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\begin{document}
	\klausur{EESYS-GEI-B Grundlagen der Energieinformatik}
		{Prof. Dr. Thorsten Staake}
		{Wintersemester 17/18}
		{90}
		{Taschenrechner}

	\begin{enumerate}
		\item \textbf{Grundlagen der Energietechnik (total = 10)}

		\begin{enumerate}
			\item Wie viel Energie ist in folgenden System enthalten? (6)?
			\begin{enumerate}
				\item Elektrofahrrad mit Fahrerin, $m=105 kg$, $v=25 km/h$ (kinetische Energie; einfacher Fall, also nur Translation ohne Berücksichtigung der Drehung der Räder)
				\item Vollständig geladene Smartphone-Batterie mit einer Spannung von $3,8 V$ und einer Batteriekapazität von $2900 mAh$ (elektrische Energie)
				\item Einer Tasse Tee Inhalt Wasser mit $c=4182 J/(kg \cdot K)$, $Volumen=0,4 L$, Temperatur $95°C$, Raumtemperatur $22°C$ (Wärmeenergie gegenüber Raumtemeperatur)
			\end{enumerate}
			\item Wie viel Energie (Heizwert oder Brennwert in kWh) ist in einem Liter Heizöl enthalten? Wie viel $CO_{2}$ entsteht bei dessen vollständiger Verbrennung? (2)
			\item Wie hoch ist der Gesamtwirkungsgrad des folgenden Systems: Der Wirkungsgrad eines Elektromotors eines Elektroautos beträgt 95\%, und der Wirkungsgrad des Kohlekraftwerks, das den Strom erzeugt, beträgt 40\%. (2)
		\end{enumerate}

		\item \textbf{Elektrizitätsversorgung (total = 14)}
		\begin{enumerate}
			\item Ungefähr 18\% des Energieverbrauchs („final energy consumption“) in OECD-Ländern wird mit Strom gedeckt. Zugleich verursacht der Stromverbrauch rund 30\% des Primärenergieverbrauchs aus. Wodurch erklärt sich der große Unterschied? (2)
			\item Insbesondere bei der Kohleverstromung spricht man häufig von „hohen nicht-internalisierten Kosten“. Nennen Sie drei wesentliche, nicht-internalisierte Kosten bei der Verstromung von Kohle und schlagen Sie konkrete Maßnahmen vor, um diese Kosten zu internalisieren. (3)
			\item Nach welchem technischen Prinzip „erkennen“ Kraftwerke in einem konventionellen Wechselstromnetz, dass zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität geringfügig mehr oder weniger Strom eingespeist werden sollte? Benennen und erklären Sie die Prinzip kurz. (3)
			\item Elektrische Energie lässt sich in großem Maßstab nur schwer unmittelbar speichern. Dennoch sind Energiespeicher für die Stromversorgung wichtig. Welche technischen Ansätze für den Aufbau entsprechender Speicher gibt es, und in welcher Form liegt die gespeicherte Energie jeweils vor? Nennen Sie vier gängige Ansätze. (4)
			\item Warum sind mit der Vorhaltung von Regelenergie sehr hohe Kosten verbunden? (2)
		\end{enumerate}
		
		\newpage
		\item \textbf{Stromnetzen (total = 14)}\\
		Gegeben sei das Ersatzschaltbild einer Taschenlampe (Abbildung 1) mit folgenden Parametern:
		\begin{itemize}[noitemsep]
			\item Spannung der Batteriezelle $U_{B} = 3.6V$
			\item Innenwiderstand der Batterie $R_{i} = 2 \Omega$
			\item Widerstand zur Modellierung der Selbstentladung $R_{e} = 1000 \Omega$
			\item Widerstand der Glühbirne $R_{g} = 24 \Omega$
		\end{itemize}
		\begin{enumerate}
			\item Bestimmen Sie dir Ströme $I_{B}$,$I_{e}$ und $I_{g}$. (6)
			\item Bestimmen Sie die Verluste in der Batterie im Betrieb. (3)
			\item Bestimmen Sie den Gesamtwirkungsgrad des Systems im Betrieb. (3)
			\item Ist ein hoher oder ein niedriger Widerstand für $R_{i}$ wünschenswert? Was gilt für $R_{e}$?\\
			Begründen Sie Ihre Antwort kurz qualitativ. (2)
		\end{enumerate}
		
		\image{0.7}{schaltbild.png}{Ersatzschaltbild einer Taschenlampe}{Ersatzschaltbild einer Taschenlampe}
		
		\item \textbf{IT (total = 12)}
		\begin{enumerate}
			\item Zeichen Sie ein Schaltbild eines CMOS-Inverters auf Transistoren-Ebene. (2)
			\item Zeichnen Sie ein Schaltbild eines CMOS-NOR-Gatters auf Transistoren-Ebene. (2)
			\item Der Energieverbrauch eines CMOS-Inverters setzt sich – vereinfacht betrachtet – zusammen aus den Großen $P_{Switching}$, $P_{Short_Circuit}$ und $P_{Leakage}$. Erklären Sie, wie die Verbräuche entstehen. (3)
			\item Welchen Einfluss hat die Strukturgröße von integrierten Schaltungen auf den Energieverbrauch je Transistor? Was ist der Mechanismus dahinter? (2)
			\item Moderne Prozessoren passen ihre Versorgungsspannung dynamisch an die erforderliche Rechenleistung an, um Energie zu sparen. Geben Sie eine Formel an, die den Zusammenhang zwischen Versorgungsspannung und Energieverbrauch von CMOS-Logik beschreibt. Warum wählt man nicht gleich das niedrigste Spannungsniveau und spart sich die dynamische Anpassung im Betrieb? (3)
		\end{enumerate}
	
		\newpage
		\item \textbf{Demand Side Management (total = 10)}
		\begin{enumerate}
			\item Warum ist Demand Side Management sinnvoll...
			\begin{enumerate}
				\item ...aus der Sicht der Erzeugerseite? Nennen Sie zwei Gründe. (2)
				\item ...aus Sicht der Netzbetreiber? Nennen Sie zwei Gründe? (2)
			\end{enumerate}
			\item In wie weit können Smart Meter helfen, Lastverschiebungsprogramme in Haushalten durchzusetzen, auch ohne dass der Energieversorger direkt auf einzelne elektrische Verbraucher zugreift? (3)
			\item An den Strombörsen treten mitunter negative Strompreise auf. Was sind die Voraussetzungen für dieses Phänomen? Bei negativen Strompreisen werden Marktakteure für den Energieverbrauch „belohnt“; warum ist das nicht notwendigerweise ein Fehler des Systems? (3)
		\end{enumerate}
		
		\item \textbf{Energiemärkte (total = 22)}
		\begin{enumerate}
			\item Was versteht man bei Strommärkten unter dem Begriff „Unbundling“? (2)
			\item Welche Aspekte eines „Unbundling“ könnten zu niedrigeren, welche zu höheren Endverbraucherpreisen führen? Geben Sie jeweils zwei Aspekte an. (4)
			\item Ein wettbewerblich organisierter Strommarkt, in dem Kunden den Anbieter frei wählen können, erfordert häufig Finanzprodukte zum Handel von Energie/Strom. Weshalb? (3)
			\item Elektrizität wird in Deutschland zum Teil außerbörslich gehandelt (auch Freiverkehrs- oder OTC-Handel genannt) und zum Teil an der Börse gehandelt. Nennen Sie je einen Vor- und einen Nachteil des börslichen Handels. (2)
			\item Was versteht man im Bereich der Stromerzeugung unter dem Merit-Order-Prinzip? Erklären Sie das Prinzip kurz. (2)
			\item Zeichnen Sie einen Merit-Order-Graphen für die folgenden Kraftwerke mit den gegebenen Grenzkosten und Kapazitäten: (6)\\
			\begin{table}[h]
				\centering
				\begin{tabular}{clccc} 
					i. & Kernkraft & 5 EUR/MWh; & 15 GW \\ 
					ii. & Braunkohle & 40 EUR/MWh; & 17 GW \\ 
					iii. & Steinkohle & 60 EUR/MWh; & 20 GW \\ 
					iv. & Gas „Combined Cycle“ Typ 1 & 50 EUR/MWh; & 5 GW \\ 
					v. & Gas „Combined Cycle“ Typ 2 & 65 EUR/MWh; & 10 GW \\ 
					vi. & Gas konventionell & 70 EUR/MWh; & 5 GW \\ 
					vii. & Öl & 100 EUR/MWh; & 2 GW \\ 
				\end{tabular} 
			\end{table}
		\end{enumerate}
	
		\item \textbf{Rebound-Effekte (total = 8)}
		\begin{enumerate}
			\item Erklären Sie, was in Bezug auf Technologien zur Steigerung der Energieeffizienz unter den folgenden Begriffen zu verstehen ist und nennen Sie je ein Beispiel. (6)
			\begin{enumerate}
				\item Direkte Rebound-Effekte
				\item Indirekte Rebound-Effekte
				\item Makroökonomische Rebound-Effekte
			\end{enumerate}
			\item Stellen Sie sich vor, Sie arbeiten bei einer Lobby-Organisation für Windkraftanlagen. Haben Sie Interesse daran, den Rebound-Effekt möglichst kleinzureden oder dessen Bedeutung möglichst stark zu betonen? Begründen Sie Ihre Antwort. (2)
		\end{enumerate}
	\end{enumerate}
\end{document}