Abitur Hessen Umwelttechnik 2021 · LK

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: $P = 270\,\mathrm{W_p}$

– Anzahl der Module: 24

– Abmessungen der Module in mm: $1650 \times 992 \times 40$

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 $1000\,\mathrm{kWh/kW_p}$ 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. $4000\,\mathrm{kWh}$ 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 $E = 5800\,\mathrm{kWh}$ auszugehen.

[10 BE]

Dieselpersonenkraftwagen (Diesel-Pkw) wurden in den letzten Jahren wegen ihres erhöhten Ausstoßes von Luftschadstoffen kritisiert. Zum einen gerieten Dieselmotoren durch den Dieselabgasskandal in Verruf. Zum anderen werden in vielen europäischen Städten die Grenzwerte für Abgase regelmäßig überschritten, wofür im Wesentlichen auch Diesel-Pkw verantwortlich gemacht werden.

2.1

Die bedeutendsten Luftschadstoffe aus den Otto- und Dieselmotoren sind Kohlendioxid (CO 2), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO x) und Feinstäube inklusive Ruß (PM).

Beschreiben Sie die Entstehung dieser Luftschadstoffe im Straßenverkehr und deren Wirkungen auf die Umwelt beziehungsweise menschliche Gesundheit. [16 BE]

2.2

Vergleichen Sie Fahrzeuge mit Diesel- und Ottomotoren gleicher Leistung und gleicher Masse hinsichtlich der Ausstöße der drei Luftschadstoffe CO 2, NO x und PM und begründen Sie etwaige Unterschiede. [11 BE]

Dieselpersonenkraftwagen (Diesel-Pkw) wurden in den letzten Jahren wegen ihres erhöhten Ausstoßes von Luftschadstoffen kritisiert. Zum einen gerieten Dieselmotoren durch den Dieselabgasskandal in Verruf. Zum anderen werden in vielen europäischen Städten die Grenzwerte für Abgase regelmäßig überschritten, wofür im Wesentlichen auch Diesel-Pkw verantwortlich gemacht werden.

2.3

Beschreiben Sie die katalytischen Varianten zur Reduzierung von NO x und Rußpartikeln aus Diesel-Motoren. Formulieren Sie dazu jeweils die Reaktionsgleichung der dabei ablaufenden chemischen Reaktion. [10 BE]

2.4

Der Ausstoß von Rußpartikeln aus Pkw-Dieselmotoren ist in der Europäischen Union auf $0{,}0045\text{ g/km}$ begrenzt.

Berechnen Sie überschlägig die Menge der Rußpartikel, die von einem Diesel-Pkw ohne Rußpartikelfilter pro Kilometer ausgestoßen würde, wenn von einem durchschnittlichen Filterabscheidegrad bei Dieselrußpartikelfiltern von $99{,}2\,\%$ ausgegangen werden kann. [5 BE]

2.5

Der Ausstoß von Schwefeldioxid bei Verbrennungsmotoren wurde in der Vergangenheit sehr erfolgreich reduziert, indem als Primärmaßnahme die Treibstoffe Diesel und Benzin entschwefelt wurden.

Begründen Sie, dass die Reduzierung von Stickstoff im Dieseltreibstoff keine geeignete Primärmaßnahme darstellt, um den Ausstoß von Stickoxiden bei Diesel-Pkw zu verringern. [5 BE]

2.6

Anders als bei der Rauchgasentstickung in großtechnischen Kohlekraftwerken, bei der oftmals die selektiv nichtkatalytische Reduktion (SNCR) eingesetzt wird, kommt bei der Entstickung von Dieselabgasen ausschließlich die selektiv katalytische Reduktion (SCR) zum Einsatz.

Erläutern Sie in diesem Zusammenhang die Aufgabe eines Katalysators. Begründen Sie den ausschließlichen Einsatz der SCR bei der Dieselabgasreinigung sowie die Verfahrensweise, bei der Dieselabgasreinigung die SCR der Rußpartikelabscheidung nachzuschalten. [6 BE]

Abwasserreinigung / Kläranlage Erftstadt-Köttingen

Die Kläranlage in Erftstadt-Köttingen leitet ihr gereinigtes Abwasser über einen Vorfluter in das kleine Flüsschen Erft ein. In der Zeit zwischen dem 28. Juni und dem 4. Juli 2011 kam es in der Anlage zu einem schweren Störfall, in dessen Folge die Abwasseraufbereitung in der Anlage nicht mehr aufrechterhalten werden konnte (Material 1). Während dieser Zeit fielen in der Region keine Niederschläge.

Material 1: Schwere Betriebsstörung auf der Kläranlage Erftstadt-Köttingen

[...] Der Erftverband bestätigte am Sonntag, dass es in Folge des Störfalls im Klärwerk Köttingen vom vergangenen Dienstag Probleme mit der Sauberkeit des Erftwassers gebe.

[...] Das Problem in der Köttinger Kläranlage war entstanden, nachdem offenbar aus einem Industrieunternehmen zwischen 28. Juni und 4. Juli 15 t hoch konzentriertes zuckerhaltiges Abwasser in die Kläranlage gelangt war. Das hatte die Reinigungsleistung des Klärwerks massiv gestört [...]

Material 2: Daten zur Kläranlage Erftstadt-Köttingen

$\mathrm{BSB_5}$: $60\,\mathrm{g\cdot E^{-1}\cdot d^{-1}}$

Luftverbrauch im Belebungsbecken: $14\,000\,\mathrm{m^3\cdot d^{-1}}$

Sauerstoffgehalt: $21\,\%$

angeschlossene Einwohnerzahl: $49\,500\,\mathrm{E}$

Zur Pufferung von starken Niederschlagsereignissen befinden sich auf der Anlage Regenspeicherbecken mit einem gesamten Fassungsvolumen von $25\,000\,\mathrm{m^3}$. Die kommunale Kläranlage Erftstadt-Köttingen verfügt noch über einen Langsandfang und besitzt eine Stufe zur Nitrifizierung/Denitrifizierung des Abwassers.

1.1

Skizzieren Sie schematisch ein Funktionsschaltbild der Kläranlage Erftstadt-Köttingen mit dazugehöriger Schlammbehandlung und beschriften Sie es (Material 2). Benennen Sie die drei Reinigungsstufen einer Kläranlage.

[13 BE]

1.2

Erklären Sie die gesamte Klärschlammführung durch die Anlage, indem Sie auf die unterschiedlichen Stationen der Schlammbehandlung eingehen.

[9 BE]

1.3

Vergleichen Sie das in der Kommune Erftstadt vorhandene Mischwassernetz mit einem Trennwassernetz. Untersuchen Sie den Einfluss, den das Kanalnetzsystem auf die Reinigungsleistung der Kläranlage hat.

[16 BE]

1.4

Das Klärwerk reinigt das Abwasser der Bewohner der umliegenden Gemeinden und der Gewerbebetriebe.

Erklären Sie den Begriff Einwohnergleichwert.

Berechnen Sie die Masse des von der Kläranlage verbrauchten Sauerstoffs pro Tag.

Berechnen Sie hieraus den Einwohnerwert der Kläranlage und den Einwohnergleichwert der angeschlossenen Gewerbebetriebe von Erftstadt-Köttingen (Material 2).

[9 BE]

1.5

Beurteilen Sie die kurz- und mittelfristigen Folgen der Einleitung der Zuckermengen über den beschriebenen Zeitraum für den Betrieb der Kläranlage und für das Flüsschen Erft.

[9 BE]

1.6

Entwickeln Sie drei Sofortmaßnahmen nach dem Störfall und begründen Sie diese.

[6 BE]

Die Energiewende ist eine der wichtigsten Aufgaben der Zukunft. Als Schlüsselaufgaben haben sich die Energiespeicherung und die Steigerung der Energieeffizienz herauskristallisiert. Pumpspeicherkraftwerke haben im Energiemix der Vergangenheit eine bestimmte Funktion erfüllt. Mit dem Beginn der Energiewende, insbesondere durch den Ausbau von Windenergie- und von Photovoltaikanlagen haben sich die Rahmenbedingungen für diese Kraftwerke erheblich verändert. Im Hinblick auf die Energiewende herrscht die Vorstellung, dass Pumpspeicherkraftwerke überschüssige Energie speichern und bei Bedarf abgeben.

In dem Pumpspeicherkraftwerk Waldeck II wird überschüssiger Windstrom genutzt, um Wasser aus dem Unterbecken in das Oberbecken zu pumpen. Dabei herrscht in der Druckrohrleitung eine Strömungsgeschwindigkeit von $2\,\text{m pro Sekunde}$.

Material 3: Datenblatt des Pumpspeicherkraftwerks

Fallhöhe: $296\,\text{m}$

Volumen Oberbecken: $4{,}4 \cdot 10^6\,\text{m}^3$

Druckrohrleitung: Durchmesser $5{,}75\,\text{m}$

Rohrleitung zum Unterbecken: Durchmesser $4{,}90\,\text{m}$

Turbinenleistung: $230\,\text{MW}$

Pumpenleistung: $240\,\text{MW}$

Pumpenwirkungsgrad: $\eta_P = 0{,}91$

Motorwirkungsgrad: $\eta_M = 0{,}92$

Turbinenwirkungsgrad: $\eta_T = 0{,}93$

2.1

Material 3 zeigt ein Datenblatt des Pumpspeicherkraftwerks.

Skizzieren Sie das Funktionsschaltbild eines Pumpspeicherkraftwerks und beschriften Sie es. Erklären Sie die Aufgaben und Funktionen eines Pumpspeicherkraftwerks.

[10 BE]

2.2

Erläutern Sie mithilfe von Material 3 die Aufgaben, die Pumpspeicherkraftwerke in den letzten Jahrzehnten hatten, und beschreiben Sie die Auswirkungen der stärkeren Nutzung der Photovoltaik auf die Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicherkraftwerken.

[6 BE]

2.3

Berechnen Sie die potenzielle Energie, die im Oberbecken insgesamt gespeichert werden kann (Material 3). Berechnen Sie die innerhalb von 6 Stunden geförderte Wassermenge zur Speicherung der Energie und die daraus resultierende Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung zum Unterbecken.

[10 BE]

2.4

Erörtern Sie den Zusammenhang zwischen der stärkeren Nutzung regenerativer Energien, dem Stromnetzausbau und dem Ausbau von Speicherkraftwerken.

Nennen Sie zwei weitere Möglichkeiten der Energiespeicherung und vergleichen Sie diese beiden miteinander hinsichtlich ihrer großtechnischen Realisierbarkeit.

[12 BE]

Eine der größten Herausforderungen bei der Bereitstellung von Nutzenergie ist deren Speicherung. In Zukunft wird die Speicherung von Wärmeenergie in Gebäuden eine zunehmende Bedeutung haben. Eine der technischen Möglichkeiten, Wärmeenergie für Gebäudeheizungen zu speichern, ist der sogenannte Latentwärmespeicher. Diese bieten sich vor allem in Kombination mit einer solarthermischen Anlage und einer Wärmepumpe als Wärmeversorgungssysteme für Wohngebäude an.

1.1

Nennen Sie zwei weitere Erscheinungsformen für Energie und beschreiben Sie dafür jeweils zwei technische Speichermöglichkeiten.

(10 BE)

Eine der größten Herausforderungen bei der Bereitstellung von Nutzenergie ist deren Speicherung. In Zukunft wird die Speicherung von Wärmeenergie in Gebäuden eine zunehmende Bedeutung haben. Eine der technischen Möglichkeiten, Wärmeenergie für Gebäudeheizungen zu speichern, ist der sogenannte Latentwärmespeicher. Diese bieten sich vor allem in Kombination mit einer solarthermischen Anlage und einer Wärmepumpe als Wärmeversorgungssysteme für Wohngebäude an.

Material 1: Wie heizt ein Latentwärmespeicher?

Latentwärmespeicher sind als Heiz- und Kühlanlage in Gebäuden verwendbar. Als PCM (Phase Changing Material) fungiert hierfür meistens Paraffin, dessen Schmelztemperatur zwischen 48 und 68 Grad Celsius liegt. Beim Schmelzvorgang werden pro Kilogramm 200–240 Kilojoule Energie frei.

Latentwärmespeicher mit Paraffin als PCM werden häufig in Kombination mit Solarthermieanlagen verwendet. Die Solarkollektoren nehmen die durch Sonnenlicht entstehende Umgebungswärme auf und schmelzen damit das Paraffin. Das Paraffin befindet sich in einem Wärmespeicher – in der Regel handelt es sich um einen Kasten, der mehrere mit Paraffin gefüllte Rohre enthält.

Dies sind die Vorteile von Latentwärmespeichern:

Anwender sparen mit einem Latentwärmespeicher Energie und somit Kosten ein.

Die Wärme zum Schmelzen des PCM wird mittels einer Solarthermieanlage gewonnen.

Latentwärmespeicher können Wärme über einen langen Zeitraum speichern und abgeben (bis zu mehreren Monaten).

Temperaturspitzen lassen sich ausgleichen.

Der Platzbedarf ist gering, die Installation einfach.

Latentwärmespeicher weisen auch Nachteile auf:

Die Anschaffungskosten eines Latentwärmespeichers sind relativ hoch.

Die Funktion ist von Außentemperaturen und Sonneneinstrahlung abhängig.

Material 2: Technische Daten Latentwärmespeicher und Wasserkombispeicher

Latentwärmespeicher

Wasserkombispeicher

Fassungsvolumen

750 L

spezifische Wärmekapazität Speichermedium

$2{,}1\ \mathrm{kJ\cdot kg^{-1}\cdot K^{-1}}$

$4{,}18\ \mathrm{kJ\cdot kg^{-1}\cdot K^{-1}}$

Schmelztemperatur

$55\ ^\circ\mathrm{C}$

$0\ ^\circ\mathrm{C}$

spezifische Schmelzenthalpie Speichermedium

$220\ \mathrm{kJ\cdot kg^{-1}}$

$333{,}5\ \mathrm{kJ\cdot kg^{-1}}$

1.2

Latente Wärme ist ein synonymer Begriff für die physikalische Größe Enthalpie.

Erklären Sie den Unterschied zwischen Schmelzenthalpie und der spezifischen Wärmekapazität eines Stoffes.

Erklären Sie die Fähigkeit eines Latentwärmespeichers, innerhalb eines bestimmten Temperaturarbeitsbereichs mehr thermische Energie speichern zu können als ein herkömmlicher Wasser-Kombispeicher (siehe Material 1).

[9 BE]

1.3

Berechnen Sie die Masse an Paraffin, die benötigt würde, um die gleiche Wärmemenge speichern zu können wie ein herkömmlicher Warmwasserkombispeicher, wenn beide durch eine thermische Solaranlage von $40\ ^\circ\mathrm{C}$ auf $60\ ^\circ\mathrm{C}$ aufgeheizt werden (Material 2).

[5 BE]

1.4

Untersuchen Sie, inwieweit Latentwärmespeicher, insbesondere in Verbindung mit dem Einsatz von thermischen Solaranlagen, zukünftig eine Rolle bei der Beheizung von privaten Wohnhäusern spielen könnten (Material 1).

[6 BE]

1.5

Skizzieren Sie das Energieflussdiagramm einer Wärmepumpe und erklären Sie die Bedeutung der Jahresarbeitszahl (JAZ) für den Wärmepumpenbetrieb.

[9 BE]

In Norddeutschland besteht das Problem, dass die Grundwasservorkommen überhöhte Nitratgehalte aufweisen. Bei einer Rohwasseranalyse der Kleinstadt Großenkneten in Niedersachsen wurden in einer Brunnenanlage ebenfalls erhöhte Nitratwerte festgestellt (Material 3).

2.1

Erläutern Sie die Wirkung der Vorgänge bei der Bodenpassage auf die Bildung des Grundwassers.

[6 BE]

Material 3: Trinkwasseranalyse Großenkneten

Material 4: Auszug aus der Trinkwasserverordnung

2.2

Beurteilen Sie die Rohwasserqualität aus der Brunnenanlage in Großenkneten (Material 3 und 4) hinsichtlich ihrer Eignung als Trinkwasser.

Erörtern Sie die Ursache für die überhöhten Werte aus der Trinkwasseranalyse.

[12 BE]

2.3

In der Trinkwasserverordnung ist der Nachweis des Bakteriums Escherichia coli vorgeschrieben, obwohl es sich um einen für gesunde Erwachsene weitestgehend harmlosen Keim handelt.

Begründen Sie die Notwendigkeit des Nachweises dieses Keimes in der Trinkwasseranalyse.

Erläutern Sie den in der Trinkwasseranalyse festgelegten Grenzwert für Escherichia coli und in diesem Zusammenhang den Begriff koloniebildende Einheit (KBE).

[10 BE]

2.4

In Großenkneten werden zur Förderung des Grundwassers bislang Horizontalfilterbrunnen verwendet. Wegen der zunehmenden Belastung durch Nitrat/Nitrit des Grundwassers ist der Bau von Vertikalbrunnen geplant.

Skizzieren und beschriften Sie beide Brunnentypen und vergleichen Sie diese hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Einsatzbereiche.

[16 BE]

Material 5: Technische Daten Fassungsanlage in Großenkneten

2.5

Berechnen Sie die Fließgeschwindigkeit und die durchschnittliche Verweilzeit des Rohwassers in der Zuleitung zwischen dem Schachtbrunnen und der Aufbereitungsanlage (Material 5).

[5 BE]

2.6

In Großenkneten, so wie fast überall in Deutschland, liegt die Eisenkonzentration des Grundwassers über dem Grenzwert der Trinkwasserverordnung.

Nennen Sie Gründe, die die Regulierung des Eisengehaltes von Trinkwasser notwendig machen.

Beschreiben Sie eine durchzuführende Maßnahme zur Regulierung des Eisengehalts im Rahmen der Trinkwasseraufbereitung.

[8 BE]

2.7

Schätzen Sie die Zahl der Einwohner von Großenkneten ab, die mit dem Wasser der Brunnenanlage versorgt werden kann.

[4 BE]