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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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Erdölbohrturm

Foto:Typischer Erdölbohrturm im Deutschen Erdöl-Museum in Wietze.Übrigens, die erste Erdölbohrung der Welt fand nicht in den USA oder in Aserbaidschan statt, sondern in Deutschland zwischen Celle und Hamburg bei Wietze. Deshalb ist Celle noch heute der Firmensitz einer weltweit führenden Firma für die Herstellung von Bohrkronen.


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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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Solarstromanlage auf Freifläche (“Solarfeld”, “Solarpark”)

Foto: Photovoltaikanlage auf einer Wiese (“Freiflächenanlage”).Hinweise und Ideen:Das Foto eignet sich zur Veranschaulichung und beinhaltet thematisch viele Anknüpfungspunkte. So können davon ausgehend sowohl der Energieträger Sonne als auch die damit verbundenen technologischen Entwicklungen (z. B. Photovoltaik) behandelt werden. Zudem können wirtschaftliche und gesellschaftliche Aspekte der Energieversorgung zur Sprache kommen.


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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”.


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Energiequellen für elektrischen Strom

Schemagrafik:Übersicht über die Umwandlungspfade von verschiedenen Energiequellen hin zu elektrischem Strom.Um die in nuklearen, regenerativen und fossilen Energieträgern enthaltenen Energieformen für den Menschen nutzbar zu machen, müssen sie in eine andere Energieform umgewandelt werden, z. B. in elektrische Energie (“Strom”). Von den hier gezeigten Energieträgern ist bei Kernenergie, nachwachsenden und fossilen Brennstoffen sowie Geo- und Solarthermie eine direkte Umwandlung in elektrische Energie nicht möglich. Daher müssen mehrere Umwandlungsschritte hintereinandergeschaltet werden. Die beiden letzten Schritte sind die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie in der Turbine und die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie im Generator.Wasser- und Windkraft können direkt einen Generator antreiben und Photovoltaik erzeugt direkt elektrische Energie. Hinweise und Ideen:Sehr gut geeignet, um das Gesetz von der Erhaltung der Energie zu erläutern. Dass Energie nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden kann, ist den Schülern nicht selbstverständlich.


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Wellenkraftwerk

Grafik, beschriftet:Schnitt durch ein Wellenkraftwerk mit Wells-Turbine.In einem Wellenkraftwerk wird die kinetische Energie der Meereswellen in elektrische Energie umgewandelt. Das Wellenkraftwerk z. B. arbeitet nach dem Prinzip einer oszillierenden Wassersäule: Ein trichterförmiges Dach deckt die Wasseroberfläche ab. Darin steigen die Wellen auf und ab, wobei die eingeschlossene Luft komprimiert und dekomprimiert wird. Die in dem Druckunterschied gespeicherte Energie wird über eine sog. Wells-Turbine und einen Generator in Strom umgewandelt. Das Besondere an der Wells-Turbine ist, dass - wenn sie einmal in Bewegung ist - sie die Drehrichtung beibehält, egal aus welcher Richtung sie durchströmt wird. Ein Wellenkraftwerk in Schottland versorgt bereits 50 Haushalte mit elektrischer Energie. Experten schätzen das nutzbare Energiepotenzial der Wellenkraft auf ein Terawatt - das entspricht etwa der Leistung von rund 1.400 konventionellen Kraftwerksblöcken. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis ist allerdings relativ schlecht, es wurden daher seit 2011 weltweit kaum weitere Wellenkraftwerke dieser Art gebaut. Hinweise und Ideen:Worin unterscheidet sich ein Wellenkraftwerk von einem konventionellen Wasserkraftwerk? Wie unterscheiden sich die verwendeten Turbinen in Aufbau und Funktion? Wie kommt es physikalisch zustande, dass sich die Wells-Turbine immer in dieselbe Richtung dreht? Wo auf der Welt gibt es optimale Bedingungen für Wellenkraftwerke? Wie funktioniert der modernste Typ von Meereskraftwerken nach dem “Seaflow” Prinzip?


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Welche Energie steckt in welchem Energieträger?

Tabelle:Übersicht, woher die Energie, die in den Primärenergieträgern gespeichert ist, kommt und welcher Energieform sie entspricht.Die Energie, die in den primären Energieträgern gespeichert ist, stammt aus unterschiedlichen Energiequellen: Der Hauptanteil stammt von der Sonne und ist in fossilen und vielen regenerativen Energieträgern in unterschiedlicher Form gespeichert. Im Primärenergieträger “Geothermie” steht die Restwärme des Erdkerns zur Verfügung. Die Energie im Gezeitenhub stammt aus der Rotationsenergie der Erde und die Energie in den nuklearen Energieträgern resultiert aus Prozessen in den Atomkernen bestimmter Elemente. Hinweise und Ideen:Die Schülerinnen und Schüler können überlegen, auf welchen Prozess sich alle Energiequellen letztendlich zurückführen lassen. Welche der Energiequellen sind in Zukunft von großer Bedeutung und warum? Das Beispiel mit dem Gezeitenhub ist didaktisch besonders wertvoll für den Physikunterricht, denn es scheint auf den ersten Blick ein Perpetuum mobile zu sein. Die Frage “Woher stammt die Energie eines Gezeitenkraftwerks?” ist mit “Aus dem Höhenunterschied des Wassers (m x g x h)!” nicht wirklich beantwortet. Zwar leuchtet jedem ein, dass die Hubarbeit der Mond geleistet hat. Doch woher hat er die Energie genommen? Was auf der einen Seite an Energie “gewonnen” wird, muss ja woanders “verloren” gehen. Richtig ist: Die Gravitation des Monds verschiebt die Wassermassen der Meere, was letztlich zu einer Abbremsung der Erdrotation führt. Die im Gezeitenkraftwerk gewonnene mechanische Energie stammt also letztlich aus dem Primärenergieträger “Rotationsenergie der Erde”.


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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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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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