Energiewissenschaften
Energy Science

Einführung

• Energieformen, typische Energiegrößen
• Qualität von Energie: Entropie, Exergie und Anergie
• Energiewandlung und Effizienz
• Energiequellen und Energieverbrauch

Thermodynamik von Energiewandlungsprozessen

• Kreisprozesse: allgemeine Betrachtungen
• Stationäre Fließgleichgewichte
• Thermodynamische Beschreibung von Kraftwerken
• Exergieanalyse von Kraftwerkskomponenten und Wärmepumpen

Brennstoffzellen

• Funktionsweise und allgemeiner Aufbau
• Thermodynamik von Brennstoffzellen
• Überblick über die verschiedenen Brennstoffzellentypen

Solare Strahlung und Solarthermie

• Solarstrahlung
• Konzentration von Solarstrahlung
• Solarthermische Energiewandlung
• Flachkollektoren, Heliostate und Solartürme

Photovoltaik

• Funktionsweise von Solarzellen, Effizienz, Verlustmechanismen
• Thermodynamische Betrachtungen von Solarzellen
• Aufbau von Solarzellen

Photosynthese und Solare Brennstoffe

Nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul ist der / die Studierende
in der Lage:

• Die energetische und exergetische Effizienz von Energiewandlungsprozessen zu bestimmen
• Thermodynamische Analysen von stationären Fließgleichgewichten durchzuführen und auf die Komponenten von Dampf- und Gaskraftwerken anzuwenden
• Das Prinzip von Brennstoffzellen zu erläutern
• Energiebilanzen bei der solarthermischen Wandlung herzuleiten
• Prinzip, maximale und reale Wirkungsgrade der Si-Solarzelle zu diskutieren

Grundlagen in Thermodynamik und Festkörperphysik

Bei diesem Modul handelt es sich um eines der Spezialisierungsmodule des sechsten Fachsemesters. Die zugehörigen Lehrveranstaltungen werden in der Regel "kompakt" angeboten. Das heißt, dass die für die Lehrveranstaltungen angesetzten Semesterwochenstunden (2V 1Ü) in den Wochen der ersten Semesterhälfte in komprimierter Form (4V 2Ü) dargeboten werden. Die restliche Vorlesungszeit verbleibt somit für die arbeitsintensive Endphase der Bachelor-Arbeit.

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lehrinhalte im Vortrag präsentiert und durch anschauliche Beispiele sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden die Studierenden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert. Stetige Querverweise auf die bereits früher vermittelten Grundlagen lassen die universellen Konzepte der Physik mehr und mehr erkennbar werden.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, die die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte bearbeiten sollen. In den Übungen werden die unter der Woche gerechneten Aufgaben von den Studierenden und einer/m wissenschaftlichen Mitarbeiter(in) an der Tafel vorgerechnet und besprochen. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die verschiedenen Lernformate sind eng verzahnt und befinden sich im ständigen Austausch.

Vorlesung: Frontalunterricht mit Tafelvortrag und Präsentation
Übung: Arbeitsunterricht (Übungsaufgaben rechnen), Diskussionen und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff

K. Krischer, K. Schönleber, Physics of Energy Conversion, De Gruyter 2015 (Lehrbuchsammlung, E-book)

E. Hahne, Technische Thermodynamik, Addison Wesley 2000 (Lehrbuchsammlung)
J. Larmine, A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Wiley
P. Würfel, Physik der Solarzellen (neuere Auflage auf Englisch)

Es findet eine mündliche Prüfung von 40 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Erläutern Sie den Unterschied zwischen energetischem und exergetischem Wirkungsgrad anhand einer Kompressionswärmepumpe.
• Vergleichen Sie Temperatur-Entropie-Diagramme eines idealen Rankine-Zykus mit einem Carnot-Zyklus und erläutern Sie, wie die einzelnen Prozesse des Rankine-Zyklus in einem Dampfkraftwerk realisiert werden.
• Wodurch wird die reversible Zellspannung einer Brennstoffzelle bestimmt, und welches sind die Hauptverlustkanäle, die zu Abweichungen zwischen maximalen und realen Zellspannungen führen.
• Diskutieren Sie die Wärmeflüsse in einem solarthermischen Wandler anhand eines Ersatzschaltbilds und leiten Sie den thermischen Wirkungsgrad aus den entsprechenden Bilanzgleichungen her.
• Diskutieren Sie Energie- und Exergieflussdiagramme für die Energiekonversion in einer Solarzelle und erläutern Sie die physikalischen Mechanismen der einzelnen Verlustprozesse.

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.