Aufgaben: Energie, Speicher und Strahlenschutz bewerten

Nennen Sie je zwei technische und zwei ökologische Aspekte, die bei der Entscheidung für ein Hochspannungs-Freileitungsnetz gegenüber Erdkabeln zu berücksichtigen sind.

Nennen Sie drei Einsatzgebiete von Kondensatoren als Energiespeicher oder Energiepuffer und geben Sie jeweils kurz an, warum ein Kondensator dort geeignet ist.

Nennen Sie drei Strahlenschutzmaßnahmen für Personal in einer Röntgenabteilung und ordnen Sie sie den Prinzipien Abstand, Abschirmung und Zeit zu.

Eine Stadt in Baden-Württemberg überlegt, ein Elektrobus-System mit Superkondensatoren (Aufladen an Haltestellen in $20\ \text{s}$) oder mit Batterien (Aufladen im Depot über Nacht) auszustatten.

1. a) Nennen Sie je zwei Vor- und Nachteile beider Speicherarten.
2. b) Ein Bus benötigt für eine Strecke zwischen zwei Haltestellen $4,0\ \text{MJ}$. Berechnen Sie die Leistung, die an der Haltestelle für das Laden in $20\ \text{s}$ erforderlich ist.
3. c) Treffen Sie eine begründete Empfehlung.

Ein Haushalt in Leipzig erwägt eine Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher. Die Anlage liefert im Jahr $5.200\ \text{kWh}$, der Haushalt verbraucht $4.000\ \text{kWh}$. Ohne Speicher werden $30\ \%$ des Verbrauchs direkt aus der Anlage gedeckt, mit Speicher $65\ \%$.

1. a) Berechnen Sie die jeweils direkt genutzte Energiemenge pro Jahr.
2. b) Berechnen Sie die Energiemenge, die in das Netz eingespeist wird, mit Speicher.
3. c) Bewerten Sie die Wirtschaftlichkeit und die ökologischen Aspekte des Speichers.

Beim Rückbau eines Gebäudes in Nordrhein-Westfalen werden Bauteile entdeckt, die schwach $\gamma$-strahlen: Dosisleistung $2,0\ \mu\text{Sv/h}$ in $0,5\ \text{m}$ Abstand. Arbeiter halten sich dort 6 h pro Tag auf, an 200 Tagen im Jahr.

1. a) Berechnen Sie die zusätzliche Jahresdosis.
2. b) Vergleichen Sie sie mit der natürlichen Strahlenexposition von $2,1\ \text{mSv}$ pro Jahr.
3. c) Schlagen Sie zwei Schutzmaßnahmen vor und bewerten Sie deren Wirkung.

Ein Energieversorger plant, Windstrom aus der Nordsee über Hochspannungs-Gleichstromleitungen nach Süddeutschland zu übertragen (Entfernung $600\ \text{km}$, Leistung $2,0\ \text{GW}$, Spannung $\pm 320\ \text{kV}$ bzw. Gesamtspannung $640\ \text{kV}$; Leitungswiderstand $0,010\ \Omega/\text{km}$ für die Doppelleitung).

1. a) Berechnen Sie Stromstärke, Leitungswiderstand und relative Verluste.
2. b) Vergleichen Sie mit einer Übertragung derselben Leistung bei einer Gesamtspannung von $220\ \text{kV}$ (gleicher Leitungswiderstand).
3. c) Bewerten Sie die Maßnahme unter technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten (Akzeptanz, Landschaftseingriff, Erdkabel).

Ein Kondensator-Pufferspeicher soll Lastspitzen in einem Straßenbahnnetz abfangen. Eine Straßenbahn bremst und speist dabei $1,5\ \text{MJ}$ zurück. Der Speicher besteht aus Kondensatoren mit $C = 100\ \text{F}$ je Modul, die zwischen $U_\text{max}=2,7\ \text{V}$ und $U_\text{min}=1,35\ \text{V}$ betrieben werden.

1. a) Berechnen Sie die nutzbare Energie eines Moduls.
2. b) Berechnen Sie die Anzahl der Module, die für $1,5\ \text{MJ}$ benötigt werden.
3. c) Bewerten Sie den Einsatz bezüglich Energieeffizienz, Lebensdauer und Kosten gegenüber Batterien.

Für die Behandlung einer Schilddrüsenerkrankung wird Iod-131 ($T_{1/2}=8,0\ \text{d}$, $\beta^-$- und $\gamma$-Strahler) eingesetzt. Die Patientin wird stationär aufgenommen, bis die Restaktivität auf höchstens $250\ \text{MBq}$ abgesunken ist. Die Anfangsaktivität beträgt $2.000\ \text{MBq}$ (ohne biologische Ausscheidung).

1. a) Berechnen Sie die Mindestaufenthaltsdauer.
2. b) Erläutern Sie, warum Iod-131 gezielt in der Schilddrüse wirkt, und unterscheiden Sie die Rolle der $\beta$- und $\gamma$-Strahlung.
3. c) Bewerten Sie Nutzen und Risiken der Therapie und nennen Sie Strahlenschutzmaßnahmen für Personal und Angehörige.