Energietechnik: Systeme zur Energieumwandlung : Kompaktwissen für Studium und Beruf
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|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Wiesbaden
Springer Vieweg
[2015]
|
| Edition: | 7., überarbeitete und erweiterte Auflage |
| Series: | Springer Lehrbuch
|
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XXXI, 664 Seiten Illustrationen, Diagramme 1 Faltblatt |
| ISBN: | 9783658074531 |
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung. 1
Richard Zahoransky
Literatur. 4
2 Energietechnische Grundlagen . 7
Udo Schelling
2.1 Energieformen. 7
2.2 Energieerhaltung. 8
2.3 Thermodynamische Kreisprozesse. 10
2.3.1 Camot-Prozess. 11
2.3.2 Technisch realisierbare Kreisprozesse . . . . 12
2.3.3 Irreversibilitäten. 13
2.4 Erschöpfbares und nicht erschöpfbares (regeneratives) Energieangebot 14
2.5 Primär- und Sekundärenergien . 15
2.6 Weltenergiebedarf. 15
Literatur. 20
3 Überblick . 21
Richard Zahoransky
3.1 Nutz-und Prozesswärme. 23
3.2 Erzeugung elektrischer Energie. 23
3.3 Kraft-Wärme-Kopplung . 26
3.4 Kombinations-Kraftwerke. 27
3.5 Emeuerbare (regenerative) und unerschöpfbare Energiequellen . 28
3.6 Entwicklungen in der Energietechnik. 30
Literatur. 32
4 Konventionelle Dampfkraftwerke. 35
Richard Zahoransky
4.1 Thermodynamische Grundlagen . 36
4.1.1 Clausius-Rankine-Vergleichsprozess . 36
4.1.2 Überhitzung des Frischdampfes . 38
4.1.3 Zwischenüberhitzung. 39
4.1.4 Regenerative Speisewasser-Vorwärmung. 40
4.1.5 Exergetische Betrachtung. 42
4.1.6 Wärmeauskopplung. 43
4.1.7 Regelung von Dampfkraftwerken. 44
4.2 Aufbau von Dampfkraftwerken DKW. 44
4.3 Wasserqualitäten in Dampfkraftwerken. 47
4.3.1 Arbeitsfluid (Speisewasser). 49
4.3.2 Rückkühlwasser. 49
4.3.3 Kühlwasser. 50
4.3.4 Heizwasser. 50
4.3.5 Wasseraufbereitung.1. 50
4.4 Dampferzeuger. 53
4.4.1 Allgemeine Zusammenhänge. 54
4.4.2 Feuerung. 57
4.4.3 Strömungsformen. 57
4.4.4 Siedekrise 1. Art. 59
4.4.5 Großwasserraumkessel GWRK. 60
4.4.6 Naturumlauf-Dampferzeuger. 61
4.4.7 Zwangumlauf-Dampferzeuger. 63
4.4.8 Zwangdurchlauf-Dampferzeuger. 64
4.5 Regenerative Speisewasservorwärmung/Vorwärmstrecke. 67
4.5.1 Niederdruckvorwärmer. 67
4.5.2 Mischvorwärmer (Speisewasserbehälter). 68
4.5.3 Hochdruckvorwärmer. 69
4.6 Rauchgasreinigung. 70
4.6.1 Entstickung (DeNOx Anlage). 71
4.6.2 Entstaubung. 72
4.6.3 Rauchgasentschwefelungsanlage REA. 74
4.6.4 C02-Abtrennung und Sequestrierung. 75
4.7 Kühlsystem. 78
4.7.1 Kondensator. 78
4.7.2 Kühltürme. 79
4.7.2.1 Nasskühlturm (Naturzug-Kühlturm). 79
4.7.2.2 Trockenkühlturm. 79
4.7.2.3 Hybridkühlturm. 79
4.8 Turbinen. 80
4.9 Pumpen . 82
4.10 Generatoren, Frequenzhaltung. 82
4.11 Weitere funktionelle Systeme. 83
4.12 Leittechnik in Kraftwerken. 83
4.13 Entwicklungen. 85
Literatur. 90
5 Kernkraftwerke. 93
Hans-Josef Allelein
5.1 Kerntechnische Grundlagen. 94
5.1.1 Kernreaktionen. 94
5.1.2 „Nutzbare“ Energie bei Kernreaktionen. 98
5.1.3 Thermische und schnelle Neutronen.101
5.1.4 Moderation der Neutronen.105
5.1.5 Kernbrennstoffe.107
5.1.6 Radionuklidbildung in Reaktoren.110
5.2 Prinzipieller Aufbau des Reaktors.111
5.2.1 Brennelement.111
5.2.2 Leistungsverteilung.114
5.2.3 Reaktordruckbehälter.117
5.3 Reaktorsicherheit.118
5.3.1 Einführung.118
5.3.2 Sicherheitskonzept .121
5.3.3 Fukushima.124
5.3.4 Sicherheitsvorkehrungen.130
5.3.5 Räumliche Trennung.133
5.3.6 Reaktorsicherheitsforschung .133
5.4 Reaktortypen.134
5.4.1 Übersicht der Reaktortypen.134
5.4.2 Kernkraftwerk mit Siedewasserreaktor.135
5.4.3 Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor.141
5.4.4 CANDU Reaktor .146
5.4.5 Schnelle Brüter.147
5.4.6 Gasgekühlte Reaktoren, Hochtemperaturreaktor.148
5.4.7 Kernkraftwerke der 4. Generation.150
5.5 Entsorgung, Wiederaufbereitung, Transport.153
5.5.1 Wiederaufbereitung.153
5.5.2 Entsorgung.155
5.5.3 Transport.156
5.6 Fusionskonzepte.157
Literatur.167
6 Gasturbinen-Kraftwerke.171
Richard Zahoransky
6.1 Thermodynamische Grundlagen .172
6.1.1 Gasturbine mit isochorer Wärmezufuhr.172
6.1.2 Gasturbine mit isobarer Wärmezufuhr . . 175
6.1.3 Thermodynamische Varianten . . . .177
6.1.3.1 Zwischenkühlung.177
6.1.3.2 Zwischenerhitzung.178
6.1.3.3 Luftvorwärmung .178
6.1.4 Realer Gasturbinen-Prozess.181
6.1.5 Umwelteinflüsse.182
6.2 Aufbau moderner stationärer Gasturbinen.182
6.3 Verdichter.184
6.4 Turbine in der Gasturbinenanlage.185
6.5 Brennkammer.186
6.5.1 Silobrennkammer.187
6.5.2 Ringbrennkammer.187
6.5.3 Schadstoffminimierung. 188
6.6 Sonstige Komponenten.190
6.7 Jet-Gasturbinen, Aeroderivate.190
6.8 Mikro-Gasturbinen.191
6.9 Gasturbine mit getrennter Nutzleistungsturbine.192
6.10 Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf.193
6.11 Gasturbine mit interner Kohleverbrennung.194
6.11.1 Gasturbine mit Kohlestaubfeuerung.194
6.11.2 Gasturbine mit Kohlevergasung .195
6.12 Betriebsverhalten.196
6.13 Entwicklungen.196
Literatur.202
7 Kombinationskraftwerke.205
Richard Zahoransky
7.1 Gas- und Dampfkraftwerke .205
7.1.1 Schaltungsmöglichkeiten .207
7.1.2 Prinzipielle Zusammenhänge.208
7.1.3 Eindruckprozess.210
7.1.4 Zwei-und Mehrdruckprozesse.215
7.1.5 Einwellenanlagen.215
7.1.6 Abhitzekessel. 216
7.1.7 Regelung, Betriebsverhalten.218
7.1.8 Entwicklungen.221
7.2 Gasturbine mit interner Abwärmenutzung (Cheng-Cycle).222
7.3 Kombination von zwei Dampf-Kraftwerken.225
7.4 Verbrennungsmotor und Dampfkraftwerk.226
7.5 Kombinationen mit ORC-Kraftwerk.226
Literatur.229
8 Stationäre Kolbenmotoren für energetischen Einsatz.231
Richard Zahoransky
8.1 Otto-Motor.232
8.2 Diesel-Motor.237
8.3 Stirling-Motor .241
8.4 Gasmotoren.245
8.4.1 Brenngase.245
8.4.2 Technische Besonderheiten des Gasmotors.247
8.5 Dual Fuel (Zweistoff-Motor, FeuerstrahLMotor).251
8.6 Hybridmotoren.252
8.7 Notstromaggregate.256
8.8 Emissionsmindemng .257
8.8.1 Otto-Motor.259
8.8.2 Diesel-Motor.259
8.8.3 Gasmotoren.261
8.9 Motorregelung für energetische Zwecke.263
Literatur.266
9 Brennstoffzellen.269
Udo Schelling
9.1 Historie der Brennstoffzellen .269
9.2 Funktionsprinzip und Klassifizierung.271
9.3 Thermodynamische Grundlagen .273
9.4 Wirkungsgrad von Brennstoffzellen.274
9.5 Typisches Betriebsverhalten.276
9.6 Anwendungsgebiete und Stand der Entwicklung.279
9.6.1 Die Alkalische Brennstoffzelle, Typ AFC.281
9.6.2 Die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, Typ PEFC.283
9.6.3 Die Phosphorsaure Brennstoffzelle, Typ PAFC.288
9.6.4 Die Schmelzkarbonat Brennstoffzelle, Typ MCFC.291
9.6.5 Die Oxidkeramische Brennstoffzelle, Typ SOFC.293
Literatur. 300
10 Blockheiz-Kraftwerke BHKW, Kälteanlagen, Wärmepumpen
und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung .303
Richard Zahoransky
10.1 Wärmeauskopplung bei Dampfkraftwerken .304
10.1.1 Gegendruckbetrieb.305
10.1.2 Entnahme-und Anzapfbetrieb.307
10.2 Wärmeauskopplung bei Gasturbinen.309
10.3 Wärmeauskopplung bei Kombikraftwerken (GuD).310
10.4 Wärmeauskopplung bei Kolbenmotoren.312
10.5 Wärmeauskopplung bei anderen Prozessen.314
10.6 Dimensionierung von BHKW.315
10.7 Klimatisierung (Kälteerzeugung) durch Abwärme und Wärmepumpen 317
10.7.1 Kompressions-Kältemaschinen.319
10.7.2 Absorptions-Kältemaschinen.320
10.7.3 Adsorptions-Kälteanlagen.322
10.8 Wärmepumpen.324
10.9 Kraft-Wärme-Kälte-Verbund .327
Literatur.331
11 Wasserkraftwerke.333
Richard Zahoransky
11.1 Nutzbare Wasserenergie .-.334
11.2 Laufwasserkraftwerke.337
11.3 Turbinen für Wasserkraftwerke.339
11.3.1 Kaplan-Turbinen.341
11.3.2 Ossberger-Turbinen (Banki-Turbinen) .343
11.3.3 Francis-Turbinen.343
11.3.4 Deriaz-Turbinen.344
11.3.5 Pelton-Turbinen.344
11.3.6 Turgo-Turbine.346
11.3.7 Schrauben- oder Kegelturbine.347
11.4 Gezeiten-Kraftwerke .347
11.5 Meereswellen-Kraftwerke.350
11.6 Meeresströmungs-Kraftwerke.352
11.7 Ozeanthermische Kraftwerke.353
Literatur.357
12 Solartechnik.359
Elmar Bollin
12.1 Überblick.359
12.2 Solare Strahlung.360
12.2.1 Grundlagen.360
12.2.2 Das Strahlungsangebot auf die Erde.361
12.2.3 Wichtige Begriffe und Größen im Umgang mit Solarstrahlung 364
12.2.4 Messgeräte zur Erfassung der Globalstrahlung.365
12.3 Solarthermische Energienutzung. 366
12.3.1 Übersicht.366
12.3.2 Sonnenkollektoren .367
12.3.3 Charakterisierung von Kollektoren oder die Bestimmung der
Nutzleistungen und des Wirkungsgrades von Kollektoren . 369
12.3.4 Kollektortestverfahren.371
12.3.5 Bauarten von Sonnenkollektoren.372
12.3.6 Solarthermische Systeme .373
12.3.7 Solarthermische Großanlagen zur Trinkwarmwasserbereitung 373
12.3.8 Spezifische Kennwerte von solarthermischen Anlagen zur
Trinkwarmwasserbereitung.375
12.3.9 Beispiel einer solarthermischen Großanlage zur Trinkwasser-
bereitung .377
12.4 Photovoltaik.379
12.4.1 Einführung.379
12.4.2 Aufbau und Funktionsweise einer Solarzelle .381
12.4.3 Solarzellentechnologie.382
12.4.4 Leistungsfähigkeit von Solarzellen.383
12.4.5 Verschalten von Solarzellen.385
12.4.6 Photovoltaische Systeme.386
12.4.7 Netzparallele PV-Anlagen.388
12.4.8 Evaluation von PV-Systemen.390
12.5 Solarthermische Kraftwerke.390
12.5.1 Zur Einführung. .390
12.5.2 Solarturmkraftwerke.391
12.5.3 Paraboirinnenkraftwerke.392
12.5.4 Fresnel-Kollektoren.394
12.5.5 Dish-Stirling-Systeme.394
12.5.6 Aufwindkraftwerke.395
12.5.7 Projekt DESERTEC.395
Literatur.399
Windenergie .401
Richard Zahoransky
13.1 Grundlagen. 402
13.2 Windleistung und nutzbare Leistung.404
13.3 Bauarten von Windkonvertern.405
13.3.1 Widerstandsläufer.405
13.3.2 Auftriebsläufer.406
13.3.3 Darrieus-Rotor.411
13.4 Charakteristik von Windturbinen.412
13.5 Regelung und Netzeinbindung.413
13.5.1 Windnachführung.413
13.5.2 Optimaler Betrieb.414
13.5.3 Sicherheitsabregelung .415
13.5.4 Teillastbetrieb .416
13.5.5 Energiewandlung - Netzeinbindung.416
13.6 Windparks.419
13.6.1 Landgebundene Windparks.419
13.6.2 Off-Shore-Windparks. 420
13.6.3 Netzanbindung von Windparks.422
13.7 Sonstige Konzepte zur Windenergienutzung.422
Literatur.,.430
14 Energetische Verwertung von Biomasse.433
Richard Zahoransky
14.1 Thermische Verfahren.434
14.1.1 Pyrolyse.435
14.1.2 Verbrennung.435
14.1.3 Thermische Vergasung.437
14.2 Bakterielle Vergasung. 439
Literatur.443
15 Nutzung geothermischer Energie.445
Richard Zahoransky
15.1 Potenzial der Geothermie.445
15.2 Geothermische Kraftwerkskonzepte, Überblick.448
15.3 Direkte Dampfentspannung.450
15.4 Flushprinzip.451
15.5 Binärprinzip: ORC und KALINA.452
15.5.1 Organic Rankine Cycles ORC .452
15.5.2 Kalina-Prozess.454
15.6 Hot-Dry-Rock-Verfahren, HDR.456
15.7 Geokomprimierte nasse Felder.458
15.8 Kraft-Wärme-Kopplung mit geothermischer Energiequelle.459
15.9 Hybridsysteme.459
15.10 Rein geothermische Nutzung.460
15.11 Umweltaspekte.461
15.12 Risiken.461
Literatur.464
16 Energetische Müllverwertung.465
Richard Zahoransky
16.1 Müllkraftwerke mit traditionellen Öfen.466
16.2 Pyrolyse.468
16.3 Thermoselect-Verfahren .468
16.4 Sch wel-Brenn-Verfahren.469
16.5 Deponiegas/Klärgas-Kraftwerke.470
Literatur.473
17 Energieverteilung.475
Harald Schwarz
17.1 Elektrische Netze.476
17.1.1 Grundlagen elektrischer Netze.476
17.1.2 Netzbetrieb vor Liberalisierung des Strommarktes.483
17.1.3 Netzbetrieb nach Liberalisierung des Strommarktes.484
17.1.4 Netzbetrieb bei hohem Anteil von EEG-Einspeisungen . 486
17.1.5 Netzbetrieb bei hohem Anteil von Elektromobilität.488
17.1.6 Zukünftige Herausforderungen für den Netzbetrieb:
Netzausbau.489
17.1.7 Speicherung und steuerbare Lasten: Aktuelle Situation
und Ausblick.490
17.1.8 Ausbildung für Systemführer und Training des Operativ-
personals .492
17.1.9 Der Beitrag von Hybrid- oder virtuellen Kraftwerken bzw.
SMART-oder Micro-Grids.493
17.1.10 Anforderungen an die konventionelle Erzeugung.497
17.2 Mineralöltransporte.498
17.3 Erdgastransporte.499
17.4 Wärmetransporte.501
Literatur.506
18 Energiespeicherung.509
Hans-Josef Allelein und Richard Zahoransky
18.1 Speicherung elektrischer Energie.510
18.1.1 Übersicht und Anwendungsbereiche.510
18.1.2 Systeme und Strukturen der Energiespeicherung.512
18.1.3 Systeme für Tageslastausgleich.513
18.1.3.1 Pumpspeicherkraftwerk.513
18.1.3.2 Diabater Druckluftspeicher.517
18.1.3.3 Adiabater Druckluftspeicher.521
18.1.3.4 Batteriespeicher.524
18.1.4 Systeme für Wochen- und Jahreslastausgleich.526
18.1.4.1 Elektrolyse und Wasserstoffspeicher.526
18.1.4.2 Power-to-Gas und Methanisierung.527
18.1.5 Systeme zur Bereitstellung der Wirkleistungssekundenreserve 530
18.1.5.1 Schwungradspeicher.530
18.1.5.2 Supraleitender magnetischer Energiespeicher SMES 531
18.1.6 Systeme zur Sicherung der unterbrechungsfreien Strom-
versorgung .534
18.1.6.1 Batteriespeicher.534
18.1.6.2 Kondensatoren.534
18.1.7 Vergleich relevanter Speichertechnologien: Leistlings- und
Energiespeicher.535
18.2 Speicherung der Brennstoffe.537
18.2.1 Kohlelagerung.537
18.2.2 Flüssige Brennstoffe (Erdöl und Mineralölprodukte).538
18.2.3 Gasförmige Brennstoffe.540
18.2.3.1 Oberirdische Gasspeicher.540
18.2.3.2 Unterirdische Gasspeicher.541
18.2.3.3 Flüssiggas-Speicher.542
18.3 Wärmespeicher.542
18.3.1 Speicherung fühlbarer Wärme.542
18.3.2 Speicherung latenter Wärme .544
18.3.2.1 Ruths-Speicher.544
18.3.2.2 Fest-Flüssig Latentwärmespeicher
(Schmelzwärmespeicher).544
18.3.2.3 Chemische Speicher.544
Literatur.546
19 Liberalisierung der Energiemärkte.549
Michael Rimmler
19.1 Struktur der Stromversorgung.549
19.2 Entwicklung der gesetzlichen Rahmenbedingungen.552
19.2.1 Entwicklung des Energiewirtschaftsgesetzes (EnWG).552
19.2.2 Entwicklung des Emeuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) . . . 558
19.3 Entwicklung auf dem Strommarkt.561
19.3.1 Preisentwicklung .561
19.3.2 Konsequenzen für die Energieversorgungsuntemehmen . . . . 564
19.4 Entwicklung auf dem Gasmarkt.566
Literatur.569
20 Kyoto-Protokoll.573
Richard Zahoransky
20.1 Globale Erwärmung und Treibhausgase GHG.573
20.2 Geschichte des Kyoto-Protokolls.575
20.3 Maßnahmen zur GHG Minderung.578
20.3.1 Emissionshandel.578
20.3.2 Allokation der Emissionen.579
20.3.3 Preis der Emissionszertifikate.580
20.3.4 Joint Implementation (JI) .580
20.3.5 Clean Development Mechanism (CDM).580
20.3.6 CC 2~Senken, Landnutzung: LULUCF. 582
20.4 Kontrolle und Zertifizierung.583
583
20.4.1 Compliance Committee .
20.4.2 Ernannte Nationale Autoritäten „Designated National
Authorities“ DNA.583
20.4.3 Ernannte Operative Organisationen „Designated Operational
Entities“ DOE.583
20.4.4 Rolle der Weltbank.584
20.5 Diskussion.584
Literatur.587
21 Lösungen der Übungsaufgaben.589
Richard Zahoransky
21.1 Lösungen Kap. 2.589
21.2 Lösungen Kap. 3.591
21.3 Lösungen Kap. 4.592
21.4 Lösungen Kap. 5.600
21.5 Lösungen Kap. 6.605
21.6 Lösungen Kap. 7.610
21.7 Lösungen Kap. 8. 617
21.8 Lösungen Kap. 9.621
21.9 Lösungen Kap. 10.623
21.10 Lösungen Kap. 11.626
21.11 Lösungen Kap. 12.628
21.12 Lösungen Kap. 13.630
21.13 Lösungen Kap. 14.634
21.14 Lösungen Kap. 15.637
21.15 Lösungen Kap. 16.642
21.16 Lösungen Kap. 17.643
21.17 Lösungen Kap. 18.646
21.18 Lösungen Kap. 19. 649
21.19 Lösungen Kap. 20 . 650
Sachverzeichnis
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