Abitur NRW Technik 2021 · GK · Haupttermin

Aufgabenstellung: Entwicklung eines Steuerbausteins für einen Backofen

Es ist ein Steuerbaustein für den Backofen einer Großbäckerei zu entwickeln, der den Backvorgang startet und ihn nach einer voreingestellten Zeit selbstständig beendet. Material M 1 enthält die Anforderungen an den Ofen.

M 1: Anforderungen an den Ofen

Der Ofen bietet drei Backprogramme, durch die Temperatur und Backzeit automatisch festgelegt werden. Mit einem Wahlschalter wählt die Bäckerin / der Bäcker eines der voreingestellten Programme aus. Anschließend muss die Auswahl mit einem Taster P bestätigt werden. P = 1 heißt, dass die Auswahl bestätigt wurde, P = 0, dass dies (noch) nicht geschehen ist.

Ein Sensor OT an der Ofentür liefert eine logische 1, sobald die Tür geöffnet ist, und eine logische 0, wenn sie geschlossen ist. Im Ofenraum kontrollieren zwei baugleiche Sensoren T1 und T2 die Temperatur. Jeder von ihnen gibt eine logische 1 aus, sobald die zum Backprogramm gehörige Temperatur erreicht ist; liegt die Temperatur darunter, geben sie eine logische 0 aus.

Der Backvorgang BV beginnt erst, wenn die Ofentür geschlossen ist, ein Backprogramm bestätigt wurde und mindestens einer der beiden Sensoren meldet, dass die Temperatur erreicht ist. Während des gesamten Backvorgangs ist das digitale Signal BV = 1 zu setzen.

M 2: Beschreibung der Backprogramme

Nr. · Programm · Temperatur · Zeit

1 · Weizenbrot · 170 °C · 40 Minuten

2 · Brötchen · 230 °C · 9 Minuten

3 · Kuchenboden · 190 °C · 15 Minuten

M 3: 7-Segment-Anzeige

Dez. · D · C · B · A · c

0 · 0 · 0 · 0 · 0

1 · 0 · 0 · 0 · 1

2 · 0 · 0 · 1 · 0

3 · 0 · 0 · 1 · 1

4 · 0 · 1 · 0 · 0

5 · 0 · 1 · 0 · 1

6 · 0 · 1 · 1 · 0

7 · 0 · 1 · 1 · 1

8 · 1 · 0 · 0 · 0

9 · 1 · 0 · 0 · 1

10 · 1 · 0 · 1 · 0

11 · 1 · 0 · 1 · 1

12 · 1 · 1 · 0 · 0

13 · 1 · 1 · 0 · 1

14 · 1 · 1 · 1 · 0

15 · 1 · 1 · 1 · 1

Teilaufgabe a)

Erläutern Sie anhand des Sachzusammenhangs in Material M 1, weshalb das Tastersignal P mit einem Flipflop gespeichert werden muss, und entwickeln Sie dazu einen eigenen Vorschlag für ein Rücksetzsignal. Erläutern Sie außerdem, weshalb sich auch beim Signal BV des Backvorgangs eine Speicherung anbietet.

[6 Punkte]

Teilaufgabe c)

Entwickeln Sie unter Nutzung von Material M 2 für das Backprogramm „Brötchen“ eine Zeitsteuerung, die mit Ihnen bekannten Flipflops aufgebaut ist. Als Taktsignal steht ein Taktbaustein mit einer Frequenz von 1/60 Hz (1 pro Minute) zur Verfügung. Geben Sie die Rücksetzbedingung der Zeitsteuerung als Funktionsgleichung an. Erläutern Sie Ihren Lösungsweg. Ermitteln Sie, wie viele Flipflops für das Backprogramm „Weizenbrot“ benötigt werden.

[17 Punkte]

Aufgabenstellung: Entwicklung eines Steuerbausteins für einen Backofen

Es ist ein Steuerbaustein für den Backofen einer Großbäckerei zu entwickeln, der den Backvorgang startet und ihn nach einer voreingestellten Zeit selbstständig beendet. Material M 1 enthält die Anforderungen an den Ofen.

M 1: Anforderungen an den Ofen

Der Ofen bietet drei Backprogramme, durch die Temperatur und Backzeit automatisch festgelegt werden. Mit einem Wahlschalter wählt die Bäckerin / der Bäcker eines der voreingestellten Programme aus. Anschließend muss die Auswahl mit einem Taster P bestätigt werden. P = 1 heißt, dass die Auswahl bestätigt wurde, P = 0, dass dies (noch) nicht geschehen ist.

Ein Sensor OT an der Ofentür liefert eine logische 1, sobald die Tür geöffnet ist, und eine logische 0, wenn sie geschlossen ist. Im Ofenraum kontrollieren zwei baugleiche Sensoren T1 und T2 die Temperatur. Jeder von ihnen gibt eine logische 1 aus, sobald die zum Backprogramm gehörige Temperatur erreicht ist; liegt die Temperatur darunter, geben sie eine logische 0 aus.

Der Backvorgang BV beginnt erst, wenn die Ofentür geschlossen ist, ein Backprogramm bestätigt wurde und mindestens einer der beiden Sensoren meldet, dass die Temperatur erreicht ist. Während des gesamten Backvorgangs ist das digitale Signal BV = 1 zu setzen.

M 2: Beschreibung der Backprogramme

Nr. · Programm · Temperatur · Zeit

1 · Weizenbrot · 170 °C · 40 Minuten

2 · Brötchen · 230 °C · 9 Minuten

3 · Kuchenboden · 190 °C · 15 Minuten

M 3: 7-Segment-Anzeige

Dez. · D · C · B · A · c

0 · 0 · 0 · 0 · 0

1 · 0 · 0 · 0 · 1

2 · 0 · 0 · 1 · 0

3 · 0 · 0 · 1 · 1

4 · 0 · 1 · 0 · 0

5 · 0 · 1 · 0 · 1

6 · 0 · 1 · 1 · 0

7 · 0 · 1 · 1 · 1

8 · 1 · 0 · 0 · 0

9 · 1 · 0 · 0 · 1

10 · 1 · 0 · 1 · 0

11 · 1 · 0 · 1 · 1

12 · 1 · 1 · 0 · 0

13 · 1 · 1 · 0 · 1

14 · 1 · 1 · 1 · 0

15 · 1 · 1 · 1 · 1

Teilaufgabe b)

Entwickeln Sie anhand des Materials M 1 schrittweise (Variablen/Signale, Funktionstabelle, Funktionsgleichung, KV-Diagramm, Schaltplan) eine digitale Schaltung, die das Signal BV für den Backvorgang erzeugt.

[19 Punkte]

OT

P

T2

T1

BV

Teilaufgabe d)

Das Eingabefeld des Backofens wird von einem Display mit 7-Segment-Anzeigen ergänzt, welches die noch verbleibende Backzeit darstellt. Leiten Sie unter Verwendung von Material M 3 die vereinfachte Funktionsgleichung für das Segment c einer 7-Segment-Anzeige her.

[8 Punkte]

Dez.

D

C

B

A

c

Aufgabenstellung: Analyse eines Steinkohlenblocks im Kontext der Energiewende

An einem Kraftwerksstandort im Norden des Ruhrgebiets wurden in den letzten Jahren mehrere alte Steinkohlenblöcke stillgelegt und vom Netz getrennt. Ein neu errichteter, moderner und leistungsstarker Block am selben Standort gleicht die ausgefallene Einspeiseleistung wieder aus. Bis zum geplanten Kohleausstieg wird dieser Neubau in den kommenden Jahrzehnten die Energieversorgung der Region absichern.

M 1: Schematischer Aufbau eines Steinkohlenblocks

M 2: Technische Daten des Blocks

Steinkohleneinsatz bei Volllast · 312 Tonnen pro Stunde

Elektrische Bruttoleistung · 1100 MW

Elektrische Nettoleistung · 1052 MW

Fernwärmeleistung · 350 MW

Elektrischer Wirkungsgrad $\eta_{\text{el}}$ · 45 %

Durchschnittliche Jahreseinspeisung elektrischer Energie · 2630 GW·h

Frischdampfdruck/-temperatur · 200 bar / 600 °C

Druck und Temperatur nach der Zwischenüberhitzung · 80 bar / 600 °C

Kondensatordruck · 0,02 bar

Heizwert der Steinkohle: 27 MJ/kg

a)

Aufbau und Funktion eines Steinkohlenblocks

Geben Sie anhand der Nummern die Namen der im Material M 1 dargestellten Teile des Steinkohlenblocks an. Erläutern Sie, welche Aufgabe jedes dieser Teile erfüllt. [15 Punkte]

d)

Einspeisung nach Energieträgern

Beschreiben Sie das in Material M 4 dargestellte Diagramm. Erörtern Sie, wie fossile und regenerative Energieträger bei der Bereitstellung elektrischer Energie zusammenwirken. Berücksichtigen Sie dabei, welche unterschiedlichen Anforderungen sich für den Kraftwerkspark eines Energieversorgers ergeben, damit die Energieversorgung gesichert ist. [10 Punkte]

Aufgabenstellung: Analyse eines Steinkohlenblocks im Kontext der Energiewende

An einem Kraftwerksstandort im Norden des Ruhrgebiets wurden in den letzten Jahren mehrere alte Steinkohlenblöcke stillgelegt und vom Netz getrennt. Ein neu errichteter, moderner und leistungsstarker Block am selben Standort gleicht die ausgefallene Einspeiseleistung wieder aus. Bis zum geplanten Kohleausstieg wird dieser Neubau in den kommenden Jahrzehnten die Energieversorgung der Region absichern.

M 1: Schematischer Aufbau eines Steinkohlenblocks

M 2: Technische Daten des Blocks

Steinkohleneinsatz bei Volllast · 312 Tonnen pro Stunde

Elektrische Bruttoleistung · 1100 MW

Elektrische Nettoleistung · 1052 MW

Fernwärmeleistung · 350 MW

Elektrischer Wirkungsgrad $\eta_{\text{el}}$ · 45 %

Durchschnittliche Jahreseinspeisung elektrischer Energie · 2630 GW·h

Frischdampfdruck/-temperatur · 200 bar / 600 °C

Druck und Temperatur nach der Zwischenüberhitzung · 80 bar / 600 °C

Kondensatordruck · 0,02 bar

Heizwert der Steinkohle: 27 MJ/kg

b) Analyse der technischen Daten des Blocks [15 Punkte]

Ermitteln Sie anhand der technischen Daten aus Material M 2, welchen prozentualen Anteil der elektrische Eigenbedarf des Blocks ausmacht. Überprüfen Sie den in Material M 2 genannten Massenstrom für die maximale elektrische Einspeisung. Bestimmen Sie den Gesamtwirkungsgrad des Blocks, wenn die Kraft-Wärme-Kopplung genutzt wird.

b.1)

b.2)

b.3)

c) Einspeisekurve des Blocks [10 Punkte]

Beschreiben und interpretieren Sie das Tagesdiagramm der Einspeisung des Blocks in Material M 3. Nennen Sie die Lastbereiche, in denen das Kraftwerk Strom ins Netz liefert. Bestimmen Sie näherungsweise, wie viel elektrische Energie der Block an diesem Tag insgesamt eingespeist hat.

c.1)

c.2)

Aufgabe: Analysebetrachtungen zum Einsatz eines Brennstoffzellenzuges (50 Punkte)

M 1: Vorliegende Problembeschreibung

Im Westen von Nordrhein-Westfalen verkehren auf einer nicht elektrifizierten Bahnstrecke ältere dieselbetriebene Nahverkehrszüge. Die Städte Musterhausen und Schönstadt sind durch diese eingleisige Strecke verbunden. Die Ballungszentren im Rheinland sind über Anschlussstrecken verbunden. In den vergangenen Jahren hat der Regionalbahnverkehr auf dieser Strecke enorm zugenommen, da immer mehr Personen berufs- oder ausbildungsbedingt aus den beiden Regionen in die Ballungszentren pendeln. Der Betreiber der Bahnstrecke möchte die Taktung der Verbindung erhöhen und die veralteten Dieselzüge durch moderne Züge mit einem umweltfreundlichen Antrieb ersetzen. Als Fachfrau bzw. Fachmann für Nahverkehrsstrecken erhalten Sie vom Streckenbetreiber den Auftrag, den Einsatz eines Brennstoffzellenzuges zu untersuchen.

a)

Funktionsweise einer Brennstoffzelle [16 Punkte]

Beschreiben Sie anhand von Material M 2, wie eine PEM-Brennstoffzelle funktioniert. Geben Sie die chemischen Reaktionsgleichungen für die beiden Elektroden sowie die Gesamtreaktionsgleichung an. Nennen Sie für die markierten Komponenten des Brennstoffzellenzuges in Material M 3 jeweils die Funktion und die auftretenden Energieumwandlungen.

M 2: Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle (PEM – Protonen Exchange Membrane)

M 3: Aufbau des Brennstoffzellenzuges

Die Brennstoffzelle und die Akkus liefern die Antriebsenergie für den Elektromotor beim Anfahren. Die Brennstoffzelle lädt die Akkus während der Fahrt auf. Beim Bremsen wird die Bremsenergie auch zum Laden der Akkus verwendet.

b)

Volumen des Wasserstoffspeichers und Reichweitenbestimmung [15 Punkte]

Ermitteln Sie anhand der technischen Daten in Material M 4 das Wasserstoffvolumen bei einem Druck von 1 bar, das in den Drucktanks gespeichert ist. Bestimmen Sie die Reichweite des Zuges bei einer vollständigen Wasserstofffüllung und vergleichen Sie sie mit der Reichweite aus Material M 4. Erläutern Sie eine weitere Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern.

M 4: Technische Daten des Brennstoffzellenzuges

Anschaffungskosten · ca. 15 Mio. €

Betriebsdauer · 25 bis 30 Jahre

Höchstgeschwindigkeit · 100 km/h

Reichweite bei vollem Wasserstofftank · 1000 km

elektrische Leistung der Brennstoffzelle · 200 kW (konstante Leistung während der Betriebszeit)

Spannung am Ausgang der Brennstoffzelle · 800 V

durchschnittlicher Wasserstoffverbrauch · 0,26 kg pro Kilometer

Wasserstoffdruckgasspeicher

• Anzahl

• Speicherkapazität

• Druck

2

jeweils 90 kg H₂

350 bar

Batterie

• Anzahl

• Kapazität

2

jeweils 110 kW·h

Elektromotor

• Anzahl

• elektrische Leistung

2

200 kW

M 7: Wissenschaftliche Größen und Konstanten (Auszug)

Brennwert von Wasserstoff: $H = 120\ \text{MJ/kg}$

Dichte von Wasserstoff bei 350 bar: $\rho = 24\ \text{kg/m}^3$

Universelle Gaskonstante: $R = 8{,}314\ \text{J/(K}\cdot\text{mol)}$

Faraday-Konstante: $F = 96485\ \text{A}\cdot\text{s/mol}$

c)

Wirkungsgrad der Brennstoffzelle [12 Punkte]

Bestimmen Sie mithilfe der Materialien M 4 und M 5 den Wasserstoffbedarf für die Strecke pro Tag sowie die umgesetzte chemische Energie in $\text{kW}\cdot\text{h}$. Ermitteln Sie außerdem die chemische Leistung und den elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.

M 5: Zugfahrplan (Entfernung zwischen Musterhausen und Schönstadt: 30 km, montags bis freitags)

d)

Herstellung von Wasserstoff durch regenerative Energiequellen [7 Punkte]

Erläutern Sie das Sankey-Diagramm in Material M 6. Bestimmen Sie anhand des Diagramms den Gesamtwirkungsgrad.

M 6: Regenerative Herstellung von Wasserstoff