[[start|zurück]] # Erwartungshorizont – Thema Geothermie **Gesamtpunktzahl: 15 Punkte** **Bearbeitungszeit: ca. 15 Minuten** --- # Aufgabe 1 – Funktionsweise einer Geothermieanlage **Maximal: 6 Punkte** ### Erwartete Inhalte Der Prüfling beschreibt den Kreislauf einer Geothermieanlage: 1. Heißes Wasser wird aus tiefen Gesteinsschichten über eine **Förderbohrung** an die Oberfläche gepumpt. *(2 Punkte)* 2. Die Wärmeenergie wird im **Wärmetauscher** auf ein anderes System übertragen. *(1 Punkt)* 3. Die gewonnene Wärme kann zur **Stromerzeugung oder Fernwärmeversorgung** genutzt werden. *(2 Punkte)* 4. Das abgekühlte Wasser wird über eine **Injektionsbohrung wieder in den Untergrund zurückgeführt**. *(1 Punkt)* ### Fachlicher Hintergrund * Energie wird **nicht erzeugt**, sondern **umgewandelt** (Energieerhaltung). * Die Anlage arbeitet in einem **geschlossenen Kreislauf**. --- # Aufgabe 2 – Vorteile und Risiken der Geothermie **Maximal: 5 Punkte** Der Prüfling nennt jeweils **zwei Vorteile und zwei Risiken** und erläutert diese kurz. ### Vorteile (Beispiele) * **geringe CO₂-Emissionen**, da keine fossilen Brennstoffe verbrannt werden *(1,5 Punkte)* * **dauerhaft verfügbare Energiequelle**, da Wärme aus dem Erdinneren kontinuierlich vorhanden ist *(1,5 Punkte)* * unabhängig von Wetterbedingungen * regionale Nutzung möglich ### Risiken (Beispiele) * **Wasserverschmutzung** durch austretende Stoffe *(1 Punkt)* * **Druck- oder Temperaturveränderungen im Untergrund** *(1 Punkt)* * **Ablagerungen in Rohren und Anlagen** * mögliche **Mikro-Erdbeben** Punkte werden vergeben, wenn: * Vorteil oder Risiko korrekt benannt wird * eine kurze physikalische oder technische Erklärung erfolgt --- # Aufgabe 3 – Berechnung des Temperaturanstiegs **Maximal: 4 Punkte** ### Erwarteter Lösungsweg Gegeben: Temperaturgradient = **3 °C pro 100 m** Tiefe: 3000 m ### Rechnung 3000 m = 30 × 100 m Temperaturanstieg: 30 × 3 °C = **90 °C** ### Punktevergabe | Schritt | Punkte | | ----------------------------- | ------ | | richtige Umrechnung der Tiefe | 1 | | korrekter Rechenansatz | 2 | | richtiges Ergebnis (90 °C) | 1 | --- # Gesamtpunktzahl | Aufgabe | Punkte | | ---------- | ------------- | | Aufgabe 1 | 6 | | Aufgabe 2 | 5 | | Aufgabe 3 | 4 | | **Gesamt** | **15 Punkte** | --- # Bewertungsmaßstab (typisch) | Punkte | Note | | ------ | ------------ | | 13–15 | sehr gut | | 10–12 | gut | | 7–9 | befriedigend | | 4–6 | ausreichend | | 1–3 | mangelhaft | | 0 | ungenügend | --- Physiklehrer lieben **Transferfragen**. Dabei geht es nicht mehr nur um das Poster, sondern darum, ob das zugrunde liegende **physikalische Prinzip verstanden wurde**. Beim Thema Geothermie sind besonders drei Konzepte interessant: * **Energieumwandlung** * **Wirkungsgrad** * **Vergleich mit anderen erneuerbaren Energien** Hier sind drei typische Transferaufgaben mit Lösung, wie sie in einer Klausur vorkommen könnten. --- # Transferaufgabe 1 – Energieumwandlung **Zeit: ca. 4 Minuten** **Punkte: 4** **Aufgabe** Beschreibe die Energieumwandlungen bei der Stromerzeugung durch Geothermie. --- ### Erwartete Lösung Die Wärmeenergie aus dem Erdinneren erhitzt Wasser oder ein Arbeitsmedium. 1. **thermische Energie (Erdwärme)** 2. → **Bewegungsenergie des Dampfes** 3. → **mechanische Energie der Turbine** 4. → **elektrische Energie im Generator** --- ### Punktevergabe | Antwort | Punkte | | ----------------------------------- | ------ | | thermische Energie genannt | 1 | | Bewegung / Turbine | 1 | | Generator / Strom | 1 | | korrekte Reihenfolge oder Erklärung | 1 | --- # Transferaufgabe 2 – Vergleich erneuerbarer Energien **Zeit: ca. 4 Minuten** **Punkte: 4** **Aufgabe** Erkläre einen wichtigen Unterschied zwischen **Geothermie** und **Solarenergie**. --- ### Erwartete Lösung Geothermie ist **unabhängig vom Wetter und von Tageszeiten**, da die Wärme im Erdinneren ständig vorhanden ist. Solarenergie hängt dagegen von: * Sonneneinstrahlung * Tageszeit * Wetterbedingungen ab. --- ### Punktevergabe | Antwort | Punkte | | -------------------------------------- | ------ | | Geothermie unabhängig von Wetter | 2 | | Solarenergie abhängig von Sonne/Wetter | 2 | --- # Transferaufgabe 3 – Nachhaltigkeit **Zeit: ca. 4 Minuten** **Punkte: 4** **Aufgabe** Warum kann Geothermie trotz Wärmeentnahme aus dem Erdinneren langfristig genutzt werden? --- ### Erwartete Lösung Die Wärme im Erdinneren wird ständig nachgeliefert durch: * radioaktive Zerfallsprozesse im Gestein * Wärme aus tieferen Erdschichten Bei nachhaltiger Nutzung wird außerdem das abgekühlte Wasser wieder in den Untergrund gepumpt, wodurch ein **Kreislauf entsteht**. --- ### Punktevergabe | Antwort | Punkte | | ---------------------------------- | ------ | | radioaktiver Zerfall / Wärmequelle | 2 | | Kreislaufsystem / Reinjektion | 2 | --- # Gesamte Zusatzpunkte | Aufgabe | Punkte | | ---------- | ------------- | | Transfer 1 | 4 | | Transfer 2 | 4 | | Transfer 3 | 4 | | **Gesamt** | **12 Punkte** | --- --- Solche Fragen sind der klassische Moment, in dem ein Lehrer prüft, ob jemand **das physikalische Prinzip wirklich verstanden hat**. Beim Thema Geothermie lautet eine typische „fiese“ Frage etwa so: --- # Transferfrage – Nachhaltigkeit der Geothermie **Bearbeitungszeit:** ca. 5 Minuten **Punkte:** 4 **Aufgabe** Eine Geothermieanlage entzieht dem Untergrund über viele Jahre Wärme. Erkläre, warum sich der Boden in der Umgebung einer Anlage **lokal abkühlen kann** und warum Geothermie trotzdem als nachhaltige Energiequelle gilt. --- # Erwartungshorizont (Lehrerlösung) ### Teil 1 – Abkühlung des Untergrunds (2 Punkte) Durch den Betrieb der Anlage wird dem Gestein **Wärmeenergie entzogen**. Wenn mehr Wärme entnommen wird, als aus tieferen Erdschichten nachströmen kann, kann sich das Gestein **lokal abkühlen**. In manchen Fällen kann sich dadurch sogar eine **kältere Zone im Untergrund** bilden. --- ### Teil 2 – Nachhaltigkeit (2 Punkte) Geothermie gilt dennoch als erneuerbare Energie, weil: * im Erdinneren ständig **neue Wärme entsteht** (z. B. durch radioaktive Zerfallsprozesse) * Wärme aus tieferen Erdschichten **nachströmt** * das Wasser meist wieder in den Untergrund **zurückgepumpt wird (Reinjektion)** Bei nachhaltiger Nutzung wird deshalb darauf geachtet, **nicht mehr Wärme zu entnehmen als langfristig nachgeliefert wird**. --- # Punktevergabe | Aspekt | Punkte | | ---------------------------------- | ------ | | Erklärung der lokalen Abkühlung | 2 | | Erklärung der nachhaltigen Nutzung | 2 | **Maximal: 4 Punkte** --- # Lehrertipp (warum diese Frage beliebt ist) Diese Aufgabe prüft drei Dinge gleichzeitig: * **Energieerhaltung** * **Wärmetransport im Gestein** * **nachhaltige Nutzung von Ressourcen** Wer das versteht, hat das Thema Geothermie wirklich begriffen. ---