Aufgabe Vorschlag A - Aufgabe 1 · Abitur Hessen Umwelttechnik LK 2021
Thema: Photovoltaik · Aus der Prüfung LK (2021)
Aufgabenstellung
Vorschlag A – Aufgabe 1: Energieerzeugung durch PV-Anlagen / Schadstoffausstoß bei Dieselfahrzeugen
Klimawandel und Abgasproblematik machen es notwendig, über emissionsfreie Individual-Verkehrskonzepte nachzudenken. Ein Konzept besteht darin, Eigenstrom von Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) zur Aufladung von batteriebetriebenen Fahrzeugen zu nutzen.
1.1
Skizzieren und beschriften Sie den Aufbau einer netzgekoppelten PV-Anlage mit Batteriespeicher mit allen Komponenten.
[7 BE]
1.2
Nennen und vergleichen Sie drei Arten von Solarzellen auf Siliciumbasis.
[9 BE]
Material 1: Angaben zur PV-Anlage aus der Region Vogelsberg
Abbildung 1.1: Ausrichtung und Dachneigung von Gebäude 1
Abweichung von der Südausrichtung: 20°West | Dachneigung: 40°
1.3
Material 1, Abbildung 1.2 zeigt die Stromerträge einer PV-Anlage (Gebäude 1), (Material 1, Abbildung 1.1) aus dem Vogelsberg in Hessen aus den Jahren 2015 bis 2017.
Erklären Sie den Verlauf der Ertragswerte und schätzen Sie aus dem Diagramm einen durchschnittlichen Jahresertrag ab, den Sie als Kalkulationsgrundlage nutzen können.
[5 BE]
Material 2: PV-Modulbeschreibung für Gebäude 2
– Modultyp: polykristallin
– durchschnittliche Nennleistung eines PV-Moduls:
– Anzahl der Module: 24
– Abmessungen der Module in mm:
Material 3: Prozentanteil vom maximal möglichen Ertrag in Abhängigkeit der Ausrichtung und der Dachneigung
1.4
Eine Familie aus dem Vogelsberg möchte in der Nachbarschaft zu Gebäude 1 (Material 1, Abbildung 1.1) eine PV-Anlage auf dem eigenen Hausdach (Gebäude 2) betreiben. Das Hausdach ist ein Flachdach und die Solarmodule sollen flach aufgelegt werden. Zur Kalkulation soll die Nachbaranlage (Gebäude 1) als Referenzanlage dienen.
Berechnen Sie den möglichen Jahresertrag der Anlage (Material 2 und 3). Beurteilen Sie die Wirtschaftlichkeit der Anlage.
Hinweis: Sollten Sie Aufgabe 1.3 nicht gelöst haben, ist für Gebäude 1 von einem durchschnittlichen Jahresertrag von auszugehen.
[10 BE]
1.5
Der kalkulierte Jahresertrag der PV-Anlage auf Gebäude 2 (Flachdach) soll gesteigert werden.
Nennen und beurteilen Sie Möglichkeiten der Ertragssteigerung in diesem konkreten Fall.
[6 BE]
1.6
Die Familie möchte mit der Anlage den eigenen jährlichen Strombedarf von ca. so weit wie möglich decken. Außerdem möchte die Familie ein batteriebetriebenes Fahrzeug mit dem selbsterzeugten PV-Strom laden.
Diskutieren Sie das Vorhaben der Familie.
Hinweis: Wenn Sie den möglichen Jahresertrag der Anlage in Aufgabe 1.4 nicht ermittelt haben, ist von einem Jahresertrag auszugehen.
[10 BE]
Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
1.1 Skizzieren und beschriften Sie den Aufbau einer netzgekoppelten PV-Anlage mit Batteriespeicher mit allen Komponenten.
Lösung: Komponenten: Photovoltaikmodule, Wechselrichter, Regelung / Energiemanagementsystem, Batteriesystem, Verbraucher, Bezugszähler, Einspeisezähler, Netzanschluss.
1.2 Nennen und vergleichen Sie drei Arten von Solarzellen auf Siliciumbasis.
Lösung: – Monokristalline Solarzellen: Gezogener zylindrischer Block, höchster Wirkungsgrad, am teuersten. – Polykristalline Solarzellen: Quaderförmig gegossener Block, etwas niedrigerer Wirkungsgrad, kostengünstiger als monokristalline. – Amorphe Solarzellen (Dünnschicht): Silicium auf Trägermaterial aufgedampft, deutlich geringerer Wirkungsgrad, aber deutlich kostengünstiger.
1.3 Erklären Sie den Verlauf der Ertragswerte...
Lösung: – Der Solarertrag schwankt im Jahresverlauf stark. – Höchste Erträge von März bis September. – Geringste Einstrahlung in den Wintermonaten. – Im April 2015 besonders hohe Erträge wegen niedriger Außentemperaturen (geringere Modulverluste) bei gleichzeitig hoher Einstrahlung.
1.3 ...und schätzen Sie aus dem Diagramm einen durchschnittlichen Jahresertrag ab, den Sie als Kalkulationsgrundlage nutzen können.
Lösung: 1000 kWh/kWp
1.4 Berechnen Sie den möglichen Jahresertrag der Anlage (Material 2 und 3).
Lösung: 5693,98 kWh / 5,69 MWh
1.4 Beurteilen Sie die Wirtschaftlichkeit der Anlage.
Lösung: – Grundlage sind Vorjahreserträge, reale Erträge können schwanken; Kalkulation sollte vorsichtshalber mit niedrigeren Werten rechnen. – Ertragsminderung durch Alterung (Degradation) der Module berücksichtigen. – Mögliche Verschmutzung und Verschattung im Vergleich zur Referenzanlage beachten. – Ohne Neigung (Flachdach) schlechtere Selbstreinigung durch Regen und stärkere Beeinträchtigung durch Schnee, da dieser nicht abrutscht.
1.5 Nennen und beurteilen Sie Möglichkeiten der Ertragssteigerung in diesem konkreten Fall.
Lösung: – Anzahl der Module erhöhen (Dachfläche begrenzt jedoch die maximale Anzahl). – Monokristalline Module verwenden (höherer Ertrag pro Fläche, jedoch teurer in der Anschaffung). – Aufständerung der Module (ermöglicht optimale Neigung und Ausrichtung nach Süden mit ca. 13 % Ertragssteigerung gegenüber Flachverlegung, jedoch höherer Installationsaufwand, höhere Kosten, Windlast und optische Beeinträchtigung).
1.6 Diskutieren Sie das Vorhaben der Familie.
Lösung: – Bei Jahresverbrauch deckt der Ertrag von ca. bis den Bedarf rechnerisch bilanziell ab. – Zeitliche Diskrepanz: Fahrzeug wird meist tagsüber genutzt und nachts geladen, wenn die PV-Anlage keinen Strom erzeugt. Ein Batteriespeicher kann hier Abhilfe schaffen. – Ertrag schwankt tages- und wetterabhängig; im Sommer hohe Überschüsse, im Winter reicht der Ertrag bei weitem nicht aus. – Lastverschiebung im Haushalt (z. B. Waschmaschine, Spülmaschine tagsüber) kann den Eigenverbrauch steigern. – Reiner Inselbetrieb ist nicht möglich; ein Netzanschluss bleibt zwingend erforderlich.
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