Chemie LK Klausur 2018 Biogasgwinnung Berlin PDF

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Eine Chemie Klausur zur Biogasgewinnung...

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Senatsverwaltung für Bildung, Jugend und Familie

Zentrale schriftliche Abiturprüfung

2018

Chemie Leistungskurs Aufgabenstellung A (CH-1)

für Prüflinge

Inhalt:

Redoxreaktionen, chemische Thermodynamik

Titel:

Biogasgewinnung

Aufgabenart:

Aufgabe mit Materialien

Hilfsmittel:

Nachschlagewerk zur Rechtschreibung der deutschen Sprache, nicht programmierbarer Taschenrechner, an der Schule eingeführtes Tafelwerk / Formelsammlung

Gesamtbearbeitungszeit:

270 Minuten inklusive Lese- und Auswahlzeit

Hinweis:

Es müssen zwei Aufgabenstellungen bearbeitet werden.

Bioenergiedörfer – eine Lösung der Energiekrise? Die heute überwiegend eingesetzten Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle sind nur begrenzt auf der Erde vorhanden. Auf der Grundlage des derzeitigen Energieverbrauchs werden die bekannten Reserven vermutlich noch in diesem Jahrhundert zur Neige gehen – und der weltweite Energiebedarf steigt ständig weiter an. Es liegt also auf der Hand, dass Alternativen gefunden werden müssen. Neben der Nutzung von Wind- und Solarenergie ist Abb. 1: Bioenergiedorf [1] auch die Erzeugung von Biogas aus Biomasse zur Energiegewinnung Gegenstand der Forschung. So wurden im Jahr 2005 in Jühnde (Niedersachsen) die ersten Häuser mit Wärme und Strom aus Biogas versorgt. Bereits 2016 war die Zahl der so genannten „Bioenergiedörfer“ in Deutschland auf etwa 180 angewachsen. Wie funktioniert die Erzeugung von Biogas und ist dies ein Zukunftsmodell?

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Aufgaben:

BE

1. Erklären Sie den Begriff „Biogas“.

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Beschreiben Sie zusammenhängend die Erzeugung von Biogas. Erläutern Sie dabei auch die Fachbegriffe.

6

2. Definieren Sie den Begriff „Hydrolyse“. Stellen Sie eine der Hydrolysereaktionen bei der Biogasgewinnung Reaktionsgleichung mit Strukturformelausschnitten dar.

in einer

3. Stellen Sie die Reaktionsgleichungen für die Methanogenese auf.

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Interpretieren Sie eine dieser Reaktionen auf der Grundlage des DonatorAkzeptor-Konzeptes.

4. Berechnen Sie die Energiemenge, die man bei der Verbrennung von 1 m3 Biogas, das aus Rindermist hergestellt wurde, erhält.

14

Hinweis: Ein Mol Methangas nimmt bei Normaldruck und 20 °C ein Volumen von etwa 24 Litern ein. Ermitteln Sie rechnerisch die Anzahl der Rinder, die benötigt werden, um die für die Energieversorgung eines durchschnittlichen Vierpersonen- Haushaltes erforderliche Biogasmenge zu erzeugen. 5. Erörtern Sie, inwiefern die Projektziele im Bioenergiedorf Jühnde verwirklicht wurden.

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Quellen (ggf. verändert): [1] BMEL/walkscreeen (05.05.2017) [2] https://www.stadtwerke-hameln.de/umwelt/biomasse/vierphasen.html (05.04.2017) [3] https://mediathek.fnr.de/grafiken/daten-und-fakten/bioenergie/biogas.html (05.04.2017) [4] https://biogas.fnr.de/gewinnung/was-ist-biogas/ (12.04.2017) [5] Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) (Hrsg.): Wege zum Bioenergiedorf, 3. Auflage, Dezember 2010 [6] http://www.bioenergiedorf.info/fileadmin/user_upload/07-06_Faltblatt.pdf (07.04.2017) _______________________________________________________________________________________________________ Seite 3 von 38 N_18_Ch_LK_LH Chemie Leistungskurs

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Material 1: Bildung und Zusammensetzung von Biogas [2] Das Herzstück einer Biogasanlage ist der „Fermenter“ (Bioreaktor), in dem verschiedene Rohstoffe unter Luftabschluss zu Biogas umgesetzt werden. Die einzelnen Reaktionsschritte werden durch verschiedene Enzyme katalysiert. Die Hauptprodukte, Methan und Kohlenstoffdioxid, trennen sich leicht vom Gärsubstrat. Sie bilden die Hauptbestandteile des Biogases. Der Methangehalt des Biogases ist abhängig von der verwendeten Biomasse. Das ausgegorene Substrat kann im Anschluss als Dünger genutzt werden.

Abb. 2: Fließschema zur Bildung von Biogas

Biogasertrag in Abhängigkeit vom Substrat Substrat Mais

Die Prozentzahl gibt den Methangehalt des Biogases in Vol% an.

Gras Geflügelmist Zuckerrüben

Ein Rind produziert durchschnittlich etwa 15 kg Mist pro Tag.

Klee Speisereste Rindermist Futterrüben

Biogasertrag in m3 pro Tonne Substrat

Abb. 3: Biogasertrag und Methangehalt bei verschiedenen Substraten [3]

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Material 2: Das Bioenergiedorf Jühnde [5] Die auf den Ackerflächen angebaute Biomasse (z. B. Mais) wird nach der Ernte zunächst eingelagert. Bei Bedarf wird sie zusammen mit den in der Tierhaltung anfallenden Substraten in einem Fermenter vergoren. Das entstehende Biogas wird anschließend in einem Motor verbrannt, der einen Generator antreibt. Dabei wird elektrische Energie erzeugt, die in das örtliche Stromnetz eingespeist wird. Mit der bei der Biogas-Verbrennung entstehenden Wärme wird Wasser erhitzt. Dieses heiße Wasser wird in die angeschlossenen Haushalte geleitet und kann dort für die Beheizung der Räume und die Erwärmung von Brauchwasser eingesetzt werden. zufrieden Im Winter wird dieses Nahwärmenetz durch 11 % ein Heizwerk ergänzt, in dem Holzspäne verbrannt werden. Auf öffentlichen Dorfversammlungen und anderen Informationsveranstaltungen wurden die Bewohner von Jühnde über das Projekt informiert. Arbeitsgruppen zu verschiedenen Schwerpunkten wie Biogasanlage, Heizwerk, Energiepflanzen u. a. trafen sich mehrmals im Monat. Zusätzlich wurde als Entscheidungs- und Beratungsgremium eine „Zentrale Planungsgruppe“ eingerichtet, die öffentlich tagte.

sehr zufrieden 89%

nicht zufrieden: 0 % Abb. 4: Zufriedenheit der an das Nahwärmenetz angeschlossenen Einwohner von Jühnde (Befragung 2007)

Material 3: Leitziele der Agenda 21 – Projektziele zum Bioenergiedorf [6] 1992 fand in Rio die UN-Konferenz „Umwelt und Entwicklung“ statt, die die „Agenda 21“ verabschiedete. In Kapitel 9 wird darauf hingewiesen, dass derzeit weltweit ein erheblicher Teil der Energie in einer Weise erzeugt und verbraucht wird, die auf Dauer nicht tragfähig ist. Deshalb wird z. B. die Reduzierung klimaschädlicher Gase gefordert. Die sich aus dieser Agenda ergebenden ökologischen, ökonomischen und sozialen Ziele des Projektes „Bioenergiedorf“ sind: •

die Förderung der umweltfreundlichen Energieerzeugung durch Biomasse als ein zukunftsfähiger Weg, um globalen Klimaveränderungen („Treibhauseffekt“) entgegenzuwirken und Alternativen für das knapper werdende Erdöl und Erdgas zu entwickeln;

•

die Schaffung neuer Arbeitsfelder und Einkommensquellen für die Land- und Forstwirtschaft, das lokale Handwerk und die Dorfbevölkerung;

•

die Belebung und Stärkung der Dorfgemeinschaft durch gleichberechtigte Planungsprozesse, Entwicklung einer zukunftsfähigen Lebenskultur und Steigerung der Lebensqualität.

Material 4: Durchschnittlicher Energieverbrauch in deutschen Haushalten Personenzahl Energieverbrauch in GJ (Gigajoule) pro Jahr

1

2

4

11,5

15

20

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