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SoSe16 Regenerative Energiequellen

Schäfer

Schäfer

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R. M.
Étudier
R. M.
Diese Lernkarten behandeln die Grundlagen regenerativer Energiequellen auf universitärem Niveau, mit Fokus auf Wasserkraft, Windenergie und Gezeitenkraft. Sie erklären die Nutzung von Energie, Wärme und Temperatur, sowie die Umwandlung und Regelung in verschiedenen Systemen. Die Karteikarten sind besonders nützlich für Studierende der Elektrotechnik, die sich mit erneuerbaren Energien und deren technischen Aspekten vertraut machen möchten.
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Utilisateurs
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Langue
Allemand
Catégorie
Electrotechnique
Niveau
Université
Créé / Mis à jour
25.05.2016 / 19.08.2016
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Lernkarten

I. Energie und Leistung*

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"Energie ist allgemein die Fähigkeit eines Systems, äußere Wirkung hervorzubringen"

- M. Planck

  • Leistung: P = dW/dt
  • Energie: in kJ (+Energie ist der Integral)

I.1.1 Energiestufen und Beispiele*

  1. Rohenergie / Primärenergie (->Energiebilanz)
    1. ohne tech. Bearbeitung: chem. gebundene Energie, potentielle Energie
  2. Sekundärenergie
    1. Benzin, elekt.Energie ("Strom")
  3. Endenergie
    1. wie vom Verbraucher bezogen:
      1. Benzin fürs Auto
      2. Kohle zum Heizen
      3. Heißwasser zum Heizen
  4. Nutzenergie
    1. Wärme
    2. Licht
    3. Mech. Energie (Transport, stat. Antirebe)

I.1.2. Energiestufen und Verluste*

Energieflussdiargramm

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  • Umwandlungs- und Verteilungsverluste (viel)
  • Eigenbedarf
  • Nicht energetischer Verbrauch (z.B. Kunststoff, Teer)
  • Verluste beim Verbraucher (z.B. Verbrennungsmotor 2/3)

Kraftwerk: Kühlwasser : Rohenergie -> Sekundärenergie (33%)

Auto: Abgas&Kühlwasser: Sekundär -> Nutzenergie (16%)

I.1.3. Die Haupt-Energiebezieher

+ wie hoch ist der Endenergieverbrauch in D. in PJ?
+ wie hoch ist der Primärenergieverbrauch in D. in PJ?

  1. Industrie
  2. Verkehr
  3. Haushalte
  4. Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
  • End: 9.269 PJ
  • Primär: 13.828 PJ - macht nur 3% des Weltenergie-Primärverbauchs

I.1.4 Energiemix 2100

"Aufgrund von Bevölkerungswachstum dürfen wir keine Energiequelle ausschließen, auch nicht Kernfusion"

  • Kernfusion ist gut, soweit sie funktioniert. Aber die Folgen sind verherrend!
  • 8/10 RE, 1/10 Kohle, 1/10 Öl

I.1 Kraftwerksleistung und Stromerzeugung

  • aufgrund Ausnutzungszeit (Leistung und Zeit per anum) haben:
    • Wind
    • PV
    • Ölpump. und Erdgas
      -> geringere Energieerzeugung als Leistung
  • hingegen:
    • Stein- und Braunkohle
    • Kernenergie
      -> höhere Energieerzeugung bei niedriger Leistung

I.2.1 Regenerativ ist...*

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...was sich im menschlechen Zeitverhältnis neubildet.

  • thermonukleare Umwandlung in der Sonne: 99,98%
  • Isotopenzerfall im Erdinneren (Energiequelle) -> Geothermik (natürl. Umwandlung)
  • Gravitation der Planeten (Energiequelle) -> Gezeiten (natürl. Umwandlung)

I.2.2 Zwei Restriktionen bei der Nutzung von RE

  • räumliche Verteilung
    • Globalstrahlung / Sonnestrahlung
    • Windgeschwindigkeiten
    • Tidenhub
    • geotherm. Anomalien
  • zeitliche Verfügbarkeit
    • Volatilität
    • begrenzte Prognostizierbarkeit

I.2.4 Endenergieverbrauch Haushalt in D. (heute und zukunft)

Heute: 17.862 kWh

  • Raumwärme 71%

Zukunft: 6.000 kWh

  • Elektromobilität 46%
  • Raumwärme 15%

I.2.5 Tagesganglinie eines Kraftwerkes

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GL, ML, SL -> siehe Diagramm:

I.2.7 Struktur der elekt. Energieversorgung

  1. Erzeugung: Höchstspannung (220 oder 380 kV) Kraftwerke
  2. Transport: Hochspannung (110 kV) Industrielle Kraftwerke/Abnehmer
  3. Verteilung: Mittelspannung (1-50 kV) Städt. Kraftwerke, Industrie Abnehmer
  4. Versorgung: Niederpannung (400/230 Volt) Ortsnetz /Stadtnetz
    1. 1.067.100 km von insg. 1.671.300 km

I.4.2 Potential regenerativer Energieqellen

+ welche zwei Merkmale sind gewöhlich für Reserven?

  • Theoretisches: Zeit & Gebiet
  • Technisches: aktuellen Stand der technik. erschließbar
  • Wirtschaftliches: wirt., admin., gesell. Rahmenbedingungen
  • Erschließbares:

Reserven: nachgewiesen & wirtschaftlich

alles andere sind Ressourcen.

II. Solarstrahlung und ihre Nutzung*

Sonne größte regenerative Energiequelle

  • direkte Nutzung (tech. Umwandlung)
    • Sollarzellen
    • Therm. Kollektoren
  • Indirekte Nutzung (natürl.+tech. Umwandlung)
    • WasserKW
    • Wärmepumpe
    • WellenKW
    • Windkonverter
    • Verbrennung/ Konversion aus Biomasse

II.1. Thermonukleare Umwandlung in der Sonne*

  • Sonne: 75% Wasserstoff & 23% Helium
  • 4 Wasserstoffatome durch Fusion zu 1 Heliumatom
  • Massdefekt (E=mc2) & als elektromagnetische Strahlung abgestrahlt

II.1.1. Zwei Winkel zur Definition des Sonnenstands*

  • Elevation (Sonnenhöhe)
  • Sonnenazimut (Nord-Süd-Richtung)
    -> kurzer Weg& kleine Fläche vs langer Weg& breite Fläche

Solaranlagen nutzen nicht nur sichtbaren Anteil des Lichtes, sondern auch den ultravioletten und infrarotenTeil

II.1.2. geringe Strahlungsintensität durch Reduktion der Bestrahlungsstärke durch:*

Reduktion durch: 

  • Reflexion an der Atmosphäre
    • (30% eingestrahlten Energie wird in der Atmosphäre und auf dem Boden reflektiert)
  • Absorption an der Atmosphäre (H2O,Co2)
    • 70% absorbiert und in Wärme umgewandelt
  • Rayleigh-Streuung
  • Mie-Streuung

 

aus Solarkonstante erhält man als mittlere extraterrestrische Solarstrahlung 341 W/m^2

II.1.3. Direkte und diffuse Strahlung

  • direkt: Sonnenschein ohne Streuung auf Erde
  • diffuse: beim Durchdringen der Atmosphäre auf verschiedene Schwebeteilchen trifft und gestreut wird
    • kann nicht mittels Spiegel/Linsen konzentriert werden
  • Summe: Globalstrahlung + Reflektionsstrahlung von Gebäuden etc.
    • in D. Durchschnitt Globalstrahlung = 1.000 kWh/(m2a)
    • in Sahara das doppelte

II.2.1 Thermische Nutzung solarer Strahlung

Funktionsweise + Aktualität? 

  • am weitesten verbreitete Technik
  • solare Strahlungsenergie direkt in Wärme
  • zwischenzeitlich ohne Bedeutung wegen vgl.weise niedrigen Primärenergiekosten (Kohle, Öl)
  • neue Bedeutung durch Ölpreiskrisen und Umweltdiskussion (Co2)

II.2.10 Solarteich-KW

  • solarthermische Wärme-und Strombereitstellung
  • als Kollektor u. Wärmespeicher dient mit Salz gefülltes Becken
  • vom Grund wird Wärme(80-90°) entnommen und einer Wärmekraftmaschine zugeführt, die einen Generator antreibt und dadurch elekt. Energie bereitstellt
  • absorbiert direkt und diffuse
  • Salzkonzentration nimmt zum Grund hin starkt zu
    • dadurck natürl. Konvektion und Wärmeverlust unterdrückt
    • und führt dazu, dass die Sonnenenergie nicht zur Oberfläche auftaucht
  • Überwachungssyteme nötig
  • Wirkungsgrad: 1-2%
  • geringer tech. Aufwand (Entwicklungsländer)

II.2.2 Flachkollektoren und konzentrierenden Kollektroren*

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Flachkollektroren (Niedertemp.bereich)

  • kann auch diffuse Strahlung umwandeln -> geeig. für Mitteleuropa
  • Schwimmbäder -> Warmwasserbereitung
  • Weiterentwickl.: vakuumisolierte Röhrenkollektor
    -> geringer Konvektionsverlust, jedoch höhere Kollektorpreise

konzentrierende Kollektoren (Hochtemp.bereich)

  • Prozesswärme, Umwandlung in elekt. Energie mit solartherm. KW

II.2.3 Energiewandlungskette bei solartherm. Stromerzeugung*

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  • Sammeln der solaren Strahlung mit Hilfe eines Kollektors
  • Konzentrieren der Strahlung auf einen Strahlungsempfänger (Receiver)
  • Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme im Receiver
  • Transport der thermischen Energie zur Energie-Wandler-Einheit
  • Umwandlung thermischen in mechanische Energie durch Wärme-Kraft-Maschine (z.B. Dampfturbine, Stirling-Motor)
  • Umwandlung von mechanischen in elektrische Energie durch einen Generator

II.2.4 Konzentration von Solarstrahlung*

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  • für Prozesswärme und Stromerzeugung bedarf es Temp. >200°
    -> Konzentration der Solarstrahlung
  • Bündelung/Konzentration durch Aperturfläche auf Empfänger
  • Linsen aus Konstengründen ungeeignet
    -> Spiegel
  • Reflektor hat Parabelform
    (parabolförmig + parallele & senkrechte Lichteinstrahlung)
    • sinnvoll am Ort mit sonnenreicher und direkter Strahlung
    • einachsig nachgeführt: Linienkonzentration max. Konzentrationsfaktor 215
    • zweiachsig nachgeführt: Punktkonzentration max. Konzentrationsfaktor 46.211
  • für höhere Temp. größere Konzentrationsverhältnisse
    • max. 5777K (Absorbtemp.)

II.2.5 Konzentrierende Kollektoren

  • Restriktionen
  • Zwei Systemarten

 

  • diffuse Strahlungen können nicht genutz werden
  • Nachführeinrichtungen
  • sinnvoll bei Sonnenscheindauer >2.500 h/a

Zwei Systemarten

  • Solar-Farm-System (große Fläche)
    • Parabolzylinder
    • Cmax 200:1
    • Theoretisch Cmax= 215
  • Solar-Turm-System
    • Heliostate
    • Cmax 1000:1
    • Theoretisch Cmax= 46.211
    • Sonnenoffen in Odeille: TA=4000K von theo.TAmax= 5.777K mit 1:10.000
    • bis zu 100 MW

II.2.5.1 Linien-Konzentratoren*

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  • als Parabolrinnen-Kollektroren
  • Konzentration auf ein Absorberrohr
  • Fresnel-Kollektor
  • einachsig
  • gegenseitige Verschattung bei niedrig stehender Sonne

II.2.5.2 Gründe für Verluste bei Parabolrinnen-Kollektoren

  • Reflexionsgrad des Spiegels /Qualität
  • Transmissionsgrad des Glashüllrohres
  • Absorptionsgrad des Absorberrohres
  • Intercept-Faktor (Streuung des Lichts am Spiegel) (Exaktheit)
  • Schmutzpartikel
  • Gegenseitige Verschattung
  • Zirkulationsverluste durch Verrohrungen im Kollektorfeld
  • Leitungsaufheizverluste
    • mörgentliche Verzögerung

II.2.5.3 Punkt-Konzentratoren*

Nachteile 

  • Heliostate - zweiachsig nachgeführt

Nachteile

  • Verschattungsverluste
  • Spiegelfehler
  • Nachführungsungenauigkeiten
  • Reflexionsverluste
  • Windbelastungen

II.2.6 Parabolrinnenkraftwerk*

Vorgang

  • derzeit kostengünstigste und effizienteste Technologie
  • Dampf für einen Turbinenprozess erzeugt
  • Arbeitsmedien: synth. Thermoöle oder Salzschmelzen

Vorgang:

  • Sonnenlicht erhitzt Öl auf ca. 400°
  • Transport in die Kraftwerkzentrale
  • über Wärmetauscher Übertragung der thermischen Energie an Wasser
  • Wasserdampf treibt Dampfturbine
  • Umwandlung der Rotationsenergie im Generator in elekt. Energie
  • Kollektor verfolgt Sonne von Ost-nach-West

II.2.6.1. Was ist ISCCS

  • Integrated Solar Combined Cycle System
    • Kombination von ParabolrinnenKW mit GuD-Prozess
  • maximaler Wirkungsgrad kann über 70% liegen
  • bei Solarturmkraftwerk (Heliostaten) Wirkungsgrad bei 23%

II.2.7 Übertragungsmedien

  • Dampf
    • Bei Speicherung thermodynamische Verluste
  • Salzschmelze (z.B. Mischungen aus Kalium-, Natrium-Nitrat-Salzen)
    • Kostengünstig
    • Aufbewahrung als Speichermedium (fast) drucklos in großen Tanks möglich
    • Beheizung der Rohrleitungen, um Ausfrieren des Salzes zu vermeiden
  • Luft
    • Schlechter Wärmeträger
    • Einkopplung in Gasturbinen möglich (dadurch höherer Wirkungsgrad)
    • Unbegrenzte Verfügbarkeit

II.2.8 Wärmekraftmaschinen

Umwandlung konzent. Solarstrahlung in elekt. Energie durch

  • Konzentrator-PVzellen: noch im Entwicklungsstadium
  • Wärmekraftmaschinen: kommerziel im Einsat

II.2.8.1 Carnot-Prozess

  • idealer Kreisprozess: Wärme in Arbeit
  • mech. Nutzarbeit ergibt sich aus der Differenz der Qzu und Qab
  • therm. Wirkungsfrag wird durch die Temp. der Wärmequelle Tzu und Wärmesenke Tab definiert
    1-(Tab/Tzu)
    • d.h. für hohen n muss auf hohem Temp zugeführt und niedriegem abgeführt

II.2.8.2 Clausius-Rankine-Prozess

  • realer thermodyn.Kreisprozess
  • Arbeitsmedium: Wasser
  • Dampfdruckkurven: Sidelinie, Taulinie, Tripellinie

II.2.8.3 CRP: Ablauf beim Wasser*

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  • isobare Verdampfung einer Flüssigkeit durch Zugabe von Wärme
  • Zunächst: Volumen der Flüssigkeit steigt nur leicht, bei stark steigender Temp.
  • Dann: Temp. konstant, Flüssigkeit verdampft bei stark steigendem Volumen - Bildung von Nassdampf
  • Nassdampf:
    • Phase 1: flüssig
    • Phase 2: gasförmig - Sattdampf
  • Zugabe von Wärme: steigt Dampftemp., und auch Volumen
  • oberhalb der Temp. des krit. Pkt.s lässt sich ein Gas nicht mehr durch Druckererhöhung verflüssigen

II.2.8.4 Technolog. Ablauf*

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  1. Vorwärmung: Druck
  2. Verdampfung druckabhängig 100bar = 311°C
  3. Überhitzung
  4. Entspannung
    1. des Wasserdampfes in der Dampfturbine unter Abgabe von mechanischer Energie (W) an den Generator 
  5. Verflüssigung
    1. des Wasserdampfes im Kondensator: mit Frischwasserkühlung oder Kühlturm
  6. Aufbau des Kesseldrucks
    1. durch Speisewasserpumpe

II.2.8.5 Ablauf im p-V-Diagramm*

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  • Aufbau des Kesseldrucks p durch Speisewasserpumpe
  • Zufuhr von Q bei isobar 
    -> Volumen des Wasserdampfes erhöht sich stark
  • Entpsannung in der Turbine
    -> Druck sinkt ab, Volumen steigt
  • Kondensation des Dampfes isobar und isotherm, starke Volumenreduktion

II.2.8.6 Ablauf im T-S-Diagramm

  • Entropie S
    • nicht messbar
    • beschreibt Reversibilität eines Prozesses
  • Zuführung von Wärme vergrößert Entropie und umgekehrt
  • \(dS=(dQ/T)\)

 

  1. Vorwärmung
    1. Zuführung von Wärme -> Entropie steigt
  2. Verdampfung
    1. isotherm.
    2. Zuführung von Wärme -> Entropie steigt
  3. Überhitzung
    1. ansteigende Temp.
    2. Zuführung von Wärme -> Entropie steigt
  4. Entspannung
    1. in der Turbine im Idealfall isentrop
    2. real nimmt geringfügig weiter zu
  5. Kondensation
    1. Abführung von Wärme -> Entropie sinkt auf Ausgangswert
  6. Kompression (isentrop)
    1. Temp. und Entropie konstant

II.2.8.7 Wirkungsgrad im T-S-Diagramm*

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  • umschlossene Fläche = abgegebene mech. Energie W
  • Fläche unterhalb des Prozesses = abgeführte Wärme Qab
  • Zugeführte Wärme Qzu = Summe beider Flächen
  • Wirkungsgrad = Verhältnis von umschlossener Fläche (W) zur Gesamtfläche (Qzu)
    -> umschlossene Fläche muss größer!

 

  • unteres Temperaturniveu = Umgebungstemp. gering änderbar
  • Wirkungsgraderhöhung vor allem durch höhere Temp. und Druck
    • dies erfordert jedoch hohe und teuere Materialeigenschaften
    • 45%

II.2.9 Stelingmotor

Das Prinzip in einem Satz

Durch die Erhitzung des Zylinders von außen, entsteht eine Druckdifferenz, diese treibt zwei miteinander verbunden und phasenverschobene Kolben an

III.

III. Photovoltaik

III.1 Grundlagen der PV

  • direkte Wandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie (Becquerel-Effekt)
  • Übertragung der Energie von Photonen auf Elektronen der Materie
    • Herauslösung des Elektrons auf seinem Valenzband durch die Sonnenenergie
  • Energieinhalt des Photons ist abhängig von der Wellenlänge des Lichts
  • Absorption von Photonen

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