Post on 12-Sep-2019
1Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
1
Kraftwerkstypen KraftwerkeKraftwerke
LaufwasserLaufwasser
Verbrennungs-kraftwerke
Verbrennungs-kraftwerke
Kern-Kraftwerke
Kern-Kraftwerke
Dampf-kraftwerkeDampf-
kraftwerke
WärmekraftwerkeWärmekraftwerke WasserkraftwerkeWasserkraftwerke WindkraftwerkeWindkraftwerke Weitere Kraftwerkstypen
Weitere Kraftwerkstypen
PumpspeicherPumpspeicher
PhotovoltaikPhotovoltaik
SolarthermieSolarthermie
BrennstoffzelleBrennstoffzelle
GeothermieGeothermie
Gasturbinen-kraftwerke
Gasturbinen-kraftwerke
Kombi-kraftwerke
Kombi-kraftwerke
Verbrennungsmotor-getriebene KraftwerkeVerbrennungsmotor-
getriebene Kraftwerke
Kondensations-kraftwerke
Kondensations-kraftwerke
Kraftwerke mitKraft-Wärme-Kopplung
Kraftwerke mitKraft-Wärme-Kopplung
Entnahme-KondensationsKraftwerke
Entnahme-KondensationsKraftwerke BlockheizkraftwerkeBlockheizkraftwerkeGegendruck-
HeizkraftwerkeGegendruck-
Heizkraftwerke
StirlingmotorStirlingmotor
Diesel/GasmotorDiesel/Gasmotor
......
DruckluftspeicherDruckluftspeicher
Speicher Speicher
Gezeiten-KWGezeiten-KW
Wellen-KWWellen-KW
BiomasseBiomasse
2Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Energieumwandlung in thermischen Kraftwerken
G
BraunkohleSteinkohleGas, ÖlMüllBiomasseUran
Kessel / Reaktor Turbine Generator Trafo Netz
KondensatorSpeisewasserpumpe
chemische bzw.nukleare Energie
thermischeEnergie
mechanischeEnergie
elektrischeEnergie
Solar
Primärenergie Energieumwandlung Endenergie
3Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
PrinzipschaltbildWasser-Dampf-Kreislauf
4Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
4
Dampferzeuger (Schema)
5Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Salzwasser führende Gesteinsschichten
Ausgeförderte Öl-und Gasfelder
Erdölfelder zur weiteren Ausförderung
CO2-Speichermöglichkeiten
Bildquelle: IPCC (2005)
Kriterien bei der Speichersuche:Speicherung: Ausreichende SpeicherkapazitätSicherheit: dichtes Deckgestein mit hoher MächtigkeitTiefenlage: > 1000 m, stellt sicher dass CO2 keinen Phasenübergang hat
6Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Potenziale zur CO2-Speicherung in Deutschland
Erschöpfte Erdgaslagerstätten: - wirtschaftliche Speichermöglichkeit- Deckschichten können Gase über Jahrmillionen
zurückhalten- Untergrund bekannt, vorhandene Infrastruktur nutzbar- Speicherkapazität: ~ 2,75 Mrd. Tonnen
Erschöpfte Erdöllagerstätten: - prinzipiell ähnlich geeignet, jedoch in D zu geringeVorkommen
- Speicherkapazität: ~130 Mio. Tonnen
Tiefe saline Aquifere: - größtes Speicherpotenzial - aufgrund tiefer Lage und hohen Salzgehaltes
keine Konkurrenz zur Trinkwasserversorgung- Speicherkapazität: ~ 9,3 Mrd. Tonnen
Zum Vergleich: CO2-Emissionen in D jährlich ~ 850 Mio. TonnenQuellen: BGR (Mai 2010)
7Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Chemisch
Biotechnologisch
Biologisch
CO2-Umwandlung und Nutzung (CCU)
CCU = Carbon Capture and Usage
Direktanwendungz.B. als Trockeneis, als Reinigungs-und Kühlmittel, als Schweißgas, als umweltfreundliches Lösemittel
ChemieRohstoff als Ersatz für petrochemischeKohlenstoffquellen
BiotechnologieTechnische Nutzung von Mikroorganismen,um CO2 in Biomasse zu binden oderzu Wertstoffen umzuwandeln
BiologieNutzung der natürlichen Photosynthese von Pflanzen, um CO2 als Biomassezu binden, z. B. mit Algen
Kraftwerkchem. EnergiespeicherNutzung von CO2 als chemischer Energiespeicher unter Verwendung überwiegend regenerativer Energie
CO2
CO2
CO2
Rauchgas
Rauchgas
CO2-Wäsche
8Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Beispiel: CO2-Einbindung durch Mikroalgen
9Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Erneuerbare Energien
Kohle
Gas Kernkraft Windkraft Wasserkraft Biomasse
Meeresenergie
Solarenergie Geothermie
10Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Nutzung erneuerbarer Energien
Weltweit werden etwa 13 %1 des gesamten Primärenergiebedarfs aus erneuerbaren Energien bereitgestellt. Dabei handelt es sich vorwiegend um Wasserkraft sowie um Holz und Dung, die in der Dritten Welt als Brennstoff genutzt werden.
Regenerative Energien haben heute an der weltweiten Stromproduktion einen Anteil von ca. 19 %1.Hierbei dominiert die Wasserkraft mit einem Anteilvon ca. 90%.
1 – Quelle: WEO 2010108
11Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Erneuerbare Energien: Potenziale
Das theoretische Potenzial ist das gesamte physikalische Energieangebot. Dieses ist fast 10.000 mal größer als der derzeitige Weltenergieverbrauch
Das technische Potenzial ist derjenige Anteil des theoretischen Potenzials, der technisch genutzt werden kann. Kriterium für die Abgrenzung zum theoretischen Potenzial ist eine minimale Energiedichte, die je nach Technologie variiert (z.B. Windgeschwindigkeit)
Das wirtschaftliche Potenzial ist der wirtschaftlich gewinnbare Anteil des technischen Potenzials
Das Erwartungspotenzial ist der tatsächlich erwartete Beitrag eines Energieträgers zur Energiever-sorgung. Es kann (z.B. durch Akzeptanzprobleme) niedriger sein als das wirtschaftliche Potenzial
Theoretisches Potenzial
Technisches Potenzial
WirtschaftlichesPotenzial
Erwartungs-Potenzial
109
12Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Regenerative Energieträger
Vorteile
Nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich
Besonders umweltfreundlich
– kein Verbrauch natürlicher Ressourcen
– Kaum Schadstoffemissionen(geringe Emissionen bei Biomasse)
– kaum problematische Rückstände
Arbeitskosten („kostenfreie“Energiebereitstellung) niedrig
Nachteile
Energiedarbietung teilweise unstetig, kaum steuerbar und Energiedichte teilweise gering
• Windangebot• Flächenbedarf• Transportvolumina
Erzeugung oft „standortfixiert“(Wasser, Wind)
Investitionskosten hoch
Technisch - wirtschaftliche Potenziale begrenzt
110
13Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Entwicklung der Erneuerbaren bis heute
Quelle: BMU 2011
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
[GW
h]
Wasserkraft Windenergie
Biomasse * Photovoltaik
* Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; 1 GWh = 1 Mio. kWh;Aufgrund geringer Strommengen ist die Tiefengeothermie nicht dargestellt; StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; BauGB: Baugesetzbuch; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz;
Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Bild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: März 2011; Angaben vorläufig
EEG:April 2000
EEG:August 2004
StromEinspG: Januar 1991 - März 2000
EEG: Januar 2009
Novelle BauGB:November 1997
111
14Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Regenerative Stromerzeugung in Deutschland 2010
Quelle: BMU 2011
Wasserkraft:19,4 %
Photovoltaik:11,8 %Deponiegas:
0,7 %
biogener Anteil des Abfalls:
4,7 %
biogene flüssige Brennstoffe:
2,0 %
biogene Festbrennstoffe:
11,9 %
Biogas:12,6 %Klärgas:
1,1 %
Windenergie:35,9 %
Biomasseanteil* : rd. 33 %
* Feste und flüssige Biomasse, Biogas, Deponie- und Klärgas, biogener Anteil des Abfalls; aufgrund geringer Strommengen ist die Tiefengeothermie nicht dargestellt; 1 TWh = 1 Mrd. kWh;Abweichungen in den Summen durch Rundungen; Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Stand: März 2011; Angaben vorläufig
Gesamt: 101,7 TWh
112
15Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Prognose bis 2030
Quelle: BMU Leitstudie 2010 113
16Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Windenergie: Stromerzeugung und installierte Leistung in Deutschland 1990-2010
71
2.96
6
2.03
2
1.50
0
909
600
275
100
36.5
00
38.6
39
40.5
74
39.7
13
30.7
10
27.2
29
25.5
09
18.7
13
15.7
86
10.5
09
7.55
0
5.52
8
4.48
9
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
[GW
h]
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
[MW
]
Stromerzeugung [GWh]
installierte Leistung [MW]
EEG:April 2000
EEG:August 2004
EEG:Januar 2009
Novelle BauGB:November 1997
StromEinspG:Januar 1991 - März 2000
27.204 MW
StromEinspG: Stromeinspeisungsgesetz; EEG: Erneuerbare-Energien-Gesetz; BauGB: Baugesetzbuch; 1 GWh = 1 Mio. kWh; 1 MW = 1 Mio. Watt;Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); Bild: BMU / Christoph Edelhoff; Stand: März 2011; Angaben vorläufig
116
17Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Beispiel OnshoreREpower – MM82, 2.050 kW
Technische Daten:
Nennleistung: 2.050 kW
Rotordurchmesser: 82 m
Nabenhöhe: 59 – 100 m
Abschaltgeschw.: 25 m / s
Anlagenkonzept: Getriebe,elektr. Blattwinkelverstellung, Pitchregelung
Rotorwelle Getriebe Bremse Generator
AzimutPitchsystem Blitzschutz
Stallregelung (passiv): Bei Überschreitung der maximal zulässigen Windgeschwindigkeit reißt die Strömung ab Aus der laminaren Strömung wird eine turbulente Strömung Leistung wird begrenzt
Pitchregelung (aktiv): Die Rotorblätter werden um ihre Profilachse aus dem Wind hinaus geschwenkt Leistung wird begrenzt zum Abschalten werden die Rotorblätter in Fahnenposition gestellt 118
18Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Prinzip Photovoltaik
Quelle: VDEW e.V.: Energiewelten, 2000
Herauslösen von Elektronen vorzugsweise aus Silizium durch Licht -Photonen
Durch „konstruktiven“ Aufbau einer elektronenreichen und elektronenarmen Schicht gezielte Ableitung freier Elektronen über Stromkreislauf. Es entsteht Gleichstrom
Leistung direkt proportional zur Fläche und Strahlungsstärke
Aufbau aus modularen Elementen in Parallel- und oder Reihenschaltung
Erzeugung von Wechselstrom über Wechselrichter
0
100
200
300
400
500
600
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Zeit [h]
Eins
trah
lung
[W/m
2]
Dezem ber
Septem ber
Juni
Quelle: ISI, Fraunhofer, Norderney 145
19Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Photovoltaik: Stromerzeugung und installierte Leistung in Deutschland von 1990 - 2010
Quelle: BMU
12.0
00
6.57
8
4.42
0313556
1.28
2
2.22
0
3.07
5
1 2 3 6 8 11 16 26 32 42 64 76 162
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
[MW
p ]
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
[GW
h]
Energiebereitstellung [GWh]
installierte Leistung [MWp]
Quelle: BMU-KI III 1 nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); 1 GWh = 1 Mio. kWh; 1 MW = 1 Mio. Watt; Bild: BMU / Bernd Müller; Stand: März 2011; Angaben vorläufig
146
20Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Entwicklung der Preise für Photovoltaikanlagen
Befragung zum durchschnittlichen Endkundenpreis für Aufdachanlagen bis 100 kWp (ohne USt)
Frühere Kosten: 1990 = 14.000 Euro, 2000 = 7.000 Euro 147
21Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Biomasse: Stromerzeugung und installierte Leistung in Deutschland 1990-2010
22.872
6.0864.089
433
25.989
297
2.8931.642
2592220
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
5.000
5.500
6.000
2010
MWGWh
28.710
200920082007
19.760
2006
14.841
2005
10.978
2004
7.960
200320022001
3.348
20001999
1.847
19981997
879
1996
759
1995
665
1994
570
1993199219911990
Energiebereitstellung (GWh)installierte Leistung (MW)
Quelle: BMU
152
22Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
KWK-Anlagen stellen neben Strom auch Wärme zur Verfügung
Typische Stromkennzahlen: 0,2 (Dampfturbinen-HKW) – 1,2 (GuD-HKW) Die thermische Leistung kann zur Nah-, Fern- oder Prozesswärmeversorgung genutzt werden
rzeugungNutzwärmeeerzeugungNettostromahlStromkennz
Quelle: Bundesverband KWK
167
23Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Wärmeverteilung für Nah- und Fernwärme
BHKW oder zentrales Heizkraftwerk
Nahwärme (dezentrale Versorgung): typischerweise aus Blockheiz-
kraftwerken gespeist (Leistung im kW-Bereich) Vorlauftemperatur bis 90 °C
Fernwärme (zentrale Versorgung): typischerweise aus Heizkraftwerken
gespeist (Leistung im MW-Bereich) Vorlauftemperatur bis 150 °C 168
24Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Prozessdampfproduktion in der Industrie
Anwendungsformena) Gegendruckturbine (Strom- und Wärmeproduktion, wärmegeführt)
- Verwendung des gesamten Abdampfes zur Wärmeauskopplung
b) Entnahme-Kondensationsturbine (Strom- und Wärmeproduktion entkoppelt)
- Mehrere Anzapfstellen möglich Dampfauskopplung auf mehreren Druckniveaus
GDT
Wärmeauskopplung
Pel, Dampfturbine
GDTWärmeauskopplung
Pel, Dampfturbine
a) b)
Typische Prozessdampf-Ebenen 60 – 150 °C bei 0,2 – 5 bar (Heizungs- und Trocknungszwecke)
> 200 °C bei 16 – 150 bar (für chemische Reaktionen) 169
25Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2Brennstoffeinsparungen von KWK gegenüber getrennter Erzeugung bei gleicher Strom- und Wärmeproduktion:
Vorteil KWK gegenüber separater Erzeugung
Erdgas:1000 kWh
Strom: 340 kWh
Wärme:560 kWh
Abwärme:100 kWh
Gekoppelte Erzeugung Getrennte Erzeugung
Erdgas: 567 kWh
Strom:340 kWh
Abwärme:227 kWh
Erdgas: 583 kWh
Abwärme:23 kWh
34%
56%
10%
96%
60%
4%
40%
Wärme:560 kWh
13%115010001
BHKW
GuD
Brennwert-kessel
Erdgas:1150 kWh
170
26Prof. Dr. Gerd Jäger
Kapitel 2
Vor- und Nachteile von KWK
Vorteile Nachteile Strom- und Wärmeproduktion in einer
Anlage
höchste Nutzungsgrade von bis zu 90 %
Mittel- und Grundlastfähigkeit
bei dezentraler Einspeisung Entlastungder Stromnetze und Senkung derÜbertragungsverluste
Wärmebedarf in der Umgebung derKWK-Anlage notwendig
Wärmeabnahme sollte möglichstkonstant sein (i.d.R. nur beiProzesswärme gegeben)
„Bedarfsspitzen“ der Wärmenachfrage(Winter) können oft nicht zuverlässigbedient werden zusätzlicher Kesselnotwendig
zunehmender Anteil vonNiedrigenergiehäusern macht Nah- undFernwärme unwirtschaftlich
171