VorlesungWindenergie, Zuverlässigkeit
Prüfungsschwerpunkte
Fakultät für Maschinenwesen, Institut Energietechnik, Professur VWS
Dresden, 22.06.2009
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 2
Windenergie
Die Sonne strahlt pro Stunde 174.423.000.000.000 Kilowattstunden an Energie auf die Erde ab. Sie empfängt 1,74 x 10 17 Watt an Leistung. Ungefähr 1 bis 2 Prozent dieser Energie wird in Windenergie umgesetzt. Das ist ca. 50 bis 100 mal mehr Energie, als von allen Pflanzen der Welt in Biomasse umgewandelt wird.
http://www.windpower.org/de/tour/wres/turb.htm
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 3
Windentstehung
Da die Erde rotiert, wird jede Bewegung auf der
Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt, wenn wir uns als
Betrachter auf der Erdoberfläche befinden und uns daher
mitdrehen. (Auf der Südhalbkugel wird die Bewegung
nach links abgelenkt). Diese Ablenkungskraft wird als
Corioliskraft bezeichnet (benannt nach dem
französischen Mathematiker Gustave Gaspard Coriolis
1792-1843). Es ist nicht unbedingt offensichtlich, dass
ein Teilchen, welches sich auf der nördlichen Halbkugel
bewegt, nach rechts abgelenkt wird.
In der nördlichen Hemisphäre neigt der Wind dazu,
gegen den Uhrzeigersinn zu rotieren (von oben
betrachtet), wenn er sich einem Tiefdruckgebiet nähert.
Auf der Südhalbkugel dreht der Wind im
Uhrzeigersinn um das Tiefdruckgebiet herum.
Sicht aus Weltraum
Sicht vom Standpunkt Erde
Sicht vom Nordpol fix
Sicht aus Weltraum
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 4
Hauptwindrichtungen
Der Wind steigt am Äquator auf und bewegt sich in den hohen Luftschichten der Erdatmosphäre nach Norden und Süden. Ab einer geographischen Breite von ungefähr 30°verhindert die Corioliskraft in beiden Hemisphären ein Weiterfließen der Luft. Deshalb befindet sich in dieser Breite ein Hochdruckgebiet, da die Luft dort wieder zu Boden sinkt. Weil die Luft am Äquator aufsteigt, bildet sich in Bodennähe ein Tiefdruckgebiet aus, welches Winde von Nord und Süd anzieht. An den Polen finden wir aufgrund des Abkühlens der Luft ein Hochdruckgebiet. Unter Berücksichtigung der ablenkenden Wirkung der Corioliskraft erhalten wir die folgenden allgemeinen Ergebnisse für die Hauptwindrichtungen:
Quelle: www.windpower.org
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 5
Hauptwindrichtungen Breite 90-60°N 60-30°N 30-0°N 0-30°S 30-60°S 60-90°S
Richtung NO SW NO SO NW SO
Geostrophische WindeDie bisher betrachteten Winde sind sogenannte geostrophische Winde. Diese werden hauptsächlich von Temperaturdifferenzen und damit Druckdifferenzen erzeugt und bleiben unbeeinflusst von der Erdoberfläche. Der geostrophische Wind bewegt sich in Höhen von über 1000 Meter über dem Boden. Der geostrophische Wind kann mit Hilfe von Wetterballons gemessen werden.
Oberflächenwinde In Höhen bis zu 100 Meter werden Winde sehr stark von der Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst. Der Wind wird durch die Oberflächenrauhigkeit der Erde und durch Hindernisse gebremst, wie wir gleich sehen werden. Bodennahe Windrichtungen weichen wegen der Erdrotation gewöhnlich leicht von der geostrophischen Windrichtung ab. Wenn wir uns mit Windenergie beschäftigen, interessieren uns Oberflächenwinde –und wie wir deren nutzbaren Energiegehalt berechnen können.
Hauptwindrichtungen
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 6
Lokale Winde: SeewindeObwohl globale Winde für die Bestimmung der vorherrschenden Winde in einem Gebiet wichtig sind, können lokale klimatische Bedingungen einen Einfluss auf diese Hauptwindrichtungen ausüben.Lokale Winde werden immer mit den höherwertigen Windsystemen überlagert, d.h. die lokale Windrichtung ist die Summe von globalen und lokalen Effekten. Wenn höherwertige Winde schwach sind, dann dominieren lokale Winde das Windgeschehen.
Unterschiedliche Erwärmung von See und Land bei Sonneneinstrahlung bzw. unterschiedliche Abkühlung
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 7
Lokale Winde: Bergwinde
Nordhang/SüdhangUnterschiedliche Aufheizung
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 8
Energiegewinnung
Eine Windkraftanlage liefert ihre Leistung, indem sie die Kraft des Windes in ein Drehmoment (drehende Kraft) an den Rotorblättern umwandelt. Die Energiemenge, die der Wind auf den Rotor überträgt, hängt von der Luftdichte, der Rotorfläche und der Windgeschwindigkeit ab. Die Animation zeigt, wie sich eine 1 Meter dicke Luftscheibe durch die 1500 m2 große Rotorfläche einer typischen Windkraftanlage (1000 kW) bewegt. Mit einem Rotordurchmesser von 54 Meter wiegt jeder dieser Zylinder 2,8 Tonnen, das sind 2300 mal 1,225 kg.
In der Realität erfolgt eine Windablenkung, so dassdie gesamte Energie nicht genutzt werden kann.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 9
Warum kein Röhrenmodell?
Der Rotor einer Windkraftanlage wird den Wind bremsen, wenn er dessen kinetische Energie in Rotationsenergie umwandelt. Das bedeutet, dass sich der Wind links des Rotors langsamer bewegen wird als rechts des Rotors. Da aus dem Rotor gleich viel Luftmasse (pro Sekunde) von rechts ein-strömen und nach links ausströmen muss,wird die Luft hinter der Rotorebene eine größeren Querschnitt (Durchmesser) ein-nehmen. Im oberen Bild wird diese Situation durch eine imaginäre Röhre um den Rotor, eine sogenannte Stromröhre, illustriert. DieStromröhre veranschaulicht, wie die langsamer strömende Luft links ein größeres Volumen hinter dem Rotor einnimmt.
Bei einem Röhrenmodell wird ein Teil der Luft vor der Röhre abgelenkt, deshalb kein gutes Modell.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 10
WindrosenErstellung eines Windatlas für die jeweiligen Gegenden
• Windrose wird in 12 Sektoren geteilt 30°• festgelegter europäischer Standard
Radius der 12 äußeren breiten Segmente:Informiert über die relative Häufigkeit der jeweiligen Windrichtung wie viel % der Zeit aus dieser Richtung
Relative Häufigkeit multipliziert mit der Windgeschwindigkeit in dieser
Richtung auf 100 % normalisiert: Gibt Aufschluss wie viel jeder Sektor zur durchschnittliche Windgeschwindigkeit am betrachteten Ort beiträgt
Energiegehalt des Windes, steigt mit der 3. Potenz der Geschwindigkeit:Zeigt wo wir die meiste Leistung im Betrieb Erwarten können (hier Südwest)
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 11
Windkarte Europa
Windressourcen in einer Höhe von 50 (45) m über dem Boden
Geschütztes Terrain Offene Ebene Meeresküste Offene See Hügel & Bergrückenm/s W/m2 m/s W/m2 m/s W/m2 m/s W/m2 m/s W/m2
>6,0 >250 >7,5 >500 >8,5 >700 >9,0 >800 >11,5 >18005,0-6,0 150-250 6,5-7,5 300-500 7,0-8,5 400-700 8,0-9,0 600-800 10,0-11,5 1200-18004,5-5,0 100-150 5,5-6,5 200-300 6,0-7,0 250-400 7,0-8,0 400-600 8,5-10,0 700-12003,5-4,5 50-100 4,5-5,5 100-200 5,0-6,0 150-250 5,5-7,0 200-400 7,0-8,5 400-700<3,4 <50 <4,5 <100 <5,0 <150 <5,5 <200 <7,0 <400
>7,55,5-7,5<5,5
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 12
Berechnung
2vvv 21 +
=
Beginnen wir mit der vernünftigen Annahme, dass die mittlere Geschwindigkeit des Windes durch die Rotorfläche gleich dem Durchschnitt der ungestörten Windgeschwindigkeit vor der Windkraftanlage v1 und der Geschwindigkeit nach dem Passieren des Rotors v2 ist, also
Die Luftmasse, die pro Sekunde durch den Rotor strömt, beträgt
m … Masse pro Sekunde ρ … Luftdichte, F … die vom Rotor überstrichene Fläche
Die vom Rotor aus dem Wind entnommene Leistung ist gleich der Masse mal der Differenz der Geschwindigkeitsquadrate (entsprechend dem zweiten Newton'schen Gesetz)
2vvFρm 21 +
⋅⋅=
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 13
Berechnung
m in die erste Gleichung eingesetzt:
Vergleich mit der gesamten Leistung des Windes, der ungestört durch die gleich große Fläche F strömt. Diese Leistung bezeichnen wir mit Po:
Das Verhältnis zwischen der dem Wind entnommenen Leistung und der Leistung des ungestörten Windes errechnet sich damit zu:
Maximum bei 0,59 bzw. 16/27
( )22
21 vvm
21P −⋅⋅=
Fv2ρP 3
10 ⋅⋅=
( ) ( ) Fvvvv4ρP 21
22
21 ⋅+⋅−⋅=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⋅=
1
2
2
1
2
0 vv1
vv1
21
PP
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 14
Zu beachten!!!
allgemeine Weibull-Verteilung mittlere WindgeschwindigkeitZiegelstapel im Gleichgewicht
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 15
Fehleinschätzungen
Sehen Sie sich die kleinste und die größte Flasche. Beide haben genau die gleiche Form. Eine ist 0.24 m groß, die andere 0.76 m. Wie groß ist die durchschnittliche Flasche?
Wenn Sie 0.5 m tippen, liegen Sie leider falsch. Flaschen interessieren uns vor allem wegen ihres Volumens. Dieses aber steigt mit der dritten Potenz ihrer Größe. Deshalb ist das Volumen der größeren Flasche 32 mal so groß wie das der kleineren, obwohl das Größenverhältnis nur 3.17 zu 1 beträgt (3.173 = 32). Daher ist das durchschnittliche Volumen 16.5 mal das Volumen der kleinen Flasche, weiter wäre die durchschnittliche Flasche 2.55 mal so groß wie die kleine, das sind 0.61 m (2.553 = 16.5).
Wichtung der Windgeschwindigkeit mit der dazugehörigen Leistung
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 16
Beispiel Flaschenregal
Leistungsdichte
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 17
Leistungskurven von WEK
Leistungskurven werden durch Messungen aufgenommen
Achtung Messfehler Anemometer 3%9% Abweichung in der Leistung möglich!(selbst bei zertifizierten Anlagen)
Lokale Einflüsse (Turbulenzen u.a.)Luftdruck und Temperatur können variieren!! Starke Schwankungen in der Windgeschwindigkeit.
kW
Leistungsbeiwert sagt aus, wie effizient die Anlage bei bestimmten Windgeschwindigkeiten arbeitet.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 18
Nachführung (Nachführfehler)
Nachführung• Richtet die Anlage immer in den Wind aus • Rotor steht im rechten Winkel zum Wind
Der Teil des Rotors, welcher aufgrund des Nachführfehlers näher bei der Strömungsquelle liegt, ist jedoch stärkeren Kräften (einem stärkeren Biegemoment) ausgesetzt als der Rest des Rotors. Andererseits werden die Rotorblätter bei jeder Umdrehung hin und her gebogen. Das Auftreten eines Nachführfehlers bedeutet also eine stärkere Belastung (Materialermüdung) gegenüber einer Situation, wo der Rotor im rechten Winkel zum Wind steht.
Verwindungszähler für die KabelKabel transportieren den Strom des Generators hinunter durch den Turm. Wenn die Anlage über längere Zeit zufällig in die gleiche Richtung dem Wind nachgeführt wird, werden diese Kabel immer stärker verwunden. Deshalb ist die Anlage mit einem Verwindungszähler für die Kabel ausgerüstet, der dem Regler mitteilt, dass es an der Zeit ist, die Kabel wieder gerade zu drehen.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 19
WEA
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 20
WEA-Gondel
Getriebe WelleGenerator Bremse
Regler
Anemometer(Geschwindigkeit)
Windfahne (Richtung)
Nachführmotor
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 21
Stator
Jeder Meter Turm kostet Geld, deshalb ist die optimale Turmhöhe eine Funktion von
1. den Turmkosten pro Meter (10 Meter kosten derzeit etwa US$ 15 000)
2. wie stark der Wind an diesem Standort mit der Höhe über dem Boden zunimmt, d.h. die durchschnittliche örtliche Bodenrauhigkeit (eine große Rauhigkeit erfordert höhere Türme)
3. der Preis, den der Anlagenbetreiber für eine Kilowattstunde elektrischer Energie erhält.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 22
Rotordurchmesser
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 23
Sicherheitssysteme
RüttelsensorBei Vibration fällt Ball aus Ringhalterung
RotorblätterDynamische Tests
Schutz vor überhöhter GeschwindigkeitZwei unabhängig arbeitende Bremssysteme
(1) mechanisches Bremssystem (2) Blattspitzenbremssystemaerodynamisches System
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 24
Umweltaspekte
Landschaft
Farbwahl (hellgrauer Anstrich)Drehzahl (kleinere Anlagen haben größere)Betonung von LandschaftslinienAufstellung in einfachen geometrischen Mustern
Markierung an den FlügelendenStroboskoplicht in der Nacht
VHF-FlugzeugnavigationILS-InstrumentenlandesystemTV-EmpfangElektromagnetische Interferenz
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 25
Umweltaspekte
Schallentwicklung
Einfluss auf Funkverkehr!!!
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 26
Umweltaspekte
Vögel
Vögel kollidieren oft mit Hochspannungsleitungen, Masten und Fenstern von Gebäuden.
Sie haben jedoch selten Probleme mit Windkraftanlagen. Studien von Radaraufnahmen
einer 2-MW-Anlage mit 60 m Rotordurchmesser, haben gezeigt, dass Vögel bei Tag und
Nacht ihre Flugroute rund 100-200 m vor der Anlage ändern und in sicherer Entfernung
über die Anlage hinwegfliegen. In Dänemark gibt es mehrere Beispiele von Vögeln
(Falken), die in Kästen an der Turmspitze von Windkraftanlagen nisten. Der einzige
bekannte Standort mit Vogelkollisionen befindet sich auf dem Altamont-Pass in
Kalifornien. Derartige Kollisionen sind dort zwar selten, geben jedoch Anlass zur Sorge,
da die betroffenen Vogelarten gesetzlich geschützt sind.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 27
Umweltaspekte
Schatten
Windkraftanlagen werfen wie alle hohen Bauwerkein ihrer Umgebung einen Schatten, wenn die Sonnescheint. Wenn man sehr nahe bei einer Anlage wohnt, kann es unangenehm sein, wenn der drehende Rotor ständig einen flackernden Schattenwirft.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 28
Historie
Im Winter 1887-88 baute Charles F. Brush eine Maschine, die heute als die erste vollautomatische Windkraftanlage zur Stromerzeugung gilt. Die Ausmaße waren gigantisch und damals weltweit unerreicht: Rotordurchmesser: 17 m (50 ft.), 144 Rotorblätter aus Zedernholz. Beachten Sie die Größe der Person, die rechts von der Windkraftanlage den Rasen mäht. Die Anlage lief 20 Jahre lang und lud die Batterien im Keller seines Wohnhauses. Trotz der Größe der Windkraftanlage betrug die Leistung des Generators nur 12 kW.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 29
HistorieDer Vater der Windenergie: Poul la Cour
La Cour beschäftigte sich mit der Speicherung von Energie und benutzte den Strom seiner Windkraftanlagen, um mittels Elektrolyse Wasserstoff für das Gaslicht in der Schule zu erzeugen. Ein grundlegender Nachteil dieser Vorgangsweise war, dass er die Fenster der verschiedenen Schulgebäude mehrere Male auswechseln musste, da der Wasserstoff geringe Mengen von Sauerstoff enthielt und in der Folge explodierte(!)
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 30
Historie1940/50 in Dänemark
Betontürme
Gleichstromgenerator
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 31
Vom Windboom in den 80‘ern zu Mega-Anlagen aktuell
Anlage Nordex 2,5 MWPrototyp in Grevenbroich (Deutschland) auf einem 80 m hohen Turm.
Micon 55 kWBeispiel für Anlagen, die in einer Stückzahlvon mehr als 1000 nach Palm Springs gingen
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 32
Quelle: DEWI
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 33
WEK (WEA)
Der jährliche Zubau im nationalen Onshore-Markt wächst seit 2003 erwartungsgemäß langsamer. Mit der Ende 2006 installierten Gesamtleistung bleibt Deutschland jedoch der größte Windenergiemarkt der Welt, gefolgt von Spanien. Die Marke von 20.000 MW gesamt installierter Leistung in Deutschland wurde 2006deutlich überschritten. Insgesamt waren nach der neuesten Statistik des Deutschen Windenergie-Instituts Ende 2006 in Deutschland 18.685 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 20.622 MW installiert. Das entspricht einem Leistungszuwachs von zwölf Prozent gegenüber 2005. Rund 2,9 Milliarden Euro wurden in Deutschland in neue Windparks investiert. Den größten Zuwachs verzeichneten die Bundesländer Brandenburg (509 MW), Niedersachsen (378 MW), Sachsen-Anhalt (340 MW) und Rheinland-Pfalz (182 MW).
Quelle: DEWI
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 34
Quelle: DEWI
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 35
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 36
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 37
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 38
Hier weiter mit Vorlesung 10
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 39
Planung und Gestaltung von Energieanlagen
Schritt 1 Bedarf an Elektroenergie, Wärme (Kälte)
Jahresganglinie
Tagesganglinie
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 40
Planung und Gestaltung von Energieanlagen
Schritt 2 Einordnung in die Struktur des Landes• Landesnetz• Inselnetz• Verbund• Lastanforderungen
Vorhandene Kraftwerksstruktur• KKW, DKW, GT, GuD – Grundlast• DKW, GuD, BHKW – Mittellast• GT, Wasserkraft, BHKW – Spitzenlast
Szenarien der Entwicklung
z.B. KW Boxberg
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 41
Planung und Gestaltung von Energieanlagen
Schritt 3
Schritt 5
Schritt 4
Brennstoffe, Energieträger• Vorräte – Sicherheit der Bereitstellung• Globale Ressourcen• Abfallstoffe
• Feste Brennstoffe (Kohle, Holz, Abfall, ...)• Flüssige Brennstoffe (Heizöl, Schlämme)• Gasförmige Brennstoffe (Erdgas, Brenngas)
Umweltanforderungen• Emissionen• Räume – Anwohner• Ökologie – Eingriff in die Natur• Gesetzliche Bestimmungen
Sicherheit• Sicherheit der Brennstoffbereitstellung• Sicherheit durch Standortwahl (Erdbeben, Überschwemmungen, Dürre)• Abnahmesicherheit (Struktur der Region)
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 42
Planung und Gestaltung von Energieanlagen
Schritt 6 Planungsablauf
Vorgegebene gesetzliche RegelungenAnzeige- und Genehmigungsverfahren
• BIMSCHG, TA Luft, Siedlungsabfall, Kreislaufwirtschaftsgesetz• Energiewirtschaftsgesetz• Landesbaugesetz
Voruntersuchungen• Größe der Anlage, Leistung, Art der Technik• Standort• Ökonomie• Machbarkeitsstudie (Variantenvergleich technischer Anlagen –
im Entwurfsstadium Kennzahlen anwendbar)
Energieanlagen – Projektierung• Ausschreibung der Aufgabenstellung – Ing.-Leistung
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 43
Planung und Gestaltung von Energieanlagen
Projektbearbeitung mit• Angebotseinholung von Herstellerfirmen• Anlagengestaltung und –aufbau• Aussagen zu
- Technik- Realisierbarkeit- Güte (h, KT, Vt), Zuverlässigkeit- Bau, Montage, Inbetriebnahme- Ökologie- Ökonomie, Kapitalbeschaffung
• Ausarbeitung verschiedener Lösungen Auswahl, Vergabe
Projekt einer ausführbaren Anlage, das nun zur Genehmigung eingereicht werden kann
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 44
Planung und Gestaltung von Energieanlagen
Genehmigungsphase
Antrag zur Genehmigung nach gesetzlichen Bedingungen ( z.B. nach BIMSCH)
Ausführung und Realisierung
Vergabe der einzelnen Einzelaggregate an die GU-Auftragnehmerschaft
Begleitende Planung und Überwachung Bau-Montage-Inbetriebsetzung
Betreibergesellschaft
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 45
Planung und Gestaltung von EnergieanlagenZeitachse und Realisierungsphasen
Anmerkung: Darstellung für ein BlmSchG-Genehmigungsverfahren mit Öffentlichkeitsbeteiligung nach § 10 BlmSchG für eine Restmüllentsorgungsanlage (beispielhaft)
Start Anlagenplanung
Start Genehmigungs-
planung
Offenlegung des Antrages
Start Bauausführung
2 – 3 Jahre0,6 – 1 Jahr
Arbeits-schritte
DauerAbhängig vom Einzelfall
1 – 1,5 Jahre 0,6 – 1 Jahr
Gesamtdauer des Projekts: 5 bis 10 Jahre
___ A ___Entwicklung
eines Projektes
_____ B _____Vorbereitung der
Genehmigung (Planung der Anlage)
_____ C _____Erstellung der
Antragsunterlagen und Prüfung des
Antrages
_____ D _____Einsprüche,
Erörterungstermin und
Genehmigungs-bescheid
_____ E _____Umsetzung der Genehmigungs-
auflagen
Meilensteine
StartBetrieb
Start
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 46
Planung und Gestaltung von Energieanlagen
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 47
Zuverlässigkeit von Energieanlagen
Die Entwicklung von Kraftwerksanlagen wird, so könnte man nach der Vielzahl der
Veröffentlichungen annehmen, vor allem durch die Höhe des Prozesswirkungsgrades
bestimmt. Die einfache Betrachtung über die Jahresarbeit eines Kraftwerkes zeigt
jedoch, dass eine Nichtverfügbarkeit in der Größenordnung von 10 % (Zeitverfügbarkeit
VD = 90 %) die Jahrearbeit in gleicher Größenordnung vermindert. Die Komplexität des
Zusammenwirkens gegensätzlicher Einflüsse im Kraftwerk wie
• Effektivität
• Lebensdauer
• Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit
weist die Notwendigkeit aus, den Systemcharakter eines Kraftwerkes in den Vordergrund
zu stellen. Die Untersuchungen sind sowohl auf das einzelne Element als auch auf
dessen Einordnung und Wirkung im Gesamtsystem der thermischen Anlage einzurichten.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 48
Zuverlässigkeit von EnergieanlagenWa ... JahresarbeitWa,theo ... Theoretisch mögliche JahresarbeitQi ... Heizwerttnenn ... 8760 hDtNV ... Nichtverfügbarkeit (Zeit)
... Brennstoffmassenstrom
Jahresarbeit
Vereinfachung
Brm&
( )
DKWa,theo
a
nenn
NVKW
nenniBr
a
nenn
NVnenniBrKWa
NVnenniBrKWa
iBrKW
Δ
0a
VηW
W
Δ1ηQmW
Δ1QmηW
ΔQmηWconst.P
QmηP
dτPWNVNenn
⋅=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⋅=
⋅⋅
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⋅⋅⋅⋅=
−⋅⋅⋅==
⋅⋅=
⋅= ∫−
ττ
τ
τττ
ττ
ττ
&
&
&
&
Abhängigkeit der Jahresarbeit Wa eines Kraftwerkes von der Zeitverfügbarkeit VD
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 49
Zuverlässigkeit von Energieanlagen
Untermauert wird die Notwendigkeit der Systembetrachtung auch durch aktuelle wissenschaftliche Probleme bei der Entwicklung von Kraftwerksanlagen zu hoher Effektivität einerseits und durch den teilweise rückgängigen Verlauf der Verfügbarkeit andererseits.
Systembetrachtung zur Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Kraftwerksanlagen
VorbemerkungenDie Zuverlässigkeit als Qualitätseigenschaft eines Systems gewinnt in dem Maße an Bedeutung, wie das Gesamtsystem höchste Effektivität über eine großen Zeitraum erbringen muss. Dabei ist unter der Zuverlässigkeit die Wahrscheinlichkeit zu verstehen, bei der unter bestimmten Beanspruchungen und über eine bestimmte Zeit die Funktionsfähigkeit erhalten bleibt (Überlebenswahrscheinlichkeit).
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 50
Zuverlässigkeit von Energieanlagen
Zuverlässigkeit – Überlebenswahrscheinlichkeit
Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Element (System) für eine
bestimmtes Zeitintervall funktionsfähig ist.
Überlebenswahrscheinlichkeit R(t):
N0 ... Gesamtzahl der untersuchten Elemente
N(t) ... Anzahl der nichtausgefallenen Elemente
DN(t) ... Im Zeitintervall Dt ausgefallene Elemente
( ) ( )0N
NR ττ =
Ausfallwahrscheinlichkeit F(t)
( ) ( )ττ R1F −= ( ) ( ) ( )0
0
0 NNN
NN1F τττ −
=−=
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 51
Zuverlässigkeit von Energieanlagen
Fehlerratenfunktion l
Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls nach einer ausfallfreien Zeit
( ) ( )( )ττ
ττNΔ
ΔNλ⋅
=
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 52
Zuverlässigkeit von Energieanlagen
Mit den Beziehungen zwischen der Zuverlässigkeit von Einzelausrüstungen und der von Gesamtanlagen (Systemzuverlässigkeit) beschäftigt sich die mathematisch begründete Zuverlässigkeitstheorie, die hier – stark vereinfacht – auf das System Kraftwerk angewendet werden soll, wobei die Booleschen Modelle für die mathematische Verknüpfung der Systemkomponenten genutzt werden.
Die Grundstrukturen eines Zuverlässigkeitsmodells werden dabei als Seriensystem und Systeme mit Redundanz beschrieben. Für die Anordnung von Elementen in einer Serienanordnung ergibt sich die Zuverlässigkeit des Seriensystems
( ) ( ) ( ) ( ) ( )∏=⋅= τττττ ii21ges RR ... RRR
Mit der Zuverlässigkeit Ri eines Elementes i
Ri...R2R1
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 53
Zuverlässigkeit von Energieanlagen
Im Falle einer Parallelschaltung von n Elementen erhält man die Zuverlässigkeit
( ) ( )( )∏=
−−=n
1iiges R11R ττ
Aus diesen Grundschaltungen können Zuverlässigkeitsstrukturen
(-Schaubilder) aufgebaut und die Ergebnisse bewertet werden.
Da nur ungenügende Angaben über die Ausfallraten von
Kraftwerksbauteilen vorliegen, verwendet man häufig
Verfügbarkeitsangaben für die Bauteile als Eingangswerte für die
Berechnung.
R1
R2
...
R4
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 54
Verfügbarkeit von Energieanlagen
Die Verfügbarkeit ist eine Kenngröße, die angibt, inwieweit ein Element bzw. System unter den Einwirkungen der Beanspruchung Schädigungen (Ausfälle) erfahren hat und inwieweit die mögliche Betriebszeit gemindert wurde. Sie ist ein Maß für die Einsatzfähigkeit über einen bestimmten Betrachtungszeitraum. Systematische Untersuchungen zur Verfügbarkeit von Kraftwerksanlagen, wie von Dampfkraftwerken, Gasturbinenanlagen, Gas- und Dampfanlagen und deren Bauteile wurden vom VGB-Fachausschuss durchgeführt. Eine Vergleichsgröße ist dabei die Zeitverfügbarkeit. Sie ist als Quotient aus der Verfügbarkeitszeit (tV) und der Nennzeit (tN) (Kalenderzeit) definiert, dabei ist die Verfügbarkeitszeit die Differenz zwischen der Nennzeit (tNenn) und der Nichtverfügbarkeitszeit DtNV oder die Summe aus Betriebs (tB)- und Bereitschaftszeit (tR).
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 55
Zuverlässigkeit von Energieanlagen
Nenn
RB
Nenn
NVNennD
Nenn
VD
V
V
τττ
τττ
ττ
+=
−=
=tNenn … NennzeitDtNV … NichtverfügbarkeitszeittB … BetriebszeittR … Bereitschaftszeit
Die Zeitverfügbarkeit ist ein Maß für die zeitliche Einsatzfähigkeit einer Anlage, wobei die anlagenspezifischen Werte aus dem Betriebsverhalten, den Schadens- und Revisionsbewertungen gewonnen werden sollen.
Die einzelnen Verfügbarkeitswerte sind zwar objektbezogen, aber aus der Vielzahl der untersuchten vergleichbaren Kraftwerksanlagen sind verallgemeinerungsfähige Aussagen ableitbar.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 56
Zuverlässigkeit von Kraftwerksblöcken
Vergleich zwischen Rostock und Boxberg• gleiche Frischdampfparameter• Unterschiedliche Anlagengestaltung• Boxberg trotzdem insgesamt redundanter ausgeführt
Luft- und Abgassystem, Wasser-Dampfkreislauf, Brennstoffversorgung
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 57
Zuverlässigkeit von Kraftwerksblöcken
Teilsystem 1 Teilsystem 2 Teilsystem 3 Teilsystem 4 Teilsystem 5 Teilsystem 6
Übrige Hauptmaschi-
nensätzeDampferzeuger
Wasser- undDampfkreislauf
Luft- und Rauchgas-
system
Kohleversor-gung und
Entaschung
Gesamtsystem Kraftwerk
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 58
Frischluftgebläse Saugzug LUVO E-Filter DENOX Übrige
250 %
250 %
250 %
250%
150 %
150 %
150 %
150 %
Zuverlässigkeit von Kraftwerksblöcken
Teilsystem 2KW Boxberg IV
1100 %
1100 %
1100 %
1100 %
KW Rostock
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 59
Zuverlässigkeit von KraftwerksblöckenTeilsystem 3KW Boxberg IV
Speisewasserpumpen Hauptkondensatpumpen Hauptkühlwasserpumpen Übrige
3 50 %
240 %
2 50 %
250 %
240 %
150 %
150 %
1 100 %
KW Rostock
1100 %
250 %
250 %
150 %
1 50 %
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 60
Zuverlässigkeit von Kraftwerksblöcken
Auf der Grundlage von Einzelverfügbarkeiten konnten die Zeit- bzw. Dauerverfügbarkeiten der Teil- und Gesamtsysteme für die beiden Kraftwerke abgeschätzt werden. Es wurde für den Planteil der Nichtverfügbarkeit für beide Anlagen ein Wert
DtNV,Plananteil = 5,2 %nach eingehenden Recherchen angesetzt.Für den Außerplananteil der Nichtverfügbarkeit ergaben sich für die Teil- und Gesamtsysteme die Werte:
Nichtverfügbarkeiten [%] für die TeilsystemeKraftwerk
1 2 3 4 5 6Gesamt-system
Rostock 500 MW 0,1 0,9 0,5 2,0 0,7 0,1 4,3
Boxberg 800 MW 0,1 0,6 0,2 1,9 0,7 0,1 3,6
Vergleich der Außerplan-Nichtverfügbarkeiten für die Kraftwerksblöcke Rostock 500-MW-Steinkohle und Boxberg 800-MW-Braunkohle unter der Annahme von Einzelverfügbarkeiten nach VGB.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 61
Zuverlässigkeit von Kraftwerksblöcken
Somit werden für die Zeitverfügbarkeit (Plan- und Außerplananteil der Nichtverfügbarkeit beachtet!) der betrachteten Kraftwerke abgeschätzt.
% 91,2V
% 90,5V
MW 800Boxberg KW
MW 500Rostock KW
D
D
=
=
D.h., es kann eine um ca. 0,7 % höhere Dauerverfügbarkeit der 800-MW-Blockes des Kraftwerkes Boxberg gegenüber dem 500-MW-Block des Kraftwerkes Rostock erwartet werden. Die Ursachen sollten dabei in den höheren Redundanzen des Kraftwerksblockes in Boxberg zu sehen sein. Die Ergebnisse aus dem Kraftwerksbetrieb dieser Blöcke (aber auch des Blockes Staudinger 5) werden deshalb in den nächsten Jahren mit großem Interesse erwartet.
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 62
Prüfungsschwerpunkte
• Energieträger und deren Auswirkung auf die Umwelt• Schadstoffe und Emissionen• Energiebilanzen• Arten von Kraftwerken und deren Wirkungsgrade• Leistungsbereiche von Kraftwerken• Kosten und Kostenarten• Chemische Zusammensetzung von Brennstoffen (flüssig, fest, gasförmig)• Heizwert• Merkmale der Verbrennung und Vergasung (Reaktionen/Teilreaktionen)• Kraftwerksprozess im hs-Diagramm• Kreisprozess• Wirkungsgradsteigerung/zukünftige Entwicklungen• Limitierungen (Werkstoffe, Prozesstemperatur ...)• Kraftwerkskomponenten
TU Dresden Kraftwerkstechnik V10 Folie 63
Prüfungsschwerpunkte
• Eigenbedarf • Schaltungen und Berechnung von Kraftwerksprozessen• Dampferzeuger/Komponenten• Rauchgasreinigung: Entstickung, Entschwefelung• Gasturbinen und GuD• Prozessdarstellung im Ts-Schaubild• Beispielschaltung zur Abwärmenutzung• PFBC/IGCC/Oxyfuel• Brennstoffzellen• Solarthermische Kraftwerke• (Photovoltaik)• Geothermie/Wasserkraftwerke• WEA