Kraftwerkstypen KraftwerkeKraftwerke · 1 Prof. Dr. Gerd Jäger Kapitel 2 1 Kraftwerkstypen...

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


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


Kapitel 2

PrinzipschaltbildWasser-Dampf-Kreislauf


Kapitel 2

4

Dampferzeuger (Schema)


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


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)


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


Kapitel 2

Beispiel: CO2-Einbindung durch Mikroalgen


Kapitel 2

Erneuerbare Energien

Kohle

Gas Kernkraft Windkraft Wasserkraft Biomasse

Meeresenergie

Solarenergie Geothermie


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


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


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


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


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


Kapitel 2

Prognose bis 2030

Quelle: BMU Leitstudie 2010 113


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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

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