Welche Energieformen werden unterschieden? Nenne je zwei Beispiele.
Primärenergie ( Erdöl, Windkraft,…)
Sekundärenergie ( Benzin, Dampf,…)
Endenergie ( elektrische Energie, Fernwärme,…)
Nutzenergie ( Raumbeleuchtung, Raumtermperierung,…)
Was ist der Unterschied zwischen mechanischer/elektrischer Energie und thermischer Energie?
Mechanische/Elektrische Energie bestehen zu 100% aus Exergie.
Thermische Energie steht nur mit dem Carnotwirkungsgrad zu Verfügung.
Nenne mindestens 3 Energieformen.
kinetische
potenzielle
chemische
elektromagnetische
…
Welche Energieerzeugungsart ist die mit der geringsten Leistungsdichte?
Geothermie
Welche Brennstoffe sorgen für die größten C02-Emissionen?
Kohle
Öl
Gas
Zement
Flaring
Wie viel % machen Erneuerbare an der Bruttostromerzeugung in Deutschland aus?
ca. 55%
Wie lange braucht ein Dampfturbinenkraftwerk um ans Netz zu gehen?
ca. 6 Stunden
Wie lassen sich Turbinenschaufeln auswuchten?
Wuchtbohrungen
Was ist der Schadensfall “Ventilation”?
Tritt bei Gasturbinen auf und verursacht Verschleiß.
Ursachen sind Strömungsabriss, Verwirbelung, Lastwechsel,…
Welche Möglichkeiten gibt es um ein Dampfkraftwerk im Wirkungsgrad zu verbessern?
regenerative Speisewasser-Vorwärmung (6-8 Stufen meist)
Zwischenüberhitzung
hohe Temperaturen und Drücke
Kondensattemperatur absenken
ORC-Prozesse nutzen
Wirkunsgrade bis 50% (ohne KWK)
Wie lautet die Formel für den thermischen Wirkungsgrad in Abhängigkeit der zu- und abgeführten Wärmeströme?
n = (Qzu + Qab)/Qzu wobei Qab negativ ist!
Wie lautet die Formel für den Wärmestrom in Abhängigkeit des Massenstroms?
Q = m. c dT
Welcher thermodynamische Vergleichsprozess beschreibt einen Gasturbinen-Prozess?
Joule-Prozess
Isentrope Verdichtung
Isobare Wärmezufuhr
Isentrope Expansion
Isobare Wärmeabfuhr
Was sind Vorteile von GuD-Kraftwerken?
Wirkungsgrade bis 60 %
Geringe CO2_Emissionen
geringe Brennstoffkosten
Leistungen zwischen 50-1000 MW
Wo unterscheiden sich Rekuperator und Regenerator als Wärmeübertrager?
Regenerator: keine stoffliche Trennung
Rekuperator: stoffliche Trennung
Nenne zwei Wärmetauscher-Arten.
Rohrbündelwärmetauscher
Plattenwärmetauscher
Nenne die beiden grundlegenden Funktionsprinzipien von Wärmetauschern.
Gleichstrom- und Gegenstromprinzip
Was sind Vorteile regenerative Energien?
praktisch unerschöpflich
Ressourcenschonend
wenig Gefahrstoffe notwendig
Energietransport fällt meistens nicht an / dezantral
Reduktion von CO2-Emissionen
Was sind Nachteile regenerativer Energien?
oft nur geringe Energiedichte
Verfügbarkeit (Wind,Sonne,…) => schlechter planbar
Wie unterscheiden sich PV-Anlagen und Solarthermie-Anlagen im Wirkungsgrad?
PV Anlagen haben einen wesentlich niedrigeren Wirkungsgrad als Solarthermie-Anlagen
Warum setzt man selektiv beschichtete Absorberoberflächen ein?
absorbieren Sonnenstrahlen und geben nur einen geringen Teil an Wärme ab
Nenne Vor- und Nachteile von Wasserkraft.
Vorteil: keine CO2-Emissionen
Nachteil: schwankende Verfügbarkeit übers JAhr / Verändert örtliche Ökosysteme
Welche Anlagentypen gibt es in der Wasserkraft?
Laufwasserkraftwerk (Flüsse,Kanäle,…)
Speicherkraftwerk (Talsperre,…)
Pumpspeicherkraftwerk
Gezeitenkraftwerk
Wellenkraftwerk
Welche Arten von Wasserturbinen gibt es?
Kaplan Turbine
Pelton Turbine
Ossberger Turbine
Aus welchen Komponenten besteht ein Pumpspeicherkraftwerk?
Pumpe
Motor
Turbine
Generator
(Höhendifferenz)
Ab welchen Windgeschwindigkeiten gilt die Elektroenergieerzeugung als lohnenswert?
c > 5 m/s
Allerdings nur bis maximal c = 25 m/s nutzbar (Gefahr)
Ist bei der Verbrennung von Wasserstoff mit unerwünschten Emissionen zu rechnen?
Ja, bei Luftzahlen von < 2 fällt NOx an. => Katalysator muss verbaut werden!
Was sind Vorteile von H2 in Verbrennungsmotoren und welche Nachteile gibt es ?
Vorteile:
hohes Verdichtungsverhältnis möglich
Wirkungsgradsteigerung
hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten
Nachteile:
geringer Gemisch-Heizwert
Gefahr von Selbstzündung wg. geringer Zündenergie
Was sind Vor- und Nachteile von Stromerzeugung mittels Brennstoffzelle?
direkte Umwandlung chem. -> elektr. Energie
höhere Wirkunsgrade (kein CArnot-Prozess)
keine CO2-Emissionen
hohe Herstellkosten
Langzeitverhalten noch nicht gut
hochreiner Wasserstoff z.T. notwendig
Wirkungsgrade noch nicht ausgeschöpft
Wie lässt sich Wasserstoff (H2) speichern?
gasförmig bis 900 bar
in natürlichen Kavernen
flüssige Speicherung
Welche Methoden gibt es zur Wasserstoffgewinnung?
grüner Wasserstoff aus Elektrolyse (noch sehr teuer)
grauer/blauer Wasserstoff aus Erdgas (günstig, aber CO2 Emissionen)
türkiser Wasserstoff
thermochemische Verfahren
Was wird in Zukunft das wichtigste Thema in der EuT sein?
Energiespeicherung
Warum braucht man Speichermöglichkeiten für Energie?
Ausgleichen von Lastschwankungen
Energieerzeugungsanlagen können kleiner ausgelegt werden
Effizientere Nutzung nicht steuerbarer Energieformen (Wind,Sonne,…)
Versorgungssicherheit erhöhen
Welche Speicherformen für Energie sind möglich?
Materiell (Brennstoffe) in Tanks o.Ä.
Latentwärme
Fühlbare Wärme
Potenzielle Energie (Pumpspeicherkraftwerke,..)
Kinetische Energie (Schwungrad)
Elektrische Energie (Akku,…)
Power-to-Gas
Power-to-Liquid
Welche Probleme hinsichtlich des Wirkungsgrades gibt es bei Luftspeicherkraftwerken?
um Verdichtungsleistung gering zu halten muss Wärme abgeführt werden (Energie geht “verloren”)
beim Expandieren muss Wärme zugeführt werden um Vereisung zu vermeiden (Energie geht “verloren”)
Welche Bestandteile hat eine Lithium-Ionen-Batterie?
Anode (Graphit)
Kathode
Elektrolyt
Wo werden L-I-Batterien eingesetzt?
PV-Anlagen
Elektroautos
Bohrmaschinen
Welche Spannung, welchen Wirkungsgrad und welche Lebensdauer haben Lithium-Ionen-Batterien?
3,2-4,2 V
90-97%
5-15 Jahre
Welche Vor- und Nachteile haben Lithium-Ionen-Batterien ?
hohe Energiedichte
geringes Gewicht
lange Lebensdauer
geringe Selbstentladung
hohe Effizienz
Kosten
Temperaturempfindlichkeit
Kapazitätsverluste (altersbedingt)
CO2 Emissionen bei der Herstellung
Abbaubedingungen von Lithium
Was sind Vor-und Nachteile von Power-to-Gas-Anlagen?
keine CO2-Emissionen / senkt auch CO2-Belastung
viele Anwendungsmöglichkeiten
Nutzung bereits bestehender Infrastruktur
Verbrauch fossiler Rohstoffe wird gesenkt
geringer Wirkungsgrad
hohe Kosten
Effizientere Nutzung von Ökostrom möglich
Was sind Vorteile und Nachteile von Power-to-Liquid ?
Speicherung/Weiterleitung von überschüssiger Energie
Alternative Kraftstoffe für Verkehr
Reduzierung von CO2-Belastung
kostenintensiv
Emission von Treibhausgasen
schlechter Wirkungsgrad
Wie sind die verschiedenen Energieformen definiert?
Primär: Energie, die keinem techn. Umwandlungsprozess unterworfen wurde
Sekundär: Durch techn. Umwandlung bereitgestellte Energie
Endenergie: Energie, wie sie vor der Nutzung vorort vorliegt
Nutzenergie: Energieform, die der Verbraucher nutzen will
Welche Energieform besteht nicht zu 100% aus Exergie?
Thermische Energie. Sie lässt sich maximal mit dem Carnot-Faktor in mechanische Arbeit wandeln.
Wie ist der Carnot-Wirkungsgrad definiert?
WG = 1 - (T,ab / T,zu)
Welche Wirkungsgrade haben folgende Prozesse oder Maschinen?
große Elektromotoren
Ottomotor
Dieselmotor
BHKW
Brennstoffzelle
Glühlampe
LED
90 - 96%
25 - 30%
40 - 46%
80 - 95%
30 - 60%
5 - 7%
60 - 75%
Wie viele Jahre reichen die aktuellen Kohlereserven bei dem aktuellen Energieverbrauch aus?
ca. 200 JAhre
Aus einem Kilogramm reinem Kohlenstoff, werden nach der Verbrennung wie viel Kilogramm CO2?
m.co2 = 1kg * (44/12) = 3,667 kg
Welche Treibhausgase gibt es ? Welche haben den größten spezifischen Treibhauseffekt?
CO2 (61%)
CH4 (15%)
N2O
O3
FCKW
H-FKW
Alle Chlorkohlenwasserstoffe (FCKW /H-FKW) haben extrem hohen Treibhauseffekt, sind aber nur in geringer Konzentration vorhanden.
Unter welcher Bedningung kann die Power-to-X-Technologie sogar umweltschädlicher als die Nutzung fossiler Kraftstoffe/Gase sein?
Wenn zur Energieerzeugung Strom aus nicht regenerativen Energien genutzt wird.
Wie funktioniert ein Gaskraftwerk prinzipiell?
Gas- und Frischluftgemisch wird verbrannt (kein Dampf erzeugt!)
Heiße Abgase treiben Gasturbine an
Turbine treibt Generator an
Generator erzeugt el. Strom
Wie lange dauert es ca. bis ein Gastrubinenkraftwerk ans Netz gehen kann, d.h. seine volle Leistung entfaltet?
innerhalb weniger Sekunden, daher als Minutenreserve einsetzbar
Welcher thermodynamische Vergleichsprozess beschreibt den Dampfkraftprozess?
Clausius-Rankine-Prozess
Was ist die Betriebsstundenzahl?
Anzahl der Stunden, die eine Anlage pro Jahr in Betrieb ist.
Nenne 3 Möglichkeiten wo Wasser in Dampfkraftwerken verwendet wird.
Wie heißt der “Je-Desto-Satz” für die Wasserqualität?
Arbeitsfluid des thermodynamischen Kreisprozesses
Kühlwasser im Kondenator
Wärmeträger für Heizwärme
Je höher die Drücke und Temperaturen, desto höher muss die Wasserqualität sein!
Wie sehen die unterschielichen Schritten beim Clausius-Rankine-Prozess aus und welchen Kraftwerksprozess beschreibt er vergleichsweise?
Isentrope Druckerhöhung: Arbeitszufuhr
Isobare Erwärmung: Wärmezufuhr
Isobare Verdampfung: Wärmezufuhr
Isobare Überhitzung: Wärmezufuhr
Isentrope Expansion: Arbeitsabgabe
Isobare Kondensation: Wärmeabgabe
Welche weiteren Dampfkraftwerkstypen gibt es?
GuD-Kraftwerk
ORC-Kraftwerk
Heizkraftwerk
Kernkraftwerk
Müllkraftwerk
Welche verschiedenen Bauteile hat ein modernes DKW?
Speisewasserbehälter
Speisewasserpumpe
Vorwärmer
Kessel
Hoch-/Mittel-/Niederdruckturbine
Anzapfungen für Speisewasservorwärmung
Kondensator
Kondensatpumpe
Vorwärmer für Speisewasser
Welche Möglichkeiten zur Wasseraufbereitung gibt es?
Anionen- / Kationen- Tauscher
Umkehrosmose
Kiesfilter
Was ist die größte und teuerste Komponente eines Dampfkraftwerks?
Dampferzeuger
Aufgabe => Vorwärmung-Verdampfung-Überhitzung
(mit integrierter Zwischenüberhitzung)
Welche Dampferzeugertypen gibt es?
Großwasserraumkessel
Naturraumkessel
Zwangsumlaufkessel
Zwangsdurchlaufkessel
Welche Kraftwerkstypen haben die größte Volllastunden-Zahl?
Kernkraftwerke
Braunkohlekraftwerke
Welche Kraftwerkstypen haben jährlich die niedrigste Anzahl an Volllaststunden?
Pumpspeicherkraftwerke
Windkraftanlagen (On.Shore)
Photovoltaikanlagen
Wie geschieht der Umlauf in einem Naturumlaufkessel im Gegensatz zu einem Zwangsumlaufkessel ?
Natur: durch Dichteunterschiede
Zwangs: durch eine Pumpe
Wie lässt sich ein Gasturbinen-Kraftwerk optimieren und welche Vorraussetzung gibt es dafür ?
-> Interner Wärmetausch
Vorraussetzung: T4=T2a > T2
-> Zwischenkühlung
-> Zwischenüberhitzung
Ist der Wirkungsgrad des Joule-Prozesses gleich dem Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses?
Wie ist das Spektrum von heutigen Gasturbinen was ihre Leistung angeht?
1 MW - 340 MW
Nennen Sie je zwei Vor-und Nachteile von Brennstoffzellen gegenüber Akkumulatoren und Batterien.
Vorteil: Schnellere Betankung / höhere Reichweite
Nachteil: Anschaffungskosten / geringerer Wirkungsgrad
Nennen Sie drei Einsparpotenziale bei der Drucklufterzeugung.
Leckagen beseitigen
Betriebsdruck optimieren
Effizientere Kompressoren
Definiere Primärenergie und Sekundärenergie je mit Beispiel.
Primär=Rohenergie in Naturform z.B. Rohöl
Sekundär= veredelte Energie z.B. Heizöl
Welche Turbinendrehzahlen sind gängig?
Europa: 50 Hz
USA: 60 Hz
Wodurch wird die Hitzebeständigkeit von Gasturbinen gewährleistet?
Turbinenschaufeln sind oft aus Keramik
Warum ist die Rauchgasreinigung bei Gasturbinen meistens nicht machbar?
Was wird stattdessen gemacht?
wegen zu hoher Volumenströme ;
Einhaltung der Grenzwerte durch verbrennungstechnische Maßnahmen
Welchen Wirkungsgrad können GuD-Kraftwerke erreichen?
ca. 60 %
Welche Vorteile haben Gas- und Dampfturbinen - Kraftwerke?
geringe CO2-Emissionen
geringe Investitionskosten
kurze Bauzeiten
hohe Flexibilität
geringe Schadstoffemissionen
hohe Akzeptanz in Bevölkerung
Warum ist es i.d.R unnötig beim GuD-Kraftwerk den Gasturbinenprozess zu optimieren?
Aus einem nicht optimierten GT-Prozess entstehen höhere Abgastemperaturen, die wiederum förderlich für den Dampfturbinenprozess sind.
Es macht aber Sinn den DT-Prozess zu optimieren!
Bei welcher Art von Brennkammern sind die Verweilzeiten kürzer?
Es gibt im wesentlichen Ring- oder Silobrennkammern.
=> bei Ringbrennkammern sind die Verweilzeiten kürzer!
Wo liegt der Wirkungsgrad von BHKW’s ?
85 - 95 %
Wonach werden BHKW’s in der Regel ausgelegt?
auf möglichst hohe Volllaststundenzahl und nicht auf Spitzenlast
Mit welchen Medien kann ein BHKW' betrieben werden ?
Gas (Erdgas,Biogas,Propan,…)
Diesel- oder Ottomotor
Was ist Vorraussetzung für die Nutzung von Kraft-Wärme-Kopplung?
gleichzeitiger Bedarf von Elektrizität und Wärme im ‘Versorgungsgebiet’
Was sagt die Jahresdauerlinie aus?
Sie gibt an wie groß der Bedarf an Wärmeleistung über ein ganzes Jahr ist.
Wie funktioniert das Prinzip der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung?
Frischluft -> Brennstoffzufuhr => Gas wird in Kessel verbrannt
Abgas wird zur Turbine geleitet => treibt Generator an => Strom
immernoch heißes Abgas wird z.B. für Heizung genutzt
Teil dieser Wärme kann mit Strom zusammen in einer Absorptionskältemaschine für eine Kühlung z.B. im Sommer genutzt werden
In welchen Ausführungen gibt es Trennflächen-Wärmeübertrager?
Kreuz-/Gegen- oder Gleichstromausführung
Wo liegt der Unterschied zwischen Regenerator und Rekuperator?
Regenerator -> keine stoffliche Trennung (Merke: Regenwasser kühlt Poolwasser ohne stoffliche Trennung!)
Wie groß ist der jährliche Energieverbrauch im vergleich zu jährlichen Energie durch Sonneneinstrahlung?
im Vergleich sehr sehr klein!
Welche Möglichkeit gibt es um PV-Anlagen effizienter zu machen bzw. mehr Energie zu gewinnen?
2-achsige Nachführung der Kollektorfläche ermöglicht einen Energiegewinn von ca. 30 %
Welches physikalisches Phänomen steckt hinter der Photovoltaik-Technik?
Photo-Effekt (Albert Einstein)
Worin liegt der Unterschied zwischen Solarthermie und Photovoltaik?
Solarthermie: Es wird direkt Wärme erzeugt (Brauchwassererwärmung) und nur indirekt Strom
Photovoltaik: Es wird direkt Strom erzeugt und nur indirekt Wärme (Wärmepumpe in Verbindung mit Photovoltaik)
Wo ist der Unterschied zwischen Solarthermie mit Konzentration des Sonnenlichts und Anlagen ohne Konzentration? Nenne je eine Beispielanlage.
Bei Solarthermie mit Konzentration wird das Licht z.B mit Spiegeln auf einen vorgesehenen Punkt konzentriert.
mit Konzentration: Anwendung z.B als Kraftwerk mit Dampfturbine
ohne Konzentration: Flächenkollektoren z.B auf Einfamilienhäusern
Was sind Vorteile einer Solarthermie-Anlage?
einfache Speichermöglichkeit
sehr hoher Wirkungsgrad
Was passiert bei folgenden Absorberoberflächen mit der Strahlung:
spiegelnde OBF
schwarz lackierte OBF
selektiv beschichtete OBF
reflektiert SL
gibt viel Wärmestrahlung ab, reflektiert nur sehr wenig SL
gibt wenig Wärmestrahlung ab UND reflektiert wenig SL
Was sind Vor- und Nachteile der Wasserkraftnutzung?
Vorteil:
praktisch keine CO2-Emissionen / Schadstoffausstoß
bei Nutzung von Talsperren sehr gutes Speicherverhalten
Nachteil:
schwankendes Wasserangebot über das Jahr
Flusskraftwerke nehmen Einfluss auf Ökosystem
Wie groß ist der Einfluss des Mondes auf die Gezeiten im Vergleich zur Sonne?
Mondeinfluss = 2,18 * Sonneneinfluss
Was passiert wenn sich Mond- und Sonneneinfluss addieren?
Springflut mit hohem Hochwasser möglich
Welche Möglichkeiten gibt es um mit Wellenkraft Strom zu erzeugen?
Schwimmer mit oszillierender Bewegung treiben Generator an
Anlagen, die die periodische Druckänderung zum Pumpen von Arbeitsfluiden nutzen (wird für Bojen verwendet)
Konische Kanäle mit deneen Wellen in ein Oberbecken geleitet werden -> Rücklaufendes Wasser kann dann Turbinen antreiben
Luftbetriebene Turbinen
Wozu wurden Halladay’sche Windturbinen genutzt?
Wasserförderung
Wie entsteht Wind?
Druckunterschiede durch unterschiedliche Temperatur
Corioliskraft
Jahreszeiten
Welche Möglichkeiten zur Netzkopplung von elektrischen Maschinen gibt es ?
Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung
Asynchrongenerator mit Frequenzumrichter
Asynchrongenerator mit Direktumrichter
Synchrongenerator mit Gleichspannungszwischenkreis
Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung
Was ist die aktuell favorisierte Technik für CO2-Abtrennung?
Oxyfuel-Technik
Wie berechnet man die Masse an CO2 die bei Verbrennung von Rohstoffen entsteht? Hier am Beispiel Braunkohle…
m(CO2) = m(BK) * Kohlenstoffanteil * 44/12
Wie funktioniert ein BHKW? (Schritte)
Verdichtung der Frischluft
Brennstoffzufuhr (Gas/Benzin/Pellets/…)
Verbrennung in einem Kessel
Abgas treibt Gasturbine + Generator an
Generator erzeugt Strom
restliche Abwärme wird über Wärmetauscher z.B einem Heizkreis zugeführt
Wie funktioniert grob eine Solarthermieanlage?
Sonnenstrahlen treffen auf Kollektor
Trägermedium erwärmt sich
warmes Medium wird zum Warmwasserspeicher gebracht
dort wird die Wärme an das Brauchwasser abgegeben
danach fließt das Trägermedium zurück zum Kollektor
Meist noch durch Gas/Elektroheizung unterstützt.
Bis zu welchen Spannungen spricht man von Nieder/Mittel oder Hochspannung?
bis 1 kV Niederspannung
1 - 30 kV Mittelspannung
30 - 230 kV Hochspannung
über 230 kV Höchstspannung
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