Grundlagen der elektrischen Energieversorgung - Cheatsheet

Grundlagen der Elektrizität und elektrische Schaltkreise

Definition:

Elektrizität ist die Bewegung von Ladungsträgern. Ein elektrischer Schaltkreis besteht aus verschiedenen Komponenten wie Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten und Stromquellen, die in einer bestimmten Weise verbunden sind.

Details:

• Spannung (U): Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten, gemessen in Volt (V).
• Strom (I): Fluss von elektrischen Ladungen, gemessen in Ampere (A).
• Widerstand (R): Behinderung des Stromflusses, gemessen in Ohm (Ω).
• Ohmsches Gesetz: \( U = I \cdot R \).
• Reihenschaltung: Widerstände addieren sich (\( R_{\text{ges}} = R_1 + R_2 + ... \)).
• Parallelschaltung: Kehrwerte der Widerstände addieren sich (\( \frac{1}{R_{\text{ges}}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ... \)).
• Knotenregel (Kirchhoff): Summe der Ströme an einem Knoten ist null.
• Maschenregel (Kirchhoff): Summe der Spannungen in einer geschlossenen Schleife ist null.

Generatoren und Transformatoren

Definition:

Generatoren wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um, während Transformatoren elektrische Energie von einem Spannungsniveau auf ein anderes übertragen.

Details:

• Generatoren: erzeugen Wechselstrom durch elektromagnetische Induktion.
• Transformatoren: bestehen aus Primär- und Sekundärwicklung, nutzen elektromagnetische Induktion zur Spannungskonvertierung.
• Leistungsformel Generator: \[ P = VI \]
• Transformatorengesetz: \[ \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} \]

Spannungsregelung und -verteilung

Definition:

Verteilung und Regelung der Spannung in einem elektrischen Energieversorgungssystem zur Sicherstellung der Systemstabilität und effizienten Energieübertragung.

Details:

• Spannungsregelung durch Transformatoren: Anpassung der Spannungshöhe zur Verringerung von Übertragungsverlusten
• Lastflusssteuerung: Beeinflussung von Lastströmen zur Vermeidung von Überlastungen und Spannungsabfällen
• Spannungsstabilität: Erhaltung der Spannung innerhalb zulässiger Toleranzen zur Sicherstellung der Netzsicherheit
• Methoden: Einsatz von Regler wie AVR (Automatic Voltage Regulator) und FACTS (Flexible AC Transmission Systems)
• Formel für die Spannungsberechnung an einem Punkt: \( V = IR \)

Photovoltaik und Solarenergie

Definition:

Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen.

Details:

• Photovoltaik: Nutzung von Solarzellen zur Umwandlung von Sonnenlicht in Strom.
• Solarzelle: Halbleiterbauelement, das Licht in elektrische Energie umwandelt. Effekt basiert auf dem photovoltaischen Effekt.
• Photovoltaischer Effekt: Generierung von elektrischer Spannung durch Absorption von Licht in einem Material.
• Wirkungsgrad: Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zur eingestrahlten Sonnenenergie. Typischer Wert: 15-22 %.
• Sonneneinstrahlung: \( E = P_s \times A \) (E = Energie, \(P_s\) = Leistung der Sonneneinstrahlung, A = Fläche)
• Einsatzgebiete: Gebäudeintegration, Freiflächenanlagen, Inselanlagen.
• Speicherung: Batteriespeicher, Nutzung des erzeugten Stroms mit Verzögerung möglich.
• Umweltfreundlich, reduziert CO2-Emissionen, nachhaltige Energiequelle.

Netztopologien und Architektur

Definition:

Netztopologien definieren die strukturelle Anordnung der Komponenten eines Energienetzes, während die Architektur die gesamte Struktur und Funktion des Systems beschreibt.

Details:

• Sternnetz: Zentrale Versorgung mit Verteilung zu einzelnen Verbrauchern.
• Ringnetz: Geschlossener Stromkreis zur Erhöhung der Zuverlässigkeit.
• Maschennetz: Hohe Redundanz durch mehrere Verbindungen zwischen Knotenpunkten.
• Hierarchische Architektur: Mehrere Spannungsebenen (Hoch-, Mittel-, Niederspannung) zur effizienten Energieverteilung.
• Dezentrale Architektur: Integration von erneuerbaren Energien und kleineren, verteilten Erzeugern.
• Formel zur Berechnung der Netzlast: \[ P = \sum_{i=1}^{n} P_i \ \]

Definition und Merkmale von Smart Grids

Definition:

Intelligente Stromnetze, die traditionelle Strominfrastruktur mit Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) integrieren.

Details:

• Echtzeitüberwachung und -steuerung von Stromnetzen
• Integration erneuerbarer Energien
• Dezentrale Energieerzeugung und -speicherung
• Nachfragegesteuerte Laststeuerung (Demand Response)
• Verbesserte Netzstabilität und -effizienz
• Stromverbrauchsanalyse und Optimierung
• Zuverlässigkeit und Resilienz gegenüber Störungen

Batterietechnologien und -anwendungen

Definition:

Verschiedene Arten von Batterien und deren spezifische Anwendungen in der Energieversorgung

Details:

• Primärzellen (nicht wiederaufladbar): Einwegbatterien z.B. Alkaline-Batterien
• Sekundärzellen (wiederaufladbar): Lithium-Ionen, Bleiakkus, Nickel-Metallhydrid
• Kapazität: \[ Q = I \times t \] (Amperestunden)
• Energieinhalt: \[ E = U \times Q \] (Wattstunden)
• Anwendungen: E-Mobilität, Energiespeicherung, tragbare Geräte
• Leistungsdichte vs. Energiedichte

Lastflussanalyse

Definition:

Analyse der Verteilung elektrischer Lasten im Netz, um Spannungen, Ströme und Verlustleistungen zu berechnen.

Details:

• Zentral für Netzstabilität und Auslegung
• Grundlegende Gleichungen sind die Knotenpunktgleichungen
• Netzwerkmodellierung: Leitungen als Impedanzen
• Verwendet Leistungsbilanz: \( \text{P} = \text{U} \times \text{I} \times \text{cos(}\theta\text{)} \)
• Iterative Methoden: Newton-Raphson, Gleichstromapproximation
• Software-Tools: PSS/E, PowerFactory