Abitur NRW Technik 2023 · LK · Haupttermin

Aufgabenstellung: Steuerung einer Lüftungsanlage in einem Vereinshaus

Im Rahmen des NRW-Programmes „Gute Sportstätte 2020“ wird das Vereinsgebäude eines Sportvereins (mit Sporthalle, Umkleiden, Duschen und Sanitärräumen) saniert. Wegen der Erfahrungen aus der Sars-COV-2-Pandemie der letzten Jahre soll eine gute Belüftung sichergestellt werden. Dem steht jedoch das Ziel der Energieeinsparung entgegen.

M 1: Anforderungen an die Lüftungssteuerung

Die Lüftungsanlage für den Duschbereich verfügt über 2 Lüfter. Lüfter 1 (Ausgang X, HIGH-aktiv) sorgt für den Grundvolumenstrom. Lüfter 2 (Ausgang Y, HIGH-aktiv) kann zusätzlich eingeschaltet werden, um einen erhöhten Volumenstrom und damit noch besseren Luftaustausch zu erreichen.

Lüfter 1 soll aktiviert werden, wenn die Duschen verwendet werden (wird erkannt über „Licht eingeschaltet“: Sensor A gibt ein HIGH-Signal) oder wenn die Zeitschaltung (Sensor B) regulären Trainingsbetrieb anzeigt (Training: HIGH-Signal). Dies soll nur erfolgen, wenn die Fenster im Duschbereich geschlossen sind (wird erkannt über „Fenster geschlossen“: Sensor C gibt ein LOW-Signal).

Sobald der Feuchtigkeitssensor (Sensor D, LOW-Aktiv) eine zu hohe Luftfeuchtigkeit im Nasszellenbereich erfasst, soll auf jeden Fall – unabhängig von den sonstigen Rahmenbedingungen – für einen maximalen Luftstrom gesorgt werden.

Sensor · Name

Lichtschalter · A · HIGH-aktiv

Zeitschaltung · B · HIGH-aktiv

Fenstersensor · C · LOW-Aktiv

Feuchtigkeitssensor · D · LOW-Aktiv

Aktor · Name

Lüfter 1 · X · HIGH-aktiv

Lüfter 2 · Y · HIGH-aktiv

M 2: Anforderungen an die Nachlaufsteuerung

Um eine gute Durchlüftung zu gewährleisten, soll die Lüftungsanlage eine Nachlaufsteuerung erhalten. Der Lüfter 1 soll 10 Minuten nachlaufen, wenn das Fenster geschlossen ist. Der Fensterzustand wird ignoriert, wenn auch Lüfter 2 laufen soll. Eine manuelle Steuerung soll über einen Ein- und einen Austaster ($T_{\text{an}}$ und $T_{\text{aus}}$) realisiert werden. Das manuelle Einschalten der Lüftung hat Vorrang vor der Automatik.

Minutentaktgeber T mit $1/60\text{ Hz}$

Lüftersignale X und Y

Fenstersensor C

$T_{\text{an}}$

$T_{\text{aus}}$

$X_{\text{neu}}$

M 3: Anforderungen an die Nachlaufsteuerung mit SPS

Ein moderner Lüfter steht im Duschbereich zur Verfügung. Dieser Lüfter verfügt über drei unabhängige Ventilatoren (Q1, Q2, Q3).

Um unnötige Schaltzyklen zu vermeiden und eine gute Mindestlüftung zu garantieren, soll der Ventilator Q1 mindestens 5 Minuten laufen, auch wenn jemand den Raum nur kurz betritt. Dies wird durch einen digitalen Präsenzmelder I1 angezeigt. Befindet sich jemand länger als 5 Minuten im Raum, soll der Lüfter Q1 noch für 15 Minuten nach Verlassen des Raumes nachlaufen.

M 4: Feuchtigkeitsüberwachung mit Analogsensor

Sobald ein digitaler Präsenzmelder I1 die Anwesenheit von Personen meldet, läuft der Ventilator Q1. Wird zusätzlich eine relative Luftfeuchtigkeit (LF) von 60 % oder höher erreicht, sollen die Ventilatoren Q1 und Q2 aktiviert werden. Ab 80 % Luftfeuchtigkeit sollen alle drei Ventilatoren laufen, sofern eine Person gemeldet wird.

Die Feuchtigkeitswerte liefert ein Analogsensor, wobei die Spannung von $0\dots 5\text{ V}$ einer relativen Luftfeuchtigkeit von $0\text{ bis }100\,\%$ entspricht.

a) Systematische Schaltungsentwicklung zur Lüftungssteuerung

Entwickeln Sie anhand des Materials M 1 in systematischer Vorgehensweise eine digitaltechnische Schaltung, die das Signal X für die Lüftungssteuerung erzeugt. Geben Sie dazu die Funktionsgleichung für X in der Oder-Normalform an, entwickeln Sie die vereinfachte Funktionsgleichung und zeichnen Sie den digitaltechnischen Schaltplan. [14 Punkte]

1.

2.

3.

Aufgabenstellung: Steuerung einer Lüftungsanlage in einem Vereinshaus

Im Rahmen des NRW-Programmes „Gute Sportstätte 2020“ wird das Vereinsgebäude eines Sportvereins (mit Sporthalle, Umkleiden, Duschen und Sanitärräumen) saniert. Wegen der Erfahrungen aus der Sars-COV-2-Pandemie der letzten Jahre soll eine gute Belüftung sichergestellt werden. Dem steht jedoch das Ziel der Energieeinsparung entgegen.

M 1: Anforderungen an die Lüftungssteuerung

Die Lüftungsanlage für den Duschbereich verfügt über 2 Lüfter. Lüfter 1 (Ausgang X, HIGH-aktiv) sorgt für den Grundvolumenstrom. Lüfter 2 (Ausgang Y, HIGH-aktiv) kann zusätzlich eingeschaltet werden, um einen erhöhten Volumenstrom und damit noch besseren Luftaustausch zu erreichen.

Lüfter 1 soll aktiviert werden, wenn die Duschen verwendet werden (wird erkannt über „Licht eingeschaltet“: Sensor A gibt ein HIGH-Signal) oder wenn die Zeitschaltung (Sensor B) regulären Trainingsbetrieb anzeigt (Training: HIGH-Signal). Dies soll nur erfolgen, wenn die Fenster im Duschbereich geschlossen sind (wird erkannt über „Fenster geschlossen“: Sensor C gibt ein LOW-Signal).

Sobald der Feuchtigkeitssensor (Sensor D, LOW-Aktiv) eine zu hohe Luftfeuchtigkeit im Nasszellenbereich erfasst, soll auf jeden Fall – unabhängig von den sonstigen Rahmenbedingungen – für einen maximalen Luftstrom gesorgt werden.

Sensor · Name

Lichtschalter · A · HIGH-aktiv

Zeitschaltung · B · HIGH-aktiv

Fenstersensor · C · LOW-Aktiv

Feuchtigkeitssensor · D · LOW-Aktiv

Aktor · Name

Lüfter 1 · X · HIGH-aktiv

Lüfter 2 · Y · HIGH-aktiv

M 2: Anforderungen an die Nachlaufsteuerung

Um eine gute Durchlüftung zu gewährleisten, soll die Lüftungsanlage eine Nachlaufsteuerung erhalten. Der Lüfter 1 soll 10 Minuten nachlaufen, wenn das Fenster geschlossen ist. Der Fensterzustand wird ignoriert, wenn auch Lüfter 2 laufen soll. Eine manuelle Steuerung soll über einen Ein- und einen Austaster ($T_{\text{an}}$ und $T_{\text{aus}}$) realisiert werden. Das manuelle Einschalten der Lüftung hat Vorrang vor der Automatik.

Minutentaktgeber T mit $1/60\text{ Hz}$

Lüftersignale X und Y

Fenstersensor C

$T_{\text{an}}$

$T_{\text{aus}}$

$X_{\text{neu}}$

M 3: Anforderungen an die Nachlaufsteuerung mit SPS

Ein moderner Lüfter steht im Duschbereich zur Verfügung. Dieser Lüfter verfügt über drei unabhängige Ventilatoren (Q1, Q2, Q3).

Um unnötige Schaltzyklen zu vermeiden und eine gute Mindestlüftung zu garantieren, soll der Ventilator Q1 mindestens 5 Minuten laufen, auch wenn jemand den Raum nur kurz betritt. Dies wird durch einen digitalen Präsenzmelder I1 angezeigt. Befindet sich jemand länger als 5 Minuten im Raum, soll der Lüfter Q1 noch für 15 Minuten nach Verlassen des Raumes nachlaufen.

M 4: Feuchtigkeitsüberwachung mit Analogsensor

Sobald ein digitaler Präsenzmelder I1 die Anwesenheit von Personen meldet, läuft der Ventilator Q1. Wird zusätzlich eine relative Luftfeuchtigkeit (LF) von 60 % oder höher erreicht, sollen die Ventilatoren Q1 und Q2 aktiviert werden. Ab 80 % Luftfeuchtigkeit sollen alle drei Ventilatoren laufen, sofern eine Person gemeldet wird.

Die Feuchtigkeitswerte liefert ein Analogsensor, wobei die Spannung von $0\dots 5\text{ V}$ einer relativen Luftfeuchtigkeit von $0\text{ bis }100\,\%$ entspricht.

b) Entwicklung einer sequenziellen Schaltlogik für die erweiterte Lüftungssteuerung

Entwickeln Sie eine Schaltung zur erweiterten Steuerung der Lüftungsanlage, in der die Vorgaben aus den Materialien M 1 und M 2 realisiert sind. Erläutern Sie die von Ihnen entworfene Schaltung. Ermitteln Sie die geeignete Binärdarstellung der Nachlaufzeit. [17 Punkte]

1.

$10_{\mathrm{dez}} =$

$_{\mathrm{bin}}$

2.

3.

Aufgabenstellung: Steuerung einer Lüftungsanlage in einem Vereinshaus

Im Rahmen des NRW-Programmes „Gute Sportstätte 2020“ wird das Vereinsgebäude eines Sportvereins (mit Sporthalle, Umkleiden, Duschen und Sanitärräumen) saniert. Wegen der Erfahrungen aus der Sars-COV-2-Pandemie der letzten Jahre soll eine gute Belüftung sichergestellt werden. Dem steht jedoch das Ziel der Energieeinsparung entgegen.

M 1: Anforderungen an die Lüftungssteuerung

Die Lüftungsanlage für den Duschbereich verfügt über 2 Lüfter. Lüfter 1 (Ausgang X, HIGH-aktiv) sorgt für den Grundvolumenstrom. Lüfter 2 (Ausgang Y, HIGH-aktiv) kann zusätzlich eingeschaltet werden, um einen erhöhten Volumenstrom und damit noch besseren Luftaustausch zu erreichen.

Lüfter 1 soll aktiviert werden, wenn die Duschen verwendet werden (wird erkannt über „Licht eingeschaltet“: Sensor A gibt ein HIGH-Signal) oder wenn die Zeitschaltung (Sensor B) regulären Trainingsbetrieb anzeigt (Training: HIGH-Signal). Dies soll nur erfolgen, wenn die Fenster im Duschbereich geschlossen sind (wird erkannt über „Fenster geschlossen“: Sensor C gibt ein LOW-Signal).

Sobald der Feuchtigkeitssensor (Sensor D, LOW-Aktiv) eine zu hohe Luftfeuchtigkeit im Nasszellenbereich erfasst, soll auf jeden Fall – unabhängig von den sonstigen Rahmenbedingungen – für einen maximalen Luftstrom gesorgt werden.

Sensor · Name

Lichtschalter · A · HIGH-aktiv

Zeitschaltung · B · HIGH-aktiv

Fenstersensor · C · LOW-Aktiv

Feuchtigkeitssensor · D · LOW-Aktiv

Aktor · Name

Lüfter 1 · X · HIGH-aktiv

Lüfter 2 · Y · HIGH-aktiv

M 2: Anforderungen an die Nachlaufsteuerung

Um eine gute Durchlüftung zu gewährleisten, soll die Lüftungsanlage eine Nachlaufsteuerung erhalten. Der Lüfter 1 soll 10 Minuten nachlaufen, wenn das Fenster geschlossen ist. Der Fensterzustand wird ignoriert, wenn auch Lüfter 2 laufen soll. Eine manuelle Steuerung soll über einen Ein- und einen Austaster ($T_{\text{an}}$ und $T_{\text{aus}}$) realisiert werden. Das manuelle Einschalten der Lüftung hat Vorrang vor der Automatik.

Minutentaktgeber T mit $1/60\text{ Hz}$

Lüftersignale X und Y

Fenstersensor C

$T_{\text{an}}$

$T_{\text{aus}}$

$X_{\text{neu}}$

M 3: Anforderungen an die Nachlaufsteuerung mit SPS

Ein moderner Lüfter steht im Duschbereich zur Verfügung. Dieser Lüfter verfügt über drei unabhängige Ventilatoren (Q1, Q2, Q3).

Um unnötige Schaltzyklen zu vermeiden und eine gute Mindestlüftung zu garantieren, soll der Ventilator Q1 mindestens 5 Minuten laufen, auch wenn jemand den Raum nur kurz betritt. Dies wird durch einen digitalen Präsenzmelder I1 angezeigt. Befindet sich jemand länger als 5 Minuten im Raum, soll der Lüfter Q1 noch für 15 Minuten nach Verlassen des Raumes nachlaufen.

M 4: Feuchtigkeitsüberwachung mit Analogsensor

Sobald ein digitaler Präsenzmelder I1 die Anwesenheit von Personen meldet, läuft der Ventilator Q1. Wird zusätzlich eine relative Luftfeuchtigkeit (LF) von 60 % oder höher erreicht, sollen die Ventilatoren Q1 und Q2 aktiviert werden. Ab 80 % Luftfeuchtigkeit sollen alle drei Ventilatoren laufen, sofern eine Person gemeldet wird.

Die Feuchtigkeitswerte liefert ein Analogsensor, wobei die Spannung von $0\dots 5\text{ V}$ einer relativen Luftfeuchtigkeit von $0\text{ bis }100\,\%$ entspricht.

c)

Vorteile einer SPS gegenüber festverdrahteter Digitalschaltungen

Erläutern Sie anhand von Beispielen aus diesem Kontext, welche Vorteile ein speicherprogrammierbares System (SPS) im Vergleich zu einer ausschließlich digitaltechnischen Realisierung bietet.

[7 Punkte]

d)

SPS-gestützte Nachlaufsteuerung

Entwickeln Sie mithilfe von Material M 3 eine Nachlaufsteuerung für den Ventilator Q1, die Sie mit einer SPS Ihrer Wahl umsetzen. Erläutern Sie Ihre Lösung.

[12 Punkte]

e)

Entwurf einer SPS-gestützten erweiterten Lüftungssteuerung

Die Lüftungssteuerung aus Material M 3 soll um die in Material M 4 genannten Anforderungen ergänzt werden. Entwerfen Sie hierfür eine geeignete SPS-Steuerung. Erläutern Sie Ihre Lösung.

[15 Punkte]

Aufgabenstellung: Analyse des Pumpspeicherkraftwerks am Silvrettasee

Im Juni 2019 ging im österreichischen Vorarlberg das Pumpspeicherkraftwerk Obervermuntwerk II in Betrieb. Es speichert Energie mithilfe des Wassers im Silvretta-Stausee (vgl. M 1). Im Turbinenbetrieb fließt ein Teil dieses Wassers in den tiefer liegenden Vermuntsee.

M 1: Bild des Silvrettasees

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Silvretta-Stausee#/media/Datei:Silvrettasee.jpg (Zugriff: 12.01.2022)

M 2: Technische Daten des Pumpspeicherkraftwerks Obervermuntwerk II

Stauziel Silvrettasee: · 2030 m.ü.A. 2

Baukosten: · 500.000.000 €

Elektrische Engpassleistung: 3 · 360 MW

Turbinenzahl: · 2

Pumpenanzahl: · 2

Nutzbares Volumen Silvrettasee: · $38{,}6 \cdot 10^6\text{ m}^3$

Mittlere Fallhöhe: · 311,2 m

Wirkungsgrad Motor/Generator: · 0,96

Wirkungsgrad Turbine (Volllast): · 0,88

Wirkungsgrad Pumpe (Volllast): · 0,85

Oberfläche Silvrettasee: · $1{,}3\text{ km}^2$

Mittlere Höhe des Vermuntsees: · 1718,8 m.ü.A. 2

2 In Österreich wird – im Gegensatz zu Deutschland – die Meereshöhe auf den mittleren Pegelstand der Adria am Molto Sartorio von Triest bezogen: m.ü.A. In Deutschland wird als mittlere Pegelhöhe NHN (auch verallgemeinert NN) verwendet und bezieht sich hier auf einen im Jahre 1674 gemessenen Pegel in Amsterdam, NL.

3 Die Engpassleistung wird vom schwächsten Glied der gesamten Leistungskette bestimmt. Einzelne Baugruppen könnten somit theoretisch mehr Leistung erbringen, werden aber von schwächeren Baugruppen daran gehindert. Die Engpassleistung ist somit der erreichbaren Maximalleistung gleichbedeutend.

M 3: Einsatzbereiche der Turbinen

Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kennfeld_Wasserturbinen_Francis.svg (geändert; Zugriff: 12.01.2022)

M 4: Strompreisentwicklung im Dezember 2020 an der EEX 4

Quelle: https://www.eex.com (geändert; Zugriff: 12.01.2022)

4 European Energy Exchange

a)

Grundlagen und Querschnittsbild [15 Punkte]

Erläutern Sie, nach welchem Grundprinzip ein Pumpspeicherkraftwerk arbeitet.

Zeichnen Sie einen Querschnitt durch ein Pumpspeicherkraftwerk. Ordnen Sie in Ihrer Zeichnung die Teilsysteme Turbine, Generator, Absperrschieber, Wasserschloss, Einlauf, Stauziel und Unterwasser sowie zwei weitere Teilsysteme der passenden Stelle zu.

b)

Bewertung regenerative Energiequelle [6 Punkte]

Diskutieren Sie ausgehend von der Aussage „Wenn sich der Energiemix ausschließlich aus regenerativen Energiequellen zusammensetzt, sind Pumpspeicherkraftwerke auch regenerative Energiequellen.“, inwiefern Pumpspeicherkraftwerke als regenerative oder als nicht-regenerative Energiequellen eingeordnet werden dürfen.

Aufgabenstellung: Analyse des Pumpspeicherkraftwerks am Silvrettasee

Im Juni 2019 ging im österreichischen Vorarlberg das Pumpspeicherkraftwerk Obervermuntwerk II in Betrieb. Es speichert Energie mithilfe des Wassers im Silvretta-Stausee (vgl. M 1). Im Turbinenbetrieb fließt ein Teil dieses Wassers in den tiefer liegenden Vermuntsee.

M 1: Bild des Silvrettasees

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Silvretta-Stausee#/media/Datei:Silvrettasee.jpg (Zugriff: 12.01.2022)

M 2: Technische Daten des Pumpspeicherkraftwerks Obervermuntwerk II

Stauziel Silvrettasee: · 2030 m.ü.A. 2

Baukosten: · 500.000.000 €

Elektrische Engpassleistung: 3 · 360 MW

Turbinenzahl: · 2

Pumpenanzahl: · 2

Nutzbares Volumen Silvrettasee: · $38{,}6 \cdot 10^6\text{ m}^3$

Mittlere Fallhöhe: · 311,2 m

Wirkungsgrad Motor/Generator: · 0,96

Wirkungsgrad Turbine (Volllast): · 0,88

Wirkungsgrad Pumpe (Volllast): · 0,85

Oberfläche Silvrettasee: · $1{,}3\text{ km}^2$

Mittlere Höhe des Vermuntsees: · 1718,8 m.ü.A. 2

2 In Österreich wird – im Gegensatz zu Deutschland – die Meereshöhe auf den mittleren Pegelstand der Adria am Molto Sartorio von Triest bezogen: m.ü.A. In Deutschland wird als mittlere Pegelhöhe NHN (auch verallgemeinert NN) verwendet und bezieht sich hier auf einen im Jahre 1674 gemessenen Pegel in Amsterdam, NL.

3 Die Engpassleistung wird vom schwächsten Glied der gesamten Leistungskette bestimmt. Einzelne Baugruppen könnten somit theoretisch mehr Leistung erbringen, werden aber von schwächeren Baugruppen daran gehindert. Die Engpassleistung ist somit der erreichbaren Maximalleistung gleichbedeutend.

M 3: Einsatzbereiche der Turbinen

Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kennfeld_Wasserturbinen_Francis.svg (geändert; Zugriff: 12.01.2022)

M 4: Strompreisentwicklung im Dezember 2020 an der EEX 4

Quelle: https://www.eex.com (geändert; Zugriff: 12.01.2022)

4 European Energy Exchange

c)

Mechanische Leistung, Volumenstrom und hydraulische Leistung

Bestimmen Sie mithilfe der Angaben in M 2 die Leistung $P_{\text{mech}}$, die im Turbinenbetrieb an der Generatorenwelle abgegeben wird. Ermitteln Sie rechnerisch, welche hydraulische Leistung $P_{\text{hyd}}$ nötig ist, um die berechnete mechanische Leistung $P_{\text{mech}}$ zu erreichen, und welcher Volumenstrom dafür pro Turbine im Volllastbetrieb erforderlich ist.

[12 Punkte]

d)

Wirkungsgrad und Turbinenauswahl

Ermitteln Sie den Gesamtwirkungsgrad des Pumpspeicherkraftwerks für einen kompletten Zyklus aus Pumpen- und Turbinenbetrieb, wobei Sie alle bekannten Wirkungsgrade einbeziehen. Bestimmen Sie anhand des Diagramms in M 3 die passenden Turbinen und begründen Sie Ihre Wahl.

[7 Punkte]

e)

Jahresspeicher

Ein typischer österreichischer Privathaushalt verbraucht jährlich etwa $4400\text{ kWh}$ elektrische Energie. Ermitteln Sie mithilfe von Material M 2, wie viele Haushalte ein Jahr lang mit Energie versorgt werden könnten, wenn das nutzbare Volumen des Silvrettasees einmal vollständig genutzt wird. Begründen Sie, dass das Kraftwerk einen wesentlichen Beitrag zur Versorgungssicherheit Vorarlbergs leistet.

[10 Punkte]

f)

Amortisation

Am 10.11.2020 lag der Strompreis im Spotmarkt der Europäischen Strombörse (EEX: European Energy Exchange) bei ca. $45\text{ €/MWh}$. Berechnen Sie mit diesem Wert und mithilfe von Material M 2 die Zahl der Volllaststunden im Turbinenbetrieb, nach denen sich die Baukosten des Obervermuntwerk II amortisiert haben, wenn die Betreiber den Speicher nur dann füllen, wenn der Strompreis wegen eines Stromüberangebots an der Börse zeitweise $0\text{ €/MWh}$ beträgt. Interpretieren Sie das Diagramm in Material M 4 zur Strompreisentwicklung im Dezember. Begründen Sie, wie es zustande kommen kann, dass an der EEX zeitweise sogar negative Strompreise auftreten.

[15 Punkte]

Aufgabenstellung: Laboruntersuchung einer Brennstoffzelle

Um mögliche Einsatzbereiche zu bewerten, wird im Labor eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM) untersucht. Für diese Zelle liegen die Kennlinie in M 2 sowie Messwerte zum Wasserstoffverbrauch unter Last in M 3 vor.

a)

Erläutern Sie unter Verwendung der Abbildung in M 1 Aufbau und Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle. Geben Sie die Reaktionsgleichungen der Teilreaktionen an beiden Elektroden und der Gesamtreaktion an. Nennen Sie Vorteile und Nachteile dieses Brennstoffzellentyps. [10 Punkte]

M 1: Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Polymerelektrolytbrennstoffzelle (Zugriff: 02.01.2022)

b)

Beschreiben Sie anhand der Kennlinie in M 2 die drei typischen Lastbereiche einer PEM-Brennstoffzelle. Im mittleren Lastbereich bestimmt der durch die Membran verursachte ohmsche Innenwiderstand das Verhalten. Ermitteln Sie den Innenwiderstand der Brennstoffzelle aus Material M 2 zeichnerisch und/oder rechnerisch. [10 Punkte]

M 2: Spannungskennlinie der PEM-Brennstoffzelle

Quelle: https://www.phywe.com/de/versuche-sets/schuelerversuche/strom-spannungs-kennlinie-einer-pem-brennstoffzelle_10447_11378/ (geändert; Zugriff: 04.01.2022)

Lastbereiche (ca.): 0,00 A bis 0,15 A | 0,15 A bis 1,80 A | über 1,8 A

c)

Zeichnen Sie für die PEM-Brennstoffzelle aus Material M 2 die Leistungskennlinie. Bestimmen Sie den Punkt maximaler Leistung und geben Sie dazu Spannung, Stromstärke und elektrische Leistung an. [10 Punkte]

d)

Material M 3 enthält Messdaten zum Gasverbrauch der PEM-Brennstoffzelle bei einem festen Arbeitspunkt. Ermitteln Sie die Gasverbrauchsrate. Bestimmen Sie für diesen Arbeitspunkt sowohl den Faradayschen als auch den elektrischen Wirkungsgrad der Zelle. [10 Punkte]

M 3: Messwerte im Lastbereich

Die Tabelle zeigt den Verbrauch an Wasserstoff in 5 cm³-Schritten bei einer konstanten Last von 3,3 Ω an. Der Heizwert von Wasserstoff beträgt $H_{\text{H2}} = 10{,}8\text{ MJ/m}^3$, das Molvolumen bei Laborbedingungen bei $V_{\text{M}} = 24.500\text{ cm}^3/\text{mol}$.

$V_{\text{H2}}$ in cm³ · Zeit in s · Stromstärke in A · Spannung in V

30 · 0 · 0,17 · 0,69

25 · 206 · 0,18 · 0,68

20 · 413 · 0,19 · 0,67

15 · 620 · 0,18 · 0,68

10 · 828 · 0,18 · 0,67

e)

Die im Labor untersuchte Zelle soll in einer Notstromversorgung für Gebäude zum Einsatz kommen. Nennen Sie drei Techniken zur Wasserstoffspeicherung. Stellen Sie eine davon genauer dar. Erklären Sie, weshalb diese Technik für den Anwendungsfall geeignet bzw. ungeeignet ist. [10 Punkte]

f)

PEM-Brennstoffzellen benötigen für ihren Betrieb hochreinen Wasserstoff. Außer der Elektrolyse von Wasser gibt es dafür weitere technische Verfahren, etwa das in Material M 4 dargestellte Kvaerner-Verfahren. Vergleichen Sie das Kvaerner-Verfahren mit der Wasserelektrolyse und gehen Sie dabei auf Energie- und Stoffumsätze ein. Diskutieren Sie die Vor- und Nachteile des Kvaerner-Verfahrens unter ökologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten. [15 Punkte]

M 4: Kværner-Verfahren

Das Kværner-Verfahren ist eine Methode zur Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen, die von dem norwegischen Unternehmen Kværner ASA in den 1980er-Jahren entwickelt wurde. Beispielsweise kann man Erdgas als Ausgangsstoff einsetzen, welches zu einem großen Teil aus Methan (CH₄) besteht. So erhält man eine Möglichkeit, Erdgas auf klimaschonende Weise zu nutzen.

Funktionsprinzip

Die Methode basiert darauf, dass die Kohlenwasserstoffe einem Plasmabrenner zugeführt werden, der sie bei etwa 1600 °C in elementaren Kohlenstoff und Wasserstoff aufspaltet. Der Kohlenstoff fällt dabei in Form eines feinen Kohlepulvers (Aktivkohle) an und der Wasserstoff als heißes Gas (H₂).

Es handelt sich beim Kværner-Verfahren also um eine Methode der Plasmapyrolyse – speziell um Methanpyrolyse im Falle der Verwendung von Erdgas. Der Plasmabrenner benötigt erhebliche Mengen elektrischer Energie. Ein Teil davon wird benötigt, um die Bindungsenergie der Kohlenwasserstoffe aufzubringen: Die Reaktionsprodukte sind insgesamt deutlich energiereicher als die zugeführten Substanzen, die Reaktion ist also endotherm (48 % H₂, 40 % Kohlenstoff). Jedoch bleibt auch ein erheblicher Teil der zugeführten Energie als Wärme übrig (10 %), die z. B. zur Erzeugung von Heißdampf genutzt werden kann. Immerhin ist dieser Anteil deutlich niedriger als die Energie des gewonnenen Wasserstoffs.

Quelle: https://www.energie-lexikon.info/kvaerner_verfahren.html?s=ak (geändert; Zugriff: 05.01.2022)