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Aufgabe

Kraft-Wärme-Kopplung

Schwierigkeitsgrad: leichte Aufgabe

a)In einem Kohlekraftwerk herrscht im Kondensator ein sehr niederer Druck. Informiere dich auf der Seite über das Kohlekraftwerk über die Größenordnungen von Druck und Temperatur im Kondensator.

Warum sind der niedrige Druck und die damit verbundene niedrige Siedetemperatur für den Betrieb der Turbine und für den Dampf-Wasserkreislauf im Kraftwerk wichtig? Benutze hierfür auch das nebenstehende Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Siede- bzw. Kondensationstemperatur des Wassers und dem Luftdruck zeigt.

b)Wie viel Prozent der aufgewandten Primärenergie werden im Kondensator an das Kühlwasser abgegeben?

Warum ist die Abwärme nicht sinnvoll nutzbar?

c)Um die Abwärme für Heizungszwecke nutzen zu können sollte der dem Dampf-Wasserkreislauf entnommene Dampf mindestens eine Temperatur von 130°C haben. Mit dem Dampf kann Wasser aufgeheizt werden, das die Abwärme als Fernwärme zum Verbraucher transportiert.

Warum sind nur Verbraucher in einem engen Umkreis von ca. 20km mit Fernwärme wirtschaftlich versorgbar.

d)Bei guter Ausnutzung der Fernwärme im Winter werden in einem Kraftwerk 30% der eingesetzten chemischen Primärenergie in elektrische Energie und 50% in Fernwärme umgewandelt.

Warum ist der "elektrische Wirkungsgrad" von 30% etwas kleiner als der eines Kraftwerkes ohne Fernwärmeabgabe?

e)Wie groß ist der Gesamtwirkungsgrad des obigen Kraftwerkes im Winter?

Wie ändert sich der Gesamtwirkungsgrad im Sommer, wenn keine Fernwärme abgenommen wird?

Schätze den jährlichen Mittelwert des Gesamtwirkungsgrades ab.

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a)Im Kondensator eines Kohlekraftwerks herrscht ein sehr niedriger Druck von ca. 40mbar. Bei diesem geringen Druck kondensiert der Dampf schon bei etwa 35°C (vgl. Dampfdruckkurve).

Für den effizienten Betrieb der Turbine ist es wichtig, dass zwischen dem Dampfeintritt und -austritt ein möglichst hohes Druckgefälle besteht, da dies zu einer hohen Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes führt.

Wäre der Druck im Kondensator nicht so niedrig, würde der Dampf schon bei einer wesentlich höheren Temperatur kondensieren. Die Wirkungsgrad des Kraftwerks würde sinken, da die Differenz zwischen Eingangstemperatur und Ausgangstemperatur des Dampfes geringer wird.

b)Aus dem Energieumwandlungs-Diagramm (Abb. 3 auf der Seite zum Kohlekraftwerk) entnimmt man, dass ca. 50% der Primärenergie an das Kühlwasser abgegeben werden. Dabei wird die Energie "entwertet", da innere Energie bei niedrigen Temperaturen nur schlecht wieder in höherwertige Energieformen (mechanische, elektrische Energie) umgewandelt werden kann.

c)Trotz eines großen Aufwandes bei der Isolation der Fernwärmeleitungen sind die Verluste bei weit entfernten Verbrauchern zu hoch.

d)Mit der Fernwärmeabgabe wird dem Kraftwerk zusätzlich innere Energie entzogen, die nicht mehr zur Umwandlung in elektrische Energie zur Verfügung steht. Da die Dampfaustrittstemperatur höher sein muss als beim konventionellen Kraftwerk, wird der elektrische Wirkungsgrad kleiner.

e)Der Gesamtwirkungsgrad beträgt im Winter 80%.

Im Sommer dagegen nur 30%, da dann keine Fernwärme benötigt wird.

Im Jahresdurchschnitt ist also der Wirkungsgrad ca. 55% (für diese grobe Abschätzung wurde davon ausgegangen, dass ein halbes Jahr lang Fernwärme abgenommen wird).

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Wärmelehre

Wärmekraftmaschinen