Betriebsmittel und Komponenten elektrischer Energiesysteme - Cheatsheet

Prinzipien der elektrischen Energieerzeugung

Definition:

Grundlagen der Umwandlung verschiedener Energieformen in elektrische Energie

Details:

• Energiequellen: mechanisch (z. B. Wasserkraftwerke, Windkraftanlagen), thermisch (z. B. fossile Brennstoffe, Kernkraftwerke), solar (Photovoltaik)
• Wirkungsgrad: Verhältnis der nutzbaren elektrischen Energie zur eingesetzten Primärenergie
• Generatorprinzip: Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie durch elektromagnetische Induktion (Faradaysches Gesetz)
• Gleichstromerzeugung vs. Wechselstromerzeugung
• Erneuerbare vs. nicht erneuerbare Energiequellen: Nachhaltigkeit und Umweltaspekte
• Grundgleichungen: \[ P = U \times I \] (Elektrische Leistung), \[ E = P \times t \] (Energie)

Wechselstrom- und Gleichstromsysteme

Definition:

Wechselstromsysteme verwenden sinusförmige Spannungen und Ströme, während Gleichstromsysteme konstante Spannungen und Ströme nutzen. Anwendungsbereiche und Eigenschaften beider Systeme unterscheiden sich stark.

Details:

• Wechselstrom (AC): Spannung und Strom ändern ihre Richtung periodisch.
• Formel: \( u(t) = U_{max} \times \sin(\omega t + \phi) \)
• Frequenztypische Werte: 50 Hz (Europa), 60 Hz (USA)
• Verwendung: Haushalte, industrielle Anwendungen.
• Gleichstrom (DC): Spannung und Strom bleiben konstant.
• Formel: \( U = konstant \)
• Verwendung: Batterien, elektronische Geräte, Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).

Transformatoren und deren Funktionsweise

Definition:

Transformatoren ändern Spannungspegel in Wechselstromsystemen durch elektromagnetische Induktion.

Details:

• Primär- und Sekundärwicklung winden sich um einen gemeinsamen Eisenkern.
• Verhältnis der Windungszahlen bestimmt Spannungsänderung: \( \frac{U_s}{U_p} = \frac{N_s}{N_p} \)
• Leistungsübertragung idealerweise verlustfrei: \( P_p = P_s \)
• Einsatz: Spannungsanpassung in Stromnetzen, Isolation, Spannungsstabilisierung.
• Typen: Leistungstransformatoren, Verteiltransformatoren, Messwandler.

Leistungstransformatoren und -kondensatoren

Definition:

Leistungstransformatoren und -kondensatoren sind wichtige Betriebsmittel in elektrischen Energiesystemen zur Spannungsumwandlung und zur Kompensation reaktiver Leistung.

Details:

• Leistungstransformatoren: Transformation von elektrischen Spannungen und Strömen, Erhöhung oder Verringerung von Spannung zur effizienten Energieübertragung, Wirkprinzip: elektromagnetische Induktion
• Leistungsformel: \( P = U \times I \cos(\Phi) \)
• -Kondensatoren: Kompensation von Blindleistung, Verbesserung des Leistungsfaktors und Spannungsstabilisierung
• Blindleistungsformel: \( Q = U \times I \sin(\Phi) \)

Sicherheitsstandards und -richtlinien

Definition:

Anforderungen und Vorgaben zur Gewährleistung der Sicherheit in elektrischen Energiesystemen.

Details:

• Normen (z.B. DIN, IEC, IEEE)
• Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag
• Sicherheit von Anlagen und Betriebsmitteln
• Personenschutz durch Isolierung, Erdung und Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen
• Wartung und Inspektion gemäß Normen
• Evaluierung der Risiken und Durchführung von Schutzmaßnahmen

Erneuerbare Energien und deren Integration

Definition:

Erneuerbare Energien und deren Integration beinhalten die Nutzung von Energiequellen wie Sonne, Wind, Wasser, Biomasse und Geothermie sowie die Einbindung dieser in das bestehende Stromnetz.

Details:

• Hauptenergiequellen: Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse, Geothermie
• Integration ins Stromnetz: Netzinfrastruktur, Energiefluss, Netzstabilität
• Technische Herausforderungen: Variabilität, Netzanschluss, Speichertechnologien
• Regelungsstrategien: Lastmanagement, Demand Response, Smart Grids
• Ziel: Erhöhung der Nutzung von erneuerbaren Energien zur Reduktion von CO2-Emissionen
• Gesetzliche Rahmenbedingungen: Einspeisevergütung, Förderprogramme
• Wichtige Komponenten: Wechselrichter, Transformatoren, Speichertechnologien

Smart Grid und intelligente Netzwerke

Definition:

Smart Grids sind moderne elektrische Netzwerke, die Informations- und Kommunikationstechnologien integrieren, um Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit zu verbessern.

Details:

• Echtzeit-Überwachung und -Steuerung von Netzkomponenten
• Integration erneuerbarer Energiequellen
• Demand-Side-Management zur Laststeuerung
• Dezentrale Energieerzeugung und -speicherung
• Verbesserte Ausfallsicherheit durch automatische Fehlervorhersage und -korrektur
• Aktive Beteiligung der Verbraucher durch Smart Meter und dynamische Preismodelle

Simulationssoftware für Energiesysteme

Definition:

Software zur Nachbildung und Analyse von Energienetzen und deren Komponenten.

Details:

• Ermöglicht Untersuchung verschiedener Szenarien
• Wichtige Software: MATLAB/Simulink, DIgSILENT PowerFactory, PSS®E
• Anwendung bei Planung, Betrieb, und Optimierung von Netzen
• Simulation transienter Zustände und stationärer Betriebszustände
• Analyse der Netzstabilität und -sicherheit
• Integration erneuerbarer Energien und neuer Technologien
• Ermittlung ökonomischer und technischer Kennzahlen