Energie aus Rohstoffen der Land- und Forstwirtschaft (Fach) / Technik der Energieumwandlung (Lektion)

Diese Lektion wurde von Claudius erstellt.

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• Wirkungsgrad   Quotient aus der Nutzleistung und zugeführter Leistung  
• Nutzungsgrad Verhältnis der abgegebenen Nutzenergie zur zugeführten Energie über eine bestimmte Zeit
• Exergie jener Teil, der vollständig in jede andere Energieform umgewandelt werden kann
• Anergie jener Teil, der nicht wandelbar ist
• energetische Amortisationszeit wie lange eine Anlage benötigt, um dieEnergieinvestition herein zuspielen die zu ihrer Herstellung benötigt wurden
• Energie-Erntefaktor Um das Wievielfache die Energieinvestitionen und die jährliche Betriebsaufwendung während der Lebensdauer der Anlage von dieser energetisch reingebracht werden
• Primärenergie Energie in ursprünglicher, noch nicht aufgearbeiteter Form z.B. Erdöl    
• Sekundärenergie durch Umwandlung beim Erzeuger aus Primärenergie z.B. Erdöl->Benzin    
• Endenergie Energie in Form wie sie der Verbraucher bezieht z.B. Treibstoff
• Nutzenenergie Energie in der Form vom Endverbraucher nach der letzten Umwandlung genutzte Form z.B. Antriebsenergie für Fahrzeuge 
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• Energiedienstleistung Das Ergebnis das der Verbraucher letztlich mit dem Energieeinsatz anstrebt z.B. Mobilität
• spezifischer Energieeinsatz auf eine Größe des Zielprozesses (z.B. Stückzahl) bezogener Energieeinsatz (=Produktivität) z.B. Energiebedarf für Räume 
• kumulierter Energieeinsatz (KEA) Produktbezogener Energiebedarf für die Herstellung inklusive der „Vorleistungen“
• Energieeffizienz Maß für den Energieaufwand zur Erreichung eines festgelegten Nutzens
• Veranschaulichen Sie den Begriff der CO2-Emissionsfaktoren: - Was drücken sie aus? - In welcher Größenordnung liegen diese? - Diskutieren Sie dieses Konzept der Energiebewertung.   - Energiebewertung nicht nur in physikalischen Einheiten sondern nach CO2-Ausstoß in kg je MJ Energieinhalt betrachtet -> abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Energieträger => Umweltwirkung - von rund 0,05 (Erdgas) - 0,1kg (Kohle) CO2/MJ   
• Erläutern und spezifizieren Sie den Begriff des Nutzungspotenzials von Energiequellen. - verschiedene Möglichkeiten das Nutzungspotential zu definieren; theoretisches Potenzial, technisches Potenzial, wirtschaftliches Potenzial, ökologisches Potenzial und Erwartungspotenzial.  - müssen möglichst genau definiert werden, sonst kann es zu Fehlinterpretationen kommen
• Was versteht man allgemein unter den Begriffen „direkter Energieeinsatz“ und „indirekter Energieeinsatz“? Veranschaulichen Sie die beiden Kennzahlen an konkreten Beispielen. Direkter Energieeinsatz: In Form direkt eingesetzter Primär- und Sekundärenergieträger Indirekter Energieeinsatz: In Form von „Energievorleistungen“ für die Herstellung von Betriebsmitteln oder Maschinen Beispiel Landwirtschaft: Direkter Energieeinsatz- Kraftstoffe, Heizöl, Elektroenergie (ca. 47%) Indirekter Energieeinsatz-Futtermittel, Mineraldünger, Maschinenabnutzung, Pflanzenschutzmittel (ca. 53%) 
• Welche Form des Energieeinsatzes – direkter oder indirekter – überwiegt Ihrer Meinung nach in der Landwirtschaft? Wie schätzen Sie grob das Verhältnis ein? Indirekte Energieeinsatz, das Verhältnis ist ca. 47:53.
• Welche Teilprozesse laufen bei der Verbrennung von fester Biomasse ab?   Die Verbrennung von Feststoffen erfolgt in 4 Teilprozesse: 1. Aufheizen und Trocknung 2. Vergasung 3. Oxidation: homogene Verbrennung der flüchtigen Bestandteile 4. Oxidation: heterogene Verbrennung der entgasten Feststoffsubstanzen   
• Wie lässt sich der Verbrennungsprozess von fester Biomasse beeinflussen bzw. steuern? Welche Faktoren sind dabei relevant? (7) Die wichtigsten Einflussfaktoren: - Heizwert - Feuchtigkeitsgehalt - Brennwert - O2-Zufuhr - Verweilzeit und Temperatur der Abgase - „feuerungstechnischer Wirkungsgrad“ - „Kesselwirkungsgrad"
• Erläutern Sie die Begriffe „Brennwert“ und „Heizwert“ von Brennstoffen. Brennwert: Energiegehalt eines Brennstoffes, wenn die Verbrennung ohne Verlust von Energie durch Wasserdampf im Rauchgas erfolgt. Heizwert: Energiegehalt eines Brennstoffes, wenn die Energie von Wasserdampf mit dem Rauchgas verloren geht. 
• Erklären Sie die Begriffe „feuerungstechnischer Wirkungsgrad“ und „Kesselwirkungsgrad“. Woraus ergeben sich die Unterschiede zwischen beiden Kennzahlen? Der feuerungstechnische Wirkungsgrad berücksichtigt nur den Verbrennungsprozess wobei beim Kesselwirkungsgrad auch der Einfluss der Umgebung zum Ausdruck kommt. 
• Erläutern Sie die Abgasproblematik bei der Verbrennung von fester Biomasse. Welche Möglichkeiten zur Reduktion von schädlichen Abgasemissionen gibt es? Hoher Anteil an flüchtigen Bestandteilen (Staub) ist ein Nachteil der Biomasse im Gegensatz zu Kohle und Koks. Möglichkeiten zur Reduktion: Primäre Maßnahmen: Brennstofftrocknung, Abgasrückführung Sekundäre Maßnahmen: Entstickung oder katalytische Reduktion mittels z.B. Harnstoff. 
• Welche physikalischen Eigenschaften des Brennmaterials sind bei der Biomasse-Verbrennung bedeutend? (3) Inwiefern ist die Aufbereitung ein entscheidender Faktor?   Dichte, Wassergehalt, Stückigkeit, ... Diese Eigenschaften hängen auch von der Aufbereitung ab. Für die Erreichung bestimmter physikalischer Eigenschaften für z.B. Transport und Verbrennung müssen mehr oder weniger energetische „Vorleistungen“ erbracht werde.    
• Welche Rolle spielt die Asche bei der Verbrennung von Biomasse? Welche positiven und negativen Aspekte ergeben sich aus dem Anfall von Asche und was ist dabei zu beachten? Asche fällt als Verbrennungsrückstand in unterschiedlichem Ausmaß an. -> Entsorgungsproblem für Feuerungsanlagen dar. Eine relativ günstige Entsorgung stellt die Asche als Dünger da (ACHTUNG: Flugasche nicht für Düngung geeignet) 
• Entwickeln Sie eine systematische Übersicht über Feuerungsanlagen für Biomasse mit kurzer technischer Charakterisierung. (5) Versuchen Sie auch eine Bewertung im Hinblick auf den Verbrennungsprozess. Schachtfeuerung: Brennstoff absätzig befüllt (für Kleinfeuerung geeignet) Unterschubfeuerung: Brennstoff wird mit einer Schnecke ständig zugeführt (für Kleinfeuerung geeignet) Rostfeuerung: der Brennstoff wird über einen Rost transportiert und durchläuft dabei die Phasen der Verbrennung Frontalabbrand: „Zigarrenfeuerung“, brennt nach und nach ab, wie eine Zigarre Einblasfeuerung: gehäckseltes oder gemahlenes Gut wird mit einem Trägerluftstrom in den Brennraum zugeführt 
• Erläutern Sie die Begriffe "Pyrolyse", "Vergasung", "Verkohlung". Welche Anwendungsmöglichkeiten haben diese Prozesse derzeit und könnten sie zukünftig haben? Pyrolyse: thermo-chemische Spaltung organischer Verbindungen Vergasung: Kontrollierter O2-Zutritt, Zielprodukt ist das Gas Verkohlung: Prinzip Selbstkohlungsprozess, Ziel ist die C-Anreicherung 
• Was versteht man unter "Holzgas"? Geben Sie einen Überblick über die Herstellung, Zusammensetzung und Verwendungsmöglichkeiten. Holzgas ist ein brennbares Gas, das sich in Holzvergasern gewinnen lässt. Entsprechend der Herstellung kann die Zusammensetzung des Holzgases stark variieren. Holzgas kann als Brenngas für Motoren verwendet werden oder als Synthesegas für die Herstellung von flüssigen Treibstoff. 
• Erläutern sie die Begriffe Kraft-Wärme-Kopplung und Kraft-Wärme-Kälte- Kopplung. Welche technischen Realisierungen gibt es und wie bewerten Sie diese? Kraft-Wärmekopplung bzw. Kraft-Wärme-Kältekopplung bedeutet, dass elektrische Energie („Kraft“) und Wärmeenergie aus der gleichen Energiequelle genutzt werden. 
• Beschreiben Sie die Besonderheiten von Gasmotoren im Vergleich zu Motoren für flüssige Treibstoffe. Erläutern Sie, welche Gasmotorenkonzepte es gibt und wo sie derzeit eingesetzt werden.   Verbrennungsmotoren, mit gasförmigen Kraftstoffen statt mit flüssigen Kraftstoffen betrieben: - sehr heterogenes Verbrennungsverhaltens - die Klopfneigung ist geringer - höheres Verdichtungsverhältnis als bei Benzinmotoren möglich - günstiges CO2-Hu-Verhältniss = um 25-30% niedriger CO2-Emissionen 3 Arten: Otto-Gasmotorkonzept, Gas-Dieselmotorkonzept, Diesel-Gasmotorkonzept  
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• Was versteht man unter dem Begriff „Umesterung“ von Pflanzenölen und anderen Fetten zu Motor-Treibstoffen? Was ist das Ziel dieses Prozesses und wie wird er durchgeführt? - für die Biodiesel Gewinnung verwendet Z.B. filtriertes Rapsöl wird mit Methanol und NaOH als Katalysator versetzt. -> Nach der Reaktion müssen Glyzerin und überschüssiger Alkohol entfernt werden. 
• Welche Rolle können Alkohole als Treibstoffe für Verbrennungsmotoren spielen? Alkohole sind hauptsächlich für Ottoprozesse geeignet – Beimischung zu Benzin. Beim Dieselprozess ist es mit entsprechend veränderten Einstellungen auch möglich. 
• Was sind „BTL-Kraftstoffe“? Welche Entwicklungspotenziale sehen Sie? Versuchen Sie eine kritische Bewertung. Biofuels to Liquid Prinzip: Wasserstoffspeicherung durch chemische Bindung an Kohlenstoff in Form von Kohlenwasserstoffen. Verfahrenstechnisch gibt es verschiedene Wege, ein hochwertiges Synthesegas aus Biomasse zu erzeugen. Hauptproblem: Teerfreiheit. 
• Erklären Sie kurz die Funktionsweise des Stirlingmotors. Diskutieren Sie die positiven und negativen Aspekte (2/2) dieser Technik und welche möglichen Anwendungsfelder sich daraus ergeben. Der Stirlingmotor kann als linksläufiger Kälteprozess oder als rechtsläufiger Prozess zur Energieumwandlung thermisch-mechanisch geführt werden Die Wärmezufuhr erfolgt von außen von einer beliebigen Wärmequelle. Vorteile: beliebige Energiequellen könne genutzt werden; kann emissionsfrei arbeiten Nachteile: hoher technischer Aufwand, Wirkungsgrad in der Regel niedriger als bei Verbrennungsmotoren
• Veranschaulichen Sie das jeweilige Funktionsprinzip der Energieumwandlung in Gasturbinenlagen und Dampfturbinenanlagen. Wo liegen die Einsatzbereiche dieser Technologien? In welcher Form können erneuerbare Energien eingesetzt werden? Gasturbinenanlage: Arbeit wird durch Gasentspannung geleistet Einsatzbereiche: mobiler Antrieb, Mikrogasturbinen, Schiffsantrieb, KWK, Strahlentriebwerke bei Flugzeugen Erneuerbare Energien: Wärme beziehen auch über Solarkollektoren, etc.   Dampfturbinenanlage: Änderung des Aggregatzustandes Einsatzbereiche: KKW, Kraftwerke mit fossilen und nachwachsenden Rohstoffen, Sonnenwärmekraftwerke, KWK Erneuerbare Energien: Feste Biomasse wie Holz, Hackschnitzel 
• Wie funktioniert die Kombination von Gasturbinenanlagen und Dampfkraftanlagen? Wie bewerten Sie diese Form der Energieumwandlung? Die Abwärme der Gasturbinen aus den offenen Gasbrennkammern wird bei Dampfkraftanlagen für die Verdampfung genutzt -> Diese Kombination stellt den momentan höchsten Stand der Technik dar (hoher Wirkungsgrad bis zu 80%) -> Kälteerzeugung aus der Überschusswärme über Kälteabsorptionstechnik im Sommer stattfinden. Außerdem ist die Flexibilität sehr hoch, es kommt kaum zu einem Totalausfall, da die Anlagen immer noch unabhängig voneinander arbeiten können. 
• Erläutern Sie einen ORC – Prozess (Organic Rankine Cycle). Zeigen Sie die Besonderheiten dieses Systems. Leiten Sie daraus Einsatzmöglichkeiten in der Nutzung von erneuerbaren Energiequellen ab.   Das Arbeitsmedium ist eine organische Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt. Dadurch kann Wärme mit niedrigem Temperaturniveau genützt werden. Die Einsatzmöglichkeiten: z.B. Stromerzeugung aus Tiefengeothermie.  
• Wie funktionieren Brennstoffzelllen? Entwickeln und diskutieren Sie Möglichkeiten der zukünftigen Verwendung dieser Technologie (4)   - Direkte Erzeugung von elektr. Energie aus Wasserstoff mittels direkter Knallgasreaktion und nicht über Verbrennung. Dabei wird die chem. Energie von Brennstoff und Oxidationsmittel direkt in elektrische Energie umgewandelt. - Möglichkeiten der zukünftigen Entwicklung sind Ersatz für Batterien, Akkus, Nutzung für privaten Gebrauch im kleinen Leistungsbereich, Brennstoffzellen für mobilen Antrieb, etc.   
• Worin unterscheiden sich funktionell Verbrennungsmotor, Stirling-Motor und Gasturbine, worin gibt es Gemeinsamkeiten?   Motor: Verbrennungsmotor / Stirlingmotor / Gasturbine Arbeitsmedium: Gas (Luft) und fl. Kraftstoff / Heißgas / Gase Funktionsweise: Druckausdehnung als unkontinuierl. Kolbenbewegung / kontinuierl. Arbeit / kontinuierl. Arbeit Wärme/Energiezufuhr: von innen / Von außen / von außen Arbeitsraum: offen / geschlossen / geschlossen od. offen Einsatzmöglichkeiten: stationär, mobil / nur stationär / stationär, mobil bei Propellerantrieb, Strahlentriebwerk Emissionen: vglw. Hoch / lediglich Emissionen für Heißgasproduktion / ohne CO2-Ausstoß möglich  
• Wie funktioniert im Prinzip die Stromerzeugung aus Photovoltaik-Zellen? - Welche Leistung kann aus 1 m2 Kollektorfläche gewonnen werden? Direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Wenn wir von einem Wirkungsgrad von 10-20% ausgehen sind das bei einer auf das ganze Jahr betrachteten durchschnittlichen Einstrahlung von ca. 120W/m2 in Ö -> 12-24W/m2
• Erörtern Sie das physikalische Prinzip der Windenergienutzung. - Welche Faktoren beeinflussen die aus der Windenergie gewinnbare elektrische Leistung? Das grundsätzliche Prinzip der Energiewandlung der Windenergienutzung besteht darin, dass der kinetischen Energie eines Luftstromes mechanische Energie entzogen wird. Leistung P = 1/2*ρ*v^3*A ρ = Dichte der Luft ν = Strömungsgeschwindigkeit A = durchströmte Querschnittsfläche (und damit auch radius r)
• Inwiefern können Energiegewinnung aus Photovoltaik und Wind in Konkurrenz zur Nahrungsmittelerzeugung stehen? XYZ
• Welche technischen Herausforderungen stellt zurzeit die Integration von Solarstrom und Windenergie in das Gesamtsystem der Energieversorgung dar? XYZ

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