Energietechnik: Systeme zur konventionellen und erneuerbaren Energieumwandlung. Kompaktwissen für Studium und Beruf

726 Pages·2019·19.365 MB·German

by  Richard Zahoransky

Richard Zahoransky Hrsg.
Energietechnik
Systeme zur konventionellen
und erneuerbaren Energieumwandlung.
Kompaktwissen für Studium und Beruf
8. Auflage
Energietechnik
Richard Zahoransky
(Hrsg.)
Energietechnik
Systeme zur konventionellen
und erneuerbaren Energieumwandlung.
Kompaktwissen für Studium und Beruf
8., überarbeitete und ergänzte Auflage
Unter Mitarbeit von Hans-Josef Allelein, Elmar Bollin,
Udo Schelling, Harald Schwarz und Dominik
Wörsdörfer
Hrsg.
RichardZahoransky
FakultätMaschinenbauundVerfahrenstechnik
HochschuleOffenburg
Offenburg,Deutschland
ISBN978-3-658-21846-1 ISBN978-3-658-21847-8(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-21847-8
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Vorwort zur 8. Auflage
DurchdasBestreben,diemitderEnergiewandlunginallenLebens-undArbeitsbereichen
verbundenenCO -Emissionendrastischzureduzieren,sindsämtlichemitderBereitstel-
2
lungvonStrom,WärmeoderTransportbefasstenProzessederzeitindenFokusdesöffent-
lichenInteressesgerückt.AufgrundderVielfaltmöglicherLösungsansätzefürspezifische
Fragestellungen ist dabei die umfassende Kenntnis der grundlegenden Zusammenhänge
eineunabdingbareVoraussetzungfürindiesemBereichtätigePersonen.
Dasnunmehr–17JahrenachderErstauflage–inder8.AuflageerschieneneSachbuch
„Energietechnik– Systeme zur Energieumwandlung– Kompaktwissen für Studium und
Beruf“bietethierfüreinenidealenEinstieg.MiteinerdidaktischsehrgelungenenAufbe-
reitungbietetdasBucheinenumfassendenÜberblickübereinegroßeZahlvonEnergie-
wandlungsprozessenundderdabeieingesetztenApparateundMaschinen.Zugunstender
ÜbersichtlichkeitverzichtendieAutorenaufdiedetaillierteDiskussioneinzelnerAspekte
bestimmter Verfahren und Kreisprozesse. Genau diese Fokussierung auf Wirkprinzipien
und Zusammenhänge macht das Buch auch für Studenten und Studentinnen der Inge-
nieurwissenschaften interessant. Mit den hier erworbenen Grundkenntnissenkann leicht
der Weg zu anderen Quellen, vor allem auch zur weiterführenden Literatur, beschritten
werden.InsbesondereeröffnendieamEndederKapitelgestelltenAufgabendenWegzur
eigenständigenLösungsfindung,diesichdannanhandderamEndedesBuchesgegebenen
Auflösungenauchverifizierenlässt.
Aufgrundder gewählten didaktisch klugenundübersichtlichen Darstellung empfehle
ichdieses SachbuchnichtnurStudentenundStudentinnenderIngenieurwissenschaften,
sondernauchallenanenergietechnischenZusammenhängeninteressiertenLaien.
Univ.-Prof.Dr.-Ing.ReinholdKneer
LehrstuhlfürWärme-undStoffübertragung
RWTHAachenUniversity
V
Vorwort des Herausgebers zur 8. Auflage
Die politisch durchgesetzte „Energiewende“ stellt in Deutschland an die Branche der
EnergieversorgerweiterhinhoheHerausforderungen.BeidemhohenerreichtenProzent-
satzdernichtgesteuertenEinspeiseanlagenauserneuerbarenQuellenisteinAusbaudes
elektrischenÜbertragungsnetzes(Höchstspannungsleitungen)undderEnergiespeicherin
DeutschlandfürdienachhaltigeVersorgungmitelektrischer Energieunabdingbar.Doch
stecken weiterhin die Transmissions-Hochspannungsleitungen von den dezentralen Er-
zeugern elektrischer Energien durch die vielen Windanlagen in den industrieschwachen
GebietenimNordostenDeutschlandsundOff-ShorezudenVerbrauchszentrenimSüden
indenPlanungenfest.EbensofehlenSpeicheranlagen,umErzeugungs-undVerbrauchs-
spitzenzuverlässigausgleichenzukönnen,insbesondere,daderBetriebderRegel-Kraft-
werkenichtmehrwirtschaftlichistunddiesezunehmendabgeschaltetwerden.Mankann
dieLeistungderEnergieversorgerundNetzbetreibernichthochgenugansetzen,dassbei
diesenUmwälzungeninDeutschlanddieVersorgungmitelektrischerEnergiesozuverläs-
sigfunktioniert.DankgebührtauchdemeuropäischenVerbundnetz,denndieseserlaubtes
immernoch,denungesteuertenüberschüssigenStromausDeutschlandabzunehmenund
denfehlendenStromnachDeutschlandzuliefern–diesalles,ohneaufdenBedarfRück-
sicht zu nehmen. Es ist nicht verwunderlich, dass sich neben Deutschland global kein
weiteres Land zu einer derart schnellen Restrukturierung des Energiemarktes mit hoher
SubventionierungdererneuerbarenEnergieanlagenundAbschaltungderKernkraftwerke
durchringenkonnte.
DiesesLehrbuchkonzentriertsichaufdieverschiedenenkonventionellenunderneuer-
baren Techniken der Stromerzeugung, wenngleich gerade in Deutschland die Energie-
politik bestimmt, welche Techniken sich durchsetzen und welche aufgegeben werden.
InsofernunterscheidetsichderKraftwerksmixzwischendeneinzelnenLänderndeutlich–
derLeserfindetalleglobalbedeutsamenTechnikeninihrenGrundzügenindiesemBuch.
GegenüberdersiebtenAuflagewurdendieGrundlagenderEnergiewandlungdeutlich
um verfügbareEnergiequellen, Energieträgerund den globalen Energiebedarferweitert.
DasKap.19erfuhrunterseinemneuenAutoreinegrundlegendeNeufassungundfirmiert
nununterdemTitel„MarktliberalisierungundEnergiewende“.WiebeijederneuenAuf-
lagewarendieAutorenbestrebt,denInhaltzuaktualisierenunddidaktischverständlicher
darzustellen.
VII
VIII VorwortdesHerausgeberszur8.Auflage
DankgebührtdemLektoratdesVerlags,dasdieAutoreneinmalmehrkonstruktivkri-
tisch begleitete und gute Hinweise zur Verbesserung dieses Buches geben konnte. Hier
darfichgernediesorgfältigeArbeitdesCheflektorsThomasZipsnerundseinerMitarbei-
terin,FrauImkeZander,loben.
Offenburg Prof.Dr.-Ing.RichardA.Zahoransky
imNovember2018
Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen
und Abkürzungen
Teilweise sind einzelne Formelzeichen doppelt besetzt. Dies lässt sich bei dem weiten
GebietderEnergietechnikkaumvermeiden,wennnichtaufdieüblicheNomenklaturver-
zichtetwerdensoll.ImTextsinddieverwendetenFormelzeichenjeweilserläutert.
Kürzel Erläuterung Einheit
A Atommassenzahl kg/kmol
A Fläche m2
A1P Annex1Parties(imAnhang1aufgeführteVertragsparteien)
A InstalliertePhotovoltaik-Generatorfläche m2
PV
ABZ AlkalischeBrennstoffzelle –
AFC Alkalinefuelcell –
AFM+E AußenhandelsverbandMineralölundEnergie –
AM AirMass 1
a RelativeAnnuität 1
a ParameterdesWindgeschwindigkeitsprofils 1
a Abbremsfaktor 1
a Abbrand W/kg
B Breite m
B MagnetischeFeldstärke;magnet.Induktion T=Vs/m2
B FreiwerdendemittlereBindungsenergiedifferenzproNukleon eVbzw.J
E
BDI BundesverbandderDeutschenIndustrie –
BHKW Blockheizkraftwerk –
BKV Bilanzkreisvertrag –
BMWi BundesministeriumfürWirtschaftundTechnologie –
BNA Bundesnetzagentur
BNE BundesverbandneuerEnergieanbieter
b Abbremsfaktor 1
b EffektiverspezifischerKraftstoffverbrauch kg/J
eff
C ElektrischeKapazität F
C Leistungsbeiwert 1
P
Cmax Max.Leistungsbeiwert,Betz-Faktor 1
P
IX
X VerzeichnisderverwendetenFormelzeichenundAbkürzungen
Kürzel Erläuterung Einheit
CDM CleanDevelopmentMechanism
CER CertifiedEmissionReduction
COP ConferenceoftheParties(KonferenzderVertragsparteien)
CPC ParabolicConcentrator –
c Wärmekapazität(Tab.2.1) J/(kgK)
C Auftriebsbeiwert 1
A
c,c Geschwindigkeit,Absolutgeschwindigkeit m/s
i
c WärmekapazitätbeikonstantemDruck J/(kgK)
p
cD WärmekapazitätbeikonstantemDruckfürDampf J/(kgK)
p
cGes WärmekapazitätbeikonstantemDruckfürDampf-Rauchgas-Mi- J/(kgK)
p
schung
cRG WärmekapazitätbeikonstantemDruckfürRauchgas J/(kgK)
p
cW WärmekapazitätfürWasser J/(kgK)
p
c UmfangskomponentederAbsolutgeschwindigkeit m/s
u
c WärmekapazitätbeikonstantemVolumen J/(kgK)
v
cD WärmekapazitätbeikonstantemVolumenfürDampf J/(kgK)
v
cGes WärmekapazitätbeikonstantemVolumenfürDampf-Rauchgas- J/(kgK)
v
Mischung
cRG WärmekapazitätbeikonstantemVolumenfürRauchgas J/(kgK)
v
C Widerstandsbeiwert 1
W
c Windgeschwindigkeitin10mHöhe m/s
10
D Durchmesser m
DMFC Directmethanolfuelcell –
DN Nenndurchmesser m
DNA DesignatedNationalAuthority
DOE DesignatedOperationalEntities
DVG DeutscheVerbundgesellschaft –
DZ SolarerZapf-Deckungsanteil 1
d Abstand M
E,E Energie,mittlereEnergie J
E ElektrischeSpannung(Kap.9) V
E ElektrischesFeld(Abschn.4.13) V/m
E Strahlungsintensität(Kap.12) W/m2/µm
E ElektrischeEnergie J
El
E SpaltungsenergievonAtomen J
Fiss
E FusionsenergievonAtomen J
Fus
E GesamterEnergieinhalt J
Ges
E Energieform,indieumgewandeltwerdensoll J
i
E KinetischeEnergie J
Kin
E MaximaleSpannung V
max
E PotenzielleEnergie J
Pot
VerzeichnisderverwendetenFormelzeichenundAbkürzungen XI
Kürzel Erläuterung Einheit
E ElektromagnetischeEnergiebzw.Strahlungsenergie J
Q
E NutzbarerSonnenenergieertrag J
PV,use
E EingestrahlteSonnenenergieinModul J
Sol
E GespeicherteEnergie J
Speicher
E Rotationsenergie J
Rot
E ThermischeEnergie J
Th
E ZündenergiezurAuslösungderFusion J
Z
E SolarkonstanteE =1,367kW/m2˙1% W/m2
0 0
E0 ThermodynamischreversibelerreichbareZellspannung V
E Exergie J
x
EEG ErneuerbareEnergienGesetz –
EEX EuropeanEnergyExchangeLeipzig
EFET EuropeanFederationofEnergyTraders –
EnWG Energiewirtschafts-Gesetz
ERU EmissionReductionUnit
ETS EmissionTradingSystem
EU EuropäischeUnion
EVU Energieversorgungsunternehmen –
e massenspezifischeEnergie,Indizeswiebeio.g.Energietermen J/kg
F Kraft N
F FaradaykonstanteF=96.486As/mol As/mol
F Auftriebskraft N
A
F Umfangskraft N
u
F Kraftinx-Richtung N
x
F Widerstandskraft N
W
FEDV FreierEnergiedienstleisterVerband –
g BeschleunigungeinesKörpers,deraufderErdefreiimVakuum m/s2
fällt.InternationalerStandardwertg=9,80665m/s2.DerWerthängt
vonderErdpositionab.
GHG GreenhouseGas,Treibhausgas
GWRK Großwasserraumkessel –
H Höhe m
H Enthalpie J
H NutzbaresGefälle m
N
H Brennwert(früher:obererHeizwert) J
o
H Heizwert(früher:untererHeizwert) J
u
H EnthalpiebeiuntererProzesstemperatur(nurKap.2) J
U
H Verlusthöhe m
Verl
HD Hochdruck –
HDR HotDryRock –
HRV Händlerrahmenvertrag