MINT lernen

Elektrische Energieversorgung

Urteilen statt raten: Standorte, Trassen und Netzteile physikalisch begründen und fundiert bewerten.

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Aufgabenblock — AFB III

Begründen statt nur rechnen: rückwärts arbeiten, Strukturen erkennen und eigene Begründungssätze formulieren, bevor du die Musterlösung aufklappst.

A1
Standort für einen Batteriespeicher
AFB III

Beurteilen, welcher Standort für einen 10-MWh-Batteriespeicher besser geeignet ist: Standort A direkt am 110-kV-Umspannwerk eines Windparks oder Standort B 30 km entfernt am 400-V-Ortsnetz.

Hinweis: Entscheidend ist die Spannungsebene, auf der der Speicher angeschlossen wird.

Strategie: Vergleiche beide Standorte an denselben Kriterien: Spannungsebene, Leitungslänge und Leitungsverlust P_V = R·I².Warum so? Ein Urteil ist nur nachprüfbar, wenn beide Varianten an denselben Kriterien gemessen werden.
Lösungsskizze: Gleiche Leistung bei 400 V statt 110 kV bedeutet 275-mal so großen Strom; wegen P_V ~ I² wachsen die Verluste dabei auf das rund 75 000-Fache.
Musterlösung anzeigen (zählt als erledigt)

Musterlösung: Standort A ist deutlich besser. Bei gleicher Leistung ist der Strom nach P = U·I bei 400 V rund 275-mal so groß wie bei 110 kV, und der Leitungsverlust P_V = R·I² steigt mit dem Quadrat des Stroms. Dazu kommt bei Standort B die 30 km lange Leitung mit entsprechend großem Widerstand R. Standort A nimmt den Windstrom dort auf, wo er entsteht, und entlastet zusätzlich die abgehende Leitung.

A2
Freileitung oder Erdkabel
AFB III

Festlegen, ob eine neue 380-kV-Trasse über 20 km als Freileitung oder als Erdkabel gebaut werden soll, und die Wahl begründen.

Hinweis: Beide Varianten übertragen dieselbe Leistung — der Unterschied liegt bei Kosten, Wartung und Akzeptanz.

Strategie: Sammle für beide Varianten je zwei Vorteile und zwei Nachteile und gewichte sie anschließend.Warum so? Eine Festlegung ist nur dann eine Leistung, wenn vorher beide Seiten ehrlich aufgelistet wurden.
Lösungsskizze: Freileitung: geringe Kosten, Kühlung durch Luft, schnelle Reparatur, aber sichtbar. Erdkabel: unsichtbar, sturmsicher, aber etwa fünf- bis zehnmal teurer, Wärmeabfuhr im Boden schwierig, Reparatur dauert Wochen.
Musterlösung anzeigen (zählt als erledigt)

Musterlösung: Ich lege mich auf eine gemischte Lösung fest: Freileitung auf freier Strecke, Erdkabel nur im Bereich der Wohnbebauung. Die Freileitung ist um ein Vielfaches günstiger, gibt ihre Verlustwärme an die Luft ab und ist bei einem Schaden in Stunden repariert. Das Erdkabel kostet deutlich mehr und ist bei einem Fehler wochenlang außer Betrieb, vermeidet aber Mastbauten und Lärm dort, wo Menschen wohnen. Der Zusatzpreis ist nur auf dem kurzen Teilstück gerechtfertigt.

A3
Ein Netzteil-Konzept prüfen
AFB III

Bewerten, ob das folgende Netzteil ein Gerät versorgen kann, das 15 V Gleichspannung benötigt: Transformator von 230 V auf 12 V (Effektivwert), Brückengleichrichter, Glättungskondensator 470 µF.

Hinweis: Rechne zuerst mit dem Scheitelwert, nicht mit dem Effektivwert.

Strategie: Gehe der Reihe nach durch: Effektivwert → Scheitelwert → Abzug am Gleichrichter → Brummspannung unter Last.Warum so? Jede Stufe des Netzteils verändert die Spannung; nur die vollständige Kette gibt den realen Wert.
Lösungsskizze: Û = 12 V·√2 ≈ 17,0 V; minus 1,4 V an zwei Dioden ≈ 15,6 V; unter Last sinkt der Wert durch die Brummspannung.
Musterlösung anzeigen (zählt als erledigt)

Musterlösung: Das Konzept ist grenzwertig. Der Scheitelwert beträgt Û = 12 V·√2 ≈ 17,0 V, am Brückengleichrichter sind stets zwei Dioden in Reihe leitend, also gehen 2·0,7 V = 1,4 V verloren: es bleiben rund 15,6 V. Im Leerlauf reicht das knapp, unter Last entlädt sich der Kondensator aber zwischen zwei Ladepulsen und die Spannung fällt unter 15 V. Ich bewerte das Konzept als unzureichend und empfehle einen größeren Kondensator oder einen Trafo mit etwas höherer Sekundärspannung.