Kapitel 2 Theoretische Grundlagen
0 Was versteht man unter dem Begriff „Energie“ und welche möglichen
Erscheinungsformen kennen Sie?
Elektrische Energie W (el. Arbeit) ist el. Leistung über eine bestimmte zeitliche Dauer. Bei
Messung des Stromverbrauchs in kWh.
Energie ist eine Zustandsgröße, die ein System charakterisiert. Aus
ingenieurwissenschaftlicher Sicht müssen für jedes System die in einer konkreten
Anwendung wesentlichen Energieformen ermittelt werden. Im Bereich elektrischer
Energiesysteme wichtige Energieformen und mögliche Erscheinungsformen sind
beispielsweise:
· elektrische Feldenergie (Spannung an einem Kondensator)
· magnetische Feldenergie (Strom durch eine Spule)
· potenzielle Energie (Höhe eines auf einem Tisch liegenden Steins)
· kinetische Energie (Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs)
· Spannenergie (Zugkraft einer gedehnten Feder)
· pneumatische Energie (Druck in einem Luftballon)
· Wärmeenergie (Temperatur eines Steins)
· chemische Energie (Spannung einer Batterie)
1 Was verstehen Sie unter dem Begriff „Leistung“ und wie ist diese definiert (Formel + Einheiten)?
Leistung P ist das Produkt aus Strom und Spannung.
Zusammenhang:
wobei p(t) … Momentanleistung (zeitl. Verlauf der Leistung).
Einheit: Watt
Wirk-, Blind und Scheinleistung
2 Wie können elektrische Wechselgrößen erzeugt werden (+Skizze)?
Elektromagnetismus à Maxwell; Induktionsgesetz
3 Wie lautet das Induktionsprinzip?
Unter elektromagnetischer Induktion (kurz: Induktion) versteht man das Entstehen einer elektrischen Spannung entlang einer geschlossenen Linie durch die Änderung des magnetischen Flusses durch die von der Linie umschlossene Fläche.
4 Stellen Sie die Spannung u(t) = Û*cos(j*omega*t + j*phi) in komplexer
Schreibweise und als Zeiger dar. Ermitteln Sie weiters den Effektivwert
und die Periodendauer.
5 Wie berechnet man die Impedanz einer Induktivität bzw. einer Kapazität? Geben Sie Formel, Zeigerdiagramme und Zeitverläufe für Strom und Spannung an!
6 Erklären Sie folgende Begriffe und deren Zusammenhang: Impedanz, Admittanz, Resistanz, Reaktanz, Konduktanz, Suszeptanz
7 Skizzieren Sie eine allgemeine Pi-Ersatzschaltung! Was versteht man in diesem Zusammenhang unter Längs- bzw. Querelementen?
· Längselemente als Impedanz
· Querelemente als Admittanzen
8 Wie werden Drehfelder erzeugt? Skizzieren Sie den Aufbau eines
typischen Drehstromgenerators!
Die mechanische Energie, beispielsweise einer Turbine, wird in einem Drehstromgenerator
in elektrische Energie umgewandelt. Der Drehstromgenerator erzeugt dabei ein Drehfeld,
das in Europa mit 50 Hz (konventionelle elektrische Energieversorgung) bzw. auch mit
16,7 Hz (Bahnbetrieb) umläuft. Aufgrund der symmetrischen räumlichen Anordnung der
Wicklungen im Generator entstehen drei Spannungen, die um jeweils ⅓ der Periodendauer
zeitlich (Funktionsdarstellung) bzw. in der Zeigerdiagrammdarstellung um 120 °
phasenverschoben sind.
9 Stellen Sie die grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen verketteterSpannung und Strang- (Phasen-)Spannung bei symmetrischenBedingungen in einem dreiphasigen System dar (+Skizze).
10 Wie ist die komplexe Scheinleistung definiert? Erklären Sie alle Formelzeichen und skizzieren Sie das Leistungsdreieck!
11 Was versteht man unter der "Drehstromleistung", wie berechnet man sie
in symmetrischen und unsymmetrischen Drehstromnetzen?
Die komplexe Leistung S im Vier- und im symmetrischen Dreileiter-Drehstromnetz wird aus
den Momentanwerten der komplexen Leistungen der drei Leiter L1, L2 und L3 („leiterweise“) berechnet. Weiters gilt, dass in symmetrischen Drehstromnetzen bereits aus der Kenntnis eines einzigen Spannungs- bzw. Stromzeigers das gesamte Spannungs- bzw.
Stromzeigerdiagramm abgeleitet werden kann. Es genügt daher die Leistungsberechnung in
einer Phase. Die Gesamtleistung beträgt das Dreifache.
12 Wie kann elektrische Leistung gemessen werden?
Messung von Strom und Spannung und anschließender Multiplikation; Phasenlage cos() mittels cos()-Messgerät; Wirkleistung mittels Wattmeter
13 Stellen Sie Strom und Spannung sowie die Leistungen einer idealen
Spule und eines idealen Kondensators im Zeigerdiagramm dar und
erklären Sie alle Größen!
14 Wie ist der Leistungsfaktor definiert und was sagt dieser aus?
Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis zwischen Wirkleistung P und Scheinleistung S. Er ist
eine Kennziffer, die die Qualität des Elektroenergietransportprozesses beschreibt.
15 Nennen Sie die grundlegenden Unterschiede zwischen Verbraucher- und
Erzeugerzählpfeilsystem!
Im Erzeugerzählpfeilsystem wird der Strompfeil bei Leistungsexport von der Quelle
wegzeigend orientiert. Im Verbraucherzählpfeilsystem wird die Richtung des Stromes
(Strompfeile) bei Leistungstransport in die Last zur Last zeigend orientiert.
16 Was sind "Nenngrößen" und welche Nenngrößen kennen Sie?
Nenngrößen:
Nenngrößen sind für Betriebsmittel im Wesentlichen auf deren Bemessung im Dauerbetrieb
ausgerichtet, d.h. Nennwerte sind für die Betriebsmittel dauernd zulässige Werte.
Netz-Nennspannung:
Sofern nicht anders angegeben, ist bei der Nennspannung in Drehstromnetzen immer die verkettete Spannung gemeint!
Nennspannung:
Spannung, nach der eine Anlage, ein Netz, ein elektrisches Betriebsmittel und Ähnliches
gekennzeichnet ist und auf die sich bestimmte Betriebsgrößen dieses Systems (z. B.
Grenzwerte) beziehen, im Unterschied zur tatsächlich zwischen den Leitern herrschenden
Betriebsspannung. Die Nennspannung ist bei Wechselspannung der Effektivwert, bei
Gleichspannung der arithmetische Mittelwert der Spannung.
Nennstrom IN:
Nennstrom ist derjenige Strom von Betriebsmitteln, für den diese
ausgelegt sind (Stichwort Querschnitt, Verluste und Kühlung). Ein Überschreiten dieses
Stromes ist aus thermischen Gründen nur zeitlich begrenzt möglich.
Nenn-Scheinleistung SN:
Kapitel 3 Grundlagen der elektrischen Energieversorgung
17 Was ist ein Sankey-Diagramm? Erklären Sie anhand einer Skizze dessen Eigenschaften und die darin vorkommenden Energieformen! Gehen Sie auch auf die Begriffe Primär-, Sekundär- und Endenergie ein.
Beschreibung und grafischen Darstellung beliebiger Mengenströme
Primärenergieträger: Kohle, Holz, Erdöl, Naturgas, Wasserkraft…
Sekundärenergie: Aus Primärenergie mit Verlusten behafteten Umwandlungsprozess behaftet Energieträger.
Endenergie: vom Verbraucher nutzbare Energiemenge
18 Erklären Sie den Weg von der Primärenergie zum Verbraucher der elektrischen Energie und gehen Sie auf die Verluste entlang dieses Weges ein!
Primärenergieträger à Kraftwerk (Verluste: Umwandlung, Übertragung) à Sekundärenergie à Einspeisung ins Übertragungsnetz à Übertragung zum Verbraucher à Endenergie (Endverbraucher)
19 Wie sind elektrische Energieversorgungssysteme strukturiert? Welche(Faust-)Regeln haben Sie in diesem Zusammenhang kennengelernt?
· Verschiedene Spannungsebenen (Eisspeisung über alle möglich und auch üblich)
· Verbunden durch Transformatoren oder Einspeiser (Generatoren)
· Energiefluss von Quelle (Erzeuger) über Spannungsebenen zu Senken (Verbraucher)
Regel 1: „Von der Quelle über das Netz zum Verbraucher“
Elektrische Energie fließt von der Quelle (Stromerzeugung aus Primärenergie) über das Netz zum Verbraucher und wird dort von Endenergie in Nutzenergie umgewandelt.
Regel 2: „Einspeiseleistung in MW korreliert mit der Spannungsebene in kV“
Auf Grund der erforderlichen Stromtransportkapazitäten gilt weiters auch die Regel, dass
große Leistungen (einige 100 MW) in die Höchst-/ Hochspannungsebene einspeisen.
Mittlere Leistungen (einige wenige 10 MW) werden in die Mittelspannungsebene eingespeist und kleine Leistungen (einige 10 kW) in die Niederspannungsebene.
Regel 3: „km = kV“
sonst kommt es beispielsweise zu einer unzulässigen Spannung (außerhalb der vorgegebenen Grenzen) am Ende der Leitung.
Regel 4: „Verdoppelung des Spannungsniveaus bewirkt Reduktion der ohmschen
Leitungsverluste auf ¼“
Spannungstransport nur relativ
kleine Spannungsabfälle im Prozentbereich und vor allem geringe Verluste bewirken darf.
Regel 5: „MVA = kV“
maximalen Strombelastbarkeit technisch üblicher Leitungsquerschnitte ergibt sich
diese Faustregel.
20 Skizzieren und erklären Sie die Ebenen der Energieübertragung!
21 Welche Elemente sind elektroenergetische Bestandteile elektrischer Netze (inkl. Steuerung?
· Transformatoren (Blocktrafo, Regeltrafo, Stelltrafo,…)
· Generatoren (Synchron-, Asynchrongeneratoren)
· Leitungen (Freileitung, Masten, Kabelanlagen, )
· Schaltelemente (Leistungsschalter, Lasttrenner, …)
· Lasten und Verbraucher (Motoren, Spulen, Kondensatoren, …)
Steuerung:
· Schutzgeräte (Sammelschienenschutz, Leitungsschutz, …)
· Leittechnische Einrichtungen.
22 Welche Netzformen kennen Sie? Geben Sie einen kurzen Überblick über deren Vor- und Nachteile!
Strahlennetz:
Vorteil: einfache und Übersichtliche Netzstruktur
Nachteil: komplette Abschaltung im Störfall hinter der Störquelle
Ringnetz:
Vorteil: relativ einfache und übersichtliche Netzstruktur, keine komplette
Abschaltung im Störfall
Nachteil: Hohe Anforderungen an Netzschutz
Maschennetz:
Leitungen verlaufen über Knotenpunkte
Vorteil: hohe Versorgungszuverlässigkeit
Nachteil: kompliziert, Hohe Anforderungen an Netzschutz
Ring- und Maschennetz werden im Normalbetrieb als Strahlennetz betrieben und nur im Störfall umgeschaltet.
23 Was versteht man unter einer HGÜ? Welche Ausführungsformen kennen Sie? Skizzieren Sie eine Ausführungsform!
Hochspannungs- Gleichstromübertragung
Energietransport:
§ Große Entfernung
§ Forderung nach geringer Leitungsverluste àHochspannungsübertragung
Wechselstromtechnik: große Leitungsreaktanzen à hohe Spannungsverluste
Halbleitertechnik: Hohe Gleichspannungen übertragen
Brückengleichrichter à Übertragung àUmrichter in Wechselspannungen àHalbleiterschaltungen erzeugen wellige Gleichspannungen à nicht sinusförmige Spannungen à Filter (hochfrequente Anteile)
24 Wie werden Prognosen in der Elektrizitätswirtschaft erstellt? WelcheGrößen und Funktionen sind dabei hilfreich?
Prognosen haben in der Elektrizitätswirtschaft einen festen Platz, da der Ausbau von
Energieversorgungssystemen kostenintensiv und zeitaufwändig ist. Daher sind rechtzeitig
die nötigen Planungsunterlagen bereitzustellen.
Bestimmender Parameter für den Ausbau von Energieversorgungssystemen ist der
Verbrauch mit den Aspekten Leistung (bestimmend für Turbinen und Generatoren,
Querschnitte etc.) und Energie (Primärenergie-Sicherung, langfristige Verträge bei Ein- und
Verkauf von Roh- bzw. elektrischer Energie), sowie neuerdings auch die Erzeugung
aufgrund des „Unbundling“s.
Verwendung mathematischer Funktionen, welche durch Verwendung von Freiheitsgraden angepasst werden. (Optimierung)
Energieverbrauch nimmt in etwa 2,4 % pro Jahr zu.
25 Was versteht man unter „Elektrogerätesättigung“ und wie ist dieAbhängigkeit des Stromverbrauchs vom Brutto-Sozialprodukt? Wie siehtdie Steigerung im doppelt-logarithmischen Maßstab hierbei aus?
Der Zusammenhang zwischen Bruttosozialprodukt und Stromverbrauch ist in nachfolgenden
Abbildung 3-16 dargestellt.
Bei einer doppeltlogarithmischen Darstellung bedeutet ein Winkel von 45 °, dass der Zusammenhang linear ist. Bei quadratischer Steigung herrscht ein Verhältnis von 2:1. Die Werte für das Jahr 2001 wurden lediglich für Österreich und den USA eingetragen, wobei der Verlauf zwischen den tatsächlich erhobenen Werten hier linear interpoliert wird.
26 Wie sieht die Zusammensetzung des weltweiten Gesamtenergieaufkommens in etwa aus? Wie war die Situation in der Vergangenheit?
Früher wurde vorwiegend Kohle verwendet, da andere Rohstoffe noch nicht so erschlossen bzw. „erforscht“ waren!
Kapitel 4 Lasten und Erzeugung
27 Welche Verbrauchergruppen kennen Sie? Was sind deren Charakteristika?
Industrie:
· Teilweise mit Eigenerzeugung und auch Rückspeisung ins Netz
· Gut prognostizierbarer Lastgang und spezielle verbrauchsabhängige Tarife
· Motoren (induktive Lasten), Prozesswärme (Lichtbogenöfen), …
· Spannungsebenen: 0,4 kV … 6 kV … 30 kV, in Sonderfällen bis 110 kV (z.B.Stahlindustrie)
· hohe Benutzungsdauer bei z.B. Anlagen die rund um die Uhr betrieben werden
(Stahl-, Papier-, Öl- und Autoindustrie)
Gewerbe/ Landwirtschaft:
· Überwiegend motorische Verbraucher, Verbraucher zur Wärme- und Kältegewinnung Beleuchtung, geregelte Lasten mit konstanter Leistungsaufnahme
· Große Lastspitzen bei geringer Grundbelastung (siehe am Beispiel in Abbildung 4-2)
· Verbrauchszeit ist annähernd identisch mit den Öffnungszeiten bzw. den Arbeitszeiten in den einzelnen Betrieben
Haushalt:
· Bisher reine Verbraucheranlagen, durch dezentrale Einspeisungen (z.B.
Photovoltaikanlagen) auch neuerdings mit Eigenerzeugung
· Spannung: 0,23/ 0,4 kV Drehstrom
· Verbrauchsprognose mittels standardisierten Lastprofilen (siehe Abbildung 4-3)
· Typische Verbraucher: Haushaltsgeräte mit Kleinmotoren, elektronische Geräte,
Warmwasseraufbereitungsgeräte, Klimageräte
Verkehr (Eisenbahn):
· Ortsveränderlichkeit der Last
· Verschiedene Spannungsebenen (3 kV, 15 kV, 25 kV, … )
· Verschiedene Frequenzen (Gleichstrom, 16,7 Hz, 50 Hz)
Stark schwankender Verbrauch (maximale Belastung beim Anfahren und beim
Bergauffahren, geringe Belastung bei konstanter Fahrt), Rückspeisung moderner
Triebfahrzeuge beim Bremsen und Bergabfahren (Lastverhältnis m0: 0,2 … 0,3;
28 Was verstehen Sie unter dem Begriff "Belastungsdiagramm"? WelcheArten von Belastungsdiagrammen gibt es und welche Größen,Kennzahlen und weiteren Verläufe können daraus abgeleitet werden?
Wenn die Stromaufnahme einer Gruppe von Verbrauchern, z.B. Wohnungen oder
Gewerbebetrieben, mit einer gemeinsamen Leistungsmessung erfasst wird, gleichen sich die
benützungsbedingten Schwankungen des Stromverbrauchs der einzelnen Lasten teilweise
aus und es entsteht das Belastungsdiagramm einer Verbrauchergruppe („Lastgebirge“).
Belastungsdiaramm:
· Tagesbelastungsdiagramm (Lastspitzen: Mittag und früh am Abend)
· Wochenbelastungsdiagramm (periodische Wiederholung; Wochenends keine Gewerbe oder Industrie, geringe Lastspitzen wochenends)
· Jahresbelastungsdiagramm (Winter: grundsätzlich höher; Sommer : erhöhter Kühlbedarf)
Daraus folgen:
· Ganglinie
Ermittelte Leistungswerte aufgetragen über die Zeit
· Dauerlinie
Wird aus Ganglinie abgeleitet, wobei die Leistungswerte abfallend sortiert werden
· Arbeitssummenlinie
Leitet sich aus dem Belastungsdiagramm ab; Zusammenhang zwischen Arbeit und Zeit
29 Wie kann man aus einer Ganglinie eine Dauerlinie erstellen? Geben Sie dazu eine Skizze an!
Dauerlinie wird aus Ganglinie abgeleitet, wobei die Leistungswerte abfallend sortiert werden
30 Skizzieren Sie einen typischen Tages- und Jahresverlauf und gehen Sie insbesondere auf den Gleichzeitigkeitsfaktor g ein!
Bei der Zusammensetzung der einzelnen Tagesbelastungsdiagramme verschiedener
Verbraucher ist in der Regel die Höchstlast Ph kleiner als die Summe der Einzellasten Ph,j, da
diese nicht gleichzeitig auftreten. Dieser Zusammenhang wird als Gleichzeitigkeitsfaktor g
bezeichnet und ist in der Abbildung 4-9 dargestellt. Für Haushalte beträgt dieser Gleichzeitigkeitsfaktor beispielsweise 0,3.
31 Erklären Sie den Aufbau eines Drehstromgenerators und das Zustandekommen der Zeitverschiebung zwischen den drei Phasen!
· Stator, Ständer (feststehender Teil)
Am Ständer befindet sich die Ständerwicklung, eine symmetrische
Drehstromwicklung mit mindestens einer Spule je Phase
· Rotor, Läufer (auf einer Welle rotierender Teil)
Am Rotor befindet sich entweder ein Permanentmagnet oder eine Gleichstromwicklung (Erregerwicklung).
Aufgrund der symmetrischen räumlichen Anordnung der Wicklungen im Generator entstehen drei Spannungen, die um jeweils ⅓ der Periodendauer
zeitlich (Funktionsdarstellung) bzw. in der Zeigerdiagrammdarstellung um 120 °
phasenverschoben sind.
32 Warum verwendet man Drehstromsysteme? Geben Sie Beispiele für einphasige und dreiphasige Verbraucher an!
Gegenüber einem einzelnen einphasigen Wechselstromsystem halbiert sich bei einem symmetrischen Dreiphasensystem der Materialaufwand für elektrische Leitungen einer gleich großen elektrischen Leistung.Der Einsatz des Dreiphasensystems ist ab einigen Kilowatt wirtschaftlich sinnvoll.
Der Grund liegt in dem stromerzeugenden Generator im Kraftwerk. Wenn alle drei Leiter den gleichen Strom führen, so spricht man von einer "symmetrischen Last". Diese Belastung strebt man immer für das Drehstromnetz an. Rechnet man für diesen Fall den zeitlichen
Verlauf der elektrischen Leistung aus, so stellt man fest, daß trotz sinusförmiger Spannungen und Strömen die Leistung zeitlich konstant ist. Es handelt sich um eine reine Gleichleistung ohne jeden Wechselanteil, d.h. ohne jede Pulsation. Damit hat der stromerzeugende Generator ein gleichbleibendes Drehmoment über den Drehwinkel und es entstehen praktisch keine Rüttelmomente.
Lampe bzw. Kreissäge
33 Wie ist ein Synchrongenerator aufgebaut und welche Ausführungsformen gibt es?
· Schenkelpolgenerator (geringere Drehzahl durch mehrere Polpaare)
· Vollpol- bzw. Turbogenerator
34 Was ist der Polradwinkel und weshalb ist es wichtig, den Polradwinkel
einer Synchronmaschine zu kennen?
Läuft die Synchronmaschine im Leerlauf, läuft die Polradachse (Rotorachse) im gleichen
Winkel mit dem Statorfluss. Wird die Maschine belastet, so läuft die Polradachse dem
Statorfluss hinterher. Der Winkel, der sich dazwischen ausbildet ist der sogenannte
Polradwinkel Θ. Der Polradwinkel gibt Auskunft über den Belastungszustand der Maschine. Des Weiteren ist der Polradwinkel eine wichtige Information hinsichtlich der Stabilität eines
35 Skizzieren Sie das einphasige Ersatzschaltbild einer Synchronmaschine und erklären Sie die verwendeten Größen!
36 Welche Kenngrößen eines Synchrongenerators sind Ihnen bekannt?
37 Skizzieren Sie den Stromverlauf eines Ausgleichsvorgangs bei einem Kurzschluss an einer Synchronmaschine. In welche Phasen kann dieser unterteilt werden?
38 Wie können Kraftwerke prinzipiell unterteilt werden und was versteht man unter einem thermohydraulischen Verbundbetrieb?
· Wasserkraftwerke
· Thermische Kraftwerke (fossile und nukleare Energieträger)
· Kraftwerke mit erneuerbaren Energieträgern
Thermohydraulischer Verbundbetrieb: Wasser wird in Speicherbecken hochgepumpt (Mittels Energie von Thermokraftwerken) und von dort bei erhöhtem Energieverbrauch wieder über ein Wasserkraftwerk in el. Energie umgewandelt.
39 Erläutern Sie die prinzipielle Funktionsweise eines Wasserkraftwerks! Welche wesentlichen Komponenten besitzt ein Wasserkraftwerk und welche Unterscheidung kann man grundsätzlich treffen? Wo können Verluste auftreten?
Potenzielle Energie des Wassers wird über Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt.
Komponenten:
· Speicheranlage
· Entnahmeeinrichtung
· Wasserleitungen
· Turbine
· Generator
· Wasserableitung
Typen:
ü Laufkraftwerk
ü Speicherkraftwerk
Verlust können auftreten bei:
o Hydraulischem System (Leitungen….)
o Turbine
o Generator
o Eigenbedarf
o Trafo
o Übertragungsverluste (Aufspannverluste, Netzverluste)
40 Welche Turbinen werden in Wasserkraftwerken eingesetzt und wie ist die prinzipielle Funktion dieser Turbinen?
o Francis (mittlere Fallhöhe, Einlaufmenge veränderbar, Wasserzufuhr erfolgt kreisförmig bzw. radial über Leitapparat, Wasserablauf ganz unten)
o Pelton (Freistahl) (große Fallhöhe, geringe Wassermenge; Regelung der Düsen, Druck entsteht durch Wasserdruck)
41 Wie kann die elektrische Leistung eines Wasserkraftwerks aus der maximal umgesetzten Energie berechnet werden (Herleitung)? Wie lautet die Faustformel dazu?
42 Wovon ist die umgesetzte Arbeit in einem thermischen Kraftwerk abhängig?
43 Wie funktioniert der Grundprozess der Dampfkrafterzeugung (mit Skizze)?
Das Wasser wird von Speisewasserbehälter (A) mittels der Kesselpumpe (B) auf
Kesseldruckniveau gebracht. Im Vorwarmer (C) wird die Temperatur erhöht und im Kessel (D) wird das Wasser durch Wärmezufuhr (Ol-, Gas-,Kohleverbrennung) zu Dampf umgewandelt. Dieser wird getrocknet und weiter erhitzt (E) und strömt nun durch die Turbine (F). Im Kondensator (G) wird Warme abgeführt (Dampf durchströmt mit Kühlwasser umgebene Rohrschlagen).
44 Erklären Sie die Funktion eines Gaskraftwerks anhand einer Skizze des offenen Gasprozesses!
Frischluft im Verdichter 15-20bar à mit Brennstoff in Brennkammer entzündet à Verbrennungsgase (1250°) expandieren in Turbine à Thermische in Mechanische Energie umgewandelt.
Steigerung des thermischen Wirkungsgrades, durch Verwendung der heißen Abgase der Gasturbine um in einem Kessel Dampf für einen Dampfprozess zu erzeugen.
46 Welche Reaktortypen von Kernkraftwerken kennen Sie? Beschreiben Sie deren Funktion anhand einer Skizze.
47 Was versteht man unter einem BHKW und welche Primärenergieträger kommen hier zum Einsatz?
Blockheizkraftwerk (durch Verbrennungsmotor wird ein Generator angetrieben)
48 Wie funktioniert eine Windkraftanlage und welche Eigenschaften haben Windkraftwerke?
Kinetische Energie des Windes à Windrad à Generator à elektrische Energie
49 Wie ist eine Brennstoffzelle aufgebaut? Erklären Sie die Funktion dieser und erläutern sie Vor- bzw. Nachteile!
Als erster Schritt wird Wasserstoff einer Elektrode (Anode) zugeführt, die mit einem
Katalysator aus feinverteiltem Platin beschichtet ist. Mit Hilfe des Katalysators wird das
Molekül zunächst in einzelne Atome gespalten und anschließend unter Abgabe je eines
negativ geladenen Teilchens (Elektron) zu positiv geladenen Teilchen (Protonen, H+)
Nur die an der Anode entstandenen Protonen können den Elektrolyten – die "Trennwand" –
passieren und hinterlassen an der Wasserstoffelektrode negativ geladene Elektronen.
An der Kathode werden Sauerstoffmoleküle durch einen Katalysator gespalten (dissoziiert)
und sind somit in der Lage, aus der Anode Elektronen aufzunehmen, die über den
Stromkreis herangeführt werden. Die an der Kathode erzeugten negativen Ionen reagieren
schließlich mit den Protonen an der Membran zu Wasser. Dadurch bildet sich an der
Sauerstoffelektrode ein positives Potenzial, das zur Stromgewinnung genutzt wird.
Zwischen beiden Elektroden entsteht somit eine elektrische Spannung (Potenzialdifferenz),
die einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen kann.
Nachteil: Wasserstoffaufbereitung aufwendig und teuer
Speicherung
Vorteil: Verhinderung von schädlichen Emissionen (Stickoxide nicht vernachlässigbar)
50 Wie kann Sonnenenergie genutzt werden und wo liegen bei dieser Nutzung die Nachteile?
o Direkte Umwandlung in el. Energie (Photovoltaikanlage)
o Umwandlung in Wärme und Nutzung der Wärme (Sollarkollektoren)
Strahlungsintensität, geografischer Anlagenstandort
Vorteil: erneuerbare Energie
Nachteil: Keine Sonne, keine Energie
51 Was versteht man unter dem Begriff "Photovoltaik" und wie stehen Solarzellen damit im Zusammenhang?
Direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität
Photoeffekt; Energie zum Anheben eines Elektrons auf eine höhere Bahn durch ein auftreffendes Photon des Lichts genutzt.
52 Erklären Sie kurz die Funktion von solarthermischen Kraftwerken, Gezeitenkraftwerken und geothermischen Kraftwerken.
o Solarthermische Kraftwerke
Bündelung der Sonnenstrahlen auf ein Rohrsystem indem ein geeignetes Medium (Wasser) erhitzt wird.Der dann mittels eines Wärmetauschers erzeugte Dampf wird in einem klassischen thermodynamischen Prozess (thermisches Dampfkraftwerk mit Turbine und Generator) zur Umwandlung in elektrische Energie verwendet.
o Gezeitenkraftwerke
In einem Gezeitenkraftwerk wird der Höhenunterschied zwischen dem Pegel in einer vom Meer mittels eines Staudammes abgesperrten Bucht und dem Meeresspiegel genutzt. Es lassen sich sowohl die Füllungs- als auch die Entleerungsphasen nutzen. Oft scheitert diese Nutzung an der zu geringen Wasserstandsdifferenz zwischen Flut und Ebbe (Tidenhub).
Wasser wird in tieferen Erdschichten durch Magma und vulkanisches Gestein aufgeheizt und in höhere Schichten gebracht. Tiefbohrung 1000-1500m. An Oberflache wird das heiße Wasser in einem Wärmetauscher zur Dampferzeugung verwendet.
53 Wie kann die Planung des Kraftwerkseinsatzes im Voraus erfolgen und welche Faktoren sind bei der tatsächlichen Planerstellung zu berücksichtigen?
Jederzeit muss ein Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Last herrschen; sichere und ausreichende Erzeugung; Transport und Verteilung el. Energie
o Lastprognose
o Anfahrtszeit von Kraftwerken
o Verfügbarkeit von Kraftwerken
o Austausch von el. Energie aufgrund von Verträgen und dem Handel an der Börse
Einsatzplan:
o Prognose der Netzbelastung
o Berücksichtigung der Bezugs- und Lieferverpflichtungen
o Prognose des Energiedargebots
o Berücksichtigung einer bestimmten „rotierenden“ Reserve für Notfälle
54 Was versteht man unter dem Begriff "Kraftwerkseigenbedarf"? Wie hängt die Notstromversorgung damit zusammen und was versteht man unter dieser?
o Kesselspeisepumpe, Ventilatoren, Ölpumpen, Beleuchtung
Notstromversorgung:
o Aufrechterhaltung der Energieversorgung
o Versorgung durch Kombination Gleichrichter, Batterie und Wechselrichter
o Normalbetrieb: Wechselrichter direkt von Gleichrichter gespeist und parallel Batterieanlage gepuffert.
Wenn bei einer Störung der Eigenbedarf weder vom Block noch vom Netz versorgt werden kann, so muss mittels Notstromversorgung der Block stillgesetzt werden können.
55 Welche Kosten müssen Sie bei der ökonomischen Beurteilung eines Kraftwerks berücksichtigen?
· Lohnkosten
· Materialkosten
· Anlagekosten (Faktor Betriebsmittel und Anlagen (Stichwort Abschreibung))
· Kapitalkosten
· Sonstige Kosten (Gemeinkosten)
Kapitel 5 Übertragung und Verteilung
56 Welche Mastformen kennen Sie bei Freileitungen? Wie sind Freileitungen prinzipiell aufgebaut?
Hyperbolischer Seildurchhang (beeinflusst den minimalen Bodenabstand) abhängig von Spannfeldlänge (Länge zwischen den Masten), Temperatur, Zusatzlasten, Leiteranzahl pro Phase und System sowie der Seilspannung.
· Schutz vor direktem Blitzschlag - Erdseilschutzwinkels (α)
· Ableiten von Blitzströmen
· Verbessern der Masterdungsverhältnisse durch Parallelschaltung
· Tragsystem für Lichtwellenleiter-Kabel (LWL-Kabel)
58 Skizzieren Sie die Pi-Ersatzschaltung einer Freileitung und erklären Sie die einzelnen Komponenten! Wann müssen die Querelemente berücksichtigt werden?
Für Leitungen ist der Querableitstrom vernachlässigbar à G = 0
C ist im Kurzschlussfall vernachlässigbar
R ….ohmsche Widerstand der Leitung (Leitermaterialien, Querschnitt)
L, C, G ….geometrische Abmessungen der Leitung
59 Von welchen Parametern hängt die Erwärmung eines elektrischen Leiters ab? Geben Sie eine typische Erwärmungskurve an!
· Verlustwärme
· Materialkonstanten
· Oberflächeneigenschaften
· Kabelmantel
· Stromstärke
· Volumen
· Spezifische Wärme Cv
60 Welche Ausführungsformen von Kabeln kennen Sie und aus welchen Aufbauelementen bestehen diese? Welche Anforderungen stellt man an Energiekabelausführungen?
Aufbauelementen
· Leiter: für die Stromübertragung