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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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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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Speicher für elektrische Energie

Übersichtsgrafik:Es werden Beispiele für direkte und indirekte Speicher elektrischer Energie gezeigt und es wird die gespeicherte Energieform benannt.Elektrische Energie sollte möglichst genau zu dem Zeitpunkt erzeugt werden, an dem sie auch gebraucht wird. Denn elektrische Energie lässt sich nur schlecht und mit hohen Kosten speichern. Man unterscheidet direkte und indirekte Speicher für elektrische Energie. Direkt lässt sich elektrische Energie nur in Kondensatoren speichern. Bei der indirekten Speicherung muss die elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt werden, die dann gespeichert werden kann. Hinweise und Ideen:Die Schülerinnen und Schüler sollen sich Gedanken über die wirtschaftliche Nutzung der gezeigten Energiespeicher machen (z. B.: Wie viel Energie kann gespeichert werden? Ist der Energiespeicher problemlos einsetzbar? Wo treten Verluste auf?).

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Pkw-Brennstoffzelle

Foto:Abgebildet ist ein sog. Brennstoffzellen-Stack für Pkws. Die Abmessungen betragen bei ca. 40 l Volumen ca. 1,0 m x 0,8 m x 0,35 m.Eine einzelne Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle liefert ca. 1,23 Volt. Um brauchbare Spannungen und Leistungen von ca. 40 Volt bzw. ca. 50 kW zu erreichen, müssen also viele dieser einzelnen Zellen in serieller und paralleler Schaltung zusammengeschlossen werden (“Stack”). Die Zukunft des Brennstoffzellen-Pkws ist ungewiss, da Brennstoffzelle und Wasserstofftank ziemlich teuer sind. Im Vergleich dazu fallen die Preise für die Batterien der reinen E-Pkws derzeit relativ schnell.

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Windrad in Landschaft

Foto:Windrad mit umgebender LandschaftDas abgebildete Windrad mit 3 MW Leistung steht in Oberbayern. Obwohl diese Gegend nicht besonders windreich ist, lieferte es von Ende 2014 bis Anfang 2017 mehr Strom als geplant und hat sich als wirtschaftlich erwiesen. Überprüfungen ergaben, dass das Windrad in diesem Zeitraum keine negativen Auswirkungen auf Vögel und Fledermäuse hatte.Hinweise und Ideen:Das Foto eignet sich als Einstieg ins Thema Windenergie und Umwelt. Rechercheauftrag: Die Schülerinnen und Schüler können recherchieren, welche gesetzlichen Vorgaben es für die Aufstellung von Windkraftanlagen gibt. Und welche Argumente werden für und gegen die Aufstellung solcher Windräder genannt?

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Chemische Energie

Diagramm: Chemische Energie als Bindungsenergie zwischen Atomen in der Darstellung als Potenzialkurve.Sowohl in der Bindung von Atomen und Molekülen als auch in der Möglichkeit (Potenzial) zur chemischen Bindung steckt chemische Energie. Diese kann bei der Bildung oder beim Zerfall der Bindungen in Form von Wärme frei werden. Diese “Reaktionswärme” wird auch als Reaktionsenthalpie (H) bezeichnet. Wird Wärme frei (dH < 0), so spricht man von einer exothermen Reaktion, wird Wärme verbraucht (dH > 0) von einer endothermen. Jedes Gemisch von Ausgangsstoffen, das zu Endstoffen reagieren kann, ist also als ein Potenzial an chemischer Energie aufzufassen. Mikroskopisch steckt diese chemische Energie in den Bindungen zwischen einzelnen Atomen, wie es anhand der Potenzialkurve illustriert wird. Hinweise und Ideen:Chemische Energie ist eine Energieform, die sich gut speichern lässt - sei es im menschlichen Körper oder in Batterien und Akkus. Ein weiteres Beispiel ist Wasserstoff als chemischer Energiespeicher für regenerative Energien.

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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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Biomasse Brennholz

Foto: Geschichtete HolzscheiteBiomasse, vor allem Holz, ist eine der ältesten vom Menschen genutzten Energiequellen. Die Energie “gewinnt” man daraus durch Verbrennung.

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Weltweiter Verbrauch fossiler Energieträger

Diagramm und Tabelle:Der weltweite Verbrauch fossiler Energieträger und deren Einsatz bei der Strom- und Wärmeerzeugung in Zahlen.Das Tortendiagramm gibt den prozentualen Anteil der fossilen Energieträger (Kohle, Erdöl und Erdgas) an der weltweiten Primärenergieversorgung wieder. Eine Aufschlüsselung nach Verteilung dieser fossilen Energieträger auf die Strom- und Wärmeerzeugung, aber auch auf andere Bereiche wie z. B. die Industrie, zeigt die Tabelle. Hinweise und Ideen:Diagramm und Tabelle geben den Schülern und Schülerinnen einen Überblick, wozu und in welchem Umfang fossile Energieträger im Jahr 2012 verwendet wurden. Überlegungen zur Endlichkeit dieser Energieträger und zum Umstieg bzw. zur Ausweitung der Nutzung regenerativer Energieträger lassen sich anschließen. Weitere Informationen findet man in der Sachinformation “Energieträger im Überblick” und der Grafik “Wie lange reichen unsere Energieträger?”.

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Kohlendioxidemissionen von Kraftwerken

Diagramm:Kohlendioxidemissionen für verschiedene Kraftwerkstypen im Vergleich.Das Diagramm zeigt, welche Menge Kohlendioxid (CO2, Angaben in Kilogramm) bei der “Gewinnung” von einer Kilowattstunde Energie aus verschiedenen Arten von Energieträgern anfällt. Zusätzlich sind die Kohlendioxidmengen, die bei der Brennstoffversorgung und bei Bau der Kraftwerke freigesetzt werden, angegeben. Aus der Gruppe der fossilen Energieträger hat Erdgas einen relativ niedrigen Kohlendioxidausstoß und ist damit neben den regenerativen Energien und der Kernkraft eine gute Alternative zur Kohlendioxidreduktion. Erdgas kann besonders effizient in GuD-Kraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Hinweise und Ideen:Wichtig ist die Erkenntnis, dass auch regenerative Stromerzeugung Kohlendioxidemissionen impliziert (durch den Bau).