ERZEUGUNG DER
ELEKTRISCHEN ENERGIE
7
7.1. Einleitung
Die Energie (von griechische energia wirkende Kraft) ist die Fähigkeit eines Systems Arbeit zu verrichten.
Man unterscheidet folgende A 151d31b rten von der Energie
Primärenegie;
Sekundärenergie;
Endenergie;
Nutzenergie.
Die Primärenergie stellt die Energieinhalte der in der Natur vorkommenden Energieträger dar, die zur Zwecke der Energieumwandlung eingesetzt werden können. Man unterscheidet:
erschöpfliche (fossile) Primärenergieträger wie Kohle (Steinkohle, Braunkohle, Torf), Erdöl, Erdgas, kernspaltenergie aus Uran und Thorium;
unerschöpfliche (regenerative) Primärenergieträger leiten sich im wesentlich aus der Einstrahlung der Sonnenenergie auf die Erde ab; hierzu gehören die Wasserkraft, die Gezeitenergie, die Wellenenergie, die geothermische Energie, die Windenergie, die Energie der Biomasse, Sonneneinstrahlung (solarthermische und Photovoltaik-Anlagen).
Die Sekundärenergie wird durch von Menschen verursachte Umwandlung bekommt. Das ist z.B. mechanische Energie, elektrische Energie, thermische Energie.
Als Endenergie wird die Energie am Ort des Verbrauchers bezeichnet (z.B. elektrische Energie aus der Steckdose oder Benzin im Tank).
Nutzenergie stellt eine Energie dar, die beim Energiebenutzer zur Verfügung stett, z.B. Licht, Wärme, Kälte, mechanische Arbeit usw.
Der Weltprimärenergieverbrauch ist in den letzten 300 Jahren um den Factor 100 gewachsen, obwohl sich die Weltbevölkerung im gleichen Zeitraum nur um das 8-Fache vergrössert hat. Damit ist der Pro-Kopf-Verbrauch um den Faktor 13 gestiegen. Weil die Primärenergie begrenzt ist, die einzige Möglichkeit um Energie zu ersparen ensteht darin dass die Anwendung der Nutzenergie sehr rationell sein soll.
Die Erzeugung und Verwendung elektrischer Wechselstromenergie wird grösstenteile im Dreiphasen- oder Drehstromsystem stattfinden.
Der Drehstrom wird in der Regel in Synchrongeneratoren erzeugt, und zwar bei Antreib von Damfturbinen, Wasserturbinen, Dieselmotoren. Für die Erzeugung elektrischer Energie in großen Massstab spielen Dampfkraftwerke, Kernkraftwerke und Wasserkraftwerke die wichtigste Rolle.
7.2. Dampfkraftwerke
7.2.1 Umwandlungsprozesse
Für die öffentliche Energieversorgung haben heute die Dampfkraftwerke, die mit Erdgas, Erdöl, Braunkohle oder Steinkohle arbeiten, eine grösse Bedeutung. In ihnen werden Synchrongeneratoren von Dampfturbinen angetrieben. Bemessungswinkelgeschwindigkeit Ωr [rad/s] der Turbine wird von der Bemessungsnetzfrequenz fr [Hz] bestimmt
, (7.1)
worin p die Polpaarzahl des Generators ist.
Fast alle Turbogeneratoren sind als zweipolige Synchronmaschinen gebaut (p = 1).
Dampfkraftwerke werden dort errichtet, wo ein Bedarf an Dampf für Heizzwecke vorliegt oder wo Brennstoffe zur Verfügung stehen.
Durch die Verbrennung von Brennstoff,
wird die chemische Energie in der Wärme umgewandelt, die dem eintretenden Speisewasser
zugefürt wird (Bild 7.1 a)). Die Speisewasser wurde worher durch eine
Speisewasserpumpe (SWP) auf einem hohem Druck gebracht (bis 20 MPa). Wegen der
grossen zugeführten Wärmeenergie ensteht aus dem Speisewasser Frischdampf
(trockener Dampf ein Dampf das keine Wasserpartikeln enthält). Der Frischdampf (bis 20
MPa und bis 550°C) wird in der Turbine zugeführt.
Der Kondensat (kondensiertes Wasser) wird erneut im Prozess zugeführt.
Die Umwandlungskette, die in einem fossil gefeuerten Kraftwerk stattfindet, zeigt Bild 7.1 b). Jedem Umwandlungsprozeß kann man einen Wirkungsgrad zugeordnet werden, wie Bild 7.1, a) zeigt.
Der geschlossene Wasser-Dampf-Kreislauf zwischen dem Kessel, der Turbine und dem Kondensator mit Rückspeisung in den Kessel stellt einen nach den Gesetzen der Thermodynamik ablaufenden Kreisprozeß (Clausius-Rankine Prozess) dar.
Der zweite Hautpsatz der
Thermodynamik bezeichnet die Energie, die sich in mechanische Arbeit umwandelt
lässt als Exergie. Die Wärme (thermische Energie) besteht immer nur zur Teil
aus Exergie und Teil aus Anergie. Elektrische Energie die hochwertigste Energieform
ist reine Exergie, sie lässt sich mit hohem Wirkungsgrad in alle anderen
Energieform umwandeln. Wegen dieser Eigenschaft
hat der Bedarf an elektrischer Energie ständig
zugenommen.
Mit der Freilassung der Rauchgase in der Athmosphäre kann man eine starke Umweltverschmutzung mit Staub, Schwefeldioxyd SO2 , Stickoxyd und Kohlendioxyd schaffen.
Bei der Verfeuerung von Braunkohle entsteht auch Kesselasche, die aus den Feuerraum abgezogen werden soll.
Die erzeugte elektrische Leistung an den Klemmen des Generators (Bruttoleistung) PDKW Brutto wird im öfentlichen Netz mittels einem Blocktransformator übertragt, aber soll man zuerst einen Teil für Eigenbedarf ableiten (Bild 7.1 c)), so das im Netz wird nur eine Nettoleistung PDKW Netto eingeführt
PDKW Netto = PDKW Brutto PEB . (7.2)
Der Eigenbedarf eines Kraftwerkes kann (0,1 PDKW Brutto bei Kohlegefeuerten Kraftwerken, (0,07 PDKW Brutto bei Erdölgefeuerten Kraftwerken, (0,05 PDKW Brutto bei Erdgasgefeuerten Kraftwerken und ungefähr 0,01 PDKW Brutto bei Wasserkraftwerken erreichen.
7.2.2 Wirkungsgrad eines Dampfkraftwerkes
Jedem Umwandlungsprozess (Bild 7.1) kann man einen Wirkungsgrad zugeordnet werden. Man kann den Wirkungsgrad eines Prozesses wie folgt definiert
, (7.3)
mit Wt die erzeugte technische Arbeit (nützliche Energie) in der gegebenen Zeitdauer ; Wzu zugeführte Energie in dieselber Zeitdauer; WV die Verluste während des Umwandlungsprozess in dieselber Zeitdauer.
Die zugeführte Energie bei einem Dampfkraftwerk besteht aus der chemische Energie der Primärenergieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas usw) oder aus der Kernenergie des Kernbrennstoff.
Die nützliche Energie wird meistens als elektrische Energie zum elektrischen Netz abgegeben. Es gibt Kraftwerke die auch Dampf für die Heizung oder andere industrielle Zwecke liefern.
Die Verluste werden als Wärme im Umgebung abgegeben.
Für den Brutto-Wirkungsgrad hDKW Brutto eines Dampfkraftwerkes, bis an die Klemmen des Generators gilt
. (7.4)
Hierin sind:
hK Wirkungsgrad des Kessels;
hthCR Wirkungsgrad des idealen (ohne Verluste) thermischen Wasser- Dampf-Wasser-Prozesses (Clausius-Rankine Prozess);
hi Wirkungsgrad der Expansion des Dampfes in der Turbine;
hm Mechanischer Wirkungsgrad des Turbosatzes (es werden Reibungsverluste des Turbosatzes im Betracht genommen);
hG Wirkungsgrad des Generators;
PG Brutto Wirkleistungsabgabe des Generators (die Wirkleistung an den Klemen des Generators);
B Brenstoffbedarf (-zufuhr) [kg/s] bei Kohlenkraftwerken oder Ölkraftwerken und [m3/s] bei Erdgaskraftwerken;
H Heizwert (Braunkohle: 7000 bis 12000 kJ/kg, Steinkohle: 27000 bis 33000 kJ/kg; Erdöl: 40000 kJ/kg; Erdgas: 40000 kJ/m3);
qBrutto spezifische Wärmeverbrauch [kJ Brennstoff/kJ elektrischer Energie].
Bei einem Wirkumgsgrad hBrutto = 0,4 , ergibt sich, nach Gleichung (7.4) ein spezifischer Wärmeverbrauch von 2,5 kJ Brennstoff/kJ elektrischer Energie und damit, für ein mit Braunkohle (H = 7000 kJ/kg) gefeuertes Kraftwerk ein Bedarf von 1,3 kg Kohle für 1 kWh erzeugte elektrischen Energie.
Die erzeugte von Generatoren elektrische Leistung soll auch den Eigenbedarf PEB für die Kraftwerkprozesse und die Verluste von Blocktransformatoren decken. So dass, kann die gelieferte im Netz elektrische Leistung aus folgende Gleichung rechnen
PNetto = PBrutto PEB . (7.5)
Meistens rechnet man den Eigenbedarf als ein Teil von PBrutto . Die Gleichung (7.5) wird
PNetto = PBrutto aEB PBrutto aEB PBrutto (7.6)
mit aEB Faktor des Eigenbedarfs.
Man bestimmt den Netto-Wirkungsgrad unter Einbeziehung des Eigenbedarfs für die Kraftwerkprozesse und die Verluste der elektrischen Energie des Blocktransformators (die Bemessungsscheinleistung des Transformators ist fast gleich der Bemessungsscheinleistung des Generators SrT SrG). Es bekommt dann die Leistungsabgabe PKW des Kraftwerkes an der Oberspannungsseite des Transformators (Leistungsabgabe im elektrischen Netz).
Für den Netto-Wirkungsgrad hNetto gilt es
. (7.7)
Der Wirkungsgrad des Blocktransformators erreicht meistens etwa 0,995 und hat kleinen Einfluss auf den Netto-Wirkungsgrad (PKW PNetto).
Wirkungsgrad des idealen (ohne Verluste) thermischen Wasser-Dampf- Wasser-Prozess (Clausius-Rankine Prozess) hthCR hat entscheidenten Einfluss auf den Brutto-Wirkungsgrad des Kraftwerkes. Die Temperaturunterschied zwischen der Frischdampftemperatur (beim Eintrit in die Dampfturbine) und Kühlwassertemperatur im Kondensator hat einen grössen Einfluss auf den Wert des Wirkungsgrades hthCR . Heutige hochvergütete Stähle bieten die Möglichkeit eine Frischdampftemperatur bis etwa 550 C benutzen. Die Kühlwassertemperatur kann zwischen 5 C und 50 C haben, abhängig von der Umgebungstemperatur.
7.2.3 Clausius-Rankine-Prozess
Man kann den Wirkungsgrad hthCR aus dem Ts-Diagramm (das Temperatur-Entropie-Diagramm) des Prozesses bestimmen (Bild 7.2).
Die linke Seite des Ts-Diagrammes umfasst Siedepunkte des Wassers. Die rechte Seite des Ts-Diagrammes umfasst Sättigungstemperaturen des Dampfes. Kritischer Punkt Pk entspricht einer direkten Transformation von flüssigen Zustand des Wassers im gesättigten (trockenen) Dampf.
Man rechnet die spezifische Wärme qw [J/kg] aus folgende Gleichung
, (7.8)
mit T die Temperatur [K] und s Entropie [J/(kg K)]
. (7.9)
Beim Clausius-Rankine Prozess im geschlossenen Wasser-Dampf-Kreislauf zwischen dem Kessel, der Turbine und dem Kondensator (Bild 7.3 a)) wird linie 1-2-3-4-5-6 geschrieben (Bild 7.3 b)).
Der Kondensat (Punkt 6) hat eine Temperatur von etwa 20 C unter enem Druck kleiner als 0,01 MPa (0,1 bar). Mit Hilfe der Kesselspeisewasserpumpe SWP wird der Wasserdruck von P6 0,01 MPa auf den Druck P1 = 20 MPa (200 bar) erhöht. Dem Kessel wird kaltes Wasser unter hohen Druck zugeführt. Durch die zugeführte Wärmemenge q14 , im Kessel wird das Wasser in überhitzten Dampf mit z.B. 800 K bei P4 = P1 = 20 MPa gewandelt. Im Punkt 2 beginnt das Wasser zu sieden und im Punkt 3 wird das ganze Wasser in Dampf gewandelt. Die Kurve 1 2 ist eine Isobare. Zwischen Punkte 2 und 3 gibt es Nassdampf. Die Linie 2 3 ist eine Isobare und Isoterme. Durch die weitere Erhöhung der Temperatur bis zum Punkt 4 bekommt man überhitzten Dampf (Frischdampf), der wird der Dampfturbine zugeführt. Die Kurve 3 4 ist eine Isobare.
Die Turbine darf mit Nassdampf nicht arbeiten.
In der Turbine expandiert der zur Verfügung stehenden Frischdampf hohen Druckes und hoher Temperatur bis zu dem im Kondensator erzeugte Vakuum (P5 = 0,01 MPa). Die Dampfturbine wandelt die thermische Energie in mechanische Energie zum Antrieb des Generators. Theoretisch wird die Expansion zwischen Punkte 4 und 5 nach einer Adiabate geführt (verlustlose Expansion). In Wirklichkeit erscheinen Verluste und die Expansion geht bis Punkt 5'. Die Fläche unter der Kurve 4 5' berüchsichtigt diese Verluste. Man sagt dass der Expansion enspricht dem Wirkungsgrad hi
Der Strömungsquerschnitt der Turbine soll in Betracht nehmen, dass das Volumen des Dampfes immer grösser während der Expansion wird.
Im Kondensator wird die Wärmemenge q56 abgeführt (Fläche unter der Linie 5-6 im Bild 7.3 b). Zwischen Punkte 5 und 6 wird der ganze Nassdampf Kondensat (Wasser). Man soll den Dampf am Ausgang der Turbine möglicht weit abzukühlen, z.B. bis T6 = 300 K. Die Wassermenge q56 wird an der Umgebung (Luft, Flusswasser, Meerwasser) mittels einem Kühlwasserkreislauf abgegeben.
Der Kondensat wird dem Kessel, aus dem Kondensator zum Dampferzeugung wieder zugeführt, womit der Kreis des gesamten Prozesses der Wärmekraftanlage geschlossen ist.
Kontinuierlicher Prozess im geschlossenen Wasser-Dampf-Kreislauf läst sich dauernd mechanische Arbeit leisten.
Die mechanische zugeführte Arbeit für den Antrieb der Speisewasserpumpe SWP ist gering und entspricht der Linie 6-1.
Der Wirkungsgrad hthCR ergibt sich unter Berücksichtigung der spezifischen Wärme q14 als zugeführte Energie qzu und der spezifischen Wärme q56 als abgegebene qab zur Umgebung Energie
, (7.10)
mit wt45 die mechanische Arbeit zum Antrieb des Generators.
Wäre es möglich (nur theoretisch) den Prozess von 1 über 1' nach 4 führen (Bild 7.3 b)), kann man den theoretischen Wirkungsgrad hthCR, theoretisch wie folgend rechnen
. (7.11)
In Wirklichkeit wird in der Turbine nur etwa ein Drittel der mit Dampf zugeführte Energie in Arbeit umgesetzt und zwei Drittel wird als Kondensationswärme des Abdampfes vom Kühlwasser im Kondensator abgeführt. Der Wirkungsgrad hthCR , für den Fall, der im Bild 7.3 a) dargestellt ist, kann nicht mehr als 0,35 sein.
7.2.4 Verbesserung des Wirkungsgrades
eines Dampfkraftwerkes
Für die Verbesserung des Wirkungsgrades hthCR nimmt man folgende Massnahmen:
Anwendung höhen Frischdampftemperaturen und Drucken (heutige hochvergütete Stähle kann man bis q C und bis P = 25 MPa belasten); es ergibt sich besseres Verhältniss zwischen mechanische Arbeit und zugeführte Energie (Bild 7.4 a));
die Vorwärmung des Kesselspeisewassers, um die Verschiebung des Punktes 1 nach Richtung 1" und die mechanische Arbeit zu vergrössen (die Differenz qzu qab zu vergrössern); die Speisewasservorwärmung wird mehrstufig mit Anzapfdampf aus der Turbine und mit Restwärme aus den Rauchgasen durchgeführt (Bild 7.4 a));
Die Zwischenüberhitzung bei einer mehrstufigen
Turbine (Bild 7.4 b)); der Frischdampf expandiert in Hochdruckteil der Turbine
bis etwa 5 MPa und wird dann zu einem Zwischenüberhitzungsteil des Kessels
zugeführt; die Temperatur des Dampfes wird bis etwa 550 C erhöht und wird in Mitteldruckteil der Turbine
geleitet; Grossturbinen haben sogar noch eine Zwischeüberhitzung und natürlich
einen Niederdruckteil der Turbine. Die Breite der nützlichen Fläche wird erhöht
und der Wirkungsgrad wird verbessert.
Diese Massnahmen, die technisch und finanziel aufwendig sind, erlauben einen Wirkungsgrad bis 45% zu erreichen.
7.2.5 Grundschaltpaln eines Dampfkraftwerkes
Übersichtplan eines Dampfkraftwerkes mit der
Vorwärmung des Kesselspeisewassers und mit der Zwischenüberhitzung wird im
Bild 7.5 dargestelt. Das Kondensat vom Austritt des Kondensators wird mit Hilfe
der Kondensatpumpe KP durch den Niederdruckvorwärmer NDV in den
Speisewasserbehälter geleitet.
Im Speisewasserbehälter (Entgaser) tritt eine Separation zwischen dem Wasser und dem Dampf ein, um die Speisewasserpumpe nur Wasser in Umlauf setzen. Das Speisewasser wird durch die Hochdruckvorwärmer weiter erwärmt. Wegen der grossen zugeführten Wärmeenergie im Kessel (Dampferzeuger) ensteht aus dem Speisewasser Frischdampf, der wird in dem Turbinensatz einer Hochdruchturbine zugeführt. Dort findet eine erste Umwandlung eines Teiles der thermischen Energie in mechanische Energie statt. Als Folge senken die Zustandsparameter des Dampfes.
Der Dampf am Austritt des Hochdruckteiles der Turbine wird in Überhitzer zugeführt um eine Erhöhung der Temperatur zu bekommen. Der überhitzte Dampf wird züruck in der Turbine (Niederdruckteil) zugeführt.
Der Niederdruckteil der Turbine hat zwei Teile und der Dampf fliesst in entgegenden Richtungen. Man bekommt eine Minderung der axialen Kräften auf die Achse der Turbine.
Der aus der Niederdruckteil austretende Abdampf gelangt in dem Kondensator. Die entzogene Wärme wird in dem Umwelt durch Kühltürme freigelassen.
Das Kondensat (kondensiertes Wasser) wird mit Hilfe einer Kondensatpumpe über einem Vorwärmer in dem Speisewasserbehälter geleitet und erneut im Energieerzeugungsprozess zugeführt.
Der Wirkungsgrad des Prosezesses hängt stark von dem im Kondensator herrschenden Druck bzw. der Kühlwassertemperatur ab. Die Kühlwassertemperatur soll wie möglichst klein (übliche Temperaturen sind 25 C) um einen kleinen Druck im Kondensator zu bekommen (üblicher Wert 0,005 MPa).
Der Wirkungsgrad kann aber weiter mit der regenerativen Speisewassererwärmung gestiegen werden. Dazu wird das Wasser auf dem Weg zwischen dem Kondensator und dem Kessel in mehreren Vorwärmestufen erwärmt. Die nötige Energie wird mittels dem Dampf von der Turbine erhalten (Anzapfdampf).
Die wesentlichen Ansätze zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Dampfkraftwerke sind die Erhöhung der Dampfparameter, die Verringerung des Abdampfdruckes und die Reduzierung der Abgasewärmeverluste.
Man erreicht eine Wirkungsgradsteigerung durch Erhöhung der Frisch- und Zwischendampfparameter. Hier spielen die eingesetzten Werkstoffe eine wesentliche Rolle, da diese die Grenzen der Druck- und Temperatursteigerung setzen. Heutzutage werden hochwarmfeste Werkstoffe eingesetzt, mit denen man überkritische Wasser-Dampfparameter zu erreichen sind (Dampfparameter von bis 35 MPa und 600 C). Es wird schon nach Materialien geforscht, die ultraüberkritischen Dampfparameter (bis zu 35 MPa und 700 C) ermöglichen können.
Heutige Gasgefeuerte Kraftwerke können als Kombikraftwerk (Kombination von Gasturbine und Dapfturbine) einen hohen Wirkungsgrad erreichen (bis 55%). Da im Dampfprozess eine Temperaturerhöhung immer mit einem erheblichen Druckanstieg verbunden ist, ergeben sich Grenzen durch die eingesetzten Werkstoffe. Dagegen liegt die Arbeitstemperatur heutiger Gasturbinen wesentlich höher. In ihnen kann die obere Prozesstemperatur unabhängig vom Druck eingestellt werden. Eine deutliche Wirkungsgradsteigerung erreicht man daher mit Hilfe einer thermodynamischen Möglichkeit, und zwar der Integration einer Gasturbine in den Kraftwerkprozess. Da die Eintrittstemperaturen der Gasturbinen bei etwa 1250 C und die Austrittstemperatuen bei 500 C liegen, während die Eintrittstemperatur der Dampfturbinen bei etwa 540 C liegen, erweist sich die Kombination der Dampfturbine mit einer Gasturbine als ideal. So können der Vorteil des hohen Temperaturniveaus im Gasturbineprozess mit dem Vorteil des niedrigen Temperaturniveaus des Wasser-Dampf-Kreislaufes verbunden werden. Bild 7.6 zeigt einen Grundschaltplan eines Kombikraftwerk.
Das Luftgebläse LG führt die Luft in die Brennkammer K ein. Brenngase werden in die Gasturbine zugeführt und erzeugen eine mechanische Energie, die wird vom Generator in die elektrischen Energie umwandelt. Die Gasturbine funktioniert genau wie bei einem Flugzeug.
Heises Abgas von Gasturbine wird in
Dampferzeuger als Energiequelle benutzt.
7.2.6 Umweltschutz
Von besonderer Bedeutund für die zukünftige Entwicklung der Dampfkraftwerke ist die Lössung von Umweltschutzproblemen.
Bei der Verbrennung von fossiler Brennstoffe (besonders Kohle) enstehen grosse Rauchgasmenge, wesentliche Emissionne von Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxyd, Staub, Schwefeldioxyd (SO2), Stickstoffoxyde (NOx).
Von allem hat der Kohlendioxyd einen wichtigen Beitrag zur Erwärmung der Erdathmosphäre und wird deshalb als Klimagas bezeichnet.
Man muss die Rauchgase zur Schutz der Umwelt von der beihalteten Asche, von der Schwefeldioxyd SO2 , von Kohlendioxyd CO2 und von Stickoxyd NOx reinigen. Dazu sind die Rauchgase auf dem Weg zum Schornstein (Kamin) durch Elektrofilter zur Abscheidung des Asche, durch Rauchgasentschwefelungsanlagen zur Minderung der SO2-Emissionnen und durch DENOX-Anlagen (Entstickungsanlagen) zur Minderung der Stickoxyde zu leiten (Bild 7.7).
Die Emissionsgrenzen für Staub, Stickoxide und Schwefeloxide sind in der technischen Anleitungen zur Reinhaltung der Luft und in der Grossfeuerungsanlageverordnung festgestellt:
Staub < 50 mg/m3 ;
NOx
< 400 mg/m3 für Blocken mit Bemessungsleistung P < 300 MW;
< 200 mg/m3 für Blocken mit Bemessungsleistung P 300 MW;
SO2 < 400 mg/m3 ;
CO2 < 250 mg/m3 .
Ein Viertel bis ein Dritel der Investitionskosten der Kraftwerke entfallen auf Umweltschutzmassnahmen.
Bild 7.8 zeigt eine gesamte Anlageübersicht eines Kohlekraftwerkes mit der Fernwärmeentnahme und der Dampfentnahme für industrielle Zwecke (Kraft-Wärmekopplung).
Aus Bild 7.8 erkennt man, dass Dampfkraftwerke (fossil gefeuerte Kraftwerke und auch Kernkraftwerke) einen unfangreichen Eigenbedarf fordern (Hochspannungs-Asynchronmotoren, drehzahlgeregelte Stromrichterantriebe und Niederspannungsverbraucher in grosser Zahl). Alle diese Verbraucher benötigen 5 bis 12% von der gesamten erzeugten Energie der Generatoren.
7.3 Atomkraftwerke
Ein Atomkraftwerk ist ein Dampfkraftwerk mit dem Kernreaktor als Dampferzeuger.
Die Entdeckung der Atomkernspaltung und die Möglichkeit durch eine kontrollierte Kettenreaktion diese Spaltung fortzusetzen, bietet eine neue Energiequelle an. Das Eingangselement für die Energiegewinnung durch Kernspaltung ist Uran. Die vollständige Spaltung von 1 g Uran ergibt eine Energie von rund 22800 kWh (bei der Verbrennung von 1 g Braunkohle ergibt etwa 0,0035 kWh).
Die Erzeugung der elektrischen Energie durch Kernenergie ist in technisch-wirtschaftlicen Masse nur über die Wärmeerzeugung und nicht auf direkten Wege zu erwarten. Die Umwandlung der Kernenergie in Wärme erfolgt in Kernreaktoren. Die aus den Kernbrennstoff freigesetzte Wärme kann durch gasförmige Medien, leichtes oder schweres Wasser oder flüssige Metalle abgeführt werden.
Wassergekühlte Reaktoren können als Druck- oder Siedewasserreaktoren sein. Das Kühlwasser wird vom Reaktorkern auf etwa 300°C aufgeheizt. Das erhitzte radioaktive Wasser wird in einem Primärkreislauf geführt, der ausser Reaktorkern einen Wärmetauscher und eine Pumpe aufweist (Bild 7.9). Im Primärkreislauf darf das Wasser nicht sieden; der Druck ist entsprechend hoch zuwählen (etwa 16 MPa). Die Pumpe des Primärkreislaufs deckt nur die Druckverluste, die in Reaktorkern und im Wärmetaucher auftreten und wird für die nötige Durchflussmenge gemessen.
Der Wärmetaucher des Primärkreislaufes soll die Aufgabe des Kessels (Dampferzeuger) für den Sekundärkreislauf übernehmen. Der erzeugte Frischdampf treibt eine Turbine zur Energiegewinnung an. Der Sekundärkreislauf des Kernkraftwerkes enspricht prinzipiel dem Aufbau eines konventionellen Dampkraftwerkes und enthält Turbine, Kondensator und Speisewasserpumpe.
Der Druck im Sekundärkreislauf soll so gewäht werden dass es vom Dampferzeuger trockenen Dampf zu bekommen (die Turbine darf mit Nassdampf nicht arbeiten). Üblich sind Frischdampfparameter gleich 260 C und 7 MPa.
Dieser Reaktor nutzt nur etwa ein Prozent des Urans aus. Bei einem Ausfall der Kühlung im Primärkreislauf kann es zur Kernschmeltze kommen.
Bild 7.10 zeigt prinzipielle Schaltung des Kernkraftwerkes Cernavoda. Das Reaktorkern (Kalandria) wird mit schwerem Wasser gekühlt, hat vier Dampferzeuger, eine Bemessungsleistung von 700 MW und braucht etwa 90 t Uran pro Jahr.
Beim Hochtemperaturreaktor wird Helium benutzt um die kugelförmigen Brennelemente zu kühlen. Konstruktionsbedingt kann sich der Kern dieses Reaktortyp selbs bei Ausfall der Kühlung nicht über 1600°C erhitzen. Die Hohetemperaturreaktoren arbeiten effizienter als wassergekühlte Reaktoren.
Beim schnellen Reaktor werden schnellen Neutronen bearbeiten und kann dadurch den Brennstoff bis zu 60-mal besser ausnutzen als die anderen Reaktortypen. Als Kühlmittel wird häufig flüssiges Natrium eingesetzt. Die bisherigen Modelle (Schnelle Brüter) erbrüten unter anderem relativ viel Plutonium, das zum Bombenbau benutzt werden kann.
Heute ist das Atommühlproblem noch nicht vollständig gelöst.
7.4 Wasserkraftwerke
Neben den Dampfkraftwerken spielen in der öfentlichen Energieversorgung die Wasserkraftwerke eine grosse Rolle, besonders in Ländern, in denen Wasserkräfte im grossem Umfang zur Verfügung stehen.
Im Kreis der Natur auf der Erde, bedingt durch Sonneneinstrahlung, nimmt Wasser gegenüber dem Niveau der Weltmeere eine potentielle Energie durch das Sammeln der Niederschläge. Die potentielle Energie der Seen und die kinetische Energie der Flüssen kann zur technischen Umwandlung in Sekundärenergie (z.B. elektrische Energie) genutzt werden. Auch im Verlauf der Gezeitenbewegung der Weltmeere tritt potentielle Energie auf, die bei genügend grosssem Unterschied der Wasserhöhe zur Flut-und Ebbezeit in Gezeitenkraftwerken genutzt werden kann.
Die theoretische Leistung eines Wasserkraftwerkes PWKW theoretisch kann aus der potentielle Energie E und der Zeiteinheit t rechnen
. (7.12)
Die potentielle Energie E ist gleich der Arbeit, die eine Wassermenge M unter Einwirkung der Erdbeschleunigung g über die Fallhöhe H leisten kann.
Die Wassermenge M kann als Produkt zwischen dem Volumen V und der Wasserdichte r rechnen
, (7.13)
dabei Q = V/t ist der Turbinendurchfluss [m3/s].
Berüchsichtigt man die Reibungsverluste in der Rohrleitungen, die Verluste der Turbine und die Verluste des Generators durch den Wirkungsgrad des Kraftwerkes h h 0,9), so folg die Nutzleistung (Bruttoleistung) eines Kraftwerkes
.
Die Gleichung (7.14) wird meistens auf folgende Form benutzt
. (7.15)
Der Eigenbedarf eines Wasserkraftwerkes ist etwa 0,01 PWKW Brutto
Aus der Gleichung (7.15) folgt, dass bei einer Durchflussmenge von Q = 1 m3/s und eine Fallhöhe H = 1 m ergibt sich PWKW Brutto = 8,3 kW.
Im Gebirge erreicht man Fallhöhe H bis 1000 m bei kleiner Durchflussmenge, während bei Flusskraftwerken an grossen Strömen, grosse Durchflussmenge Q (bis 12000 m3/s) bei geringer Fallhöhe verarbeiten kann.
In Wirklichkeit kann man die ganze potentielle Energie des Wassers nicht benutzen, wegen der Beschränkungen bei der Benutzung des Wasser für die Energieerzeugung (dieselbe Wasser wird als Trinkwasser benutzt oder soll genug Wasser für Schiffahrt sein).
Die zur Verfügung stehende Wasserenergie unterscheidet sich sowohl hinsichtlich der nutzbaren Fallhöhe als auch hinsichtlich der in der Zeiteinheit anfallenden Wassermenge. Um diesen natürlichen Gegebenheiten anpassen zu können, wurden verschiedene Arten von Wasserkraftwerken entwickelt.
Die
Flusskraftwerke (Laufkraftwerke) sind durch eine ziemlich kleine Fallhöhe aber
eine grosse Durchflussmenge gekenzeichnet (Bild 7.11). Als Beispiel, hat das
Wasserkraftwerk "Eisene Tor 1" eine Bemessungsleitung von etwa 2000 MW bei
einer Durchflussmenge von etwa 6000 m3/s und eine Fallhöhe von etwa
40 m.
Die Wasserkraftwerke mit Speichersee (Bild 7.12) benutzen die grosse Fallhöhe des Wassers von dem Speicherraum hinter einer Staumauer, einem natürlichen oder künstlichen Speichersee. Îm Bild 7.12 sind einige Werte von dem Wasserkraftwerk Vidraru (P = 4 55 MW) angezeigt.
Pumpspeicherkraftwerke (Bild 7.13) dienen zur mittelbaren zeitweisen Speicherung elektrischer Energie in Form der potentiellen Energie des Wassers in einem Oberwasserbecken. In Schwachlastzeiten verwendet man elektrische Energie aus Grundlastkraftwerken (z.B. Braunkohlekraftwerke oder Kernkraftwerke) um Wasser aus einem Unterwasserbecken in ein Oberwasserbecken zu pumpen. In Spitzenlastzeiten wird dann die potentielle Wasserenergie in elektrische Energie zurückgewandelt.
În Schwachlastzeiten, in denen die gelieferte Leistung den Bedarf übersteigt, wird in den Pumpspeicherkraftwerke Wasser in hochliegende Behälter gepumpt (Bild 7.14). Übersteigt jedoch der Bedarf die erzeugte Leistung, so springt das Pumpspeicherkraftwerk unter Verwendung der vorher gespeicherten potentiellen Wasserenergie als zusätzlichen Stromerzeuger ein. Der Gesamtwirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerkes liegt bei etwa 80%. Die Energieverlust wird mehr als ausgeglichen durch die Tatsache, dass in Zeiten grossen Energiebedarfs (insbesondere bei Spitzenbelastung) die Energieeinheit weit höher zu bewärten ist als in Zeiten geringen Bedarfs. Pumpspeicherkraftwerke müssen möglichst schnell vom Pumpbetrieb zum Generatorbetrieb und umgekert übergehen können.
Die Synchronmaschine arbeitet als Generator (Turbinenbetrieb) oder als Motor (Pumpbetrieb). Beim Turbinenbetrieb ist die Pumpe abgekuppelt. Beim Pumpbetrieb läuft die Turbine leer mit (ohne Wasser). Die Anwurfturbine dient zum Hochfahren der Pumpe beim Turbinenbetrieb, um rasch vom Turbinen- auf den Pumpbetrieb übergehen zu können. Pumpspeicherkraftwerke sind schnell einsetzbar (Minuten) um die elektrischen Last zu decken.
Um nutzbare Fallhöhe und zur Verfügung stehende
Wassermenge optimal in die elektrische Energie umwandlen, wurden verschiedene
Arten von Turbinen entwickelt.
Sie lassen sich in drei wichtige Bauarten zusammnefassen:
Kaplanturbinen;
Francisturbinen;
Peltonräder.
Jede Turbine besteht im wesentlichen aus einer Leitvorrichtung, die dem Wasser eine hinreichend grosse und zweckmässig gerichtete Geschwindigkeit erteilt, und einem Laufrad, dass dem aus Leitvorrichtung zuströmenden Wasser die Energie entzieht und auf die Welle überträgt.
Kaplanturbinen (Bild 7.15) werden in einem Fahlhöhenbereich bis etwa 40 m verwendet. Bei Kaplanturbinen sowohl die Laufschaulefn als auch die Leitschaufeln verstellbar zur Anpassung an unterschiedliche Wasserführung bei möglichst hohem Wirkungsgrad sind. Das Wasser wird durch Leitschaufeln dem Laufrad zugeführt und durchströmt es in axialer Richtung.
Die Francisturbine (Bild 7.16) ist für Fallhöhen
von kleinsten Werten bis etwa 600 m geeignet. Bei Francisturbinen sind die
Leitschaufeln und damit Einlassquerschnitt verstelbar während das Laufrad feste
Schaufeln hat.
Das Wasser wird dem Laufrad durch einen
Leitschaufelkranz (Leitrad) in radialer Richtung von aussen nach innen
zugeführt und verlässt es in axialer Richtung durch das in Unterwasser
tauchende Saugrohr. Die Schaufeln des Leitrades sind zwecks Regelung der
Wassermenge und Leistung um Bolzen oder Zapfen drehbar, die parallel zur
Turbinewelle angeordnet sind. Die Leitschaufeln sind entweder in eine
zylindrische Wasserkammer eingebaut oder in ein spiralförmige Einlaufgehäuse
eingesetzt, das eine über dem Umfang gleichmässige Wasserzuführ gewährleistet.
Francisturbinen mit spiralförmigen Einlaufgehäuse werden auch als Spiralturbinen
bezeichnet.
Das Peltonrad (Bild 7.17) ist besonders für grosse Fahlhöhen (bis etwa 2000 m) vorteilhaft. Die Leitvorrichtung besteht aus ein oder zwei Düsen je Laufrad bei waagerechter Welle und aus 1 4 Düsen je Laufrad bei senkrechter Welle. Das Laufrad hat die Form einer Scheibe, die am Umfang mit beckerförmigen Schaufeln besetzt ist. Die Düsen führen das Wasser den Schaufeln in tangentialer Richtung zum Laufrad zu.
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