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B6 Renewable energies (answer sheet)

Answer sheet:
For the student experimentation instructions of the same name.


The answer sheet contains sample answers to all questions asked in the student experimentation instructions. In some cases, the answers are very short, often only in the form of key words. Depending on the learning objective, they can be augmented and enlarged upon with additional material from textbooks or Internet research.
Likewise, the answer sheet will be elaborate on the analyses for the individual subexperiments, but only in cases where experience shows that there could be difficulties.

You will find more detailed information in the related experimentation instructions for Experimento | 10+ "B6 Renewable energies (student instructions)", which are available on the media portal of the Siemens Stiftung.

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Vom Wasserrad zur Turbine (GS)

Fotocollage:
Fotos von einem Wasserrad sowie drei verschiedenen Turbinenarten.

Schon früh setzte man Wasserräder ein, um die Energie von Wasser zu nutzen, z. B. zum Antreiben eines Mühlrads. Die Turbinen, die in Wasserkraftwerken eingesetzt werden, sind eine Weiterentwicklung des klassischen Wasserrads, um Generatoren für die Stromerzeugung anzutreiben. Diese Turbinen heißen nach ihren Erfindern: Pelton, Kaplan und Francis.

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Speicherkraftwerk

Grafik:
Funktionsprinzip eines Speicherkraftwerks.

Beim Speicherkraftwerk wird von Natur aus nachfließendes Wasser mithilfe eines Stausees angestaut und für Bedarfsspitzen bevorratet. Das gestaute Wasser wird dann mittels Druckrohrleitungen zu den Turbinen des niedriger gelegenen Kraftwerks geführt. Die gesamte Lageenergie des Wassers im Speicherbecken ist also ein Energiespeicher für Spitzenzeiten. Kleinere Speicherkraftwerke verwenden Pelton-Turbinen, große Speicherkraftwerke (großer Druck und große Wassermenge) verwenden Francis-Turbinen.

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Water as an energy source

Information sheet:
How do you use "water" as a energy source?

Water covers around two-thirds of planet earth. Water is a carrier of different forms of energy. The hydropower (mechanical energy) of rivers and lakes is one of the oldest forms of energy used. However, water is also a carrier of thermal and chemical energy. In the case of geothermal power or fuel cell technology, for example, we convert these forms of energy to useful energy for people. No matter what form of energy we use, it is always converted without carbon dioxide emissions!

Information and ideas:
The use of hydropower over the course of history intersects with history studies.

Using the following source: International Energy Agency (IEA)

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Phase diagram of water

Interactive diagram labeling:
A p-T diagram for pure water. The lines indicate the temperature and the pressure at which the solid, liquid, and vapor phases exist in equilibrium. All three phases exist in equilibrium only at the triple point; otherwise, there are a maximum of two phases.

The diagram can be labeled interactively, either individually or in full. Manual labeling on the interactive whiteboard is also possible.

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Dampfdruckkurve und Phasendiagramm von Wasser

Diagramme:Die Dampfdruckkurven (p-V-Diagramm) und das Phasendiagramm (p-T-Diagramm) von Wasser werden gegenübergestellt.Erhitzt man Wasser bei atmosphärischem Normaldruck auf 100 °C, so entsteht Dampf. Wie wirkt sich aber eine Erhöhung oder Absenkung des Drucks auf die Verdampfungstemperatur aus?Die Antwort geben die Dampfdruckkurve (T-Kurven im p-V-Diagramm links) und das Phasendiagramm (p-T-Diagramm rechts) des Wassers. Dampfdruck nennt man den Druck, bei dem Gas und Flüssigkeit im Gleichgewicht miteinander stehen, d. h., es verdampfen ebenso viele Moleküle wie auch wieder kondensieren. Oberhalb der kritischen Temperatur (Zahlenwerte sind angegeben) ist das Wasser, egal bei welchem Druck, immer gasförmig und es kann als reales Gas behandelt werden (Van-der-Waals-Gleichung, Formel ist angegeben). Unterhalb der kritischen Temperatur gibt es zu jeder Temperatur einen Dampfdruck, für den ein Zweiphasengebiet (flüssig und gasförmig) vorliegt. Im Bereich der flüssigen Phase kann man an der steilen Steigung der Kurven erkennen, das flüssige Substanzen kaum kompressibel sind. Die kritische Temperatur darf nicht verwechselt werden mit der Temperatur des Tripelpunkts (siehe p-T-Diagramm). Er kennzeichnet die Werte von Temperatur und Druck, bei der alle Phasen (fest - flüssig - gasförmig) gleichzeitig vorliegen. Hinweise und Ideen:Bei welcher Temperatur kocht Wasser auf dem Mount Everest? Sog. “Dampfdrucktabellen” geben Aufschluss darüber. Interessant wäre auch der Hinweis auf die Phasenwandlungspunkte als Haltepunkte der Temperatur. Beim Phasenübergang von flüssig nach gasförmig führt die zugeführte Energie zunächst nicht zur Temperaturerhöhung. Ebenso beim Schmelzen von Eis. Erst wenn alles Wasser verdampft bzw. geschmolzen ist, steigt die Temperatur weiter.


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Arbeitsblatt

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B6 Renewable energies (worksheet 3)

Worksheet for subject teaching in English:
For the student experimentation instructions of the same name. Methodology tool: word string developed by Josef Leisen and Heinz Klippert.


Note: This worksheet has been developed especially for subject teaching in English and for language-sensitive subject teaching. It uses the word string methodology tool developed by Josef Leisen and Heinz Klippert. The word string supports the introduction of typical sentence structures in subject teaching and is a language aid for the students.
Students whose native language is not English and who do not have strong English skills receive support and training in understanding the technical vocabulary. They work with the specialized vocabulary and in this way acquire the ability to communicate about specific subjects.


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Simulation

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Gezeitenkraftwerk

Simulation:
Funktionsprinzip eines Gezeitenkraftwerks.

Ein Gezeitenkraftwerk ist sinnvoll, wenn der Höhenunterschied zwischen Ebbe und Flut sehr hoch ist. Das erste (seit 1966) und größte Gezeitenkraftwerk steht in Saint-Malo in Frankreich (240 MW, 600 Mio. kWh Strom pro Jahr). Weitere gibt es (oder sind geplant) in Kanada, Russland und China. Das Gezeitenkraftwerk macht sich die Kraft der enormen Wasserbewegungen bei Ebbe und Flut zunutze. Dazu sperrt man die Bucht oder eine Flussmündung durch einen Damm ab, in den Turbinen eingelassen sind. Bei Flut strömt das Wasser von der Meeresseite durch die Turbinen in die Bucht. Bei Ebbe fließt das Wasser in die umgekehrte Richtung und treibt ebenfalls die Turbinen an. Gearbeitet wird hier hauptsächlich mit Kaplan-Rohrturbinen. Andere Gezeitenkraftwerke verzichten auf einen Damm und machen sich statt des Höhenunterschieds die von den Gezeiten erzeugte Strömung zu Nutze ("Gezeitenströmungskraftwerk").

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Phasendiagramm von Wasser

Diagramm, interaktiv:p-T-Diagramm des reinen Wassers. Die Linien geben an, bei welcher Temperatur und welchem Druck die Phasen fest, flüssig und gasförmig miteinander im Gleichgewicht stehen. Nur am Tripelpunkt sind alle drei Phasen im Gleichgewicht, sonst sind es maximal zwei.Das Diagramm kann interaktiv - einzeln oder komplett - beschriftet werden. Auch die Beschriftung von Hand am interaktiven Whiteboard ist möglich.


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B6 Renewable energies (worksheet 3 answer sheet)

Answer sheet:
For the worksheet of the same name for subject teaching in English.


You can find more detailed information on the associated worksheet for subject teaching in English "B6 Renewable energies (worksheet 3),? which is available on the media portal of the Siemens Stiftung.


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