Energietechnik at Karlsruher Institut für Technologie

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Biomasse

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Wasser ein guter Moderator - Warum?

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Energieformen & -Umwandlung (7x)

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Grund-, Mittel- & Spitzenlast-KW

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Rauchgasreinigiung

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Strömung: Druckabfall/-änderung (4 Teile)

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Definition von Systemen & Prozessen

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  • Wirkungsgrad
  • therm. Wirkungsgrad
  • Leistungsziffer
  • Brennstoffnuzungsgrad

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Einteilung Kraftwerke nach Lastspielzahlen

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Konventionelle Fossile-Kraftwerke - Brennstoff & Verbrennung

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Physikalische Grundlagen - Kettenreaktion

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2. HS der Thermodynamik

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Energietechnik

Biomasse

  • regenerativer & speicherfähiger Energieträger
    • direkte Verbrennung der Biomasse
    • Gewinnung von Kraftstoffen aus Biomasse
  • Vorteil
    • Erneuerbarkeit
    • Verringerung der Treibhausgasemissionen
    • Versorgungssicherheit
    • regelbare Leistungsabgabe als Ergänzung
    • dezentrale Energieversorgung
  • Nachteil
    • Flächenkonkurrenz mit Nahrungs- & Futtermittelerzeugung
    • Gefährdung der Biodiversität

Energietechnik

Wasser ein guter Moderator - Warum?

  • Wasser hat durch Wasserstoffanteil viele Protonen
  • Neutronen von Kernspaltung werden an Protonen gebremst
  • Wasser verdampft beim Siedewasserreaktor => Protonendichte nimmt ab => Wahrscheinlichkeit für Abbremsen geringer
    • Folge: Mehr Verbrauch von angereichertem Uran, damit Kettenreaktion weiterläuft
      • (variable) Kosten = Brennstoffkoste nhöher

Energietechnik

Energieformen & -Umwandlung (7x)

1. Kinetische Energie

  • gerichtete Bewegung eines Körpers/Fluid
  • Bsp.: Wasserströmung, Wind, Schwungradspeicher

2. Potentielle Energie

  • Lage eines Körpers in Kraftfeld
  • Bsp.: Speicherseen, gespannt Feder

3. Thermische Energie

  • kin. & pot. Energie der ungerichteten Bewegung von Atomen & Molekülen im Körper
  • Bsp.: Geothermie, Wärmespeicher

4. Chemische Energie

  • Bindungsenergie von Molekülen
  • Bsp.: Biomasse, fossile Brennstoffe

5. Elektrische Energie

  • Potentielle Energie der Ladung eines Körpers im E-Feld
  • Bsp.: Batterien, Kondensatoren

6. Strahlungsenergie

  • Kinetische Energie von (Teilchen-)Strahlung / Wellen
  • Bsp.: Wärmestrahlung, Licht

7. Kernenergie

  • Bindungsenergie des Atomkerns durch Kernspaltung/-fusion

Energietechnik

Grund-, Mittel- & Spitzenlast-KW

KW-Typen abhängig von Kostenstruktur


  • Grundlastbetrieb
    • Kapitalintensiv, aber geringe Brennstoffkosten
    • Kernkraft-, Braunkohle- und Laufwasser-KW
    • Ausnutzung von > 5000 h pro Jahr
      • Grund: Kosten für Verzinsung des Anlagekapitals & Abschreibungen als Festkosten ständig anfallen
  • Mittellastbetrieb
    • Arbeitsausnutzung von 3700 bis 5000 h pro Jahr
    • Steinkohle-KW mit hohem Brennstoffkosten, aber geringen Anlagekosten
  • Spitzenlastbetrieb
    • Leistung schnell verfügbar
    • mehrmals Anfahren & schnelle Laständerungen
    • Arbeitsvermögen nur wenige Stunden
    • Pumpspeicher-KW


Energietechnik

Rauchgasreinigiung

  • Luftschadstoffe bei Verbrennung
    • Kohlenstoff, Wasserstoff
    • mineralische Verunreinigungen
      • Stickstoff- & Schwefelverbindungen
  • Entschwefelung
  • Entstickung
    • Entfernung von Stickoxide
  • Entstaubung
    • Entfernung der inerten Bestandteile (Asche)

Energietechnik

Strömung: Druckabfall/-änderung (4 Teile)

  • Druckabfall durch Gravitation => Höhenänderung
  • Beschleunigungsdruckabfall => Geschwindigkeitsänderung
  • Reibungsdruckabfall
  • Lokaler Druckabfall

Energietechnik

Definition von Systemen & Prozessen

geschlossenes System

  • keine Massenströme über Grenzen

offenes System

  • Massenströme über Grenzen

isoliertes System

  • keine Massen- & Energieströme über Grenzen

adiabatisches System

  • keine Wärmeübertragung über Grenzen


Isentrope Prozesse

  • Entropie konstant

Isotherme Prozesse

  • Temperatur konstant

Isobare Prozesse

  • Druck konstant

Isochore Prozesse

  • Volumen konstant

Irreversibel / reversible Prozesse

  • umkehrbare / unumkehrbare Prozesse

Energietechnik

  • Wirkungsgrad
  • therm. Wirkungsgrad
  • Leistungsziffer
  • Brennstoffnuzungsgrad

Wirkungsgrad => Beurteilung der Effizienz

  • Nutzen / Aufwand
  • bzw. (Nutzenergie) / (zugeführte Energie)

Thermischer Wirkungsgrad => Effizienz der Umwandlung von therm. Energie in mech. Energie

  • Nutzarbeit / zugeführt Wärme

Leistungsziffer => für Wärmepumpe & Kältemaschine

  • Nutzwärme / zugeführte Arbeit

Brennstoffnutzungsgrad => zugeführte mech. & therm. Energie (Kraft-Wärme-Kopplung)

  • (Nutzarbeit + Nutzwärme) / (zugeführte Wärme)

Energietechnik

Einteilung Kraftwerke nach Lastspielzahlen

  • Grundlast => geringe Brennstoffkosten
    • Braunkohle-KW
    • Laufwasser-KW
    • Kernkraft-KW
    • Gas- & Dampf-KW (GuD)
  • Mittellast => höhere Brennstoffkosten, aber geringe Anlagenkosten
    • Steinkohle-KW
    • Gas- & Dampf-KW (GuD)
    • Pumpspeicher-KW
  • Spitzenlast => Leistung schnell verfügbar, mehrmals täglich Anfahren & schnelle Laständerungen
    • Gasturbinen-KW (schnelles Anfahren)
    • Druckluftspeicher-KW
    • Pumpspeicher-KW

Energietechnik

Konventionelle Fossile-Kraftwerke - Brennstoff & Verbrennung

  • Fossile Brennstoffe
    • Kohle (Stein-, Braunkohle), Erdgas & Erdöl
    • Unterscheiden sich in Zündtemperatur & Wärmeabgabe bei Verbrennung
  • Verbrennung
    • Reaktion von Stoffen mit Sauerstoff unter Wämreabgabe
    • Voraussetzung
      • Brennbarer Stoff vorhanden
      • Sauerstoffzufuhr
      • Entzündungstemperatur muss erreicht werden


  • Brennwert (obere Heizwert)
    • abgegebene Reaktionsenthalpie
  • Heizwert (unterer Heizwert)
    • Reaktionsenthalpie abzüglich im Abgas verlorene Wärmemenge
    • Maß für nutzbare Wärmemenge

Energietechnik

Physikalische Grundlagen - Kettenreaktion

  • Ungesteuerte Kettenreaktion
    • frei werdenden Neutronen mit "richtiger" Geschwindigkeit rufen weitere Kernspaltungen hervor
    • z.B. Atombombe
  • Gesteuerte Kettenreaktion
    • Beschränken & Beeinflussen der Kettenreaktionen durch bestimmte Materialien
    • z.B. Kernreaktoren von Kern-KW

Energietechnik

2. HS der Thermodynamik

  • bei reversiblen Prozessen (in abgeschlossenem System) bleibt Exergie & Anergie konstant
  • Exergie wird in Anergie umgewandelt, wenn Prozess irreversibel
  • Anergie kann nie in Exergie umgewandelt werden


  • Wird die Wärme δQ einem geschlossenem System bei der absoluten Temperatur T zugeführt, so gilt für die Entropieänderung
    • dS ≥ δQ/T

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