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Photovoltaikanlagen und Solarthermie unter Solarenergie

Definition:

Photovoltaikanlagen und Solarthermie unter Solarenergie: Technologien zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische bzw. thermische Energie. PV für Strom, Solarthermie für Wärme.

Details:

• Photovoltaik: Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen
• Wirkungsgrad PV: ~15-20%
• Solarthermie: Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme für Warmwasser und Heizung
• Wirkungsgrad Solarthermie: ~60-70%
• Formeln:
• PV-Leistungsberechnung: \[P = E \times A \times \text{Effizienz} \]
• Sonnenenergie pro Fläche: \[E = \frac{P_{\text{Sonne}}}{A_{\text{Erde}}} \]

Optimierung von Gebäudetechnik und Beleuchtung zur Energieeffizienz

Definition:

Minimierung des Energieverbrauchs durch Einsatz optimierter Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Beleuchtungssysteme.

Details:

• Zentrale Steuerungen und Automatisierung: Optimierung durch \textit{Building Management Systems} (BMS).
• Tageslichtoptimierte Beleuchtung: Nutzung von Sensoren für Tageslichtregelung.
• Effizienzbewertung: Einsatz von Kennzahlen wie \textit{Energy Usage Intensity} (EUI).
• LED-Technologie: Reduktion des Stromverbrauchs durch LED-Beleuchtung.
• Passive Designstrategien: Nutzung natürlicher Belüftung und Lichtquellen.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Energieerhaltung

Definition:

Formuliert das Prinzip der Energieerhaltung: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, nur umgewandelt werden.

Details:

• Mathematische Formulierung: \( \Delta U = Q - W \)
• \( U \): Innere Energie eines Systems
• \( Q \): Zugeführte Wärme
• \( W \): Arbeit, die vom System verrichtet wird
• Gilt für geschlossene Systeme

Marktmechanismen und Preisbildung im Energiesektor

Definition:

Interaktionen zwischen Angebot und Nachfrage bestimmen die Energiepreise, beeinflusst durch Produktionskosten, Marktregulierungen und externe Faktoren.

Details:

• Angebot und Nachfrage: Preis steigt bei hoher Nachfrage oder geringem Angebot
• Produktionskosten: Preise reflektieren oft die Kosten für Energieerzeugung
• Regulierung: Staatliche Eingriffe können Preise deckeln oder subventionieren
• Externalitäten: Umweltauflagen und CO2-Preise beeinflussen
• Gleichgewichtspreis: Wo Angebot gleich Nachfrage ( p^* , Q^* )

Carnot-Prozess und Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen

Definition:

Carnot-Prozess: Ein idealisierter thermodynamischer Kreisprozess mit maximalem Wirkungsgrad. Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen: Verhältnis der geleisteten Arbeit zur zugeführten Wärme.

Details:

• Arbeitssystem: Zwei Isothermen und zwei Adiabaten
• Wirkungsgrad Carnot-Prozess: \[ \eta_C = 1-\frac{T_{kalt}}{T_{heiß}} \]
• Kein real existierendes System kann den Carnot-Wirkungsgrad erreichen
• Carnot-Theorem: Alle reversiblen Prozesse zwischen zwei Wärmereservoirs haben gleichen Wirkungsgrad
• Reversibilität impliziert keine Entropieänderung des gesamten Systems

Analyse von Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung

Definition:

Untersuchung und Bewertung der Effizienz von Systemen zur Rückgewinnung und Nutzung von Wärme, die normalerweise verloren geht.

Details:

• Ziel: Energieeinsparung und Steigerung der Energieeffizienz
• Wichtige Kenngrößen: Wirkungsgrad, wärmeübertragende Flächen, Temperaturdifferenzen
• Wärmerückgewinnungstechnologien: Wärmetauscher, Wärmepumpen, regenerativ rotierende Wärmeüberträger
• Anwendungen: Industrieprozesse, Gebäudeheizung, Klimaanlagen
• Formeln: - Wärmeübertragungsrate: \( Q = U \times A \times \Delta T \) - Wirkungsgrad: \( \text{Effizienz} = \frac{Q_{\text{nutzbar}}}{Q_{\text{verfügbar}}} \)

Internationale Energieabkommen und Klimapolitik

Definition:

Internationale Vereinbarungen zur Regulierung von Energieverbrauch und Emissionen zum Schutz des Klimas.

Details:

• Kyoto-Protokoll: Reduktion von Treibhausgasen für Industrieländer
• Pariser Abkommen: Begrenzung der globalen Erwärmung auf unter 2°C
• UN-Klimakonferenzen (COP): jährliche Treffen zur Verhandlung und Überwachung
• Emissionshandelssysteme (ETS): Marktwirtschaftlicher Ansatz zur Reduktion von Emissionen
• Nachhaltige Entwicklungsziele (SDGs): Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung, inkl. Energie und Klima

Integration und Optimierung erneuerbarer Energien

Definition:

Integration erneuerbarer Energien in bestehende Energiesysteme und deren Optimierung für Effizienz und Stabilität.

Details:

• Ziele: Minimierung von CO2-Emissionen, Erhöhung der Versorgungssicherheit, Kosteneffizienz
• Erneuerbare Quellen: Solar, Wind, Biomasse, Wasserkraft
• Integrationstechniken: Netzintegration, Energiespeicherung, Lastmanagement
• Optimierungsmethoden: Algorithmische Optimierung, Prognosemodelle, Netzleistungsanalysen
• Formeln: Leistungsberechnung \( P = IV \) und Effizienz \( \text{Effizienz} = \frac{P_{\text{output}}}{P_{\text{input}}} \)