Energienetze, Werkstoffkunde und nachhaltiges Recycling

Energienetze und Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Primär-Netzwerke: Hierbei handelt es sich um Gruppen von Leitungen, die Umspannwerke mit Transformatorenstationen verbinden. Teilnetze: Eine Gruppe von Kabeln verbindet die Umspannwerke der Transformation mit dem Anschluss von Gebäuden.

Der KWK-Prozess und KWK-Anlagen

Der KWK-Prozess beschreibt die Verwendung der verbleibenden Energie, wenn elektrische oder mechanische Energie produziert wird. KWK-Anlagen lassen sich wie folgt unterteilen:

• KWK mit Dieselmotoren: Diese funktionieren wie ein Standard-Dieselmotor, an den ein Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist.
• KWK-Erzeugung durch Gasturbinen: Diese funktionieren ähnlich wie Flugzeugtriebwerke, wobei Reaktoren verwendet werden, die über mehrere Megawatt leisten.

Sparmöglichkeiten im Bereich Heizung und Licht

Heizung: Um Energie zu sparen, sollten Wände thermisch isoliert und Doppelverglasungen eingesetzt werden. Zudem ist es ratsam, ein Ventil an jedem Heizkörper zu haben, um den Wasserfluss bei Bedarf zu regulieren. Türen zur Straße sollten geschlossen bleiben und Fenster bei ausgeschalteter Heizung nur für etwa 10 Minuten zum Stoßlüften geöffnet werden. Beleuchtung: Schalten Sie das Licht aus und nutzen Sie Jalousien. Lassen Sie keine Lichter brennen oder Maschinen laufen, wenn diese nicht benötigt werden.

Geschichte und Klassifizierung von Werkstoffen

Notwendigkeit materieller Objekte: Es besteht eine enge Beziehung zwischen den verwendeten Materialien und der jeweiligen Epoche. In prähistorischen Zeiten wurden Werkstoffe wie folgt genutzt:

• Steinzeit: Verwendung von Steinwerkzeugen.
• Knochenalter: Funde von Werkzeugen aus Knochen.
• Bronzezeit: Herstellung durch die Kombination von Kupfer und Zinn. Diese Werkzeuge waren härter und einfacher zu gewinnen.
• Eisenzeit: Eisen war schwieriger zu verarbeiten als Kupfer und Zinn. Um Verunreinigungen zu entfernen und Werkzeuge herzustellen, musste das Erz unter sehr hohen Temperaturen geschmolzen werden. Der Vorteil liegt in der größeren Härte der Werkzeuge.
• Aktuelle Epoche: Diese könnte aufgrund der bedeutenden Rolle in der Elektronik als Silizium-Zeitalter bezeichnet werden.

Klassifizierung von Materialien

Materialien sind die grundlegenden Stoffe, aus denen Produkte hergestellt werden. Sie werden wie folgt klassifiziert:

• Natürliche Stoffe: In der Natur vorkommende Materialien wie Holz, Wolle, Espartogras, Ton oder Gold.
• Künstliche Materialien: Diese werden aus natürlichen Rohstoffen gewonnen oder aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt.
• Synthetische Materialien: Vom Menschen aus künstlichen Materialien hergestellte Stoffe.

Eigenschaften von Materialien

Sensorische und optische Eigenschaften

Die sensorischen Eigenschaften umfassen Faktoren wie Berührung, Geruch, Form, Helligkeit, Textur und Farbe. Die optischen Eigenschaften beziehen sich auf die Reaktion des Materials bei Lichteinfall:

• Undurchsichtige Materialien: Es geht kein Licht hindurch.
• Transparente Materialien: Licht fällt hindurch.
• Transluzente (lichtdurchlässige) Materialien: Licht geht hindurch, aber man kann nicht klar hindurchsehen.

Thermische, magnetische und chemische Eigenschaften

Thermische Eigenschaften beschreiben das Verhalten eines Materials hinsichtlich seiner Wärmekapazität. Magnetische Eigenschaften beziehen sich beispielsweise auf eisenhaltige Metalle, die von einem Magneten angezogen werden. Zu den wichtigsten chemischen Eigenschaften gehören die Oxidation und die Korrosion.

Mechanische Eigenschaften

• Elastizität: Die Fähigkeit eines Materials, nach einer Krafteinwirkung seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen.
• Plastizität: Das Material bleibt nach der Verformung in der neuen Form.
• Duktilität: Die Fähigkeit eines Materials, sich zu Fäden dehnen zu lassen.
• Formbarkeit: Die Fähigkeit, sich ohne zu brechen in Platten verarbeiten zu lassen.
• Härte: Der Widerstand eines Körpers gegen das Zerkratzen oder Eindringen.
• Fragilität (Sprödigkeit): Das Material zerbricht, wenn eine Schlagkraft darauf einwirkt.
• Zähigkeit: Der Widerstand eines Körpers gegen Bruch bei langsamer Verformung.
• Ermüdung (Fatiga): Verformung eines Materials unter variablen Lasten über einen gewissen Zeitraum.
• Zerspanbarkeit (Maquinabilidad): Die Leichtigkeit, mit der ein Körper durch Spanabheben bearbeitet werden kann.
• Kaltverfestigung (Acritud): Zunahme von Härte, Sprödigkeit und Widerstand bei Metallen infolge von Kaltumformung.
• Gießbarkeit: Die Fähigkeit eines geschmolzenen Materials, eine Form auszufüllen.
• Widerstandsfähigkeit: Resistenz gegenüber Schocks oder plötzlichen Anstrengungen.

Physikalische Belastungen und Materialprüfung

Arten der körperlichen Anstrengung

Materialien können verschiedenen Kräften ausgesetzt sein:

• Zugkraft: Neigt dazu, das Objekt zu verlängern; wirkt senkrecht.
• Druckkraft: Neigt dazu, das Objekt zu verkürzen.
• Flexion (Biegung): Die Kraft wirkt parallel zur Befestigungsoberfläche.
• Torsion: Die Kraft neigt dazu, das Objekt zu verdrehen.
• Schnittkraft: Wirkt parallel zur Oberfläche und neigt dazu, sie zu durchbrechen.
• Beulen (Knickung): Tritt bei schlanken Bauteilen unter Druckbelastung auf.

Verfahren der Materialprüfung

Zugversuch: Ein genormtes Muster wird langsam gestreckt, bis es bricht, um die Dehnung bei zunehmender Kraft zu analysieren. Müdigkeitstest: Ein Zylinder aus normalisiertem Material dreht sich rasch unter gleichzeitiger Verformung, um die Dauerfestigkeit anhand der Umdrehungszahl zu bestimmen. Härteprüfung: Eine besondere Kraft wird mit einem Diamanten oder einer Stahlkugel auf das Werkstück ausgeübt. Die hinterlassenen Eindrücke werden gemessen, mittels Formel ausgewertet und so der Härtegrad berechnet. Kerbschlagbiegeversuch (Ensayo de resiliencia): Bestimmung der Energie, die notwendig ist, um eine genormte Probe mittels Schlagwirkung zu brechen. Hierbei wird ein Pendel mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 7 m/s verwendet. Die nach dem Bruch verbleibende Restenergie lässt das Pendel weiter ausschwingen.

Nachhaltigkeit und Abfallmanagement

Umgang mit Ressourcen

Materialien werden unterteilt in: Erneuerbare Materialien: Diese sind nicht erschöpft und können angemessen genutzt werden. Nicht erneuerbare Materialien: Diese stammen aus dem Inneren der Erde und sind nach der Verwendung erschöpft, sofern sie nicht recycelt werden.

Lösungen und Strategien

• Neue Designs: Eine geeignete Konstruktion kann das Volumen der eingesetzten Rohstoffe reduzieren.
• Recycling: Bei der Konzeption von Produkten sollten Trenn- und Identifikationsmethoden angewandt werden, damit das Produkt am Ende seiner Nutzungsdauer leichter recycelt werden kann.
• Wiederverwendung (Reutilización): Ziel ist es, Produkte unter Sicherheitsaspekten erneut zu verwenden.

Abfallarten und Behandlungsverfahren

Inerte Abfälle: Diese stellen kein Risiko für die Umwelt oder Personen dar. Giftige und gefährliche Abfälle: Diese sind entzündlich, ätzend oder toxisch und können Gesundheits- oder Umweltgefahren verursachen. Durch neue Technologien kann die Abfallmenge an der Quelle reduziert werden.

Die Behandlungsverfahren hängen vom Zustand des Abfalls ab:

• Physikalische Behandlungen: Trennung der verbleibenden Rückstände.
• Chemische Behandlungen: Neutralisierung toxischer Rückstände durch Reagenzien.
• Biologische Behandlungen: Zersetzung in Faulbehältern, um stabile biochemische Substanzen zu erhalten.
• Verbrennung: Abfälle werden in speziellen Öfen unter kontrollierter Temperatur und Sauerstoffzufuhr verbrannt, wodurch thermische Energie gewonnen und das Volumen reduziert wird.
• Kontrollierte Freisetzung (Deponierung): Deponien müssen vorab untersucht werden, um Verunreinigungen des Wassers oder Bodens durch Lecks zu vermeiden.