ENT3-04 – Energieumwandlung – Strom, Bilanzen

Inhaltsverzeichnis

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, Stoffströme, Energieströme, Energiebilanz
Energieumwandlung, Stoffströme, Energieströme, Energiebilanz

 


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.

Energieumwandlung Energieströme - Deutschland
Energieumwandlung Energieströme – Deutschland

 


Energiefluss weltweit – Sankey-Diagramm


In der zweiten Abbildung sehen wir den Energiefluss weltweit (400 Exajoule) auch dargestellt als Sankey-Diagramm.

Energieumwandlung, Energieströme - Weltweit
Energieumwandlung, Energieströme – Weltweit

 

 

 


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.

 

Merk's dir!
Merk's dir!

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.

 \boxed{ \dot{B} }

 

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.

 

Merk's dir!
Merk's dir!

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.

 

undefiniert
Ganz ungeniert, markiert...:

Überschreitet ein einzelner Strom die Bilanzgrenze, so ist dieser zu nummerieren und anschließend zu bezeichnen (also einem Bilanzkreis zuzuordnen)

 

undefiniert
Beispiel: XXX

Beispiel: Q4 – Zusatzenergie (Elektrisch): E_{Q,4}

 

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: T = 273,15 K
Druck: P = 101325 Pa = 1,013 Bar

 

 


Blockfließbild – Schema 



Für ein Bessere Verständnis schauen wir uns zuerst das Blockfließbild für eine Müllverbrennungsanlage mit Energiegewinnung an.

 

Blockflussbild - Müllverbrennungsanlage
Blockflussbild – Müllverbrennungsanlage

 


Bilanzkreise – Schema



Der ganze Prozess lässt sich dann wieder in unterschiedliche Bilanzkreise der Gesamtanlage (Q) zerlegen:

 

Bilanzkreise - Energieumwandlung
Bilanzkreise – Energieumwandlung

 


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.

Bilanzschema - Darstellung
Bilanzschema – Darstellung

 

  • 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:

 

undefiniert
Ist das nicht Elektrotechnik?...



“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.

Bilanzschema - Darstellung
Bilanzschema – Darstellung

 

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:

 \boxed{ \eta_{A,Q,el} = 0,126 }

 

Thermischer Anlagenwirkungsgrad:

 \boxed{ \eta_{A,Q,th} = 0,128 }

 

Gesamter Anlagenwirkungsgrad:

 \boxed{ \eta_{A,Q,gesamt} = \eta_{A,Q,el} + \eta_{A,Q,th} = 0,126 + 0,128 = 0,2,54 }

 

 



wie gehts weiter

Wie geht's weiter?

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.

 

Trainingsbereich

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