NWT9 - Stoffströme und technische Verfahren
NWT9 - Stoffströme und technische Verfahren
NWT9 - Stoffströme und technische Verfahren
Einleitung
Technische Verfahren begegnen Dir überall: Trinkwasser wird aufbereitet, Rohöl in verschiedene Fraktionen getrennt, Eisenerz zu Eisen verarbeitet, Kunststoffe sortiert und wiederaufbereitet, Aluminium eingeschmolzen und Altpapier zu neuem Papier verarbeitet. Hinter all diesen Beispielen stehen Stoffströme. Stoffe gelangen in ein technisches System hinein, werden transportiert, getrennt, umgewandelt oder miteinander verbunden und verlassen das System anschließend als Produkte, Nebenprodukte, Emissionen, Abfälle oder rückgeführte Stoffe.
In diesem aiMOOC untersuchst Du technische Verfahren als Systeme mit Ein- und Ausgängen. Du lernst, Stoffströme zu beschreiben, Stoffstromanalysen zu erstellen, einfache Stoff- und Energiebilanzen zu prüfen und Möglichkeiten der Kreislaufführung zu beurteilen. Dabei geht es nicht nur darum, was eine Anlage produziert. Ebenso wichtig sind der Energiebedarf, Hilfsstoffe, Wasser, Nebenprodukte, Abwärme, Emissionen und die Frage, welche Stoffe erneut genutzt werden können.
Das Niveau richtet sich an die Klasse 9 am Gymnasium beziehungsweise eine E-Vertiefung. Du arbeitest deshalb nicht nur beschreibend, sondern vergleichst Prozesse, rechnest mit einfachen Bilanzen und entwickelst begründete Verbesserungsvorschläge.
Ein Sankey-Diagramm macht Mengenströme besonders anschaulich: Je breiter ein Pfeil dargestellt wird, desto größer ist der zugehörige Stoff- oder Energiestrom.
Stoffströme als technisches System
Ein Stoffstrom beschreibt, wie eine bestimmte Stoffmenge pro Zeit oder innerhalb eines festgelegten Zeitraums durch ein System bewegt wird. Für eine Untersuchung legst Du zuerst eine Bilanzgrenze fest. Alles, was diese Grenze in das betrachtete System hinein überschreitet, gehört zum Input. Alles, was das System verlässt, ist Output. Innerhalb der Bilanzgrenze können Stoffe getrennt, gemischt, erwärmt, gekühlt, zerkleinert, chemisch umgesetzt, biologisch abgebaut oder gespeichert werden.
Eine einfache Darstellung lautet:
Inputstoffe → technischer Prozess → Produkte + Nebenprodukte + Abfälle + Emissionen
Ein vollständiger Stoffstromplan berücksichtigt außerdem Rückführungen. Wird beispielsweise ein Produktionsrest erneut in den Prozess gegeben, entsteht eine Kreislaufschleife.
| Betrachtung | Typische Fragen |
|---|---|
| Input | Welche Rohstoffe, Hilfsstoffe, Betriebsstoffe und Wassermengen gelangen in den Prozess? |
| Prozess | Welche physikalischen, chemischen oder biologischen Veränderungen finden statt? |
| Produkt | Welcher gewünschte Hauptstoff verlässt die Anlage? |
| Nebenprodukt | Entsteht ein weiterer Stoff, der sinnvoll genutzt werden kann? |
| Abfall und Emission | Welche Stoffe können nicht direkt genutzt werden und wie werden sie behandelt? |
| Energie | Wo werden Strom, Wärme, chemische Energie oder mechanische Arbeit benötigt? |
| Kreislaufführung | Welche Stoffe können zurückgeführt, wiederverwendet oder recycelt werden? |
Bilanzgrenze und Massenerhaltung
Die Massenerhaltung ist eine zentrale Grundlage jeder Stoffstromanalyse. Stoffe verschwinden bei einem technischen Prozess nicht einfach. Bei chemischen Reaktionen werden Atome neu angeordnet; bei Trennverfahren werden vorhandene Stoffe lediglich auf verschiedene Teilströme verteilt.
Für einen stationären Prozess ohne Speicherung gilt vereinfacht:
Masse der Eingänge = Masse der Ausgänge
Wenn innerhalb der Bilanzgrenze Stoff gespeichert oder entnommen wird, muss die Bestandsänderung berücksichtigt werden:
Input = Output + Bestandszunahme
Beispiel: Eine Anlage verarbeitet in einer Stunde 1.000 kg Rohstoff und 50 kg Hilfsstoff. Sie liefert 900 kg Produkt, 100 kg nutzbares Nebenprodukt und 50 kg nicht nutzbaren Reststoff. Damit ist die Massenbilanz ausgeglichen:
1.000 kg + 50 kg = 900 kg + 100 kg + 50 kg
Eine nicht ausgeglichene Bilanz ist ein Hinweis darauf, dass ein Stoffstrom übersehen, falsch gemessen oder falsch abgegrenzt wurde.
Energie gehört zur Prozessanalyse
Stoffströme und Energieflüsse hängen eng zusammen. Ein technisches Verfahren kann beispielsweise elektrische Energie für Pumpen, mechanische Energie für Zerkleinerer, Wärme für Schmelz- oder Destillationsprozesse oder chemische Energie aus einem Brennstoff benötigen.
Auch für Energie gilt ein Erhaltungssatz: Energie wird nicht vernichtet, sondern umgewandelt. Was im Alltag häufig als Energieverlust bezeichnet wird, ist meist Energie, die den Prozess in wenig nutzbarer Form verlässt, zum Beispiel als Abwärme an die Umgebung.
Eine gute Prozessanalyse fragt deshalb nicht nur: Wie viel Energie wird benötigt? Sie fragt außerdem: Wo entsteht Abwärme, kann sie zurückgewonnen werden und lässt sich der Energiebedarf durch bessere Prozessführung verringern?
Untersuche in der Simulation verschiedene Energieumwandlungen. Übertrage das Prinzip anschließend auf eine technische Anlage: Wo tritt Energie in das System ein, in welcher Form wird sie genutzt und in welcher Form verlässt sie das System?
Technische Verfahren im Überblick
Die Verfahrenstechnik untersucht technische Prozesse, bei denen Stoffe hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Eigenschaften oder ihres Zustands verändert werden. Für die Stoffstromanalyse ist es hilfreich, verschiedene Verfahrensarten zu unterscheiden.
| Verfahrensart | Typische Operation | Beispiel für einen Stoffstrom |
|---|---|---|
| Mechanisch | Zerkleinern, Sieben, Sortieren, Filtern | Kunststoffgemisch → sortierte Kunststofffraktionen |
| Thermisch | Erwärmen, Trocknen, Verdampfen, Destillieren, Schmelzen | Rohöl → verschiedene Siedefraktionen |
| Chemisch | Reagieren, Reduzieren, Oxidieren | Eisenerz → Eisenhaltige Schmelze und Begleitprodukte |
| Biologisch | biologischer Abbau und Stoffumwandlung | Abwasser → gereinigtes Wasser, Klärschlamm und Gase |
| Elektrochemisch | Elektrolyse | Aluminiumoxid → Aluminium |
Ein Verfahrensfließbild zeigt Apparate und die dazwischen verlaufenden Stoffströme. Solche Darstellungen helfen Dir, eine komplexe Anlage in einzelne Prozessschritte zu zerlegen.
Ein Anlagenmodell kann genutzt werden, um Stoffströme rechnerisch zu untersuchen, bevor eine Anlage gebaut oder verändert wird.
Fallbeispiel 1: Vom Eisenerz zum Eisen und Stahl
Die Herstellung von Eisen ist ein besonders anschauliches Beispiel für gekoppelte Stoff- und Energieströme. Im klassischen Hochofenprozess werden eisenhaltige Rohstoffe, Koks und Zuschlagstoffe eingesetzt. Heißwind wird eingeblasen. Im Inneren des Hochofens laufen Verbrennungs-, Reduktions- und Schmelzvorgänge ab.
Hämatit ist ein wichtiges Eisenoxid und damit ein Beispiel für einen eisenhaltigen Rohstoff.
Für eine vereinfachte Stoffstromanalyse kannst Du folgende Ströme unterscheiden:
| Eingang | Prozesswirkung | Ausgang |
|---|---|---|
| Eisenerz | liefert Eisenoxide | eisenhaltige Schmelze |
| Koks | liefert Reduktionsmittel und Energie | Bestandteile des Hochofengases und Reststoffe |
| Kalkstein und weitere Zuschläge | binden Begleitstoffe | Schlacke |
| Heißwind | unterstützt Verbrennung und Reaktionen | Prozessgas |
Nebenprodukte und Kreisläufe: Schlacke kann je nach Zusammensetzung weiterverwendet werden. Gicht- beziehungsweise Hochofengase können energetisch genutzt werden. Staubhaltige Stoffströme können teilweise aufbereitet und zurückgeführt werden. Für die Stahlherstellung ist außerdem Schrott ein wichtiger Sekundärrohstoff. In einem Elektrolichtbogenofen kann Schrott erneut eingeschmolzen werden. Dadurch entsteht eine alternative Stoffstromroute, die sich deutlich von der Hochofenroute unterscheidet.
Energieperspektive: Der klassische Hochofen benötigt große Mengen chemisch gebundener Energie. Zusätzlich sind Heißwind, Transporte, Gebläse und nachfolgende Prozessschritte erforderlich. Eine moderne Bewertung betrachtet deshalb nicht nur den Produktstrom Stahl, sondern auch Energiequellen, Emissionen, Abwärme und Möglichkeiten zur Nutzung von Sekundärrohstoffen.
Beobachtungsauftrag zum Video: Notiere mindestens vier Eingangsströme, drei Ausgangsströme und zwei Stellen, an denen Energie zugeführt oder zurückgewonnen werden kann.
Fallbeispiel 2: Abwasserreinigung als Stoffstromsystem
Eine Kläranlage ist kein Ort, an dem Verunreinigungen einfach „verschwinden“. Vielmehr werden Stoffe aus dem Wasser entfernt, biologisch umgewandelt oder in andere Stoffströme überführt.
Ein vereinfachter Ablauf besteht aus mechanischen, biologischen und teilweise chemischen Behandlungsschritten. Grobstoffe werden entfernt, absetzbare Stoffe getrennt und gelöste organische Stoffe biologisch abgebaut. In vielen Anlagen werden zusätzlich Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor gezielt vermindert.
| Stoffstrom | Bedeutung |
|---|---|
| Rohabwasser | enthält Wasser, gelöste und ungelöste Stoffe |
| Rechengut und Sand | werden mechanisch abgetrennt |
| Klärschlamm | enthält konzentrierte organische und mineralische Bestandteile |
| Gereinigtes Wasser | verlässt die Anlage nach der Behandlung |
| Gasförmige Stoffströme | können bei biologischen Abbauprozessen entstehen |
Energiebedarf: Besonders Pumpen und Belüftungssysteme benötigen elektrische Energie. Gleichzeitig kann bei der Behandlung von Klärschlamm energiereiches Biogas entstehen. Damit wird sichtbar, dass ein technisches System zugleich Energie verbrauchen und energiereiche Nebenströme erzeugen kann.
Kreislaufführung: Wasser kann innerhalb einer Anlage mehrfach genutzt werden. Aus Klärschlamm können je nach Verfahren Wertstoffe zurückgewonnen werden. Phosphor ist ein Beispiel für einen Stoff, dessen Rückgewinnung aus Abwasser- und Schlammströmen technisch relevant ist.
Vergleiche das Video mit dem Prozessbild. Markiere gedanklich für jede Stufe, ob dort hauptsächlich getrennt, transportiert, biologisch umgewandelt oder gespeichert wird.
Fallbeispiel 3: Fraktionierte Destillation von Rohöl
Bei der fraktionierten Destillation wird ein Stoffgemisch aufgrund unterschiedlicher Siedebereiche getrennt. Das Verfahren zeigt besonders gut den Unterschied zwischen Stofftrennung und Stoffumwandlung: Die Bestandteile des Rohöls werden in der Destillationskolonne überwiegend nicht neu erzeugt, sondern voneinander getrennt.
Der Rohölstrom wird erhitzt und teilweise verdampft. In der Kolonne bestehen unterschiedliche Temperaturbereiche. Leichter siedende Bestandteile steigen weiter nach oben, schwerer siedende Bestandteile kondensieren früher beziehungsweise verbleiben weiter unten.
Input: Rohöl und Energie zum Erwärmen.
Output: mehrere Stofffraktionen mit unterschiedlichen Siedebereichen sowie schwere Rückstände.
Energiebedarf: Das Aufheizen großer Stoffmengen erfordert viel thermische Energie. Technische Anlagen nutzen deshalb Wärmetauscher, um heiße Produktströme zum Vorwärmen kalter Eingangsströme zu verwenden. Eine solche Wärmerückgewinnung schließt keinen Stoffkreislauf, verbessert aber den Energiehaushalt.
Nutze die Simulation, um den Zusammenhang zwischen Temperatur, Teilchenbewegung und Aggregatzustand zu wiederholen. Überlege anschließend, weshalb ein Temperaturgefälle in einer Destillationskolonne für die Trennung wichtig ist.
Fallbeispiel 4: Kunststoffe von der Produktkette zum Recycling
Kunststoffe zeigen, warum ein Stoffstrom nicht nur innerhalb einer Fabrik betrachtet werden sollte. Eine vollständige Produktkette kann Rohstoffgewinnung, Polymerherstellung, Granulatproduktion, Formgebung, Nutzung, Sammlung, Sortierung und Verwertung umfassen.
Kunststoffgranulat ist ein typischer Zwischenstoff: Für einen Granulathersteller ist es Produkt, für einen Spritzgießbetrieb ist dasselbe Granulat ein Eingangsstoff.
Nach der Nutzungsphase beginnt ein weiterer Stoffstrom. Gesammelte Kunststoffabfälle sind häufig Gemische verschiedener Kunststoffarten, Farben, Additive und Fremdstoffe. Für hochwertiges mechanisches Recycling sind Sortierung und Reinigung deshalb entscheidend.
Ein vereinfachter Recyclingweg lautet:
Sammlung → Sortierung → Zerkleinerung → Reinigung → Aufschmelzen → Regranulat → neues Produkt
Dabei entstehen Nebenströme: aussortierte Fremdstoffe, verschmutztes Prozesswasser, Feinanteile und Material, das die Qualitätsanforderungen nicht erfüllt. Ein guter Stoffstromplan zeigt deshalb nicht nur den gewünschten Rezyklatstrom.
Das Video verfolgt unterschiedliche Wege von Kunststoffflaschen. Unterscheide beim Betrachten zwischen Produktlebensweg, technischem Recyclingprozess und Verlusten aus dem technischen Kreislauf.
Fallbeispiel 5: Aluminium zwischen Primärrohstoff und Sekundärrohstoff
Aluminium kann aus mineralischen Rohstoffen hergestellt oder aus bereits vorhandenem Aluminiumschrott zurückgewonnen werden. Diese beiden Wege unterscheiden sich stark in ihren Stoff- und Energieflüssen.
Bei der Primärroute wird aus Bauxit zunächst aluminiumhaltiges Zwischenmaterial gewonnen. Anschließend wird Aluminium elektrolytisch hergestellt. Besonders die Elektrolyse benötigt viel elektrische Energie.
Bei der Sekundärroute werden Aluminiumabfälle gesammelt, sortiert, aufbereitet und erneut eingeschmolzen. Entscheidend ist die Qualität der Sortierung, weil unterschiedliche Legierungen und Verunreinigungen die Eigenschaften des neuen Materials beeinflussen können.
| Vergleich | Primärroute | Recyclingroute |
|---|---|---|
| Ausgangsrohstoff | mineralischer Rohstoff | Aluminiumschrott |
| wichtige Verfahrensschritte | Aufbereitung und Elektrolyse | Sortieren, Aufbereiten und Umschmelzen |
| Energie | sehr hoher Bedarf, besonders an elektrischer Energie | in der Regel deutlich geringer als bei der Primärherstellung |
| Nebenströme | mineralische Rückstände und weitere Prozessströme | Sortierreste, Oxid- und Schmelzrückstände |
| Kreislaufpotenzial | begrenzt durch neu benötigte Rohstoffe | hoch bei sauber erfassten und gut getrennten Materialströmen |
Das Beispiel zeigt: Recyclingfähigkeit allein genügt nicht. Für eine funktionierende Kreislaufführung sind auch Sammlung, Sortierung, geeignete Produktgestaltung und eine ausreichende Materialqualität erforderlich.
Fallbeispiel 6: Papier und Faserströme
Papier kann aus Frischfasern und aus zurückgewonnenen Papierfasern hergestellt werden. Die Stoffstromanalyse umfasst dabei Holz beziehungsweise Altpapier, Wasser, Faserstoffe, Füll- und Hilfsstoffe sowie Energie.
Bei der Aufbereitung werden Fasern voneinander gelöst, gereinigt und für die Papierbildung vorbereitet. In Papierfabriken spielen Wasserkreisläufe eine wichtige Rolle, weil Wasser vielfach als Transport- und Prozessmedium eingesetzt wird.
Eine Kreislaufführung von Papierfasern ist möglich, aber nicht unbegrenzt. Fasern werden bei wiederholter Nutzung kürzer und können an Qualität verlieren. Außerdem müssen Druckfarben, Beschichtungen und Fremdstoffe entfernt werden. Deshalb werden in realen Stoffsystemen Frisch- und Recyclingfasern miteinander kombiniert.
Vom linearen zum zirkulären Stoffstrom
Eine lineare Produktkette folgt vereinfacht dem Muster:
Rohstoff → Herstellung → Nutzung → Entsorgung
Eine Kreislaufwirtschaft versucht dagegen, Produkte, Bauteile und Materialien möglichst lange im Nutzungssystem zu halten. Recycling ist dabei wichtig, aber nicht die einzige Strategie. Häufig ist es günstiger, ein Produkt länger zu nutzen, zu reparieren oder Bauteile wiederzuverwenden, bevor der Werkstoff energieaufwendig recycelt wird.
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Für technische Systeme kannst Du verschiedene Kreislaufschleifen unterscheiden:
| Kreislaufstrategie | Beispiel | Wirkung auf Stoffströme |
|---|---|---|
| Wiederverwendung | Mehrwegbehälter erneut einsetzen | Produkt bleibt erhalten |
| Reparatur | defektes Bauteil austauschen | nur ein Teilstrom muss ersetzt werden |
| Remanufacturing | gebrauchte Baugruppen industriell aufarbeiten | Bauteile werden erneut zu Produktbestandteilen |
| Werkstoffrecycling | Aluminiumschrott wieder einschmelzen | Werkstoff wird als Sekundärrohstoff zurückgeführt |
| Prozessinterne Rückführung | Verschnitt direkt in die Produktion zurückgeben | Nebenstrom wird wieder zum Eingangsstrom |
Stoffstromkennzahlen und einfache Berechnungen
Für Vergleiche sind Kennzahlen hilfreich. Sie vereinfachen komplexe Anlagen auf wenige aussagekräftige Werte.
Produktausbeute:
Ausbeute = Produktmasse / eingesetzte Rohstoffmasse
Werden aus 1.000 kg Rohstoff 850 kg Hauptprodukt hergestellt, beträgt die massenbezogene Produktausbeute 0,85 beziehungsweise 85 Prozent. Die übrigen 150 kg dürfen in der Bilanz jedoch nicht verschwinden. Sie müssen als Nebenprodukt, Reststoff, Emission, Wasserverlust oder Bestandsänderung wiederzufinden sein.
Spezifischer Energiebedarf:
spezifischer Energiebedarf = eingesetzte Energie / Produktmenge
Wenn zwei Anlagen dasselbe Produkt herstellen, kann die Anlage mit dem kleineren spezifischen Energiebedarf energetisch günstiger sein. Für eine vollständige Bewertung reicht diese Kennzahl allein allerdings nicht aus. Auch Energiequelle, Produktqualität, Rohstoffherkunft und Nebenströme sind wichtig.
Kreislaufanteil:
Ein einfacher Kreislaufanteil kann angeben, welcher Anteil eines Eingangsstroms aus rückgeführtem Material stammt. Ein hoher Wert ist nicht automatisch optimal, wenn die Materialqualität stark sinkt oder zusätzliche aufwendige Reinigungsprozesse nötig werden.
Systemgrenzen verändern Bewertungen
Die Wahl der Bilanzgrenze beeinflusst das Ergebnis einer Untersuchung. Betrachtest Du nur einen Schmelzofen, siehst Du andere Stoff- und Energieflüsse als bei der Betrachtung der gesamten Produktkette von der Rohstoffgewinnung bis zum Recycling.
Ein Recyclingprozess kann innerhalb einer Fabrik sehr effizient wirken. Wird jedoch der Transport über große Entfernungen oder eine besonders energieintensive Reinigung mit einbezogen, kann sich die Gesamtbewertung verändern. Deshalb muss bei jeder Stoffstromanalyse angegeben werden, welches System und welcher Zeitraum betrachtet werden.
Die drei häufigsten Bilanzebenen sind:
| Bilanzebene | Betrachtung |
|---|---|
| Prozessbilanz | ein einzelner technischer Schritt, zum Beispiel ein Schmelzofen |
| Betriebsbilanz | eine gesamte Produktionsanlage oder ein Unternehmen |
| Produktbilanz | mehrere Lebensphasen eines Produkts von Rohstoffen bis Verwertung |
Stoffströme optimieren
Technische Optimierung bedeutet nicht nur, möglichst viel Hauptprodukt zu erzeugen. Eine gute Lösung berücksichtigt mehrere Ziele gleichzeitig: Produktqualität, Rohstoffverbrauch, Energiebedarf, Betriebssicherheit, Emissionen, Abfallmengen und Kosten.
Typische Ansatzpunkte sind bessere Sortierung von Eingangsstoffen, die Nutzung von Abwärme, geschlossene Wasserkreisläufe, die Rückführung von Produktionsresten, langlebige Produktgestaltung, leichte Demontage und die Vermeidung problematischer Materialmischungen.
Dabei können Zielkonflikte auftreten. Eine zusätzliche Reinigungsstufe erhöht möglicherweise die Qualität eines Recyclingmaterials, benötigt aber Strom, Wasser und Hilfsstoffe. Eine technische Entscheidung sollte deshalb immer anhand mehrerer Stoff- und Energieströme begründet werden.
Medien- und Simulationslabor
Die folgenden Simulationen helfen Dir, einzelne Prinzipien hinter technischen Stoffströmen experimentell zu untersuchen.
Simulation: Edukte, Produkte und Überschüsse
Übertrage das Modell auf technische Stoffströme: Ein knapp vorhandener Eingangsstoff kann die maximal mögliche Produktmenge begrenzen. Nicht vollständig umgesetzte Stoffe bleiben als Reststrom zurück und können gegebenenfalls abgetrennt und erneut eingesetzt werden.
Simulation: Energieformen und Energieumwandlungen
Erstelle nach der Simulation ein eigenes Energieflussbild für eine Recyclinganlage. Kennzeichne elektrische Energie, Wärme, mechanische Arbeit und Abwärme.
Simulation: Aggregatzustände
Verbinde die Beobachtungen mit Destillation, Trocknung und Schmelzen. Erkläre, weshalb ein Phasenwechsel in technischen Anlagen oft mit einem erheblichen Energieumsatz verbunden ist.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was beschreibt die Bilanzgrenze einer Stoffstromanalyse? (Sie legt fest, welche Ein- und Ausgangsströme zum betrachteten System gehören) (!Sie bezeichnet ausschließlich die Außenwand einer Fabrikhalle) (!Sie gibt nur den Verkaufspreis des Hauptprodukts an) (!Sie beschreibt ausschließlich die elektrische Leistung einer Maschine)
Welche Aussage entspricht einer ausgeglichenen Massenbilanz bei einem stationären Prozess ohne Speicherung? (Die Summe der Eingangsmassen entspricht der Summe der Ausgangsmassen) (!Die Produktmasse ist immer größer als die Rohstoffmasse) (!Nebenprodukte müssen nicht berücksichtigt werden) (!Nur feste Stoffe werden bilanziert)
Was ist ein typisches Ziel einer Kreislaufführung? (Einen nutzbaren Stoffstrom erneut in einen Prozess zurückzuführen) (!Alle Stoffe nach einmaliger Nutzung zu verbrennen) (!Den Energiebedarf einer Anlage grundsätzlich zu verdoppeln) (!Die Bilanzgrenze vollständig aufzulösen)
Welches Verfahren ist vor allem ein Trennverfahren? (Fraktionierte Destillation) (!Hochofenreduktion) (!Verbrennung von Koks) (!Chemische Oxidation)
Welche Größe gehört zu einer vollständigen Prozessanalyse zusätzlich zu den Stoffströmen? (Der Energiebedarf) (!Nur die Farbe der Maschinen) (!Nur die Gebäudehöhe) (!Nur die Anzahl der Beschäftigten)
Warum ist die Sortierung beim Kunststoffrecycling wichtig? (Sie verbessert die Reinheit der zurückgewonnenen Materialfraktionen) (!Sie macht jede weitere Aufbereitung überflüssig) (!Sie erzeugt automatisch neue Kunststoffe ohne Energieeinsatz) (!Sie verhindert grundsätzlich alle Materialverluste)
Welcher Stoffstrom kann bei der Abwasserbehandlung als konzentrierter Nebenstrom entstehen? (Klärschlamm) (!Rohöl) (!Bauxit) (!Koks)
Welche Aussage zum Aluminiumrecycling ist richtig? (Aluminiumschrott kann nach Sortierung und Aufbereitung erneut eingeschmolzen werden) (!Aluminium kann technisch grundsätzlich nicht wiederverwendet werden) (!Beim Recycling wird ausschließlich Wasser als Rohstoff eingesetzt) (!Für Recycling ist keine Stofftrennung erforderlich)
Wodurch wird in einem Sankey-Diagramm die Größe eines Stroms dargestellt? (Durch die Breite des zugehörigen Pfeils) (!Durch die Schriftart des Diagrammtitels) (!Durch die Seitenzahl des Dokuments) (!Durch die Anzahl der Tabellenzeilen)
Was ist bei einer technischen Optimierung besonders wichtig? (Mehrere Ziele wie Rohstoffbedarf Energiebedarf Produktqualität und Nebenströme gemeinsam zu betrachten) (!Ausschließlich die Hauptproduktmenge zu maximieren) (!Nebenprodukte grundsätzlich zu ignorieren) (!Die Systemgrenze während der Rechnung ständig zu verändern)
Memory
| Input | Eingangsstoff |
| Output | Ausgangsstoff |
| Bilanzgrenze | Systemrahmen |
| Nebenprodukt | zusätzlicher Nutzstrom |
| Recycling | Rückführung |
| Destillation | Siedepunkttrennung |
| Schlacke | Hochofennebenstrom |
| Belüftung | Sauerstoffeintrag |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Hochofen | Roheisenerzeugung |
| Kläranlage | Abwasserreinigung |
| Destillationskolonne | Siedebereichstrennung |
| Sortieranlage | Kunststofffraktionierung |
| Schmelzofen | Aluminiumrecycling |
| Pulper | Papierfaseraufbereitung |
...
Kreuzworträtsel
| Stoffstrom | Wie heißt die Bewegung einer Stoffmenge durch ein technisches System? |
| Bilanzgrenze | Wie heißt die festgelegte Grenze eines betrachteten Stoffstromsystems? |
| Destillation | Welches thermische Trennverfahren nutzt unterschiedliche Siedebereiche? |
| Hochofen | In welcher Anlage wird klassisch Eisenerz zu einer eisenhaltigen Schmelze verarbeitet? |
| Recycling | Wie heißt die Rückgewinnung von Materialien für eine erneute Nutzung? |
| Nebenprodukt | Wie heißt ein zusätzlich entstehender nutzbarer Stoffstrom? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Stoffstromdiagramm: Zeichne für die Herstellung eines belegten Pausenbrots ein technisches Stoffstromdiagramm mit mindestens fünf Eingangsstoffen, einem Hauptprodukt und mindestens zwei Neben- oder Restströmen.
- Produktkette: Wähle ein Alltagsprodukt und beschreibe seine Produktkette von einem Rohstoff bis zur Entsorgung oder Wiederverwertung.
- Bilanzgrenze: Fotografiere oder skizziere ein technisches Gerät im Alltag und lege eine sinnvolle Bilanzgrenze fest. Kennzeichne Stoff- und Energieeingänge sowie Ausgänge.
- Recycling: Untersuche drei Verpackungen aus Deinem Haushalt und bewerte, welche Materialkombinationen ein hochwertiges Recycling erleichtern oder erschweren.
Standard
- Massenbilanz: Entwickle eine eigene Massenbilanz für einen Prozess mit mindestens vier Ausgangsströmen. Tausche die Aufgabe mit einer anderen Person und prüft gegenseitig, ob die Bilanz geschlossen ist.
- Kläranlage: Erstelle ein Prozessposter zur Abwasserreinigung. Ordne jeder Stufe die Kategorien Trennung, Umwandlung, Transport oder Speicherung zu.
- Sankey-Diagramm: Erstelle aus selbst gewählten Beispieldaten ein Sankey-ähnliches Diagramm für Stoff- oder Energieflüsse und erläutere, wo die größten Verluste oder Nebenströme auftreten.
- Sekundärrohstoff: Vergleiche für Aluminium oder Papier eine Primärroute mit einer Recyclingroute. Stelle Rohstoffe, Energiebedarf, Nebenströme und Kreislaufmöglichkeiten gegenüber.
Schwer
- Verfahrenstechnik: Entwirf eine fiktive Anlage zur Aufbereitung gemischter Kunststoffabfälle. Begründe die Reihenfolge von Sortieren, Zerkleinern, Reinigen und Aufschmelzen.
- Wärmerückgewinnung: Entwickle für eine thermische Anlage ein Konzept, wie ein heißer Ausgangsstrom zur Vorwärmung eines kalten Eingangsstroms genutzt werden könnte. Zeichne ein Fließbild.
- Stoffstromanalyse: Führe an Deiner Schule eine kleine Stoffstromuntersuchung zu Papier, Wasser oder Verpackungen durch. Sammle Messdaten, lege einen Zeitraum fest und entwickle einen Verbesserungsvorschlag.
- Kreislaufwirtschaft: Entwickle ein Produkt so weiter, dass Reparatur, Wiederverwendung und Recycling erleichtert werden. Begründe jede Änderung aus Sicht der Stoffströme.
|
|
Lernkontrolle
- Systemgrenze und Bewertung: Zwei Gruppen bewerten dieselbe Recyclinganlage unterschiedlich. Gruppe A betrachtet nur die Sortierhalle, Gruppe B zusätzlich Transporte, Reinigung und Energieversorgung. Erkläre, warum beide zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen können und welche Bilanzgrenze Du für eine faire Bewertung wählen würdest.
- Stoffstrombilanz: Eine Anlage erhält 1.200 kg Material. Gemessen werden 800 kg Produkt, 180 kg Nebenprodukt und 170 kg Reststoff. Beurteile die Bilanz, bestimme den nicht erfassten Stoffstrom und nenne mindestens drei mögliche Ursachen für die Abweichung.
- Prozessvergleich: Vergleiche Hochofenroute und Schrottschmelze nicht nur hinsichtlich des Hauptprodukts. Entwickle mindestens vier Kriterien, mit denen sich die beiden Stoffstromsysteme bewerten lassen.
- Kreislaufstrategie: Ein Kunststoffprodukt kann entweder repariert, werkstofflich recycelt oder verbrannt werden. Entwickle eine begründete Reihenfolge dieser Möglichkeiten und nenne Bedingungen, unter denen sich Deine Reihenfolge ändern könnte.
- Energieintegration: In einer Fabrik verlässt ein Produktstrom einen Ofen mit hoher Temperatur, während ein Rohstoffstrom vor dem Ofen aufgeheizt werden muss. Erkläre ein mögliches technisches Konzept zur Wärmerückgewinnung und beschreibe, wie sich dadurch der Energiefluss verändert.
- Nebenproduktnutzung: Ein Nebenstrom kann entweder entsorgt oder nach zusätzlicher Reinigung als Rohstoff in einem anderen Prozess eingesetzt werden. Entwickle Kriterien, mit denen Du entscheidest, ob die Kreislaufführung ökologisch und technisch sinnvoll ist.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen können, dass Du technische Verfahren nicht nur benennen, sondern als zusammenhängende Stoff- und Energiesysteme analysieren kannst.
- Stoffstromanalyse: Du kannst eine Bilanzgrenze festlegen und Ein- und Ausgangsströme vollständig erfassen.
- Massenbilanz: Du kannst einfache Massenbilanzen aufstellen, prüfen und fehlende Ströme berechnen.
- Energiefluss: Du kannst Energiebedarf, Energieumwandlungen, Abwärme und Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung beschreiben.
- Verfahrenstechnik: Du kannst mechanische, thermische, chemische, biologische und elektrochemische Verfahren unterscheiden.
- Nebenprodukt: Du kannst Hauptprodukt, Nebenprodukt, Reststoff und Emission begrifflich auseinanderhalten.
- Kreislaufführung: Du kannst Möglichkeiten und Grenzen von Rückführung, Wiederverwendung und Recycling erklären.
- Prozessvergleich: Du kannst zwei technische Verfahren anhand mehrerer Kriterien vergleichen und eine begründete Bewertung formulieren.
- Fließbild: Du kannst ein einfaches Prozess- oder Stoffstromdiagramm lesen und selbst erstellen.
- Systemdenken: Du kannst erklären, weshalb die Wahl der Bilanzgrenze eine technische und ökologische Bewertung beeinflusst.
OERs zum Thema
Der Wikipedia-Artikel zur Stoffstromanalyse vertieft Bilanzierung, Modellierung und Darstellung von Stoff- und Energieströmen:
Ergänzend sind die Wikipedia-Artikel zu Verfahrenstechnik, Kreislaufwirtschaft, Sankey-Diagrammen, Recycling und Kläranlagen sinnvoll.
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