U*I

R²*I

U²*I

U²/I

U²/R

I²/R

I²*R

Geringere Verluste in der Stromleitung

Spannung lässt sich mit Transformator verändern

Mit Drehstromgeneratoren lässt sich mechanische Energie effizient in elektrische Energie verwandeln und diese produzieren eben Wechselstrom

Früher wurde Strom v. a. für Beleuchtung verwendet und Glühbirnen sind effizienter mit Wechselstrom

5*10^6 Joule

5 MJ

10 MJ

10 kWh

1 kWh

0,1 kWh

360 kJ

36000 kJ

... höher das Temperaturniveau der Wärmezufuhr

... höher das Temperaturniveau der Wärmeabfuhr

... der Arbeitsdruck

... niedriger das Temperaturniveau der Wärmeabfuhr

den Zusammenhang zwischen Temperatur und Enthalpie

den Energieerhaltungsatz

die Ablaufrichtung der Reaktion

den Zusammenhang zwischen Temperatur und Entropie

Atomenergie

Gezeiten

Windkraft

Fossile Energieträger

Geothermie

Biomasse

Wasserkraft

funktioniert nur mit Wechselstrom

wandelt den Strom proportional zur Anzahl der Windungen auf der jeweiligen Seite

wandelt die Spannung proportional zur Anzahl der Windungen auf der jeweiligen Seite

wandelt den Strom indirekt proportional zur Anzahl der Windungen auf der jeweiligen Seite

funktioniert nur mit Gleichstrom

Das ist eine isobare Zustandsänderung

Es wird Arbeit in der Höhe der zugeführten Wärmemenge verrichtet

Die innere Energie erhöht sich in der Höhe der zugeführten Wärmemenge

Die Enthalpie erhöht sich in der Höhe der zugeführten Wärmemenge

Das Volumen steigt

Zugeführte Wärme im Kessel

Zugeführte Wärme am Zwischenüberhitzer

Mech. Arbeit der Speisepumpe

Abgeführte Wärme am Kondensator

Strom an der Generatorenklemme

Gasturbine

reale Ottomotoren

reale Dieselmotoren

Dampfkraftwerke

Stirling-Prozess

Clausis-Rankine-Prozess

Phillips-Prozess

Joule-Prozess

Temperatur

Volumen

Dichte

Energie

Arbeit

Wärme

Stoffmenge

Teilchenzahl

Druck

O2

N2

Edelgase

CO2

Stickoxide

CO

FCKW

flexibel

hohe Investitionskosten

hoher Wirkungsgrad

geringer CO2-Ausstoß

Abhängig von Import und Preis von Erdgas

Arbeit pro Zeit

Kraft mal Geschwindigkeit

Winkelgeschwindigkeit mal Drehwinkel

Kraft pro Zeit

SO2

CO

NO2

O3

O2

N2

Edelgase

Effizientere neue Kraftwerke (wird gemacht, greift sehr langsam, weil bestehende Kraftwerke lange laufen)

Höhere Effizienz bei der Energienutzung (kann betriebs- wirtschaftlich vorteilhaft sein!)

Biomasse statt fossilen Energieträgern (auf Förderungen angewiesen, Konkurrenz zu stofflicher Nutzung und Nahrungsmittelproduktion)

Wind und Sonne (zeitlich schwankend, Speicherbedarf)

Kernkraft (teuer bei Berücksichtigung der Folgekosten)

CO2 Abscheidung und Speicherung (Bedenken zur Sicherheit von Speicherstätten, Kosten der Abscheidung)

Stärker Wachstum der Wirtschaft

Synchrongenerator

Asynchrongenerator

Der Brennwert ist immer größer als der Heizwert

Der Heizwert ist immer größer als der Brennwert

Der Heizwert eines Stoffes ist definiert als die Reaktionsenthalpie der vollständigen Verbrennung des Stoffes zu CO2, H2O(g), SO2, und N2 bei Standardbedingungen (1 bar, 25°C)

325 V

300 V

325 kV

270 V

umlaufendes Drehfeld im Stator

große Leistungen

aufwändiger Start

Permanentmagnet oder gleichstromerregter Rotor läuft synchron zur Netzfrequenz

Umkehrung Synchrongenerator

wandelt mechanische Leistung in elektrische Leistung um

liefert keinen Blindstromanteil

kompakte und einfache Bauart

häufigste Antriebsart für kleinere bis mittlere Leistungen

kein Stoff-/Materialtransport nach und von außen

z.B. kontinuierlicher Fließprozess

z.B. Kolbeninnenraum

stoffkonstantes System

volumkonstantes System

Masse

Volumen

Stoffmenge/Massenstrom

Wärmestrom

Leistung

Druck

Temperatur

Dichte

Druck

Temperatur

Dichte

Wärmestromdichte

spezifische/molare Größen

Masse

Volumen

Stoffmenge/Massenstrom

Wasserstoffzelle

Alkalische Zelle

Phosphor

Elektrolyt

Polymer

Schmelzkarbonat

Oxidkern

Methanol

127 mW

100 W

100 mW

220 mW

Ja, weil (griechisches) n = 1 - T1/T2

nein

innere Energie im System = Speichergröße

Energieumsatz pro Zeiteinheit

Einheit der Leistung: 1 J/s = 1 Watt

Einheit der Energie: Joule (1 kWh = 3,6 MJ)

stationärer Fließprozess

summiert (integriert) man die Leistung über einen bestimmten Zeitraum so erhält man wieder eine Energie(menge) in J bzw. Ws

Einheit der Leistung: Joule (1kWh = 3,6 MJ)

Ekin+Epot = const. bei reibungsfreier Bewegung eines Körpers im Potenzialfeld

Potenzialfelder werden auch "konservative" Kraftfelder genannt, weil Gesamtenergie erhalten bleibt

Potenzialfelder werden auch "nicht-konservative" Kraftfelder genannt wenn keine Reibung auftritt

Bewegen sich die Ladungsträger durch einen ruhenden Leiter = Leitungsstrom

Werden Ladungsträger von einem Medium mitgeführt, dem gegenüber sie sich in Ruhe befinden = Konvektionsstrom

jeder elektrische Strom induziert ein Magnetfeld

Ist die Stromstärke zeitlich konstant spricht man von Wechselstrom

zwischen Spannung U (V) und Ladung Q (1C = 1 As) von zwei Platten (Kondensator) gilt: Q =C*U

Ohmsches Gesetz: U = I*R

Heizdrähte und Glühlampen stellen keine Ohmschen Verbaucher dar

die elektrische Arbeit ist anders zu definieren als in der Mechanik

die elektrische Arbeit entspricht der im Verbraucher umgewandelten Energiemenge

elektr. Leistung wird über den fast verlustfreien Umweg über ein Magnetfeld in mechanische Leistung umgewandelt

Strom und Spannung können bei der Umwandlung verschoben werden

beliebige Spannungen können verlustarm bereitgestellt werden

funktioniert nur mit Wechselstrom

funktioniert nur mit Gleichstrom

bringt Vorteile für die Übertragung von elektr. Energie

Rotor mit Erregerwicklung

Gleichstrom

Wechselstrom

Anzahl der Pole im Stator bestimmt Verhältnis Drehzahl/Netzfrequenz

Anzahl der Pole im Stator bestimmt nicht das Verhältnis Drehzahl/Netzfrequenz

Einsatz bis zu größten Leistungen ~16W

nur kleine Leistungen

einfache Baufrom mit selbsterregendem Kurzschlussläuferkäfig als Rotor

Rotor mit Erregerwicklung

liefert hohen Blindstromanteil

nur kleine Leistungen

bis zu größten Leistungen ~16W

umlaufendes Drehfeld im Stator

umlaufendes Drehfeld im Rotor

für große Leistungen, aufwändiger Start

Umkehrung Synchrongenerator

Permanentmagnet oder gleichstromerregter Rotor läuft synchron zur Netzfrequenz

kompakte und einfache Bauart

keine Schleifkontakte

umlaufendes Drehfeld im Stator

geringes Startmoment und hoher Anlaufstrom

kompakte und einfache Bauweise

Permanentmagnet oder gleichstromerregter Rotor läuft synchron zur Netzfrequenz

selbsterregter Kurzschlussläuferkäfig, dreht sich langsamer als Netzfrequenz

110 kV

220-380 kV

230-350 kV

220 kV

110 kV

100 kV

120 kV

150 kV

110 kV

90 kV

1-50 kV

50 kV

effiziente Umwandlung mechanische-elektrische Energie in Synchron- und Asynchronmaschinen

effiziente Übertragung in Leitungen bei geringem Leistungsmaterialeinsatz

zwar effiziente Übertragung in Leitung, jedoch hoher Leistungsmaterialeinsatz

Wärmeproduktion aus anderen Energieformen

Wärmeübertragung über eine Temperaturdifferenz

Mischung von Stoffströmen unterschiedlicher Temperatur oder Zusammensetzung

Ablauf chemischer Reaktionen, deren Ausgangsstoffe weit weg vom chemischen Gleichgewicht eingesetzt werden

Mischung von Stoffströmen gleicher Temperatur oder Zusammensetzung

Ablauf chemischer Reaktionen, deren Ausgangsstoffe nahe am chemischen Gleichgewicht eingesetzt werden

Verringerung der "Verlustwärme" bei elektr.-mech. Umwandlung

Ausreichende Dimensionierung von Wärmeübertragerflächen

unnötige Mischvorgänge vermeiden

chem. Reaktionswege näher am Gleichgewicht

mehr Mischvorgänge einsetzen

Überprüfung der Energiezusammensetzung

in andere Energieformen umwandelbarer Teil der Energie

nicht mehr umwandelbarer Teil der Energie

elektrische Energie = reine Exergie

Wärme kann vollständig in andere Energieformen umgewandelt werden

Der Carnot-Prozess stellt die theoretisch optimale Wärmekraftmaschine dar

Der Carnot-Wirkungsgrad ist nicht vom Temperaturniveau der thermodynamischen Umgebung abhängig

Der Anteil der Wärmeenergie Q, der theoretisch vollständig in alle anderen Energieformen umwandelbar ist

Die Exergie der Wärme ist die mit dem Carnot-Wirkungsgrad bewertete Wärmeenergie

ineffizienter Wärmeübergang auf gasförmiges Arbeitsmedium

limitiert durch schlechten Wärmeübergang Gas-Wand

direkte Wärmefreisetzung im Kolben

um keine perfekte Verbrennungsmaschine handelt

Otto-Prozess

Diesel-Prozess

Joule-Prozess

Gaskraftprozess

Dampfkraftprozess

Clause-Rankine Prozess

Stirlingprozess

Stirlingprozess

Dampfkraftprozess

Clause-Rankine-Prozess

Gaskraftprozess

Joule-Prozess

Otto-Prozess

Diesel-Prozess

Stirlingprozess

Clausius-Rankine-Prozess

Dampfkraftprozess

Gaskraftprozess

Joule-Prozess

Otto-Prozess

Diesel-Prozess

Carnot-Prozess

idealer Stirlingprozess

realer Stirlingprozess

Wärmeübertrager mit verschwindender Temperaturdifferenz

Wärmeübertrager mit großer Temperaturdifferenz

Clausius-Rankine-Prozess

proportional zur übertragenen Wärmeleistung (extensive Größe)

proportional zur mittleren wirksamen Temperaturdifferenz

indirekt proportional zur mittleren Kelvin-Temperatur der Wärmeübertragung

indirekt proportional zur übertragenen Wärmeleistung (extensive Größe)

indirekt proportional zur mittleren wirksamen Temperaturdifferenz

proportional zur mittleren Kelvin-Temperatur der Wärmeübertragung

n = 0 (isobar); n = 1 (isotherm); n = k (isentrop); n --> unendlich (isochor)

n = 0 (isotherm); n = 1(isobar); n = k (isochor); n --> unendlich (isentrop)

n = 1(isentrop); n = k (isotherm); n = 0 (isochor); n --> unendlich (isobar); n = 0 (isochor)

rechtsläufig

linksläufig

Leistung abgeben

Leistung zugeführt

Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit

Aufnahme von Wärme bei niedrigerem Temperaturniveau und Abgabe bei höherem Temperaturniveau unter Anwendung von mech. Arbeit

Aufnahme von Wärme bei niedrigerem Temperaturniveau und Abgabe bei höherem Temperaturniveau unter Anwendung von mech. Arbeit

Umwandlung von Wärme in mech. Arbeit

rechtsläufig

linksläufig

Leistung zugeführt

Leistung abgegeben

Rankine Prozess

Stirlingprozess

Kompressionskälteprozess

Heißluftturbinenprozess

Dampfkraftprozess

Gasturbinenprozess

Joule-Prozess

zwei feste Temperaturniveaus

isentrope und isotherme Verdichtung

isobare und isentrope Verdichtung

zwei schwankende Temperaturniveaus

reversible Prozessführung

kann nicht beliebig oft durchlaufen werden

stellt das Optimum für die aus der zugeführten Wärme gewinnbaren mechanische (=elektrische) Leistung dar

hängt vom Temperaturniveau der Wärmeabgabe ab

Der Carnot-Prozess lässt sich nicht umdrehen

eignet sich um mit Wärmeenergie Arbeit zu leisten

flüssiges Wasser wird komprimiert  (kleines spezifisches Volumen --> kleine  Kompressionsarbeit)

Wasser unter Druck verdampft  (--> Wärmezufuhr)

Dampf wird entspannt (großes  spezifisches Volumen --> große  Entspannungsarbeit)

entspannter Dampf wird unter  kondensiert (--> Wärmeabfuhr)

flüssiges Wasser wird komprimiert  (kleines spezifisches Volumen --> kleine  Kompressionsarbeit)

Wasser unter Druck verdampft  (-->Wärmezufuhr)

Dampf wird entspannt (großes  spezifisches Volumen --> große  Entspannungsarbeit)

entspannter Dampf wird unter  kondensiert (-->Wärmeabfuhr)

Speisepumpe

Dampferzeuger

Dampfturbine

Kondensator

hohe Wirkungsgrade durch optimale Brennstoffausnutzung

CO2 Minderung durch alternative/regenerative Brennstoffe

Kühlwasserkreislauf und Kühlturm

Solar-Rinnfelder mit Thermöl-Erhitzer

nicht-isotherme Wärmezufuhr

Maximaler Wirkungsgrad  des Dampfkraftprozesses  (mit isentroper Turbine) entspricht dem Carnot Wirkungsgrad mit der  mittleren Temperatur der  Wärmezufuhr und der  Kondensatortemperatur  gebildet.

Je höher die mittlere Temperatur der Wärmezuguhr, umso niedriger der Wirkungsgrad

auch genannt Großwasserraumkessel oder Rauchrohrkessel

bis zu etwa 15 bar Druck geeignet

produziert Sattdampf

Das siedene Wasser befindet sich außerhalb des Mantelraums

für mittlere Drücke bis ca 130. bar

Für sehr hohe (auch überkritische) Drücke

Speisewasser wird in einem Durchlauf  verdampft und überhitzt

Biomasse‐, Müllverbrennungsanlagen

Für sehr hohe (auch überkritische) Drücke

In großen Kohlekraftwerken im Einsatz

Speisewasser wird in einem Durchlauf  verdampft und überhitzt

Für mittlere Drücke bis ca. 130 bar

Biomasse‐, Müllverbrennungsanlagen

meist nicht direkt an die Turbine angebaut

geringe  Leitungsdruckverluste im  Niederdruckbereich

Muss groß genug gebaut sein,  damit der Prozess nicht  limitiert wird

sollte möglichst klein gebaut sein

„Saugt“ den Dampf aus der  Turbine, da der Dampfdruck auf  den Gleichgewichtsdruck der  Rohrwandtemperatur abfällt

Hebt den Druck im Kesselspeisewasser an (auf bis zu 350 bar)

Hebt den Druck im Kesselspeisewasser an (auf bis zu 200 bar)

Elektrisch oder durch kleine  separate Dampfturbine (SPAT)  angetrieben

Leistungsaufnahme klein im  Vergleich zur Turbinenleistung

Leistungsaufnahme groß im  Vergleich zur Turbinenleistung

Druckverluste im  Dampferzeuger

Nichtisentrope Turbine

Nichtisenbare Turbine

Nichtisentrope Speisepumpe

Nichtisochore Speisepumpe

Druckverluste im  Kondensator

Absenken des Turbinengegendrucks

Erhöhen des Turbinengegendrucks

Steigerung der Turbineneintrittstemperatur und des Eintrittsdrucks

Erhöhung des Frischdampfzustandes

Zwischenüberhitzung

Zwischenkühlung

Erhöhung der Zustandsänderung mit hohem Wirkungsgrad

Vermeidung von Zustandsänderungen mit niedrigem Wirkungsgrad durch inneren Wärmeaustauch

die mittlere Temperatur der Wärmezufuhr steigt an

die Kelvin-Temperatur der Wärmezufuhr sinkt

Turbine fährt aus der Kondensation

Gegendruckturbine

Druckturbine

Kondensations‐Entnahme‐Betrieb

Kondensations‐Bereitstellung‐Betrieb

 100‐180°C

1-50°C

100-200°C

1300°C

70-130°C

90-120°C

80-160°C

50-100°C

1300°C

100 und 250°C

100 und 200°C

50 und 100°C

220 und 380°C

1-40 bar

15-30 bar

1-30 bar

40 bar

GuD = kombinierter Gas‐und Dampfkraftprozess

GuD bis 2010 von Siemens als Marke geführt

Auch bekannt als Gasturbinen‐Kombi‐Prozess (gas  turbine combined cycle, GT‐CC)

Kombi‐Prozess nicht zu verwechseln mit Kraft‐WärmeKopplung (KWK, engl. combined heat and power, CHP)

Kraftwerke (Spitzenlast)

Industrie, auch als KWK

Solartechnologie

Hohe Temperatur der Wärmezufuhr durch Direktverbrennung

Niedrige Temperatur der Wärmezufuhr durch Direktverbrennung

Alleinwirkungsgrad bis 40%

Alleinwirkungsgrad bis 70%

Heißes Abgas bei bis 625°C

Auch „Gleichraumprozess“ genannt

Grundlage für Benzin‐und Gasmotoren

Grundlage für Benzin‐und Dieselmotoren

Oberes Totvolumen: Vk = V1

Oberes Totvolumen: Vk = V2

Hubvolumen: VH = V1 - V2

erhöht Arbeitsdruck und Leistungsdichte (höhere Gasmasse im Zylinder)

erhöht nur den Arbeitsdruck

Turbolader erhöht die Leistung des Motors, nicht den Wirkungsgrad

Turbolader erhöht die Leistung des Motors und den Wirkungsgrad

findet sich beim druckaufgeladenen Verbrennungsmotor

Typische Maschine für  Biogasanlagen

Typische Maschine für  Kohlekraftwerke

526 kW elektrisch

550 kW elektrisch

558 kW thermisch

430 kW thermisch

Elektr. Wirkungsgrad 40%

Elektr. Wirkungsgrad 60%