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Elektrischen Energiesysteme

4.941 / ~43 sternsternsternsternstern_0.5 Jacob M. . 2011
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Prüfungstipps
Elektrotechnik

Technische Universität Graz - TU

2011

Jacob M. ©
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sternsternsternsternstern_0.5
ID# 8132







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


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