Grundlagen Nachwachsende Rohstoffe und Erneuerbare Energien 2
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MODULGUIDE Grundlagen Nachwachsende Rohstoffe und Erneuerbare Energien 2 Semester 3 Modulleitung Christoph Koller Dozierende im Kurs Christoph Koller Olivier Merlo Sven Strebel Thalia Meier Kevin Arm L e t z t e Ak t u a l i s i e r u n g April 2015 ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften Institut Umwelt und Natürliche Ressourcen Grüental, CH-8820 Wädenswil Telefon www.lsfm.zhaw.ch – +41 58 934 59 59 www.iunr.zhaw.ch INHALTSVERZEICHNIS M - 1. Überblick über das Modul ................................................................................................................... 1 M - 2. Modulziele ..................................................................................................................................... 3 M - 3. Modulinhalte ................................................................................................................................... 4 M - 4. Lernen im Modul .............................................................................................................................. 6 M - 5. Pflichtlektüre, empfohlene und weiterführende Literatur ............................................................................... 7 M - 6. Leistungsnachweis ........................................................................................................................... 7 M - 7. Semesterprogramm .......................................................................................................................... 8 M - 1. ÜBERBLICK ÜBER DAS MODUL M - 1.1 FORMALE BESCHREIBUNG Code n.BA.UI.GLNREE2 Modul Grundlagen Nachwachsende Rohstoffe und Erneuerbare Energien 2 Status Pflichtmodul ECTS-Credits 6 Semester 3 M - 1.2 ABSTRACT Das Modul baut auf dem Modul GL NREE 1 auf und gibt einen vertieften Einblick in die Technologien und Anwendungen von erneuerbaren Energien. Die Möglichkeiten der energetischen Nutzung von Sonne werden weiterführend erläutert. Zugleich werden übergeordnete, relevante Themen vor allem aus dem Bereich der Elektronik und Physik behandelt. Das Modul ist in einzelne Unterrichtseinheiten gegliedert. Diese vermitteln die theoretischen Grundlagen, welche mit Hilfe von schriftlichen und praktischen Übungen besser verständlich gemacht werden. M - 1.3 GENERELLE ZIELE Die Studierenden sind in der Lage, die Grundlagen der solaren Energiesysteme zu verstehen und können mit elektrischen Solarsystemen arbeiten. Sie kennen die klimatologischen, physikalischen und technischen Grundlagen der Solarenergienutzung für die Stromproduktion. Die Studenten verfügen über das Grundlagenwissen in Elektrotechnik, welches die physikalische Grundlage für Solarelektrische Anlagen beinhaltet. M - 1.4 LEISTUNGSNACHWEIS Die Endnote setzt sich aus einer Erfahrungsnote (33 %) und einer bewerteten Prüfung am Ende des Semesters (67 %) zusammen. M - 1.5 AUFBAU DES MODULS Abb. 1: Aufbau des Moduls mit den unterschiedlichen Lernformen z.B. aus Praktika und Praxiserfahrungen, beim Präsenzunterricht und selbständigen Studium. Das Modul GL_NREE_2 hat einen Workload von 180 Lektionen, 30 Lektionen davon entfallen auf die Projektwoche. 75 Lektionen werden in Form von Kontaktlektionen und Praktika absolviert, die restlichen 75 Lektionen sind Selbststudium. Der Unterricht inklusive Praktika hat ein Stundenausmass von 5 Lektionen pro Woche. 1 Pro Modultag werden 5 Unterrichtseinheiten gehalten. Übergreifende Übungen und Praktika können einen ganzen Tag beanspruchen. M - 1.6 ZUGANGSVORAUSSETZUNGEN Fach- und Methodenkompetenz Energiewirtschaft und Physik Die Studierenden…. kennen den Unterschied zwischen vektoriellen und skalaren Grössen. können mit Vektoren rechnen und benutzen Vektoren, falls dies notwendig ist. kennen die grundlegenden Grössen, welche zur Beschreibung von Wellen benutzt werden. kennen die Auswirkungen der beiden zur Beschreibung der Schwarzkörperstrahlung relevanten Gesetze bezüglich der Solarenergie und der Thermographie. können den Energietransport aufgrund von Schwarzkörperstrahlung berechnen. können den Energietransport aufgrund von Wärmeleitung durch mehrere Schichten berechnen und mithilfe dieser Gesetze den stationären Wärmeverlust von einem Haus berechnen. können Energiemengen abschätzen, die auf der Ebene Privathaushalt, Gemeinde, Staat relevant sind. sind vertraut mit Förderprogrammen und der allgemeinen Entwicklung im Energiebereich in der Schweiz. Die Kompetenzen werden im 1. Studienjahr vor allem in den Modulen NNR und GL_NREE_1 erworben. Sozial- und Selbstkompetenz Die Studierenden… können Aufgaben im Team lösen. M - 1.7 EVALUATION DES MODULS Das Modul wird jedes Jahr im Plenum mündlich reflektiert und evaluiert. Dazu kommt eine jährliche schriftliche Evaluation, welche folgende Punkte umfasst: Schriftliches Feedback basierend auf geschlossenen Fragen zu jedem Dozenten bezüglich Fachkompetenz, Methodenkompetenz und Engagement. Die Evaluation dient hauptsächlich der Weiterentwicklung des Moduls und wird mit der Fachstelle Erneuerbare Energien ausgetauscht. 2 M - 2. MODULZIELE M - 2.1 KOMPETENZEN UND LEARNING OUTCOMES Das Modul vermittelt praxisnahe Kenntnisse und ist wesentlich für die Vertiefungsmodule von „Nachwachsende Rohstoffe und Erneuerbare Energien“ der nachfolgenden Semester. Fach- und Methodenkompetenzen: Die Studierenden… …können die wichtigsten Begriffe aus der Elektronik verknüpfen und angewandte Berechnungen erstellen. …kennen die Anwendungsgebiete von Gleich- und Wechselstromsystemen. …wissen, welches die Möglichkeiten und Schwierigkeiten der Übertragung und Speicherung (elektrischer) Energie sind. …wissen, wie elektrische Energie erzeugt und transformiert wird und kennen die zugrunde liegende Materialphysik. …können einfache Beispiele der Mess- und Regelungstechnik analysieren und umsetzen. …können mit Simulationsprogrammen Ertragsprognosen erstellen. …verstehen technisches Englisch in Form von Referaten, Fachartikeln o.ä. …lösen angewandte, mathematische Aufgaben selbständig und sicher. 3 M - 3. MODULINHALTE M - 3.1 THEMATISCHE EINFÜHRUNG IN DAS MODUL Grundsätzlich wird zwischen zwei Systemen der solaren Energienutzung unterschieden: Thermische Nutzung und Photovoltaik. In diesem Modul geht es nur um den Aspekt der Photovoltaik. Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, in elektrische Energie mittels Solarzellen. Seit 1958 wird sie in der Raumfahrt genutzt. Inzwischen wird sie überwiegend auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet unter anderem Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, in Taschenrechnern, an Schallschutzwänden und auf Freiflächen. M - 3.2 INHALTLICHE SCHWERPUNKTE Die Studenten verstehen, wie elektrische Energie aus Sonne erzeugt, verteilt und genutzt wird. Welches sind die zu Grunde liegenden Technologien und Modelle? Welche Probleme ergeben sich aus der Tatsache, dass elektrische Energie in grossen Mengen nicht europaweit gespeichert werden kann? Wie lassen sich mit Hilfe von Simulationsprogrammen Prognosen Solarstrom erstellen? Elektrotechnik Grundbegriffe (abgeglichen mit dem Modul „Physik“, ebenfalls 3. Semester): Strom, Spannung, Widerstand, Kennlinien, Spulen, Leiter, Halbleiter etc. Erzeugung von elektrischer Energie: Induktion, magnetische Dipole, Synchron- und Asynchrongeneratoren, innerer photoelektrischer Effekt, Valenz- und Leitungsband, MPP-Tracker… Übertragung von el. Energie: Wechselrichter, Hochspannungsleitungen, Transformatoren… Mess- und Regelungstechnik: Schaltung, Regelung, Logik-Elemente, Wahrheitstabelle… Photovoltaik Anlagenkomponenten: Module, Wechselrichter, Speicher, Verkabelung, Einspeisung… Energieertrag: Solarkonstante, Ausrichtung der Module, Beschattung, Wirkungsgrad Anlagetypen: Insel- und Netzanlagen Softwaretools: PV-SOL und verschiedene Online-Tools M - 3.3 BEZUG ZUR NACHHALTIGEN ENTWICKLUNG Angebotsentwicklung im Bereich der Photovoltaik bedingt eine schonende Nutzung, Förderung und Weiterentwicklung von Ressourcen wie Rohstoffen aber auch Natur- und Kulturlandschaften. Diese Thematik wird mittels einer LCA Analyse im Unterricht vermittelt. Grundlegend ist die Zusammenarbeit und Einbezug der regionalen Bevölkerung als lokale Wissensträger, Experten und Leistungsträger. Der ökologische Mehrwert von Solarstrom wird heute in der Schweiz durch die KEV vergütet. KEV bedeutet „Kostendeckende Einspeisevergütung“ und ist dafür geschaffen worden, den ökologischen Mehrwert von Energie aus erneuerbaren Energien auszugleichen. Die Umwandlung von Energie aus erneuerbaren Energienträgern verursacht immer noch höhere Kosten als die Umwandlung von Strom aus konventionellen Energieträgern. 4 Ethische Grundlagen 1 0.8 Transformation 0.6 ökologische Dimension 0.4 0.2 0 zeitliche Dimension räumliche Dimension gesellschaftliche Dimension wirtschaftliche Dimension Abb. 2: Darstellung der spezifischen Dimensionen mit ihren Gewichtungen im Modul. 5 M - 4. LERNEN IM MODUL M - 4.1 DIDAKTISCHE GRUNDSÄTZE Der Lernprozess des Modules ist grundlegend zielorientiert gesteuert. Die Inhaltserschliessung erfolgt zum einen fachsystematisch durch die Vermittlung von theoretischem Basiswissen, welches anhand von exemplarischen Beispielen vertieft und angewandt wird. Erfahrungslernen steht bei der Projektwoche im Zentrum. M - 4.2 LERNARRANGEMENTS Die wichtigsten Lernarrangements sind die folgenden: Fallbeispiele zu folgenden Themen Installationen in Entwicklungs- und Schwellenländern Inselanlage im schweizerischen Berggebiet Netzverbundanlage im schweizerischen Mittelland Projektarbeit Begleitete und selbstständige Projektbearbeitung in Gruppen zu unterschiedlichen Themen in Netzverbundanlage. Vorlesungen mit und ohne Übungen Vorlesungen im Bereich Technische Grundlagen, Physik und Photovoltaik. Vermittlung der Ausgangslage in der Projektregion. Kolloquium Das Kolloquium soll über den Zwischenstand der Projektarbeiten informieren und dient zur Prüfung der Inhalte auf formale Vorgaben. Die Gruppen informieren über Aufgabenstellung, Ziele, Ideen, gewählte Methode, Lösungsansätze, mögliche Schwierigkeiten und offene Fragen. Eine anschliessende Klärung und Diskussion im Plenum mit Feedback der Modulleiter und Gruppenbetreuer gibt wertvolle Impulse für die Weiterarbeit. Literaturrecherche Während der Literaturrecherche werden Inhalte des Moduls vertieft und von der theoretischen Seite beleuchtet. Sie begleitet und unterstützt die Entwicklung der Projektarbeit. E-Learning-Plattform Verwendung der E-Learning-Plattform Moodle zur modulinternen Kommunikation und Dokumentation. M - 4.3 ART DER DOKUMENTATION Handouts und Literatur/Pflichtlektüre der jeweiligen Dozenten. Sämtliche Dokumente von Seiten der Dozenten sind über die E-Learningplattform Moodle zugänglich. 6 Eigene Notizen M - 5. PFLICHTLEKTÜRE, EMPFOHLENE UND WEITERFÜHRENDE LITERATUR Weiterführende Literatur: Häberlin H. , Photovoltaik, Electrosuisse, 2010 Wagemann H.-G., Photovoltaik, Teubner, 2007 Hagmann G., Grundlagen der Elektrotechnik, Aula, 2009 M - 6. LEISTUNGSNACHWEIS M - 6.1 QUALIFIKATIONSSCHRITTE Am Ende des Semesters findet eine abgesetzte Modulprüfung statt. Zudem werden zu jeder Unterrichtseinheit eine schriftliche Übung abgegeben. Diese Übungen werden zu Beginn der nächsten Unterrichtseinheit abgegeben und bewertet. Der Durchschnitt der besten 10 Übungen ergibt die Erfahrungsnote. Diese Erfahrungsnote zählt zu einem Drittel, die Modulprüfung am Ende des Semesters zu zwei Dritteln. M - 6.2 RAHMENBEDINGUNGEN Es gilt das jeweils aktuelle Prüfungsreglement der ZHAW Dep. N. An die Prüfungen können eine selbst verfasste Zusammenfassung (Umfang wird rechtzeitig bekannt gegeben) und ein Taschenrechner mitgebracht werden, ansonsten keine weiteren Unterlagen oder Hilfsmittel. 7 M - 7. SEMESTERPROGRAMM Das detaillierte Semesterprogramm des Moduls wird zu Beginn der Veranstaltung abgegeben. Projektwoche 30 Semesterwoche 1 Einführung, Geschichte PV, Vorlesung Kontaktunterricht 2 Logikschaltungen Vorlesung Kontaktunterricht 2 Elektrostatik, Vorlesung Kontaktunterricht 2 Bewertete Freies Selbststudium 2 Vorlesung Kontaktunterricht 2 Einführung Messungen Praktika Anschauungsunterricht 2 elektrisches Feld, Vorlesung Kontaktunterricht 2 Bewertete Freies Selbststudium 2 Kontaktunterricht 2 Anschauungsunterricht 2 Kontaktunterricht 2 Coulombkraft Übungsserie 1 Hausaufgabe Semesterwoche 2 Funktionsprinzip einer PVZelle Spannung Übungsserie 2 Hausaufgabe Semesterwoche 3 Herstellung und Vorlesung Eigenschaften versch. Technologien Serie- und Praktika Parallelschaltung Strom, Widerstand, Vorlesung 2 Leistung Übungsserie 3 Bewertete Freies Selbststudium 2 Hausaufgabe Semesterwoche 4 Kennlinie Solarzelle Vorlesung Kontaktunterricht 2 Bestimmen von MPP Praktika Anschauungsunterricht 2 Maschen und Knotenregel Vorlesung Kontaktunterricht Freies 2 Übungsserie 4 Bewertete Selbststudium 2 Vorlesung Kontaktunterricht 2 einer Inselanlage Praktika Geleitetes Selbststudium 2 RC Glied Vorlesung Kontaktunterricht 2 Übungsserie 5 Bewertete Freies Selbststudium 2 Hausaufgabe Semesterwoche 5 Auslegen einer Inselanlage Gruppenarbeit Auslegen Hausaufgabe Semesterwoche 6 Komponente Laderegler Vorlesung Kontaktunterricht 2 Softwaremässiger Aufbau Praktika Anschauungsunterricht 2 Vorlesung Kontaktunterricht 2 Laderegler Magnetisches Feld 8 Übungsserie 6 Bewertete Freies Selbststudium 2 Hausaufgabe Semesterwoche 7 Planung einer Inselanlage Vorlesung Kontaktunterricht 2 Übung SPS Praktika Anschauungsunterricht 2 Gleichstrommotor Vorlesung Kontaktunterricht 2 Übungsserie 7 Bewertete Freies Selbststudium 2 Vorlesung Kontaktunterricht 2 Übung Praktika Anschauungsunterricht 2 Komplexe Zahlen Vorlesung Kontaktunterricht 2 Übungsserie 8 Bewertete Freies Selbststudium 2 Hausaufgabe Semesterwoche 8 Elektrisches Schema der Modulfelder Hausaufgabe Semesterwoche 9 Blitzschutz Vorlesung Kontaktunterricht 2 Übung Praktika Anschauungsunterricht 2 Induktion Vorlesung Kontaktunterricht 2 Übungsserie 9 Bewertete Freies Selbststudium 2 Hausaufgabe Semesterwoche 10 Wechselrichter Vorlesung Kontaktunterricht 2 Übung zu Wechselstrom Praktika Anschauungsunterricht 2 und Gleichstrom Wechselstrom und 2 Vorlesung Kontaktunterricht Bewertete Freies Selbststudium 2 Impedanz Übungsserie 10 Hausaufgabe Semesterwoche 11 Hausanschlusskasten Vorlesung Kontaktunterricht 2 Übung Trafo / Praktika Anschauungsunterricht 2 RCL-Glied Vorlesung Kontaktunterricht 2 Übungsserie 11 Bewertete Freies Selbststudium 2 Stromproduktion Generator Hausaufgabe Semesterwoche 12 Verbraucher Vorlesung Kontaktunterricht 2 Praktikum Wechselstrom Praktika Anschauungsunterricht 2 3 Phasenwechselstrom, Vorlesung Kontaktunterricht 2 Bewertete Freies Selbststudium 2 Kontaktunterricht 5 Trafo, Tiefpass Übungsserie 12 Hausaufgabe Semesterwoche 13 Gesamtsystem Vorlesung Feedback Übungsserie 13 1 Bewertete Freies Selbststudium 2 Hausaufgabe 9
