basics of electrical power generation konventionelle ... · prinzip der mehrstufigen turbine in...

Stand: 20111 / 69

Umweltwissenschaften, Oliver Mayer

Basics of Electrical Power Generation

Konventionelle Kraftwerke

GE Global ResearchFreisinger Landstrasse 5085748 [email protected]

Stand: 20112 / 69


Inhalte

1. Konventionelle Dampfkraftwerke

2. Feuerungsanlage und Turbines

3. Gasturbinen

4. GuD & KWK Kraftwerke

5. Kühler / Kondensator

6. Abgasreinigung

7. Emissionen und Kosten

Stand: 20113 / 69


KonventionelleDampfkraftwerke

Stand: 20114 / 69


1765: Kolbendampfmaschinen (Watt) erste industrielle Revolution

bis 1900: Kolbendampfm. < 5 MW

Dampfturbinen: wesentlich höhere Leistung bei kleinerem Platzbedarf

Wandlung vom Großwasserraum zum Dampferzeuger (Rohrstränge)

heute: max. Blockgröße ca. 750 MWel

Geschichte

Stand: 20115 / 69


Entwicklung des Dampfkraftwerks: Leistungen/Dampfzustände

Historische Entwicklung

Stand: 20116 / 69


Konzept konventioneller Dampfkraftwerke

Stand: 20117 / 69


1. Hauptsatz der Thermodynamik:

Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems ändert sich nicht mit der Zeit (Energieerhaltung)

2. Hauptsatz der Thermodynamik:

Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen.

Wärme kann nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden.

Der Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses kann nicht übertroffen werden.

Thermodynamische Grundlagen

Source: http://de.wikipedia.org/wiki/Thermodynamik

Stand: 20118 / 69


Qzu

W

Tzu

Qzu

Qab

Tab

Wärmequelle

Wärmesenke

Zugeführte Wärmeenergie

Abgeführte Wärmeenergie

Externe Arbeit:W = Qzu - Qab

(1. HS: Energieerhaltung)

W

Carnot =

η

η

T zu - Tab

Tzu

-=1Tab

Tzu(2. HS: Carnot-Wirkungsgrad)

Arbeit aus Dampf

Stand: 20119 / 69


Dampfkreislauf im p-V Diagramm

Siedelinie

Taulinie

Arbeit p dV

Stand: 201110 / 69


1. Punkt 1 - 2Der Druck des Wassers im Kreislauf wird mit einer Pumpe erhöht.

Dampfkreislauf im p-V Diagramm - 1

Stand: 201111 / 69


2. Punkt 2 - 5Bei konstantem Druck wird das Wasser erwärmt und geht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Das Volumen vergrößert sich.


Stand: 201112 / 69


3. Punkt 5 - 6Die durch Komprimieren und Erwärmen aufgebrachte Energie wird großteils in der Turbine abgearbeitet.


Stand: 201113 / 69


4. Punkt 6 - 1Im Kondensator wird der Nassdampf abgekühlt (z.B. durch Kühlturm) und in die flüssige Phase überführt.


Stand: 201114 / 69


Carnot - Limit

zuab

Stand: 201115 / 69


Wirkungsgradsteigerung

1. Regenerative Speisewasservorwärmung:

Wasser wird vor Eintritt in den Kessel auf eine höhere Temperatur gebracht

Bei derselben Wärmemenge im Kessel kann mehr Dampf erzeugt werden

2. Zwischenüberhitzung (ZÜ):

Dampfentspannung in HD-Turbine ZÜDampfentspannung in ND-Turbine

Die verrichtbare Arbeit (vom Kreis eingeschlossene Fläche) erhöht sich

Wirkungsgraderhöhung durch höhere mittlere Temperatur der Wärmezufuhr (Tzu)

Stand: 201116 / 69


Feuerungsanlage und Turbinen

Stand: 201117 / 69


Graphit

Steinkohle

Bitumen I

Bitumen II

Glanzbraunkohle

Braunkohle

Torf

Holz

gebundener Kohlenstoff

Ascheanteil

flüchtige Bestandteile

Wassergehalt

kJ/g

34

29

35

31

27

25

21

20

Kohlearten und deren Zusammensetzung

Stand: 201118 / 69


Wirbelschichtfeuerung (WSF)

Das Wirbelbett besteht aus Inertmaterial (Sand, Kalk) und Brennstoff

Durch Fluidisierungsluft wird Bett aufgewirbelt

Dadurch wird ein guter Ausbrand des Brennstoffes erreicht

Die Aschepartikel im Rauchgas werden ins Bett zurückgeführt

Eine gleichmäßige Temperatur in der Wirbelschicht wird durch die Strömung erziehlt

Niedrige Verbrennungstemperaturen (700°C) sind möglich

Vorteile: Guter Ausbrand Geringe Emissionen (CO,

NOx) durch niedrige Temperatur

Stand: 201119 / 69


Rostband

Gasverbrennung

Kohleverbrennung

Asche

Rostfeuerung

Die Rostfeuerung stellt die älteste Art der Feststofffeuerung dar.

Durch die Rostöffnungen dringt die primäre Verbrennungsluft von unten an den Brennstoff. Die feinen Aschebestandteile fallen durch die freie Rostfläche und werden im Aschekasten gesammelt.

Vorteile:Übersichtlicher Aufbau und hohe Verfügbarkeit Günstiges Teillast- und Laständerungsverfahren Relativ niedrige NOx Werte

Stand: 201120 / 69


Kohlestaubfeuerung

Der feste Brennstoff wird gemahlen

Der staubförmiger Brennstoff wird in die Brennkammer eingeblasen und dort verbrannt

Rauchgas wird durch einen Abhitzekessel und anschließend durch einen Filter zum Abscheiden der Asche geleitet.

Vorteile:Guter Ausbrand und wenig LuftüberschussSchnelle Regelbarkeit der Leistung, da

Brennstoffmenge im Brennraum sehr gering ist

Stand: 201121 / 69


Verdampfer (1)

Wasser wird in den Kessel geleitet

Speisewasservorwärmer, Verdampfer und Überhitzer werden durchlaufen

Die Erwärmung des Speisewassers bis zur Sattdampftemperatur, die Verdampfung und Überhitzung erfolgen kontinuierlich in einem Durchlauf

1 SPW-Pumpe2 SPW-Vorwärmer3 Verdampfer6 Überhitzer7 zur Turbine9 Wasserabscheider

Stand: 201122 / 69


Verdampfer (2)Verdampfer

Stand: 201123 / 69


Funktionsweise Dampfturbine

Der Dampfstrahl trifft aus einer feststehenden Düse auf das frei drehende Laufrad

Es herrscht hoher Druck vor der Turbine und niedriger Druck hinter der Turbine Druckgefälle

Der Dampf schießt durch die Turbine zum Ausgang, gibt kinetische Energie an das Laufrad ab und kühlt sich dabei ab Dampfdruck sinkt

Der Dampf entweicht nicht, sondern wird nach dem Durchlaufen der Turbine in einem Kondensator kondensiert (Geschlossenes System)

Source: http://library.thinkquest.org/C006011/german/sites/dampfturbine.php3?v=2

Stand: 201124 / 69


Prinzip der mehrstufigen Turbine

In modernen Dampfturbinen werden mehrere hintereinander liegende Laufräder angetrieben

Feststehende Leiträder ändern beim Durchlaufen die Richtung des Gases, um am nächsten Laufrad wieder optimal Arbeit zu verrichten

Mit der Anzahl durchlaufener Laufräder nimmt das Dampfvolumen zu Größerer Durchmesser der hinteren Laufräder

Mehrstufige Turbinen sind deshalb kegelförmig

Leitschaufel

Laufschaufel

Source: http://library.thinkquest.org/C006011/german/sites/dampfturbine.php3?v=2

Stand: 201125 / 69


Dampfturbine

Das Arbeitsmedium nimmt während der Abgabe von Arbeit an Volumen zu.

Die Energieumwandlung erfolgt mit einem Gesamtwirkungsgrad η < 1

Dampfturbinen sind i.d.R. axial durchströmte Arbeitsmaschinen.

Turbine

Generator

Feldgenerator mit Regelung

Stand: 201126 / 69


Schaufelkranz einer Turbine

Leitschaufel Laufschaufel

Stand: 201127 / 69


Beispiel einer 2-stufigen Dampfturbine HD / ND

Stand: 201128 / 69


HD, MD und ND Teil einer Dampfturbine

Hochdruck- (HD) und Mitteldruck- (MD) Teil einer Dampfturbine

Niederdruck- (ND) Teil einer Dampfturbine

Stand: 201129 / 69


Mit der Abnahme von Druck und Temperatur expandiert der Dampf (bis zum 20.000-fachen des Heißdampfes).

weitere Entwicklungen:- größere Endstufen,- höherer Widerstand der Werk-stoffe gegen Tropfenschlag,

- Minimierung von Umläufig-keiten, …

ND Teil und geschlossene Dampfturbine

Stand: 201130 / 69


Kühler / Kondensator

Stand: 201131 / 69


KühlungsartenF

rischwasserkühlung

Rückkühlung

Durchlaufkühler: Ständige Wasserentnahme aus See, Fluss, etc. Kühlung des Turbinenkondensators Rückführung des Kühlwassers

Ablaufkühlung: Ständige Wasserentnahme aus See, Fluss, etc. Kühlung des Turbinenkondensators Abwasserkühlung im Kühlturm Rückführung des gekühlten Wassers

Kreislaufkühlung: Wasserentnahme aus See, Fluss, etc. Kühlung des Turbinenkondensators Abwasserkühlung im Kühlturm Wiederverwendung des Kühlabwassers Rückführung des gekühlten Wassers

Stand: 201132 / 69


Naturzugkühler

Stand: 201133 / 69


Naturzugkühler mit H2O Fahne

Stand: 201134 / 69


Gasturbinen

Stand: 201135 / 69


Gasturbinenkraftwerke

Bauteile einer Anlage:

Turboverdichter

Brennkammer

Turbine

Arbeitsmaschine (Generator)

Beispiel eines Gasturbinenprozess:

a: Kompressor (Verdichter)

b: Brennkammer

c: Turbine

d: Generator

Stand: 201136 / 69


Konzept einer Gasturbine

Funktionsweise:

Luft wird aus dem Freien angesaugt und verdichtet

Dann wird Brennstoff zugemischt

Das Gemisch verbrennt in der Brennkammer

Durch Volumenausdehnung des, bei Verbrennung entstehenden, heißen Gases wird die Gasturbineangetrieben

Die Energieerzeugung erfolgtüber den angeflanschtenGenerator

Stand: 201137 / 69


Weitere Entwicklungen: Größere Arbeitseinheiten

Minimierung von Umläufigkeiten,

Kombi-Prozesse

200 MW Gasturbine

Stand: 201138 / 69


Verdichtungsverhältnisse von = 15 werden erreicht

Wirkungsgrad einer Gasturbine

Verdichtungsverhältnis : = p2/p1

p1: Druck angesaugten Luftp2: Druck der verdichteten Luft

Stand: 201139 / 69


Einsatz von Gasturbinenkraftwerken

Vorteile: Geringe Aufstellungsflächen erforderlich

Standardisierte Komponenten, dadurch kurze Lieferzeiten (Kraftwerke bis 100 MW in 16-22 Monaten)

Investitionskosten 30 - 50% kleiner als bei Dampfkraftwerken

Hochfahren auf Volllast aus dem Stillstand ist innerhalb von 5 -20 min möglich, dadurch Eignung als Spitzenkraftwerk

Sehr günstig aus wasserwirtschaftlicher Sicht, da Luftkühlung und geschlossene Rückkühlung

Nachteile: Abhängigkeit von teurer, hochwertiger Primärenergie

Bei Verwendung minderwertiger Primärenergie steigen die Kosten für Aufbereitung, Additive und Schäden durch Korrosion

Stand: 201140 / 69


GuD und KWK Kraftwerke

Stand: 201141 / 69


Kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke

Gesamtwirkungsgrade von Gasturbinenanlagen ~ 32 %

Abgastemperaturen von ~ 550°C

Nachschalten einer Dampfturbinenanlage (ggf. zufeuern) mit ~ 37 % Wirkungsgrad

Gesamtprozesswirkungsgrad von ~ 52 % (elektrisch) und ggf. Kraftwärmekopplung (KWK) für Fernheizungen

Nachteil: Hohe Investitionskosten

Stand: 201142 / 69


Gasturbine

Konzept eines GuD - Kraftwerks

Luftzufuhr

VerdichterGenerator

Brennkammer

Dampfkessel mit nahatmosphärischem Rauchgasdruck

Generator

Dampfturbine

Brennstoff

Stand: 201143 / 69


GuD – Kraftwerk München Süd

Stand: 201144 / 69


GuD – Kraftwerk München Süd

Stand: 201145 / 61


Kraft-Wärme-Kopplung

Gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie und nutzbarer Wärme für Heizzwecke (Fernwärme) oder Produktionsprozesse (Prozesswärme)

Auskopplung von Nutzwärme insbesondere bei der Stromerzeugung aus Brennstoffen

Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung wird weitgehend vermieden

Verwendung von kleineren, dezentralen Kraftwerken zur Energieerzeugung

Stand: 201146 / 61


Bedarfsabdeckung mit KWK

Hohe Heizleistungen treten nur kurz während der Heizperiode auf

Die Heizleistung aus KWK sollte daher nicht auf den max. Heizwärmebedarf ausgelegt werden

Die Aufteilung der erforderlichen Heizleistung sollte nach folgenden Gesichtspunkten erfolgen:

Wärmegrundlast (vom Heizkraftwerksteil gedeckt)

Wärmespitzenlast (z.B. von einem Heißwasserkessel ohne Stromversorgung übernommen)

Heißes Brauchwasser (deckt der Spitzenlastkessel in Zeiten, während denen das Heizkraftwerk wegen Mangel an Heizwärmebedarf (Sommer) außer Betrieb ist.

Stand: 201147 / 61


Heizwärme-Bedarfs-Abdeckung

Stand: 201148 / 61


Blockheizkraftwerke (BHKW) (1)

BHKWs sind Heizkraftwerke kleinerer Bauart

Sie haben einen Verbrennungsmotor statt Dampfkessel und Turbine

Brennstoff: Diesel oder Gas (z.B. Deponiegas, Grubengas)

Die Primärenergienutzung liegt bei 80-90%, bzw. über 60% beim Inselbetrieb

Motoren: Seriengefertigte LKW- oder Schiffsmotoren

Die Motorleistung beträgt zwischen 5 kW und 5 MW

In Deutschland werden BHKWs hauptsächlich für Versorgung von Industriegebieten, Krankenhäuser, Schulen, Bädern, Kläranlagen eingesetzt

Stand: 201149 / 61



Vorteile:

Durch Serienfertigung der Kleinaggregate niedrige Investitionskosten

Sinnvoll bei Kläranlagen od. Deponien; die entstehenden Gase werden nicht nur entsorgt sondern auch energetisch genutzt

Dezentrale Energieversorgung geringe Transportverluste

…

Nachteile:

Hoher Wartungsaufwand

Vergleichsweise niedrige Lebensdauer

Ungünstige Emissionswerte bei nicht abgasgereinigten Anlagen

Stand: 201150 / 61



Stand: 201151 / 69


Abgasreinigung

Stand: 201152 / 61


Umweltbeeinflussung eines Wärmekraftwerkes

So

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Rohwasser

Elektrische

Leistung

Ab

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Stand: 201153 / 69


Rauchgasreinigung ist komplex

Stand: 201154 / 69


Rauchgasentstickungsanlage (DeNOx) (1)

SCR: Selective Catalytic ReductionDeNox: Denitrifikations-Anlage

In Kraftwerksanlagen entstehen durch die Verbrennung Stickoxide

Die Stickoxide (NOx) müssen zum Umweltschutz aus dem Rauchgas entfernt werden

Das zur Zeit am häufigsten eingesetzte Rauchgasentstickungs-verfahren ist das SCR-Verfahren:

Stickoxide (NOx) im Rauchgas werden in Reaktionskammer geleitet

NOx wird durch eingedüstes Ammoniak zu den unschädlichen Reaktionsprodukten Stickstoff (N2) und Wasser umgesetzt

Eingedüstes Ammoniak (NH3) setzt NOx in die unschädlichen Reaktionsprodukten Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) um

90%-ige Verringerung der NOx-Konzentration im Rauchgas

Stand: 201155 / 69


Rauchgasentstickungsanlage (DeNOx) (2)

SCR-Anlage:

Stand: 201156 / 69


Entstaubung

75kV

Stand: 201157 / 69


Möglichkeiten der SO2-Emissions-Minderung

Einsatz schwefelarmer Kohle

Schwefelentzug vor der Verbrennung (z.B. Kohlevergasung)

Schwefelentzug während der Verbrennung (Trockenadditivverfahren, Wirbelschichtfeuerung)

Schwefelentzug nach der Verbrennung durch Rauchgas-entschwefelungsanlage (REA)

Eine REA ist eine chemische Fabrik, die zwischen Dampferzeuger und

Kamin geschaltet wird.

Stand: 201158 / 69


Rauchgasentschwefelungsanlage (REA)

Funktionsprinzip:

1. Schwefelverbindungen des aufsteigenden Rauchgases reagieren mit Waschsuspension

2. Suspension wird durch Sprühebenen fein verteilt und rieselt nach unten in Auffangwanne

3. nicht vollständig oxidierter Gips durch Zugabe von Sauerstoff (Luft) aufoxidiert

4. Suspension wird nach Beimengung von frischem Kalk wieder in die Sprühebenen gepumpt

5. Teil des entstandenen Gips wird abgeschieden

Stand: 201159 / 69


REA-Gips

Ein moderner Kraftwerksblock mit 750 MWel Leistung liefert ca. 175.200 t/a REA-Gips

REA-Gips in Deutschland pro Jahr:Steinkohlekraftwerke ca. 2,5 Mt Braunkohlekraftwerke ca. 1,9 Mt

Bedarf Deutschland 2007: ca. 5,8 Mt Naturgips

Der größte Teil der Gipsmenge gelangt nach Aufbereitung und Hinzufügung verschiedener Additive als Baustoff in den Hochbau.

Wesentlichen Produkte: Baugips, Gips-Kartonplatten und Gips-Wandbauplatten

Die Zementindustrie ist ebenfalls ein Großverbraucher von Naturgips.

Stand: 201160 / 69


REA: Rauchgas Entschwefelungs Anlage

Stand: 201161 / 69


Emissionen und Kosten

Stand: 201162 / 69


Kraftwerke in Europa

Stand: 201163 / 69


Emissionswerte von Kraftwerken

Part Radioactive SO2 NOx Dust CO2 CO2-Equiv.Energieträger [%] [mg/kWh] [g/kWh] [g/kWh] [g/kWh] [g/kWh] [g/kWh]Nuklear 25 4,00 0,13 0,14 0,03 35,00 36,00Brown coal 32 0,01 0,43 0,79 0,10 1133,00 1142,00Hard coal 25 0,02 0,79 0,78 0,11 917,00 977,00Gas 7 0,00 0,01 0,66 0,01 402,00 419,00Hydro 5 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 2,00Wind 6 0,00 0,02 0,05 0,02 18,00 19,00Total 100 0,37 0,53 0,07 629,83 649,26

Stand: 201164 / 69


Stromgestehungskosten

Was Strom heutzutage kostet (2009) [€ct/kWh]Quelle min. mittel max.Nuklearkraftwerk 4,5 5,0 5,5Import-Steinkohle-Kraftwerk 4,0 4,5 5,0Import-Steinkohle-Heizkraftwerk 2,5 3,0 3,5Braunkohle-Kraftwerk 4,0 4,5 5,0Braunkohleheizkraftwerk 2,5 3,0 3,5Ergas-Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk (GuD) 4,0 4,5 5,0Ergas-Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk (GuD) 3,5 4,0 4,5Erdgas-Blockheizkraftwerk (KWK) 7,0 7,5 8,0Biogas-Blockheizkraftwerk (KWK) 6,0 7,0 8,0Windpark onshore 8,0 8,5 9,0Windpark offshore 6,0 7,0 8,0Wasser-Kraftwerk 5,0 7,5 10,0Photovoltaikstrom 33,0 41,5 50,0Solarstrom (Turmkraftwerk - Import) 9,0 10,5 12,0Solarstrom (Parabolrinnenkraftwerk - Import) 13,0 14,5 16,0

Stand: 201165 / 69


CO2-Emissionen

Stand: 201166 / 69


Capture Carbon Sequestration (CCS)

Stand: 201167 / 69


Capture Carbon Sequestration (CCS)

Stand: 201168 / 69


CO2 Speicherung

Stand: 201169 / 69


Zusammenfassung

Der Carnotwirkungsgrad begrenzt den Wirkungsgrad heutiger fossiler Energieerzuegungssysteme

Je höher die Temperatur desto besser der Wirkungsgrad

Die Stufen sind: Dampferzeugung in Feuerungsraum, Entspannung über die Turbine und Umwandlung in Rotationsenergie, Kühlung und Rückführung zum Dampferzeugung, Umwandlung der Rotationsenergie in Strom mittels Generator. Das Abgas wird dreistufig gereinigt: DeNOx, Entstaubung, DeSOx

Gasturbine arbeiten anch dem Viertaktprinzip im Durchströmverfahren (Kolbenmotoren im Volumenverfahren)

Zur Wirkungsgradsteigerung kann eine Gasturbine mit einer Dampfturbine kombiniert werden

Stand: 201170 / 69


Frei

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