Abitur NRW Technik 2022 · GK · Haupttermin

Aufgabenstellung: Digitaltechnische Steuerung eines Aufzugs

Es ist eine digitaltechnische Steuerung für einen Aufzug in einem Bürogebäude zu entwickeln. Das Gebäude umfasst ein Untergeschoss (U), ein Erdgeschoss (E) sowie 6 weitere Etagen (1 – 6).

Die aktuelle Position der Kabine wird durch drei binäre Sensoren (P2, P1, P0) ermittelt. Mit einem Tastenfeld in der Kabine wird der Fahrtwunsch eingegeben; dieser wird im System ebenfalls durch drei binäre Signale W2, W1 und W0 dargestellt. Jeweils drei Signale werden als Dualzahl gedeutet, sodass das Untergeschoss durch P2 = 0, P1 = 0, P0 = 0 codiert ist. Das dritte Obergeschoss entspricht der Kombination P2 = 1, P1 = 0, P0 = 0.

Für die Umsetzung dürfen Sie Logik-Gatter sowie beliebige Flipflops verwenden.

M 1: 7-Segment-Anzeige

M 2: Vorlage Funktionstabelle

Etage · P2 · P1 · P0 · a · b · c · d · e · f · g

U · 0 · 0 · 0

E · 0 · 0 · 1

1 · 0 · 1 · 0

2 · 0 · 1 · 1

3 · 1 · 0 · 0

4 · 1 · 0 · 1

5 · 1 · 1 · 0

6 · 1 · 1 · 1

a)

Funktionstabelle

Die aktuelle Position wird mit einer 7-Segment-Anzeige angezeigt, die Material M 1 zeigt. Stellen Sie in Material M 2 die Funktionstabelle für die Signale a, b, c, d, e, f und g auf. Ein Segment leuchtet dabei, wenn es ein High-Signal erhält. [10 Punkte]

Etage · P2 · P1 · P0 · a · b · c · d · e · f · g

b)

Schaltungsentwicklung

Geben Sie die Funktionsgleichung des Signals f an. Leiten Sie unter Verwendung eines KV-Diagramms die minimierte Funktionsgleichung für f her und zeichnen Sie dazu den Symbolschaltplan. [14 Punkte]

d)

Türsteuerung

Entwickeln Sie eine digitaltechnische Schaltung, die mithilfe der Signale P2, P1, P0 sowie W2, W1, W0 feststellt, dass das Fahrtziel erreicht ist, und daraufhin das Signal T zum Öffnen der Fahrstuhltür setzt. Erläutern Sie dazu, welche Bedeutung die Speicherung von Signalen hat. [12 Punkte]

Aufgabenstellung: Digitaltechnische Steuerung eines Aufzugs

Es ist eine digitaltechnische Steuerung für einen Aufzug in einem Bürogebäude zu entwickeln. Das Gebäude umfasst ein Untergeschoss (U), ein Erdgeschoss (E) sowie 6 weitere Etagen (1 – 6).

Die aktuelle Position der Kabine wird durch drei binäre Sensoren (P2, P1, P0) ermittelt. Mit einem Tastenfeld in der Kabine wird der Fahrtwunsch eingegeben; dieser wird im System ebenfalls durch drei binäre Signale W2, W1 und W0 dargestellt. Jeweils drei Signale werden als Dualzahl gedeutet, sodass das Untergeschoss durch P2 = 0, P1 = 0, P0 = 0 codiert ist. Das dritte Obergeschoss entspricht der Kombination P2 = 1, P1 = 0, P0 = 0.

Für die Umsetzung dürfen Sie Logik-Gatter sowie beliebige Flipflops verwenden.

M 1: 7-Segment-Anzeige

M 2: Vorlage Funktionstabelle

Etage · P2 · P1 · P0 · a · b · c · d · e · f · g

U · 0 · 0 · 0

E · 0 · 0 · 1

1 · 0 · 1 · 0

2 · 0 · 1 · 1

3 · 1 · 0 · 0

4 · 1 · 0 · 1

5 · 1 · 1 · 0

6 · 1 · 1 · 1

c)

Wartungseinrichtung

Damit die Wartungsintervalle eingehalten werden, soll mitgezählt werden, wie oft das Untergeschoss angesteuert wurde. Entwickeln Sie einen Asynchronzähler, der diese Anfahrten zählt und sobald der Zählerstand 100 erreicht ist, ein digitales Ausgangssignal WA setzt. Ein von Hand zu gebendes Signal R soll sowohl den Zählerstand als auch das Wartungssignal zurücksetzen. Erläutern Sie, wie Ihre Schaltung funktioniert. [14 Punkte]

Aufgabenstellung: Optimierung eines Laufwasserkraftwerks am Hochrhein

Rheinfelden beherbergt das älteste Laufwasserkraftwerk Europas. Die alte Anlage entstand 1898 und erzeugt seither regenerativ elektrische Energie. 2010 wurde die neue Anlage mit 4 Turbinen sowie einer zusätzlichen Dotierturbine in Betrieb genommen. Analysieren Sie beide Kraftwerke in den folgenden Teilaufgaben.

M 1: Schematische Darstellung eines Laufwasserkraftwerks

M 2: Beschreibung des Kraftwerksstandortes

Im Jahr 1884 erteilte der Schweizer Kanton Aargau und im Jahr 1895 das Herzogtum Baden den Kraftwerksbetreibern die Erlaubnis zum Betrieb eines Wasserkraftwerks in Rheinfelden am Hochrhein. Im Jahr 1898 begann das Kraftwerk mit der Stromlieferung ins Netz. Damals war dieses Kraftwerk die größte europäische Wasserkraftanlage zur Elektrizitätsgewinnung. Die Genehmigung für eine Laufzeit von 90 Jahren wurde im Jahr 1989 für weitere 80 Jahre erweitert. Dies erfolgte unter der Auflage, dass ein neues Kraftwerk mit einer höheren Leistung gebaut werden sollte.

Im Sommer 2003 wurde mit dem Neubau des Wasserkraftwerks begonnen. Nachdem 2010 der erste Strom ins Netz geliefert wurde, folgte 2011 die offizielle Einweihung.

Die Flusslandschaft wurde durch ökologische Ausgleichsmaßnahmen im natürlichen Zustand erhalten. Dadurch entstanden naturnahe Fischaufstiege und Laichgewässer. Die Dotierturbine erzeugt dabei eine Strömung, die die Fische in den Aufstieg leitet.

M 3: Technische Daten des alten Wasserkraftwerks

Baujahr · 1898

Ausbaudurchfluss des Kraftwerks · $600\text{ m}^3/\text{s}$

Fallhöhe

bei niedrigem Wasserstand im Unterlauf

bei hohem Wasserstand im Unterlauf

$\Delta h = 6{,}0\text{ m}$

$\Delta h = 4{,}2\text{ m}$

Turbinen (20 Stück, nicht baugleich) · 8 Kaplan-Turbinen

6 Propeller-Turbinen

6 Francis-Turbinen

Generatoren · 8 Drehstromgeneratoren ($6800\text{ V}$, $50\text{ Hz}$)

12 Gleichstromgeneratoren ($100\text{ V}$ bis $1800\text{ V}$)

elektrische Nennleistung · $25{,}7\text{ MW}$

mittlere Jahresarbeit · $185\text{ Mio. kWh}$

M 4: Technische Daten des neuen Wasserkraftwerks

Einweihung · 2010

Ausbaudurchfluss des Kraftwerks durch die Kaplan-Turbinen · $1500\text{ m}^3/\text{s}$

Fallhöhe

bei niedrigem Wasserstand im Unterlauf

bei hohem Wasserstand im Unterlauf

$\Delta h = 9{,}0\text{ m}$

$\Delta h = 6{,}0\text{ m}$

Turbinen (4 Stück, baugleich) · 4 doppelt regulierte Kaplan-Turbinen mit jeweils $28{,}5\text{ MW}$ Bruttoleistung

Dotierturbine · 1 Dotierturbine mit $2{,}28\text{ MW}$ Bruttoleistung

Generatoren · 4 Drehstromgeneratoren

Wirkungsgrad $\eta = 0{,}98$

elektrische Nettoleistung · $4 \times 25\text{ MW} = 100\text{ MW}$

zusätzliche elektrische Nettoleistung · $1 \times 2\text{ MW}$ (durch die Dotierturbine)

mittlere Jahresarbeit · $600\text{ Mio. kWh}$

M 5: Abfluss des Rheins in m³/s in Rheinfelden

a) Aufbau und Funktion des Wasserkraftwerks

Geben Sie die Namen der Subsysteme des in Material M 1 abgebildeten Laufwasserkraftwerks an und erklären Sie, wie die Anlage funktioniert. Stellen Sie bedeutende ökologische, ökonomische und soziale Gesichtspunkte der Wasserkraftnutzung dar.

(13 Punkte)

1. Bezeichnungen und Funktion der Subsysteme (1 bis 7):

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

2. Aspekte der Wasserkraft:

Aufgabenstellung: Optimierung eines Laufwasserkraftwerks am Hochrhein

Rheinfelden beherbergt das älteste Laufwasserkraftwerk Europas. Die alte Anlage entstand 1898 und erzeugt seither regenerativ elektrische Energie. 2010 wurde die neue Anlage mit 4 Turbinen sowie einer zusätzlichen Dotierturbine in Betrieb genommen. Analysieren Sie beide Kraftwerke in den folgenden Teilaufgaben.

M 1: Schematische Darstellung eines Laufwasserkraftwerks

M 2: Beschreibung des Kraftwerksstandortes

Im Jahr 1884 erteilte der Schweizer Kanton Aargau und im Jahr 1895 das Herzogtum Baden den Kraftwerksbetreibern die Erlaubnis zum Betrieb eines Wasserkraftwerks in Rheinfelden am Hochrhein. Im Jahr 1898 begann das Kraftwerk mit der Stromlieferung ins Netz. Damals war dieses Kraftwerk die größte europäische Wasserkraftanlage zur Elektrizitätsgewinnung. Die Genehmigung für eine Laufzeit von 90 Jahren wurde im Jahr 1989 für weitere 80 Jahre erweitert. Dies erfolgte unter der Auflage, dass ein neues Kraftwerk mit einer höheren Leistung gebaut werden sollte.

Im Sommer 2003 wurde mit dem Neubau des Wasserkraftwerks begonnen. Nachdem 2010 der erste Strom ins Netz geliefert wurde, folgte 2011 die offizielle Einweihung.

Die Flusslandschaft wurde durch ökologische Ausgleichsmaßnahmen im natürlichen Zustand erhalten. Dadurch entstanden naturnahe Fischaufstiege und Laichgewässer. Die Dotierturbine erzeugt dabei eine Strömung, die die Fische in den Aufstieg leitet.

M 3: Technische Daten des alten Wasserkraftwerks

Baujahr · 1898

Ausbaudurchfluss des Kraftwerks · $600\text{ m}^3/\text{s}$

Fallhöhe

bei niedrigem Wasserstand im Unterlauf

bei hohem Wasserstand im Unterlauf

$\Delta h = 6{,}0\text{ m}$

$\Delta h = 4{,}2\text{ m}$

Turbinen (20 Stück, nicht baugleich) · 8 Kaplan-Turbinen

6 Propeller-Turbinen

6 Francis-Turbinen

Generatoren · 8 Drehstromgeneratoren ($6800\text{ V}$, $50\text{ Hz}$)

12 Gleichstromgeneratoren ($100\text{ V}$ bis $1800\text{ V}$)

elektrische Nennleistung · $25{,}7\text{ MW}$

mittlere Jahresarbeit · $185\text{ Mio. kWh}$

M 4: Technische Daten des neuen Wasserkraftwerks

Einweihung · 2010

Ausbaudurchfluss des Kraftwerks durch die Kaplan-Turbinen · $1500\text{ m}^3/\text{s}$

Fallhöhe

bei niedrigem Wasserstand im Unterlauf

bei hohem Wasserstand im Unterlauf

$\Delta h = 9{,}0\text{ m}$

$\Delta h = 6{,}0\text{ m}$

Turbinen (4 Stück, baugleich) · 4 doppelt regulierte Kaplan-Turbinen mit jeweils $28{,}5\text{ MW}$ Bruttoleistung

Dotierturbine · 1 Dotierturbine mit $2{,}28\text{ MW}$ Bruttoleistung

Generatoren · 4 Drehstromgeneratoren

Wirkungsgrad $\eta = 0{,}98$

elektrische Nettoleistung · $4 \times 25\text{ MW} = 100\text{ MW}$

zusätzliche elektrische Nettoleistung · $1 \times 2\text{ MW}$ (durch die Dotierturbine)

mittlere Jahresarbeit · $600\text{ Mio. kWh}$

M 5: Abfluss des Rheins in m³/s in Rheinfelden

b)

Wirkungsgrad des alten Kraftwerks [8 Punkte]

Berechnen Sie unter Verwendung von Material M 3 sowohl die mittlere Fallhöhe als auch die hydraulische Leistung des alten Kraftwerks. Ermitteln Sie anschließend dessen Wirkungsgrad.

c)

Wirkungsgrad und Auslastungsfaktor des neuen Kraftwerks [19 Punkte]

Berechnen Sie unter Verwendung von Material M 4 sowohl die mittlere Fallhöhe als auch die hydraulische Leistung des neuen Kraftwerks. Ermitteln Sie den Wirkungsgrad dieses neuen Wasserkraftwerks. Nennen Sie auf Grundlage der Materialien M 1 bis M 4 die Optimierungen, die beim Neubau umgesetzt wurden. Ermitteln Sie außerdem die Vollbenutzungsstunden sowie den Auslastungsfaktor der neuen Anlage.

d)

Abfluss und Einspeisung des neuen Kraftwerks [10 Punkte]

Erläutern Sie das Diagramm in Material M 5 zum Rheinabfluss am Kraftwerksstandort in Rheinfelden vor dem Hintergrund der Jahreszeiten. Stellen Sie unter Nutzung von Material M 4 in Material M 5 grafisch dar, wie viele Turbinen in den einzelnen Zeitabschnitten in Betrieb waren. Erläutern Sie, wie Sie dabei vorgegangen sind.

a)

Stellen Sie auf Grundlage des Artikels in Material M 1 dar, welche Möglichkeiten und Grenzen die solarthermische Fernwärmeerzeugung in ländlichen und in städtischen Gebieten bietet. Nennen Sie dabei ökonomische ebenso wie ökologische Faktoren.

[12 Punkte]

b)

Erläutern Sie, wie die Planung beim Bottom-Up-Ansatz und wie sie beim Top-Down-Ansatz der Bionik grundsätzlich abläuft. Leiten Sie danach aus Ihren Ausführungen ab, welche Methode für dieses Projekt geeignet ist. (10 Punkte)

c)

Erläutern Sie mithilfe der Materialien M 2 und M 3, in welchen Form- und Funktionsanalogien der Kollektor seinem natürlichen Vorbild entspricht. Nennen Sie die Vorteile, die aus dieser bionischen Entwicklung resultieren. (8 Punkte)

d)

Laut Material M 3 bewirbt der Hersteller der bionisch optimierten Kollektoren deren höhere Effizienz. Vergleicht man die Beispieldaten aus Material M 4, so beruht dies auch auf einem besseren Leistungsverhalten bei ungünstigen Einfallswinkeln. Skizzieren Sie anhand der vorgegebenen Sonnenstandsdaten in Material M 5 die Einfallswinkel zur Mittagszeit bei einer Aufständerung von 30° und von 60°. Interpretieren Sie, bei welcher Neigung die Effizienzunterschiede voraussichtlich stärker ausfallen. Ordnen Sie jeder der beiden Kollektorneigungen mit Begründung ein sinnvolles Einsatzszenario zu. (20 Punkte)