Vorlesung Windenergie, Zuverlässigkeit …...TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 2 Windenergie...

VorlesungWindenergie, Zuverlässigkeit

Prüfungsschwerpunkte

Fakultät für Maschinenwesen, Institut Energietechnik, Professur VWS

Dresden, 22.06.2009

TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 2

Windenergie

Die Sonne strahlt pro Stunde 174.423.000.000.000 Kilowattstunden an Energie auf die Erde ab. Sie empfängt 1,74 x 10 17 Watt an Leistung. Ungefähr 1 bis 2 Prozent dieser Energie wird in Windenergie umgesetzt. Das ist ca. 50 bis 100 mal mehr Energie, als von allen Pflanzen der Welt in Biomasse umgewandelt wird.

http://www.windpower.org/de/tour/wres/turb.htm


Windentstehung

Da die Erde rotiert, wird jede Bewegung auf der

Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt, wenn wir uns als

Betrachter auf der Erdoberfläche befinden und uns daher

mitdrehen. (Auf der Südhalbkugel wird die Bewegung

nach links abgelenkt). Diese Ablenkungskraft wird als

Corioliskraft bezeichnet (benannt nach dem

französischen Mathematiker Gustave Gaspard Coriolis

1792-1843). Es ist nicht unbedingt offensichtlich, dass

ein Teilchen, welches sich auf der nördlichen Halbkugel

bewegt, nach rechts abgelenkt wird.

In der nördlichen Hemisphäre neigt der Wind dazu,

gegen den Uhrzeigersinn zu rotieren (von oben

betrachtet), wenn er sich einem Tiefdruckgebiet nähert.

Auf der Südhalbkugel dreht der Wind im

Uhrzeigersinn um das Tiefdruckgebiet herum.

Sicht aus Weltraum

Sicht vom Standpunkt Erde

Sicht vom Nordpol fix

Sicht aus Weltraum


Hauptwindrichtungen

Der Wind steigt am Äquator auf und bewegt sich in den hohen Luftschichten der Erdatmosphäre nach Norden und Süden. Ab einer geographischen Breite von ungefähr 30°verhindert die Corioliskraft in beiden Hemisphären ein Weiterfließen der Luft. Deshalb befindet sich in dieser Breite ein Hochdruckgebiet, da die Luft dort wieder zu Boden sinkt. Weil die Luft am Äquator aufsteigt, bildet sich in Bodennähe ein Tiefdruckgebiet aus, welches Winde von Nord und Süd anzieht. An den Polen finden wir aufgrund des Abkühlens der Luft ein Hochdruckgebiet. Unter Berücksichtigung der ablenkenden Wirkung der Corioliskraft erhalten wir die folgenden allgemeinen Ergebnisse für die Hauptwindrichtungen:

Quelle: www.windpower.org


Hauptwindrichtungen Breite 90-60°N 60-30°N 30-0°N 0-30°S 30-60°S 60-90°S

Richtung NO SW NO SO NW SO

Geostrophische WindeDie bisher betrachteten Winde sind sogenannte geostrophische Winde. Diese werden hauptsächlich von Temperaturdifferenzen und damit Druckdifferenzen erzeugt und bleiben unbeeinflusst von der Erdoberfläche. Der geostrophische Wind bewegt sich in Höhen von über 1000 Meter über dem Boden. Der geostrophische Wind kann mit Hilfe von Wetterballons gemessen werden.

Oberflächenwinde In Höhen bis zu 100 Meter werden Winde sehr stark von der Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst. Der Wind wird durch die Oberflächenrauhigkeit der Erde und durch Hindernisse gebremst, wie wir gleich sehen werden. Bodennahe Windrichtungen weichen wegen der Erdrotation gewöhnlich leicht von der geostrophischen Windrichtung ab. Wenn wir uns mit Windenergie beschäftigen, interessieren uns Oberflächenwinde –und wie wir deren nutzbaren Energiegehalt berechnen können.

Hauptwindrichtungen


Lokale Winde: SeewindeObwohl globale Winde für die Bestimmung der vorherrschenden Winde in einem Gebiet wichtig sind, können lokale klimatische Bedingungen einen Einfluss auf diese Hauptwindrichtungen ausüben.Lokale Winde werden immer mit den höherwertigen Windsystemen überlagert, d.h. die lokale Windrichtung ist die Summe von globalen und lokalen Effekten. Wenn höherwertige Winde schwach sind, dann dominieren lokale Winde das Windgeschehen.

Unterschiedliche Erwärmung von See und Land bei Sonneneinstrahlung bzw. unterschiedliche Abkühlung


Lokale Winde: Bergwinde

Nordhang/SüdhangUnterschiedliche Aufheizung


Energiegewinnung

Eine Windkraftanlage liefert ihre Leistung, indem sie die Kraft des Windes in ein Drehmoment (drehende Kraft) an den Rotorblättern umwandelt. Die Energiemenge, die der Wind auf den Rotor überträgt, hängt von der Luftdichte, der Rotorfläche und der Windgeschwindigkeit ab. Die Animation zeigt, wie sich eine 1 Meter dicke Luftscheibe durch die 1500 m2 große Rotorfläche einer typischen Windkraftanlage (1000 kW) bewegt. Mit einem Rotordurchmesser von 54 Meter wiegt jeder dieser Zylinder 2,8 Tonnen, das sind 2300 mal 1,225 kg.

In der Realität erfolgt eine Windablenkung, so dassdie gesamte Energie nicht genutzt werden kann.


Warum kein Röhrenmodell?

Der Rotor einer Windkraftanlage wird den Wind bremsen, wenn er dessen kinetische Energie in Rotationsenergie umwandelt. Das bedeutet, dass sich der Wind links des Rotors langsamer bewegen wird als rechts des Rotors. Da aus dem Rotor gleich viel Luftmasse (pro Sekunde) von rechts ein-strömen und nach links ausströmen muss,wird die Luft hinter der Rotorebene eine größeren Querschnitt (Durchmesser) ein-nehmen. Im oberen Bild wird diese Situation durch eine imaginäre Röhre um den Rotor, eine sogenannte Stromröhre, illustriert. DieStromröhre veranschaulicht, wie die langsamer strömende Luft links ein größeres Volumen hinter dem Rotor einnimmt.

Bei einem Röhrenmodell wird ein Teil der Luft vor der Röhre abgelenkt, deshalb kein gutes Modell.


WindrosenErstellung eines Windatlas für die jeweiligen Gegenden

• Windrose wird in 12 Sektoren geteilt 30°• festgelegter europäischer Standard

Radius der 12 äußeren breiten Segmente:Informiert über die relative Häufigkeit der jeweiligen Windrichtung wie viel % der Zeit aus dieser Richtung

Relative Häufigkeit multipliziert mit der Windgeschwindigkeit in dieser

Richtung auf 100 % normalisiert: Gibt Aufschluss wie viel jeder Sektor zur durchschnittliche Windgeschwindigkeit am betrachteten Ort beiträgt

Energiegehalt des Windes, steigt mit der 3. Potenz der Geschwindigkeit:Zeigt wo wir die meiste Leistung im Betrieb Erwarten können (hier Südwest)


Windkarte Europa

Windressourcen in einer Höhe von 50 (45) m über dem Boden

Geschütztes Terrain Offene Ebene Meeresküste Offene See Hügel & Bergrückenm/s W/m2 m/s W/m2 m/s W/m2 m/s W/m2 m/s W/m2

>6,0 >250 >7,5 >500 >8,5 >700 >9,0 >800 >11,5 >18005,0-6,0 150-250 6,5-7,5 300-500 7,0-8,5 400-700 8,0-9,0 600-800 10,0-11,5 1200-18004,5-5,0 100-150 5,5-6,5 200-300 6,0-7,0 250-400 7,0-8,0 400-600 8,5-10,0 700-12003,5-4,5 50-100 4,5-5,5 100-200 5,0-6,0 150-250 5,5-7,0 200-400 7,0-8,5 400-700<3,4 <50 <4,5 <100 <5,0 <150 <5,5 <200 <7,0 <400

>7,55,5-7,5<5,5


Berechnung

2vvv 21 +

=

Beginnen wir mit der vernünftigen Annahme, dass die mittlere Geschwindigkeit des Windes durch die Rotorfläche gleich dem Durchschnitt der ungestörten Windgeschwindigkeit vor der Windkraftanlage v1 und der Geschwindigkeit nach dem Passieren des Rotors v2 ist, also

Die Luftmasse, die pro Sekunde durch den Rotor strömt, beträgt

m … Masse pro Sekunde ρ … Luftdichte, F … die vom Rotor überstrichene Fläche

Die vom Rotor aus dem Wind entnommene Leistung ist gleich der Masse mal der Differenz der Geschwindigkeitsquadrate (entsprechend dem zweiten Newton'schen Gesetz)

2vvFρm 21 +

⋅⋅=


Berechnung

m in die erste Gleichung eingesetzt:

Vergleich mit der gesamten Leistung des Windes, der ungestört durch die gleich große Fläche F strömt. Diese Leistung bezeichnen wir mit Po:

Das Verhältnis zwischen der dem Wind entnommenen Leistung und der Leistung des ungestörten Windes errechnet sich damit zu:

Maximum bei 0,59 bzw. 16/27

( )22

21 vvm

21P −⋅⋅=

Fv2ρP 3

10 ⋅⋅=

( ) ( ) Fvvvv4ρP 21

22

21 ⋅+⋅−⋅=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅=

1

2

2

1

2

0 vv1

vv1

21

PP


Zu beachten!!!

allgemeine Weibull-Verteilung mittlere WindgeschwindigkeitZiegelstapel im Gleichgewicht


Fehleinschätzungen

Sehen Sie sich die kleinste und die größte Flasche. Beide haben genau die gleiche Form. Eine ist 0.24 m groß, die andere 0.76 m. Wie groß ist die durchschnittliche Flasche?

Wenn Sie 0.5 m tippen, liegen Sie leider falsch. Flaschen interessieren uns vor allem wegen ihres Volumens. Dieses aber steigt mit der dritten Potenz ihrer Größe. Deshalb ist das Volumen der größeren Flasche 32 mal so groß wie das der kleineren, obwohl das Größenverhältnis nur 3.17 zu 1 beträgt (3.173 = 32). Daher ist das durchschnittliche Volumen 16.5 mal das Volumen der kleinen Flasche, weiter wäre die durchschnittliche Flasche 2.55 mal so groß wie die kleine, das sind 0.61 m (2.553 = 16.5).

Wichtung der Windgeschwindigkeit mit der dazugehörigen Leistung


Beispiel Flaschenregal

Leistungsdichte


Leistungskurven von WEK

Leistungskurven werden durch Messungen aufgenommen

Achtung Messfehler Anemometer 3%9% Abweichung in der Leistung möglich!(selbst bei zertifizierten Anlagen)

Lokale Einflüsse (Turbulenzen u.a.)Luftdruck und Temperatur können variieren!! Starke Schwankungen in der Windgeschwindigkeit.

kW

Leistungsbeiwert sagt aus, wie effizient die Anlage bei bestimmten Windgeschwindigkeiten arbeitet.


Nachführung (Nachführfehler)

Nachführung• Richtet die Anlage immer in den Wind aus • Rotor steht im rechten Winkel zum Wind

Der Teil des Rotors, welcher aufgrund des Nachführfehlers näher bei der Strömungsquelle liegt, ist jedoch stärkeren Kräften (einem stärkeren Biegemoment) ausgesetzt als der Rest des Rotors. Andererseits werden die Rotorblätter bei jeder Umdrehung hin und her gebogen. Das Auftreten eines Nachführfehlers bedeutet also eine stärkere Belastung (Materialermüdung) gegenüber einer Situation, wo der Rotor im rechten Winkel zum Wind steht.

Verwindungszähler für die KabelKabel transportieren den Strom des Generators hinunter durch den Turm. Wenn die Anlage über längere Zeit zufällig in die gleiche Richtung dem Wind nachgeführt wird, werden diese Kabel immer stärker verwunden. Deshalb ist die Anlage mit einem Verwindungszähler für die Kabel ausgerüstet, der dem Regler mitteilt, dass es an der Zeit ist, die Kabel wieder gerade zu drehen.


WEA


WEA-Gondel

Getriebe WelleGenerator Bremse

Regler

Anemometer(Geschwindigkeit)

Windfahne (Richtung)

Nachführmotor


Stator

Jeder Meter Turm kostet Geld, deshalb ist die optimale Turmhöhe eine Funktion von

1. den Turmkosten pro Meter (10 Meter kosten derzeit etwa US$ 15 000)

2. wie stark der Wind an diesem Standort mit der Höhe über dem Boden zunimmt, d.h. die durchschnittliche örtliche Bodenrauhigkeit (eine große Rauhigkeit erfordert höhere Türme)

3. der Preis, den der Anlagenbetreiber für eine Kilowattstunde elektrischer Energie erhält.


Rotordurchmesser


Sicherheitssysteme

RüttelsensorBei Vibration fällt Ball aus Ringhalterung

RotorblätterDynamische Tests

Schutz vor überhöhter GeschwindigkeitZwei unabhängig arbeitende Bremssysteme

(1) mechanisches Bremssystem (2) Blattspitzenbremssystemaerodynamisches System


Umweltaspekte

Landschaft

Farbwahl (hellgrauer Anstrich)Drehzahl (kleinere Anlagen haben größere)Betonung von LandschaftslinienAufstellung in einfachen geometrischen Mustern

Markierung an den FlügelendenStroboskoplicht in der Nacht

VHF-FlugzeugnavigationILS-InstrumentenlandesystemTV-EmpfangElektromagnetische Interferenz


Umweltaspekte

Schallentwicklung

Einfluss auf Funkverkehr!!!


Umweltaspekte

Vögel

Vögel kollidieren oft mit Hochspannungsleitungen, Masten und Fenstern von Gebäuden.

Sie haben jedoch selten Probleme mit Windkraftanlagen. Studien von Radaraufnahmen

einer 2-MW-Anlage mit 60 m Rotordurchmesser, haben gezeigt, dass Vögel bei Tag und

Nacht ihre Flugroute rund 100-200 m vor der Anlage ändern und in sicherer Entfernung

über die Anlage hinwegfliegen. In Dänemark gibt es mehrere Beispiele von Vögeln

(Falken), die in Kästen an der Turmspitze von Windkraftanlagen nisten. Der einzige

bekannte Standort mit Vogelkollisionen befindet sich auf dem Altamont-Pass in

Kalifornien. Derartige Kollisionen sind dort zwar selten, geben jedoch Anlass zur Sorge,

da die betroffenen Vogelarten gesetzlich geschützt sind.


Umweltaspekte

Schatten

Windkraftanlagen werfen wie alle hohen Bauwerkein ihrer Umgebung einen Schatten, wenn die Sonnescheint. Wenn man sehr nahe bei einer Anlage wohnt, kann es unangenehm sein, wenn der drehende Rotor ständig einen flackernden Schattenwirft.


Historie

Im Winter 1887-88 baute Charles F. Brush eine Maschine, die heute als die erste vollautomatische Windkraftanlage zur Stromerzeugung gilt. Die Ausmaße waren gigantisch und damals weltweit unerreicht: Rotordurchmesser: 17 m (50 ft.), 144 Rotorblätter aus Zedernholz. Beachten Sie die Größe der Person, die rechts von der Windkraftanlage den Rasen mäht. Die Anlage lief 20 Jahre lang und lud die Batterien im Keller seines Wohnhauses. Trotz der Größe der Windkraftanlage betrug die Leistung des Generators nur 12 kW.


HistorieDer Vater der Windenergie: Poul la Cour

La Cour beschäftigte sich mit der Speicherung von Energie und benutzte den Strom seiner Windkraftanlagen, um mittels Elektrolyse Wasserstoff für das Gaslicht in der Schule zu erzeugen. Ein grundlegender Nachteil dieser Vorgangsweise war, dass er die Fenster der verschiedenen Schulgebäude mehrere Male auswechseln musste, da der Wasserstoff geringe Mengen von Sauerstoff enthielt und in der Folge explodierte(!)


Historie1940/50 in Dänemark

Betontürme

Gleichstromgenerator


Vom Windboom in den 80‘ern zu Mega-Anlagen aktuell

Anlage Nordex 2,5 MWPrototyp in Grevenbroich (Deutschland) auf einem 80 m hohen Turm.

Micon 55 kWBeispiel für Anlagen, die in einer Stückzahlvon mehr als 1000 nach Palm Springs gingen


Quelle: DEWI


WEK (WEA)

Der jährliche Zubau im nationalen Onshore-Markt wächst seit 2003 erwartungsgemäß langsamer. Mit der Ende 2006 installierten Gesamtleistung bleibt Deutschland jedoch der größte Windenergiemarkt der Welt, gefolgt von Spanien. Die Marke von 20.000 MW gesamt installierter Leistung in Deutschland wurde 2006deutlich überschritten. Insgesamt waren nach der neuesten Statistik des Deutschen Windenergie-Instituts Ende 2006 in Deutschland 18.685 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 20.622 MW installiert. Das entspricht einem Leistungszuwachs von zwölf Prozent gegenüber 2005. Rund 2,9 Milliarden Euro wurden in Deutschland in neue Windparks investiert. Den größten Zuwachs verzeichneten die Bundesländer Brandenburg (509 MW), Niedersachsen (378 MW), Sachsen-Anhalt (340 MW) und Rheinland-Pfalz (182 MW).

Quelle: DEWI


Quelle: DEWI


Hier weiter mit Vorlesung 10


Planung und Gestaltung von Energieanlagen

Schritt 1 Bedarf an Elektroenergie, Wärme (Kälte)

Jahresganglinie

Tagesganglinie



Schritt 2 Einordnung in die Struktur des Landes• Landesnetz• Inselnetz• Verbund• Lastanforderungen

Vorhandene Kraftwerksstruktur• KKW, DKW, GT, GuD – Grundlast• DKW, GuD, BHKW – Mittellast• GT, Wasserkraft, BHKW – Spitzenlast

Szenarien der Entwicklung

z.B. KW Boxberg



Schritt 3

Schritt 5

Schritt 4

Brennstoffe, Energieträger• Vorräte – Sicherheit der Bereitstellung• Globale Ressourcen• Abfallstoffe

• Feste Brennstoffe (Kohle, Holz, Abfall, ...)• Flüssige Brennstoffe (Heizöl, Schlämme)• Gasförmige Brennstoffe (Erdgas, Brenngas)

Umweltanforderungen• Emissionen• Räume – Anwohner• Ökologie – Eingriff in die Natur• Gesetzliche Bestimmungen

Sicherheit• Sicherheit der Brennstoffbereitstellung• Sicherheit durch Standortwahl (Erdbeben, Überschwemmungen, Dürre)• Abnahmesicherheit (Struktur der Region)



Schritt 6 Planungsablauf

Vorgegebene gesetzliche RegelungenAnzeige- und Genehmigungsverfahren

• BIMSCHG, TA Luft, Siedlungsabfall, Kreislaufwirtschaftsgesetz• Energiewirtschaftsgesetz• Landesbaugesetz

Voruntersuchungen• Größe der Anlage, Leistung, Art der Technik• Standort• Ökonomie• Machbarkeitsstudie (Variantenvergleich technischer Anlagen –

im Entwurfsstadium Kennzahlen anwendbar)

Energieanlagen – Projektierung• Ausschreibung der Aufgabenstellung – Ing.-Leistung



Projektbearbeitung mit• Angebotseinholung von Herstellerfirmen• Anlagengestaltung und –aufbau• Aussagen zu

- Technik- Realisierbarkeit- Güte (h, KT, Vt), Zuverlässigkeit- Bau, Montage, Inbetriebnahme- Ökologie- Ökonomie, Kapitalbeschaffung

• Ausarbeitung verschiedener Lösungen Auswahl, Vergabe

Projekt einer ausführbaren Anlage, das nun zur Genehmigung eingereicht werden kann



Genehmigungsphase

Antrag zur Genehmigung nach gesetzlichen Bedingungen ( z.B. nach BIMSCH)

Ausführung und Realisierung

Vergabe der einzelnen Einzelaggregate an die GU-Auftragnehmerschaft

Begleitende Planung und Überwachung Bau-Montage-Inbetriebsetzung

Betreibergesellschaft


Planung und Gestaltung von EnergieanlagenZeitachse und Realisierungsphasen

Anmerkung: Darstellung für ein BlmSchG-Genehmigungsverfahren mit Öffentlichkeitsbeteiligung nach § 10 BlmSchG für eine Restmüllentsorgungsanlage (beispielhaft)

Start Anlagenplanung

Start Genehmigungs-

planung

Offenlegung des Antrages

Start Bauausführung

2 – 3 Jahre0,6 – 1 Jahr

Arbeits-schritte

DauerAbhängig vom Einzelfall

1 – 1,5 Jahre 0,6 – 1 Jahr

Gesamtdauer des Projekts: 5 bis 10 Jahre

___ A ___Entwicklung

eines Projektes

_____ B _____Vorbereitung der

Genehmigung (Planung der Anlage)

_____ C _____Erstellung der

Antragsunterlagen und Prüfung des

Antrages

_____ D _____Einsprüche,

Erörterungstermin und

Genehmigungs-bescheid

_____ E _____Umsetzung der Genehmigungs-

auflagen

Meilensteine

StartBetrieb

Start


Zuverlässigkeit von Energieanlagen

Die Entwicklung von Kraftwerksanlagen wird, so könnte man nach der Vielzahl der

Veröffentlichungen annehmen, vor allem durch die Höhe des Prozesswirkungsgrades

bestimmt. Die einfache Betrachtung über die Jahresarbeit eines Kraftwerkes zeigt

jedoch, dass eine Nichtverfügbarkeit in der Größenordnung von 10 % (Zeitverfügbarkeit

VD = 90 %) die Jahrearbeit in gleicher Größenordnung vermindert. Die Komplexität des

Zusammenwirkens gegensätzlicher Einflüsse im Kraftwerk wie

• Effektivität

• Lebensdauer

• Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit

weist die Notwendigkeit aus, den Systemcharakter eines Kraftwerkes in den Vordergrund

zu stellen. Die Untersuchungen sind sowohl auf das einzelne Element als auch auf

dessen Einordnung und Wirkung im Gesamtsystem der thermischen Anlage einzurichten.


Zuverlässigkeit von EnergieanlagenWa ... JahresarbeitWa,theo ... Theoretisch mögliche JahresarbeitQi ... Heizwerttnenn ... 8760 hDtNV ... Nichtverfügbarkeit (Zeit)

... Brennstoffmassenstrom

Jahresarbeit

Vereinfachung

Brm&

( )

DKWa,theo

a

nenn

NVKW

nenniBr

a

nenn

NVnenniBrKWa

NVnenniBrKWa

iBrKW

Δ

0a

VηW

W

Δ1ηQmW

Δ1QmηW

ΔQmηWconst.P

QmηP

dτPWNVNenn

⋅=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅=

⋅⋅

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅⋅⋅⋅=

−⋅⋅⋅==

⋅⋅=

⋅= ∫−

ττ

τ

τττ

ττ

ττ

&

&

&

&

Abhängigkeit der Jahresarbeit Wa eines Kraftwerkes von der Zeitverfügbarkeit VD



Untermauert wird die Notwendigkeit der Systembetrachtung auch durch aktuelle wissenschaftliche Probleme bei der Entwicklung von Kraftwerksanlagen zu hoher Effektivität einerseits und durch den teilweise rückgängigen Verlauf der Verfügbarkeit andererseits.

Systembetrachtung zur Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Kraftwerksanlagen

VorbemerkungenDie Zuverlässigkeit als Qualitätseigenschaft eines Systems gewinnt in dem Maße an Bedeutung, wie das Gesamtsystem höchste Effektivität über eine großen Zeitraum erbringen muss. Dabei ist unter der Zuverlässigkeit die Wahrscheinlichkeit zu verstehen, bei der unter bestimmten Beanspruchungen und über eine bestimmte Zeit die Funktionsfähigkeit erhalten bleibt (Überlebenswahrscheinlichkeit).



Zuverlässigkeit – Überlebenswahrscheinlichkeit

Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Element (System) für eine

bestimmtes Zeitintervall funktionsfähig ist.

Überlebenswahrscheinlichkeit R(t):

N0 ... Gesamtzahl der untersuchten Elemente

N(t) ... Anzahl der nichtausgefallenen Elemente

DN(t) ... Im Zeitintervall Dt ausgefallene Elemente

( ) ( )0N

NR ττ =

Ausfallwahrscheinlichkeit F(t)

( ) ( )ττ R1F −= ( ) ( ) ( )0

0

0 NNN

NN1F τττ −

=−=



Fehlerratenfunktion l

Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls nach einer ausfallfreien Zeit

( ) ( )( )ττ

ττNΔ

ΔNλ⋅

=



Mit den Beziehungen zwischen der Zuverlässigkeit von Einzelausrüstungen und der von Gesamtanlagen (Systemzuverlässigkeit) beschäftigt sich die mathematisch begründete Zuverlässigkeitstheorie, die hier – stark vereinfacht – auf das System Kraftwerk angewendet werden soll, wobei die Booleschen Modelle für die mathematische Verknüpfung der Systemkomponenten genutzt werden.

Die Grundstrukturen eines Zuverlässigkeitsmodells werden dabei als Seriensystem und Systeme mit Redundanz beschrieben. Für die Anordnung von Elementen in einer Serienanordnung ergibt sich die Zuverlässigkeit des Seriensystems

( ) ( ) ( ) ( ) ( )∏=⋅= τττττ ii21ges RR ... RRR

Mit der Zuverlässigkeit Ri eines Elementes i

Ri...R2R1



Im Falle einer Parallelschaltung von n Elementen erhält man die Zuverlässigkeit

( ) ( )( )∏=

−−=n

1iiges R11R ττ

Aus diesen Grundschaltungen können Zuverlässigkeitsstrukturen

(-Schaubilder) aufgebaut und die Ergebnisse bewertet werden.

Da nur ungenügende Angaben über die Ausfallraten von

Kraftwerksbauteilen vorliegen, verwendet man häufig

Verfügbarkeitsangaben für die Bauteile als Eingangswerte für die

Berechnung.

R1

R2

...

R4


Verfügbarkeit von Energieanlagen

Die Verfügbarkeit ist eine Kenngröße, die angibt, inwieweit ein Element bzw. System unter den Einwirkungen der Beanspruchung Schädigungen (Ausfälle) erfahren hat und inwieweit die mögliche Betriebszeit gemindert wurde. Sie ist ein Maß für die Einsatzfähigkeit über einen bestimmten Betrachtungszeitraum. Systematische Untersuchungen zur Verfügbarkeit von Kraftwerksanlagen, wie von Dampfkraftwerken, Gasturbinenanlagen, Gas- und Dampfanlagen und deren Bauteile wurden vom VGB-Fachausschuss durchgeführt. Eine Vergleichsgröße ist dabei die Zeitverfügbarkeit. Sie ist als Quotient aus der Verfügbarkeitszeit (tV) und der Nennzeit (tN) (Kalenderzeit) definiert, dabei ist die Verfügbarkeitszeit die Differenz zwischen der Nennzeit (tNenn) und der Nichtverfügbarkeitszeit DtNV oder die Summe aus Betriebs (tB)- und Bereitschaftszeit (tR).



Nenn

RB

Nenn

NVNennD

Nenn

VD

V

V

τττ

τττ

ττ

+=

−=

=tNenn … NennzeitDtNV … NichtverfügbarkeitszeittB … BetriebszeittR … Bereitschaftszeit

Die Zeitverfügbarkeit ist ein Maß für die zeitliche Einsatzfähigkeit einer Anlage, wobei die anlagenspezifischen Werte aus dem Betriebsverhalten, den Schadens- und Revisionsbewertungen gewonnen werden sollen.

Die einzelnen Verfügbarkeitswerte sind zwar objektbezogen, aber aus der Vielzahl der untersuchten vergleichbaren Kraftwerksanlagen sind verallgemeinerungsfähige Aussagen ableitbar.


Zuverlässigkeit von Kraftwerksblöcken

Vergleich zwischen Rostock und Boxberg• gleiche Frischdampfparameter• Unterschiedliche Anlagengestaltung• Boxberg trotzdem insgesamt redundanter ausgeführt

Luft- und Abgassystem, Wasser-Dampfkreislauf, Brennstoffversorgung



Teilsystem 1 Teilsystem 2 Teilsystem 3 Teilsystem 4 Teilsystem 5 Teilsystem 6

Übrige Hauptmaschi-

nensätzeDampferzeuger

Wasser- undDampfkreislauf

Luft- und Rauchgas-

system

Kohleversor-gung und

Entaschung

Gesamtsystem Kraftwerk


Frischluftgebläse Saugzug LUVO E-Filter DENOX Übrige

250 %

250 %

250 %

250%

150 %

150 %

150 %

150 %


Teilsystem 2KW Boxberg IV

1100 %

1100 %

1100 %

1100 %

KW Rostock


Zuverlässigkeit von KraftwerksblöckenTeilsystem 3KW Boxberg IV

Speisewasserpumpen Hauptkondensatpumpen Hauptkühlwasserpumpen Übrige

3 50 %

240 %

2 50 %

250 %

240 %

150 %

150 %

1 100 %

KW Rostock

1100 %

250 %

250 %

150 %

1 50 %



Auf der Grundlage von Einzelverfügbarkeiten konnten die Zeit- bzw. Dauerverfügbarkeiten der Teil- und Gesamtsysteme für die beiden Kraftwerke abgeschätzt werden. Es wurde für den Planteil der Nichtverfügbarkeit für beide Anlagen ein Wert

DtNV,Plananteil = 5,2 %nach eingehenden Recherchen angesetzt.Für den Außerplananteil der Nichtverfügbarkeit ergaben sich für die Teil- und Gesamtsysteme die Werte:

Nichtverfügbarkeiten [%] für die TeilsystemeKraftwerk

1 2 3 4 5 6Gesamt-system

Rostock 500 MW 0,1 0,9 0,5 2,0 0,7 0,1 4,3

Boxberg 800 MW 0,1 0,6 0,2 1,9 0,7 0,1 3,6

Vergleich der Außerplan-Nichtverfügbarkeiten für die Kraftwerksblöcke Rostock 500-MW-Steinkohle und Boxberg 800-MW-Braunkohle unter der Annahme von Einzelverfügbarkeiten nach VGB.



Somit werden für die Zeitverfügbarkeit (Plan- und Außerplananteil der Nichtverfügbarkeit beachtet!) der betrachteten Kraftwerke abgeschätzt.

% 91,2V

% 90,5V

MW 800Boxberg KW

MW 500Rostock KW

D

D

=

=

D.h., es kann eine um ca. 0,7 % höhere Dauerverfügbarkeit der 800-MW-Blockes des Kraftwerkes Boxberg gegenüber dem 500-MW-Block des Kraftwerkes Rostock erwartet werden. Die Ursachen sollten dabei in den höheren Redundanzen des Kraftwerksblockes in Boxberg zu sehen sein. Die Ergebnisse aus dem Kraftwerksbetrieb dieser Blöcke (aber auch des Blockes Staudinger 5) werden deshalb in den nächsten Jahren mit großem Interesse erwartet.



• Energieträger und deren Auswirkung auf die Umwelt• Schadstoffe und Emissionen• Energiebilanzen• Arten von Kraftwerken und deren Wirkungsgrade• Leistungsbereiche von Kraftwerken• Kosten und Kostenarten• Chemische Zusammensetzung von Brennstoffen (flüssig, fest, gasförmig)• Heizwert• Merkmale der Verbrennung und Vergasung (Reaktionen/Teilreaktionen)• Kraftwerksprozess im hs-Diagramm• Kreisprozess• Wirkungsgradsteigerung/zukünftige Entwicklungen• Limitierungen (Werkstoffe, Prozesstemperatur ...)• Kraftwerkskomponenten



• Eigenbedarf • Schaltungen und Berechnung von Kraftwerksprozessen• Dampferzeuger/Komponenten• Rauchgasreinigung: Entstickung, Entschwefelung• Gasturbinen und GuD• Prozessdarstellung im Ts-Schaubild• Beispielschaltung zur Abwärmenutzung• PFBC/IGCC/Oxyfuel• Brennstoffzellen• Solarthermische Kraftwerke• (Photovoltaik)• Geothermie/Wasserkraftwerke• WEA

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