Folien der Vorstellungsveranstaltung Bachelor Energietechnik Juni

Studienrichtung Energietechnik
Aachen, 07.06.2010
Professor Dr.-Ing. Stefan Pischinger
Vorstellungsveranstaltung: Übersicht
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Motivation der Energietechnik
•
Vorstellung ausgewählter Forschungsschwerpunkte
•
Studium der Energietechnik
•
Institutsbesichtigungstermine 2010
•
Podiumsdiskussion mit Professoren
der Energietechnik
Primärenergiequellen
Nicht erneuerbar:
Kohle
Erdöl
Erdgas
Uran
Erneuerbar:
Biomasse
Sonne
Wasser
Wind
Erdwärme
340
320
300
16
14
12
10
8
6
4
280
2
260
0
1700
1800
1900 Jahr
Quelle: Deutsche Stiftung Weltbevölkerung, NOAA, BMWi, IEA, 2007)
Quelle: Deutsche Stiftung Weltbevölkerung, NOAA, IEA, 2007
2000
10
8
6
4
2
0
Weltbevölkerung [Mrd.]
360
18
380
370
360
350
340
330
320
310
1960 1970 1980 1990 2000 2010
Weltenergieverbrauch [Mrd. t SKE]
380
in der Atmosphäre
CO2-Konzentration [ppm]
Weltbevölkerung, Primärenergieverbrauch
CO2-Emission
Prognose der statische Reichweiten fossiler
Primärenergieträger
Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
Prognose des globalen Primärenergiebedarfes
Exajoule
noch offen
1500
Prognose
G eo- / ozeanische
Energie
Solarenergie
1000
N eue Biom asse
W indenergie
W asserkraft
Trad. B iom asse
500
K ernkraft
Erdgas
Erdöl
K ohle
0
1900
1920
1940
Quelle: Deutsche Shell AG (2009)
1960
1980
2000
2020
2040
2060
Hauptziele der Energietechnik
Kosten,
Effizienz
Fossile
Energieträger
Wirtschaftlichkeit
Versorgungssicherheit
Umweltverträglichkeit
Erneuerbare
Energien
Schadstoff-,
Geräuschemissionen,
Sicherheit
Vorstellungsveranstaltung: Übersicht
•
Motivation der Energietechnik
•
Vorstellung ausgewählter Forschungsschwerpunkte
•
Studium der Energietechnik
•
Institutsbesichtigungstermine 2010
•
Podiumsdiskussion mit Professoren
der Energietechnik
Energieeffiziente Gebäude und Quartiere
Energieerzeugung,
-verteilung und übergabe
E& V,Erzeugung
E& V,Übergabe
Lüftung
Transmission
E& Bedarf
Transmission
E& Bedarf
LowEx Annex 37
•
E& V,Verteilung
(EON ERC 2008)
Transmission
E& Brennstoff
Energetische Sanierung – Bsp. Anlagentechnik
Dezentrale Heizungspumpen
Dezentrale Zuluft (verschiedene Systeme)
Dezentrale Lüftung mit WRG
Dezentrale Luftheizung mit WRG
Zentrale Luftheizung mit WRG
Wärmepumpe mit Flächenkollektor
Wärmepumpe mit CO2 Erdwärmesonden
Fernwärme mit Temperaturabsenkung
Quelle: Emco, Schüco
(EON ERC 2009)
Forschungsschwerpunkte des E.ON ERC
Wärme-/ Kälteerzeuger
Komponentenoptimierung
Speichersysteme
Quelle: Viessmann
Quelle: Viessmann
(EON ERC 2010)
Sorptionstechnologie
Sonne als Problem Kältebedarf
Sonne als Lösung ☺
Nutzkälte
Antriebswärme
Adsorptionskälteanlage
Vorteile: Thermischer Antrieb -> keine Stromkosten, Entlastung der Stromnetze
(LTT 2010)
Innenraumklima
•
Raumluftströmungen und thermische
Behaglichkeit
(EON ERC 2008)
Windenergie - Bauformen
Horizontalachser
Vertikalachser
Vorteile
- Abstand zu bodennaher Windscherung
- Passive Windnachführung (Lee-Läufer)
- Windrichtungsunabhängigkeit
- Bodennahe Getriebeposition
Nachteile
- Lärmemission (Turmschatten)
- Bodenferne Getriebe- Generatorposition
- Bodennahe Windscherung
- Schwingung
- Pitchregulierung unmöglich
Quelle: Bunderverband Windenergie e.V.
(VKA 2010)
Horizontalachser - Aufbau
Getriebe
Bremse
Generator
Windrichtungsnachführung
Pitch
Regulierung
Quelle: RWE AG
(VKA 2010)
Solartechnik – Vergleich von Kollektorbauarten
Heliostaten für
Turmkraftwerke
Quelle: TAZ
Quelle: Stadtwerke Jülich
(VKA 2010)
Parabolrinnen einachsige
Nachführung
Quelle: Solar Millenium AG, 2009
Quelle: Solar Millenium AG, 2009
Paraboloidkonzentrator
Solarthermisches Kraftwerk Jülich
0
700
1
2
650
3
4
600
5
6
550
7
8
9
500
10
11
450
12
13
400
14
15
350
16
17
18
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Auslegung von Heliostatfeld und Receiver
Komponentenentwicklung
Stationäre und dynamische Simulationen
(vICERP 2010)
300
Vergleich: Kohlekraftwerk - Kernkraftwerk
Wärme wird im Dampfkraftprozess zur Elektrizitätsgewinnung genutzt
Kohlekraftwerk:
Kernkraftwerk:
Nutzung der chemischen Energie der
Kohle durch Verbrennen
Spaltung von Uran, Thorium oder Plutonium
durch Neutronen
Spaltprodukte geben ihre kinetische Energie
an das umgebende Material als Wärme ab,
die mit dem Kühlmittel abgeleitet wird
Reaktordruckbehälter
Kessel
Frischdampf Turbine
Generator
Speisewasserpumpe
Brenner
(LRST 2009)
Brennelement
Frischdampf Turbine
Generator
Speisewasserpumpe
Kondensator
Steuerstab
Kondensator
Beherrschung schwerer Störfälle: H2 Problematik
Wasserstoffproblematik:
Das Metall der Brennstäbe reagiert
mit Wasserdampf und bildet
Wasserstoff.
Auslösendes Ereignis:
Bruch einer Hauptkühlmittelleitung
Schneller Verlust
des Wassers aus
dem Primärkreis
Zr + 2 H2O ZrO2 + 2 H2
Sicherheitslösung:
H2 Konvertierung an passiven
Katalysatoren
(LRST 2009)
Braunkohlekraftwerk mit optimierter Anlagentechnik (BoA)
BoA (Niederaußem): Strom für 4,7 Mio. Menschen
– installierte Leistung
– Stromerzeugung:
– Kohlebedarf:
rd.950 MW
7,5 TWh/a (reicht aus für jeden vierten Bürger in NRW)
6,4 Mio. t/a
BoA, Meilenstein der Braunkohlenverstromung
– Wirkungsgrad
– Kohlebedarf:
– CO2, NOx, SO2 und Staub
(IDG 2008)
> 43% statt 30%
0,87 statt 1,24 kg/kWh
- 30%/kWh
OXYCOAL-AC: Entwicklung eines Kohlekraftwerks ohne CO2Emissionen
Heißgasreinigung
CO2
Rezirkuliertes
Abgas
Kohle
Brennkammer
Heißgasgebläse
Luftzerlegung
Stickstoffturbine
Luftverdichter
Luft
(WSA 2009)
Stickstoff
Kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke
Kühlturm
Abhitzekessel
Gasturbine
(IDG 2008)
Die Nutzung der
Abwärme der
Gasturbine zur
Dampferzeugung in
kombinierten Dampfund
Gasturbinenprozessen
ermöglicht
Wirkungsgrade von bis
zu 59%.
Dampfturbine
Turbomaschinen: Überblick
Anwendungsgebiete von
Turbomaschinen
(IST 2008)
m
d max> 3
Arbeitspakete an Flugtriebwerken
Tein≈ 1700°C
Taus≈ 2000°C
(IST 2008)
Entwicklungsziele von Flugzeugtriebwerken
Zertifizierung eines neuen Strahltriebwerks
(IST 2004)
Quelle: Rolls Royce
Geräuschquellen bei der Landung
Innerer
Vorflügel
(Slat Horn)
Vorflügel
Flügelspitze
Seitenkante
der Klappen
Fahrwerk
(AIA 2004)
Hohlräume
Auswirkungen von Wirbelschleppen
(AIA 2004)
Vergleich Verbrennungskraft- mit Turbomaschine
E A
Brennstoff QB
QA
Kolbenmaschine
(Beispiel:
4-Takt-Motor mit
innerer Verbrennung)
Ansaugen
Verdichten Wärmezufuhr Expandieren Wärmeabfuhr
(Verbrennung)
(Ausschieben)
Turbomaschine
(Beispiel:
Flugzeug - Strahltriebwerk)
QA
Brennstoff QB
D 5805-2
Otto- und Dieselmotor: Wo liegt der Unterschied?
Diesel:
Selbstzündung
Otto:
Fremdzündung
Rohöldestillation
Benzin
150°C
200°C
Kerosin
300°C
Dieselöl
370°C
Schweröl
Simulation der ottomotorischen Verbrennung
(ITV 2009)
CO2-Reduktion im Straßenverkehr
Maßnahmen am Fahrzeug:
Reduktion des Fahrzeuggewichts
Reduktion von Luft- und Rollwiderstand
Wirkungsgradsteigerung von Motor und
Getriebe
Reduktion der Reibung
Downsizing / Aufladung
Magerbetrieb / Restgasrückführung
Variabilitäten (Motor und Getriebe)
Hybridisierung / Elektrifizierung
Alternative / Regenerative Kraftstoffe
Synthetic-/Bio-Kraftstoffe
(VKA 2009)
-2
0…
35
%
Motivation für Elektrifizierung
•
(VKA 2009)
Reichweite ~ Batteriegröße
Quelle: Statistisches Bundesamt – Statistik kurz gefasst – Mobilität im Personenverkehr in Europa (2007)
Beispiel Elektrifizierung: Plug-In Fahrzeug
(VKA 2009)
•
Plug-In Demonstrationsfahrzeug
“FEV LiionDrive” ausgelegt für
Innerstädtischen Betrieb
•
Ausgestattet mit 12 kWh Li-Ion
Batterie für 100 km Reichweite
•
Erweiterung auf 300 km
Reichweite durch einen 20 kW
Range Extender
•
Angetrieben von einem
Permanentmagnet SynchronMotor mit 75 kW Spitzenleistung
Beispiel Elektrifizierung: Plug-In Fahrzeug
Getriebe
E-Heizer
(VKA 2009)
E-Motor
E-Motor
Wankelmotor
Li-Ion Batterie
Ansaugsystem Abgassystem
Tank
Li-Ion Batterie Aufbau im Fahrzeug
Cell
Lowest voltage unit
(2.5-4.0 Volts)
(VKA 2010)
Module
Li-Ion temperaturabhängige Ladewirkungsgrade
Battery Charge Power
Battery Discharge Power
Allowed operating region
Preferred operating region
source:
Aachener Kolloquium „Fahrzeug- und Motorentechnik“ 2009
(VKA
2010)
Energiewandlung durch Brennstoffzellen
Membran-Elektroden-Einheit
poröse Stromableiter
(Kohle)
H2O
O2
H2
Anode
protonenleitende
Membran (Nafion)
(VKA 2008)
Kathode
Katalysator
(Platin)
Sonderforschungsbereich 686
Homogenisierte Niedertemperaturverbrennung
Vorteil: Emissionsreduzierung (NOx, Ruß
Ruß, CO2)
Nachteil: Verfahren neigt zur Instabilitä
Instabilität
Ohne Regelung
mit Regelung
Experimentelle
Grundlagenuntersuchungen
(VKA 2010)
Numerische
Simulationen
Motorprü
Motorprüfstandsfstandsuntersuchungen
Vision: 3rd Generation of Biofuels
Novel Synthesis and Production Routes
Fuels
from Biomass
Sustainable Biofuels
Tailor-Made for Clean
Combustion
Combustion
Engine
Model-Based Specification of Combustion Characteristics
(VKA 2009)
3rd Generation of Biofuels
Preserving the
Synthesis of Nature
C-Atoms
10000
Biopolymers
TMFB approach
1000
100
Traditional
approach
Tailor-Made
Fuel
Fuel compounds
10
1
(VKA 2009)
e.g. CO, CH4
Processing steps
Engine Results
n = 2280 min-1, pme = 8.2 bar
Konstanter
Verbrennungsschwerpunkt
4.0
3.5
Rußzahl / FSN
3.0
Euro 5 - Streuband
2.5
1-Decanol
2.0
1.5
Butyllävulinat
1.0
0.5
n-Tetradecan
0.0
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
NOX-Emissionen in g/kWh
Diesel EN 590
1-Decanol
1. Tailor-Made Fuel
70 % Butyllävulinat + 30 % n-Tetradecan
2. Tailor-Made Fuel
2-Methytetrahydrofuran
(VKA 2010)
2-Methytetrahydrofuran
Vorstellungsveranstaltung: Übersicht
•
Motivation der Energietechnik
•
Vorstellung ausgewählter Forschungsschwerpunkte
•
Studium der Energietechnik
Maschinenbau: Bachelor, Master
Wirt.Ing: Bachelor, Master
Energietechnikhomepage
•
Institutsbesichtigungstermine 2010
•
Podiumsdiskussion mit Professoren
der Energietechnik
Maschinenbau Bachelor Energietechnik
Grundstudium
Dozent
∑ LP
Pischinger
4
Grundlagen der Turbomaschinen
Bohn/Jeschke
4
Grundlagen der Maschinen- und
Strukturdynamik
Corves
5
Technische Verbrennung I
Peters
4
Schröder
4
Müller/Allelein
4
Grundlagen der Verbrennungsmotoren
Berufsfeld
Energietechnik
Bei allen Angaben Änderungen durch die Fakultät vorbehalten
Fach
Strömungsmechanik II
Energiewirtschaft
Wahlfach
Projektarbeit
5
Praktikum
Bachelorarbeit
Maschinenbau Master Energietechnik
Verbrennungsmotoren
Kraftwerkstechnik
Fach
Übergreifender
Pflichtbereich
Bei allen Angaben Änderungen durch die Fakultät vorbehalten
Vorläufig!!
Dozent
∑ LP
Wärme- und Stoffübertragung II
Kneer
4
Verbrennungskraftmaschinen I
Pischinger
4
Technische Verbrennung II
Peters
4
Strömungsmaschinen
Bohn/Jeschke
4
Energiesystemtechnik
Bardow
4
Wahlpflichtfächer
9-13
Vertiefungsspezifische Pflichtfächer
Mini Thesis
Master Thesis
Turbomaschinen/Strahlantriebe Reaktorsicherheit und -technik
Vorstellungsveranstaltung: Übersicht
•
Motivation der Energietechnik
•
Vorstellung ausgewählter Forschungsschwerpunkte
•
Studium der Energietechnik
Maschinenbau: Bachelor, Master
Wirt.Ing: Bachelor, Master
Energietechnikhomepage
•
Institutsbesichtigungstermine 2010
•
Podiumsdiskussion mit Professoren
der Energietechnik
Wirt.-Ing Bachelor Energietechnik
Grundstudium
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Grundlagen
Wirtschaftswissenschaftliche Grundlagen
Fach
Berufsfeld
Energietechnik
Bei allen Angaben Änderungen durch die Fakultät vorbehalten
Ingenieurswissenschaftlich Grundlagen
Dozent
∑ LP
Pischinger
4
Grundlagen der Turbomaschinen
Bohn/Jeschke
4
Energiewirtschaft
Müller/Allelein
4
Grundlagen der Verbrennungsmotoren
Wahlfach
4
Praktikum
Bachelorarbeit
Wirt.-Ing Master Energietechnik
Vorläufig!!
Bachelor
Energietechnik
Bei allen Angaben Änderungen durch die Fakultät vorbehalten
Fach
Dozent
∑ LP
Peters
4
Strömungsmechanik I
Schröder
7
Energiesystemtechnik
Bardow
4
Technische Verbrennung I
Wirt.wiss Wahlpflichtbereich
15
Ing.wiss Wahlpflichtbereich
31-32
Masterarbeit
Masterkolloquium
Vorstellungsveranstaltung: Übersicht
•
Motivation der Energietechnik
•
Vorstellung ausgewählter Forschungsschwerpunkte
•
Studium der Energietechnik
Maschinenbau: Bachelor, Master, Diplom
Wirt.Ing: Bachelor, Master, Diplom
Homepage der Energietechnik
•
Institutsbesichtigungstermine 2010
•
Podiumsdiskussion mit Professoren
der Energietechnik
Energietechnik-Homepage
www.Energietechnik.rwth-aachen.de
Vorstellungsveranstaltung: Übersicht
•
Motivation der Energietechnik
•
Vorstellung ausgewählter Forschungsschwerpunkte
•
Studium der Energietechnik
•
Institutsbesichtigungstermine 2010
•
Podiumsdiskussion mit Professoren
der Energietechnik
Institutsbesichtigungen 2010
Dienstag, 08. Juni:
09.30 Uhr: VKA
Treffpunkt:
Schinkelstr. 8,
4. Etage vor Hörsaal TD
VKA
LTT
LTFD
13.00 Uhr: LTT+LTFD
Treffpunkt:
Schinkelstr. 8,
4. Etage vor Hörsaal TD
15.00 Uhr: IST
Treffpunkt:
Templergraben 55
Eingangsbereich
IST
Institutsbesichtigungen 2010
Donnerstag, 10. Juni:
09.30 Uhr: AIA
Treffpunkt:
Wüllnerstr. 5a,
Eingangsbereich
13.00 Uhr: E.ON
Treffpunkt:
Mathieustr 6
AIA
15.00 Uhr: IDG
Treffpunkt:
Mathieustr. 9
IDG
E.ON
Westbahnhof
Seffenter Weg
Institutsbesichtigungen 2010
Freitag, 11. Juni:
9.30 Uhr: WSA
Treffpunkt:
Eilfschornsteinstr. 18
Eingangshalle
13.30 Uhr: ITV
Treffpunkt:
Templergraben 64,
2. Etage, Raum 221
LRST
WSA
15.00 Uhr: LRST
Treffpunkt:
Eilfschornsteinstr. 18
4. Etage
ITV
Vorstellungsveranstaltung: Übersicht
•
Motivation der Energietechnik
•
Vorstellung ausgewählter Forschungsschwerpunkte
•
Studium der Energietechnik
•
Institutsbesichtigungstermine 2010
•
Podiumsdiskussion mit Professoren
der Energietechnik
Podiumsdiskussion
AIA:
Prof. Wolgang Schröder / Dr. Matthias Meinke
E.ON: Prof. Dirk Müller
IDG:
Prof. Dieter Bohn
IST:
Prof. Peter Jeschke
ITV:
Prof. Norbert Peters
LRST: Prof. Hans-Josef Allelein / Dipl.-Ing Stephan Jühe
LTT:
Prof. André Bardow
LTFD: Prof. Gerd Grünefeld / Dr. Hans-Jürgen Koß
VKA:
Prof. Stefan Pischinger
WSA: Prof. Reinhold Kneer