Energietechnik. Systeme zur Energieumwandlung. Kompaktwissen für Studium und Beruf. 3., überarbeitete und aktualisierte Auflage

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Richard A. Zahoransky

Energietechnik

Systeme zur Energieumwandlung.

Kompaktwissen für Studium und Beruf

3., überarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 295 Abbildungen

Unter Mitarbeit von Elmar Bollin, Helmut Oehler und Udo Schelling

Studium Technik vieweg

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VII

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abkürzungen XV 1 Einleitung 1 Literatur 3 2 Energietechnische Grundlagen 5 2.1 Energieformen 5 2.2 Energieerhaltung 6 2.3 Thermodynamische Kreisprozesse 6 2.3.1 Carnot-Prozess 7 2.3.2 Technisch realisierbare Kreisprozesse 8 2.3.3 Irreversibilitäten 9 2.4 Erschöpfbares und nicht erschöpfbares (regeneratives) Energieangebot 9 2.5 Primär- und Sekundärenergien 10 2.6 Weltenergiebedarf 10 Literatur 11 Anhang 11 3 Überblick 15 3.1 Nutz- und Prozesswärme 16 3.2 Erzeugung elektrischer Energie 17 3.3 Kraft-Wärme-Kopplung 19 3.4 Kombinations-Kraftwerke 19 3.5 Erneuerbare (regenerative) und unerschöpfbare Energiequellen 20 Literatur 22 4 Konventionelle Dampfkraftwerke 23 4.1 Thermodynamische Grundlagen 24 4.1.1 Clausius-Rankine- Vergleichsprozess 24 4.1.2 Überhitzung des Frischdampfes 25 4.1.3 Zwischenüberhitzung 26 4.1.4 Regenerative Speisewasser-Vorwärmung 26 4.1.5 Wärmeauskopplung 28 4.1.6 Regelung von Dampfkraftwerken .*. 28 4.2 Aufbau von Dampfkraftwerken DKW 29 4.3 Wasserqualitäten in Dampfkraftwerken 31 4.3.1 Arbeitsfluid (Speisewasser) 33 4.3.2 Rückkühlwasser 33 4.3.3 Kühlwasser 34 4.3.4 Heizwasser 34 4.3.5 Wasseraufbereitung ? 34 4.4 Dampferzeuger 36 4.4.1 Allgemeine Zusammenhänge 37 4.4.2 Feuerung 39 4.4.3 Strömungsformen 39

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VIII Inhaltsverzeichnis 4.4.4 Siedekrise 1. Art 41 4.4.5 Großwasserraumkessel GWRK 42 4.4.6 Naturumlauf-Dampferzeuger 42 4.4.7 Zwangumlauf-Dampferzeuger 44 4.4.8 Zwangdurchlauf-Dampferzeuger 45 4.4.9 Entwicklungstendenzen bei Dampferzeugern 47 4.5 Regenerative SpeisewasservorwärmungA^orwärmstrecke 47 4.5.1 Niederdruckvorwärmer 48 4.5.2 Mischvorwärmer (Speisewasserbehälter) 48 4.5.3 Hochdruckvorwärmer 49 4.6 Rauchgasreinigung 50 4.6.1 Entstickung 50 4.6.2 Entstaubung 52 4.6.3 Rauchgasentschwefelungsanlage REA 52 4.6.4 CO2-Abtrennung und Sequestrierung 54 4.7 Kühlsystem 55 4.7.1 Kondensator 55 4.7.2 Kühltürme 56 4.7.2.1 Nasskühlturm (Naturzug-Kühlturm) 56 4.7.2.2 Trockenkühlturm 57 4.7.2.3 Hybridkühlturm 57 4.8 Turbinen 57 4.9 Pumpen 58 4.10 Generatoren, Frequenzhaltung 59 4.11 Weitere Komponenten 60 4.12 Leittechnik in Kraftwerken 60 4.13 Entwicklungen 61 Literatur 63 5 Kernkraftwerke 65 5.1 Kerntechnische Grundlagen 65 5.1.1 Kernreaktionen 65 5.1.2 Energieumsatz bei Kernreaktionen 67 5.1.3 Thermische und schnelle Neutronen 70 5.1.4 Moderation der Neutronen 72 5.1.5 Brutprozesse 73 5.1.6 Kernbrennstoffe 74 5.1.7 Selbstregelverhalten, inhärente Sicherheit * 76 5.1.8 Biologische Strahlenauswirkungen und deren Maßeinheiten 76 5.1.9 Radionuklidbildung in Reaktoren 78 5.2 Prinzipieller Aufbau des Reaktors 79 5.2.1 Brennelement 79 5.2.2 Leistungsverteilung 80 5.2.3 Reaktorbehälter 82 5.3 Sicherheitsphilosophie ?. 84 5.4 Reaktortypen 86 5.4.1 Übersicht der Reaktortypen 86 5.4.2 Kernkraftwerk mit Siedewasserreaktor 86 5.4.3 Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor 91

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Inhaltsverzeichnis

5.4.4 CANDU Reaktor 94 5.4.5 Schnelle Brüter 95 5.4.6 Gasgekühlte Reaktoren, Hochtemperaturreaktor 96 5.4.7 Kernkraftwerke der 4. Generation 98 5.5 Entsorgung, Wiederaufbereitung, Transport 99 5.5.1 Wiederaufbereitung 100 5.5.2 Entsorgung 101 5.5.3 Transport 101 5.6 Fusionskonzepte 103 Literatur 105 6 Gasturbinen-Kraftwerke 107 6.1 Thermodynamische Grundlagen 107 6.1.1 Gasturbine mit isochorer Wärmezufuhr 107 6.1.2 Gasturbine mit isobarer Wärmezufuhr 110 6.1.3 Thermodynamische Varianten 112 6.1.3.1 Zwischenkühlung 112 6.1.3.2 Zwischenerhitzung 112 6.1.3.3 Luftvorwärmung 113 6.1.4 Realer Gasturbinen-Prozess 115 6.1.5 Umwelteinflüsse 116 6.2 Aufbau moderner stationärer Gasturbinen 116 6.3 Verdichter 118 6.4 Turbine in der Gasturbinenanlage 118 6.5 Brennkammer 120 6.5.1 Silobrennkammer 120 6.5.2 Ringbrennkammer 121 6.5.3 Schadstoffminimierung 121 6.6 Sonstige Komponenten 123 6.7 Jet-Gasturbinen, Aeroderivate 123 6.8 Mikro-Gasturbinen 124 6.9 Gasturbine mit getrennter Nutzleistungsturbine 125 6.10 Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf. 125 6.11 Gasturbinen-Pumpspeicher-Kraftwerk 126 6.12 Gasturbine mit interner Kohleverbrennung 127 6.12.1 Gasturbine mit Kohlestaubfeuerung 127 6.12.2 Gasturbine mit Kohlevergasung 127 6.13 Betriebsverhalten .*. 128 6.14 Entwicklungen 128 Literatur ;.' 129 Anhang 130 7 Kombinationskraftwerke 133 7.1 Schaltungsmöglichkeiten 134 7.2 Prinzipielle Zusammenhänge * 135 7.3 Eindruckprozess 137 7.4 Zwei-und Mehrdruckprozesse 141 7.5 Gasturbine mit interner Abwärmenutzung (Cheng-Cycle) 142 7.6 Abhitzekessel 145

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Inhaltsverzeichnis 7.7 Regelung, Betriebsverhalten 147 7.8 Entwicklungen 148 Literatur 150 8 Stationäre Kolbenmotoren für energetischen Einsatz 151 8.1 Otto-Motor 151 8.2 Diesel-Motor 156 8.3 Stirling-Motor 159 8.4 Gasmotoren 161 8.4.1 Brenngase 162 8.4.2 Technische Besonderheiten des Gasmotors 164 8.5 Notstromaggregate 165 8.6 Emissionsminderung 166 8.6.1 Otto-Motor 166 8.6.2 Diesel-Motor 167 8.6.3 Gasmotoren 167 8.7 Motorregelung für energetische Zwecke 170 Literatur 171 9 Brennstoffzellen (von Prof. Dr.-Ing. U. Schelling) 173 9.1 Historie der Brennstoffzellen 173 9.2 Funktionsprinzip und Klassifizierung 174 9.3 Thermodynamische Grundlagen 175 9.4 Wirkungsgrad von Brennstoffzellen 177 9.5 Typisches Betriebsverhalten 179 9.6 Anwendungsgebiete und Stand der Entwicklung 180 9.6.1 Die Alkalische Brennstoffzelle, Typ AFC 183 9.6.2 Die Polymer-Elektrolyt Brennstoffzelle, Typ PEFC 184 9.6.3 Die Phosphorsaure Brennstoffzelle, TypPAFC 186 9.6.4 Die Schmelzkarbonat Brennstoffzelle, Typ MCFC 188 9.6.5 Die Oxidkeramische Brennstoffzelle, Typ SOFC 190 Literatur 193 10 Kraft-Wärmekopplung und Blockheiz-Kraftwerke BHKW 195 10.1 Wärmeauskopplung bei Dampfkraftwerken 196 10.1.1 Gegendruckbetrieb 196 10.1.2 Entnahme- und Anzapfbetrieb^# 198 10.2 Wärmeauskopplung bei Gasturbinen 200 10.3 Wärmeauskopplung bei Kombikraftwerken (GuD) 201 10.4 Wärmeauskopplung bei Kolbenmotoren 202 10.5 Wärmeauskopplung bei änderen Prozessen 204 10.6 Dimensionierung von BHKW 205 10.7 Klimatisierung (Kälteerzeugung) durch Abwärme und Wärmepumpen 207 10.7.1 Kompressions-Kältemaschinen 209 10.7.2 Absorptions-Kältemaschinen * 209 10.8 Wärmepumpen 211 10.9 Kraft-Wärme-Kälte-Verbund 213 Literatur 214

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Inhaltsverzeichnis XI_

11 Wasserkraftwerke 215 11.1 Nutzbare Wasserenergie 215 11.2 Laufwasserkraftwerke 217 11.3 Speicherkraftwerke .' 219 11.4 Pumpspeicher-Kraftwerke 220 11.5 Kraftwerksketten 222 11.6 Turbinen für Wasserkraftwerke 222 11.6.1 Kaplan-Turbinen 224 11.6.2 Ossberger-Turbinen (Banki-Turbinen) 225 11.6.3 Francis-Turbinen 226 11.6.4 Deriaz-Turbinen 227 11.6.5 Pelton-Turbinen 227 11.7 Gezeiten-Kraftwerke 228 11.8 Meereswellen-Kraftwerke 231 11.9 Ozeanthermische Kraftwerke 232 Literatur 233 Anhang 11.1 Herleitung Euler'sehe Turbinenhauptgleichung 234 Anhang 11.2 Herleitung der Energie von Meereswellen 235

12 Solartechnik (von Prof. Dr.-Ing. E. Bollin) 237 12.1 Überblick 237 12.2 Solare Strahlung 239 12.2.1 Grundlagen 239 12.2.2 Das Strahlungsangebot auf die Erde 239 12.2.3 Wichtige Begriffe und Größen im Umgang mit Solarstrahlung 242 12.2.4 Messgeräte zur Erfassung der Globalstrahlung 243 12.3 Solarthermische Energienutzung 245 12.3.1 Übersicht 245 12.3.2 Sonnenkollektoren 246 12.3.3 Charakterisierung von Kollektoren oder die Bestimmung der

Nutzleistungen und des Wirkungsgrades von Kollektoren 248 12.3.4 Kollektortestverfahren 250 12.3.5 Bauarten von Sonnenkollektoren 250 12.3.6 Solarthermische Systeme 251 12.3.7 Solarthermische Großanlagen zur Trinkwarmwasserbereitung 251 12.3.8 Spezifische Kennwerte von solarthermischen Anlagen zur

Trinkwarmwasserbereitung „ 253 12.3.9 Beispiel einer solarthermischen Großanlage zur Trinkwasserbereitung.... 255 12.4 Photovoltaik , 258 12.4.1 Einführung .! 258 12.4.2 Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle 259 12.4.3 Solarzellentechnologie 259 12.4.4 Leistungsfähigkeit von Solarzellen 260 12.4.5 Verschalten von Solarzellen 262 12.4.6 Photovoltaische Systeme :. 266 12.4.7 Netzparallele PV-Anlagen 266 12.4.8 Evaluation von PV-Systemen 267 Literatur 268

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XII Inhaltsverzeichnis 13 Windenergie 269 13.1 Grundlagen 269 13.2 Windleistung und nutzbare Leistung 270 13.3 Bauarten von Windkonvertern 271 13.3.1 Widerstandsläufer 271 13.3.2 Auftriebsläufer 271 13.3.3 Darrieus-Rotor 274 13.4 Charakteristik von Windturbinen 275 13.5 Regelung und Netzeinbindung 276 13.6 Konzepte, Entwicklungen 277 Literatur 277 Anhang 278 14 Energetische Verwertung von Biomasse 281 14.1 Thermische Verfahren 282 14.1.1 Pyrolyse 282 14.1.2 Verbrennung 282 14.1.3 Thermische Vergasung 284 14.2 Bakterielle Vergasung 285 Literatur 287 15 Geothermie 289 15.1 Potenzial der Geothermie 289 15.2 Geothermische Kraftwerkskonzepte, Überblick 291 15.3 Direkte Dampfentspannung 292 15.4 Flashprinzip 293 15.5 Binärprinzip: ORC und KALINA 294 15.5.1 Organic Rankine Cycles ORC 294 15.5.2 Kalina-Prozess 296 15.6 Hot Dry Rock-Verfahren, HDR 298 15.7 Geokomprimierte nasse Felder 300 15.8 Kraft-Wärme-Kopplung mit geothemischer Energiequelle 300 15.9 Hybridsysteme 301 15.10 Rein geothermische Nutzung 301 15.11 Umweltaspekte 302 Literatur 302 16 Energetische Müllverwertung # 303 16.1 Müllkraftwerke mit traditionellen Öfen 304 16.2 Pyrolyse 305 16.3 Thermoselect-Verfahren 306 16.4 Schwel-Brenn-Verfahren 307 16.5 Deponiegas/Klärgas-Kraftwerke 308 Literatur 309 17 Energieverteilung, Energiespeicherung 311 17.1 Energieverteilung 311 17.1.1 Mineralöltransporte 311

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Inhaltsverzeichnis XIII 17.1.2 Erdgastransporte 312 17.1.3 Elektrische Verbundnetze 314 17.1.4 Wärmetransporte 315 17.2 Energiespeicherung 316 17.2.1 Speicherung der Brennstoffe 317 17.2.1.1 Kohlelagerung 317 17.2.1.2 Flüssige Brennstoffe (Erdöl und Mineralölprodukte) 317 17.2.1.3 Gasförmige Brennstoffe 319 17.2.2 Wärmespeicher 321 17.2.2.1 Speicherung fühlbarer Wärme 321 17.2.2.2 Speicherung latenter Wärme 322 17.2.3 Elektrische Speicher 323 Literatur 324 18 Liberalisierung der Energiemärkte (von Dipl.-Ing. H. Oehler) 325 18.1 Rahmenbedingungen 325 18.1.1 Die Struktur der Stromversorgung in Deutschland bis 1998 325 18.1.2 Änderungen der Rahmenbedingungen seit der Liberalisierung 327 18.2 Entwicklung seit 1998 331 18.2.1 Preisentwicklung 331 18.2.2 Konsequenzen für die Unternehmen 332 18.3 Ausblick 335 Literatur 335 19 Kyoto-Protokoll 337 19.1 Globale Erwärmung und Treibhausgase GHG 337 19.2 Geschichte des Kyoto-Protokolls 338 19.3 Maßnahmen zur GHG Minderung 339 19.3.1 Emissionshandel 340 19.3.2 Allokation der Emissionen 340 19.3.3 Preis der Emissionszertifikate 341 19.3.4 Joint Implementation (JI) 341 19.3.5 Clean Development Mechanism (CDM) 341 19.3.6 CO2-Senken, Landnutzung: LULUCF 342 19.4 Kontrolle und Zertifizierung 343 19.4.1 Compliance Committee 343 19.4.2 Ernannte Nationale Autoritäten

„Designated National Authorities" DNA 344 19.4.3 Ernannte Operative Organisationen

„Designated Operätional Entities" DOE 344 19.4.4 Rolle der Weltbank 344 19.5 Diskussion 344 Anhang 345 Literatur 346 Sachwortverzeichnis 347