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Die Sonne - unsere Hauptenergiequelle

Grafik, beschriftet:Ein Querschnitt durch die Sonne zeigt die Temperatur- und Dichteprofile in den einzelnen “Sphären”. Die Energie entsteht durch Kernfusion im Sonneninneren.Die Strahlungsenergie der Sonne ist der Motor für die lebenswichtigen Prozesse auf der Erdoberfläche. Die Energie entsteht durch Kernfusion im Sonneninneren und diffundiert nach etwa 10 Mio. Jahren an die Sonnenoberfläche (Photosphäre), die sie als Strahlung an die Erde abgibt. Die Strahlungsenergie, die letztlich auf der Erde ankommt, ist daher uralt. Das Temperaturprofil durch den Sonnenquerschnitt zeigt Temperaturabnahme vom Kern bis zur Photosphäre und Temperaturzunahme von der Photosphäre zur Korona.Hinweis: Die “Schlangenlinien” im Bild symbolisieren die auftretende Strahlung und deren Wellenlänge.Die Strahlung, die auf die Erde trifft, geht von der Photosphäre aus.Hinweise und Ideen:Unter welchen Gesichtspunkten ist die Sonne eine unerschöpfliche Energiequelle? Welche Erklärung gibt es dafür, dass die Temperatur von der Photosphäre zur Korona hin wieder ansteigt? Übrigens: Der Mechanismus der Aufheizung in der Chromosphäre ist weitgehend ungeklärt!


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Funktionaler Aufbau eines Windrads

Grafik:Windrad in seinem gesamten Aufbau mit Sockel und Turm schematisch dargestellt.Das Fundament bildet die Verankerung der Windkraftanlage im Erdreich. Um die Standfestigkeit der Windenergie-Anlage zu gewährleisten, wird je nach Festigkeit des Untergrundes eine Pfahl- oder Flachgründung vorgenommen. Der Turm ist das größte und schwerste Teil einer Windenergieanlage. Er ist üblicherweise zwischen ein bis 1,8 Mal länger als der Rotordurchmesser und kann mehrere Hundert Tonnen schwer sein. Die Turmkonstruktion selbst trägt nicht nur die Massen der Maschinengondel und der Rotorblätter, sondern muss auch die enormen statischen Belastungen durch die wechselnden Kräfte des Windes auffangen. Man verwendet in der Regel Rohrkonstruktionen aus stapelbaren Beton- oder Stahlsegmenten. Die Turmhöhe bzw. die Nabenhöhe beträgt bei 3 MW bis ca. 6 MW Leistung und bei einem Rotordurchmesser von ca. 110 bis 130 m zwischen ca. 120 bis 130 m.Der Rotor ist diejenige Komponente, die mithilfe der Rotorblätter die im Wind enthaltene Energie in eine mechanische Drehbewegung umwandelt. Die Gondel mit Maschinenstrang (Triebstrang) enthält den gesamten Maschinensatz. (Funktionen im Detail siehe Medium “Windrad - Innenansicht”!)Hinweise und Ideen: Im Rahmen des Physikunterrichts könnte geklärt werden, warum es bei Durchströmung mit Wind zu einer Bewegung der Rotorbätter kommt (Strömungslehre von Venturi und Bernoulli).


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Turbinen und Generatoren im Walchenseekraftwerk

Foto:Turbinenhalle im Walchenseekraftwerk bei Kochel in Oberbayern, Deutschland. Links sieht man die horizontal liegenden Francisturbinen und rechts die damit verbundenen Generatoren.Das Walchensee-Kraftwerk gehört zu den größten Speicher-Kraftwerken Deutschlands. Als es 1924 in Betrieb genommen wurde, war es eines der modernsten Speicherkraftwerke weltweit. Es nutzt zwei natürliche Seen, den Walchensee als Oberbecken und den Kochelsee als Unterbecken. Über sechs 430 m lange Druckrohre mit einem nach unten leicht abnehmenden Durchmesser von rund 2 m fließt das Wasser über 200 m Fallhöhe zu den acht Turbinen im Maschinenhaus. Jährlich liefern die 8 Turbinen etwa 300 Millionen Kilowattstunden umweltfreundliche Energie. An die 100.000 Besucher besichtigen jährlich das Informationszentrum am Walchenseekraftwerk.


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Energieträger Wind

Foto: Die Wirkung des Energieträgers Wind dargestellt durch einen Windsack.Wind ist die Bewegung von Luftmassen als Folge von Temperaturschwankungen und den daraus resultierenden Druckunterschieden in der Atmosphäre. Sonneneinstrahlung und Erdrotation sind dafür die treibenden Mechanismen. Wind tritt in unterschiedlicher Stärke von der Böe bis zum Wirbelsturm auf. Die Nutzung der Windenergie geht weit in die Menschheitsgeschichte zurück - in Form von Segelschiffen (3.500 v. Chr.) und Windmühlen (1.700 v. Chr.). Wind gehört heute zu den am effektivsten genutzten regenerativen und kohlendioxidfreien Energieträgern. Das Foto zeigt einen Windsack, der zur Windmessung an Land genutzt wird.Hinweise und Ideen:Das Foto eignet sich dazu, dem regenerativen Energieträger Wind ein optisches Erscheinungsbild zu geben, und ist als Einstieg oder Veranschaulichung einsetzbar. Informationen zur Nutzung der Windkraft sind z. B. im Infomodul “So funktioniert ein Windkraftwerk” und in der Grafik “Windrad - Querschnitt” enthalten.


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Die Redox-Flow-Zelle

Schemagrafik:Die Redox-Flow-Zelle ist ein Akkumulator und arbeitet sozusagen mit flüssigen Elektrodenmaterialien, z. B. aus Zink (Zn) und Iodid (I). Die Grafik zeigt den Fluss des Elektrodenmaterials beim Entladen der Zelle. Zwei Grafitelektroden (schwarze Flächen) dienen als Stromabnehmer. Zink (Zn) wird an seiner Elektrode oxidiert, das Iodid (I) wird an seiner Elektrode reduziert. Beim Aufladen legt man Spannung an und pumpt die beiden Lösungen wieder an den Elektroden vorbei. Hinweise und Ideen:Welche Vorteile hat dieses Verfahren gegenüber herkömmlichen Galvanischen Zellen?Normalerweise arbeitet eine Redox-Flow-Zelle mit Zink (Zn) und Bromid (Br). Im Schüler-Experiment wird das Bromid aus Sicherheitsgründen durch Iodid (I) ersetzt.


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Windrad - Innenansicht

%rafik, beschriftet:Rotor und Gondel (“Maschinenhaus”) eines Dreiflügel-Windrads mit horizontaler Drehachse. Die Innenansicht der Gondel wird gezeigt, die einzelnen Komponenten sind beschriftet.Das hier gezeigte Dreiflügel-Windrad mit horizontaler Rotationsachse ist bei großen Windkraftanlagen die häufigste Konstruktion. Das Windrad besteht aus einem Rotor und einer Gondel (“Maschinenhaus”), die auf einem hohen Turm angebracht sind.Das Funktionsprinzip: Das Anemometer misst die Windgeschwindigkeit. Die Daten werden an den Überwachungscomputer gesendet. Dieser steuert das Windrad und bedient den Nachführmotor, der das Windrad ausrichtet. Steht das Windrad optimal zum Wind, so übt dieser ein Drehmoment auf die Rotorblätter aus: Das Windrad dreht sich (ca. 20 Umdrehungen/min) und mit ihm die Antriebswelle. Das Getriebe wandelt die Drehzahl des Rotors in die für den Generator nötige Drehzahl (in Europa 1.500 U/min oder 3.000 U/min, in den USA 1.800 U/min oder 3.600 U/min) um. Der Generator erzeugt den Strom. Dieser wird über Kabel zum Fuß des Windrads hinuntergeleitet. Dort erfolgt die Einspeisung ins Netz. Der Wirkungsgrad eines Windrads liegt bei optimalen Windverhältnissen bei 40 - 51 %. (Der theoretisch maximale Wert liegt bei 59,3 %, ist aber praktisch nicht erreichbar.)Übrigens: Die Bremse sorgt dafür, dass das Windrad sich nicht drehen kann, z. B. bei extremem Sturm oder wenn es gewartet werden muss. (Es gibt auch Windräder ohne Getriebe, siehe dazu die Beschreibung beim Medium “Generator für Windrad”!). Hinweise und Ideen:Welche Vorteile hat ein Dreiflügel-Windrad gegenüber einem Ein-, Zwei- oder Vierblattflügler?Es lohnt der Hinweis, dass es auch Windräder mit vertikaler Drehachse gibt (Savonius-, Darrieus-Windrad). Wann setzt man diese Bauformen ein%


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Temperaturabhängigkeit der Dichte

Diagramm: Dichte-Temperatur-Verlauf bei Wasser im Vergleich zu Benzol; Gegenüberstellung veranschaulicht die Dichteanomalie des Wassers.Bei den meisten Stoffen gilt als kontinuierlicher Verlauf: je höher die Temperatur, desto niedriger die Dichte der Substanz. Bei Phasenübergängen (Gas -> Flüssigkeit -> Feststoff) ändert sich die Dichte um diesen Temperaturbereich drastisch. Bei Wasser tritt jedoch ein Dichtesprung um den Gefrierpunkt auf. Die Dichte nimmt nicht zu, sondern entgegen den Erwartungen ab. Im Gegensatz dazu zeigt die Grafik den Dichte-Temperatur-Verlauf bei “normalen” Stoffen (hier Benzol). Hinweise und Ideen:Woher könnte dieses Verhalten kommen?Welche praktische Bedeutung hat diese Anomalie des Wassers?


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Energiesparen als Energiequelle

Schemagrafik:Diese Übersicht zeigt anhand ausgewählter Beispiele, dass Energiesparen selbst als “Energiequelle” bezeichnet werden kann.Anhand von fünf Beispielen aus dem Alltag (Strom- und Wärmeerzeugung, Energieverteilung, Bauwesen, Beleuchtung, Verkehr) wird gezeigt, wie Energiesparen den Verbrauch einzelner Energieträger (primär oder sekundär) schont. Hinweise und Ideen:Die Schülerinnen und Schüler können nach weiteren Beispielen suchen. Welche Bedeutung kommt dem Energiesparen in Bezug auf die allgemeine Verknappung der Ressourcen zu? Kann es etwa mit der Erschließung regenerativer Energiequellen gleichgesetzt werden?


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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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Was sind regenerative Energieträger?

Grafik und Diagramm:Die Definition des Begriffs “regenerative Energieträger” wird visualisiert.Per definitionem versteht man unter einem regenerativen Energieträger entweder einen nachwachsenden Energieträger - die Biomasse - oder einen nach menschlichem Ermessen unerschöpflichen Energieträger (wie die Sonne oder die Geothermie). Da Wind- und Wasserkraft durch den Einfluss der Sonne bedingt sind, werden auch sie zu den unerschöpflichen Energieträgern gezählt. Hinweise und Ideen:Das Medium eignet sich sehr gut als Einstieg in das Thema “Regenerative Energien”.


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