Energiemanagement
Fragenkatalog Energiemanagement
Fragenkatalog Energiemanagement
Beschreiben sie anhand einer Skizze die Funktionsweise der
Brennstoffzelle
siehe Bild
Nennen sie Vorteile der Brennstoffzelle
-Der eingesetzte Brennstoff wird direkt in thermische und elektrische Energie
umgewandelt (keine zusätzlichen Umwandlungen in Form von
mechanischer Arbeit)
-Hoher Wirkungsgrad
-Keine mechanischen Anlagenteile
-Keine offene Flamme
-Geringe Schadstoff- und Geräuschemissionen
-Geringer Wartungsaufwand und geringe Wartungskosten
-Gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme
Nenne sie Nachteile der Brennstoffzelle
- Sehr teuer
- Brennstoff/ Wasserstoff ist in reiner, nutzbarer Form nicht verfügbar
- Bereitstellung des Wasserstoffs mittels Elektrolyse bewirkt einen sehr
geringen Wirkungsgrad in der Folge Elektrolyse → Brennstoffzelle
- Einsatz ist nur sinnvoll, wenn der Wasserstoff CO2-frei hergestellt wird
Nennen sie ein alltägliches Beispiel zur KWK
- Automobil
- Kraft zur Mobilität
- Wärme zur Raumheizung
Welche Betriebsarten der KWK kennen sie?
a) Wärmegeführt Auslegung so, dass der Wärmebedarf immer
gedeckt ist. Bei
Überschuss Verkauf der Wärmeenergie. Bei
Strombedarf Zukauf von Strom
b) Stromgeführt Auslegung so, dass Strombedarf immer gedeckt ist.
Bei
zusätzlichem Wärmebedarf Zukauf von Wärme
Skizzieren sie das Modell BHKW
siehe Bild
Nennen sie drei Systeme zur Erzeugung von Strom und Wärme und
vergleichen sie den Primärenergiebedarf sowie den Wirkungsgrad der
Systeme
System 1: getrennte Erzeugung von Strom und Wärme (Altanlage)
118 PE Heizkessel mit η=85% 100 EE Wärme
Brennstoffausnutzung
132 PE Kraftwerk mit η=35% 49 EE Strom 149
EE / 250 PE = 60%
System 2: getrennte Erzeugung von Strom und Wärme (Moderne Anlage)
102 PE Brennwertkessel mit η=98% 100 EE
93 PE GuD-Kraftwerk mit η=52,5% 49 EE 149 EE /
195 PE = 77%
System 3: KWK (stromgeführt mit Spitzenlastkessel zur Abdeckung des
Wärmebedarfs)
35 PE Spitzenlastkessel mit η=85% 30 EE Wärme
140 PE Erdgas-BHKW mit ηth=50% 70 EE Wärme
ηel=35% 49 EE Strom 149 EE / 175 PE = 85%
Welche Problematik liegt bei der Nutzung von KWK vor? Wie lässt sie
sich lösen?
- Strom und Wärme werden nicht kontinuierlich benötigt. D.h. Strom wird
ganzjährig benötigt, Wärme abhängig von der Jahreszeit
- Bei stromgeführter Auslegung kann die überschüssig produzierte Wärme
nicht verkauft oder genutzt werden
-Einsatz von Heiz- oder Spitzenlastkesseln bei stromgeführten Anlagen
Zukauf von Strom oder Wärme, je nach Auslegung der Anlage
2 Anlagen mit Auslegung für hohen und für geringen Bedarf
Wieso ist Beleuchtung so wichtig?
Weil der Mensch 83% der Informationen durch sehen aufnimmt
Nennen sie drei Kenngrößen mit welchen Leuchtstoffe verglichen
werden können
Lichtstrom in lumen [lm]
Beleuchtungsstärke in lux [lx=lm/m2]
Lichtausbeute im [lumen/W]
Vergleichen sie Glühlampe und Leuchtstoffröhre bezüglich Lichtstrom
und Leistung
Glühlampe 60 W 730 lm
Leuchtstoffröhre 58 W 5200 lm25
Nennen sie Räume mit unterschiedlicher Nennbeleuchtungsstärke
- Büro 300-500lx
- Unterrichtsraum 300-500lx
- Turnhalle 200-400lx
- Flur 100lx
Welche Möglichkeiten der Lichterzeugung gibt es? Nennen sie
Anwendungsbeispiele
-Glühfaden (Wolframwendel) Glühbirne
-Gasentladung (Anode → Gas → Kathode) Neonlampe
-UV-Strahlung → sichtbares Licht (Elektronenübergang) Leuchtstofflampe
Vergleichen sie Glühlampe, Halogenlampe, Kompakt-Leuchtstofflampe
und Niederdruck-Natriumdampflampe bezüglich Lichtausbeutefaktor und
Lebensdauer
siehe Bild
Aus welchem Grund werden ND- und HD-Natriumdampflampen trotz der
guten Lichtausbeute und Beleuchtungsstärke nicht in Gebäuden etc.
eingesetzt?
Die Farbwiedergabe dieser Leuchtstoffe ist für das menschliche Auge
ungeeignet.
Definieren sie den Leuchtenwirkungsgrad und nennen sie
Einflussgrößen
𝐿𝑒𝑢𝑐ℎ𝑡𝑒𝑛𝑤𝑖𝑟𝑘𝑢𝑛𝑔𝑠𝑔𝑟𝑎𝑑 = 𝐿𝑒𝑢𝑐ℎ𝑡𝑒𝑛𝑙𝑖𝑐ℎ𝑡𝑠𝑡𝑟𝑜𝑚 / 𝐿𝑎𝑚𝑝𝑒𝑛𝑙𝑖𝑐ℎ𝑡𝑠𝑡𝑟𝑜𝑚
-Reflexion, Anzahl der Reflexion
-Lichtdurchgang durch Material (Glas)
Wozu dient das Vorschaltgerät bei Leuchtstofflampen und
Gasentladungslampen
Zündung, Stromaufnahme begrenzen, Kathoden heizen
Nennen sie die gebräuchlichen Arten der Vorschaltgeräte
a) Konventionelles, mittels Spule / Induktivität
b) Elektronisches, mit geringerem Energiebedarf
Nennen sie das Leuchtmittel mit der höchsten Lebensdauer und nehmen
sie begründet Stellung zu seiner Einsatzfähigkeit
- LED
- Lebensdauer 20.000 bis 100.000 h, Effizienz 20-30 lm/W, erhältlich in 3WEinheiten,
schnelle Reaktion, Farbwiedergaben (noch)
verbesserungswürdig
→ Nutzung als PWK-Beleuchtung sinnvoll, aber keine Alternative zu
Leuchtstofflampen
Aus welchen Faktoren setzen sich die Kosten der Beleuchtung
zusammen?
- Lampenkosten
- Lebensdauer der Lampe
- Auswechslung der Lampe
- Preis für die Energie
- Jährliche Betriebszeit
- Anschaffungskosten der Beleuchtungsanlage
Wie ist der Zusammenhang zwischen Energie und Leistung?
W=P x t
Wenn eine Anlage 0.5 h läuft und eine Leistung von 200W hat, wie viel Energie benötigt sie dann?
W = 200W x 0.5 h = 100Wh
Nennen Sie Primär-, Sekundär- und Endenergieträger
Primär: Kohle, Erdöl, Erdgas, Sonne, Wind, Wasser, Biomasse
Sekundär: Strom, Benzin, Briketts, Heizöl, Druckluft
Endenergie: Wärme, Licht, Mobilität
Nennen Sie Aufgaben des Energiemanagements
-Energie effizienter nutzen, Effizienz und Nutzen der eingesetzten Energie steigern
-Durch geringeren Energieeinsatz Kosten sparen
-Energie günstig einkaufen, um Kosten zu senken
-Lastspitzen abbauen, Energiebedarf vergleichmäßigen
z.B.: organisatorische Maßnahmen (Arbeitszeiten über 24 Stunden
verteilen, Maschinen mit hohem Energiebedarf nicht gleichzeitig laufen lassen)
Einsatz von Zeitschaltuhren
Einsatz von Maximumwächtern
Einsatz von Nachspeicherheizungen
-Ressourcen schonen, Umwelt schonen, geringerer CO2-Ausstoß
Wie kann die Energieeffizienz bezüglich der Nutzung gesteigert werden?
-Gebäude isolieren
-Einsatz von Brennwertkesseln
-Energiesparende Beleuchtung
-Beleuchtung nur da, wo sie benötigt wird
-Nutzung von Abwärme
-Druckluftsysteme optimieren
-Verzicht auf Standby
-Energiebewusst Lüften
-Sensibilisierung
Wie kann die Energieeffizienz bezüglich der Erzeugung gesteigert werden?
-Latentwärmenutzung
-KWK (Kraft-Wärme-Kopplung)
-Moderne Anlage mit höheren Wirkungsgraden
Nennen Sie den entscheidenden Vorteil der KWK
Produktion von Strom liefert über Abwärme nutzbare Wärmeenergie
Gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme steigert η bis 85%
Nennen Sie die Problematik bei der KWK
-Strom und Wärme werden nicht kontinuierlich benötigt. D.h. Strom wird
ganzjährig benötigt, Wärme abhängig von der Jahreszeit
- Bei stromgeführter Auslegung kann die überschüssig produzierte Wärme nicht
verkauft oder genutzt werden
Nennen Sie die Wirkungsgrade verschiedener Anlagen
Generator 95%
Transformator 98%
Glühbirne 5%
Kohle-KW 35%
Solarzelle 15%
Leuchtstofflampe 10%
Nennen sie verschiedene Wirkungsgradketten
Ziel: Beleuchtung auf dem Schreibtisch Ziel: Raumwärme
-Transport und Abbau der Kohle - Gastransport
-Verbrennung - Verbrennung
-Dampf - Erwärmung Wasser
-Turbine - Pumpensystem
-Generator - Heizkörper
-Transport/Transformation von Strom - Raumwärme
- Lampe
-Licht
Aus welchen Teilen besteht die Energie, wie sind diese definiert?
Energie = Exergie + Anergie
Exergie ist technisch nutzbarer Anteil
Anergie ist technisch nicht nutzbarer Anteil
Definieren sie die Begriffe Ressourcen und Reserven
Ressourcen: insgesamt vorhandene Rohstoffe
Reserven: Anteil der Ressourcen, der technisch und wirtschaftlich nutzbar ist
Nennen sie die Strom- bzw. Wärmekosten
Privat Haushalt Strom ca. 20 Cent/kWh
Wärme ca. 8 Cent/kWh
Großunternehmen Strom ca. 5-10 Cent/kWh
Nennen sie die Anteile der Energieträger an der Stromerzeugung in
Deutschland
Regenerative Energien 18%
Kernenergie 20%
Braunkohle 23%
Steinkohle 20%
Nennen sie verschiedene Energiekennzahlen
Wärme pro m2, kWh pro produziertes kg, kWh pro Stück, liter pro 100 km,
kWh pro 1° Erwärmung
Was sind Treibhausgase? Nennen sie diese
Gase in der Atmosphäre, welche bei erhöhtem Anteil zur Erderwärmung
beitragen
CO2, CH4, N2O, SF6, FCKW
In welcher Form kommt CH4 vor?
Klärgas, Methan, Biogas, Grubengas, Erdgas
Wie entsteht CO2?
Bei der Verbrennung von Kohlenstoff entsteht CO2
𝐶+𝑂2-->𝐶𝑂2+𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒
Wie funktioniert der Brennwertkessel? Was ist latente Wärme?
Bei dem Brennwertkessel wird nach dem Verbrennungsvorgang dem Abgas
über einen Wärmetauscher die latente Wärme entzogen. Beim Heizwertkessel
geht diese mit dem Abgas verloren.
Latente Wärme ist die Energie, welche beim Phasenübergang zugeführt wird,
ohne dass die Temperatur des Mediums steigt
Welchen Vorteil hat der Transport von Strom gegenüber dem anderer
Medien?
Strom ist nahezu verlustfrei transportierbar
Wie wird Strom transportiert? Warum wird er hochgespannt?
siehe Bild
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Cartes-fiches
Wirkungsgrade bei der Energieerzeugung (η)
KWK (BHKW): 80-85%
GuD-Kraftwerke: 60%
Kohlekraftwerke (alt): 15%
Kohlekraftwerke (neu): 30%
Kernkraftwerk: 30–40 %
Biomassekraftwerk: 30-37%
Photovoltaik : 5 -15%
Wieso ist ein Strom „mix“ besser für die Landesweitedeckung des
Energiebedarfs?
Braunkohlekraftwerk > relativ Träge > Grundlastbereich
Steinkohlekraftwerk> etwas Flexibler (Brennstoff besser Dosierbar) > Mittellast
Ölkraftwerk > flexibel > Mittellast
Gaskraftwerk > flexibel > Spitzenlastbereich
Pumpspeicher > flexibel > Spitzenlast
Kernkraftwerk > nicht regelbar > Grundlastbereich
Sonne/Wind > flexibel > Eigener Lastbereich
Aus welchen Elementen setzt sich der Strompreis zusammen?
-Strom
o erzeugung
o transport
o Vertrieb und Messung
- Konzessionsabgabe ( bei Monopolstellung >Abgabe von Energieerzeuger
an Stadtwerke)
-Stromsteuer (Verteuerung vom Staat)
- Umlage KWK
-Umlage EE
-Umsatzsteuer (MWSt)
Wie lange reicht Öl, Erdgas und Kohle noch?
Öl = 40 Jahre; Erdgas = 60 Jahre; Kohle = 200 Jahre
Wie kann Strom in Haushalten und in Betrieben effizient genutzt
werden?
a) Verlagerung von Lastspitzen in Lastsenken → Einsatz von Schaltzeituhren
→ Kostensenkung
b) Einsatz von Maximumwächtern → Erfassung des Strombedarfs →
Messeinrichtung so einstellen, dass aktueller Strombedarf mit einem
Maximalwert verglichen wird → bei Überschreitung des Maximalwertes
automatisches Abschalten von Anlagen, welche auch in Zeit der
Lastsenken laufen können
Nennen sie eine Möglichkeit der effizienten Wärmenutzung
-„Wärmerückgewinnung“, „Wärmerecycling“
-D.h.: Wärme nicht an die Umgebung abgeben, sondern Rückgewinnen und
nutzen
→ Energie wird effizienter genutzt, es wird insgesamt weniger Wärmeenergie
benötigt, Energiekosten für Wärmeenergie werden reduziert
Welche Problematik besteht bei der Wärmerückgewinnung?
-Wärme muss da genutzt werden, wo sie entsteht
-Wärmeenergie ist schlecht zu speichern
Nennen sie die ihnen bekannten Formen des Wärmetransportes
-Konvektion, Strahlung und Leitung
Beschreiben sie die Begriffe „direkte“ und „indirekte Wärmeübertragung
und nenn sie Beispiele
a) Zwischen den Stoffen mit den Temperaturen T1 und T2 besteht keine feste
Trennwand
z.B.: Flamme, Kühlturm
b) Zwischen den Stoffen mit den Temperaturen T1 und T2 besteht eine
Trennwand, der s.g. Rekuperator
z.B.: Kühler des Autos, Raumheizung
Nennen sie die Berechnungsgleichungen für die Wärmemenge bei a)
Wärmeleitung und b) Wärmeübergang. Nenn sie die signifikante
Einflussgröße auf die Wärmemenge.
siehe Bild
Nennen sie Anwendungsbereiche der Wärmerückgewinnung
-Heizen von Gebäuden mittels
a) Kontrollierter Wohnungslüftung
b) Kontrollierte Wohnungslüftung mit Endwärmetauscher
Bestehend aus Abluftventilen (in Bad und Küche), Zuluftventilen
(Wohn-, Schlafräume), Ventilator, Wärmetauscher
-Luftvorwärmer (im Kraftwerk)
-Wasservorwärmer = Economizer (im Kraftwerk)
Nennen sie Arten des Wärmetauschers und skizzieren sie den Aufbau
siehe Bild
Wie ist die Rückwärmezahl definiert?
Rückwärmezahl= tats.Temperaturerhöhung / theoret.Temperaturerhöhung
Rückwärmezahl= tats.Temperaturerhöhung theoret.Temperaturerhöhung
50-80%
Welche Form des Energieträgers stellt Druckluft dar?
Sekundärenergieträger
Nennen sie Gründe, warum Druckluft effizient genutzt werden muss?
-Universell einsetzbar → häufiger Einsatz
→ teuer
→ Verluste = unnötige Kosten und ungenutzte Energie
Nennen sie Gründe, warum Druckluft effizient genutzt werden muss?
-Universell einsetzbar → häufiger Einsatz
→ teuer
→ Verluste = unnötige Kosten und ungenutzte Energie
Beschreiben Sie eine Möglichkeit des energieeffizienten Betriebs einer
Kompressoranlage
-Kombination von Wärmerückgewinnung an der Anlage
Bei 100% Leistungsaufnahme 9% Abwärme Motor
72% Ölkühlung
13% Kühlung der Druckluft
→ Nutzung der Abwärme am Antriebsmotor
→ Nutzung der Abwärme des Wärmetauschers hinter dem Verdichter
-Energiearme Reglungskonzepte
→ Reglung des Kompressors z.B. über die Drehzahl, nicht mittels Drossel,
da ein künstlicher Widerstand erzeugt wird
→ P-V-Diagramm verschiedener Reglungskonzepte
Nenne sie Möglichkeiten der Optimierung eines Druckluftsystems
-Verminderung der Leckageverluste (betragen im Allgemeinen 20%)
-Gesamtanlagenauslegung (z.B.: Nutzung 3er Kompressoren für Grund-,
Mittel-, Spitzenlast)
-Wärmerückgewinnung
Nennen sie die Treibhausgase
-Wasserdampf H2O
-Kohlendioxid CO2
-Methan CH4
-Distickstoffmonoxid (Lachgas) N2O
-SF6
-Fluorchlorkohlenwasserstoffe FCKW
Skizzieren sie schematisch den zeitlichen Verlauf der Nutzung fossiler
Energieträger über mehrere Jahrtausende
siehe Bild
Durch welche Prozesse wird die Energiebilanz der Erde ins
Ungleichgewicht geführt?
𝐶+𝑂2-->𝐶𝑂2+𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒
2𝐻2+𝑂2-->2𝐻2𝑂+𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒
𝐶𝐻4+2𝑂2-->𝐶𝑂2+2𝐻2𝑂+𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒
Kohlenstoff wird in Form fossiler Energieträger aus der Erde geholt und durch
Verbrennung mit Sauerstoff in Verbindung gebracht. Bei dem Prozess entsteht
nutzbare Energie und CO2. CO2 wird in die Atmosphäre gegeben und bringt
die Atmosphärenzusammensetzung aus dem Gleichgewicht.
Welche Auswirkung hat der erhöhte CO2-Gehalt in der Atmosphäre?
CO2-Gehalt und Temperatur stehen proportional im Zusammenhang
→ erhöhter CO2-Gehalt führt verzögert zu Erderwärmung
Wie groß ist der aktuelle CO2-Austausch pro Kopf? Wie groß dürfte er
sein, ohne die Atmosphäre nachhaltig zu beeinflussen?
Aktuell: 6t
Erträglich: 2t
Ist der Umstieg von Energiegewinnung aus Kohle auf Energiegewinnung
aus Erdgas sinnvoll?
-Erscheint sinnvoll, da Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis besser ist und
somit der Verbrennungsprozess von 𝐶𝐻4 sauberer verläuft
𝐶𝐻4 → H/C=4/1
𝐶𝑂2 → H/C=0,5/1
-Umsteigen ist nicht sinnvoll, da
a) Erdgas sehr begrenzt und weniger verfügbar ist als Kohle
b) CH4 klimaschädlicher ist und beim Transport in reiner Form in die
Atmosphäre treten kann
Treibhauspotential CO2=1, Treibhauspotential CH4=35
Wie groß sind die Anteile der Treibhausgase am zusätzlichen
Treibhauseffekt?
CO2: 50%
CH4: 13%
N2O: 5%
FCKW: 24%
Beschreiben sie die Begriffe Energie, Exergie, Anergie
Energie = Exergie + Anergie
Exergie= nutzbarer Anteil der Energie
Anergie= nicht nutzbarer Anteil der Energie
Nennen Sie Gründe für den geringeren Energieverbrauch im Jahr 2009 in
Deutschland
-Wirtschaftskrise
→ weniger Produktion
→ weniger Energie genutzt
Nennen sie Maßnahmen zur effizienten Nutzung von Energie
- Isolierung
- Energie nur nutzen wo sie benötigt wird (z.B.: kein Licht in Fluren)
-Abwärme nutzen, Fernwärme nutzen
-Leistungssenken nutzen (Kraftwerke für die Grundlast laufen auch Nachts)
-Automatische Beleuchtung (Bewegungsmelder)
- Latentwärme nutzen
-Standby-Geräte Nachts ausschalten (In Deutschland entspricht die
benötigte Energie der Standy-Geräte die bereitgestellte Energie eines
Atomkraftwerks)
-Druckluftsteuerung (Abwärmenutzen)
Wie kann Energie effizient bereitgestellt werden?
-KWK, Nutzung von BHKW’S (η=80%)
-Nutzung regenerativer Energien, CO2-arme oder –neutrale Energieträger
(Wind, Wasser, Solar, Erdwärme, Biomasse)
-Nutzung fossiler Energieträger reduziere
Stellen sie den zeitlichen Verlauf der Anteile der Energieträger bei der
Stromerzeugung dar
siehe Bild
Nennen Sie Grundsätze, welche im Energiewirtschaftsgesetz von 1998
festgelegt wurden
-Rückzug des Staates
-Abschaffung von Monopolen (Liberalisierung des Energiemarktes)
-Trennung von Erzeugung und Lieferung (Unbunding, Entkopplung)
-Rechtsanspruch auf Durchleitung (Netznutzung)
-Umweltfreundliche Bereitstellung
Stellen sie schematisch den Aufbau des deutschen Spannungsnetzes
dar
siehe Bild
Wie berechnet sich die Verlustleistung im Netz? Wie müssen die
Parameter sein, damit die Verluste möglichst gering sind?
𝑃=𝑈·𝐼=𝐼²·𝑅
Strom möglichst gering halten, Spannung hoch
Beschreiben sie anhand einer Skizze die Funktionsweise der
Brennstoffzelle
siehe Bild
Nennen sie Vorteile der Brennstoffzelle
-Der eingesetzte Brennstoff wird direkt in thermische und elektrische Energie
umgewandelt (keine zusätzlichen Umwandlungen in Form von
mechanischer Arbeit)
-Hoher Wirkungsgrad
-Keine mechanischen Anlagenteile
-Keine offene Flamme
-Geringe Schadstoff- und Geräuschemissionen
-Geringer Wartungsaufwand und geringe Wartungskosten
-Gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme
Nenne sie Nachteile der Brennstoffzelle
- Sehr teuer
- Brennstoff/ Wasserstoff ist in reiner, nutzbarer Form nicht verfügbar
- Bereitstellung des Wasserstoffs mittels Elektrolyse bewirkt einen sehr
geringen Wirkungsgrad in der Folge Elektrolyse → Brennstoffzelle
- Einsatz ist nur sinnvoll, wenn der Wasserstoff CO2-frei hergestellt wird
Nennen sie ein alltägliches Beispiel zur KWK
- Automobil
- Kraft zur Mobilität
- Wärme zur Raumheizung
Welche Betriebsarten der KWK kennen sie?
a) Wärmegeführt Auslegung so, dass der Wärmebedarf immer
gedeckt ist. Bei
Überschuss Verkauf der Wärmeenergie. Bei
Strombedarf Zukauf von Strom
b) Stromgeführt Auslegung so, dass Strombedarf immer gedeckt ist.
Bei
zusätzlichem Wärmebedarf Zukauf von Wärme
Skizzieren sie das Modell BHKW
siehe Bild
