wird für Gase, flüssige Brennstoffe und für fein gemahlene feste Brennstoffe verwendet.
Aufgabe der Feuerung ist es, den Brennstoff für die Verbrennung aufzubereiten, zu dosieren, vollkommen zu verbrennen und im Brennstoff enthaltene, nicht brennbare Bestandteile möglichst einfach zu entfernen. Ein ideales Feuerungssystem, das all diese Funktionen erfüllt, muß folgende Eigenschaften aufweisen:
  • Kein Unverbranntes und keinen Sauerstoff in den Verbrennungsprodukten,
  • weiter Regelungsbereich mit stabilen Bedingungen,
  • kurze Totzeiten und steile Lastgradienten bei Laständerungen,
  • hohe Verfügbarkeit der Anlage bei geringem Instandhaltungsaufwand.

7. Dampferzeuger

Auszug
Ein Dampferzeuger hat die Aufgabe, die in der Feuerung in Wärme umgewandelte chemische Energie des Brennstoffes in Enthalpie eines hochgespannten Dampfes umzuwandeln. Seiner Funktion nach ist er folglich ein Wärmeaustauscher. Am Beginn seiner Entwicklung war er einfach ein beheizter Behälter zur Erzeugung von Sattdampf — daher stammt auch der heute noch verwendete Begriff Kessel.

8. Dampfturbinen

Auszug
Die Dampfmaschine, die erste Kraftmaschine für die Umwandlung von Wärme in mechanische Energie, war um 1900 der begrenzende Faktor für die Leistungssteigerung der Kraftwerke. Bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens traten große Massenkräfte auf, was die Laufgeschwindigkeit und die Leistungsvergrößerung begrenzte. Die Lösung brachte die Dampfturbine, bei der durch die Entspannung des Dampfes unmittelbar eine Drehbewegung erzeugt wird.

9. Kühlsystem

Auszug
Zur Schließung des Kreisprozesses ist der aus der Turbine kommende Dampf niederzuschlagen und dem Dampferzeuger wiederum als Speisewasser zuzuf ühren. Diese Aufgabe wird vom Untersystem Kondensator erfüllt. Die Kondensation stellt physikalisch die Umkehrung des Verdampfungsprozesses dar. Der Dampf wird dabei durch Wärmeaustausch so weit abgekühlt, daß er sich verflüssigt. Dies ist ein Vorgang, der mit einer großen Änderung des spezifischen Volumens verbunden ist. Von der Funktionsweise her unterscheidet man zwischen Misch- oder Einspritz- und Oberflächenkondensatoren.

10. Speisewasserversorgung

Auszug
Die Speisewasserversorgung des Kessels besteht aus den Hoch- und Niederdruckvorw ärmern, dem Speisewasserbehälter, dem Entgaser und der Speisepumpe. Als Hochdruckvorwärmer bezeichnet man diejenigen Vorwärmer, die im Hochdruckbereich hinter der Speisepumpe angeordnet sind. Entsprechend werden die anderen Vorwärmer als Niederdruckvorwärmer bezeichnet. Eine übliche Anordnung der Vorwärmer und der anderen Komponenten der Speisewasserversorgung relativ zur Turbine ist in Abb. 10.1 dargestellt.

11. Rauchgasreinigung

Auszug
Die fossilen Brennstoffe enthalten neben Kohlenstoff undWasserstoff u.a. auch mineralische Verunreinigungen, an die ihrerseits Schwefel und Stickstoff gebunden sind. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden daher auch Luftschadstoffe gebildet, die wegen ihrer erwiesenen Umweltschädlichkeit entfernt werden müssen:
  • Die inerten Bestandteile der Brennstoffe treten als Stäube auf. Großen Feuerungsanlagen sind daher immer Einrichtungen zur Staubabscheidung nachgeschaltet.
  • Die Schwefelverbindungen verbrennen unter Bildung von Schwefeldioxid (SO2). Die Kraftwerke werden deshalb mit Rauchgasentschwefelungsanlagen (REA) ausgerüstet.
  • Die Stickstoffverbindungen in der Kohle sowie der Stickstoff der Verbrennungsluft werden unter den bei der Verbrennung vorliegenden Bedingungen teilweise in Stickoxid umgewandelt. In zunehmendem Maße werden Kraftwerke deshalb auch mit Anlagen zur Stickoxidminderung (DeNO x-Anlagen) ausgerüstet.
Die Rauchgase aus Kraftwerken werden demnach entstaubt, entschwefelt und entstickt.

12. Dynamik der MW-Erzeugung in Dampfkraftwerken

Auszug
Das Verbundnetz für elektrische Energie verknüpft Stromerzeuger und Verbraucher. Da elektrische Energie im selben Moment, in dem sie in das Netz eingespeist wird, verbraucht werden muß, ist ein selbsttätiges Zusammenwirken von Erzeugern und Verbrauchern erforderlich. Beispielsweise verursacht eine Zunahme des Verbrauchs zunächst eine Abnahme in der Netzfrequenz, in deren Folge der Energiebezug einzelner Verbraucher abnimmt. Um die entstandene Abweichung wieder rückgängig zu machen, verändert die Frequenzund Leistungsregelung den Sollwert der Erzeugung, der dann die Ist-Erzeugung folgt, vgl. auch Abschn. 1.6.

13. Das letzte Problem fossil gefeuerter Kraftwerke: CO2-Sequestrierung

Auszug
Die mit fossilen Brennstoffen betriebenen Dampfkraftwerke sind die zuverlässigsten und anpassungsfähigsten Anlagen der Energiewirtschaft. Dies resultiert aus dem über viele Jahrzehnte andauernden Reifeprozeß der Kraftwerkstechnik. Die Perfektion der Anlagen hat heute einen solchen Grad erreicht, daß man mit einem gewissen Recht von der Endphase ihrer Entwicklung sprechen kann. Die Bestwerte der Nettowirkungsgrade steinkohlegefeuerter Dampfkraftwerke liegen bei 45%, durch Steigerung der Frischdampf- und ZÜ-Temperatur auf 700/720 °C und des Frischdampfdruckes auf 30MPa erscheinen allenfalls Nettowirkungsgrade von ca. 50% bei Binnenlandkraftwerken mit Kühltürmen erreichbar, dies setzt allerdings die Verfügbarkeit von Nickel-Basislegierungen für die Endüberhitzer und Frischdampfleitungen voraus, deren Einsatzreife zur Zeit noch nicht absehbar ist. Da Kohle unsere mächtigste einfach zu nutzende Energieresource ist, müssen wir damit rechnen, daß deren Nutzung künftig zunehmen wird und dß der damit verbundene Mehrverbrauch an Brennstoff durch die mögliche moderate Steigerung der Wirkungsgrade nicht kompensiert werden kann.

14. Nutzung fossiler Brennstoffe in Gas- und Dampfturbinenkraftwerken

Auszug
Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit ist von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke abhängig, vgl 3. Beim Dampfkraftprozeß ist die Temperatur der Wärmezufuhr durch die verfügbaren Werkstoffe auf ca. 600°C beschränkt. Dagegen liegt die Temperatur der Wärmeabfuhr praktisch auf dem Niveau unserer Umgebung. Beim Gasturbinenprozeß hingegen liegt die Eintrittstemperatur in den Prozeß mit derzeit ca. 1 200°C wesentlich höher, dafür beträgt die Austrittstemperatur aber ca. 600°C. Der Nettowirkungsgrad eines solchen Prozesses liegt deshalb nur bei ca. 30%.

15. Alternative Prozesse zur Nutzung fossiler Brennstoffe

Auszug
Die Entwicklung alternativer Prozesse zur Nutzung fossiler Brennstoffe wird mit dem Ziel durchgeführt, den Umwandlungswirkungsgrad in elektrische Energie zu verbessern und die Prozeßtechnik zu vereinfachen. Bei den in den vorhergehenden Kapiteln betrachteten Prozessen führt man die jeweilige Primärenergie zunächst in Wärme über. In einem weiteren Schritt wird dann die Wärme mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses in mechanische Arbeit umgewandelt. Der thermische Wirkungsgrad des Umwandlungsprozesses ist dabei durch den 2. Hauptsatz in der Form des Carnot-Faktors η C begrenzt, welcher vom Verhältnis der Temperaturen von der Wärmeabfuhr zur Wärmezufuhr gemäß (3.10) abhängt. Zur Erreichung hoher Wirkungsgrade bestehen zwei Möglichkeiten:
  • Es werden Umwandlungsprozesse gewählt, bei denen der Zwischenschritt über die Wärmeenergie vermieden, oder
  • das Temperaturverhältnis minimiert wird.

Nutzung nuklearer und regenerativer Energien

Frontmatter

16. Kernspaltung

Auszug
Obwohl die Kernenergie erst seit etwa 50 Jahren für den Menschen zugänglich ist, hat sie im Jahr 2004 weltweit ca. 15% der Elektrizitätsversorgung getragen. Länder wie Frankreich, Finnland und Japan, die sich in ihrer Energiewirtschaft bereits stark auf die Kernenergie stützen, planen ebenso wie China, Indien, Iran und einige Länder Osteuropas den weiteren Ausbau der nuklearen Energieversorgung.

17. Kernfusion

Auszug
Im Unterschied zur Nutzung der Kernspaltung, die bereits zahlreiche großtechnische Anwendungen gefunden hat, ist die Entwicklung der kontrollierten Kernfusion noch vollständig offen. Trotzdem wurde sie bereits vielfach als die Hauptenergiequelle der Zukunft dargestellt. Dies hängt damit zusammen, daß die mit der technischen Realisierung verbundenen Schwierigkeiten um Größenordnungen unterschätzt wurden. Dieses Kapitel bringt eine erste Einführung in das Gebiet, für eine ausführliche Darstellung sei auf [5] verwiesen.

18. Nutzung erneuerbarer Energiequellen

Auszug
Es ist vorherzusehen, daß es bei der sich abzeichnenden Verknappung der einfach nutzbaren und preiswerten fossilen Energierohstoffe aufgrund des bestehenden Nachfragedrucks zu drastischen Preiserhöhungen kommen wird. Diese können zwar von den Industrieländern noch kompensiert werden, nicht aber von den Staaten der sog. dritten Welt, die vielmehr noch für lange Zeit auf preiswerte fossile Energierohstoffe angewiesen sein werden. Wenn es gelänge, kurzfristig wenigstens einen Teil des wachsenden Energiebedarfs aus erneuerbaren oder regenerativen Energiequellen 1 zu decken, würde dies zu einer Entspannung des Marktes für fossile Energieträger beitragen.

Zukunftsperspektiven

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19. Status unserer Energieversorgung

Auszug
Die Kraftwerkstechnik zur Erzeugung von elektrischem Strom ist eine der großen Entwicklungen des vergangenen Jahrhunderts. Es ist offensichtlich, daß die Nutzung der Elektrizität das tägliche Leben in einer Weise verändert und erleichtert hat, wie es vorher nicht vorauszusehen war. Im Jahr 2002 wurden weltweit 15,7·1012 kWh = 15.700 TWh Strom erzeugt und verbraucht, die installierte Leistung aller Kraftwerke betrug rd. 4,2·109 kW, vgl. Abb. 19.1. Trotz eines ungebrochenen Wachstums seit mehr als 100 Jahren nimmt der Stromverbrauch noch immer mit einer Rate von 3% pro Jahr zu. Für 2015 wird mit einem weltweiten Strombedarf von 21.500 GWh gerechnet; dabei liegen die Zuwachsraten in den Industrieländern wie den USA und Westeuropa bei ca. 1% und in den sogenannten Schwellenländern China, Indien und Indonesien eher bei 10% pro anno.

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