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Energiesektor > Strom > Flashcards

Strom Flashcards

1
Q

Kategorie Strom

Wo kommt Elektrizität in der Natur vor?

A

Gewitter, Gehirn, Zitteraale

Energie kann nur von und in eine andere Energieform umgewandelt werden
 Elektrizität ist eine Form von Energie Elektrizität beschreibt alle Phänomene, die ihre Ursache in
ruhender oder bewegter elektrischer Ladung haben

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2
Q

Kategorie Strom

Basisgrößen

A

Elektrische Stromstärke:
- Gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern pro Sekunde dQ/dt
- Symbol: I
- Einheit: Ampere [A]

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3
Q

Kategorie Strom

Abgeleitete Größen

A

Elektrische Spannungen:
- Maß für die Stärke eines elektrischen Felds
- Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten im elektrischen Feld
- Ursache für das Fließen eines elektrischen Stroms
- Symbol: U
- Formelzeichen: Volt[V]

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4
Q

Kategorie Strom

Abgeleitete Größen 2

A

Elektrische Energie
- Fähigkeit des elektrischen Stroms, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden
- Symbol: W
- Formelzeichen: Joule[J] oder Wattsekunde [Ws] oder Wattstunde[Wh]
Elektrische Leistung
- Aus Normierung der Energie auf ein Zeitintervall t ergibt sich die Leistung als zeitlicher Mittelwert der Energie
- Symbol: P
- Formelzeichen: Watt [W]

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5
Q

Kategorie Strom

Gleichstrom

A
  • Konstanter & in eine Richtung fließender elektrischer Strom
  • Aufladen von Batterien und Akkus
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6
Q

Kategorie Strom

Rotierende und ruhende elektrische Maschinen

A

Elektrische Maschinen sind Energiewandler Motoren, Generatoren, Umformer Transformatoren

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7
Q

Kategorie Strom

Wechselstrom

A
  • Periodischer Wechsel der Fließrichtung des elektrischen Stroms
  • Nutzung von Elektromotoren
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8
Q

Kategorie Strom

Stromkrieg

A

Gleichstrom
- Aufbau von vielen Kraftwerken
- Teure Lieferung über eigene Leistung

Wechselstrom
- Wechselstromnetzte erlauben den Transport über längere Reichweiten
- Preiswerter

 G. Westinghouse gewinnt den Stromkrieg
 Wechselstrom

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9
Q

Kategorie Strom

Generator

A

− Umwandlung mechanischer Energie in elektrischer Energie
− Unterschied zum Motor: Richtung der Energieumwandlung
− Funktionsweise:
− Antrieb des Generators über eine Drehbewegung
− Bewegung des elektrischen Leiters in einem unbeweglichen Magnetfeld
− Erzeugung elektrischer Spannung nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion
− Erzeugung von Strom
− Wirkungsgrad von bis ~98%
− Verluste wegen z.B.:
Widerstand der Spulen
− Mechanische Reibung und Luftwiderstand

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10
Q

Kategorie Strom

Wechselstrom 2

A
  • Günstig
  • Einfache Umwandlung mit Hilfe von Transformatoren auf die verschiedenen Spannungsebenen
  • Höhere Spannungen bei der Übertragung
     Je höher die Spannung, desto geringer sind die Übertragungsverluste bei längeren Strecken und konstanter Spannung
  • Niedrige Spannungen bei der Verteilung
     Steckdose: Wechselstrom 230V
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11
Q

Kategorie Strom

Gleichstrom 2

A
  • Früher: keine zuverlässige Technologie für die sichere und wirtschaftliche Übertragung über längere Strecken
  • Heute: möglicher kostengünstiger Transport von großen Strommengen über längere Strecken
     Niedrige Übertragungsverluste
  • Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragung (HGÜ)
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12
Q

Kategorie Strom

Elektromotor

A

Umwandlung elektrischer Energie in mechanischer Energie Funktionsweise:
− Antrieb des Motors durch eine extern angeschlossene elektrische Quelle
− Rotor befindet sich in einem unbeweglichen Dauermagnetfeld
− Über den Stromfluss durch den Rotor wird der Rotor zum Elektromagnet
− Drehung des Rotors
− Nach einer halben Drehung kommt es zum Wechsel der Stromrichtung  Umpolung des Elektromagnets Wirkungsgrad von ~85%
Verluste wegen z.B.: − Widerstand der Spulen
− Mechanische Reibung und Luftwiderstand

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13
Q

Kategorie Strom

Transformatoren

A

⬤ Umwandlung der Wechselspannung
− Eingangswechselspannung auf einer höheren oder niedrigen Ausgangswechselspannung umwandeln
− Auch Trafo genannt
⬤ Anwendungsbeispiele:
− Transformatoren an Kraftwerken
− Transformatoren bei der Energieübertragung vor Wohngebieten
− Transformatoren in Ladegeräten

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14
Q

Kategorie Strom

Transformatoren Aufbau

A

Besteht aus:
− Mindestens zwei Spulen aus isoliertem Kupferdraht
− Geschlossener Eisenkern
− Eingangsseite: Primärspule
− Ausgangsseite: Sekundärspule
− Wicklung der Spulen auf dem Eisenkern
⬤ Eisenkern besteht aus mehreren Blechen mit isolierenden Zwischenschichten
− N1 (Np): Anzahl der Wicklungen auf Primärseite
− N2 (NS): Anzahl der Wicklungen auf der Sekundärseite

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15
Q

Kategorie Strom

Warum wird der Transformator nur mit Wechselspannung betrieben?

A

Mit Gleichspannung ist kein Dauerbetrieb möglich, da über die Gleichspannung kein andauernd sich änderndes Magnetfeld hervorgerufen werden kann. In der Sekundärspule kann nur dann eine Wechselspannung induziert werden, wenn sich der magnetische Fluss durch den Eisenkern ändert.
Bei Anlegung einer Gleichspannung an der Primärseite erfolgt beim Ein- und Ausschalten eine kurze Änderung des Feldes. Dies wird von einem konstanten Verhalten gefolgt, sodass keine Spannung auf der Sekundärseite induziert werden kann.

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16
Q

Kategorie Strom

Batteriestromspeicher 2

A

⬤ Meistens Blei- und Lithium-Ionen-Batterien
⬤ Speicherkapazität/ Nennkapazität: maximale Auflademenge an elektrischer Energie, die gespeichert werden kann
⬤ Nutzkapazität: tatsächliche Energiemenge,die genutzt werden kann, wenn die Entladetiefe eingehalten wird
⬤ Ladezyklus: Einmaliges Laden, Speichern und Entladung bei Nutzung derGesamtspeicherkapazität
⬤ Batteriekapazität: maximal entnehmbare Elektrizitätsmenge, wird in Amperestunden [Ah] angegeben
⬤ Einige Eigenschaften: − Wirkungsgrad : ~95-100%
− Anzahl der Ladezyklen: ~5000-10.000

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17
Q

Kategorie Strom

Pumpspeicherkraftwerke 2

A

⬤ Speicherung von großen Mengen an elektrischer Energie
⬤ Schneller Abruf der Speicherkapazität
⬤ kurzfristiger Ausgleich der Schwankungen im Stromnetz
⬤ Nutzung von Pumpspeicher-KW für:
− Deckung von Spitzenlasten
− Bereitstellung von Reserveleistung
− Füllung von Verbrauchstälern
⬤ Einige Eigenschaften:
− Wirkungsgrad: ~75-80%
− Investitionskosten: 500 - 1.200€/kW
− Auslegung der Speicherkapazität: Bereitstellung von Strom für 4 – 8 Stunden
⬤ ~40 GWh

18
Q

Kategorie Strom

Transformatoren Funktionsweise

A

⬤ Keine elektrische Verbindung zw. den Spulen
⬤ Anlegung einer Wechselspannung U1 an der Primärspule
⬤ Ein Wechselstrom in der Primärspule wird verursacht
⬤ Wechselstrom in der Primärspule verursacht ein andauernd änderndes Magnetfeld
⬤ Magnetischer Fluss wird über den Eisenkern die Sekundärspule durchringen
⬤ Durch das sich andauernd ändernde Magnetfeld in der Sekundärspule wird eine Wechselspannung U2 in der Sekundärspule induziert ⬤ Induktion
⬤ Ausgangswechselspannung U2 an der Sekundärspule kann dann abgegriffen werden
⬤ Ausgangsspannung ist abhängig von der Wicklungszahl beider Spulen

19
Q

Kategorie Strom

Spannungsebenen

A

Unterteilung der Netze in zwei Kategorien:

  • Übertragungsnetz (Verbundnetz)
    ⬤ Großräumiger Energietransport zw. Erzeugungs- & Verbrauchsschwerpunkte
  • Verteilnetz
    ⬤ räumlich begrenzter Energietransport und Weiterleitung zu Endverbrauchern (Hoch-, Mittel-, Niedrigspannung)
20
Q

Kategorie Strom

Schwungradspeicher

A

Speichert elektrische Energie als mechanische Energie
⬤ Kombination aus einem Schwungrad und einem Motor/ Generator
⬤ Aufladung des Speichers: Elektromotor bringt das Schwungrad zum Rotieren
− Antrieb des Motors mittels überschüssiger Energie, die im Stromnetz nicht eingespeist werden kann
⬤ Entladung des Speichers: Umwandlung der kinetischen Energie in elektrische Energie mittels
eines Generators

21
Q

Kategorie Strom

Batteriestromspeicher

A

Aufladung des Speichers: Umwandlung der gewonnen elektrischen Energie in chemische Energie mittels Akkumulatoren des Stromspeichers

Entladung des Speichers: Umwandlung der chemischen Energie zurück in elektrische Energie

22
Q

Kategorie Strom

Pumpspeicherkraftwerk

A

Entladung des Speichers: Mittels der Wasserströmung vom oberen Becken Richtung der unteren Turbine im unteren Becken wird ein Generator angetrieben. Über den Generator wird elektrische Energie in das Netz eingespeist.

Aufladung des Speichers: Liegt ein Überschuss an elektrischer Energie im Stromnetz, so wird mittels eines Elektromotors das Wasser aus dem unten liegenden Becken zum oberen Becken gepumpt.

23
Q

Kategorie Strom

Schwungradspeicher 2

A

Einsetzung als kurzzeitige Energiespeicher (meistens < eine Stunde)
- Hohe Selbstentladung
- Hohe Kosten pro speicherbare Kilowattstunde Menge an Energie die gespeichert werden kann, ist von der Masse, dem Radius und der Geschwindigkeit des Schwungradspeichers abhängig

24
Q

Kategorie Strom

Gründe für die hohen Investitionskosten im Verteilnetz

A
  • Anzahl der Komponenten ist höher als in den höheren Spannungsebenen
  • Kosten im Netzanteil werde stark durch die Nutzungsdauer bestimmt
25
Q

Kategorie Strom

Stromtransport

A
  • Verschiedene Arten von Stromquellen speisen Strom in ein einheitliches System ein
  • (Betrachtung der eingespeiste Energie aus verschiedenen Quellen als eine Urne)
  • Die Rückverfolgung der Art der Stromquellen ist auf der Erzeugungsseite möglich
  • Die Verfolgung der Art der Stromquelle auf der Verbraucherseite ist noch nicht möglich
26
Q

Kategorie Strom

Freileitungen Einsatz, Isoliermedium, Vorteile und Nachteile

A

Einsatz:
- Überwiegend im ländlichen Bereich
- Für große Übertragungsstrecken in der Höchstspannung

Isoliermedium: umgebende Luft

Vorteile:
- Gute Abfuhr der in den Leitern entstehenden Wärme
- Freileitungen sind günstiger als Erdkabel
- Vorübergehende hohe Belastung grundsätzlich möglich

Nachteile:
- Höhere Leistungsverluste als bei Kabeln
- Sichtbare Bauwerke

27
Q

Kategorie Strom

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung 2

A
  • Verbindung der lastfernen Stromerzeugung mit den Lastzentren
  • Effiziente Energieübertragung über weite Strecken
  • Einsatz von HGÜs für einen verlustärmeren Energietransport
  • HGÜ: Stromübertragung mittels Gleichstrom
  • Einsatz von HGÜs im deutschen Übertragungsnetz
  • Zentraler Teil der neuen Netzinfrastruktur
28
Q

Kategorie Strom

Freileitungen 2

A

Aufbau: Masten, Fundamente, Isolatoren, Armaturen, Leitern

Je höher die Mast, desto höher die Spannung
- Größerer Bodenabstand bei höheren Spannungen

29
Q

Kategorie Strom

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

A
  • Veränderung der Energielandschaft im Zuge der Energiewende
    ⬤ Änderung der Energieerzeugung von einer zentralen zu einer dezentralen Struktur
  • Die Mehrheit der erneuerbaren Energien sind weit von den Lastzentren entfernt
    ⬤ Längere Transportwege für die elektrische Energie
  • Der existierende Wechselstrom-Hoch-spannungsnetz ist absehbar nicht ausreichend für die Realisierung der Energiewende
    ⬤ Überlastung des bestehenden Übertragungsnetzes
    ⬤ Energiewende als Herausforderung für die Strominfrastruktur und die Versorgungssicherheit
30
Q

Kategorie Strom

HGÜ Aufbau & Funktionsweise

A

Umrichterstation
− Gleichrichter: Umwandlung der Wechselspannung des konventionellen Stromnetzes in Gleichspannung
HGÜ-Transportleitung
− Gleichstromkabel oder Gleichstromfreileitung
Umrichterstation
− Gleichrichter: Rückumwandlung der Gleichspannung in Wechselspannung

31
Q

Kategorie Strom

HGÜ Vorteile

A
  • Stromtransport über weite Strecken mit geringen Verlusten
    − Übertragungsverluste sind ca. 30 – 50% niedriger als bei einer Hochspannungsdrehstromübertragung
  • Entlastung des AC-Übertragungsnetzes
  • Weniger Neubauten im Wechselstromnetz
  • Bessere Regelbarkeit und Steuerbarkeit im Netz
  • Systemsicherheit und Systemstabilität
  • Geringere Raumbeanspruchung als bei Hochspannungsdrehstromübertragung
  • Hohe Wirtschaftlichkeit
  • Kabelgebundene Verbindungen sind ab ca. 80km-100km nur mit HGÜ möglich
    − Ab dieser Länge kommt bei Erd- oder Seekabeln beim Ein- satz der Drehstromtechnik praktisch keine Energie mehr an
32
Q

Kategorie Strom

HGÜ Nachteile

A
  • Hohe Errichtungskosten aufgrund der Umrichterstationen
  • Hoher Platzbedarf der Umrichterstationen
33
Q

Kategorie Strom

HGÜ Leitungen

A

⬤ Kabel für HGÜ
− Kabelgebundene Verbindungen sind ab ca. 80km-100km nur mit HGÜ möglich − Erdkabel − Seekabel
≡ Verbindung von Ländern und Kontinente
≡ Anbindung von Offshore- Windenergieanlagen ans Festland
⬤ Freileitungen für HGÜ
− Ab etwa 600km Länge sind Freileitungen in HGÜ wirtschaftlicher als in der Drehstromtechnik
⬤ Teilverkabelung ist möglich

34
Q

Kategorie Strom

Spannungsebenen Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)

A
  • Vier Regelzonen
    − Nach dem 2. Weltkrieg: neun ÜNB − Heute: vier ÜNB
  • Innerhalb seiner Regelzone ist ein ÜNB für die Betriebsführung verantwortlich
  • Kundenübergreifender Bilanzausgleich zw. Erzeugung und Verbrauch nur innerhalb der Regelzonen
  • Verantwortlich für die Gewährleistung der Stabilität des Energieversorgungssystems (Frequenz- & Spannungsstabilität)
  • Überregionale Verteilung der Energie
35
Q

Kategorie Strom

Spannungsebenen Verteilnetzbetreiber (VNB)

A
  • 2020: 874 Verteilnetzbetreiber
  • Regionale Stromversorgung
  • Verteilung der Energie an Endverbraucher
  • Verantwortlich für die Verbindung zwischen dem ÜNB und den Endkunden
  • Aufnahme und Verteilung der in kleineren Anlagen (z.B. Photovoltaikanlagen) erzeugten Energie
36
Q

Kategorie Strom

VNB 2

A

Unterscheidung zwischen Netzbetreiber und Grundversorger
− Jeder Netzbetreiber ist für eine oder mehrere Regionen zuständig
⬤ Netzbetreiber sind nicht frei wählbar
− Bereitstellung der Infrastruktur
− Besitz der Leitungen für den Stromtransport
− Zuständig für den Betrieb, Wartung und Erweiterung des Netzes
− Grundversorger/ Stromanbieter ist der Vertragspartner mit den Endverbrauchern
− Kunde darf den Stromanbieter wechseln

37
Q

Kategorie Strom

Herausforderungen an das Energieversorgungssystem

A

Der Strom wird in der Zukunft mehr an Bedeutung gewinnen
- Heutige Prognosen und Szenarien gehen von einem zukünftig steigenden Stromverbrauch aus
- Zunehmende steigende Last z.B. durch:
− Elektrifizierung des Verkehrssektors⬤Zunahme der elektrisch betriebenen Fahrzeugen
− Nach dem neuen Koalitionsvertrag sind 15 Millionen elektrische Pkw bis 2030 vorgesehen
− Steigende Anzahl an Wärmepumpen

38
Q

Kategorie Strom

Stromgestehungskosten heute

A

Erneuerbare Energien haben heute bereits die niedrigsten Stromgestehungskosten

39
Q

Kategorie Strom

Oberleitungen

A
  • Oberleitungen (OL) schon ab 1911 im Einsatz
  • Ca. 4.000 km OL, um 1/3 des Lkw-Fernverkehrs
    zu elektrifizieren
  • Damit CO2 -Einsparpotenzial von 12 Mio. t pro Jahr möglich
  • Günstiger als Umstellung auf synthetische Kraftstoffe
  • Nachteile: Teilstrecke ohne OL benötigt Verbrenner/Akku, hohe Investitionskosten, länder-
    übergreifend kaum standardisiert umsetzbar
40
Q

Kategorie Strom

Rechenzentren sind aufgrund der unterschiedlichen Flexibilitätspotentiale interessant für Energiewirtschaft

A

Rechenzentren setzen sich ambitionierte Erneuerbare Ziele:

  1. Uninterruptible Power Supply (UPS): Kurzzeit-Energiespeicher, der die reibungslose Betreibung von Rechenzentren bei kurzzeitigen Stromausfällen sichert.
  2. Zeitlich verschiebbare Nachfrage: Ermöglicht das Verschieben von Rechenlasten auf Zeiten außerhalb der Spitzenlasten im Stromnetz.
  3. Örtlich verschiebbare Ladungen: Ermöglicht das Verschieben von Rechenlasten zu Standorten mit geringerer Auslastung im Stromnetz.
  4. Back-up Erzeugung: Zusätzliche Stromerzeugungsquelle am Rechenzentrum für den Fall eines Netzstromversorgungsausfalls.
  5. Back-up battery: Zusätzliche Stromspeicherkapazität am Rechenzentrum für den Fall eines Netzstromversorgungsausfalls.
41
Q

Kategorie Strom

Stromnachfrage deutscher Rechenzentren

A
  • Deutsche Rechenzentren mit einem Strombedarf von 16 TWh im Jahr 2020 (~3,2% des Gesamtbedarfs)
  • Durchschnittlicher jährlicher Anstieg der Nachfrage um 4,6 % zwischen 2010 und 2020 (57 % Gesamtanstieg)
  • Die Arbeitslast der Rechenzentren hat sich gleichzeitig um 700 % erhöht (⬤ Effizienzgewinne)
  • Die durchschnittliche Stromverbrauchseffizienz (PUE) hat sich von 1,93 auf 1,63 verbessert.
  • “Boom” der großen Rechenzentren vorhergesagt, weniger Investitionen in kleinere Zentren
  • Strombedarf der deutschen Rechenzentren wird bis 2025 auf 18 TWh weiter ansteigen
  • Ausbau von Cloud Computing- Zentren durch internationale Unternehmen als Haupttreiber
  • Neue Trends wie künstliche Intelligenz und 5G führen zu neuen Kapazitäten des Edge Computing
42
Q

Kategorie Strom

Aktuelle Trends im Rechenzentrum

A

Abwärmenutzung
Höhere Energieeffizienz
Schneller Ausbau

Energiesektor (12 decks)

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