Prüfung SS15

In einer Anlage wird Steinkohle verbrannt. Die Ergebnisse der Brennstoffanalyse dieser Kohle sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Brennstoffzusammensetzung der Steinkohle

YA,i.r.
Hu
MJ/kgB
7,700
0,000
2,310
8,000
15,000
25,4
Yc,i.r.
YH,i.r.
Yo,i.r.
YN,i.r.
Ys,i.r.
YH2O,i.r.
Massen-% Massen-% Massen-% Massen-% Massen-% Massen-% Massen%
3,465
63,525

1. Sie messen beim Betrieb einer Gasturbine $NO_x$-Emissionen von 13,25 ppm bei einem Sauerstoffgehalt von $Y_{O_2,tm}$ von 12 Vol.-%. Der Referenzsauerstoffgehalt für eine Gasturbine liegt jedoch bei einem $y_{O_2,tr}$ von 15 Vol.-%. Berechnen Sie die Emissionen für diesen Referenzwert in ppm. Eine gut ausgelegte Gasturbine weist unter Referenzbedingungen Emissionen unter 10 ppm auf. Ist dies auch hier der Fall?

2. Für Gasturbinen gilt weiterhin ein Referenzwert von $V_{G+}/H_u$ von 0,844 m³/MJ. Die Normdichte von $NO_2$ beträgt 2,05 kg/m³. Wie groß sind die $NO_x$-Emissionen, angegeben als $NO_2$, in mg/kWh? (Falls Sie bei der ersten Teilaufgabe kein Ergebnis erhalten konnten rechnen Sie mit 9 ppm.)

Bioethanol besitzt eine Dichte von 0,79 g/cm³ und hat eine molare Masse von 46 g/mol. Es kann nach DIN EN 228 maximal zu 10 % direkt als Kraftstoff zu Benzin zu gemischt werden. Reines Superbenzin hat einen Heizwert von 41,22 MJ/kg und eine Dichte von 0,74 kg/l.

Tabelle 2: Standardreaktionsenthalpie $\Delta H_R$ der vollständigen Verbrennung von Ethanol zu $CO_2$ und $H_2O$

Standardreaktionsenthalpie
$\Delta H_R$ in kJ/mol
$H_2O$ (g)
1236
$H_2O$ (l)
1368

Auf einer Gasförderplattform in der Nordsee wird Erdgas aufbereitet, um es in das deutsche Erdgasnetz einzuspeisen. Eine Analyse dieses aufbereiteten Erdgases ist in Tabelle 3 angegeben.

Tabelle 3: Zusammensetzung des aufbereiteten Erdgases in Volumenanteilen

$\begin{array}{ccccc} Y_{CH_4} & Y_{C_2H_6} & Y_{C_3H_8} & Y_{C_4H_{10}} & Y_{N_2} \\ m^3/m^3EG & m^3/m^3EG & m^3/m^3EG & m^3/m^3EG & m^3/m^3EG \\ 0,9705 & 0,0073 & 0,0026 & 0,0011 & 0,0185 \\ \end{array}$

$P_n = \sum Y_i P_{ni} \qquad P_{n, EG} = 0,9705 \cdot 0,72 \frac{kg}{m^3} + 0,0073 \cdot 1,36 \frac{kg}{m^3} + 0,0026 \cdot 2,01 \frac{kg}{m^3} + 0,0011 \cdot 2,71 \frac{kg}{m^3} + 0,0185 \cdot 1,25 \frac{kg}{m^3} = 0,74002 \frac{kg}{m^3}$

$H_{un} = \sum Y_i H_{uni} \qquad H_{un, EG} = 0,9705 \cdot 35,883 \frac{MJ}{m^3} + 0,0073 \cdot 64,345 \frac{MJ}{m^3} + 0,0026 \cdot 93,215 \frac{MJ}{m^3} + 0,0011 \cdot 123,809 \frac{MJ}{m^3} + 0,0185 \cdot 0 \frac{MJ}{m^3} = 35,673 \frac{MJ}{m^3}$

$W_{un, EG} = H_{un, EG}/P_{n, EG}/P_{n, l} \qquad W_{un, EG} = 35,673 \frac{MJ}{m^3} /\sqrt{0,74002}/1,293 = 47,153 \frac{MJ}{m^3}$

Auf einem Hausdach in Stuttgart soll eine 4,5 kW Photovoltaikanlage in Südrichtung installiert werden. Die Sonneneinstrahlung $I$ in Stuttgart beträgt 1050 kWh/(m²-a), der Modulwirkungsgrad $\eta$ liegt bei 14 %. Die Photovoltaikanlage erreicht 980 Volllaststunden pro Jahr.