In diesem Kurstext erklären wir dir im Rahmen der Energieumwandlung ausführlich die Energieformen und zeigen dir ausführlich wie die Stoffströme und Energieströme erfasst und wie Bilanzen dazu aufgestellt werden. Abschließend fassen wir unsere Erkenntnisse in Wirkungsgraden zusammen. Diese Informationen helfen dir die Abläufe in einem Kraftwerk besser zu verstehen.
“Die Stoffströme umfassen alle Ströme in denen eine Materie bewegt wird.”
“Die Energieströme beschreiben den Transport von Energien”
“Die Bilanzen geben uns Auskunft darüber wie effizient unsere Anlage läuft.”
Energieumwandlung – Grundlagen
Unabhängig von der Art der Umwandlung laufen Stoff- und Energieströme ab. Auf jeder Umwandlungsstufe entstehen Verluste.
Energiefluss für Deutschland – Sankey-Diagramm
In der ersten Abbildung sehen wir den Energiefluss für Deutschland (14 Exajoule) dargestellt als Sankey-Diagramm.
Energiefluss weltweit – Sankey-Diagramm
In der zweiten Abbildung sehen wir den Energiefluss weltweit (400 Exajoule) auch dargestellt als Sankey-Diagramm.
Energieumwandlung – Bilanzieren – Bilanzarten
Jeden Vorgang in einem Kraftwerk kann man Bilanzieren. Dabei greift man auf unterschiedliche Betrachtungen zurück:
Wirkbilanzen
Die Wirkbilanzen berücksichtigen
- Soziale Aspekte
sowie
- Kosten (also die ökonomische Effizienz)
sowie
- Umweltverträglichkeit (als die Ökologische Bilanz)
Man erfasst also, zu welchen Kosten und unter welchen gesellschaftlichen wie ökologischen Auswirkungen ist eine Energieumwandlung möglich.
Sachbilanzen
Die Sachbilanzen berücksichtigen
- Massenbilanzen
sowie
- Stoffbilanzen
sowie
- Energiebilanzen
Aus den drei genannten Bilanzen lässt sich dann der Wirkungsgrad eines Kraftwerks ermitteln.
Fast immer ist es dabei sinnig zuerst die drei Bilanzen und damit verbunden die Wirkungsgrade für einzelne Bereiche einer Kraftwerksanlage zu ermitteln, um dann auf den Gesamtwirkungsgrad der Gesamten Kraftwerksanlage zu errechnen.
Unabhängig davon mit welcher Komponente ich meine Betrachtung starte, müssen wir uns immer an die folgenden beiden Sätze halten:
1. Energieerhaltungssatz – Es ist der 1. Hauptsatz der Thermodynamik
2. Massenerhaltungssatz
Die genaue Vorgehensweise kannst du dir in der Norm 3460 des VDI nachlesen.
Stoffströme und Energieströme
Bevor wir gleich mit den einzelnen Wirkungsgraden starten, möchten wir an dieser Stelle noch mal die einzelnen Größen für Stoff- und Energieströme definieren:
Relevante Größen für Stoff und Energieströme
Ströme:
Hier handelt es sich immer um zeitbezogene Größen, die mit einem Punkt oberhalb des festgelegten Buchstabens gekennzeichnet werden.
Feuerungswärmeleistung:
Diese Leistung beschreibt die Energieströme, die der Feuerung mit Hilfe von Brennstoffströmen zugeführt werden.
Einsatzenergie:
Diese zu bilanzierende Energie tritt über die Bilanzgrenzen hinweg in das System (Untersuchungsbereich, Kraftwerkskomponente) ein.
Zusatzenergie:
Diese wird zusätzlich zur Einsatzenergie (Hauptstrom) dem System zugeführt.
Fremdenergie:
Bei dieser Zusatzenergie handelt es sich Energie, die nicht im sondern außerhalb des Systems wirkt, aber indirekten Einfluss auf das System hat.
Eigenenergie:
Dies ist auch eine Zusatzenergie, die sich aus der Rückführung ergibt.
Zielenergie:
Die Zielenergie ist die Energie, die das System über die Bilanzgrenzen wieder verlässt und als nutzbare Energie abgeben wird.
Nettozielenergie:
Die Nettozielenergie stellt die Zielenergie abzüglich der externen Zusatzenergie dar.
Verluste:
Dieser Wert umfasst alle abgegebenen, aber nicht genutzten Energieströme (wie. Abwärme).
Bilanzgrenzen – Ströme – Übersicht – Stoffströme
Bevor man damit beginnt den Wirkungsgrad zu ermitteln, muss man sich vorher fragen: Was will ich überhaupt bewerten. Denn die Bestimmung des Wirkungsgrades ist ja nichts anderes als eine Aussage über die Wirksamkeit eines Prozesses zu ermitteln.
Wir müssen dafür im Vorfeld alle relevanten Stoff- und Energieströme in einem Bilanzschema ermitteln.
Dieses Bilanzschema erhält dann die bereits erwähnten Bilanzgrenzen, die dann je nach Interesse einen oder mehrere Bilanzkreise bilden.
Überschreitet ein einzelner Strom die Bilanzgrenze, so ist dieser zu nummerieren und anschließend zu bezeichnen (also einem Bilanzkreis zuzuordnen)
Beispiel: Q4 – Zusatzenergie (Elektrisch): 
Danach trägt man an jeden Strom den Massen- und Energiestrom an. Teilweise dann auch benötigte spezifische Stoffströme.
Normzustand ermitteln
Bei der Bilanzierung ist darauf zu achten, dass man einen einheitlichen Bezugszustand wählt. Dieser gilt dann für alle ein- und austretenden Ströme.
Normzustand:
Temperatur: 
Druck: 
Blockfließbild – Schema
Für ein Bessere Verständnis schauen wir uns zuerst das Blockfließbild für eine Müllverbrennungsanlage mit Energiegewinnung an.
Bilanzkreise – Schema
Der ganze Prozess lässt sich dann wieder in unterschiedliche Bilanzkreise der Gesamtanlage (Q) zerlegen:
Bilanzschema – Schema
Daraus bilden wir das zugehörige Bilanzschema für den Bilanzkreis Q mit den Bereichen
- Thermisches Hauptverfahren,
sowie
- Abgasreinigung
sowie
- Energieumwandlung.
Wie das dann aussieht, kannst du im nächsten Bild ausmachen:
Hier wird das Bilanzschema für eine Müllverbrennungsanlage mit Energiegewinnung (elektrische Energie) sowie Abgasreinigung und anschließender Reststoffentwertung dargestellt.
- In der Mitte siehst du den bekannten Bilanzkreis Q.
- Links sind alle Ströme (nummeriert Q1-Q7) aufgeführt, die in das System eingehen.
- Rechts sind alle Ströme (nummeriert Q8-Q13) aufgeführt, die das System verlassen.
Immer mit Angabe von Masse-, Energie– und Stoffstromgrößen.
Nach dieser Aufgabe müssen wir für den
- Massenstrom
- Energiestrom
- Stoffstrom
bilanzieren. Hier sehen wir dann ob die Bilanzen schlüssig sind und aufgehen. Denn es gilt wie so oft:
“Die Summe der eingehenden Ströme (Aufwand) muss der Summe der austretenden Ströme entsprechen.”
Du siehst wieder das bekannte Bild nun aber mit den eingesetzten Werten für die einzelnen Ströme.
Links und rechts jeweils die kumulierten Summen der eingehenden und ausgehenden Ströme.
Wie wir schnell merken sind diese deckungsgleich. Wir haben also keinen Fehler gemacht.
Anlagenwirkungsgrade
Im letzen Schritt schauen wir uns noch mal die den Anlagenwirkungsgrade, die wir über die Analyse der Stoffströme ermitteln konnten, an.
Elektrischer Anlagenwirkungsgrad:
Thermischer Anlagenwirkungsgrad:
Gesamter Anlagenwirkungsgrad:
Nach dem du jetzt einen Überblick zu Stoffströme, Energieströmen und Energiebilanzen hast, die bei einer Energieumwandlung erstellt werden können, werden wir dir im kommenden Kurstext ausführlich die Wirkungsgrade vorstellen, die bei der Energieumwandlung realisiert werden können. Dabei setzen wir unsere Betrachtung der Verbrennungsanlage mit Gewinnung elektrischer Energie fort.
sowie: https://technikermathe.de/courses/ent2-kraftwerkstechnik Kennst du eigentlich schon unseren YouTube-Channel? – Nein? – Dann schau super gerne vorbei: https://www.youtube.com/channel/UCCsPZX5is8mRcoZG8uAS_ZQ Immer auf dem neuesten Stand sein? – Ja? – Dann besuche uns doch auch auf Instagram: https://www.instagram.com/technikmachts/
Dein Technikermathe.de-Team