Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Erreichbare Gesamtpunktzahl: 96 Punkte

Transkript

1 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 1 (8 Punkte) a) Skizzieren Sie das Anlagenschema einer thermischen Solaranlage zur Brauchwassererwärmung und Raumheizung mit einem Kombispeicher! (5 P) b) Wie wird eine solche Anlage geregelt? (3 P) Aufgabe 2 (18 Punkte, je 2 Punkte pro Frage) Geben Sie qualitativ mit wenigen Worten an, wie sich folgende Aspekte auf die Eigenschaften beziehungsweise die Stromproduktion einer Photovoltaik-Anlage auswirken: a) Reihenschaltung von Modulen b) Parallelschaltung von Modulen c) Verschattung eines Moduls in einem Strang mit mehreren Modulen d) niedrige Außenlufttemperatur e) Peakleistung der Module liegt in Summe einige Prozentpunkte über der Nennleistung des Wechselrichters f) Einsatz monokristalliner statt polykristalliner Siliziumzellen bei gleicher Peakleistung g) Einsatz von Modulen unterschiedlicher Hersteller mit verschiedener MPP- Charakteristik an einem Wechselrichter h) Einbau der Module in die Dacheindeckung ohne Hinterlüftung i) Zerstörung einer Bypassdiode an einem Modul innerhalb eines Stranges Aufgabe 3 (26 Punkte) a) Skizzieren Sie das Fließbild einer Kompressions-Wärmepumpe mit ihren vier Hauptkomponenten! (4 P) b) Wie unterscheidet sich das Fließbild einer Absorptions-Wärmepumpe davon? (2 P) c) Skizzieren Sie den Prozess der Kompressions-Wärmepumpe und der Absorptions- Wärmepumpe in einem jeweils dafür geeigneten Zustandsdiagramm und stellen Sie den Zusammenhang zwischen den Komponenten in den beiden Fließbildern und den Prozessschritten in den Zustandsdiagrammen dar (Was passiert wo?)! (8 P) d) Skizzieren Sie für beide Wärmepumpenarten ein Energieflussbild für das Gerät und tragen Sie darin Zahlen für die Größenordnung der Energieströme für den Fall ein, dass die Geräte jeweils 10 kw Nutzleistung abgeben und die Wärmeverluste an den Geräten jeweils 1 kw betragen. (6 P) e) Berechnen Sie anhand der von Ihnen eingetragenen Zahlen bei Unterpunkt d) den COP für beide Wärmepumpenarten! (3 Punkte) f) Wie groß wären die Kälteziffern für beide Gerätearten (ausgehend von den von Ihnen angegebenen Zahlen in Unterpunkt d)), wenn die Geräte nicht als Wärmepumpe sondern als Kältemaschine arbeiten würden? (3 Punkte) weiter siehe Rückseite

2 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 4 (8 Punkte) a) Was versteht man unter dem Wirkungsgrad eines Heizgerätes? (2 P) b) Was versteht man unter dem Norm-Nutzungsgrad eines Heizgerätes? (6 P) Aufgabe 5 (36 Punkte) Der Besitzer eines Einfamilienhauses möchte seinen alten Gas-Niedertemperaturkessel durch ein ökologisch besseres Heizgerät ersetzen. Zur Wahl stehen drei Varianten: ein Holzpellet-Brennwertkessel (voraussichtlicher Jahres-Nutzungsrad = 98 %) und eine Elektro- Wärmepumpe (voraussichtlicher Jahres-COP = 3,5), entweder mit Strom aus einem speziellen preiswerteren Wärmepumpen-Tarif oder unter Nutzung von Ökostrom. Der Gasverbrauch für Heizung und Warmwasser betrug in dem Gebäude im Mittel der letzten drei Jahre m³/a bei einem vom Energieversorger angegebenen Brennwert von 9,6 kwh/m³ (Verhältnis Brennwert/Heizwert = 1,11). Der Nutzungsgrad des alten, überdimensionierten Gas-Niedertemperaturkessels kann zu 85 % abgeschätzt werden. Weitere Angaben: - Komponentenpreise: Elektro-Wärmepumpe inkl. Warmwasserspeicher 9.000, Holzpellet-Brennwertkessel inkl. Warmwasserspeicher , Erdsonde 8.000, Schornsteinsanierung 500, Pelletlager Montage der Neuanlagen: jeweils Mehrkosten für Wartung und Schornsteinfeger beim Holzpelletkessel =150 /a - Energiepreise: Holzpellets = 250 /t, spezieller Wärmepumpen-Stromtarif = 15 ct/kwh, Ökostrom = 20 ct/kwh - Primärenergiefaktoren: Holzpellets = 0,2, Wärmepumpenstrom = 2,6, Ökostrom = 0,3 - Weitere benötigte Angaben wie der Heizwert von Pellets sind plausibel zu ergänzen. Fragen: a) Wie groß ist der jährliche Wärmebedarf des Gebäudes für Heizung + Warmwasser? (6 P) (20584 kwh/a) b) Wieviel Strom benötigt die Elektro-Wärmepumpe, um diesen Wärmebedarf zu decken? (3 P) (5881 kwh/a) c) Wieviel Kilogramm an Holzpellets sind zur Bedarfsdeckung notwendig? (6 P) (4201 kg/a) d) Wie groß ist der Primärenergiebedarf der drei Varianten? (4 P) (Pellet: 4201 kwh/a; WP: kwh/a; WP mit Ökostrom: 1764 kwh/a) e) Vergleichen Sie die zwei Varianten Pelletkessel und Wärmepumpe mit Wärmepumpentarif mit Hilfe der statischen Amortisationszeit! Welche Variante ist wirtschaftlicher? (10 P) (WP, 6,3 a) f) Welche Maßnahme ist unter Berücksichtigung eines Kapitalzinssatzes von 2,5 % und einer Nutzungsdauer der beiden Geräte von 20 Jahren am wirtschaftlichsten? (4 P) (WP, 6,9 a) g) Wie verändert sich die Wirtschaftlichkeit, wenn statt des Wärmepumpentarifs das Ökostromangebot genutzt wird? (3 P) (statisch: 83 a; dynamisch: unendlich)

3 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 1 (18 Punkte) a) Welche Arten von Energieverlusten treten an einem Erdgas-Heizgerät auf? Geben Sie jeweils eine kurze Erläuterung an! 6 P b) Wie groß ist der maximale Wirkungsgrad eines Erdgas-Heizgerätes? Begründen Sie kurz Ihre Aussage! 3 P c) Wie verändert sich der Nutzungsgrad eines Brennwertkessels und eines Standardkessels in Abhängigkeit der Auslastung bei steigenden Außentemperaturen. Fertigen Sie dazu eine Skizze mit quantitativen Achsbeschriftungen an! 5 P d) Begründen Sie die Unterschiede zwischen den beiden Kesseltypen z.b. anhand der Veränderungen bei den Verlusttermen! 4 P Aufgabe 2 (12 Punkte) a) In thermischen Solaranlagen ist in aller Regel ein Wasserbehälter integriert. Geben Sie kurz seine Funktion an! 2 P b) Was versteht man unter einem Schichtenspeicher? 2 P c) Geben Sie für Ladung und Entladung eines Speichers jeweils 2 Maßnahmen an, um einen Schichtenspeicher im Zusammenhang mit einer Solaranlage realisieren zu können! 4 P d) Welche beiden energetischen Vorteile besitzen in einer thermischen Solaranlage Schichtenspeicher gegenüber konventionellen durchmischten Speichern? 4 P Aufgabe 3 (12 Punkte) a) Was versteht man unter Kraft-Wärme-Kopplung? 2 P b) Skizzieren Sie ein prinzipielles Energieflussbild für ein KWK-Aggregat? 4 P c) Geben Sie 4 thermodynamisch unterschiedliche technische Möglichkeiten an, Kraft- Wärme-Kopplung zu realisieren? 4 P d) Jede KWK-Technologie besitzt einen charakteristischen Leistungsbereich. Sortieren Sie die von Ihnen genannten 4 Möglichkeiten in diesem Sinne in aufsteigender Reihenfolge! 2 P Aufgabe 4 (6 Punkte) a) Was versteht man unter Bioerdgas? 2 P b) Geben Sie jeweils zwei Vor- und Nachteile von Bioerdgasanlagen gegenüber lokalen Biogasanlagen auf Bauernhöfen an! 4 P Rechenaufgaben siehe Rückseite

4 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 5 (10 Punkte) Führen Sie folgende Berechnungen durch: a) Wie groß ist die notwendige (Nutz-)Energie zum Aufheizen von 100 l Wasser von 20 C auf 60 C in MJ und in kwh? 4 P (16,8 MJ, 4,67 kwh) b) Wie groß ist die notwendige Endenergie und Primärenergie dafür, wenn die Wasseraufheizung mit einem elektrischen Heizstab mit 99 % Wirkungsgrad erfolgt und ein Primärenergiefaktor für Strom von 2,6 angesetzt werden kann? 4P (16970 kj, kj) c) Wie groß ist die Globalstrahlungssumme von 8 Uhr morgens bis 17 Uhr abends, wenn die Strahlungsintensität von 8 bis 12 Uhr von 0 auf 1000 W/m² linear ansteigt, 1 Stunde konstant bleibt und anschließend wieder linear auf Null abfällt? 2 P (5 kwh/m²) Aufgabe 6 (38 Punkte) Eine thermische Solaranlage zur Bereitstellung von Prozesswärme auf einem Temperaturniveau von 70 C in einem Lebensmittelbetrieb kommt nach Rechnersimulationen auf einen Solarertrag von 400 kwh pro Quadratmeter Kollektorfläche und Jahr. Die Investitionskosten für die vergleichsweise einfache Anlage ohne Speicher und aufwändige Hydraulik betragen 450 pro Quadratmeter Kollektorfläche. Ein aktuelles Förderprogramm gewährt einen Investitionskostenzuschuss von 30 %. In dem Lebensmittelbetrieb ist im Moment als Wärmeerzeuger ein mit Erdgas befeuerter Dampfkessel mit einem Nutzungsgrad von 80 % installiert. Weitere Angaben: - erwartete Lebensdauer der Solaranlage = 20 a - anzusetzende Wartungskosten für die Solaranlage = 1 % / Jahr der Investitionskosten ohne Zuschuss - aktueller Zinssatz in einem KfW-Kreditprogramm für Energiesparinvestitionen = 3,5 % - aktuelle Erdgas-Bezugskosten des Unternehmens = 5 ct pro kwh Heizwert a) Wie hoch ist die Energieeinsparung durch die Solaranlage? 2 P (500 kwh/m²a) b) Wie hoch sind der Solare Wärmepreis und die Energieeinsparkosten? 14 P (6,6 ct/kwh, 5,3 ct/kwh) c) Wie groß ist die dynamische Amortisationszeit? 8 P (22,4 a) d) Wie groß müsste der Erdgas-Bezugspreis des Unternehmens sein, damit sich die Investition in die Solaranlage genau nach 20 Jahren amortisiert hat? 4 P (5,3 ct/kwh) e) Wie groß müsste der Erdgas-Bezugspreis des Unternehmens sein, damit sich die Investition in die Solaranlage bereits in 10 Jahren amortisiert? 10 P (8,48 ct/kwh)

5 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 1 (10 Punkte) a) Sie möchten eine 5 kwp große Photovoltaik-Anlage installieren. Welche Modulfläche wird dafür benötigt, wenn ein Modul 1,5 m² groß ist, unter STC-Bedingungen 200 W Leistung abgibt und der Wechselrichter einen Nennwirkungsgrad von 95 % besitzt? 4 P b) Geben Sie einen groben Wert für die jährliche Stromproduktion einer PV-Anlage pro Kilowattpeak installierter Leistung an! 2 P c) Geben Sie 4 Maßnahmen an, auf die Sie bei Planung und Betrieb einer Photovoltaikanlage achten sollten, um einen möglichst hohen Stromertrag pro Kilowattpeak installierter Leistung zu realisieren! 4 P Aufgabe 2 (10 Punkte) a) Erläutern Sie das technische Funktionsprinzip des Selbstkühlenden Bierfasses 6 P b) Was können Sie pragmatisch tun, um das Bier im Fass schneller und tiefer abzukühlen? Begründen Sie Ihre Antwort durch die Erläuterung des physikalischen Hintergrundes! 4 P Aufgabe 3 (10 Punkte) a) Skizzieren Sie die Kennlinie einer Umwälzpumpe im Druckdifferenz/Volumenstrom- Diagramm! Erläutern Sie anhand des Diagramms die Funktionsweise einer automatischen Drehzahlregelung der Pumpe zur Stromeinsparung! 4 P b) Wie sollte eine Umwälzpumpe ausgelegt sein, damit sie im Betrieb stromsparend funktioniert bzw. hohe Wirkungsgrade erzielt? Begründen Sie Ihre Antwort in einem neuen Druckdifferenz/Volumenstrom-Diagramm! 4 P c) Neben Drehzahlregelung und geeigneter Auslegung der Umwälzpumpe existieren weitere Möglichkeiten, bei Umwälzpumpen Strom einzusparen. Nennen Sie 2 dieser Möglichkeiten! 2 P Aufgabe 4 (18 Punkte) a) Was versteht man unter Globalstrahlung? Wie groß ist in etwa die jährliche Globalstrahlung in Nordrhein-Westfalen auf eine horizontale Fläche? 2 P b) Wie ist die Arbeitszahl einer Wärmepumpe definiert? Was ist der Unterschied zur Leistungsziffer? 4 P c) Weshalb werden Blockheizkraftwerke meistens wärmegeführt betrieben? 4 P d) Nennen Sie 4 verschiedene Endenergieträger, die aus Biomasse gewonnen werden, und geben Sie kurz an, wie und aus welcher Ausgangs-Biomasse sie in der Regel hergestellt werden! 8 P Rechenaufgabe auf der Rückseite

6 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 5 (48 Punkte) Bei einem Neubau überlegt der Einfamilienhausbesitzer, eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung zu installieren. Gemäß dem Angebot eines Handwerkers kostet die Anlage und hat einen prognostizierten Solaren Deckungsgrad von 55 %. Die vierköpfige Familie wird voraussichtlich einen mittleren Warmwasserbedarf von 25 l mit 60 C pro Person und Tag haben. Der rechnerische Heizwärmebedarf des Gebäudes beträgt kwh pro Jahr. Weitere Randbedingungen: Kaltwassertemperatur = 10 C Wärmeverluste des Solarspeichers der Brauchwasseranlage = 800 kwh/a Nutzungsgrad des Zusatzwärmeerzeugers = 94 % Sonstige Wärmeverluste sollen vernachlässigt werden. Technische Lebensdauer der Solaranlage = 20 Jahre Zinssatz des Baukredits der Familie = 3 % Erdgaspreis 7 ct/kwh Brennwert (Verhältnis Brennwert / Heizwert bei Erdgas = 1,11) a) Wie groß ist der Nutzwärmebedarf für die Warmwasserbereitung pro Jahr? 4 P (2129 kwh/a) b) Wie groß sind die Energiemengen, die bei der solaren Brauchwassererwärmung von der Solaranlage und der Zusatzheizung in den Solarspeicher eingekoppelt werden? 12 P (1611 kwh/a, 1318 kwh/a) c) Wie groß ist die prozentuale Endenergieeinsparung durch die Solaranlage, wenn im Fall ohne Solaranlage die jährlichen Verluste des dann kleineren Warmwasserspeichers nur halb so groß sind wie mit Solaranlage? 10 P (47,9%) d) Wie groß sind der solare Wärmepreis und die Energieeinsparkosten der Solaranlage, wenn sich die Wartungskosten des Gaskessels aufgrund der reduzierten Betriebsstunden durch die Solaranlage von 80 auf 60 pro Jahr reduzieren? 12 P (19,6 ct/kwh, 24,5 ct/kwh) e) Welche dynamische Amortisationszeit hat eine größere Solaranlage, welche neben der Brauchwassererwärmung auch die Raumheizung unterstützt, wenn diese doppelt so teuer ist, zu einer prognostizierten Endenergieeinsparung für Brauchwasser und Raumheizung von 30 % führt und sich die Wartungskosten für den Gaskessel um weitere 20 pro Jahr reduzieren (analoge Randbedingungen für Speicherverluste wie oben)? 10 P (59,7a (war falsch angegeben); richtig: 197 a)

7 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 1 (12 Punkte) a) Wärmepumpen nutzen Wärme aus der Umwelt und stellen diese auf höherem Temperaturniveau z.b. zur Beheizung von Gebäuden bereit. Nennen Sie drei typische Umweltwärmequellen von Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung! 3 P b) Nennen Sie zu jeder dieser drei Umweltwärmequellen einen charakteristischen Vorteil und einen Nachteil! 6 P c) Geben Sie zu jeder dieser drei Umweltwärmequellen die Größenordnung der Jahres- Arbeitszahl an, die Elektro-Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung damit typischerweise erreichen! 3 P Aufgabe 2 (12 Punkte) a) Ein Heizkessel in einem Gebäude wird im Verlauf der Heizperiode unter verschiedenen Bedingungen betrieben. Nennen Sie drei Wirkungs- bzw. Nutzungsgrade, die dies berücksichtigen und deshalb als Kennwerte für die energetische Güte eines Heizkessels während einer Heizperiode gut verwendbar sind! 3 P b) Wie werden diese 3 Wirkungs- bzw. Nutzungsgrade (messtechnisch) ermittelt? 6 P c) Wie ändert sich der Nutzungsgrad eines Heizkessels bei Überdimensionierung? Wovon hängt die Größe der Änderung ab? 3 P Aufgabe 3 (22 Punkte) a) Geben Sie die Gleichung für die Kennlinie eines thermischen Solarkollektors an! 4 P b) Ordnen Sie den einzelnen Termen der Gleichung die physikalischen Effekte zu, die mit Ihnen quantifiziert werden! 6 P c) Was versteht man unter selektiver Beschichtung und welcher Term der Kollektorkennlinie wird davon wie beeinflusst? 6 P d) Zeichnen Sie für eine Globalstrahlung von 600 W/m² eine quantitative Kollektorkennlinie für einen Solarkollektor mit folgenden Daten: η 0 = 75%, K 1 = 2 W/m²K, K 2 = 0,01 W/m²K²! Lesen Sie aus dem Diagramm die Stillstandstemperatur ab, die der Kollektor bei dieser Einstrahlung erreicht! 6 P Aufgabe 4 (8 Punkte) a) Unter dem Begriff Solare Kühlung versteht man in der Regel die Bereitstellung von Kälte durch den Antrieb einer Sorptionskältemaschine mit thermischen Solarkollektoren. Mit dem Preisverfall der Photovoltaik wird aber auch die Kombination aus Photovoltaik- Modulen und elektrischen Kompressionskältemaschinen zur Solaren Kühlung interessant. Zeichnen Sie für beide Varianten der Solaren Kühlung ein Energieflussbild. Starten Sie mit einer solaren Einstrahlung von 1 kw. Nehmen Sie auch die Abwärmeströme an den Kältemaschinen in ihr Energieflussbild mit auf. Siehe auch die Rechenaufgabe auf der Rückseite des Blattes!

8 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 5 (42 Punkte) Eine neue Photovoltaik-Anlage besteht aus 20 Modulen. Jedes Modul besitzt eine Peakleistung von 190 W und eine Modulfläche von 1,4 m². Der in der Anlage verbaute Wechselrichter hat unter STC-Bedingungen einen Wirkungsgrad von 96 %. Die ohmschen Verluste in der Gleichstromleitung zwischen Generatoranschlusskasten und Wechselrichter werden mit 0,5 % der Peakleistung abgeschätzt. Weitere Randbedingungen: Globalstrahlung in Modulebene = 1200 kwh/m²a Performance Ratio der Anlage = 80 % Investitionskosten der Anlage = Versicherungskosten für die Anlage von 0,5 % der Investitionskosten pro Jahr a) Wie groß ist die Peakleistung der Module (alle zusammen) und die der Anlage? 6 P 3,8 kw; 3,63 kw b) Wie viel Strom produziert die Anlage in einem Jahr? 12 P 3648 kwh/a c) Wie groß ist die Vollbenutzungsstundenzahl der Anlage? 3 P 1005 h/a d) Wie teuer ist die Kilowattstunde PV-Strom aus der Anlage unter Berücksichtigung eines Kreditzinssatzes von 2,5 % und einer technischen Lebensdauer der Anlage von 20 Jahren? (Wenn Sie in Unterpunkt b nicht zu einer Lösung gekommen sind, können Sie hier mit einer Stromproduktion von 4000 kwh/a weiter rechnen) 9 P 15,2 ct/kwh e) Welche dynamische Amortisationszeit hat die PV-Anlage bei einer Stromeigennutzung von 30 % (Strompreis = 25 ct/kwh) und einer Einspeisevergütung von 17,5 ct/kwh? 12 P 14,1 a

9 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 1: (16 Punkte) a) Nennen Sie 5 prinzipiell unterschiedliche Technologien für Wärmeerzeuger zur Beheizung eines Gebäudes (nur den verwendeten Endenergieträger zu wechseln, zählt nicht als neue Technologie). 5 P b) Welche der Wärmeerzeuger-Technologien ist markführend in Deutschland? Nennen Sie 3 Tendenzen, wie sich der Wärmeerzeugermarkt in Deutschland in den letzten 10 bis 15 Jahren verändert hat! 5 P c) Welche Möglichkeiten gibt es, die von Ihnen genannten Technologien mit erneuerbaren Energien zu betreiben? Nennen Sie zur Beantwortung der Frage 6 gängige Kombinationen aus Wärmeerzeuger-Technologie und erneuerbarem Endenergieträger (gerne auch welche, die ohnehin auf erneuerbaren Energien basieren), wobei sie hier - anders als in Unterpunkt a eine Wärmeerzeuger-Technologie auch mit mehreren verschiedenen Endenergieträgern kombinieren dürfen? 6 P Aufgabe 2 (18 Punkte) Geben Sie qualitativ mit kurzer Begründung an (eine prägnante einzeilige Begründung reicht aus; Sie dürfen natürlich auch mehr schreiben, müssen aber nicht), welche Auswirkungen folgende Aspekte auf den Wirkungsgrad eines Solarkollektors (Unterpunkte a-d) bzw. den Solaren Deckungsgrad einer thermischen Solaranlage für Warmwasser und Raumheizung (Unterpunkte e-i) besitzen. Bei jedem Unterpunkt soll sich immer nur der genannte Einflussfaktor ändern, alle anderen Randbedingungen bleiben jeweils konstant. Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Solarkollektors durch a) steigende Außenlufttemperatur b) steigende Differenz zwischen Außenluft- und Kollektortemperatur c) sinkenden Volumenstrom im Kollektorkreis d) steigende Globalstrahlungsleistung Auswirkung auf den Solaren Deckungsgrad durch e) Vergrößerung der Kollektorfläche f) Verringerung der Solltemperatur im Speicher g) Veränderung des Anstellwinkels der Kollektoren nach Süden von etwa 37 auf etwa 50 h) Verkleinerung der Wärmeübertragerfläche zwischen Kollektorkreis und Solarspeicher i) Versetzung des Sensors, der die Nachheizung durch das Zusatzheizgerät steuert, nach weiter unten im Speicher Aufgabe 3 (14 Punkte) a) Aus welchen beiden Schritten besteht der photovoltaische Effekt? 4 P b) Weshalb ist der maximale theoretische Wirkungsgrad einer PV-Zelle aus einem Halbleitermaterial sehr klein, wenn das Halbleitermaterial einen sehr großen oder einen sehr kleinen Bandabstand besitzt? Bitte beide Fälle analysieren! 6 P c) Erläutern Sie das Wirkprinzip und die Schichtenabfolge mehrschichtiger PV-Zellen? 4 P siehe die Rechenaufgabe auf der Rückseite

10 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 4 (48 Punkte) Berechnen Sie für ein Blockheizkraftwerk in einem Gewerbebetrieb mit 52,5 kw elektrischer Leistung, welches Erdgas als Treibstoff verwendet, den Preis pro Kilowattstunde gelieferte Wärme und die dynamische Amortisationszeit im Vergleich zur Wärmelieferung aus dem bestehenden alten Gaskessel. Berücksichtigen Sie dabei, dass im Unterschied zu Anlagen, welche erneuerbare Energien nutzen, die Antriebsenergie (hier Erdgas) nicht kostenlos zur Verfügung steht und deshalb bei der Berechnung des Wärmepreises und der Amortisationszeit mit berücksichtigt werden muss. Ebenfalls sind zu berücksichtigen die Kosten bzw. Erlöse für Wartung, KWK-Förderung, Eigenstromnutzung und Einspeisevergütung. Folgende Randbedingungen sind gegeben: - Wirkungsgrad des BHKW: elektrisch 35 %, thermisch 55 % - Gaspreis: 4 ct pro kwh Brennwert (schon ohne die zurückerstattete Ökosteuer) - Strompreis bei Stromeinkauf: 18 ct/kwh - Einspeisevergütung: 10 ct/kwh inkl. KWK-Förderung - 40 % Stromeigennutzung - Kosten für Vollwartungsvertrag: 2 ct pro kwh erzeugtem Strom - Vollbenutzungsstunden = h/a - Investitionskosten der BHKW-Anlage = Zins = 4 %, Lebensdauer des BHKW = 15 a a) Wie groß ist die benötigte Antriebsleistung für das BHKW und wie groß die erzeugte thermische Leistung? 6 P (150 kw, 82,5 kw) b) Wie viel Wärme und Strom produziert die BHKW-Anlage in einem Jahr? 6 P (660 MWh/a, 420 MWh/a) c) Wie groß sind die laufenden Ausgaben der BHKW-Anlage pro Jahr (ohne Investitionskosten)? 8 P (8.400 /a /a) d) Wie groß sind die laufenden Einnahmen der BHKW-Anlage pro Jahr? 8 P ( /a /a) e) Wie groß sind die jährlichen Investitionskosten der BHKW-Anlage? 6 P (7.192 /a) f) Wie groß ist der Wärmepreis der BHKW-Anlage? 8 P (2,04 ct/kwh) g) Welche dynamische Amortisationszeit ergibt sich für die BHKW-Anlage im Vergleich zum existierenden Gaskessel, der die Wärme in Summe zu einem Preis von 5,5 ct/kwh bereitstellt? 6 P (2,87 a)

11 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 1 (18 Punkte) a) Die jährliche solare Globalstrahlung besteht in Deutschland zu einem überwiegenden Teil aus Diffusstrahlung. Wie nennt man den zweiten Bestandteil der solaren Globalstrahlung? 2 P b) Wie kommt die Diffusstrahlung zu Stande? 6 P c) In bestimmten Regionen der Erde herrschen besonders hohe solare Globalstrahlungen. Man kann hierbei drei unterschiedliche Arten von Regionen unterscheiden. Nennen Sie diese drei Arten und geben Sie jeweils den Grund an, weshalb die solare Globalstrahlung dort besonders hoch ist! 6 P d) Nennen Sie die Größenordnung der jährlichen solaren Globalstrahlung auf eine horizontale Fläche in Deutschland und die Größenordnung der Bandbreite weltweit! 4 P Aufgabe 2 (18 Punkte) a) Holz wird zur energetischen Verwertung in verschiedenen Verarbeitungs-Formen am Markt angeboten! Nennen Sie drei davon! 3 P b) Nennen Sie drei Technologien zur Kraft-Wärme-Kopplung, die sich mit Holz betreiben lassen. 3P c) Geben Sie zu jeder der von Ihnen genannten Technologien jeweils mit wenigen Stichworten an, wie der Antrieb mit dem Holz funktioniert (keine Beschreibung der gesamten Technologie, sondern nur der Energieumwandlungsschritte vom Eingangsstoff Holz bis zur Einkopplung bzw. Verwendung der im Holz gespeicherten Energie in der jeweiligen Technologie)! 6P d) Erläutern Sie anhand eines Zahlen-Beispiels den energetischen Vorteil der Kraft-Wärme- Kopplung allgemein im Vergleich zur getrennten Bereitstellung von Wärme und Strom! 6 P Aufgabe 3 (12 Punkte) Die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien hängt von verschiedenen Randbedingungen wie Nutzungspotenzialen, Gesetzen, Kostenentwicklungen etc. ab. Beantworten Sie in diesem Zusammenhang folgende Fragen a) Was regelt das Erneuerbare-Energien-Gesetz EEG (vor allem)? Eine einzeilige Antwort reicht aus. 2 P b) Was regelt das Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz EEWärmeG (vor allem)? Eine einzeilige Antwort reicht aus. 2 P c) Photovoltaik-Module sind in der Vergangenheit immer preiswerter geworden. Welchem Zusammenhang folgt bislang diese Preisentwicklung? 2 P d) Welches Nutzungspotenzial einer erneuerbaren Energiequelle ist größer, das theoretische oder das technische Nutzungspotenzial? Begründen Sie Ihre Antwort anhand eines Beispiels! 6 P

12 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 4 (48 Punkte) Ein Einfamilienhaus soll mit einer elektrischen Wärmepumpe in Verbindung mit einer Photovoltaik-Anlage mit Wärme versorgt werden. Es gelten folgende Randbedingungen: - Größe der PV-Anlage: 4 kwp - benötigte Heizleistung des Gebäudes unter Auslegungsbedingungen: 6 kw - berechneter Heizwärmebedarf des Gebäudes: kwh/a - geschätzter Warmwasserverbrauch bei 4 Personen, im Mittel: 120 l/d, 60 C - Kaltwassertemperatur, im Jahresmittel: 8 C - COP der Wärmepumpe: im Jahresmittel = 4,2; unter Auslegungsbedingungen = 3,5 - spezifischer Stromertrag der PV-Anlage: 950 kwh/(a. kwp) - Strompreis bei Stromeinkauf: 28 ct/kwh - Einspeisevergütung für PV-Strom: 11 ct/kwh - Höhe der Stromeigennutzung: 30 % - Investitionskosten der PV-Anlage = /kwp - Zins = 3 %/a, Lebensdauer der PV-Anlage = 25 a - Aufschlag auf die Gebäudeversicherung für die PV-Anlage: 50 /a - Primärenergie- und CO 2 -Emissionsfaktor für Strom: Primärenergiefaktor = 2,4 kwh/kwh Endenergie; CO 2 -Emissionsfaktor = 600 g/kwh Endenergie Anmerkung: Wenn Sie einzelne Unterpunkte nicht lösen können, dürfen Sie in den folgenden Unterpunkten mit von Ihnen (beliebig) gewählten Ergebnissen weiterrechnen. a) Wie groß ist der jährliche Gesamtwärmebedarf für das Gebäude für Heizung und Warmwasser? 4 P ( kwh/a) b) Wie groß ist der jährliche Stromverbrauch der Wärmepumpe? 4 P (3.011 kwh/a) c) Wie groß ist die jährliche Stromproduktion der Photovoltaikanlage? 4 P (3.800 kwh/a) d) Wie hoch ist Preis für den erzeugten PV-Strom pro Kilowattstunde? 10 P (9,8 ct/kwh) e) Nach wie vielen Jahren hat sich die PV-Anlage amortisiert? Berücksichtigen Sie dabei die obigen Angaben zum Zinssatz und zur Lebensdauer der Anlage. 10 P (12 a) f) Wie hoch sind die jährlichen Einsparungen an Primärenergie und CO 2 -Emissionen durch den Strom, der von der PV-Anlage erzeugt wird? 4 P (9.120 kwh/a; kg/a) g) Auf welche Leistung muss die Wärmequelle der Wärmepumpe ausgelegt werden? Berücksichtigen Sie dabei Wärmeverluste an der Wärmepumpe von 500 W. 12 P (4,8 kw)

13 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 1 (24 Punkte) a) Welche drei Arten von Energieverlusten treten an einem Erdgas-Heizgerät auf? Geben Sie jeweils eine kurze Erläuterung an! 6 P b) Wie groß ist der maximale Wirkungsgrad eines Erdgas-Heizgerätes? Begründen Sie kurz Ihre Aussage! 4 P c) Wie verändert sich der Wirkungsgrad eines Brennwert-Kessels und eines Standard- Kessels in Abhängigkeit einer geringer werdenden Auslastung bei steigenden Außentemperaturen. Fertigen Sie dazu eine Skizze mit quantitativen Achsenbeschriftungen an! 6 P d) Begründen Sie die Unterschiede zwischen den beiden Kesseltypen z.b. anhand der Veränderungen bei den Verlusttermen! 8 P Aufgabe 2 (12 Punkte) Thermische Solaranlagen kommen in ganz verschiedenen Größen zum Einsatz, angefangen von kleinen Anlagen für Einfamilienhäuser bis hin zu großen Anlagen für Mehrfamilienhäuser oder ganze Siedlungen. a) Welche Art von Speichern ist bei Solaranlagen zur Unterstützung der Warmwasserbereitung in kleinen Anlagen sinnvoll möglich, bei großen aber nicht? Nennen Sie auch den Grund! 4 P b) Welche Bauart von Wärmeübertragern ist bei kleinen Solaranlagen sinnvoll möglich, bei großen aber nicht? Nennen Sie auch den Grund! 4 P c) Nennen Sie drei Arten von Langzeitspeichern für große Anlagen! Was soll damit im Wesentlichen erreicht werden? 4 P Aufgabe 3 (12 Punkte) Periodische Adsorptions-Kältemaschinen a) Nennen Sie ein Arbeitsstoff-Paar, das in periodischen Sorptions-Kältemaschinen zum Einsatz kommt! 2 P b) Erläutern Sie das Prinzip einer periodischen Adsorptions-Kältemaschine anhand der nacheinander ablaufenden Arbeitsphasen und skizzieren Sie ein p/t-diagramm, in dem Sie die einzelnen Arbeitsphasen kenntlich machen! 10 P siehe auch die Rückseite

14 Prüfung: Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien (Prof. Adam) Aufgabe 4 (48 Punkte) Eine Siedlung mit rund 100 Gebäuden wird über ein Nahwärmenetz mit Wärme für Heizung und Warmwasser versorgt. Die zentrale Bereitstellung der Wärme übernehmen ein Erdgas- BHKW (66 % Anteil) und eine Elektro-Wärmepumpe (34 % Anteil). Der vom BHKW produzierte Strom wird vollständig ins Stromnetz eingespeist. Weitere Angaben: Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser aller Gebäude: 1 Mio. kwh pro Jahr Wärmeverluste im Nahwärmenetz: kwh pro Jahr Stromverbrauch der Umwälzpumpe des Nahwärmenetzes: kwh pro Jahr Erdgas-BHKW: 150 kw thermisch, ηth = 56%, ηel 35% Elektro-Wärmepumpe: 350 kw, COP = 3,2 Primärenergiefaktoren der Endenergieträger: Erdgas = 1,1, verbrauchter Strom 1,8, eingespeister Strom 2,8 Preise der Endenergieträger: Erdgas = 5 ct/kwh Brennwert, verbrauchter Strom 18 ct/kwh, eingespeister Strom 12 ct/kwh Gesamtinvestition für BHKW, WP, Nahwärmenetz, etc.: Annuität: 8 % pro Jahr a) Wie groß ist die elektrische Leistung des BHKW? 4 P (93,75 kw) b) Wie groß ist die jährliche Laufzeit des BHKW (= Vollbenutzungsstunden b N)? 6 P (5.280 h/a) c) Wie groß ist die jährlich vom BHKW produzierte Strommenge und wieviel Erdgas verbraucht das BHKW? 4 P ( kwh/a; kwh/a) d) Wie groß ist der jährliche Stromverbrauch der Wärmepumpe? 6 P ( kwh/a) e) Wie groß ist der Primärenergiefaktor für die vom BHKW produzierte Wärme (Einheit: kwh Primärenergie pro kwh produzierte Wärme) unter Berücksichtigung der Stromgutschrift? 8 P (0,21) f) Wie groß ist der Primärenergiefaktor der Wärmeversorgung insgesamt (Einheit: kwh Primärenergie pro kwh an die Gebäude abgegebene Wärme)? 6 P (0,435) g) Wie groß ist der Wärmepreis in ct/kwh für die Wärme, die an die Gebäude geliefert wird (mit Berücksichtigung aller laufenden Energiekosten; ohne Berücksichtigung eines Gewinns für das Energieversorgungsunternehmen)? 14 P (9,4 ct/kwh)