Elektrische Speicher Theorie

  1. Erklären Sie den Begriff Regnerative/erneuerbare Energien
    Regenerative Energien, auch erneuerbare, alternative, nachhaltige oder Öko-Energie genannt, sind Energieträger, die entweder praktisch unbegrenzt zur Verfügung stehen, oder sich schnell auf natürliche Weise regenerieren (erneuern) können
  2. Erklären Sie den Begriff Nachhaltigkeit
    Nachhaltigkeit: Den Bedürfnissen der heutigen Generation zu entsprechen, ohne die Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen
  3. Wie groß ist der Endenergieverbrauch in Deutschland für Strom, Wärme und Mobilität?
    • Strom: ~ 600 TWh
    • Wärme: ~ 1300 TWh
    • Mobilität: ~ 730 TWh
  4. Was sind die Besonderheiten von neuen Energieversorgungssystemen?
    • Eigenschaften:
    • starke Schwankungen insbesondere des Energieangebots aus regenerativen Energien (Jahres-/ Tageszeit, Wetter, Standort)
    • direkte Wandlung der Primärenergie (z.B. Sonne oder Wind) in elektrischen Strom
    • schwankender Energiebedarf (Jahres-/ Tageszeit, Wetter, Region, Wochen-/ Feiertag, stationär/mobil)
    • Ergebnis:
    • "schwankender Strom", nicht ein Tank voll Benzin oder ein über das Kraftwerk steuerbarer Energiefluss zum Verbraucher!
  5. Wie ist Residuallast definiert?
    Die Residuallast ergibt sich aus dem Strombedarf abzüglich der Einspeisung regenerativer Energien oder allgemein als Verbrauch minus der Einspeisung regenerativer Energien. Sie teilt sich bei einer rein regenerativen Stromerzeugung in Überschüsse und Defizite auf
  6. Wie ist Stromspeicherbedarf definiert?
    Ein Stromspeicherbedarf im Erzeugungsausgleich ergibt sich in Form von Überschüssen bei Überdeckung und Defiziten bei Unterdeckung von Residuallast nach Abwägung aller vorrangigen Ausgleichsmaßnahmen und Flexibilitätsoptionen
  7. Was ist ein Energiespeicher?
    Ein Energiespeicher ist eine energietechnische Einrichtung, welche die drei folgenden Prozesse beinhaltet: Einspeichern (Laden), Speichern und Ausspeichern (Entladen)
  8. Wie viel Speicherkapazität wäre bei einer Einspeisung von 80% erneuerbarer Energie in Deutschland notwendig?
    • Speicherkapazität: 2-10 TWh
    • Speicherleistung: 18-36 GW
  9. Nenne Sie 4 Anwendungsfelder von elektrischen Speichern
    • Spitzenlast-Glättung (peak shaving)
    • Lastverschiebung (load levelling)
    • Ausgleich von Überschüssen und Defiziten in einem mittleren (Stunden), längerfristigen (Tage bis Wochen) und saisonalem Zeitbereich
    • unterbrechungsfreie Stromversorgung /Backup-Systeme
  10. Skizzieren und beschriften Sie den Aufbau eines technischen Energiespeichersystems
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  11. Wie lauten die Anforderungen an Energiespeicher?
    • Lebensdauer:
    • hohe Zyklenlebensdauer
    • hohe kalendarische Lebensdauer
    • Wirtschaftlichkeit:
    • niedrige Herstellungskosten
    • niedrige Betriebskosten
    • niedrige Entsorgungskosten
    • Umweltverträglichkeit:
    • Herstellung
    • Nutzung
    • Entsorgung
    • energetische Qualität:
    • hohe Energiedichte
    • hohe Leistungsdichte
    • niedriger kumulierter Energieaufwand
    • geringe Verluste
    • geringe Selbstentladung
    • geringer Hilfsenergieverbrauch
    • hoher Systemnutzungsgrad
    • Sicherheit:
    • hohe Betriebssicherheit
    • geringes Schadenspotenzial
  12. Nennen Sie 4 Kennwerte, die ein technisches Energiespeichersystem auszeichnen und beschreiben Sie diese kurz
    • Energiedichte e_SP: Wh/kg oder Wh/m^3; nutzbare Energiemenge je Massen- oder Volumeneinheit
    • Energiemenge in Wh: nutzbarer Energieinhalt des Speichers
    • Zugriffszeit in s,min: Zeitdauer innerhalb der Speicher die Lade-/Entladeleistung von null auf einen bestimmten Wert steigert
    • Speicherdauer in s,min,h: Zeitdauer während der vollgeladene Speicher die Energie ohne nennenswerte Verluste speichert
    • Lebensdauer in Monaten: kalendarische oder durch eine Anzahl von Arbeitszyklen (ein Arbeitszyklus = Laden --> Speichern --> Entladen)
    • Leistungsdichte p_SP: W/kg oder W/m^3; nutzbare Leistung je Massen- oder Volumeneinheit
    • Lade-/Entladezeit T_EL: s,min,h; Zeitdauer zur Voll-/Entladung mit Nennleistung
    • Nenneleistung P_Nenn: W,kW, MW; Nenn-(Maximale) Lade-/Entlade-Leistung des Speichers
  13. Woraus setzt sich die Kapazität eines Doppelschichtkondensators zusammen?
    • poröse, kohlenstoffbasierte Oberflächenstruktur der Elektroden
    • beim Laden: Bildung von zwei Kondensatoren an beiden Elektroden durch Anziehungskräfte auf die im Elektrolyten enthaltenen pos. und neg. Ionen
    • Reihenschaltung ergibt Gesamtkapazität
    • Modell der Doppelschicht von Helmholtz
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  14. Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild eines Doppelschichtkondensators und erklären Sie die Bedeutung der Schaltelemente
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    • zwei Kapazitäten zwischen Elektroden und Elektrolyt
    • Reihenwiderstände für Elektrolyt und Elektroden
    • Parallelwiderstand für Selbstentladungseffekte
  15. Die Ruhespannung eines geladenen Doppelschichtkondensators ist nicht konstant. Welche Effekte treten innerhalb des Kondensators auf, die zu einer Veränderung der Spannung führen?
    • Selbstentladung (z.B. elektrochemische Reaktion zwischen Elektrode und Elektrolyt)
    • Alterungserscheinungen
  16. Nennen Sie Anwendungsfelder für Doppelschichtkondensatoren (Unterscheidung in niedrige und hohe Spannung)
    • niedrige Spannungen: 
    • Notstromversorgung für Sicherheitsgeräte
    • Batterieersatz
    • Hybridbatterien
    • USV
    • hohe Spannungen:
    • Pufferspeicher in Fahrzeugen (Batterie-, Brennstoffzellen-, Dieselhybrid- und Bahnfahrzeuge)
    • Kurzzeitspeicher in Fahrzeugen (Busse in Shanghai) und zur Stabilisierung des Stromnetzes
  17. Nennen Sie jeweils 3 Vor- und Nachteile von Doppelschichtkondensatoren
    • Vorteile:
    • sehr hohe Leistungsdichte
    • hoher Wirkungsgrad
    • keine spezielle Laderegelung
    • großer Temperaturbereich
    • hohe Zyklenlebensdauer
    • Nachteile:
    • geringe Energiedichte
    • niedrige Spannungsfestigkeit
    • hohe Kosten im Bezug auf Energie
    • Konkurrenz mit Hochleistungsbatterien
  18. Erklären Sie den Begriff Supraleitung. Nennen Sie 3 Faktoren durch welche diese beeinflusst werden
    • Supraleiter: Materialien, deren elektrischer Widerstand unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur T_c (auch Sprungtemperatur genannt) zu Null wird
    • Faktoren:
    • Material
    • Temperatur
    • äußeres Magnetfeld
    • Strombelastung
    • Druck
  19. Nennen Sie 4 Anwendungsfelder von supraleitenden Spulen
    • Verhinderung von Netzspannungseinbrüchen
    • unterbrechungsfreie Stromversorgung
    • Blindleistungskompensation
    • Erzeugung von Hochleistungsimpulsen z.B. für Plasmaphysik
  20. Wie sieht der Systemaufbau eines SMES aus?
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  21. Nennen Sie 3 Vor- und Nachteile von SMES
    • Vorteile:
    • Bereitstellung sehr hoher Leistungen
    • sofortige Verfügbarkeit einer sehr hohen Leistung
    • sehr hohe Leistungsdichte
    • sehr hohe Zyklenlebensdauer
    • Fähigkeit zur Teil- und Tiefenentladung
    • Nachteile:
    • hoher systemtechnischer und energetischer Aufwand für Kühlung
    • Demonstratoren aber kaum reale Anwendungen
    • hohe Selbstentladung
    • sehr hohe Herstellungs- und Betriebskosten
  22. Wie lautet der Energiefluss eines Schwungradspeichers?
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  23. Zeichnen Sie den Aufbau eines Schwungradspeichersystems. Beschriften Sie die Einzelkomponenten und erklären Sie ihre Funktion
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    • Schwungmasse: Energiespeicherung in Form von Rotationsenergie
    • elektrische Maschine: Energiewandlung mechanisch <--> elektrisch
    • Stromrichter: Schnittstelle zum Netz/zur Last; Regelung Lade-/Entladeleistung
    • Kühlung: Vermeidung von Überhitzung der Schwungmasse, der elektrischen Maschine und des Stromrichters
    • Gehäuse und Lagerung: Geräusch- und Berstschutz; Führung der Schwungmasse; Magnetlager für hohe Drehzahlen, Einstellen der Dämpfung und Steifigkeit
    • Vakuum-Pumpe: Bereitstellung eines Vakuums zwischen Gehäuse und Schwungmasse zur Reduzierung der Luftreibung
  24. Nennen Sie Vor- und Nachteile eines Schwungradspeichers
    • Vorteile:
    • hohe Lebensdauer
    • geringer Wartungsaufwand
    • geringe Umweltbelastung
    • großer Betriebsbereich
    • Leistung unabhängig von Kapazität dimensionierbar
    • Nachteile:
    • hohe Selbstentladung
    • hohe Kosten pro kWh
  25. Nennen Sie 4 Anwendungsfelder von Schwungradspeichern
    • stationär:
    • unterbrechungsfreie Stromversorgung
    • Bereitstellung von Spitzenleistungen (für Einschalt- und Anlaufvorgänge, Verringerung der Netzbelastung und der erforderlichen Anschlussleistung)
    • Lastausgleich in Inselnetzen
    • mobil:
    • Zwischenspeicher für Beschleunigungs- und Bremsenergie bei Fahrzeugen
    • Luft- und Raumfahrt und militärische Anwendungen
  26. Nennen Sie 2 Vorteile und Nachteile von Magnetlagern
    • Vorteile:
    • keine Reibung zwischen Welle und Lageraufnahme
    • keine zusätzlichen Schmiermittel benötigt
    • Drehzahl wird nur durch die Festigkeit des Rotors begrenzt
    • nahezu wartungsfrei
    • Nachteile:
    • Hilfsenergie notwendig
    • hoher regelungstechnischer Aufwand
    • doppelte Ausführung (für Ausfall)
  27. Nennen Sie 3 verschiedene Arten von chemischen Speichern
    • Batterien
    • Redox-Flow-Batterien
    • Power-to-Chemicals
  28. Beschreiben Sie den Aufbau einer Li-Ionen-Batterie
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  29. Nennen Sie zwei Hochtemperaturbatterien
    • Natrium-Nickelchlorid-Batterie
    • Natrium-Schwefel-Batterie
  30. Nennen Sie Vorteile von Hochtemperaturbatterien
    • hohe Lebensdauer
    • günstige, verfügbare Rohstoffe
    • bestehende Anlagen
    • auslaufende Patente
  31. Wie sieht der Aufbau einer Redox-Flow-Batterie aus?
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  32. Stellen Sie die chemischen Reaktionsgleichungen einer Blei-Säure-Batterie auf
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  33. Erklären Sie das Konzept von Hybridspeichersystemen. Welche Vorteile ergeben sich daraus?
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    • Hochleistungsspeicher ES1: 
    • hohe Leistungsdichte (pro Kosten)
    • hohe Zyklenlebensdauer
    • niedrige Zugriffszeit
    • hoher Wirkungsgrad
    • Hochenergiespeicher ES2:
    • hohe Energiedichte (pro Kosten)
    • hoher Wirkungsgrad
    • niedrige Selbstentladung
    • hohe kalendarische Lebensdauer
    • Vorteile:
    • Reduzierung der Gesamtinvestitionskosten (im Vergleich zu Einzeilspeicherlösung) infolge der Entkopplung von Energie und Leistung (ES2 muss nicht auf Spitzenleistung ausgelegt werden)
    • Steigerung der Gesamteffizienz (durch Betrieb von ES2 in optimierten Arbeitsbereichen)
    • Steigerung der Lebensdauer von Speicher ES2 (optimierter Betrieb von ES2 unter Reduzierung der dynamischen und statischen Beanspruchungen)
  34. Nennen Sie Optimierungspotenziale für die zukünftige Energieversorgung
    • Verringerung der Umwandlungsverluste
    • Verringerung des Endenergieverbrauchs in allen Sektoren
    • Erhöhung des Anteils der Gewinnung im Inland durch erneuerbare Energien
  35. Was beschreibt ein Ragone-Diagramm?
    • Ragone-Diagramme stellen die Leistungsdichte von Energiespeichertechnologien über ihrer Energiedichte dar
    • Eine Alternative Darstellung zeigt die Entladedauer über der Kapazität dar
  36. Wie sieht das Ragone-Diagramm für Leistungsdichte über Energiedichte aus?
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  37. Wie sieht das Ragone-Diagramm für Entladedauer über Kapazität aus?
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  38. Was beschreibt das Coulombsche Gesetz?
    Das Coulombsche Gesetz beschreibt die Kraftwirkung zweier elektrischer Punktladungen aufeinander
  39. Was gibt die relative Permittivität an?
    • Die Permittivität ist das Verhältnis der elektrischen Flussdichte zur elektrischen Feldstärke in einem Isolator
    • Die relative Permittivität ist das Verhältnis der Permittitvät des Isolators zu der des Vakuums
  40. Nennen Sie 4 Anwendungen von Hybridspeichersystemen
    • Elektro- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge
    • Inselsysteme auf Basis von erneuerbaren Energien
    • Optimierung großer Wind- und PV-Parks
    • Hausenergie-, Gewerbe- und Industriebereich (netzgekoppelt)
Author
Quintus
ID
341268
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Elektrische Speicher Theorie
Description
Theorieteil
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