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KMA (Fach) / Skript 4&5 - Verbrennungsmotoren, Hybride Antriebe, Innovative Energiequellen (Lektion)

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• Skript 5: In den nebenstehenden Skizzen I) und II) sind verschiedene geometrische Formen von monokristallinen Solarzellen dargestellt. (Abb. Skript 5 Seite 5) 5.1 Welche der dargestellten geometrischen Formen würden Sie für eine höhere Stromausbeute wählen? Begründen Sie kurz Ihre Antwort. 5.1Geometrische Form für eine höhere Stromausbeute: Für eine höhere Stromausbeute ist die geometrische Form II) zu wählen (1), das diese eine höhere aktive Fläche besitzt (2).
• Skript 5: In den nebenstehenden Skizzen I) und II) sind verschiedene geometrische Formen von monokristallinen Solarzellen dargestellt. (Abb. Skript 5 Seite 5) 5.2 Beschreiben Sie, wie die in Abbildung I) und III) skizzierten Solarzellen bzw. Wafer hergestellt werden. 5.2 Herstellung der abgebildeten Solarzellen bzw. Wafer: Zur Herstellung der runden Zellen (Abb. I) wird ein Kristallkeim in einen Tiegel mit hochreiner Siliziumschmelze getaucht und durch langsames Nach-oben-ziehen ein runder Einkristallstab erzeugt, der anschließend zu Wafern zersägt wird (4). Die semiquadratischen Zellen (Abb. II) werden durch seitliches Abschleifen des Kristallstabs hergestellt (2).
• Skript 5: Brennstoffzellen ermöglichen die direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. 5.1 Die nachfolgende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle (Brennstoff: H2/Oxidationsmittel: O2). Erörtern Sie anhand der Abbildung das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle. (Abb. Skript 5 Seite 6) 5.1 Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle: An der linken Seite der Brennstoffzelle wird Wasserstoffgas (H2) eingespeist (1). Dieses wird in der dortigen Anode durch einen Katalysator in Wasserstoff-Inonen H+ (Protonen) und Elektronen e aufgespalten (1). Die Elektronen verlassen die Anode am oberen Kontakt, fließen im äußeren Stormkreis durch den Verbraucher und gelangen schließlich in die Kathodes (1). Dort sind inzwischen (quer durch die Zelle / den Elektrolyten) auch die Wasserstoff-Ionen angekommen (1). Als dritter Reaktionspartner steht das Oxidationsmittel Sauerstoff-Gas (O2) zur Verfügung (1). Das Sauerstoffgas vereinigt sich mit den Wasserstoff-Ionen und den Elektronen, unter Mithilfe eines Katalysators zu Wasser (1).
• Skript 5: Brennstoffzellen ermöglichen die direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. 5.2 Nennen Sie die beiden grundsätzlichen Methoden, mit denen der Wasserstoff für eine Brennstoffzelle produziert werden kann. 5.2 Grundsätzlichen Methoden zur Produzierung des Wasserstoffs: Wasser wird elektrolytisch in H2 und O2 aufgespalten. Umwandlung von Erdgas, Methanol oder ähnlichen wasserstoffhaltigen Verbindungen (z.B. biologisch erzeugte Ausgangsstoffe).
• Skript 5: Ein Forschungsschwerpunkt der Photovoltaik liegt auf der Erhöhung der Wirkungsgrade von Solarzellen. 5.1 Erörtern Sie, was in diesem Zusammenhang unter einer Tandemzelle verstandenwird. Gehen Sie dabei auch auf deren Aufbau ein. 5.1 Tandemzelle zur Erhöhung des Wirkungsgrades: Eine Tandemzelle besteht aus zwei übereinander gelegten Solarzellen, deren Gapenenergien verschieden sind und damit unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenspektrums absorbieren. Dadurch wird eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Zelle erreicht.
• Skript 5: Ein Forschungsschwerpunkt der Photovoltaik liegt auf der Erhöhung der Wirkungsgrade von Solarzellen. 5.2 Nennen Sie mindestens drei konkrete Maßnahmen, mit denen der Wirkungsgrad einer Solarzelle bezüglich der Reflexionsverluste und der Abschattung durch die Kontakte verbessert werden kann. 5.2 Maßnahmen zur Erhöhung des Wirkungsgrades (Reflexionsverluste, Abschattung): Aufbringen von Antireflexschichten. Erzeugen strukturierter Oberflächen (Pyramidenform). Schmale und transparente Kontakte Verlagerung der Kontakte von der Vorder- auf die Rückseite der Zelle.
• Skript 5: Innerhalb der photovoltaischen Aufgaben spielen Dünnschichtzellen eine immer größere Rolle, da diese sehr zuverlässig und wirtschaftlich sind. 5.1 Führen Sie mindestens drei Vorteile der Dünnschichtzellen auf, welche z.B. die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit belegen. 5.1 Vorteile von Dünnschichtzellen: Die Dünnschichtzellen lassen sich samt ihrer Verschaltung herstellen, wodurch Kontaktierungsstellen und -arbeiten entfallen. Es sind sehr große "Quadratmeter-Zellen" herstellbar. Die Schichtstärke und damit der Verbrauch an Halbleiter ist sehr gering Die Energiebilanzierung (Erntefaktor) ist günstiger als bei anderen Solarzellen Die Lichtabsorption ist besser als bei Silizium mit großen Kristallen Dünnschichtzellen zeichnen sich durch eine akzeptable Langlebikeit aus. Sie besitzen eine gewisse Flexibilität, wodurch sich neue Anwendungen erschließen Organische Dünnschichtzellen sind umweltfreundlich und günstig in der Herstellung Farbstoff-Zellen besitzen Designmöglichkeiten und eine günstige Herstellungsweise.
• Skript 5: Innerhalb der photovoltaischen Aufgaben spielen Dünnschichtzellen eine immer größere Rolle, da diese sehr zuverlässig und wirtschaftlich sind. 5.2 Nennen Sie mindestens drei Maßnahmen, mit denen der Wirkungsgrad einer Solarzelle erhöht werden kann. 5.2 Maßnahmen zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer Solarzelle: Bessere Ausnutzung des Sonnenspektrums- Aufbau von Tandem- oder Tripelzellen Verringerung von Reflexionsverlusten- Aufbringen von Antireflexschichten- Erzeugen strukturierter Oberflächen (Pyramidenform), sodass die Lichtstrahlen mehrfach auftreffen Vermeidung der Abschattung durch die Kontakte- schmale und transparente Kontakte- Verlagerung der Kontakte von der Vorder- auf die Rückseite der Zelle Vermeidung von Halbleiterkristallbaufehlern- Anwendung der Dünnschichttechnologie kurze Wege bei der Frontkontaktierung Aufbringen von Passivierungssschichten. Hinweis: sowohl die allgemeinen als auch die konkreten Nennungen sind zu bewerten.
• Skript 5: Innerhalb der photovoltaischen Aufgaben spielen Dünnschichtzellen eine immer größere Rolle, da diese sehr zuverlässig und wirtschaftlich sind. 5.3 Zu welchem Zweck werden Photovoltaikanlagen mit Wechselrichtern ausgerüstet? 5.3 Zweck von Wechselrichtern bei Photovoltaikanlagen: Solarzellen erzeugen Gleichstrom, der in Wechselstrom passender Spannung (für Wechselstromgeräte oder zur Einspeisung in ein vorhandenes Wechselstromnetz) umgewandelt werden muss. Diese Funktion übernimmt der Wechselrichter.
• Skript 5: 5.1 Ein wesentlicher Nachteil von Nickel-Cadmium-Akkumulatoren (NiCd-Akkus) ist der so genannte Memory-Effekt. Geben Sie kurz an, was unter diesem Effekt verstanden wird. 5.1 Memory-Effekt bei NiCd-Akkus: Der Memory-Effekt verringert die Kapazität eines NiCd-Akkus aufgrund von unvollständigen Ent-bzw. Aufladungen.
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• Skirpt 5: 5.2 Welche Schlussfolgerung ziehen Sie angesichts des Memory-Effektes bezüglich des Ladezeitpunktes von z.B. Nickel-Cadmium-Akkumulatoren? 5.2 Schlussfolgerung aus dem Memory-Effekt: Um den Memory-Effekt zu vermeiden, sollten Akkus erst dann geladen werden, wenn sie vollständig entleert sind.
• Skript 5: 5.3 Überlegen und nennen Sie mindestens drei positive Eigenschaften über die weiterentwickelte Akkumulatoren verfügen sollten, um sie z.B. in Pkws mit Hybrid-Antrieb einsetzen zu können. 5.3 Positive Eigenschaften von weiterentwickelten Akkumulatoren: hoher Entladestrom geringes Gewicht kompakte Abmessungen keine giftigen, umweltschädlichen Stoffe lange Lebensdauer hohe Temperaturbeständigkeit kurze Ladezeiten kein Memory-Effekt hohe Energiedichte hohe Nennspannung usw.
• Skript 5: a) Nennen Sie mindestens drei Vorteile, die eine Brennstoffzelle gegenüber einer herkömmlichen Wärmekraftmaschine besitzt. a) Vorteile einer Brennstoffzelle gegenüber einer herkömmlichen Wärmekraftmaschine: Schadstoffarmut vergleichsweise hoher elektrischer Wirkungsgrad gutes Teillastverhalten niedriger Lärmpegel (da wenig bewegte mechanische Teile) direkte Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffes in elektrische Energie geringer mechanischer Aufwand (als für Motoren und Generatoren)
• Skript 5: b) Führen Sie drei Probleme an, die einer breiten Einführung der Brennstoffzelle trotz der vielen Vorteile noch im Wege stehen. b) Probleme bei der breiten Einführung der Brennstofzelle: Herstellung des reinen Wasserstoffs Wasserstoffspeicherung (in ausreichender Menge in akzeptablen, d.h. auch transportablen Behältergrößen Größe der Brennstoffzellenanlagen (bedingt durch die Vielzahl voluminöser Zusatzaggregate wie Pumpen, Wäremeaustauscher, Kühlungsaggregate etc.) teurer Katalysator (Platin/Edelmetall) zur Zeit noch hohe Investitionskosten und kurze Lebensdauer
• Skript 5: Aufgabe 3 a) Nennen Sie mindestens drei Vorteile einer Brennstoffzelle gegenüber einer herkömmlichen Wärmekraftmaschine und ebensoviel Probleme, die einer breiten Einführung der Brennstoffzelle noch im Wege stehen. a) Vorzüge und Probleme einer Brennstoffzelle: Vorzüge Schadstoffarmut, da die Abgase frei von CO2 und Rußpartikel sind Vergleichsweise hoher elektrischer Wirkungsgrad Gutes Teillastverhalten; nach Erreichen der Vollast kaum Abfall des elektrischen Wirkungsgrades Niedriger Lärmpegel, da wenig bewegte mechanische Teile Probleme: Herstellung des reinen Wasserstoffes, da er in der Natur nicht vorkommt Wasserstoffspeicherung ausreichender Menge in aktzeptablen, d.h. tranportablen Behältergrößen Größe der Brenstoffzellenanlagen, bedingt durch die Vielzahl recht voluminöser Zusatzaggregate teurer Katalysator Platin
• Skript 5: Aufgabe 3 b) Zu den wichtigsten Komponenten einer Brennstoffanlage gehört ein Wasserstofftank (1) Beschreiben Sie die Konstruktion eines Kryotanks (2) Noch wenig entwickelt ist die Speicherung von Wasserstoff in Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Wie funktioniert dieses Prinzip? b) Wasserstoffspeicherung (1) Der Wasserstoff ist in einem Innenbehälter gelagert, der sich mit einer speziellen Aufhängung in einem Außenbehälter befindet. Zwicshen beiden besteht ein künstliches Vakuum zur Isolierung des Innenbehälters. Übersteigt die Innentemperatur des Tanks die Siedetemperatur von Wasserstoff, wird der erhöhte Gasdruck entweder über Sicherheitsventile abgelassen oder Kühlsysteme sorgen für zulässige Temperaturen. (2) Nanomaterial hat die Eigenschaft, im Verhältnis zu seiner Masse eine große Oberfläche zu besitzen, die sich leicht mit anderen Atomen und Molekülen beschichten lässt. Als Beschichtungsmaterial werden Titan und Scandium benutzt. Deren große molekularen Bindungskräfte und die immense Wirkfläche machen es möglich, dass doppelt so viel Wasserstoff wie mit den sonst verwendeten porösen Materialien gebunden werden kann.
• Klausur 05/15: Bei Kolbenmotoren hat die Ventilsteuerung die Aufgabe, den Gaswechsel zu ermöglichen und zu steuern. (Abb. Klausur 05/15 Seite 3/4). 4.3 Bei den verschiedenen V entilsteuerungen können die V entile sowohl achsparallel zum Zylin- der als auch geneigt angeordnet sein. Welche Vorteile hat die geneigte Anordnung der Ventile? 4.3  Vorteil der geneigten Anordnung der Ventile: Die geneigte Anordnung der Ventile ermöglicht größere Ventildurchmesser und eine güns- tigere Führung der Ein- und Auslasskanäle und so eine bessere Füllung des Arbeitsraums. 
• Klausur 05/15: Komponenten einer Brennstoffzellenanlage sind u. a. der Reformer und die eigentliche Brennstoffzelle. 5.1 Erläutern Sie, wann Brennstoffzellenanlagen einen Reformer benötigen und welche Aufgabe dieser besitzt. 5.1  Brennstoffzellenanlage mit Reformer: Sollen Brennstoffzellen mit Wasserstoff-Gas arbeiten (nicht z.B. Direkt-Methanol-Zelle), aber durch andere Brennstoffe (meist Erdgas) betrieben werden, dann müssen diese Brenn- stoffe in Wasserstoff umgewandelt werden, was Aufgabe des Reformers ist. 
• Klausur 05/15: Komponenten einer Brennstoffzellenanlage sind u. a. der Reformer und die eigentliche Brennstoffzelle. 5.2 Brennstoffzellen können als Stack oder tubular aufgebaut sein. Beschreiben Sie kurz diese 4 beiden unterschiedlichen geometrischen Bauweisen einer Brennstoffzelle. 5.2  Stack und tubularer Aufbau einer Brennstoffzelle: Ein Stack ist ein Stapel aufgeschichteter und zusammengeschalteter Brennstoffzellen (ebene Bauweise, plattenförmig, Sandwich-Bauweise). Beim tubularen Aufbau bestehen die Zellen aus langen Röhren. Die einzelnen Röhren werden zu Bündeln zusammengeschaltet. 
• Klausur 05/15: Komponenten einer Brennstoffzellenanlage sind u. a. der Reformer und die eigentliche Brennstoffzelle. 5.3 Beurteilen und erörtern Sie, ob eine Brennstoffzellenanlage in jedem Fall einen Tank benötigt. 5.3  Fall, bei dem eine Brennstoffzellenanlage keinen Tank benötigt: Bei stationären Anlagen (Hausenergieversorgung bis Kraftwerk) kann häufig auf einen Tank verzichten werden, wenn die Anlage direkt mit einer Erdgasleitung verbunden wird, die im Reformer mündet. 
• Klausur 11/14: Vorrangiges Ziel der Aufladung von Verbrennungsmotoren ist die Erhöhung der Leistung der Motoren. Für die Motoraufladung stehen dabei verschiedene Verfahren zur Verfügung. 4.1 Beschreiben Sie ausführlich das Verfahrensschema bzw. den konkreten Arbeitsablauf bei der Abgasturboaufladung. 4.1  Verfahrensschema der Abgasturboaufladung: Am Ende des Expansionstaktes steht das Abgas im Zylinder unter einem Überdruck, der im Saugmotor nicht genutzt wird (2). Diese vorhandene Energie, vermehrt durch ein zusätzliches Aufstauen der Abgase, wird in einer Gasturbine zum Antrieb des Verdichters eingesetzt (2). Der Verdichter saugt über einen Filter Frischluft an und drückt diese über eine Sammellei- tung in die einzelnen Zylinder (2). 
• Klausur 11/14: Vorrangiges Ziel der Aufladung von Verbrennungsmotoren ist die Erhöhung der Leistung der Motoren. Für die Motoraufladung stehen dabei verschiedene Verfahren zur Verfügung. 4.2 Warum wird bei Nutzfahrzeugen häufig die Stoßaufladung (Impulsaufladung) angewendet? 4.2  Stoßaufladung bei Nutzfahrzeugen: Für Nutzfahrzeuge ist es wichtig, dass der Motor auch bei niedriger Drehzahl ein großes Drehmoment abgibt. Dieser Forderung genügt die Stoßaufladung am besten. 
• Klausur 11/14: Vorrangiges Ziel der Aufladung von Verbrennungsmotoren ist die Erhöhung der Leistung der Motoren. Für die Motoraufladung stehen dabei verschiedene Verfahren zur Verfügung. 4.3 Wesentlicher Nachteil der mechanischen Aufladung ist, dass die Ladeleistung dem Motor entzogen wird. Nennen Sie zwei Vorteile der mechanischen Aufladung, die diesem Nachteil gegenüberstehen. 4.3 Vorteile der mechanischen Aufladung: Einfache Ladegebläse auf der „kalten” Seite des Motors, keine Änderungen im Abgasstrang, gute Reaktion bei Laständerung. 
• Klausur 11/14: Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt häufig nur zwischen 10 und 20 %. 5.1 Geben Sie drei grundsätzliche Probleme an, die zu diesen niedrigen Wirkungsgraden führen. 5.1 Probleme, die zu den niedrigen Wirkungsgraden von Solarzellen führen: Bandstruktur und Sonnenspektrum, Reflexionsverluste, Abschattung durch Kontakte, Halbleiterkristallbaufehler. (Andere richtige Nennungen sind zu bewerten.) 
• Klausur 11/14: Der Wirkungsgrad von Solarzellen liegt häufig nur zwischen 10 und 20 %. (Abb Seite 3/3). 5.2 In den nebenstehenden Skizzen I) und II) sind verschiedene geometrische Formen von monokristallinen Solarzellen dargestellt. Welche der geometrischen Formen würden Sie für eine höhere Stromausbeute wählen? Begründen Sie Ihre Antwort kurz. 5.2 Geometrische Solarzellenform für eine höhere Stromausbeute: Für eine höhere Stromausbeute ist die geometrische Form II) zu wählen (1), da diese eine höhere aktive Fläche besitzt (1). 
• Klausur 11/14: Biokraftstoffe werden aus Biomasse hergestellt und für den Betrieb von Verbrennungsmotoren verwendet. Zu den Biokraftstoffen gehören u. a. Biodiesel und Biomethan. 6.1 Welche Pflanze gilt als wichtigster nachwachsender Rohstoff für die Biodieselproduktion? 6.1  Wichtigste Pflanze für die Biodieselproduktion: Die Rapspflanze gilt als wichtigster nachwachsender Rohstoff für die Biodieselproduktion. 
• Klausur 11/14: Biokraftstoffe werden aus Biomasse hergestellt und für den Betrieb von Verbrennungsmotoren verwendet. Zu den Biokraftstoffen gehören u. a. Biodiesel und Biomethan. 6.2 Nennen Sie zwei positive Eigenschaften von Biodiesel, die dessen Verwendung als Kraft- stoff ermöglichen bzw. begründen. 6.2  Positive Eigenschaften des Biodiesels: hohe Cetanzahl, gute Schmierfähigkeit, hoher Sauerstoffanteil (von 11 %), fast vollständige Schwefelfreiheit. 
• Klausur 11/14: Biokraftstoffe werden aus Biomasse hergestellt und für den Betrieb von Verbrennungsmotoren verwendet. Zu den Biokraftstoffen gehören u. a. Biodiesel und Biomethan. 6.3 Der Ausgangsstoff für Biomethan ist Biogas, das durch Vergärung von Biomasse gewonnen wird. In welchen vier Phasen verläuft die Biogasvergärung? 6.3  Phasen der Biogasvergärung: V erflüssigungsphase (Hydrolyse), V ersäuerungsphase, Essigsäurebildung, Methanbildung. 

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