Energie_ neu

Frage 5: Welchen Wirkungsgrad erreichen heutige Nuklearkraftwerke? a. Erklären Sie mit dem Carnot Wirkungsgrad und den realisierten Temperaturen

Heutige Nuklearkraftwerke erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 33% bis 35%. a) Nach Carnot (eta_c=1-(T_kalt /T_heiss)) ist der Wirkungsgrad stark von der Maximaltemperatur abhängig. Aus Material- und Sicherheitsgründen liegen die maximalen Kühlmitteltemperaturen im Reaktor nur bei ca. 300°C bis 330°C, was den theoretischen und realen Wirkungsgrad im Vergleich zu modernen Gaskraftwerken stark begrenzt.

Frage 6: Was sind die Herausforderungen der Nukleartechnik heutzutage? a. Bezug auf Kosten b. Bezug auf volatile Einspeisung c. Bezug auf Sicherheit

a) Extrem hohe Kosten für Neubauten, Sicherheitsmaßnahmen und den späteren Rückbau. b) Sie sind schlecht regelbar und damit unflexibel bei der Einspeisung volatiler Erneuerbarer Energien. c) Ungelöste Endlagerfrage, das Restrisiko von schweren Unfällen (Gau) sowie die Gefahr der Proliferation (Weiterverbreitung von waffenfähigem Material).

Frage 7: Welche Herausforderung sind bei der Kerntechnologie trotz Ausstiegsbeschluß noch zu meistern?

Der sichere und jahrzehntelange Rückbau der Anlagen, die Suche nach einem sicheren Endlager für hochradioaktive Abfälle und der Erhalt des nuklearen Fachwissens in Deutschland für diese Aufgaben.

Frage 8: Wieviel Haushalte können Sie mit einem 1000 MW Kraftwerk versorgen?

Ein 1000 MW Kraftwerk in Grundlast produziert bei ca. 8000 Volllaststunden 8.000.000 MWh im Jahr. Bei einem Durchschnittsverbrauch von 3,5 MWh reicht dies für über 2 Millionen Haushalte.

Frage 9: Erklären Sie den Begriff "Carnot -Batterie"

Eine Carnot-Batterie ist ein Energiespeicher-Konzept: Strom (z. B. aus Wind/Sonne) wird in Wärme umgewandelt (gespeichert) und bei Bedarf über einen thermodynamischen Kreisprozess (ähnlich einem Kraftwerk) wieder rückverstromt.

Frage 10: Was sind die Hauptgründe für negative Spotmarktpreise an der eeX?

Hohe Einspeisung aus Erneuerbaren (starker Wind, viel Sonne) bei gleichzeitig geringer Stromnachfrage (z. B. an Feiertagen), gepaart mit unflexiblen konventionellen Kraftwerken, die sich kurzfristig nicht drosseln lassen oder wollen (z. B. wegen Anfahrkosten oder Wärmelieferverpflichtungen).

Frage 11: Erklären Sie Grundlast, Mittellast und Spitzenlast? a) Zeigen Sie die Unterschiede in den jährlichen Betriebszeiten [h] b) Durch welche Kraftwerkstypen werden diese heute abgedeckt? c) Was wird sich in Zukunft diesbezüglich ändern und warum?

Grundlast: Dauerbedarf an Leistung. Mittellast: Der tagsüber schwankende, mittlere Bedarf. Spitzenlast: Kurzfristig auftretende Lastspitzen. a) Grundlast > 6000 h, Mittellast ca. 3000-6000 h, Spitzenlast < 3000 h pro Jahr. b) Grundlast früher oft Braunkohle/Nuklear; Mittellast Steinkohle/Gas; Spitzenlast Gasturbinen/Pumpspeicher. c) Künftig: Die Grundlast wird durch Erneuerbare (Wind/Solar) gedeckt, die Residuallast durch hochflexible Gaskraftwerke (H2-ready) und Speicher.

Frage 12: Was sind die Hauptgründe für die Transformation des elektrischen Energiesystems?

Klimaschutz (Reduktion von CO2), Endlichkeit fossiler Brennstoffe, der politische Atomausstieg und das Streben nach Unabhängigkeit von Energieimporten.

Frage 16: Was bedeutet die bedarfsgerechte Einbindung? a) Welche Führungsgröße regelt die bedarfsgerechte Einbindung? a. Warum wird diese Führungsgröße gewählt? b) Erklären sie Primärregelung, Sekundärregelung? c) Erklären sie Minutenreserve und Stundenreserve? d) Für das zukünftige Bereitstellen von Strom wird verstärkt von Wochen und Jahresausgleich gesprochen, was heißt das und wie sollte dies aussehen?

Erzeugung und Verbrauch müssen jederzeit im Gleichgewicht sein. a) Die Führungsgröße ist die Netzfrequenz (50 Hz), weil sie netzweit identisch ist und Abweichungen sofort anzeigt. b) Primärregelung greift automatisch und sekundenschnell zur Wirkleistungsanpassung. Sekundärregelung greift nach Minuten, löst die Primärregelung ab und führt die Frequenz wieder exakt auf 50 Hz zurück. c) Minutenreserve wird händisch abgerufen (innerhalb 15 Min), Stundenreserve dient dem längeren Ausgleich. d) Da erneuerbare Energien saisonal schwanken (Sommer PV-Überschuss, Winter Defizit), braucht man Langzeitspeicher (Wochen-/Jahresausgleich), v.a. in Form von Wasserstoff (Power-to-Gas), der im Winter wieder verstromt wird.

Frage 17: Erklären Sie Frequenzregelung und Spannungsregelung am Beispiel eines Synchrongenerators.

Frequenzregelung erfolgt durch Anpassung der zugeführten mechanischen Antriebsleistung an der Turbine (mehr Dampf = mehr Wirkleistung). Spannungsregelung erfolgt durch die Veränderung des Erregerstroms im Generator (Einstellung der Blindleistung).

Frage 18: Welche fünf Ersatzlösungen für z.B. Kohlekraftwerke kennen Sie? Nennen Sie hierzu jeweils ein Beispiel!

1. Wasserstofffähige Gaskraftwerke (H2-ready). 2. Virtuelle Kraftwerke (gebündelte Erneuerbare). 3. Biomassekraftwerke. 4. Großwärmepumpen (für Wärme ohne Kohle-KWK). 5. Energiespeicher (Großbatterien, Pumpspeicher).

Frage 19: Was ist der Unterschied zwischen Hochenergiespeicher und Hochleistungsspeicher? a. Nenne Sie hierzu Beispiele

Hochenergiespeicher können große Energiemengen über lange Zeit speichern (z. B. Power-to-Gas, Pumpspeicher). Hochleistungsspeicher können sehr schnell hohe Leistungen abgeben oder aufnehmen, sind aber schnell leer (z. B. Li-Ion-Batterien, Schwungräder, Superkondensatoren).

Frage 20: Was ist der Hauptgrund für die heutige Übertragung von elektrischen Strom durch ein Wechselspannungsnetz?

Wechselspannung lässt sich mithilfe von Transformatoren einfach und effizient auf sehr hohe Spannungen transformieren. Das senkt die Stromstärke und reduziert damit die Leitungsverluste über weite Strecken massiv.

Frage 21: Wie wird der dreiphasige Wechselstrom heute in Generatoren erzeugt?

Durch einen rotierenden Magneten (Rotor), der in einem Stator mit drei räumlich um 120 Grad versetzten Spulen drei zeitlich phasenverschobene Wechselspannungen induziert (Drehstrom).

Frage 22: Erläutern Sie Blindleistung, Scheinleistung und Wirkleistung.

Wirkleistung (P): Die tatsächlich für Arbeit (Wärme, Licht, Bewegung) nutzbare Leistung. Blindleistung (Q): Pendelt ungenutzt im Netz und wird nur für den Auf- und Abbau von Magnetfeldern gebraucht. Scheinleistung (S): Die geometrische Summe aus Wirk- und Blindleistung (S= Wurzel aus {P²+Q²}).

Frage 23: Erläutern Sie kapazitive und induktive Blindleistung.

Induktive Blindleistung entsteht an Spulen (Motoren, Transformatoren); der Strom eilt der Spannung nach. Kapazitive Blindleistung entsteht an Kondensatoren oder langen Kabelstrecken; der Strom eilt der Spannung voraus.

Frage 24: Warum gibt es unterschiedliche Spannungsebenen?

Um Transportverluste zu minimieren, benötigt man die Höchstspannung. Da diese für Haushaltsgeräte gefährlich und schwer handhabbar wäre, wird sie stufenweise bis zur ungefährlichen Niederspannung heruntertransformiert.

Frage 25: Wie groß ist die typische Netzbelastung in Deutschland (Winter / Sommer)

In Deutschland liegt die Last im Sommer bei typischerweise ca. 40-60 GW und im Winter bei ca. 60-80 GW.

Frage 26: Welche Spannungsebene kennen Sie im elektrischen Netz?

Höchstspannung (220/380 kV), Hochspannung (110 kV), Mittelspannung (10-30 kV) und Niederspannung (230/400 V).

Frage 29: Was sind Regelzonen? Nennen Sie hierzu Beispiele.

Regelzonen sind die geografischen Netzgebiete, für die jeweils ein einzelner Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) die Systemverantwortung und Frequenzhaltung trägt. Beispiele: Regelzone Amprion, Regelzone TenneT.

Frage 30: Welche Maßnahmen sind notwendig, um ein gemeinsames europäisches Übertragungsnetz zu erreichen.

Massiver Netzausbau von Interkonnektoren (Grenzleitungen), die Harmonisierung der Strommarktregeln (Market Coupling) und einheitliche europäische Netzcodes.

Frage 31: Erklären sie das Dreistufige Regelkonzept (Lastabwurf etc.) des Deutschen Verbundnetzes!

Bei Frequenzabfall: 1. Primärregelung (Sekunden), 2. Sekundärregelung (Minuten), 3. Minutenreserve. Fällt die Frequenz unter 49,0 Hz, beginnt ein automatischer, stufenweiser Lastabwurf (Gezieltes Abschalten von Verbrauchern), um einen kompletten Blackout zu vermeiden.

Frage 32: Was unterscheidet die Primär- und Sekundärregelung von der Minuten und Stundenreserve? Tipp: Wie werden diese eingeleitete und mobilisiert?

Primär- und Sekundärregelung werden automatisch von Regeleinrichtungen aktiviert, wenn die Frequenz abweicht. Minuten- und Stundenreserve werden hingegen manuell vom ÜNB oder per Fahrplan händisch abgerufen.

Frage 33: Neben der Rückführung der Primärregelung was bewirkt die Sekundärregelung noch?

Sie führt die Frequenz wieder auf den exakten Sollwert (50 Hz) zurück (die Primärregelung stoppt den Frequenzabfall nur) und stellt die vereinbarten Netzaustauschleistungen an den Grenzen zu anderen Regelzonen wieder her.

Frage 34: Zeigen Sie an einem Schema eines Dampfturbosatzes, wo der Eingriff des Primär- Reglers und des Sekundär-Regler stattfindet.

Der Primär-Regler greift blitzschnell mechanisch/elektrisch in das Turbineneinlassventil ein, um die Dampfmenge zu variieren. Der Sekundär-Regler ändert als übergeordneter Sollwert den Arbeitspunkt der Gesamtanlage (z.B. Erhöhung der Brennstoffzufuhr im Kessel).

Frage 36: Was ist ein Virtuelles Kraftwerk, erklären Sie den Begriff an Beispielen?

Ein informationstechnischer Verbund aus vielen kleinen dezentralen Stromerzeugern (PV, Wind, Biogas), Speichern und flexiblen Verbrauchern. Sie werden zentral gesteuert und agieren am Markt wie ein einziges, großes Kraftwerk.

Frage 37: Was bedeutet Querverbundoptimierung? Tipp: Wärme- und Strommarkt

Die sektorübergreifende Optimierung von Strom und Wärme. Eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage (KWK) reagiert auf Marktpreise: Ist Strom teuer, erzeugt sie Strom (die Wärme geht in einen Speicher). Ist Strom billig, wird der Strom aus dem Netz per Power-to-Heat in Wärme für das Wärmenetz umgewandelt.

Frage 38: Was ist der Unterschied zwischen Residuallast und Nachfragelast? Erläutern Sie an Beispielen!

Nachfragelast: Der tatsächliche physische Strombedarf aller Verbraucher. Residuallast: Die Nachfragelast abzüglich der Erzeugung aus volatilen Energien (Wind, PV). Beispiel: Wenn mittags die Sonne stark scheint, ist die Nachfragelast zwar hoch, die Residuallast (die noch von konventionellen Kraftwerken gedeckt werden muss) aber sehr gering.

Frage 39: Was kann ein virtuelles Kraftwerk was eine einzelne Anlage nicht könnte

Es kann an Märkten für Regelenergie teilnehmen, die Mindestgebotsgrößen (z. B. 1 oder 5 Megawatt) erfordern, die eine einzelne kleine Solaranlage niemals allein erbringen könnte.

Frage 40: Was kann ein virtuelles Kraftwerk besser als ein Großkraftwerk?

Es ist ausfallsicherer (Resilienz: fällt eine kleine Anlage aus, übernehmen andere), es kann erneuerbare Energien optimal integrieren und lokale Netzengpässe besser entlasten, da die Anlagen räumlich weit verteilt sind.

Frage 41: Warum werden für die Zukunft die sogenannten "Felxibilitäten" immer wichtiger und was sind die Gründe?

Da Wind und Sonne vom Wetter abhängen und volatil einspeisen, braucht das Stromnetz Erzeuger, Speicher und Verbraucher, die ihre Leistung flexibel und kurzfristig anpassen können, um das Frequenzgleichgewicht (50 Hz) aufrechtzuerhalten.

Frage 42: Warum wird in der Zukunft die Prognose immer wichtiger?

Weil Strommengen vorab an der Börse (Day-ahead oder Intraday) verkauft werden müssen. Bei Fehlprognosen entstehen teure Ungleichgewichte, die durch Ausgleichsenergie bezahlt werden müssen.

Frage 43: Erläutern Sie das Prognosedreieck in der Energiewirtschaft? Verbrauchsprognose - Erzeugungsprognose - Preisprognose Was bedeutet hoher Preise bzw. niedriger Preise? Erläutern Sie dies im obigen Dreieck.

Das Dreieck beschreibt den Zusammenhang: Verbrauch (Last) und Erzeugung (Wetter) bestimmen gemeinsam die nötige Kraftwerksart (Merit-Order), welche den Preis setzt. Hoher Preis: Hoher Verbrauch, wenig EE-Erzeugung (Dunkelflaute). Niedriger Preis: Wenig Verbrauch, viel EE-Erzeugung.

Frage 44: Welche Einzelprognose kennen Sie für den Verbrauch?

Standardlastprofile (SLP) für Haushalte/Kleingewerbe (statistische Annahmen) und die Registrierende Leistungsmessung (RLM) für große Industrieunternehmen (viertelstundengenaue echte Messung). wetterprognose

Frage 45: Für Virtuelle Kraftwerke bestehen mehrere Möglichkeiten der Vermarktung: a) Was bedeutet hierbei der Regelleistungsmarkt und was wird hier bereitgestellt? b) Was bedeutet der Day-ahead Spotmarkt? c) Was bedeutet der Intraday-Spotmarkt?

a) Regelleistungsmarkt: Handel von Flexibilität (Leistung in MW) zur Frequenzhaltung durch die ÜNB. b) Day-ahead Spotmarkt: Stromauktion für den morgigen Tag im Stundenraster. c) Intraday-Spotmarkt: Kurzfristiger, kontinuierlicher Stromhandel bis wenige Minuten vor Lieferbeginn zum Ausgleich von kurzfristigen Prognosefehlern.

Frage 46: Warum sind Prognosen die Basis der Bewirtschaftung und Abrechnung von Virtuellen Kraftwerken?

Jede Abweichung von der Prognose wird nachträglich als Ausgleichsenergie teuer in Rechnung gestellt, was den Gewinn vernichtet.

Frage 47: Mit welchen Möglichkeiten können Sie in einem Virtuellen Kraftwerk die sogenannten Flexibilitäten bereitstellen?

Durch das Zu- und Abschalten flexibler Verbraucher (Demand Side Management), den Einsatz von Batteriespeichern, gezielte Abregelung von Wind/PV (bei Überangebot) und das Ansteuern von Biogas- oder KWK-Anlagen.

Frage 48: Warum wird der Intraday-Spotmarkt in Zukunft immer wichtiger?

Mit dem massiven Ausbau von Wind- und Solarenergie steigen die Prognosefehler für den Folgetag. Da Wetterprognosen wenige Stunden vor der Erfüllung viel exakter sind, wird der Intraday-Markt zum Aussteuern immer wichtiger.

Frage 49: Warum wird der Wettereinfluß heute immer wichtiger? Erläutere und beschreibe hierzu an mindestens zwei Beispielen warum dies den Preis beeinflusst!

Das Wetter bestimmt die Erzeugung. Beispiel 1: Viel Wind an einem Feiertag = Überangebot an Strom und negative Preise. Beispiel 2: Kalte, windstille Winternacht = Keine EE-Einspeisung, teure Gaskraftwerke müssen laufen, der Strompreis explodiert.

Frage 50: Was hat der Zubau von Photovoltaik in der Preisbildung bewirkt? Erläutere anhand eines Beispiels und dem Preisverlauf in Abhängigkeit eines Tagesverlaufs!

Der PV-Zubau dämpft die Preise mittags (früher die teuerste Spitzenlastzeit) extrem ab (sog. Merit-Order-Effekt). Der Tagesverlauf ähnelt heute einer Senke am Mittag ("Duck Curve") mit den niedrigsten Preisen, während die Preise abends (wenn die Sonne untergeht) ansteigen.

Frage 51: Warum spielt bei Prognosen für die Windkraftanlagen neben der Windstärke auch die Temperatur und die Luftdichte eine Rolle?

Die Leistung einer Anlage hängt maßgeblich von der Luftdichte ab (P~rho). Kältere Luft ist dichter als warme Luft, daher erzeugt eine Anlage bei gleicher Windgeschwindigkeit im kalten Winter deutlich mehr Strom als im Hochsommer.

Frage 52: Was kann man mit den Referenzlastprofilen ermitteln?

Mit Standardlastprofilen (Referenzlastprofilen) lässt sich der erwartete, stündliche Stromverbrauch von Kleinverbrauchern (Haushalten) schätzen, ohne dass diese smarte Viertelstunden-Zähler besitzen müssen.

Frage 53: Erläutern Sie die Ganglinie, zeigen Sie dies exemplarisch für den Leistungsverlauf von Strom über eine Wochenperiode.

Eine Ganglinie ist der Leistungsverlauf über die Zeit. Eine typische Woche zeigt: Werktags klare Spitzen am Morgen, Mittag und frühen Abend. Am Wochenende liegt das Niveau insgesamt tiefer, da die Großindustrie weniger Strom verbraucht.

Frage 54: Erläutern Sie die geordnete Ganglinie, warum ist diese wichtig?

Hier werden alle Stundenwerte eines Jahres der Höhe nach absteigend sortiert (unabhängig vom Zeitpunkt). Sie ist essenziell für die Kraftwerksplanung, um abzulesen, wie viele Stunden im Jahr eine bestimmte Leistungsnachfrage (Grundlast vs. Spitzenlast) anfällt.

Frage 57: Warum ist die KWK für den Transformationsprozess sehr wichtig?

Sie nutzt Brennstoffe sehr effizient doppelt (Wirkungsgrad oft >80%) für Strom und Wärme. Zudem sind moderne H2-ready KWK-Anlagen die wichtigste Brückentechnologie, um bei Dunkelflauten gesichert Strom zu liefern.

Frage 58: Erläutern Sie Power to x und erklären Sie an einem Beispiel

Umwandlung von elektrischem Strom in andere Medien ("X"). Beispiel: Power-to-Gas wandelt Strom durch Elektrolyse von Wasser in grünen Wasserstoff um.

Frage 59: Was bedeutet Sektoraler Energiespeicher

Die Übertragung von Überschussenergie aus dem Stromsektor zur Speicherung in andere Sektoren (Wärmenetze, Gasnetze oder den Mobilitätssektor).

Frage 60: Erläutern Sie Power to Heat und KWK und erklären Sie hierbei die entstehende "Flexibilität"

"Power to Heat" nutzt billigen Überschussstrom, um damit große Wärmespeicher für Fernwärme aufzuheizen. KWK tut das Gegenteil: Sie produziert bei Strommangel Strom (und parkt die anfallende Wärme im Speicher). Das schafft enorme zeitliche und preisliche Flexibilität.

Frage 61: Erläutern und erklären Sie die Lösung Power to Gas und skizzieren Sie die Wandlungsschritte

Elektrolyse spaltet Wasser unter Stromzufuhr in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Bei Bedarf folgt eine Methanisierung (H2+CO2->Methan). Dieses Gas kann ins Erdgasnetz eingespeist und verlustfrei extrem lange gespeichert werden.

Frage 62: Was ist eine Lernkurve und zeigen Sie das am Beispiel der PV, erklären Sie

Sie beschreibt die prozentuale Kostensenkung bei einer Verdopplung der kumulierten Produktionsmenge. Bei Photovoltaik haben Skaleneffekte und Massenfertigung dazu geführt, dass die Kosten für Solarmodule in den letzten 20 Jahren um über 90% eingebrochen sind.

Frage 64: Erläutern Sie den Einfluss des EU ETS auf die Grenzkosten für fossile Energieerzeugung am Beispiel von a. Gaskraftwerken b. Steinkohlekraftwerken c. Braunkohlekraftwerken

Der EU-ETS bepreist CO2-Emissionen. a) Gaskraftwerke: wenigster CO2-Ausstoß, Kosten steigen moderat. b) Steinkohlekraftwerke: Hoher CO2-Ausstoß, Kosten steigen merklich. c) Braunkohlekraftwerke: Höchster CO2-Ausstoß, die Grenzkosten steigen am massivsten, was sie extrem unwirtschaftlich macht.

Frage 65: Wie wird in Zukunft versucht die volatile Energieerzeugung auszugleichen, welche Möglichkeiten gibt es hier. Nennen Sie hier unterschiedliche Ansätze.

1. Netzausbau (räumlicher Ausgleich). 2. Batteriespeicher (kurzfristiger zeitlicher Ausgleich). 3. Power-to-X/Wasserstoff (langfristiger zeitlicher Ausgleich). 4. Flexibilisierung der Residuallast-Kraftwerke (H2-ready Gaskraftwerke). 5. Demand-Side-Management (Lastverschiebung bei Verbrauchern).

Frage 66: Was bewirkt die Verbesserung der Übertragungskapazitäten (Gas, Strom) zwischen den Ländern der EU.

Sie ermöglicht es, überschüssigen Strom aus einem Land (z. B. deutschen Windstrom) in ein anderes Land mit Bedarf oder großen Speichern (z. B. norwegische Pumpspeicher) zu transportieren. Das glättet Preisspitzen und erhöht die Versorgungssicherheit.

Frage 67: Wie versucht die EU die Kosten der Regelenergie zu reduzieren

Durch die Einrichtung gemeinsamer, länderübergreifender Plattformen (wie z. B. PICASSO für Sekundärregelung). Das bündelt Angebot und Nachfrage europaweit, erhöht den Wettbewerb und drückt so die Kosten für Regelenergie.

Frage 68: Erläutern Sie MPPT im Detail

"Maximum Power Point Tracking": Ein digitaler Regler im Wechselrichter passt Spannung und Stromstärke einer PV-Anlage fortlaufend so an, dass das Produkt aus beidem (die elektrische Leistung) stets den physikalisch maximalen Wert erreicht.

Frage 69: Erklären Sie n-1 und n-2 Sicherheit, wo wird dies eingesetzt?

Die n-1 Sicherheit besagt, dass bei Ausfall eines beliebigen Betriebsmittels (Trafo, Leitung) das Gesamtnetz sicher weiterlaufen muss. Bei n-2 dürfen zwei Betriebsmittel gleichzeitig ausfallen. Dies ist der europäische Standard in der Planung von Übertragungsnetzen.

Frage 70: Erläutern Sie für ein GuD-Kraftwerk mit Hilfe des Carnotprozesses den theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad bei einer ISO - Verbrennungstemperatur von 1300°C und einer Kondensationstemperatur von 10°C. Zeigen Sie dies mit Gleichung.

Der Carnot-Wirkungsgrad berechnet das theoretische Maximum und lautet: eta_c=1-(T_kalt /T_heiss) Zuerst müssen die Temperaturen in Kelvin umgerechnet werden: 10°C entsprechen 283,15 K und 1300°C entsprechen 1573,15 K. Eingesetzt in die Formel ergibt das: eta_c=1-(283,15/1573,15) ca. 0,82 Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad beträgt demnach 82%.

Frage 71: Berechnen Sie für eine Wärmepumpe mit dem COP bei W10/W35 von 6,9 den für diese Anlage erreichbare COP bei einer Wassertemperatur der Wärmequelle von 15°C und einer Vorlauftemperatur von 60°C. Wie sind die theoretischen Werte des für diesen Prozess maximal erreichbaren COPs.

Zunächst den theoretischen Carnot-COP für den ersten Fall (10°C zu 35°C, also 283,15 K zu 308,15 K) ermitteln: COP_C1=(308,15/308,15-283,15)=12,326 Der Gütegrad der Anlage berechnet sich aus realem COP und Carnot-COP: Guetegrad=(6,9/12,326) ca. 0,56 Nun der Carnot-COP für den neuen Fall (15°C zu 60°C, also 288,15 K zu 333,15 K): COP_C2=(333,15/333,15-288,15)=7,40 Der realisierbare neue COP mit diesem Gütegrad ist: COP_neu=7,40*0,56 ca. 4,14

Frage 72: Erläutern Sie wieviel PV-Leistung müssen Sie zubauen um ein Kernkraftwerk mit 1GW Leistung (Grundlast) energetisch zu ersetzen?

Ein Kernkraftwerk läuft in Grundlast bei ca. 8000 Volllaststunden. PV hat in Deutschland nur ca. 1000 Volllaststunden. Um 1 GW Leistung (8 TWh Energie pro Jahr) energetisch auszugleichen, muss man 8 GW PV-Leistung zubauen.

Frage 73: Erläutern Sie wieviel Windkraft On-shore müssen Sie zubauen um ein Braunkohlekraftwerk (Grundlast) von 800MW energetisch zu ersetzen.

Braunkohle hat ca. 7500 Volllaststunden, Wind Onshore in Deutschland ca. 2500 Volllaststunden. (800 MW * 7500 h) / 2500 h = 2400 MW. Man müsste also rund 2,4 GW Wind On-shore zubauen.

Frage 74: Erläutern Sie wieviel Windkraft Off-shore müssen Sie zubauen um ein Steinkohlekraftwerk (Mittellast) mit 800MW zu ersetzen.

Steinkohle im Mittellastbetrieb hat typischerweise ca. 4000 Volllaststunden. Auch Wind Offshore erreicht rund 4000 Volllaststunden. Rein auf die Energie (TWh) bezogen, bräuchte man demnach fast dieselbe installierte Leistung, also etwa 800 MW Wind Off-shore.

Frage 75: Welche Problematik ergibt sich aus der Frage 72) - 74), Wie viel erneuerbare zugebaut werden müssen um kraftwerke auszugleichen

Erneuerbare Energien haben viel weniger Volllaststunden als konventionelle Kraftwerke. Man muss ein Vielfaches an nominaler Leistung zubauen (starke Überkapazitäten), was das Netz massiv stresst, bei Überangebot zur Abregelung zwingt und bei "Dunkelflaute" dennoch keine gesicherte Leistung garantiert.

Frage 76: Welche zugebaute Leistung werden wir 2030 ca. haben?

Den Zielen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes zufolge strebt Deutschland bis 2030 den Zubau von ca. 215 GW Photovoltaik, ca. 115 GW Wind Onshore und 30 GW Wind Offshore an.

Frage 77: Welche zugebaute Leistung werden wir 2045 ca. haben?

Für die Klimaneutralität (2045) werden durch den erhöhten Strombedarf (E-Autos, Wärmepumpen, Wasserstoff-Elektrolyse) extreme Kapazitäten erwartet: Prognosen gehen von > 400 GW PV und > 160 GW Wind Onshore aus.

Frage 78: Welche Herausforderung (76, 77) wird dadurch entstehen?

Diese immensen zugebauten Leistungen führen zu massiver Überlastung des Stromnetzes, starken Schwankungen (Rampen), erhöhtem Flächenverbrauch, Akzeptanzproblemen und einem gewaltigen Bedarf an Langzeitspeichern (H2).

Frage 79: Durch welche Maßnahmen wird die durch 78) beschriebene Herausforderung gemeistert?

Dies erfordert einen beschleunigten, massiven Netzausbau (HGÜ-Trassen), den zügigen Aufbau eines nationalen Wasserstoff-Kernnetzes, den Zubau von H2-ready Gaskraftwerken, Digitalisierung (Smart Grids) und den Import von grünem Wasserstoff.