Abitur Hessen Umwelttechnik 2022 · LK

Das ländliche, in einem Tal liegende, Gaildorf hat 12000 Einwohner und wird von der Kocher durchflossen. Im baden-württembergischen Pilotprojekt Naturstromspeicher Gaildorf werden vier Windkraftanlagen (WKA) mit Pumpspeichertechnik kombiniert. Jedes der Windräder wandelt die Windkraft in 3,4 MW elektrische Leistung um. Dabei sollen pro Windrad jährlich etwa 10 GWh Energie geliefert werden.

Die eigentliche Innovation am Naturspeicher befindet sich oben am Berg unter den Windkraftanlagen. Denn das Wasser wird nicht in einen künstlichen See hochgepumpt, sondern in Tanks, die sich unter den Türmen der Windräder befinden.

Das Unterwasserbecken bildet ein künstlicher See im Kochertal.

Material 1

Informationen des Anlagenbetreibers

Quelle: https://www.stuttgarter-nachrichten.de/gallery.weltweit-einzigartig-naturstromspeicher-wind-und-wasser-arbeiten-hand-in-hand.de8e0952-6737-48c2-abe4-062ba539c6ef.html/id/ad8bf795-d322-4cd4-ad7f-a21ee10e4b91 (abgerufen am 20.02.2020).

Naturstromspeicher Gaildorf mit vier Windkraftanlagen:

Leistung Windenergie: $4 \times 3{,}4\text{ MW}$

Rotordurchmesser: $132\text{ m}$

Jahresenergieerzeugung aus Wind: $40\text{ GWh}$

Leistung Pumpspeicherkraftwerk: $16\text{ MW}$

Elektrische Speicherkapazität: $70\text{ MWh}$

Fallhöhe: $200\text{ m}$

Gesamtvolumen integrierte Wasserspeicher: $160\,000\text{ m}^3$

Quelle: https://industrieanzeiger.industrie.de/themen/energieeffizienz/windkraftanlage-und-pumpspeicher-kombiniert/#slider-intro-1 (abgerufen am 24.09.2019).

1.1

Skizzieren Sie den grundlegenden Aufbau einer WKA und beschriften Sie zehn wesentliche Bestandteile. [7 BE]

1.2

Erläutern Sie fünf Standortkriterien bei der technischen Planung eines Windparks. [5 BE]

1.3

Nennen Sie fünf Probleme, die die Windenergieerzeugung mit sich bringt, und stellen Sie Lösungsmöglichkeiten dar. [15 BE]

1.4

Vergleichen Sie vereinzelt aufgestellte Windkraftanlagen mit räumlich konzentrierter Aufstellung in einem Windpark hinsichtlich drei verschiedener Aspekte. [6 BE]

1.6

Berechnen Sie die Anzahl der Haushalte, die durch die vier Windkraftanlagen theoretisch mit Strom versorgt werden können. Gehen Sie von einem Stromverbrauch von $4000\text{ kWh}$ pro Jahr und Haushalt aus. Beurteilen Sie das Gesamtkonzept des Pilotprojekts Naturstromspeicher Gaildorf. [7 BE]

1.7

Das Bahrain World Trade Center (Material 2) besteht aus zwei Haupttürmen, die mittels dreier Querstreben miteinander verbunden sind. Jedes der beiden segelförmigen Gebäude erreicht eine Höhe von $240\text{ Metern}$. Eine Besonderheit des Wolkenkratzers sind drei an den Querstreben montierte Windkraftanlagen.

Diskutieren Sie die Sinnhaftigkeit einer solchen Nutzung der Windenergie. [7 BE]

Das ländliche, in einem Tal liegende, Gaildorf hat 12000 Einwohner und wird von der Kocher durchflossen. Im baden-württembergischen Pilotprojekt Naturstromspeicher Gaildorf werden vier Windkraftanlagen (WKA) mit Pumpspeichertechnik kombiniert. Jedes der Windräder wandelt die Windkraft in 3,4 MW elektrische Leistung um. Dabei sollen pro Windrad jährlich etwa 10 GWh Energie geliefert werden.

Die eigentliche Innovation am Naturspeicher befindet sich oben am Berg unter den Windkraftanlagen. Denn das Wasser wird nicht in einen künstlichen See hochgepumpt, sondern in Tanks, die sich unter den Türmen der Windräder befinden.

Das Unterwasserbecken bildet ein künstlicher See im Kochertal.

Material 1

Informationen des Anlagenbetreibers

Quelle: https://www.stuttgarter-nachrichten.de/gallery.weltweit-einzigartig-naturstromspeicher-wind-und-wasser-arbeiten-hand-in-hand.de8e0952-6737-48c2-abe4-062ba539c6ef.html/id/ad8bf795-d322-4cd4-ad7f-a21ee10e4b91 (abgerufen am 20.02.2020).

Naturstromspeicher Gaildorf mit vier Windkraftanlagen:

Leistung Windenergie: $4 \times 3{,}4\text{ MW}$

Rotordurchmesser: $132\text{ m}$

Jahresenergieerzeugung aus Wind: $40\text{ GWh}$

Leistung Pumpspeicherkraftwerk: $16\text{ MW}$

Elektrische Speicherkapazität: $70\text{ MWh}$

Fallhöhe: $200\text{ m}$

Gesamtvolumen integrierte Wasserspeicher: $160\,000\text{ m}^3$

Quelle: https://industrieanzeiger.industrie.de/themen/energieeffizienz/windkraftanlage-und-pumpspeicher-kombiniert/#slider-intro-1 (abgerufen am 24.09.2019).

1.5 Berechnen Sie mithilfe von Material 1 den Gesamtwirkungsgrad des Pumpspeicherkraftwerks bei der Wandlung der gespeicherten potentiellen Energie zur elektrischen Energie.

[5 BE]

Aufgabe 2

Die Auswirkungen von Luftschadstoffen sind abhängig vom Wettergeschehen.

2.1

Beschreiben Sie die Wetterkarte in Material 3 und erklären Sie die Entstehung von Wind. (4 BE)

2.2

Aufgrund des Klimawandels steigen die durchschnittlichen Temperaturen an, was auch zu Starkregenereignissen führen kann. Erklären Sie diesen Zusammenhang. (6 BE)

2.3

Warme Luft von $30\,^\circ\mathrm{C}$ mit einer relativen Feuchte von $70\,\%$ wird auf $15\,^\circ\mathrm{C}$ abgekühlt. Berechnen Sie die Wassermenge, die pro $\mathrm{m^3}$ kondensiert. Vergleichen Sie dies mit der Wassermenge, die pro $\mathrm{m^3}$ auskondensiert, wenn die Luft eine Temperatur von $40\,^\circ\mathrm{C}$, bei gleicher relativer Feuchte hat (Material 4) und ebenfalls auf $15\,^\circ\mathrm{C}$ abgekühlt wird. (7 BE)

2.5

Durch die Nutzung der Windenergie des in Aufgabe 1 betrachteten Windparks werden pro Jahr $16\,800\,\mathrm{t}$ reine Kohle eingespart. Berechnen Sie mithilfe einer stöchiometrischen Rechnung die Menge an $\mathrm{CO_2}$, die dadurch nicht emittiert wird. Beschreiben Sie die Auswirkungen von $\mathrm{CO_2}$ auf die Atmosphäre. Erörtern Sie drei Maßnahmen, um die $\mathrm{CO_2}$-Konzentration in der Atmosphäre zu reduzieren. (10 BE)

Aufgabe 2

Die Auswirkungen von Luftschadstoffen sind abhängig vom Wettergeschehen.

2.4

Regenereignisse haben eine Reinigungswirkung für die Luft. Das Prinzip der nassen Entstaubung wird auch in technischen Systemen eingesetzt.

Beschreiben Sie das Reinigungsprinzip der Nasswäscher für die Entstaubung und erläutern Sie die dabei auftretenden konstruktiven Probleme. (6 BE)

2.6

Bei der Verbrennung von Kohle wird Schwefeldioxid erzeugt.

Nennen und beschreiben Sie vier Auswirkungen von Schwefeldioxid auf die Umwelt und erklären Sie das Kalkstein-Waschverfahren zur Rauchgasentschwefelung mithilfe von Material 5 und unter Angabe der Reaktionsgleichungen. (15 BE)

Zusammenbruch der Abwasseraufbereitung

Aufgrund der Unwetterkatastrophe im Sommer 2021 im Ahrtal kam es zur lokalen Zerstörung von Großteilen der Infrastruktur. Ebenfalls davon betroffen waren die Abwasserkanäle und Kläranlagen, welche den kleinen Fluss Ahr als Vorfluter nutzen (Material 1).

Material 1

Wichtig ist jetzt der Seuchenschutz

Nur ein Bahndamm verhinderte Schlimmeres. Der meterhohe Wall, direkt hinter der Kläranlage in Dümpelfeld, bremste die Flut, so dass das Wasser nur über ein Tor auf das Gelände strömen konnte. Auch so stand es etwa anderthalb Meter hoch, wie man noch immer an der Dreckspur an den Fenstern des Betriebsgebäudes erkennen kann. „Der Schlamm stand nach der Flut stiefelhoch, die ganze Elektrotechnik der Anlage war kaputt“, sagt Abwassermeister und Betriebsleiter Patrick Kuhl. Inspizieren konnten das die Mitarbeiter erst später, denn zunächst war die Anlage abgeschnitten – die Brücke zur angrenzenden Ortschaft Liers war eingebrochen, der Zufahrtsweg zur Kläranlage weggerissen.

Obwohl der Kläranlage also die volle Wucht des Wassers erspart blieb, war sie nach dem Hochwasser Mitte Juli erst einmal betriebsunfähig. Müll und Unrat hatten sich in den Klärbecken gesammelt, in denen sonst Bakterien das Abwasser reinigen. Das funktionierte nun nicht mehr, oder, wie der Abwassermeister sagt: „Die Biologie war tot.“ […]

Die Anlage in Dümpelfeld – 11.000 Kubikmeter Fassungsvermögen, ausgelegt auf 20.000 Einwohnerwerte, das ist ein Maß für die Schmutzfracht von Abwasser – arbeitet also wieder. Der Grob- und Feinrechen holt Laub und Steinchen aus dem Wasser, der Sand- und Fettfang funktioniert. […]

Alle vier Kläranlagen im Ahrtal sind […] in Mitleidenschaft gezogen worden. Neben der in Dümpelfeld wird zurzeit auch die Anlage „Untere Ahr“ in Sinzig wieder aufgebaut. Die Anlagen „Mittlere Ahr“ in Altenahr und die in Mayschoß seien völlig zerstört, sagt Thomas Müller von der Struktur- und Genehmigungsdirektion (SGD) Nord mit Sitz in Koblenz. „Wo es möglich ist, arbeiten wir dort mit mobilen Kläranlagen.“

Doch nicht nur Kläranlagen sind von der Flut zerstört worden, sondern auch Leitungen dorthin. In den Anlagen kommen normalerweise Sammlerleitungen an, die das Abwasser der Haushalte zusammenführen und aus den Ortschaften zu den Kläranlagen bringen. „Diese Sammler sind teilweise komplett zerstört“, sagt der stellvertretende Werkleiter in Dümpelfeld, Bernd Schmitz. „Viele Rohrleitungen sind vollständig weggespült, andere waren bis zur Oberkante mit Geröll gefüllt.“

Zwei solcher Stränge führen in die Kläranlage in Dümpelfeld, eine davon wurde nur leicht beschädigt, die andere dagegen sehr. Nun gehe es darum, diese Verbindungssammler entweder provisorisch oder schon endgültig wiederherzustellen. Wie lange das dauern wird? „Noch eine sehr lange Zeit“, sagt Schmitz. Vielleicht Jahre. „Das sind teilweise schwierige Trassen, die da unterbrochen sind.“ […]

https://www.faz.net/aktuell/gesellschaft/ungluecke/klaeranlagen-nach-flut-ungefiltertes-abwasser-fliesst-in-die-ahr-17480457.html (abgerufen am 04.10.2021).

1 Zusammenbruch der Abwasseraufbereitung

Aufgrund der Unwetterkatastrophe im Sommer 2021 im Ahrtal kam es zur lokalen Zerstörung von Großteilen der Infrastruktur. Ebenfalls davon betroffen waren die Abwasserkanäle und Kläranlagen, welche den kleinen Fluss Ahr als Vorfluter nutzen (Material 1).

1.1

Skizzieren und beschriften Sie das Blockschaltbild einer kommunalen Kläranlage mit belüftetem Sandfang und Regenrückhaltebecken. [8 BE]

1.2

Nennen Sie fünf Maßnahmen, die durchgeführt werden mussten, bevor die Kläranlage Dümpelfeld wieder in Betrieb genommen werden konnte. [5 BE]

1.3

Der Zufluss zur Kläranlage erfolgt über ein Kanalrohr mit dem Nenndurchmesser 800 mm (DN 800). Zeigen Sie, dass die durchschnittliche Verweildauer des Abwassers in der Kläranlage Dümpelfeld ca. zwei Tage beträgt (Material 1). Berechnen Sie die Fließgeschwindigkeit in $\text{m}\cdot\text{s}^{-1}$ im Kanalrohr, wenn das Rohr halb gefüllt ist. [6 BE]

1.4

Nach Zerstörung der Klärwerke und der Kanalisation lief das kommunale Abwasser unbehandelt in den Vorfluter. Der $\text{BSB}_5$ des nun direkt in den Vorfluter fließenden Abwassers beträgt seither $60\text{ g}\cdot\text{E}^{-1}\cdot\text{d}^{-1}$ und der $\text{CSB}$ liegt bei $67\text{ g}\cdot\text{E}^{-1}\cdot\text{d}^{-1}$. Erläutern Sie die Abwasserbemessungsgrößen $\text{BSB}_5$ und $\text{CSB}$. Analysieren Sie die beiden Messwerte hinsichtlich der Abbaubarkeit der Abwasserinhaltsstoffe in einer Kläranlage und im Vorfluter. [9 BE]

1.5

Die mechanische Reinigungsstufe ist bereits wenige Wochen nach dem Unglück wieder in Betrieb gegangen. Das Wasser wurde seither nach der mechanischen Reinigungsstufe in den Vorfluter Ahr eingeleitet. Vergleichen Sie die Einleitung des ungeklärten Abwassers mit der Einleitung des mechanisch gereinigten Abwassers. Beurteilen Sie die mittelfristigen Folgen der Einleitung von lediglich mechanisch gereinigtem Abwasser für den Vorfluter. [11 BE]

1.6

Erklären Sie die zeitliche Verzögerung bei der Inbetriebnahme der biologischen Reinigungsstufe. [4 BE]

1.7

Aus Sorge vor zukünftigen Überschwemmungen haben die Betreiber einiger Klärwerke die Überlegung angestellt, die bisherigen Belebungsbecken durch Tropfkörperreaktoren zu ersetzen. Vergleichen Sie das Belebtschlammverfahren der bisherigen Klärwerke mit dem Tropfkörperverfahren anhand von vier verschiedenen Kriterien. Beurteilen Sie die Überlegungen, die Belebungsbecken durch Tropfkörperreaktoren auszutauschen. [12 BE]

Zusammenbruch der Abwasseraufbereitung

Aufgrund der Unwetterkatastrophe im Sommer 2021 im Ahrtal kam es zur lokalen Zerstörung von Großteilen der Infrastruktur. Ebenfalls davon betroffen waren die Abwasserkanäle und Kläranlagen, welche den kleinen Fluss Ahr als Vorfluter nutzen (Material 1).

Material 1

Wichtig ist jetzt der Seuchenschutz

Nur ein Bahndamm verhinderte Schlimmeres. Der meterhohe Wall, direkt hinter der Kläranlage in Dümpelfeld, bremste die Flut, so dass das Wasser nur über ein Tor auf das Gelände strömen konnte. Auch so stand es etwa anderthalb Meter hoch, wie man noch immer an der Dreckspur an den Fenstern des Betriebsgebäudes erkennen kann. „Der Schlamm stand nach der Flut stiefelhoch, die ganze Elektrotechnik der Anlage war kaputt“, sagt Abwassermeister und Betriebsleiter Patrick Kuhl. Inspizieren konnten das die Mitarbeiter erst später, denn zunächst war die Anlage abgeschnitten – die Brücke zur angrenzenden Ortschaft Liers war eingebrochen, der Zufahrtsweg zur Kläranlage weggerissen.

Obwohl der Kläranlage also die volle Wucht des Wassers erspart blieb, war sie nach dem Hochwasser Mitte Juli erst einmal betriebsunfähig. Müll und Unrat hatten sich in den Klärbecken gesammelt, in denen sonst Bakterien das Abwasser reinigen. Das funktionierte nun nicht mehr, oder, wie der Abwassermeister sagt: „Die Biologie war tot.“ […]

Die Anlage in Dümpelfeld – 11.000 Kubikmeter Fassungsvermögen, ausgelegt auf 20.000 Einwohnerwerte, das ist ein Maß für die Schmutzfracht von Abwasser – arbeitet also wieder. Der Grob- und Feinrechen holt Laub und Steinchen aus dem Wasser, der Sand- und Fettfang funktioniert. […]

Alle vier Kläranlagen im Ahrtal sind […] in Mitleidenschaft gezogen worden. Neben der in Dümpelfeld wird zurzeit auch die Anlage „Untere Ahr“ in Sinzig wieder aufgebaut. Die Anlagen „Mittlere Ahr“ in Altenahr und die in Mayschoß seien völlig zerstört, sagt Thomas Müller von der Struktur- und Genehmigungsdirektion (SGD) Nord mit Sitz in Koblenz. „Wo es möglich ist, arbeiten wir dort mit mobilen Kläranlagen.“

Doch nicht nur Kläranlagen sind von der Flut zerstört worden, sondern auch Leitungen dorthin. In den Anlagen kommen normalerweise Sammlerleitungen an, die das Abwasser der Haushalte zusammenführen und aus den Ortschaften zu den Kläranlagen bringen. „Diese Sammler sind teilweise komplett zerstört“, sagt der stellvertretende Werkleiter in Dümpelfeld, Bernd Schmitz. „Viele Rohrleitungen sind vollständig weggespült, andere waren bis zur Oberkante mit Geröll gefüllt.“

Zwei solcher Stränge führen in die Kläranlage in Dümpelfeld, eine davon wurde nur leicht beschädigt, die andere dagegen sehr. Nun gehe es darum, diese Verbindungssammler entweder provisorisch oder schon endgültig wiederherzustellen. Wie lange das dauern wird? „Noch eine sehr lange Zeit“, sagt Schmitz. Vielleicht Jahre. „Das sind teilweise schwierige Trassen, die da unterbrochen sind.“ […]

https://www.faz.net/aktuell/gesellschaft/ungluecke/klaeranlagen-nach-flut-ungefiltertes-abwasser-fliesst-in-die-ahr-17480457.html (abgerufen am 04.10.2021).

1.8

Außer der Abwasserbehandlung ist im Katastrophengebiet auch die Trinkwasserversorgung der Gemeinden durch die Zerstörung der Trinkwasserleitungen zusammengebrochen. Ortskräfte haben vorgeschlagen, die Trinkwasserversorgung kurzfristig durch die Nutzung von Brunnenwasser aus den vor Ort ansässigen Gehöften zu realisieren. Diese Überlegungen wurden jedoch schnell wieder verworfen.

Begründen Sie, dass eine direkte Nutzung des Brunnenwassers als Trinkwasser nicht möglich ist. [5 BE]

2 Zur Lösung des Abwasserproblems nach der Flutkatastrophe wurden mobile Kläranlagen vorübergehend aufgestellt. Die Energieversorgung dieser Kläranlagen und der Bevölkerung wurde durch Blockheizkraftwerke (BHKW) realisiert.

2.1

Skizzieren und beschriften Sie das Funktionsschaltbild eines BHKW. Beschreiben Sie die Funktionsweise eines BHKW.

[12 BE]

2.2

Geben Sie die Stellen in der mobilen Kläranlage an, welche vom BHKW mit Energie versorgt werden müssen.

[7 BE]

2.3

Der Dieselmotor des BHKW, welches eine mobile Kläranlage mit elektrischer und thermischer Energie versorgt, verbrennt stündlich $90\,\mathrm{kg}$ Diesel. Berechnen Sie die thermische Leistung und die elektrische Leistung des BHKW bei einem thermischen Wirkungsgrad von $45\,\%$ und einem elektrischen Wirkungsgrad von $40\,\%$ (Material 2).

[5 BE]

Material 2: Brennwerte und Heizwerte einiger ausgewählter Brennstoffe (Auszug)

Brennstoff

$h_S$ in $\mathrm{kJ\cdot kg^{-1}}$ bzw. $\mathrm{kJ\cdot m^{-3}}$

$h_I$ in $\mathrm{kJ\cdot kg^{-1}}$ bzw. $\mathrm{kJ\cdot m^{-3}}$

Diesel

$44800$

$41640$

2.4

Blockheizkraftwerke können auch in Wohngebäuden als Energieversorgungssysteme eingesetzt werden. Als gasbetriebene Mini-BHKW oder Mikro-BHKW wurde ihr Einbau in privaten Wohngebäuden als Ersatz für alte Heizungsanlagen finanziell gefördert. Begründen Sie, dass Mikro-BHKW aus umwelttechnischer Sicht förderungswürdig sind, auch wenn sie nicht zu den regenerativen Energieerzeugern gehören.

[6 BE]

2.5

Erklären Sie die Funktionen von stromgeführten und von wärmegeführten Blockheizkraftwerken. Entscheiden Sie, ob die in privaten Wohngebäuden installierten Mikro-BHKW und die großen BHKW für die Versorgung der mobilen Kläranlagen jeweils strom- oder wärmegeführt sind.

[6 BE]

2.6

In Biogasanlagen werden ebenfalls BHKW eingesetzt, um das bei der Vergärung von Biomasse entstandene Faulgas zu verstromen. Der Betreiber einer Biogasanlage gibt dazu an, dass sein BHKW ein Grundlastkraftwerk ist. Nehmen Sie dazu Stellung.

[4 BE]

Vorschlag C: Solarthermie und Trinkwasseraufbereitung

Die Eigentümer eines dreißig Jahre alten Einfamilienhauses möchten Energiekosten bei der Gebäudeheizung, die aktuell über eine Gas-Brennwertheizung realisiert wird, einsparen. Dazu möchten die Eigentümer aus ökologischen Gründen unbedingt auf eine regenerative Energie zurückgreifen. Eine Installationsfirma hat die Familie dazu beraten, auf dem nach Süden ausgerichteten Dach eine solarthermische Anlage mit Heizungsunterstützung zu installieren.

Material 1: Installationstechnische Daten des Gebäudes und Standortdaten

Installationstechnische Daten des Gebäudes:

Beheizte Fläche: $160\,\text{m}^2$

Wärmeenergiebedarf: $110\,\text{kWh}/(\text{m}^2\cdot\text{a})$

Heizungsinstallation: Gasbrennwertheizung mit Fußbodenheizung

Wirkungsgrad der Gasbrennwertheizung: $94\,\%$

Wasservolumen Kombispeicher: Fassungsvermögen $750\,\text{L}$

Installierte Kollektoren: $5$ Flachkollektoren à $1{,}9\,\text{m}^2$

Standortdaten für die Sonneneinstrahlung:

Durchschnitt der Globalstrahlung am Standort: $G = 1050\,\text{kWh}/(\text{m}^2\cdot\text{a})$

Im Jahresdurchschnitt nutzbarer Anteil der Globalstrahlung für die Solarthermie: $36\,\%$

Material 2: Brenn- und Heizwerte einiger ausgewählter Brennstoffe

Brennstoff

$h_S$ in $\text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$ bzw. $\text{kJ}\cdot\text{m}^{-3}$

$h_I$ in $\text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$ bzw. $\text{kJ}\cdot\text{m}^{-3}$

Steinkohle · 29000–32700 · 27000–32700

Braunkohlebriketts · 21000 · 19600

Eichenholz · 15100 · Je nach Wassergehalt stark unterschiedlich

Fichtenholz · 16200

Torf · 23000 · 15000

Hausmüll · nicht bekannt · 9000–11000

Heizöl EL · 45400 · 42700

Heizöl S · 42300 · 40200

Benzin · 46700 · 42500

Benzol · 41940 · 40230

Diesel · 44800 · 41640

Biodiesel (Rapsöl-Methylester) · ca. 40000 · ca. 37000

Petroleum · 42900 · 40800

Erdgas Typ E · 41300 · 37300

Methan · 39850 · 35790

Propan · 100890 · 92890

1.1

Beschreiben Sie fünf verschiedene Einflussfaktoren (Standortfaktoren, menschlich-zivilisatorische oder installationstechnische Einflüsse), die den Ertrag von solarthermischen Anlagen beeinflussen können. [10 BE]

1.2

Für die Installation der solarthermischen Anlage stehen als Kollektoren die beiden Varianten Flachkollektor und Vakuumröhrenkollektor zur Verfügung. Skizzieren und beschriften Sie den Aufbau beider Kollektortypen. Beschreiben Sie die Wärmegewinnung in einer solarthermischen Anlage mittels Sonnenlichts. [11 BE]

1.3

Der Wirkungsgrad von Röhrenkollektoren ist größer als der Wirkungsgrad von Flachkollektoren. Begründen Sie dies. [6 BE]

1.4

Diskutieren Sie die Eignung beider Kollektortypen für den gewünschten Einsatz in dem Einfamilienhaus. [12 BE]

1.5

Die Eigentümer hatten geplant mindestens $20\,\%$ ihres Wärmeenergiebedarfs durch Solarthermie zu erbringen. Zeigen Sie, dass diese Einsparung mithilfe der solarthermischen Anlage ermöglicht wird (Material 1). [5 BE]

1.6

An einem sonnigen Tag hat sich durch die Solarthermie die Temperatur im Kombispeicher von $50\,^\circ\text{C}$ auf $70\,^\circ\text{C}$ innerhalb von drei Stunden erhöht. Berechnen Sie die von der Solarthermie erbrachte Leistung und die in dieser Zeit eingesparte Erdgasmenge (Material 1 und 2). [7 BE]

1.7

Mithilfe der Solarthermie deutlich größere Einsparungen bei den Wärmekosten zu erzielen, wäre selbst dann problematisch, wenn eine größere Kollektorfläche installiert werden würde. Begründen Sie dies.

Entwickeln Sie eine Möglichkeit, durch die die Hauseigentümer den größten Teil des jährlichen Wärmebedarfs mit Sonnenenergie abdecken könnten. [6 BE]

Das Wasserwerk der Stadt Oldsmir in Florida fasst ihr Rohwasser über elf identische Schachtbrunnen. Da die Grundwasserhorizonte in Florida nur eine geringe Mächtigkeit aufweisen und seit Jahren weiter abflachen, hat man sich in Oldsmar dazu entschieden, kein Grundwasser, sondern küstennahes Brackwasser zu fördern. Brackwasser ist problematisch, da es salzig ist, andererseits enthält es kaum Eisen oder Mangan. Die Entsalzung erfolgt über eine Umkehrosmoseanlage.

2.1

Beschreiben Sie die erforderlichen Verarbeitungsschritte im Wasserwerk von Oldsmar, um das Wasser der Brunnen zu Trinkwasser aufzubereiten.

2.2

Ordnen Sie die Zugabe von Natriumhydroxid einem Anlagenteil des Wasserwerks zu und erläutern Sie die Funktion der Zugabe von Natriumhydroxid, auch unter Verwendung von Reaktionsgleichungen für den Prozess der Trinkwasserbereitung.

2.3

Diskutieren Sie verfahrenstechnische Möglichkeiten, auf Natriumhydroxid zu verzichten und die damit verbundenen Auswirkungen auf die Qualität des Trinkwassers. Erörtern Sie die Anfälligkeiten der abgeänderten Verfahren für terroristische Übergriffe (Material 3).

2.4

Berechnen Sie Masse, Stoffmenge und Stoffmengenkonzentration an Natriumhydroxid in einem Kubikmeter kontaminierten Wassers.

Hinweis: Die Dichte des Wassers ändert sich durch die Kontamination nicht (Material 3).

2.5

Prüfen Sie die Möglichkeit, große Mengen an Grundwasser trotz geringmächtiger Wasserhorizonte zu fördern. Diskutieren Sie die Wahl der Stadt Oldsmar, auf Brackwasser für die eigene Wasserversorgung zurückzugreifen.

2.6

Der durchschnittliche Wasserverbrauch in Oldsmar liegt bei 303 Liter pro Person und Tag. Berechnen Sie die Brackwassermenge, die jeder Brunnen täglich fördern muss (Material 3).