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2009 | Buch

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Kraftwerkstechnik

zur Nutzung fossiler, nuklearer und regenerativer Energiequellen

verfasst von: Karl Strauß

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : VDI-Buch

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

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch gibt eine Einführung in die Grundlagen der Energie- und Kraftwerkstechnik. Obgleich vertiefend die technisch-naturwissenschaftlichen Aufgaben im Mittelpunkt stehen, werden auch Fragestellungen der Ökologie und Ökonomie angemessen berücksichtigt.

Das Buch liefert den heutigen Stand der Technik und zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten, es bringt im Einzelnen: Eine Übersicht über die verfügbaren Energiequellen (fossil, regenerativ, nuklear), behandelt die Prinzipien der Umwandlung der jeweiligen Primärenergie in Elektrizität, die Darstellung möglicher Umweltbelastungen und von Verfahren zu deren Vermeidung, eine Übersicht über erreichbare Wirkungsgrade, Anlagenverfügbarkeit und Kosten.

Ziel des Buches ist es, den Leser in die Lage zu versetzen, die Möglichkeiten für die Nutzung der verschiedenen Energiequellen zu beurteilen, den dafür notwendigen Aufwand abzuschätzen und eventuell damit verbundene Risiken zu erkennen. Folglich wendet es sich hauptsächlich an Studenten und in der Praxis tätige Ingenieure der Energie- und Kraftwerkstechnik. Es ist aber auch für technisch und naturwissenschaftlich vorgebildete Leser gedacht, die sich einen Überblick über das Gebiet verschaffen wollen.

Für die 6. Auflage wurde das Buch aktualisiert und ergänzt sowie das Kapitel über CO2-Sequestrierung neu geschrieben.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter

1. Einfuhrung

Zusammenfassung

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.

Karl Strauß

2. Energiequellen

Zusammenfassung

Energie wird in der Weise gewonnen, dass fossile oder mineralische Bodenschätze gefördert und die in ihnen gespeicherte Energie nutzbar gemacht wird oder indem 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

Karl Strauß

3. Umwandlung von Warme in Arbeit

Zusammenfassung

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.

Karl Strauß

Nutzung fossiler Brennstoffe

Frontmatter

4. Dampfkraftwerke

Zusammenfassung

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 Elektrizität. 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. Es war der Anfang eines neuen Wirtschaftszweiges „Öffentliche Stromversorgung“.

Karl Strauß

5. Grundlagen der Verbrennungstechnik

Zusammenfassung

Bei der Verbrennung handelt es sich um die Hochtemperatur-Oxidation eines Brennstoffes, bei der im wesentlichen Kohlenstoff und Wasserstoff, die in verschiedener Form in den kommerziellen Brennstoffen enthalten sind, mit Sauerstoff exotherm reagieren. Eine Verbrennung heißt vollständig oder vollkommen, wenn alle brennbaren Bestandteile in ihre höchste Oxidationsstufe überführt werden. Ein Feuer brennt stöchiometrisch, wenn Brennstoff und Luft (Sauerstoff) sich bei der Verbrennung vollständig verbrauchen.

Karl Strauß

6. Feuerungssysteme und -anlagen

Zusammenfassung

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. 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.

Karl Strauß

7. Dampferzeuger

Zusammenfassung

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

Karl Strauß

8. Dampfturbinen

Zusammenfassung

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

Karl Strauß

9. Kühlsystem

Zusammenfassung

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.

Karl Strauß

10. Speisewasserversorgung

Zusammenfassung

Wasser ist ein außergewöhnlicher Stoff, anomal in beinahe all seinen chemischphysikalischen Eigenschaften und damit die vielleicht komplexeste unter all den uns vertrauten Substanzen. Ursache dafür ist der molekulare Aufbau aus zwei leichten Wasserstoffatomen und einem schweren Sauerstoffatom. Das dominierende Sauerstoffatom zieht die Elektronen der Wasserstoffatome an sich, so dass es zu einer ungewöhnlich starken Polarität desWassermoleküls kommt. Wegen dieser elektrischen Eigenschaft und seinem chemischen Aufbau istWasser zur Lösung einer Vielzahl anorganischer Substanzen, von Gasen und einigen organischer Substanzen geeignet. Bei der Lösung in Wasser gehen diese Substanzen in frei bewegliche Ionen über, man spricht von elektrolytischer Dissoziation. Auch Wasser selbst dissoziiert in geringem, aber doch signifikantem Ausmaß (H₂O ↔ H⁺ + HO⁻) in ein Wasserstoff-Kation und eine Hydroxyl- Anion. Die Konzentration an H⁺- bzw. OH⁻-Ionen beträgt 10⁻⁷ Mol/Liter und der pH-Wert hat die Maßzahl: pH = −log (H⁺) = 7. Damit leitet auch reines Wasser elektrischen Strom; die elektrische Leitfähigkeit bei 25ŶC betr ägt 0,06μS/cm¹. In Anwesenheit zusätzlicher Ionen gelöster Stoffe nimmt die Leitfähigkeit entsprechend zu.

Karl Strauß

11. Rauchgasreinigung

Zusammenfassung

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 Stickoxide umgewandelt. In zunehmendem Maße warden Kraftwerke deshalb auch mit Anlagen zur Stickoxidminderung (DeNOx- Anlagen) ausgerüstet.

Karl Strauß

12. Dynamik der MW-Erzeugung in Dampfkraftwerken

Zusammenfassung

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 der Ist-Erzeugung folgt, vgl. auch Abschn. 1.5.

Karl Strauß

13. Die letzte Herausforderung für kohlegefeuerte Kraftwerke: CO2–Sequestrierung

Zusammenfassung

Die Notwendigkeit der CO₂–Sequestrierung kann mit einem Wort umschrieben werden: Kohle. Kohle setzt mehr CO₂ pro Energieeinheit frei als die anderen fossilen Brennstoffe, vgl. Fig.13.1. Im Unterschied zu Erdöl und Erdgas, deren mit erprobten Verfahren gewinnbare Reserven schon zur Mitte des Jahrhunderts der Erschöpfung entgegengehen, reichen die kostengünstig abbaubaren Kohlevorräte noch länger. Es muss deshalb damit gerechnet werden, dass der Kohleverbrauch stärker als der Energieverbrauch zunehmen wird. Zudem sind die mit Kohle gefeuerten Dampfkraftwerke die zuverlässigsten und anpassungsfähigsten Anlagen der Energiewirtschaft. Ihre Perfektion hat heute einen solchen Grad erreicht, dass mit einem gewissen Recht von der Endphase ihrer Entwicklung gesprochen werden 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 30 MPa erscheinen allenfalls noch Nettowirkungsgrade von ca.

Karl Strauß

14. Nutzung fossiler Brennstoffe in Gas– und Dampfturbinenkraftwerken

Zusammenfassung

Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit ist von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke abhängig. Beim Dampfkraftprozess ist die Temperatur der Wärmezufuhr durch die verfügbaren Werkstoffe für die Überhitzer sowie die Frischdampfleitung auf ca. 600°C beschränkt. Die Temperatur der Wärmeabfuhr ist durch die verfügbaren Wärmesenken vorgegeben, praktisch also durch das Temperaturniveau unserer Umgebung; der Nettowirkungsgrad der Dampfkraftwerke liegt deshalb bei ca. 45%. Beim Gasturbinenprozess hingegen liegt die ebenfalls durch die Werkstoffeigenschaften begrenzte Eintrittstemperatur in den Prozess derzeit bei ca. 1200°C und ist damit wesentlich höher als beim Dampfprozess, dafür beträgt aber die durch das Druckniveau der Umgebung festgelegte Austrittstemperatur ca. 600°C. Der Nettowirkungsgrad eines solchen Prozesses liegt deshalb nur bei ca. 30%, vgl. Kapitel 3.3.1.

Karl Strauß

15. Alternative Prozesse zur Nutzung fossiler Brennstoffe

Zusammenfassung

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 (3.13) abhängt. Zur Erreichung hoher Wirkungsgrade bestehen zwei Möglichkeiten:

Es werden Umwandlungsprozesse gewählt, bei denen der Zwischenschritt über die Wärmeenergie vermieden wird
Das Temperaturverhältnis aus ab – und zugeführter Wärme wird minimiert

Karl Strauß

Nutzung nuklearer und regenerativer Energien

Frontmatter

16. Kernspaltung

Zusammenfassung

Obwohl die Kernenergie erst seit etwa 50 Jahren für den Menschen zugänglich ist, hat sie im Jahr 2006 weltweit ca. 13% 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.

Karl Strauß

17. Kernfusion

Zusammenfassung

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 kurze Einführung in das Gebiet, für eine ausführliche Darstellung sei auf [8], [9] verwiesen. Der allergrößte Teil der Energie, die uns auf der Erde zur Verfügung steht, wird durch Verschmelzung leichter Elemente in unserer Sonne freigesetzt. In erster Linie geschieht dies durch die Fusion von vier Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern

Karl Strauß

18. Nutzung erneuerbarer Energiequellen

Zusammenfassung

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 Energiequellen1 zu decken, würde dies zu einer Entspannung des Marktes für fossile Energieträger beitragen.

Karl Strauß

Zukunftsperspektiven

Frontmatter

19. Status unserer Energieversorgung

Zusammenfassung

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 2006 wurden weltweit 18,01·10¹² kWh = 18.010 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 so genannten Schwellenländern China, Indien und Indonesien eher bei 10% pro anno.

Karl Strauß

Backmatter

Titel: Kraftwerkstechnik
verfasst von: Karl Strauß
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-01431-4
Print ISBN: 978-3-642-01430-7
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-01431-4