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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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Energieträger Wasser

Übersichtsgrafik: Der Energieträger Wasser wird in vier unterschiedlichen Erscheinungsformen dargestellt.Wasser ist ein umweltfreundlicher, regenerativer Energieträger. Es führt Energie in Form von Lage- und Bewegungsenergie (Wellen, Fließwasser und Gezeiten) mit sich. Zudem kann die im Wasser gespeicherte thermische Energie (z. B. Thermalwasser) genutzt werden. Hinweise und Ideen:Das Schaubild lässt sich als Einstieg oder Veranschaulichung in allen Unterrichtssituationen mit Thema “Wasser als Energieträger” einsetzen. Sie stellt den regenerativen Energieträger Wasser in seinen Erscheinungsformen vor und verweist dabei auf die in der Wasserkraft vorhandenen Energiezustände.


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Solarthermische Kraftwerke - Prinzip

Grafik, beschriftet:Das physikalische Prinzip eines Parabolrinnenkraftwerks und einer Dish-Stirling-Anlage im Vergleich.Zunehmend werden Kraftwerke zur Stromerzeugung aus Sonnenwärme gebaut. Die Grafik zeigt zwei Bauweisen, die sich durchgesetzt haben.Parabolrinnenkraftwerk: Ein großes Sonnenkraftwerk, dessen Leistung vergleichbar mit Kohlekraftwerken ist. Lange Zeilen von Parabolspiegeln haben in ihrem Brennpunkt ein Absorberrohr, das mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist. Über einen Wärmeaustauscher erzeugt das heiße Arbeitsmittel Dampf, mit dem sich dann große Dampfturbinen und Generatoren betreiben lassen.Dish-Stirling-Anlage: Ein eher kleines Kraftwerk, dessen zentrales Element ein großer runder Hohlspiegel (Dish, Teller) ist. In seinem Brennpunkt befindet sich der Arbeitszylinder eines Stirlingmotors, der einen Generator antreibt. Das gegenwärtig leistungsfähigste Kraftwerk dieser Art ist der Euro-Dish-Stirling-Typ. Hinweise und Ideen:Zu den solarthermischen Kraftwerken zählen auch das “Aufwindkraftwerk”, der “Sonnenofen” und das “Turmkraftwerk”. Wie sind diese Kraftwerke aufgebaut und wie funktionieren sie? In welchen Gegenden auf der Erde gibt es solarthermische Kraftwerke und von welchem Typ sind sie? Weiterführende Informationen zum solarthermischen Kraftwerk findet man im Leitfaden “Regenerative Energien”.


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Parabolrinnenkraftwerk

Foto: Parabolrinnen-Kraftwerk in Lockhart bei Harper Lake in Kalifornien (Mojave Solar Project)Diese Sonnenkraftwerke arbeiten mit langen Zeilen (z. B. 112 m) von Parabolspiegeln, in deren Brennpunkt ein Rohr mit Arbeitsmittel verläuft. Die Ausrichtung der Spiegel wird dem Sonnenstand automatisch nachgeführt. Die Strahlung wird durch die Bündelung im Spiegel 80-fach verstärkt und ein Öl im Absorber wird auf rund 400 °C erhitzt. Das heiße Öl fließt zum Kraftwerkshaus, wo es über einen Wärmeaustauscher Wasserdampf erzeugt, der eine Dampfturbine mit Generator antreibt. (Alternativ werden Kraftwerke mit flüssiger Salzschmelze im Absorberrohr angedacht.) In den USA arbeitet seit 20 Jahren ein Parabolrinnenpark aus neun Kraftwerken mit einer Gesamtleistung von 350 MW. In Spanien erreichen Andasol 1, 2 und 3 zusammen 150 MW. Dank integriertem Wärmespeicher aus Salzschmelze liefert Andasol auch ohne Sonne über 7 h volle Leistung. In Marokko entsteht derzeit die weltweit größte Anlage mit 580 MW.


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Generator für Windrad

Foto:Rotor des Generators einer Windenergieanlage.Es handelt sich hier um einen Vielpol-Generator, erkenntlich an der Vielzahl von Spulen auf dem äußeren Ring. Diese bewegen sich bei Betrieb an einem Statorring vorbei, der mit einer entsprechenden Anzahl von Permanentmagneten bestückt ist. Im Innenbereich des Rotors kann man die Regelelektronik erkennen. Diese Vielpol-Generatoren mit Permanentmagneten liefern bei relativ geringem Volumen und geringer Masse über einen weiten Drehzahlbereich gute Leistung. Auf ein Getriebe zur Anpassung der Frequenz des gelieferten Wechselstroms kann verzichtet werden. Der Wechselstrom, egal welcher Drehzahl, wird zunächst gleichgerichtet und anschließend nach elektronischer Wechselrichtung mit exakt 50 Hz ins Netz eingespeist. Hinweise und Ideen:Wie hängt die Frequenz eines Wechselstromgenerators von der Drehzahl ab? Warum haben herkömmliche Windräder eine aufwändige Drehzahlregelung mit Getriebe und Generatoren mit abschaltbaren Polpaaren?


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Power to Gas

%rafik, beschriftet:Durch die Umwandlung von überschüssigem Wind- und Solarstrom in Wasserstoff oder sogar Methan (Power to Gas) kann das bestehende Erdgasnetz zur Verteilung und Speicherung genutzt werden. Überschüssiger Strom kann zur Elektrolyse (elektrochemische Zersetzung) von Wasser (H2O) zu Wasserstoffgas (H2) und Sauerstoffgas (O2) genutzt werden. Das Wasserstoffgas wird dann unter Druck oder verflüssigt in Tanks gelagert. Bei Strombedarf wird der Wasserstoff durch Verbrennung über Brennstoffzellen, Gasturbinen, Diesel- oder Stirlingmotoren wieder zu Strom zurückgewandelt. Alternativ kann Wasserstoffgas auch bis zu ca. 5 % bis 10 % ins Erdgasnetz eingespeist werden. Wächst der Anteil an regenerativem Strom, wird aus H2 und CO2 durch mehrstufige katalytische Reaktionen Methan (CH4 = “Erdgas”) gewonnen und ins Gasnetz eingespeist. Die dafür nötige Chemie und Technologie ist altbewährt, wurde doch bereits in Deutschland im 2. Weltkrieg auf ähnliche Weise synthetisches Benzin hergestellt. Mit dem Erdgasnetz und den bereits in großem Maßstab vorhandenen Erdgasspeichern (bis zu 4 Monaten Kapazität) besteht bereits eine sehr leistungsfähige und flächendeckende Verteilungs- und Speicherinfrastruktur. Auch die bereits vorhandenen Gasturbinenkraftwerke könnten nun rein regenerativ weiter betrieben werden. Die Wasserstoff- bzw. Methanerzeugung und die Stromerzeugung durch Gasturbinen können an beliebigen Stellen im Stromnetz erfolgen. D. h. auch das Stromnetz muss nicht so stark ausgebaut werden%


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Brennstoffzelle für Experimente

Foto:Brennstoffzelle aus einem ExperimentierkastenSolche einfachen Brennstoffzellen werden gerne für Experimente im Unterricht verwendet. Durch das transparente Gehäuse sind die Platinelektroden gut erkennbar.


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Dish-Stirling-Anlage

Foto:Ein sog. Euro-Dish-Stirling-Kraftwerk in Südfrankreich. Es hat bei 17 m Durchmesser eine Leistung von 50 kW.Kleinere Solarkraftwerke besitzen einen runden Hohlspiegel (“dish” = Teller), in dessen Brennpunkt sich der Arbeitszylinder eines Stirlingmotors befindet. Auf die Welle eines Stirlingmotors ist direkt der Generator aufgesetzt. (Alternative: Verwendet man einen Permanentmagneten als Kolben, kann die Stromerzeugung als Lineargenerator direkt in den Stirlingmotor integriert werden). Dish-Sterling-Kraftwerke werden z. B. in sonnenreichen Gegenden ohne Stromnetz zum teilweisen Ersatz von Dieselgeneratoren eingesetzt. Bei entsprechend großen Batteriespeichern kann auf Dieselgeneratoren verzichtet werden.Quelle des Fotos: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=362869


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Energieträger regenerativ

Übersichtsgrafik: Abbildung der regenerativen Energieträger Sonne, Wind, Wasser, Erdwärme und Biomasse mit je einer exemplarischen Kraftwerkslösung.Regenerative Energien sind nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich, da sie sich sozusagen von selbst erneuern. Sie stellen aufgrund ihrer deutlich geringeren Werte bei der Kohlendioxidemission eine Alternative zu fossilen Energieträgern dar. Jeder regenerative Energieträger wird mit einer spezifischen Nutzung in Kraftwerken kombiniert dargestellt: Energieträger Sonne und Solarthermieanlage, Energieträger Wind und Windrad, Energieträger Wasser und Flusskraftwerk, Energieträger Erdwärme und Geothermiekraftwerk, Energieträger Biomasse und Biomassekraftwerk.Hinweise und Ideen:Die Schülerinnen und Schüler erhalten mit dem Schaubild einen Überblick über regenerative Energieträger. Gleichzeitig wird eine Verbindung zu den Energieumwandlungstechnologien hergestellt. Das Schaubild kann als Einstieg in das Thema regenerative Energien und gleichzeitig als Ausgangspunkt für eine Auseinandersetzung mit Energiequellen, Energieumwandlern sowie Umwelt und Ökologie dienen. Ausführliche Informationen findet man im Leitfaden “Regenerative Energien”.