O-Phase: Vorstellung des Schwerpunktes Grundlagen der Energietechnik (für Bachelor)

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1 O-Phase: Vorstellung des Schwerpunktes Grundlagen der Energietechnik (für Bachelor) Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Institut für Thermische Strömungsmaschinen FAKULTÄT FÜR MASCHINENBAU KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik Grundlagen der Energietechnik (Cacuci / Badea) Grundlagen der technischen Verbrennung II (Maas) Hydraulische Strömungsmaschinen I (Gabi) Kernenergie (Cacuci/Badea) Thermische Turbomaschinen I (Bauer) PFLICHT!!! Kernmodulfächer Photovoltaik (Powalla) Thermische Solarenergie (Stieglitz) Ergänzungsfächer (Bachelor) Umweltverträgliche Erzeugung elektrischer Energie / Windkraftanlagen (Lewald) Lehrlabor: Energietechnik (Bauer/Maas/Wirbser) Integrierte Messsysteme für strömungstechnische Anwendungen (Bauer/Mitarbeiter) Nicht im Modul Schwerpunkt enthalten aber empfohlene Wahlpflichfächer: Wärme- und Stoffübertragung (Bockhorn) Grundlagen der technischen Verbrennung I (Maas) Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

3 Übersicht über die aktuellen klimapolitischen Ziele der Bundesregierung Ziel Treibhausgas-Reduktion zu 1990 (%) Reduktion Primärenergieverbrauch zu 2008 (%) Energieproduktivität Anstieg von 2,1 % pro Jahr Reduktion Stromverbrauch zu 2008 (%) Anteil EE am Bruttoendenergieverbrauch (%) Anteil EE am Bruttostromverbrauch (%) KWK-Anteil an der Stromerzeugung (%) 25 (Quelle: BMWi und BMU 2010; BMU 2011a)

4 Die Vision wer lässt sie Realität werden? Energieeffizienz BIP/PEV (Mio / PJ) Zeitalter der Energieeffizienz Energiekonzept DEU 1990 DEU DEU 1950 Zeitalter der Erneuerbaren Anteil Erneuerbare am Bruttostromverbrauch (Prozent) BMWi, IIIC

5 Einordnung des Schwerpunktes Einstieg in Vertiefungsrichtung Energie- und Umwelttechnik im Master Maschinenbau, z.b. SP 21: Kerntechnik SP 23: Kraftwerkstechnik SP 24: Kraft- und Arbeitsmaschinen SP 27: Modellierung und Simulation in der Energietechnik SP 41: Strömungslehre SP 45: Technische Thermodynamik SP 46: Thermische Turbomaschinen SP 48: Verbrennungsmotoren weitere SP s. Modulhandbuch Einstieg in die neuen interdisziplinären Studiengänge Energietechnik bzw. EnTech (KIC InnoEnergy) Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

6 Berufsfelder Auslegung, Projektierung, Berechnung, Konstruktion, Erprobung, Betrieb, Vertrieb, von Energieanlagen und deren Komponenten sowie ihre Einbettung in ein komplexes Energiesystem einschließlich der relevanten Forschung Potentielle Arbeitgeber: Hersteller von Energieanlagen, Kraftwerken und deren Komponenten Betreiber von Energieanlagen, Ingenieurbüros (Planung, Beratung, ) Behörden, NGOs Universitäten (Promotion) und Forschungseinrichtungen Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

7 KIT Zentrum Energie Mio 1102 Mitarbeiter

8 PFLICHTFACH Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

9 Grundlagen der Energietechnik (Cacuci/Badea) Ziel ist es, die Grundkenntnisse der Energietechnik für Maschinenbauingenieure zu vermitteln. Die Vorlesung umfasst folgende Themengebiete: Energiebedarf, -versorgung, -reserven Energiebedarfsstrukturen Energiewandlung Transport von Energie Energiespeicher Grundlagen der Kostenrechnung Prinzip thermisch/elektrischer Kraftwerke Erneuerbare Energien Energieerzeugung und Umwelt SWS:3+2 LP: 8 SS Kernfach PFLICHT Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

10 ANDERE KERN- UND ERGÄNZUNGSFÄCHER (BA) Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

11 Grundlagen der technischen Verbrennung II (Maas) Aufbauend auf die Vorlesung Grundlagen der technischen Verbrennung I, in der neben der Thermodynamik, Transportprozessen und der chemische Kinetik auch auf experimentelle Methoden eingegangen wird, behandelt Teil II eingehender die technischen Details. SWS: 2 LP: 4 SS Die Vorlesung umfasst folgende Themengebiete: Turbulente Flammen Motorische Verbrennungsprozesse Verbrennung flüssiger und fester Brennstoffe Schadstoffbildung Kernfach Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

12 Hydraulische Strömungsmaschinen I (Gabi) In der Vorlesung werden die Grundlagen zur Berechnung und zum Betrieb von hydraulischen Strömungsmaschinen behandelt. Das Betriebsverhalten von Strömungsmaschinen im Zusammenspiel mit der Anlage wird diskutiert. Die Vorlesung umfasst folgende Themengebiete: Einleitung Grundlagen Systemanalyse Elementare Theorie Betriebsverhalten, Kennlinien Ähnlichkeit, Kennzahlen Regelung Windturbinen, Propeller Kavitation Hydrodynamische Kupplungen, Wandler SWS: 4 LP: 8 WS Kernfach Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

13 Thermische Turbomaschinen I (Bauer) Gegenstand der Vorlesung sind Aufbau, Funktion und Einsatz von Thermischen Strömungsmaschinen. Dazu werden sowohl die Aufgaben der einzelnen Komponenten und Baugruppen als auch die Rolle der gesamten Turbine im Kraftwerksprozess erläutert. SWS: 3 LP: 6 WS Die Vorlesung umfasst folgende Themengebiete: Grundlagen Thermische Quelle: GE (GP7000) Turbomaschinen Dampfturbinen - Systemanalyse Quelle: Siemens (V94.3a) Gasturbinen - Systemanalyse Quelle: Kombi-Heizkraftwerk Kombikraftwerke und Heizkraftanlagen Dampfturbine Berlin-Mitte Strömungsmechanische Grundprinzipen der Turbomaschine Wirkungsweise von Turbine und Verdichter Arbeitsumsatz in der Turbinenstufe Das ebene, gerade Schaufelgitter Räumliche Strömung und radiales Gleichgewicht Ergänzend finden Übungen statt. Kernfach Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

14 Kernenergie (Cacuci / Badea) Ziel der Vorlesung ist es die Grundkenntnisse der Kernenergie zu vermitteln. Die Vorlesung umfasst folgende Themengebiete: Kernspaltung und Kernverschmelzung Kernenergie in der Weltstromversorgung Grundlagen der Kernenergie Kettenreaktion, Moderation Leichtwasserreaktoren Transport- und Diffusionsgleichung für die Neutronenflußverteilung Reaktordynamik Reaktorsicherheit Brutprozesse Kernenergiesysteme der Generation IV SWS: 2 LP: 4 SS Kernfach Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

15 Photovoltaik (Powalla) Das physikalische Prinzip des Energiewandlers Solarzelle und die Verlustmechanismen j Q werden erarbeitet. Verschiedene Solarzellenkonzepte U mp und Halbleitertechnologien sowie Solargeneratoren in der Praxis werden erläutert. U j mp SWS: 3 LP: 6 SS Die Vorlesung umfasst folgende Themengebiete: PV Strom und Energieversorgungssysteme Quelle: Bubenzer et al.: Photovoltaic Strom/Spannungs-Kennlinie einer Guidebook Physikalische for Decision makers Grundlagen (Licht, Solarzelle Halbleiter) Energiewandlung (p/n Übergang, Wirkungsgrad) Produktionstechnologie für 6m² große a-si Module PV Kraftwerk mit 40 MW p Spitzenleistung (Quelle: Applied Materials) (Quelle:Juwi Solar) Solarzellen (Funktionsprinzip, Verlustanalyse) Siliziumtechnologie: vom Quarz zur Solarzelle Dünnschichtsolarzellen, Konzentratorzellen Organische Solarzellen, Farbstoffzellen Photovoltaik: Module und Produktionstechnologie Photovoltaische Energiesysteme (Komponenten, Systemwirkungsgrad und Langzeitstabilität) Ergänzungs -fach Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

16 Thermische Solarenergie (Stieglitz) Die Vorlesung erarbeitet die Grundlagen thermischer Solarenergie und die Grundbegriffe. Im Weiteren wird auf die Nutzungsmöglichkeiten der Solarenergie in passiver und aktiver Weise sowie auf verschiedene Bauformen eingegangen. SWS: 2 LP: 4 WS Die Vorlesung umfasst folgende Themengebiete: Grundlagen (Strahlung, Leitung, Speicherung) Aktive und passive Nutzung Quelle: Solarkollektoren Direkt GmbH (Bauformen, Wirkungsgrad) Systemtechnik Solarkraftwerke (Heliostate, Aufwindtypen, etc.) Solare Klimatisierung Quelle: Dynacorps Ergänzungs -fach Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

17 Umweltverträgliche Erzeugung elektrischer Energie / Windkraftanlagen (Lewald) Gegenstand der Vorlesung die Technik und Nutzung von Windkraft zur Elektrizitätserzeugung. Ausgehend von einem historischen Überblick sowie dem zu Grunde liegenden Medium Wind, wird die grundlegende Aerodynamik sowie Technik von Windkraftanlagen inklusive beispielhafter Netzkopplungen erläutert. Ergänzend wird auf aktuelle Entwicklungen wie Offshore-Windparks oder auch Grundlagen der Netzproblematik bei der Einbindung eingegangen. Die Vorlesung umfasst folgende Themengebiete: Geschichte der Windkraftanlagen (Systematik) Wind und Windsysteme (global lokal) Physikalische Nutzung der Windkraft (Betz) Aerodynamische Grundlagen Leistungsregelung und Nachführung Elektrisches System und Netzkopplung Sonstige (aktuelle) Themen Quelle: Bundesverband WindEnergie e.v. SWS: 2 LP: 4 WS Ergänzungs -fach Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

18 Lehrlabor: Energietechnik (Bauer/Maas/Dullenkopf/Wirbser) Ziel des Praktikums ist es interessierten Studenten die Gelegenheit bieten, das wissenschaftliche Arbeiten kennen zu lernen. Umfang und Inhalt: Mitarbeit an ausgewählten aktuellen Projekten Experimentelle, konstruktive sowie Theoretische Aufgabenstellungen Gruppenarbeit (i.a. zwei Teilnehmer pro Gruppe) 120 Zeitstunden pro Person (einschl. Dokumentation) Einbindung in aktuelle Arbeiten des Instituts Auswertung und schriftlicher Dokumentation der Ergebnisse Die Termine werden zwischen dem jeweiligen Betreuer (z.b. Assistenten) und den Studenten vereinbart. SWS: 3 LP: 4 ww Ergänzungsfach PRAKTIKUM Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

19 Integrierte Messsysteme für strömungstechnische Anwendungen (Bauer/Mitarbeiter) Rechnergestützte Messtechnik spielt in der heutigen Ingenieurspraxis eine herausragende Rolle. Dazu werden in diesem Praktikum grundlegende und praktische Kenntnisse vermittelt. SWS: 3 LP: 4 ww Das Praktikum umfasst folgende Themengebiete: Auswahl und Einsatz von Sensoren Steuerung von Messgeräten mittels IEC-Bus Einsatz von Datenerfassungkarten Automatisierung von Messabläufen in der Programmierumgebung LabVIEW Messung von Massen- und Wärmestrom an einer Versuchsstrecke Ergänzungsfach PRAKTIKUM Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik

20 Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik FRAGEN Prof. Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer Schwerpunkt: Grundlagen der Energietechnik