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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.

Anderer Ressourcentyp

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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)

Anderer Ressourcentyp

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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.

Anderer Ressourcentyp

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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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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.


Dieses Material ist Teil einer Sammlung

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.


Dieses Material ist Teil einer Sammlung

Experiment

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B6 Renewable energies (teacher instruction)

Experimentation instructions for Experimento | 10+:
Background information on the content and practical information on conducting the experiment "Renewable energies - Sun, water, wind, hydrogen, and fuel cell". This experiment comprises four subexperiments.


The experiment comprises four subexperiments:
· Electrical energy from the radiant energy of light
· Electrical energy from hydropower
· Electrical energy from wind power
· Conversion of electrical energy into chemical energy and vice versa

The sequence of subexperiments on photovoltaics, hydropower, wind power, and hydrogen technology provides a highly topical introduction to renewable energies. However, the subexperiments require a lot of time and cover a wide range of content. For this reason, the experiments are particularly useful as a project or for a project day on the subject of energy transition. Due to the large scope, it is also highly unlikely that the students will be able to work through the underlying scientific topics during the experiment. Provided that they have certain basic knowledge, however, the students can optimally verify their current knowledge of physics and chemistry based on the subexperiments. Alternatively, the individual subexperiments can also be used as an introduction to one of the basic scientific topics, based on a real-world technical application.

Notes:
· Observe the safety information in the instructions as well as the applicable safety guidelines for your school.
· All materials mentioned in the instructions will have to be purchased directly from commercial sources.

Arbeitsblatt

Siemens Stiftung

Assignments relating to efficiency

Worksheet:
Questions and calculation tasks on the subject of efficiency.


In science and technology, the efficiency of a process or a machine is of enormous importance. It is therefore vital to understand efficiency and to be able to calculate it.

Information and ideas:
Well suited for further study of the topic of "efficiency" and for practicing simple physics calculations.
In addition, students can further research the efficiencies of heat engines, power plants, and other energy sources and compile the results as a table of values.
The answers to the assignments can be found on the answer sheet of the same name on the media portal of the Siemens Stiftung.

Simulation

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Laufwasserkraftwerk

Simulation:
Funktionsprinzip eines Laufwasserkraftwerks.

Das Laufwasserkraftwerk wird an Flüssen mit einem sehr geringen Gefälle und einer großen Durchflussmenge von Wasser verwendet. Die Turbinen sind ununterbrochen in Betrieb, d.h. sie können kontinuierlich elektrischen Strom erzeugen und haben sehr geringe Betriebskosten. Das Flusswasser durchströmt eine Turbine, die einen Generator antreibt, wodurch Strom erzeugt wird. Ein Nutzgefälle von wenigen Metern ist für Laufwasserkraftwerke ausreichend, die Druckdifferenz ist jedoch gering. Deshalb werden in diesen Fällen Kaplan-Turbinen oft als Rohrturbinen (horizontaler Einbau) eingesetzt. Zum Teil besitzen sie auch Hochgeschwindigkeitsgetriebe ("Pit"-Turbinen).