Erneuerbare Energien

Question 1

Begründen Sie, warum die Bezeichnung “Energiegewinnung” und “Energieverbrauch” physikalisch gesehen nicht korrekt sind

Answer 1

Bei genauer Betrachtung gibt es keinen Energieverbrauch und auch keine Energieerzeugung, es gibt lediglich eine Energieumwandlung.

Question 2

Begründen Sie, weshalb mechanische Arbeit und Energie dieselbe Einheit besitzen.

Answer 2

Die verrichtete Arbeit eines Systems ist gleich der Änderung seines Energiezustands (W = ΔE). Grundsätzlich gilt: Die Arbeit ist eine Prozessgröße und kennzeichnet einen Vorgang. Die Energie ist eine Zustandsgröße und charakterisiert den Zustand eines System

Question 3

Erneuerbare Energien können aus drei grundlegend unterschiedlichen Quellen gewonnen werden. Nennen und erklären Sie diese.

Answer 3

• Sonnenstrahlung: Indirekte und direkte Strahlung liefert Energie
• Planetenbewegung: Kinetische Energie der Planetenbewegung, die wir über Gezeiten energetisch auf der Erde nutzen, ist ebenso wie die Sonnenenergie in unserem Zeitverständnis grenzenlos und zählt somit auch zu den erneuerbaren Energien
• Radioaktive Prozesse: Durch permanente Zerfallsprozesse im Erdinneren von schweren radioaktiven Elementen wird Energie als riesige Wärmemenge abgegeben, die wir heute in der Geothermie nutzen

Question 4

Zeigen Sie anhand von zwei Beispielen den Unterschied von Nutzungsmöglichkeiten direkter und indirekter Sonnenstrahlen auf.

Answer 4

Direkte Sonnenstrahlung kann durch Photovoltaik und Solarthermie genutzt werden, da hier die Energie der Sonnenstrahlung direkt genutzt wird.
Ein Großteil der Sonnenenergie erreicht unseren Planeten jedoch indirekt in Formen von Wind- und Wasserkraft als Folge von Niederschlag und Thermik und die dadurch entstehenden Luftbewegungen (Wind)

Question 5

Erkläre, was man unter dem Begriff “konventionelle” Energieträger versteht

Answer 5

Fossile und atomare Energieträger wie Öl, Kohle (Stein- und Braunkohle), Gas oder Uran werden als konventionell bezeichnet.

Question 6

Geben Sie an, in welche Sektoren der Endenergieverbrauch üblicherweise unterteilt wird. Ordnen Sie die Sektoren nach der Höhe des deutschen Endenergieverbrauchs.

Answer 6

Verkehr ~30%
Industrie ~30%
Private Haushalte ~25%
Gewerbe, Handel und Dienstleistungen ~15%

Question 7

Geben Sie an, durch welche Maßnahmen kann die Energieeffizienz von Gebäuden gesteigert werden kann

Answer 7

Maßnahmen um die Energieeffizienz von Gebäuden in Bezug auf den Energieverbrauch für die Raumheizung zu steigern:
Maßnahmen am Gebäude:
• Gebäude sollten komplett wärmeisoliert werden (Fassade, Dach und Keller).
• Energiesparfenster mit Zwei- und Dreifachverglasung erhöhen die Energieeffizienz von Gebäuden.
• Bei einem Neubau sollte bei der Planung darauf geachtet werden, dass das Gebäude zur passiven Nutzung der Sonnenenergie
ausgerichtet wird. Durch den Einbau großer Fensterflächen können diese als eine Art Kraftwerk wirken und die Räume durch die
solare Energie der Sonne aufheizen.
• Das Gebäude sollte über eine kontrollierte Wohnraumlüftung mit Wärmetauscher verfügen.
Maßnahmen an der Heizungstechnik:
• Heizungsanlagen, wie zum Beispiel solarthermische Heizungen, Holzpelletheizungen oder Wärmepumpen, erhöhen die Energieeffizienz von Gebäuden, da sie regenerative Energien nutzen.
• Die Isolation des Rohrleitungssystems bringt Ersparnisse mit sich.
• Durch die Ausstattung der Heizungsanlage mit modernster Steuer- und Regelungstechnik kann Energie eingespart werden.
• Das Wärmeverteilsystem sollte auf eine niedrige Vorlauftemperatur eingestellt sein (Zum Beispiel 30 °C bis 60 °C bei einer Fußboden- oder Wandheizung).
Maßnahmen bezüglich des Verhaltens:
• Das Absenken der Raumtemperatur sollte bedacht werden (z. B. in der Nacht und während der Arbeit).
• Es sollte nach Möglichkeit die Anzahl der beheizten Räume verringert und die Türen dieser Räume geschlossen werden.
• Durch geeignetes Lüftungsverhalten kann Heizenergie eingespart werden. Anstatt Fenster lange zu kippen, sind kurze Stoßlüftungen durchzuführen.

Question 8

Erläutern Sie, wie Energieverluste bei Gebäuden entstehen. Nennen Sie Fachbegriffe

Answer 8

Energieverluste bei Gebäuden:
• Transmissionswärmeverluste: Ein großer Teil der
Raumwärme entweicht durch Wände, Fenster,
Türen, Dach und Fußboden durch Wärmeleitung
• Konvektionsverluste: Energieverluste entstehen
auch durch Lüftungsverluste. Neben dem gewollten Luftaustausch erfolgt durch Undichtigkeiten der Gebäudehülle ein permanenter Luftaustausch. Man spricht hier von Konvektionsverlusten.
• Heizungsanlage: Der Energieverbrauch eines Gebäudes hängt auch davon ab, ob noch alte, ineffiziente Heizungen zum Einsatz kommen

Question 9

Definieren Sie die Begriffe Primär- und Sekundärenergie, Nutzenergie und Endenergie

Answer 9

Energie ist in unterschiedlichen Energieträgern gespeichert:
• Primärenergieträger: Sie sind die von der Natur zur Verfügung gestellten Energieträger. Sie haben noch keine Veränderung durch den Menschen erfahren und sind in einem unbearbeiteten bzw. unveredelten Zustand. Es gibt regenerative, fossile Energieträger und Kernenergieträger.
• Sekundärenergieträger: Sie entstehen bei der Veränderung bzw. Veredelung von Primärenergieträgern. Es sollen damit Transportfähigkeit, Speicherfähigkeit und Umwandelbarkeit verbessert werden.
• Endenergieträger: Sie stehen dem Endverbraucher direkt zur Verfügung. Endenergieträger werden gebildet aus Sekundärenergieträgern und dem Teil der Primärenergieträger, die nicht veredelt werden müssen und direkt nutzbar sind.
• Nutzenergieträger: Der Verbraucher gewinnt letztlich aus der Endenergie Nutzenergie für die Befriedigung seiner unmittelbaren Bedürfnisse

Question 10

Ordnen Sie folgende Energieträger den Begriffen Primär-, Sekundär-, Nutz- und Endenergie zu:
Uranerz, Heizöl, Licht, Briketts, Strom, Erdöl, Wasserstoff, Biogas und Heizwärme

Answer 10

• Primärenergieträger: Uranerz, Erdöl
• Sekundärenergieträger: Heizöl, Briketts, Strom,
Wasserstoff, Biogas
• Endenergieträger: Heizöl, Briketts. Strom,
Wasserstoff, Biogas
• Nutzenergieträger: Licht, Heizwärm

Question 11

Nennen Sie die drei Hauptgruppen der Primärenergieträger, veranschaulichen Sie diese anhand von Beispielen

Answer 11

Beispiele für Hauptgruppen der Primärenergieträger:
• regenerative Energieträger: Biomasse, Windkraft,
Photovoltaik, Wasserkraft
• fossile Energieträger: Mineralöl, Erdgas,
Steinkohle, Braunkohle
• Kernenergieträger: Uran, Thorium, Deuterium

Question 12

Nennen Sie Gründe für den Anstieg des weltweiten Primärenergieverbrauchs der letzten Jah

Answer 12

Gründe hierfür sind die wachsende Weltbevölkerung und die Erhöhung des allgemeinen Lebensstandards.

Question 13

Nenne die unterschiedlichen Umwandlungsstufen in Kohlekraftwerken und erläutere, in welcher Form die Energie jeweils zur Verfügung steht

Answer 13

Chemische Energie -> Verbrennung von Kohle in der Brennkammer -> Thermische Energie -> Wasserdampferzeugung im Dampferzeuger -> Potentielle Energie -> Rotationserzeugung über Turbinen -> Rotationsenergie/kinetische Energie -> Spannungsgenerierung im Generator -> elektrische Energie

Question 14

Geben Sie an, durch welche Maßnahmen kann die Energieeffizienz von Gebäuden gesteigert werden kann

Maßnahmen am Gebäude:

Answer 14

• Gebäude sollten komplett wärmeisoliert werden (Fassade, Dach und Keller).
• Energiesparfenster mit Zwei- und Dreifachverglasung erhöhen die Energieeffizienz von Gebäuden.
• Bei einem Neubau sollte bei der Planung darauf geachtet werden, dass das Gebäude zur passiven Nutzung der Sonnenenergie
  ausgerichtet wird. Durch den Einbau großer Fensterflächen können diese als eine Art Kraftwerk wirken und die Räume durch die
  solare Energie der Sonne aufheizen.
• Das Gebäude sollte über eine kontrollierte Wohnraumlüftung mit Wärmetauscher verfügen.

Question 15

Geben Sie an, durch welche Maßnahmen kann die Energieeffizienz von Gebäuden gesteigert werden kann.

Maßnahmen an der Heizungstechnik

Answer 15

• Heizungsanlagen, wie zum Beispiel solarthermische Heizungen, Holzpelletheizungen oder Wärmepumpen, erhöhen die Energieeffizienz von Gebäuden, da sie regenerative Energien nutzen.
• Die Isolation des Rohrleitungssystems bringt Ersparnisse mit sich.
• Durch die Ausstattung der Heizungsanlage mit modernster Steuer- und Regelungstechnik kann Energie eingespart werden.
• Das Wärmeverteilsystem sollte auf eine niedrige Vorlauftemperatur eingestellt sein (Zum Beispiel 30 °C bis 60 °C bei einer Fußboden- oder Wandheizung).

Question 16

Geben Sie an, durch welche Maßnahmen kann die Energieeffizienz von Gebäuden gesteigert werden kann.

Maßnahmen bezüglich des Verhaltens:

Answer 16

• Das Absenken der Raumtemperatur sollte bedacht werden (z. B. in der Nacht und während der Arbeit).
• Es sollte nach Möglichkeit die Anzahl der beheizten Räume verringert und die Türen dieser Räume geschlossen werden.
• Durch geeignetes Lüftungsverhalten kann Heizenergie eingespart werden. Anstatt Fenster lange zu kippen, sind kurze Stoßlüftungen durchzuführen.

Question 17

Erkläre, wovon der maximale Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine abhängig ist

Answer 17

Der maximale Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine ist von der Temperaturdifferenz des ein- und ausströmenden Dampfes abhängig. Die Temperatur des austretenden Dampfes mindert somit den Wirkungsgrad.

Question 18

Erläutern Sie das Grundprinzip, das bei nahezu allen Wärmekraftmaschinen identisch ist.

Answer 18

In der Regel wird mithilfe der Wärmeenergie Wasser bei hohen Temperaturen verdampft. Dies bewirkt eine große Volumenausdehnung. Ein geschlossener Kessel verhindert allerdings die Vergrößerung des Volumens und somit steigt der Druck. Mit diesem Druck wird eine Wärmekraftmaschine, meist eine Turbine, in Bewegung gesetzt. Diese treibt letztendlich einen Generator an. Die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie erfolgt somit über den Umweg der mechanischen Energie.

Question 19

Erklären Sie, warum der Wirkungsgrad μ stets kleiner als 1 ist.

Answer 19

μ=Eab /Ezu
Aus dem Energieerhaltungssatz und aus der Erfahrung, dass bei jeder Energieumwandlung Verluste auftreten, kann gefolgert werden, dass der Anteil an abgegebener Energie Eab stets kleiner als der Anteil an zugeführter Energie Ezu ist. Der Wirkungsgrad kann somit Werte von 0 bis 1 annehmen.

Question 20

Stellen Sie anhand eines Generators dar, wie Energieverluste zustande kommen

Answer 20

Bei einem Generator werden etwa 90% (bei großen Anlagen sogar bis zu 98%) der zugeführten mechanischen Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die Verluste werden meist in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Energieverluste kommen zustande durch die Lüftung (größere Generatoren benötigen Energieaufwand für Kühleinrichtungen), durch mechanische Reibung, Wicklungserwärmung und Eisenerwärmung.

Question 21

Gehen Sie auf gesetzliche und geografische Besonderheiten im Zusammenhang mit der Standortwahl für Photovoltaikanlagen ein.

Answer 21

• Geografisch: Man kann in Deutschland von einer
  mittleren jährlichen Globalstrahlung von 1000kWh/m2 ausgehen. Statistisch gesehen liegen im Süden Deutschlands die Werte um 10 - 20 % höher als im Norden.
• Politisch: Großflächige PV-Installationen auf landwirtschaftlich nutzbaren Flächen werden seit 2010 nicht mehr subventioniert, womit deren Ausbau zum Erliegen kam. Als mögliche Standorte für PV-Anlagen stehen jedoch unzählige Freiflächen in Autobahn- und Schienennähe zur Verfügung. Für eine nachhaltige und CO2–neutrale Energieversorgung müsste in Deutschland die installierte PV-Leistung von momentan knapp 50GW auf 200GW erhöht werden. Dafür müsste eine Modulfläche von insgesamt 1400 km2 errichtet werden. Dies entspricht gerade mal 3% der deutschen Siedlungs- und Verkehrsflächen oder knapp einem Zehntel der Dach- und Fassadenflächen von Wohngebäuden.

Question 22

Gehen Sie auf gesetzliche und geografische Besonderheiten im Zusammenhang mit der Standortwahl für Windkraftanlagen ein.

Answer 22

• Geografisch betrachtet sind die statistischen
  Windgeschwindigkeiten in küstennahen Regionen und Erhebungen am höchsten. Da die Windgeschwindigkeit (v) mit dem Wirkungsfaktor (v3) auf die Leistung einer WKA Einfluss hat, ist die Standortwahl von großer Bedeutung.
• Politisch: Im Herbst 2014 trat in Bayern die 10-H- Regel für neu installierte WKA in Kraft. Das Gesetz besagt, dass ein Mindestabstand vom 10-Fachen der Höhe des Windrads zu Wohngebäuden in Gebieten mit Bebauungsplänen eingehalten werden muss. Demzufolge ist es in Bayern schwer, mögliche Flächen für den Bau von Windrädern zu finden. Jedoch können Kommunen Ausnahmefälle genehmigen.

Question 23

Grundlastkraftwerke

Answer 23

diese Kraftwerke sind sehr träge bei einer Leistungsänderung oder stellen sehr günstig Leistung zur Verfügung, werden nach Möglichkeit mit voller Leistung betrieben, müssen nicht unbedingt leicht regelbar sein
◦ Laufwasserkraftwerke → bei Drosselung würde Energie verschenkt werden
◦ Braunkohlekraftwerke, Steinkohlekraftwerke→ träge Systeme, hohe Investitionskosten aber geringe Betriebskosten
◦ Kernkraftwerke → träge Systeme, hohe Investitionskosten aber geringe Betriebskosten
◦ Erdwärmekraftwerke → konstantes Energieangebot kann genutzt werden

Question 24

Mittellastkraftwerke

Answer 24

diese Kraftwerke variieren ihre Leistungsbereiche je nach ermitteltem Tagesbedarf (Tagesgangkurve) nach einem festgelegten Fahrplan, lassen sich über einen weiten Leistungsbereich regeln, Regelung hat aber eine gewisse Trägheit
◦ Steinkohlekraftwerke, Braunkohlekraftwerke
◦ Kernkraftwerke (werden aber dafür aus
ökonomischen Gründen nicht eingesetzt)

Question 25

Spitzenlastkraftwerke

Answer 25

diese Kraftwerke müssen jeder Leistungsänderung im Netz dynamisch folgen können, werden meist nur zu absoluten Verbraucherspitzen oder bei ungeplanten Schwankungen hochgefahren ◦ Gasturbinenkraftwerke → extrem schnell, niedrige Investitionskosten aber relativ hohe Betriebskosten ◦ (Pump-)Speicherkraftwerke → extrem schnell

Question 26

Analysiere die internationale Lastgangkurve vom Frauenhofer Institut und ordne die einzelnen Energieträger einem der drei Bereiche Grund-, Mittel- und Spitzenlast zu.

Answer 26

Question 27

Warum werden die Pumpen eines Pumpspeicherkraftwerkes vor allem Nachts betrieben?

Answer 27

Hier ist die Abnahme durch Verbraucher am geringsten und die überproduzierte Energie der Grundlastkraftwerke kann gespeichert werden in Form von Lageenergie im Hochbecken des Speicherkraftwerks.

Question 28

Wieso ist es kritisch, wenn die Spannung, z.B. durch Kurzschluss kurzfristig, aber großflächig unter 85% absinkt?

Answer 28

Bei Spannungen unter 85 % werden viele Verbraucher, aber auch viele regenerative Erzeugungsanlagen automatisch abgeschaltet. Ist dann der Kurzschluss abgeschaltet und die Spannung kehrt wieder auf Nennwert zurück, ist das Leistungsgleichgewicht erheblich gestört, da Erzeugung und Verbrauch nicht mehr identisch sind.

Question 29

Nennen Sie die Spannungsebenen der Energieversorgung, und begründen Sie, warum diese notwendig sind.

Answer 29

Die verschiedenen Spannungsebenen: * Höchstspannungsnetze, * Hochspannungsnetze, * Mittelspannungsnetze und * Niederspannungsnetze. Die Spannung muss möglichst hoch gewählt werden, um Übertragungsverluste zu minimieren. (Es gilt: P = U ∙ I). Je höher die Spannung ist, desto niedriger ist die Stromstärke bei gleicher Übertragungsleistung. Damit reduzieren sich die Ohm ́schen Verluste und elektrische Energie kann über weite Entfernungen übertragen werden. Kraftwerke erzeugen mit ihren Generatoren Spannungen von 6 kV bis 30 kV. Diese werden mit Transformatoren auf die gewünschte Spannungsebene hoch- und beim Verbraucher wieder heruntertransformiert. Mit diesem Vorgehen kann viel elektrische Energie transportiert werden.

Question 30

Begründen Sie, warum die öffentliche Stromversorgung mit Wechselspannung erfolgt.

Answer 30

Generatoren produzieren auf einfache Weise Wechselstrom. Transformiert werden kann nur Wechselstrom.

Question 31

Nennen Sie Gründe, die grundsätzlich für den Einsatz von Energiespeichersystemen sprechen.

Answer 31

Gründe für einen Einsatz von Energiespeichersystemen: * Nichtsteuerbare Energiequellen, wie erneuerbare Energien, können besser genutzt werden. * Versorgungssicherheit wird erhöht. * Dimensionierung und Betreibung von Anlagen zur Energieerzeugung und für den Energietransport können besser nach wirtschaftlichen Maßstäben erfolgen.

Question 32

Zeigen Sie einen Überblick über Möglichkeiten der Speicherung elektrischer Energie auf.

Answer 32

Zur Speicherung wird elektrische Energie meist in andere Energieformen gewandelt: * Mechanische Energie: Pumpspeicher, Druckluftspeicher, Schwungmassenspeicher (kurzzeitig) * Chemische Energie: Wasserstoff, Akkumulatoren * Elektrische Energie: Kondensatoren (kurzzeitig)

Question 33

Analysieren Sie, warum der Wirkungsgrad bei den meisten Speicherarten von elektrischer Energie nicht hoch ist.

Answer 33

Zur Speicherung wird elektrische Energie meist zuerst in andere Energieformen gewandelt und muss im Bedarfsfall wieder in elektrische Energie zurückgewandelt werden. Bei jeder Umwandlung entstehen Verluste.

Question 34

Erklären Sie, wie die Versorgungssicherheit mithilfe von Pumpspeicherkraftwerken erhöht werden kann.

Answer 34

Pumpspeicherkraftwerke sind ein klassisches Speichersystem, um die Schwankungen der Netzbelastung im Tagesverlauf auszugleichen. Die Versorgungssicherheit ist dann gegeben, wenn gewährleistet werden kann, dass die Produktion von elektrischem Strom und dessen Entnahme aus dem Netz sich im Gleichgewicht befinden. Im Verlauf eines Tages müssen Lastspitzen aufgefangen werden. In der Zeit, in der die Nachfrage an elektrischer Energie gering ist bzw. erneuerbare Energien viel einspeisen, wird das Überangebot an Energie dafür verwendet, mithilfe einer elektrisch angetriebenen Pumpe aus einem Unterbecken Wasser in ein Oberbecken zu befördern. Besteht ein Bedarf an elektrischer Energie, wird aus dem höhergelegenen Reservoir Wasser abgelassen, das dann über eine Turbine in das Unterbecken fließt. Ein großer Teil der Energie, die für das Pumpen eingesetzt wurde, kann somit wieder rückgewonnen werden.

Question 35

Sektorenkopplung Energieversorgung

Answer 35

Durch die Sektorenkopplung kann Energie je nach Bedarf flexibel zwischen den drei großen Anwendungssektoren Mobilität, thermische Energie und Elektrizität verschoben, gespeichert und genutzt werden. So kann zum Beispiel überschüssige Leistung von PV-Anlagen an einem sonnigen Nachmittag in geparkte, netzgekoppelte Elektroautos gespeichert werden und zwei Stunden später beim Spitzenlastbedarf als kurzzeitige Energiequelle dienen.

Question 36

Effizienzsteigerung Energieversorgung

Answer 36

Durch energetische Gebäudesanierung und Passivhäuser könnte der Bedarf an Wärmeenergie auf ein Zehntel gesenkt werden. Mit einem dreimal höheren Wirkungsgrad der E-Mobilität im Vergleich zu Verbrennungsmotoren kann ein beachtlicher Teil des deutschen Primärenergiebedarfs zusätzlich minimiert werden.

Question 37

Geben Sie Nachteile des Konzepts „Power-to-Gas“ an.

Answer 37

Es kann bis heute lediglich ca. ein Drittel der eingesetzten elektrischen Energie zurückgewonnen werden. Beim Laden und Entladen des Speichers gibt es erhebliche Umwandlungsverluste. Zusätzlich wird Hilfsenergie benötigt, beispielsweise für die Kompression des Wasserstoffs.

Question 38

Erklären Sie, warum Methan für die Stromerzeugung vorteilhafter als Wasserstoff ist.

Answer 38

Wasserstoff besitzt den Nachteil, dass nur eine sehr geringe Volumenkonzentration im Erdgasnetz gespeichert werden kann. Dagegen ist eine Speicherung von Methan CH4 problemlos im Erdgasnetz möglich, da Methan zu 80 – 90 % in natürlichem Erdgas vorkommt. Die Rückgewinnung der elektrischen Energie ist über Gaskraftwerke oder BHKWs möglich. Methan kann auch im Verkehr als Kraftstoff oder bei Heizungsanlagen als Brennstoff zum Einsatz kommen.

Question 39

Erläutern Sie das Zustandekommen des Treibhauseffekts.

Answer 39

Die Sonne sendet ihre energiereichen kurzwelligen Lichtstrahlen auf die Erdoberfläche, dabei erwärmen sich Meere und Erdreich und geben einen Teil der Sonnenenergie wieder ins Weltall ab. Wolken und Treibhausgase wie CO2, Methan und andere Gase sind für ein lebenswertes Klima auf der Erde enorm wichtig. Sie bilden einen Treibhausgasmantel um unseren Globus und halten durch Reflexion einen gewissen Teil der langwelligen Wärmestrahlung zurück.

Question 40

Erläutern Sie den Begriff anthropogen.

Answer 40

Anthropogen: bedeutet „menschengemacht“ vom griechischen Anthropos = Mensch, genese = Erschaffung

Question 41

Erklären Sie, wie in der Vergangenheit ein relativ konstantes CO2- Gleichgewicht aufrechterhalten wurde.

Answer 41

Kohlendioxid (CO2) ist seit Anbeginn unserer Zeit ein natürlicher Bestandteil der Atmosphäre. Sterben Pflanzen oder Lebewesen, wird durch deren Zersetzungsprozess CO2 frei. Bei der Atmung von Lebewesen und Pflanzen gelangt ebenso CO2 in die Luft, welches durch Fotosynthese in Algen und anderen Gewächsen wieder gebunden wird. Solange fossile Energieträger nicht verbrannt werden, bleibt das CO2-Gleichgewicht erhalten.

Question 42

„Der Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur hat die 1 °C-Marke bereits erreicht“. Erklären Sie, an welchen Orten die Temperatur gemessen wird und mit welchem Jahr der Anstieg in Bezug gesetzt wird.

Answer 42

Messorte der globalen Durchschnittstemperatur sind in der bodennahen Atmosphäre. Als Bezugsgröße dient dabei die globale Durchschnittstemperatur vor Beginn der Industrialisierung Mitte des 19. Jahrhunderts.

Question 43

Nennen Sie die wichtigsten Treibhausgase inkl. ihrer chemischen Abkürzungen.

Answer 43

Neben dem Ausstoß von CO2 und Methan (CH4) haben weitere Treibhausgase, wie Fluorchlorkohlenwasserstoff (H2FCl), Ozon (O3) und Lachgas (N2O) ebenso einen Effekt auf die Erderwärmung.

Question 44

Erläutern Sie, welches Treibhausgas neben CO2 am klimaschädlichsten ist.

Answer 44

Methan − CO2 trägt zu ca. 75 % an der gesamten Treibhausgasemission der Bundesrepublik Deutschland bei. Methan ist mit etwa 16 % vor Lachgas (N2O) an zweiter Stelle der gesamten Treibhausgasemission.

Question 45

Erklären Sie den Unterschied zwischen CO2- und CO2e- Emisson anhand des jährlichen nationalen Ausstoßes. (CO2e = CO2-Äquivalent)

Answer 45

Neben dem Ausstoß von CO2 haben weitere Treibhausgase einen Effekt auf die Erderwärmung − jedoch in unterschiedlichem Ausmaß. Beispielsweise hat 1 kg ausgestoßenes Methan über einen Zeitabschnitt von 100 Jahren dasselbe Wirkungspotenzial wie 25 kg ausgestoßenes Kohlendioxid. Um die Klimawirksamkeit der wichtigsten Treibhausgase zu einer Größe zusammenzufassen, wurde der Begriff CO2-Äquivalent, kurz CO2e, geschaffen. Spricht man also von der CO2e-Emission, ist die Treibhausgas-Emission und damit die Summe der unterschiedlichen Treibhausgase mit ihrem Wirkungspotential auf das Klima gemeint.

Question 46

Erstellen Sie eine Liste mit Maßnahmen zur Verbesserung der persönlichen CO2-Bilanz.

Answer 46

Maßnahmen z.B.: * Verzicht auf Flugreisen. * Reduzierung der Wohnraumtemperatur um 1°C bis 2°C. * weniger Fleischkonsum (v.a. weniger Rind aus Massentierhaltung) * Konsum regionaler und saisonaler Lebensmittel. * Mobilität mit öffentlichen Verkehrsmitteln (Bahn, Bus) und Fahrrad

Question 47

Der Einsatz fossiler Brennstoffe hat verheerende Folgen auf das Klima. Nennen Sie vier Bereiche, in welchen sich der Klimawandel deutlich erkennen lässt.

Answer 47

* Globale Erwärmung * das Wetter spielt verrückt, also Extremwetterereignisse * Gletscherschmelze und Meeresspiegelanstieg * Artensterben von Pflanzen und Tieren

Question 48

Erklären Sie, wieso in Zukunft mit einem überproportionalen, nicht linearen Temperaturanstieg gerechnet wird.

Answer 48

Das Klima ist ein komplexes, nichtlineares System. Es gibt eine Reihe von Kettenreaktionen, die sich gegenseitig aktivieren und die Klimaerwärmung beschleunigen.

Question 49

Nennen Sie Beispiele, wo sich heute das durch den Klimawandel verursachte Artensterben beobachten lässt.

Answer 49

Der Eisbär ist bedroht und das größte Korallenriff der Welt, das Great Barrier Reef bei Australien ist bereits zur Hälfte abgestorben und nach dem Weltrat für Biologische Vielfalt (IPBES) ist jede achte Pflanzen- und Tierart vom Aussterben bedroht.

Question 50

Eisflächen auf polarnahem Meer liegen ohnehin zum größten Teil im Wasser. Erklären Sie, welche Bedeutung sie beim Abschmelzen auf den Meeresspiegelanstieg haben.

Answer 50

Bezogen auf das Eis- und das daraus folgende Wasservolumen hat das Abschmelzen keine Bedeutung, da der größte Teil von schwimmenden Eismassen unter der Wasseroberfläche liegt. Schmelzen jedoch die riesigen spiegelartigen Eisflächen um die Polkappen, welche die letzten tausende Jahre das Sonnenlicht reflektiert haben, hat es indirekt eine riesige Bedeutung auf den Meeresspiegelanstieg. Von nun an absorbieren diese Meeresregionen 90 % der Sonnenenergie, was einen starken Temperaturanstieg und eine starke thermische Ausdehnung der Ozeane nach sich zieht.

Question 51

Erklären Sie den Begriff Dekarbonisierung.

Answer 51

Unter Dekarbonisierung versteht man, die Atmosphäre nicht mehr mit Karbon, sprich Kohlenstoff oder CO2 zu belasten.

Question 52

Beschreiben Sie die Rolle von Regenwäldern in Bezug auf die globale CO2-Bilanz.

Answer 52

Regenwälder binden 20 % der weltweiten CO2- Emissionen durch Fotosynthese. Durch deren Rodung wird der Klimawandel zusätz- lich beschleunigt.

Question 53

Beschreiben Sie, wie die Klimaerwärmung zu einer regionalen Eiszeit führen könnte.

Answer 53

Durch das Abschmelzen der Gletscher im Nordwesten Europas wird die Salz-Konzentration im Meer verändert. Süßwasser wird durch seine andere Dichte im Vergleich zu Salzwasser nicht so leicht absinken, wenn es kälter wird. Sinken die Wassermassen nicht mehr ab, fehlt der Sog, der die Bewegung des Golfstromes begründet. Das bedeutet, dass das am Äquator erwärmte Wasser im Golfstrom nicht mehr zirkulieren könnte. Die Folge wäre, dass der Golfstrom stoppt. Würde dieser Fall heute eintreten, hätte dies innerhalb kürzester Zeit eine rapide Abkühlung der Mitteleuropäischen Landmassen zur Folge. In Äquatornähe würde sich jedoch ohne den Golfstrom die Erdoberfläche noch stärker erwärmen.

Question 54

Erklären Sie kurz, wie Wind entsteht.

Answer 54

Luftmassen werden von der Sonne erwärmt. Da warme Luft weniger dicht ist als kalte Luft, steigt sie nach oben. Die Erwärmung findet, abhängig von der Neigung der Erdachse und der Beschaffenheit des Bodens unterschiedlich statt. Dadurch entsteht ein Druckunterschied, wodurch, um ihn auszugleichen, Luft in Bewegung versetzt wird. Auch die Erdrotation hat einen Einfluss auf die Entstehung von bewegten Luftmassen.

Question 55

Wie ist ein Windkraftwerk aufgebaut?

Answer 55

Ein Windkraftwerk besteht aus einem Rotor, einem Getriebe und einem Generator. Der Rotor besteht meistens aus drei verstellbaren Rotorblättern, die die Energie des Windes in eine Drehbewegung umwandeln. Das Getriebe sorgt dafür, dass die Umdrehungen gleich gehalten werden, um einen konstanten Stromfluss zu ermöglichen. Der Generator wandelt die vom Getriebe kommende kinetische Rotationsenergie in elektrische Energie um.

Question 56

Leiten Sie die Leistungsformel für eine Windkraftanlage her.

Answer 56

Question 57

Nennen Sie die Einflussgröße, welche die Leistung von Windkraftanlagen am stärksten beeinflusst und erläutern Sie Ihre Aussage.

Answer 57

Die Momentanleistung von Windkraftanlagen variiert mit der ständig unterschiedlichen Windgeschwindigkeit sehr stark, da laut Formel die Leistung von der Windgeschwindigkeit in der dritten Potenz beeinflusst wird. Eine Verdopplung der Windgeschwindigkeit ergibt eine achtfache Windleistung.

Question 58

Nenne Gründe warum Windkraftanlagen gerne so hoch wie möglich gebaut werden.

Answer 58

- größeren Rotordurchmesser - höhere Windgeschwindigkeiten - laminarere Strömung -> LEISTUNGSERHÖHUNG

Question 59

Was sind die Vor- und Nachteile von Off-Shore Windparks?

Answer 59

Vorteile: Vor der Küste weht der Wind stärker und regelmäßiger, weshalb mehr Strom weniger schwankend zu Verfügung steht. Die Windräder stehen abseits von menschlichen Siedlungen und werden deshalb nich als störend empfunden. Nachteile: Das Brummen stört (wie der Schiffsverkehr) die Echoortung von Meerestieren, die sich dann nicht mehr so gut orientieren können.

Question 60

In Windparks stehen mehrere Windkrafträder hintereinander. Warum ist es wichtig, dass ein gewisser Mindestabstand eingehalten wird.

Answer 60

Die Windgeschwindigkeit ist vor dem Windrad größer als danach. Ein zweites Windrad das gleich dahinter steht würde mit sehr verlangsamter Windgeschwindigkeit angeströmt werden und wäre nicht so effektiv. Etwa der 8fache Rotordurchmesser ist deshalb als Mindestabstand zwischen zwei Windrädern in Hauptwindrichtung einzuhalten.

Question 61

Was sind die Problematiken von Windkraftwerken?

Answer 61

In Deutschland sind 20% der Fläche theoretisch für Windenergie geeignet. Wegen Naturschutzgebieten, Abstandsregelungen und anderen Einschränkungen sind nur 1-2% verfügbar, 0,5% wird bereits verwendet. Für Windräder wird das Metall der seltenen Erden Neodym verwendet, was hauptsächlich aus China stammt. Dort sind die Arbeitsbedingungen für den Abbau oft nicht genau bekannt und Neodym ist auch sehr teuer. Deshalb versucht man, so viel wie möglich auf Neodym zu verzichten oder nach alternativen zu suchen.

Question 62

Woraus setzt sich der Wirkungsgrad von Windkraftanlagen zusammen?

Answer 62

Er setzt sich zusammen aus dem Prozentsatz der Energie, die dem Wind entnommen wird, Verlusten im Getriebe und dem Wirkungsgrad des Generators. Moderne Anlagen kommen so auf einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 45%.

Question 63

Wie wird die Energie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt

Answer 63

kinetische Energie des bewegten Wassers wird durch Turbinen in mechanische Rotationsenergie umgewandelt.Im Anschluss wird diese Energie mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt.

Question 64

Warum ist Wasserkraft die bedeutendste erneuerbare Energiequelle

Answer 64

Die elektrische Energie, die durch Wasserkraftwerke gewonnen wird, unterliegt kaum Schwankungen und ist damit eine sehr stetige Energiequelle.

Question 65

Was sind 3 Problematiken bei der Standortwahl und Erstellung von Wasserkraftwerken

Answer 65

der Standortwahl und Erstellung von Wasserkraftwerken 1. Hohe Investitionskosten 2. Massive Eingriffe in die Umwelt durch den Bau und daraus folgende Umsiedlung von Menschen und Tieren 3. Beeinträchtigung von wandernden Lebewesen im Wasser wie z.B. Aale → Bau von Fischtreppen Verringerung des Nährstoffeintrages in umliegenden Gebiete durch ausbleibende Fluten. Durch die ausbleibenden Fluten ist allerdings auch ein Hochwasserschutz gewährleistet

Question 66

Nenne 4 Arten von Wasserkraftwerken

Answer 66

1. Laufwasserkraftwerk 2. Gezeitenkraftwerk 3. Meereswellenkraftwerk 4. Speicherkraftwerk 5. Pumpspeicherkraftwerk

Question 68

Beschreibe mit einer beschrifteten Skizze das Laufwasserkraftwerk

Answer 68

Question 69

Nenne jeweils ein Vorteil des Speicherkraftwerkes

Answer 69

können sehr schnell Hochgefahren werden zum Ausgleich von Spitzen, hohe und konstante Leistung möglich

Question 70

Nenne jeweils ein Vorteil des Pumpspeicherkraftwerk

Answer 70

Einspeicherung von überschüssiger Energie welche z.B. durch andere Kraftwerke gewonnen wurden (dies geht durch das Hochpumpen von Wasser → potenzielle Energie).

Question 71

Beschreibe wie sich ein Gezeitenkraftwerk die Gezeiten zu Nutze macht

Answer 71

Eine Meeresbucht wird mit einem Gezeitenkraftwerk und einem Damm abgegrenzt. Durch die kinetische Energie des ab- und zufließenden Wassers der Gezeitenströmung wird eine Turbine (welche in beide Richtungen betrieben werden kann) angetrieben. Voraussetzung ist ein großer Tidenhub, welcher nicht an jeder Küste vorhanden ist.

Question 72

Im Zusammenhang mit Sonnenenergie ist der Begriff Modul eindeutig von dem Begriff Kollektor abgegrenzt. Beschreiben Sie die unterschiedlichen technischen Anwendungen dieser beiden Begriffe.

Answer 72

Die Begriffe Zelle, Modul und Paneel werden immer im Zusammenhang mit Photovoltaik benutzt, also mit der Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht. Sonnen-Kollektoren werden hingegen nicht in der Photovoltaik, sondern der Solarthermie verwendet. Hier wird Sonnenlicht in Form von Wärme „eingesammelt“, z. B. für die Erzeugung von Warmwasser.

Question 73

Erkläre die Funktionsweise von Parabolrinnenkollektoren

Answer 73

In einer parabolisch geformten, verspiegelten Rinne, wird das Licht der Direkteinstrahlung auf ein Rohr mit Wärmeübertragungsmedium fokussiert, welches sich erhitzt und entweder direkt oder über einen Wärmetauscher eine Turbine antreibt.

Question 74

Skizzieren Sie den Aufbau eines Flachkollektors.

Answer 74

Das Licht erwärmt eine flache, wärmeabsorbierende Fläche (Absorber), die Wärme gut leitet und mit Röhren durchzogen ist. In den Röhren befindet sich das Wärmeübertragungsmedium, meist ein Wasser- Diethylenglycol-Gemisch (frostbeständig), das die Wärmeenergie durch Pumpen z.B. in einen Pufferspeicher transportiert. Bei neueren technischen Varianten wird anstelle des Dämmmaterials eine Vakuumisolierung verwirklicht. Dies steigert durch geringere Energieverluste den Wirkungsgrad ɳ. Durch rauhe, nicht glänzende Absorber kann die Infrarot- Abstrahlung reduziert werden.

Question 75

Erläutern Sie die Funktionsweise einer Solarzelle unter Anfertigung einer Skizze.

Answer 75

Durch den Photoeffekt wird in einer Photovoltaik-Zelle elektrische Energie erzeugt. Dies geschieht, indem ein Lichtteilchen – ein Photon – auf eine Halbleitersperrschicht trifft. In dieser Sperr- oder auch Grenzschicht werden Elektronen als elektrische Ladung freigesetzt. Auf der lichtzugewandten Seite sammeln sich Elektronen als freie Ladungsträger an und erzeugen somit eine Spannung. Verbindet man nun die Oberseite einer Photovoltaik-Zelle mit der Unterseite, gleichen sich die Ladungsträger aus, es kommt zum Stromfluss, welcher in Bild mit einem roten Pfeil und dem Kennbuchstaben I dargestellt ist.

Question 76

Nennen Sie die Probleme der Nutzung von Sonnenenergie.

Answer 76

* Geringe Leistungsdichte (geringer Wirkungsgrad) * schwierige Speicherung der elektrischen Energie * keine konstante Sonneneinstrahlung (Jahreszeiten, Tageszeiten, Wetter)

Question 77

Was ist eine Photovoltaik- Inselanlage?

Answer 77

Dies ist die einfachste Form einer Photovoltaik-Anlage und arbeitet unabhängig vom öffentlichen Stromnetz. Diese Anlagenform benötigt neben dem Solargenerator und einem Laderegler einen speziellen Solarakkumulator. Dieser gewährleistet den Betrieb von Verbrauchern bei Bewölkung und wechselnder Sonneneinstrahlung, z.B. Parkscheinautomat oder Geschwindigkeitsanzeige in kleinen Orten.

Question 78

Begründen Sie technologisch, warum ein Wechselrichter für Inselanlagen nicht in einer Netzparallelanlage betrieben werden darf.

Answer 78

Im Unterschied zu einer Inselanlage muss der Wechselrichter in Netzparallelanlagen zwingend eine Sinusspannung generieren und zusätzliche technische Funktionen wie Phasengleichheit und Netzüberwachung gewährleisten.

Question 79

Ein Teil der solaren Strahlungsleistung kann durch eine Photovoltaik-Zelle in elektrische Leistung umgewandelt werden. Erläutern Sie, was mit der restlichen Leistung geschieht

Answer 79

Die elektrisch abgegebene Leistung einer Photovoltaik- Zelle kann logischerweise nur einen gewissen Bruchteil der zugeführten Lichtleistung betragen, da ein Teil des Lichtstroms als Helligkeit reflektiert, beziehungsweise in Wärme umgewandelt wird.

Question 80

Nennen Sie die Hauptkomponenten einer Netzparallelanlage und erläutern Sie von jedem Bestandteil die Funktion mit möglichst detaillierten technischen Informationen. Solarmodul:

Answer 80

Solar- oder Photovoltaikmodule sind aus einzelnen Solarzellen aufgebaut. Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterial, welches das Sonnenlicht in Strom, also in elektrische Energie umwandelt. Ein weiterer Begriff für ein PV-Modul beziehungsweise den Zusammenschluss von mehreren Modulen ist Solargenerator.

Question 81

Nennen Sie die Hauptkomponenten einer Netzparallelanlage und erläutern Sie von jedem Bestandteil die Funktion mit möglichst detaillierten technischen Informationen. Wechselrichter:

Answer 81

Eine Solarzelle erzeugt Gleichstrom, der vor der Nutzung oder Einspeisung in das Netz in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Dazu wird ein Wechselrichter installiert, der den in PV-Modulen erzeugten Strom umwandelt. Der Sinus-Wechselspannungsverlauf der Photovoltaik-Anlage muss phasengleich mit dem Verlauf des öffentlichen Netzes sein. Das bedeutet, dass beide Spannungen zur exakt gleichen Zeit denselben Momentanwert besitzen, also beide Spannungsverläufe zu einem verschmelzen. Wird das öffentliche Stromnetz beispielsweise wegen Wartungsarbeiten spannungsfrei geschaltet, muss die Anlage durch eine Sicherheitseinrichtung vom Netz getrennt werden. Dies geschieht durch die Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeschaltetem Schutzorgan (ENS), welches im Wechselrichter integriert ist.

Question 82

Nennen Sie die Hauptkomponenten einer Netzparallelanlage und erläutern Sie von jedem Bestandteil die Funktion mit möglichst detaillierten technischen Informationen. Stromeinspeisezähler:

Answer 82

Der Stromeinspeisezähler dient dazu, die Energiemenge zu erfassen, die von der PV- Anlage erzeugt und anschließend ins öffentliche Stromnetz eingespeist wird.

Question 83

Die Eigentümer eines Einfamilienhauses sind an einer Errichtung einer PV- Anlage zur Eigenstromnutzung interessiert. Es sind folgende Daten gegeben: Überprüfen Sie rechnerisch, den notwendigen Platzbedarf.

Answer 83

Photovoltaik-Energieernte pro Jahr und m2 bei einem Wirkungsgrad von 20%: WPV = 1000 kWh/m2 ∙ 0,20 = 200 kWh/m2

Question 84

Nennen Sie beide Ursprungsbereiche, aus welchen Biomassebrennstoffe stammen und zählen Sie für jeden Bereich fünf Rohprodukte auf.

Answer 84

Reststoffe und organische Abfälle: Beispielsweise organische Abfälle, Fäkalien, Gülle, Klärschlamm oder Kompost Energiepflanzen: Einfache Energiepflanzen, wie beispielsweise Stroh oder Holz. C4-Pflanzen, wie beispielsweise Mais, Zuckerrohr oder Chinaschilf.

Question 85

Erläutern Sie die Funktionsweise einer Biogasanlage unter Verwendung spezifischer Fachbegriffe.

Answer 85

Biomasse-Rohprodukte, wie Gülle, Klärschlamm oder Soja, werden unter Luftabschluss, Feuchtigkeit, völliger Dunkelheit und Zugabe von Mikroorganismen in einem Zerfallsprozess zersetzt, wodurch Biogas entsteht. Die Biomasse-Rohprodukte, welche als Energieträger dienen, werden Substrat genannt und der in Gang gesetzte Zerfallsprozess erfolgt in einem Faulbehälter, dem Fermenter. Der Vergärungsprozess und die Weiterleitung des entstandenen Biogases müssen unter größter Sorgfalt erfolgen. Das gewonnene Biogas kann in Heizungsanlagen zur reinen Wärmeerzeugung verwendet werden oder in Kraftwerken zur Erzeugung elektrischer Energie und Wärme.

Question 86

Nennen Sie den Grund, wieso beim Betrieb von Biogasanlagen in Bezug auf die Treibhausgas-Emission besondere Vorsicht geboten sein muss.

Answer 86

Entweicht nur ein geringer Teil des bis zu 70% Methan enthaltenden Faulgases, kann sich die gesamte Treibhausgasbilanz durch das 25-fache Wirkungspotential negativ auswirken.

Question 87

Erklären Sie, wie der Wirkungsgrad von Energiepflanzen bestimmt wird und gehen Sie auf die Bandbreite der unterschiedlichen Effizienzen von Pflanzen ein.

Answer 87

Der Wirkungsgrad von Energiepflanzen wird errechnet, indem man die Energie der getrockneten Pflanzen durch die Sonnenergie teilt, die während der Wachstumsphase auf die Anbaufläche gestrahlt wird. Im globalen Mittel mit Steppenflächen und Meeren beträgt der Wirkungsgrad aller Biomasse-Gewächse weit unter 1%. C4-Pflanzen hingegen wie beispielweise Mais, Zuckerrohr oder Chinaschilf erreichen unter optimalen Bedingungen einen Wirkungsgrad von bis zu 5%.

Question 88

Erklären Sie den gesamten Aufbereitungsprozess, angefangen bei der Gülle als Biomasse-Rohprodukt bis zur Nutzung von Biogas in der häuslichen Heizungsanlage.

Answer 88

Durch Biomasse-Rohprodukte, wie beispielsweise Gülle, werden im Fermenter unter Luftabschluss, Feuchtigkeit, völliger Dunkelheit und Zugabe von Mikroorganismen Zerfallsprozesse in Gang gesetzt, bei denen Biogas entsteht. In Heizungsanlagen entsteht schließlich durch Verbrennung von Biogas Wärme, die dem häuslichen Heizungskreislauf zugeführt wird.

Question 89

Erklären Sie die Funktionsweise einer Wärmepumpe.

Answer 89

m Verdichter wird ein **Gas** z.B. Propan **zusammengepresst und es erhitzt sich dabei.** Das heiße Propan **gibt seine Wärmeenergie im Kondensator (Wärmetauscher) an die Heizungsanlage ab wenn es dort flüssig wird (exotherm)**. Das flüssige Propan **wird durch ein Expansionsventil wieder entspannt und verdampft dadurch.** Durch die Verdampfung wird der **Umgebung Wärme entzogen** (endotherm). * Bei diesem linksläufigen Kreisprozess wird insgesamt **Arbeit über den Verdichter zugeführt und in Wärme umgewandelt.** * **Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungswärme und Heizungswärme, desto effizienter ist die Nutzung** → Fußbodenheizung oder Flächenheizung mit niedriger Vorlauftemperatur. * Wenn **„Umweltwärme“ mit „Heizungswärme“ vertauscht wird kann der Prozess auch zum kühlen verwendet werden.**

Question 90

In den Geothermieanlagen lässt sich Wärme aus dem Erdinneren befördern um sie entweder direkt zum Heizen und/oder zur Stromerzeugung zu verwenden. Erläutern Sie kurz die zwei möglichen Varianten der Wassererwärmung.

Answer 90

* Die hydrothermale Technik nutzt heißes Wasser von 40 bis über 100°C aus einer Wasserreserve im Untergrund → das „abgezapfte“ Wasser wird anschließend wieder aufgefüllt * Die petrothermale Technik nutzt den „heißen Stein“ → Wasser wird mit hohem Druck an einer Stelle in die Tiefe gepresst, am heißen Gestein aufgewärmt und an einer zweiten Stelle dann wieder nach oben befördert

Question 91

Erläutern Sie, wie die Wärmeenergie eines Kraftwerks für den Verbraucher nutzbar gemacht werden kann.

Answer 91

Die Abwärme eines Kraftwerks **kann in ein Wärmenetz eingespeist werden**. Verbraucher, wie zum Beispiel Schulen, Krankenhäuser, Hotels und Wohngebäude, werden dadurch mit Wärme beliefert und nutzen diese **für die Raumheizung und Trinkwassererwärmung**. In industriellen Anlagen wird sie **als Prozesswärme** genutzt. Es gibt zwei Arten von Wärmeleitnetzen. **Man unterscheidet das Fernwärmenetz und das Nahwärmenetz, je nach Ausdehnung des Netzes.** Als **Wärmeträger wird meist Wasser** verwendet, das **beim Energielieferanten erwärmt und über Rohrleitungen zum Wärmekunden gepumpt wird**. Durch einen Wärmetauscher, **der Übergabestation, ist der Verbraucher mit dem Nah- oder Fernwärmenetz verbunden.** Das abgekühlte Wasser im Wärmenetz wird durch eine zweite Rohrleitung zurück zum Energielieferanten geleitet (Rücklauf). Dort beginnt der Kreislauf von vorne und das Wasser wird wieder erhitzt.

Question 92

Erklären Sie das Prinzip der Kraft-Wärme- Kopplung und erläutern Sie, wie sie zur Steigerung der Energieeffizienz beiträgt.

Answer 92

**Die gleichzeitige Nutzung des Dampfs zur Erzeugung mechanischer Energie und Wärme** wird Kraft-Wärme-Kopplung genannt. Die **mechanische Energie wird über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt.** Somit können thermische Kraftwerke **sowohl elektrische als auch thermische Energie erzeugen.** Die **thermische Energie wird beispielsweise in das Fernwärmenetz eingespeist und dient zu Heizzwecken.**

Question 93

Erklären Sie, was man unter einem Blockheizkraftwerk versteht und welchen Vorteil es gegenüber großtechnischen Anlagen mit sich bringt.

Answer 93

Blockheizkraftwerke sind Kleinkraftwerke. Die Generatoren werden entweder von einem Erdgasmotor oder Dieselmotor angetrieben. Je nachdem wie der Treibstoff erzeugt wurde, spricht man von regenerativen Kleinkraftwerken (bei Biodiesel, Biogas und Hackschnitzel) oder nicht-regenerativen Kleinkraftwerken (bei fossilen Energieträgern). Die Wirkungsgrade von den Verbrennungsmotoren sind gering (Der Wirkungsgrad eines Automotors liegt bei etwa 25 %). Allerdings erreichen BHKWs aufgrund der gleichzeitigen Nutzung von Strom und Abwärme Gesamtwirkungsgrade von 90 %. Über einen Wärmetauscher wird aus dem Abgas und dem Kühlwasserkreislauf des Motors die Abwärme in den Heizkreislauf der Heizung befördert. Durch dezentrale BKHWs gelingt es besser als bei Großkraftwerken die Abwärme zum Verbraucher zu transportieren: * BHKWs werden in der Nähe der Wärmeabnehmer gebaut. Beim Transport der Wärme müssen keine großen Entfernungen mit einhergehenden Energieverlusten überbrückt werden. * Großkraftwerke stehen in der Regel in weiter Entfernung von Wohngebieten und wärmeabnehmender Industrie. Deswegen ist man beim Einsatz der Kraft-Wärme- Kopplung bei Großkraftwerken auf Wärmelieferung über das Fernwärmenetz angewiesen. Dies bedeutet jedoch hohe Investitions- und Betriebskosten.

Question 94

Ein Freund von Ihnen erbt ein altes Haus und denkt über eine Renovierung nach. Erläutern Sie ihm, wie und wo Energieverluste bei alten Gebäuden entstehen. Nennen Sie Fachbegriffe.

Answer 94

Energieverluste bei Gebäuden: * Transmissionswärmeverluste: Ein großer Teil der Raumwärme entweicht durch Wände, Fenster, Türen, Dach und Fußboden durch Wärmeleitung * Konvektionsverluste: Energieverluste entstehen auch durch Lüftungsverluste. Neben dem gewollten Luftaustausch erfolgt durch Undichtigkeiten der Gebäudehülle ein permanenter Luftaustausch. Man spricht hier von Konvektionsverlusten. * Heizungsanlage: Der Energieverbrauch eines Gebäudes hängt auch davon ab, ob noch alte, ineffiziente Heizungen zum Einsatz kommen.

Question 95

Nennen Sie die möglichen Maßnahmen um die Energieeffizienz des alten Hauses zu steigern.

Answer 95

Maßnahmen um die Energieeffizienz von Gebäuden in Bezug auf den Energieverbrauch für die Raumheizung zu steigern: Maßnahmen am Gebäude: * Gebäude sollten komplett wärmeisoliert werden (Fassade, Dach und Keller). * Energiesparfenster mit Zwei- und Dreifachverglasung erhöhen die Energieeffizienz von Gebäuden. * Bei einem Neubau sollte bei der Planung darauf geachtet werden, dass das Gebäude zur passiven Nutzung der Sonnenenergie ausgerichtet wird. Durch den Einbau großer Fensterflächen können diese als eine Art Kraftwerk wirken und die Räume durch die solare Energie der Sonne aufheizen. * Das Gebäude sollte über eine kontrollierte Wohnraumlüftung mit Wärmetauscher verfügen. Maßnahmen an der Heizungstechnik: * Heizungsanlagen, wie zum Beispiel solarthermische Heizungen, Holzpelletheizungen oder Wärmepumpen, erhöhen die Energieeffizienz von Gebäuden, da sie regenerative Energien nutzen. * Die Isolation des Rohrleitungssystems bringt Ersparnisse mit sich. * Durch die Ausstattung der Heizungsanlage mit modernster Steuer- und Regelungstechnik kann Energie eingespart werden. * Das Wärmeverteilsystem sollte auf eine niedrige Vorlauftemperatur eingestellt sein (Zum Beispiel 30 °C bis 60 °C bei einer Fußboden- oder Wandheizung). Maßnahmen bezüglich des Verhaltens: * Das Absenken der Raumtemperatur sollte bedacht werden (z. B. in der Nacht und während der Arbeit). * Es sollte nach Möglichkeit die Anzahl der beheizten Räume verringert und die Türen dieser Räume geschlossen werden. * Durch geeignetes Lüftungsverhalten kann Heizenergie eingespart werden. Anstatt Fenster lange zu kippen, sind kurze Stoßlüftungen durchzuführen.

Question 96

Im Gespräch denken Sie und Ihr Freund auch über die regenerativen Energiequellen Wind und Sonne nach. Gehen Sie auf (gesetzliche und) geografische Besonderheiten im Zusammenhang mit der Standortwahl für Photovoltaik- und Windkraftanlagen ein.

Answer 96

Photovoltaik * Geografisch: Man kann in Deutschland von einer mittleren jährlichen Globalstrahlung von 1000kWh/m2 ausgehen. Statistisch gesehen liegen im Süden Deutschlands die Werte um 10 - 20 % höher als im Norden. * Politisch: Großflächige PV-Installationen auf landwirtschaftlich nutzbaren Flächen werden seit 2010 nicht mehr subventioniert, womit deren Ausbau zum Erliegen kam. Als mögliche Standorte für PV-Anlagen stehen jedoch unzählige Freiflächen in Autobahn- und Schienennähe zur Verfügung. Für eine nachhaltige und CO2–neutrale Energieversorgung müsste in Deutschland die installierte PV-Leistung von momentan knapp 50GW auf 200GW erhöht werden. Dafür müsste eine Modulfläche von insgesamt 1400 m2 errichtet werden. Dies entspricht gerade mal 3% der deutschen Siedlungs- und Verkehrsflächen oder knapp einem Zehntel der Dach- und Fassadenflächen von Wohngebäuden. Windkraft * Geografisch betrachtet sind die statistischen Windgeschwindigkeiten in küstennahen Regionen und Erhebungen am höchsten. Da die Windgeschwindigkeit (v) mit dem Wirkungsfaktor (v3) auf die Leistung einer WKA Einfluss hat, ist die Standortwahl von großer Bedeutung. * Politisch: Im Herbst 2014 trat in Bayern die 10-H-Regel für neu installierte WKA in Kraft. Das Gesetz besagt, dass ein Mindestabstand vom 10-Fachen der Höhe des Windrads zu Wohngebäuden in Gebieten mit Bebauungsplänen eingehalten werden muss. Demzufolge ist es in Bayern schwer, mögliche Flächen für den Bau von Windrädern zu finden. Jedoch können Kommunen Ausnahmefälle genehmigen.

Question 97

Da das Dach nach Süden ausgerichtet ist wäre eine Photovoltaik-Anlage eine Möglichkeit zur Eigenstromerzeugung und -nutzung. Die südliche Dachfläche beträgt 90 m2 Es sind folgende Daten gegeben: * Systemwirkungsgrad η = 20 % * elektrischer Energiebedarf der Eigentümer pro Jahr Wel = 2000 kWh Überprüfen Sie rechnerisch, den notwendigen Platzbedarf.

Answer 97

Photovoltaik-Energieernte pro Jahr und m2 bei einem Wirkungsgrad von 20%: WPV = 1000 kWh/m2 ∙ 0,20 = 200 kWh/m2

Question 98

Das Dorf in dem das Haus Ihres Freundes steht möchte eine Windkraftanlage errichten um unabhängiger zu werden. Nennen und begründen Sie die Werkstoffart die für die Flügel des Windrades in Frage kommt.

Answer 98

Verbundwerkstoff: glasfaserverstärkter Kunststoff oder kohlefaserverstärkter Kunststoff Allgemein werden die optimalen Eigenschaften von verschiedenen Werkstoffarten miteinander kombiniert z.B. leichte und korrosionsbeständige Werkstoffe wie Kunststoffe in Verbindung mit Fasergewebe das Formstabilität mitbringt und Zug- und Scherkräfte aufnehmen kann.

Question 99

Analysieren Sie das Diagramm und die Tabelle. a) Wählen Sie die beste Kombination aus zwei Werkstoffen aus und begründen Sie Ihre Auswahl. b) Berechnen Sie das E- Module des Faser-Werkstoffe, Ihrer Wahl.

Answer 99

* Dehnungs-Spannungs-Diagramm von Fasermaterialien (Kohlenstofffaser bis Dyneema) * Dehnungs-Spannungs-Diagramm von verschiedenen Kunststoffen a) Kohlefaser und Epoxidharz * die Kohlefaser UHM oder T7.0 haben das höchste E-Modul * bei den Kunststoffen hat das Vinylester das höchste E-Modul, Bruchdehnung und Zugfestigkeit b) z.B. E = σ / ε = 3*109 Pa/ 0,01 = 300 GPa