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EnergietechnikEnergieumwandlung, Bilanzierung,
Wirkungsgrad
Institut für Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik
Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 2 von 39
Energietechnik
Unter Energieumwandlungversteht man die Umwandlung von einer Energieart in eine andere oder innerhalb einer Energieart
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Energietechnik
Energieformen:
• Mechanische Energie - Krafteinwirkung
• Lageenergie / potentielle Energie
• Bewegungsenergie / kinetische Energie
• Wärme / thermische Energie
• magnetische Energie
• Ruhemassenenergie - E = m·c²
• elektrische Energie
• Strahlungsenergie
• chemische Energie
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Umwandlungskette
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(in der zentralen Umwandlungseinheit)
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(beim Verbraucher)
Endenergie = Sekundärenergie - Transportverluste
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Energietechnik
Rohenergie, Primärenergie Endenergie, Sekundärenergie Nutzenergie, Tertiärenergie
fossile Brennstoffe nukleare Brennstoffe Sonnenstrahlung Biomasse Wasserkräfte Wind Meereswellen Meeresströmungen Meereswärme (T Oberfläche zu Tiefe) Gezeiten Erdwärme
Holz, Torf, Braunkohle Braunkohlebriketts Braunkohlestaub Steinkohle, Koks Steinkohlebriketts Biomasse Heizöl Erdgas, Flüssiggas, Biogas Benzin, Dieselöl Elektroenergie Dampf, Heißwasser Pressluft Fernwärme, Wasserstoff
Licht Wärme Kälte mechanische Energie elektromagnetische Wellen (Röntgenstrahlen) Schallwellen Elektroenergie (Elektrolyse, Antrieb von Rechnertechnik und Telekommunikation)
Beispiele:
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Energietechnik
Jährliche Flüsse von Energie und Kohlenstoff in Deutschland
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Energietechnik
Jährliche Flüsse von Energie und Kohlenstoff – weltweit -
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- Energetische Bilanzierung -
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Grundbausteine für die Bewertung von Verfahren und Verfahrensketten
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Grundlage der Sachbilanzierung sind der Energieerhaltungssatz (1. Hauptsatz der Thermodynamik) und der Satz von der Erhaltung der Masse.
Das Vorgehen richtet sich beispielsweise nach der VDI 3460.
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Energietechnik
Definitionen:Ströme: zeitbezogene Größen (mit Punkt z.B.: Ė)Feuerungswärmeleistung: der Energiestrom, der der Feuerungmit den Brennstoffströmen zugeführt wird.Einsatzenergie: In den Bilanzkreis eintretende zu bilanzierende EnergieZusatzenergie: wird zusätzlich zum Hauptstrom (z. B. Brennstoff) in den Bilanzkreis eingetragenFremdenergie: Zusatzenergie von außerhalb des BilanzkreisesEigenenergie: Zusatzenergie aus RückführungZielenergie: nach außen abgegebene nutzbare EnergieNetto-Zielenergie: Zielenergie minus Zusatzenergie von externVerlust: alle abgegebenen nicht genutzten Energieströme
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Bilanzgrenzen und Ströme (Energie-, Stoff-, Massen-)Grundlagen:• Grundlage ist ein Bilanzschema in Anlehnung an das Fließbild
mit den wesentlichen Stoff- und Energieströmen• Das Bilanzschema enthält Bilanzgrenzen, die je nach
Erfordernis Bilanzkreise (A, B, ...) bilden.• Die einzelnen Ströme sind ganz formal bei Überschreiten der
Bilanzgrenze zu nummerieren und entsprechend dem zugehörigen Bilanzkreis zu bezeichnen (z.B. Q5 – Zusatzenergie elektrisch: EQ,5).
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• An jeden Strom werden Massenstrom, Energiestrom und gegebenenfalls benötigte spezifische Stoffströme angetragen (z.B. bei der CO2-Bilanzierung der in jedem Massenstrom enthaltene Massenstrom des Stoffes Kohlenstoff
•Grundsätzlich ist für die Bilanzierung ein einheitlicher Bezugs-zustand festzulegen (z.B. Normzustand 273,15 K, 101325 Pa). Dieser Bezugszustand muss bei allen ein- und austretenden Strömen berücksichtigt werden.
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Energietechnik
Blockfließbild einer klassischen HausmüllverbrennungBilanzgrenze des Gesamtverfahrens mit elektrischer Nutzenergie (GV)
Bilanzgrenze AGR
Bilanzgrenze TG
Bilanzgrenze des Hauptverfahrens mit thermischer Nutzenergie (HV)
Reststoffe
el. Energie
Reststoffe
Abgas-reinigung
(AGR)
Reststoffe
Abgas
Dampf
stückig/pastös Flugstaub/
-schlacke
Speise-wasser
Abfall
Luft
Luft (AGR)
Sauerstoff
ggf. Zusatz-brennstoff
ggf. Zusatz-brennstoff
(AGR)
Betriebs-hilfsstoffe
Asche oderangesinterte
Asche (bei > 1),(anorg.)
λ
Wärme-tauscher
Abgasund ggf.
Flugstaub
Abgasundggf.
Flug-staub Wärme-
verluste
el. Energie
getrennteNachbehandlung
ggf. Vor-behandlung
z.B. Zer-kleinern usw.
ggf. Nachbehandlungz.B. Einschmelzen
von Asche, Aufbereitungder Schlacke usw.
Ver-brennung
Ver-brennung
(Feststoff-ausbrand)
(Restausbrand vonGas und Flugstaub)
1. Einheit 2. Einheit
Generator(TG)
Dampf-turbine
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BilanzierenAls nächster Schritt muss eine Massen-, Stoff- und Energiebilanz erstellt werden.
Dann wird geprüft, ob die Bilanzen „aufgehen“, das heißt, ob die Summe der eintretenden gleich der Summe der austretenden Ströme ist. Die Summe der eintretenden Ströme ist der Aufwand.
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- Wirkungsgrad -
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Allgemein versteht man unter dem Wirkungsgrad
Nutzenη =
Aufwand
beziehungsweise
Verlustη = 1-
Aufwand
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Je nachdem, was als „Nutzen“, „Aufwand“ oder „Verlust“ angesehen wird ergeben sich unterschiedliche Wirkungsgrade
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AnlagenwirkungsgradAnlagenwirkungsgrad, elektrisch
Anlagenwirkungsgrad, thermisch
Gesamtanlagenwirkungsgrad
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Beispiel zum elektrischen Anlagenwirkungsgrad
[Scholz, Beckmann, Schulenburg: Abfallbehandlung in thermischen Verfahren. B.G. Teubner-Verlag, Stuttgart u.a. 2001.
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Man kann Wirkungsgrade für die verschiedenstenBilanzkreise definieren. Wichtig sind auch Wirkungsgrade für Teilprozesse, z.B.:
• Kesselwirkungsgrad• Wirkungsgrad des thermodyn. Kreisprozesses• Turbinenwirkungsgrad• Generatorwirkungsgrad• Rohrleitungswirkungsgrad• mechanischer Wirkungsgrad
Diese können im Regelfall noch weiter herunter-gebrochen werden (Getriebewirkungsgrad, Wirkungsgrad einer Schaufelreihe...)
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Gütegradgibt an, wie weit ein Prozess an den theoretischen (idealen, reversiblen) Vergleichsprozess (z. B. Carnot-Prozess, isentroper Entspannung in Turbine) angenähert ist.
Preal ηreal ηis = =
Ptheor ηvergleich
Beispielsweise bewegt sich der Gütegrad von heutigen (stationären, großen) Verbrennungsmotoren im Bereich von 80 %, während der Wirkungsgrad ca. 45 % beträgt.
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Enegieumwandlung η Elektroenergieerzeugung - in Braunkohlekraftwerken - in Steinkohlekraftwerken - mit Gasturbinen - in GuD-Kraftwerken - in Wasserkraftwerken - mit Windenergiekonventern - mit Solarzellen (Serienproduktion)
0,25 – 0,4 0,3 – 0,43 0,2 – 0,38 0,45 – 0,58 0,8 – 0,92 0,3 – 0,5
0,06 – 0,12 Heizkraftwerke 0,7 – 0,93 Dampferzeugung 0,8 – 0,95 Warmwasserbereitung mit Sonnenkollektor 0,2 – 0,7 Stadtgaserzeugung 0,83 Brikettierung von Braunkohle 0,93 Produktion von Biomasse 0,001 – 0,01
Wirkungsgrade für die Umwandlung von Primär- in Endenergie
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Wirkungsgrade für die Umwandlung von End- in Nutzenergie
Umwandlungsanlage oder -gerät η Tauchsieder, Elektroheizung, Elektroofen 0,9 – 1,0 kleiner Elektromotor 0,6 – 0,75 großer Elektromotor 0,9 – 0,96 Ottomotor 0,25 – 0,3 Dieselmotor 0,40 – 0,46 Blockheizkraftwerk (BHKW) 0,8 – 0,95 Glühlampe 0,05 – 0,07 Leuchtstofflampe 0,2 – 0,25 Kohleofen 0,4 – 0,8 Gaskessel 0,7 – 1,05* Brennstoffzelle 0,3 – 0,6
* Werte über 100% sind nur durch Brennwertnutzung erreichbar
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Zusammenhang Wirkungsgrad - Emissionen
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