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BerndSchlueter, inoculator, Bernd Schlueter, R.M, Manfred aus ObB, Emil

Kohlekraftwerke mit deutlich höherem Wirkungsgrad

Startbeitrag von Emil am 03.02.2016 18:00

Antworten:

Die Brennstofflagerstädten werden zur Neige wandern , um uns dort mitzuteilen, dass sie bald alle sind.
Nicht morgen, aber irgendwann ist die Kohle wieder dran, dann zu 100% als Brennstoff.. Um die Umwelt zu schonen, geht das nur mit starken Energieverbrauchseinschränkungen.
Wir wissen schon, wie. Ohne, dass unsere Lebensumstände allzu sehr darunter leiden müssen.
50% Wirkungsgrad sind kein Problem, wenn der Staat nur auf einen Teil seiner 12 Cent Steuereinnahmen verzichtet und in die Turbinenschaufeln investiert. Zur Zeit bekommen die Erzeuger nämlich nur 3 Cent für die kWh Strom. Die Kohle ist kostenlos, deshalb besteht kein Anreiz zum Sparen. Die Uralt-Kraftwerke sind so alleine wirtschaftlich.
Nimmt man jedoch alle Umlagen und Steuern vom Strom und verteilt diese zu 100% um auf die Brennstoffe, sollt Ihr mal sehen, welche Wirkungsgrade im Nu erreicht werden.
Im Übrigen kann man auch mittlere Kraftwerke als Kohle-Heizkraftwerke betreiben, mit dann nur 400 Gramm CO2 pro kWh. Mein Saxe würde dann nur noch 60 Gramm CO2 pro km in die Gegend pusten. Zur Zeit sind es noch 165 Gramm aus Braunkohlenstrom.

von Bernd Schlueter - am 03.02.2016 19:11
Hei, Roman, schau mal... ein IONEN Kraftwerk mit Kohlebetrieb:

"...The secret is heating the water that drives the steam turbines beyond the normal limits. At the RDK8’s operating temperature of 1,112 degrees Fahrenheit, the pressure reaches 4,000 pounds per square inch. Under these conditions, the water becomes ultra-supercritical steam. This means that the water never boils—it just turns from water to steam, and doesn’t act like either "Instead, it exhibits properties of both at the same time," writes GE’s Mike Keller. "In this state, supercritical steam becomes much more efficient at driving the turbines that spin the electricity-producing generators."..."

;-)

von inoculator - am 04.02.2016 08:25
Überkritisch, das heißt, man verdichtet das Wasser bei über 226 bar und 425°C und entspannt es ebenfalls oberhalb dieses Bereichs.
Das kann ich kaum glauben, damit sich das lohnen kann, müsste der Kompressionsdruck schon weit über 1000bar betragen.
Nein, nein, das kann nicht gehen.
Alle guten Kohlekraftwerke arbeiten jenseits der kritischen Temperatur bei möglichst hohem Druck nahe den 226 bar , aber möglichst häufiger , meist vierfacher Zwischenüberhitzung bei 700 bis 800°C, aber unterkritischem Druck. Das ist aber uralte Technik, da gibt es nichts Besseres. Versuche mit kohlenstaubbefeuerten Gasturbinen wurden eingestellt. Zuviel Abrieb.

Merke:
Alle Gasturbinen arbeiten rein im überkritischen Bereich, haben aber einen viel schlechteren Wirkungsgrad als unterkritisch betriebene Kraftwerke, also mit Flüssigkeit betriebene, Wasserdampfturbinen. Nur hintereinandergeschaltet kommt man auf etwas mehr Wirkungsgrad.

Das man den Wasserdampf nicht im überkritischen Bereich verwendet, liegt daran, dass Wasser dreiatomig, Luft aber zweiatomig mit einem weit besseren kappa ist, zudem ist das Molekülgewicht von Luft mit 29 höher als das von Wasser mit 18.

Ein Vorteil von Gasturbinen: die Vorerhitzung von Wasser ist kompliziert, mit Anzapfdampf. Das Problem hat man bei Gasen , also überkrischer Flüssigkeit, nicht. Luft wird erst bei -180°C flüssig. Also, man ist immer in dem sogenannten "überkrischen Bereich".

Rein theoretisch ist der Wirkungsgrad im unterkritischen Bereichi mmer beschränkt, aber im überkritischen tatsächlich volle 100%.
Wenn Du technisch auch nur besser als im unterkritischen Bereich kommst, sind Dir alle Nobelpreise dieser Welt sicher.

Guy Negre wollte auch im überkrischen Bereich arbeiten, das schaffte er nicht einmal mit Luft, die sich (ungewollt) verflüssigte.

von BerndSchlueter - am 04.02.2016 13:05
"...In etwa 500 Kohlekraftwerken weltweit wird überkritisches Wasser im Dampfprozess verwendet.[3] Dabei erreicht der Frischdampf Temperaturen von bis zu 580 °C und Drücke von etwa 270 bar und somit den überkritischen Zustand.[4] Kraftwerke mit überkritischen Frischdampftemperaturen von 700 °C und -drücken von 350 bar befinden sich in der Entwicklung.[4] Der Einsatz von überkritischem Wasser in Kernkraftwerken ist noch Gegenstand der Forschung, z.B. Überkritischer Leichtwasserreaktor.[5]..."

Scheint so, als würde überkritisches Wasser gar nicht so unüblich sein....
Quelle: [de.wikipedia.org]

von inoculator - am 04.02.2016 13:43
Zitat
inoculator


Scheint so, als würde überkritisches Wasser gar nicht so unüblich sein....


Dampf net Wasser

von Manfred aus ObB - am 04.02.2016 16:04
Ja, möglich ist das. aber mich wundert, dass man dazu ausgerechnet Wasser verwenden will. Es vereinfacht zwar die Anlage, wenn man keine Gasturbine auf Luftbasis mehr vorschaltet, die ja mit ganz erheblich geringeren Drücken auskommt. Klar, die erste Erwärmung bis 800°C kann bei 350 bar stattfinden, das bringt gegenüber der Verdampfung am kritischen Punkt einen Expansionsgewinn von 350 bar auf 226 bar, also von 1:1,55, damit einen Wirkungsgradgewinn von theoretisch und damit auch annähernd praktisch von 9%, bezogen aber nur auf die erste Überhitzungsstufe. Insgesamt, bei vier Zwischenüberhitzungen, ein Wirkungsgradgewinn, gleiche Überhitzungstemperaturen vorausgesetzt, von vielleicht 2%.
Wenn man mit einer veralteten Dampfturbine ohne Zwischenüberhitzung vergleicht, kann sich der Wirkungsgrad auch vervielfachen. Das wäre aber unfair. Ich hatte erst gedacht, man könne die Turbinendimensionen durch Nachverdichten in der Nähe des kritischen Punktes verringern, aber das ist ein Trugschluss. Es fällt so oder so fast die volle Kondensationswärme an.

von Bernd Schlueter - am 04.02.2016 16:35
Hallo

Überkritsch heist vereinfacht du hast ein Fluid wo es keinen Unterschied zwischen Gas und Flüssigphase bei den Physikalischen Eigenschaften gibt.

Bei CO 2 kann man das gut in einem Versuch darstellen da dort der Druck recht gering ist so daß man Glasröhren als Zylinder verwenden kann.

Das Ganze ist nicht so einfach da man ja den Phasenübergang vermeiden will.

Gruß

Roman

von R.M - am 04.02.2016 18:48
Ach, ich habs. Es geht ja doch so, wie Carsten sagt, aber trotzdem anders.eine 2% Wirkungsgradgewinn waren auch schon auf fast die Hälfte heruntergeschmolzen.Dafür macht niemand diesen Aufstand mit 350bar in den glühenden Rohren. Also so: Die Speisepumpe pumpt brav ihre 350 bar. Bei 425 Grad Vorwärmung verdampft das Wasser, wenn man da überhaupt noch von Verdampfung sprechen kann, denn das ist der kritische Punkt oder besser Bereich. Also eine sehr sanfte Verdampfung. Überhitzt bis der Dampf glüht, bei 800°C.Jetzt wirds trickreich: zunächst wird expandiert, wie gehabt, auf etwa 425 Grad, also im kritischen Bereich. Jetzt wird komprimiert, wieder auf 350 bar und anschließend gekühlt, durch Überhitzen des in den vier Zwischenerhitzern überhitzten Dampfes des konventionellen Turbinenteils.
Mit anderen Worten, wir haben eine herkömmliche Dampfturbine, die bis auf die erste Überhitzumgs- und Turbinenstufe ausschließlich im unterkritischen Bereich, also mit Phasenumwandlung arbeitet, und einen überkritischen Teil, der eine komplette vorgeschaltete Gasturbine darstellt mit Kompressor , Kühler bei der kritischen Temperatur, Überhitzer und Turbine. Der Unterschied zum GUD ist lediglich, dass die Gasturbine ausschließlich mit Wassergas arbeitet, auch Dampf genannt, statt Luft.
1.Vorteil: Weit besserer Wärmeübergang , sodass in der "Gasturbine" mit indirektem Wärmetausch (wegen der problematischen Kohle) gearbeitet werden kann.
2. Vorteil: in der Nähe der kritischen Temperatur nähert sich die Dichte des Wasser"gases" der des flüssigen Wassers, die Verdichter arbeiten weit effektiver.
3.Vorteil: auch nach der Wiederverdichtung ist derWärmeübergang, da in der Nähe der kritischen Temperatur weitaus besser , vor die ersteÜberhitzungsstufe des konventionellen Teils wird sogar direkt bei der passenden Tempertur eingespeist. die Überhitzung der folgenden Stufen erfolgt durch indirekten Wärmetausch.

Nachteil: Eigentlich nur der hohe Druck. Das Material ist teurer.
Der zusätzliche Wärmetausch in der Nähe des kritischen Punktes fällt kaum ins Gewicht.

Ich hoffe, es stimmt so, wie ich es mir ausgedacht habe? Carsten muss nur mit der Idee kommen, den Rest schaffen wir dann auch noch?
Huch, es steht auch schon im Wiki und in China läuft ein überkritisches, mit Kohle indirekt beheiztes Dampf-Gas-Dampf-Wasserkraftwerk. Mal sehen, ob ich die Arbeitsweise richtig erraten habe...

von BerndSchlueter - am 05.02.2016 01:59

Viel Lärm um nichts

Wenn ich das schon höre,
"hocheffiziente und emissionsarme Dampfkraftwerke mit Höchstdruckturbinneteilens für ultra-überkritische Frischdampfparameter",
dann wird mir schon klar, dass da mächtig hochgestapelt wird.
Nein, das ist noch kein hypersuperaffengeilhöchsteffektives phenomenalextraüberkritisches Wunderkraftwerk, sondern das, was es fast immer schon gab: Nein, da ist keine Wassergasbetriebene Gasturbine mit Kompressor vorgeschaltet. Nein, nur die erste Dampferhitzung erfolgt mit einem Druck, der nur sehr mäßig über den kritischen 226 bar liegt.
Bei den vielen folgenden Druckstufen ist nichts mehr überkritisch und der Wirkungsgradgewinn dürfte nicht mehr weit über 1% liegen. Jedenfalls vom Teil, der auf die anfängliche Druckerhöhung alleine zurückzuführen ist. Adam und Eva überhitzten bereits den Dampf, der langsam anfängt, rot zu glühen. das sollte man aber trennen von der Druckerhöhung, die man heute superhyperorbitantüberkritisch bezeichnet. nein mit meinem Vorschlag bin ich der Zeit voraus und mir fehlen die Worte, meinem Kind auch noch einen Namen zu geben.
Kochen wir doch mal einfach mit Wasser:
226 bar ist der kritische Druck. Großkraftwerkskondensatoren kommen am Niederdruckturbinenaustritt nicht unter 1/10 bar wegen der Schallmauer, die der Überschallgeschwindigkeit im Wege steht. Also ein Druckverhältnis von 2260:1 gegenüber dem eines Airbus380-Triebwerkes von nur 39:1, Dreiwellentriebwerk Trent 900. Durch die Erhöhung des Druckes auf 350 bar wird das Expansionsverhätlnisder ersten Stufe lediglich um den Faktor 1,55=350:226 erhöht. Das macht in der erdten von vier Überhitzungsstufen einen Temperaturgefällegewinn von 1,55^0,2=1,09, also 9%:4 Gewinn auf die 50%, dazu Verluste, macht knapp 1%. Die weiteren Stufen haben wegen des weit geringeren Druckes eh keine Temperaturprobleme.

Üblich sind immer noch Überhitzungstemperaturen von nur 700°C, wobei noch nichts kirschrot glüht.
Der Druck-Temperaturkoeffizient von Luft liegt durchschnittlich bei 1,28, das von Wasser bei 1,2.
Um bei der Expansion von 700 Grad auf 600 Grad abzukühlen, benötigt man demnach ein Druckverhältnis von 2:1, praktisch aber etwas mehr. 16:1 sind mit 4 Zwischenüberhitzungen schon mal verbraucht.141:1 bleiben. Damit sinkt die Abdampftemperatur von 600 Grad auf 50°C, was etwa den 0,1 bar entspricht. So leicht ist da nicht viel mehr zu machen. Dass man mit GUD weiter kommt, ist den weit höheren Verbrennungstemperaturen, dem kappa=1,4 von Luft und den viel niedrigeren Drücken zu verdanken.

In diesem Sinne gibt es "überkritische " Kraftwerke schon seit weit über einem halben Jahrhundert ,1954, obwohl da herzhaft wenig überkritisch ist.

Den 39:1 des Trent entspricht ein theoretischer Wirkungsgrad von ca 1-39^-0,28 = 64%, der aber bei weitem nicht erreicht wird. Aber immerhin weit mehr als die nur theoretischen 9% in nur der ersten Turbinenstufe des superhypereffizienten Kohlekraftwerks. Nein diese Kraftwerker mahlen auch nur mit Kohle.
Ich stelle fest, auch 1960 waren die besten der Kohlekraftwerke auf überkritischen Anfangsdruck ausgelegt und hatten bis zu 47% Wirkungsgrad. Die waren nur zu teuer und man muss auch heute noch die alten aufbrauchen, die werfen den meisten Gewinn ab, Heute hat man Geld für bessere Materialien und alleine wegen der mäßigen Temperaturerhöung liegt man etwasl darüber. Siemens und etliche andere bauen weit wirkungsgradstärkere GUD-Kraftwerke, aber die arbeiten mit Gasturbinen. die sind weder überkritisch noch mit sonstigen hochtrabenden Täuschungsausdrücken geschmückt.

Bienen sind fleißige Tiere. Ich lasse mal eine solche zu Wort kommen und schließe mich den meisten Aussagen an. Außer der, dass es 1954 noch nicht möglich gewesen sein soll, Dampfturbinen mit 47% Wirkungsgrad zu bauen. damals war nur die Energie so billig, Braunkohle kostete gar nichts, dass niemand bereit war, Geld für die benötigten Materialien auszugeben.

Eine Biene sagts der anderen

Wenn wir effektiv Energie sparen wollen, dann geht das nur über das dezentrale smart grid mit Kraft-Wärmekopplung und einem anderen Steuer- und Umlagensystem. Dann ist es auch keine Frage, dass sich die elektrische Mobilität durchsetzen wird und das Klima endlich entscheidend geschont wird. Auch Kohle hat dann noch ihren Platz und Solardächer lohnen sich richtig. Ich bin es leid, dass mein Elektroauto 165 Gramm CO2 pro km in die Luft pustet. Noch hat sich kein teuer eingekauftes norwegisches Wasserstromelektron nach Düsseldorf verirrt.

von BerndSchlueter - am 05.02.2016 05:15
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