Prüfung: Erneuerbare Energien und Energieeffizienz (Prof. Adam)

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1 Prüfung: Erneuerbare Energien und Energieeffizienz (Prof. Adam) Aufgabe 1 (12 Punkte) a) Nennen Sie 4 globale Problemfelder, die zu Energieeinsparung und dem Einsatz erneuerbarer Energien motivieren! (4 P) b) Charakterisieren Sie qualitativ die Entwicklung von Energieverbrauch und Bruttoinlandprodukt in der BRD seit dem 2. Weltkrieg! (4 P) c) Wieviel Kilojoule sind 0,1 Wattstunden? (4 P) Aufgabe 2 (12 Punkte) a) Erläutern Sie die Funktionsweise einer witterungsgeführten Regelung einer Heizungsanlage, z.b. mit Hilfe einer x/y-grafik! (4 P) b) Erläutern Sie die Funktionsweise eines Heizkörper-Thermostatventils, z.b. mit Hilfe einer x/y-grafik! (4 P) c) Erläutern Sie das Zusammenspiel zwischen witterungsgeführter Regelung und Thermostatventilen! (4 P) Aufgabe 3 (12 Punkte) a) Welche beiden Arten von Solarkollektorkollektoren werden standardmäßig in thermischen Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung und Raumheizung eingesetzt? (2 P) b) Nennen Sie für jede Kollektorart 2 Vorteile! (4 P) c) Skizzieren Sie in einem x/y-diagramm eine typische Kollektorkennlinie für jede der beiden Bauarten (Achsbeschriftung nicht vergessen)! (3 P) d) Welche anderen Arten thermischer Solarkollektoren kennen Sie? (3 P) Aufgabe 4 (12 Punkte) a) Nennen Sie 4 verschiedene Turbinenarten zur Wasserkraftnutzung und charakterisieren Sie qualitativ das Einsatzgebiet jeder Art bezüglich Fallhöhe und Durchfluss? Aufgabe 5 (Rechenaufgabe) siehe Rückseite

2 Aufgabe 5 (48 Punkte) Im Rahmen der Energieberatung für einen Altbau sollen zwei Maßnahmen zur Energieeinsparung analysiert werden. - Einbau neuer Fenster (alter Gaskessel bleibt): je 5 m² an jeder der vier Fassadenflächen bzw. in jeder der vier Himmelsrichtungen, U-Wert inklusive Wärmebrücken = 1,4 W/m²K, g-wert = 60 %, gleiche Luftdichtigkeit wie die alten Fenster, Investitionskosten = , Nutzungsdauer = 40 Jahre - Einbau einer Elektro-Wärmepumpe (alte Fenster bleiben): Jahresarbeitszahl = 4,0, Investitionskosten = , Nutzungsdauer = 20 a Das Gebäude ist 150 m² groß und besitzt einen Jahres-Heizwärmebedarf von 180 kwh/m²a. Der Jahres-Nutzungsgrad des alten eingebauten Erdgaskessels beträgt 0,8. Hinzu kommen Verluste in der Heizungsanlage mit einer Jahres-Aufwandszahl von 1,2. Die alten Fenster besitzen einen U-Wert von 2,8 W/m²K und einen g-wert von 80 %. Es sollen die energetischen Rechenansätze der EnEV und ein Kreditzinssatz von 4 % zugrunde gelegt werden. Eine Kilowattstunde Strom zum Antrieb der Wärmepumpe kostet 10 ct mehr als eine Kilowattstunde Erdgas. Endenergieträger Spezifischer Emissionen in Deutschland Primärenergieaufwand in CO2 CO2 - NOx SO2 Äquivalente kwhprim / kwhend g/kwhend mg/kwhend Erdgas (Heizwert: 33,8 MJ/m3, Dichte: 0,73 kg/m3) Bereitstellung ,13 Verbrennung Strom aus BRD-Mix 2, a) Wie groß ist die Endenergieeinsparung durch den Einbau neuer Fenster? (10 P) (2215 kwh/a) b) Berechnen Sie die Energieeinsparkosten für den Einbau neuer Fenster! (6 P) (22,8 ct/kwh) c) Wie groß ist die Endenergieeinsparung durch den Einbau der Wärmepumpe? (8 P) (32400 kwh/a) d) Wie groß sind Primärenergieeinsparung und die Reduktion der CO 2 -Emissionen durch den Einbau der Wärmepumpe? (8 P) (22761 kwh/a, 3920 kg/a) e) Berechnen Sie die Energieeinsparkosten für den Einbau der Wärmepumpe! (8 P) (7,04 ct/kwh) f) Haben Sie die Energieeinsparkosten für den Einbau der Wärmepumpe richtig berechnet? Machen Sie die Probe durch geeignete Berechnung der dynamischen Amortisationszeit! (8 P) (tdyn = 20 a)

3 Prüfung: Erneuerbare Energien und Energieeffizienz (Prof. Oesterwind) Aufgabe 1 (6 Punkte) Definieren Sie die Begriffe Wirkungsgrad, Nutzungsgrad und Aufwandszahl. Aufgabe 2 (6 Punkte) Definieren Sie den Begriff Globalstrahlung, skizzieren Sie den Jahresgang für die monatsmittlere Globalstrahlung für Deutschland qualitativ und geben Sie einen charakteristischen Spitzenwert für die flächenbezogene Globalstrahlungsleistung in Deutschland an. Aufgabe 3 (34 Punkte) Eine thermische Solaranlage zur Brauchwassererwärmung mit Nacherwärmung durch einen elektrischen Durchlauferhitzer im Warmwasserzulauf zwischen dem Warmwasserspeicher und den Zapfstellen besitzt folgende Kenndaten: - Standort: Essen, Ausrichtung: Südost, Dachneigung 30 - Absorberfläche: 5 m², Jahresnutzungsgrad der Kollektoren = 35 % - Preis der Solaranlage: 4000, Montagekosten: 1000, Zuschuss aus Förderprogramm: Wartungskosten der Solaranlage: 50 /a - 20 Jahre Nutzungsdauer der Solaranlage, 3,5 % Zins - Warmwasserverbrauch: 180l/d, (Kalt-/Warmwassertemperatur: 15/45 C) - Tägliche Wärmeverluste am Warmwasserspeicher: 0,9 kwh/d - Wärmeverluste in den Rohren sind zu vernachlässigen a) Skizzieren Sie ein qualitatives Energieflussbild für die Wärmeströme am Warmwasserspeicher der Solaranlage. (6 Punkte) b) Berechnen Sie die jährliche Globalstrahlung auf den Solarkollektor. (4 Punkte) (1061,5 kwh/m²a) c) Wie groß ist der solare Deckungsgrad der Anlage? (8 Punkte) (71 %) d) Berechnen Sie den solaren Wärmepreis der von den Solarkollektoren abgegeben Wärme. (6 Punkte) (16 ct/kwh) e) Wie groß ist die dynamische Amortisationszeit der Solaranlage mit Nacherwärmung durch einen Elektro-Durchlauferhitzer im Vergleich zu einem konventionellen System ohne Solaranlage nur mit elektrischem Durchlauferhitzer. Die Investitionskosten des Durchlauferhitzers betragen 500, der Strompreis 20 ct/kwh el und der Erhitzer besitzt einen Wirkungsgrad von 95 %. Die Wärmeverluste in den Rohren und die Wartungskosten sind beim reinen Durchlauferhitzer System zu vernachlässigen. Für die Solaranlage gelten die Werte aus den Unterpunkten b) bis d). (10 Punkte) (17,4 a)

4 Prüfung: Erneuerbare Energien und Energieeffizienz (Prof. Oesterwind) Aufgabe 4 (18 Punkte) a) Skizzieren Sie die Verschaltung bzw. Anordnung der wichtigsten technischen Komponenten einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage (Standard BRD), inklusive Beschriftung der Skizze. (6 Punkte) b) Was versteht man unter der Peakleistung einer Photovoltaik-Anlage? (4 Punkte) c) Wo liegt der typische Nutzungsgrad einer Photovoltaik-Anlage (Standard BRD)? Nennen Sie 3 Maßnahmen wie dieser gesteigert werden kann. (8 Punkte) Aufgabe 5 (12 Punkte) Skizzieren Sie ein Gebäude mit den für die Energiebilanz benötigten Energieströmen und erläutern Sie die einzelnen Energieströme kurz.. Aufgabe 6 (20 Punkte) Außenwände, an denen Schränke stehen, sind häufig Schimmel gefährdet. Im Falle einer vorhandenen Schrankwand wird die Wärmeübertragung reduziert und der innere Wärmeübergangskoeffizient halbiert sich. Die Außenwand hat folgenden Aufbau (von außen nach innen): 1 Kalkzementputz, Dicke 2 cm 2 Wärmedämmstoff WLG Wand aus Vollziegeln, Dichte 1800 kg/m³, Dicke 30 cm 4 Gipskartonplatte, Dicke 2 cm a) Berechnen Sie den U-Wert der Außenwand bei einer 10 cm dicken Wärmedämmstoffschicht ohne Schrankwand (6 Punkte) (0,28 W/m²K) b) Wie groß sind die inneren Wandoberflächentemperaturen für einen konstanten U-Wert von 0,2 W/m²K mit und ohne Schrankwand, wenn die Raumtemperatur 22 C und die Außentemperatur - 10 C beträgt? (6 Punkte) (ohne: 21,17 C; mit 20,34 C) c) Wie groß ist der Unterschied der Wärmedämmstoffdicke mit und ohne Schrankwand, um einen U- Wert von 0,2 W/m²K zu gewährleisten? (8 Punkte) (0,455 cm)

5 Prüfung: Erneuerbare Energien und Energieeffizienz (Prof. Oesterwind) Hilfsmittel:

6 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

7 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)

8 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

9 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)

10 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

11 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 (59,7 a)

12 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!

13 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