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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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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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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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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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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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Fakten zur Sonnenenergie

%?bersichtsgrafik:Schematische Darstellung des Energieflusses von der Sonne zur Erde: Wie viel Energie produziert die Sonne und wie viel davon kommt auf der Erdoberfläche an?Die Sonne ist der Hauptenergielieferant der Erde, sie liefert etwa 99,98 % des gesamten Energiebeitrags zum Erdklima. Welch großes Potenzial in der technischen Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle steckt, wird dadurch deutlich, dass der derzeitige Weltenergieverbrauch nur 0,006 % der eingestrahlten Sonnenenergie beträgt. Die Grafik gibt einen Überblick über die von der Sonne abgestrahlten und auf der Erde ankommenden Energiemengen. Zu beachten ist, dass die von der Sonne eingestrahlte Energie letztlich zu 100 % wieder von der Erde zurück in den Weltraum abgestrahlt wird. Die Energiebilanz der Erde ist in allen Ebenen von der Erdoberfläche bis zum Weltraum ausgeglichen. Doch Achtung: Ein minimaler Bruchteil der eingestrahlten Energie wird durch die Photosynthese (ca. 0,1 %) oder durch menschliche Aktivitäten (ca. 0,005 %) gespeichert und verbleibt längerfristig auf der Erde.Hinweise und Ideen:Um die Anschaulichkeit zu erhöhen, sind hier die Größenverhältnisse von Sonne und Erde nicht maßstabsgetreu umgesetzt. Es ist berücksichtigt, dass letztlich 100 % der eingestrahlten Energie wieder ins Weltall zurückgestrahlt werden%


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Strahlungsenergie

Diagramm:Formeln für die Strahlungsenergie elektromagnetischer Wellen und das Planck'sche Strahlungsgesetz.Strahlungsenergie ist die Energie elektromagnetischer Wellen. Sie ist proportional zum Quadrat der Amplitude der elektrischen bzw. der magnetischen Feldstärke. Elektromagnetische Wellen hoher Frequenz und damit Energie haben Teilchencharakter. Die Energie dieser Teilchen ist proportional zur Frequenz bzw. umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge. Der Proportionalitätsfaktor ist das Planck’sche Wirkungsquantum h. Dass Strahlungsenergie quantisiert sein muss, fand Max Planck bei der Untersuchung der Strahlung schwarzer Körper. Er formulierte ein Strahlungsgesetz, das aber erst durch Einsteins Postulat von den Lichtquanten erklärt werden konnte. Zahlenbeispiel für die Planck’sche Strahlungsformel:Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von 5.800 K, die damit verbundene Strahlungsleistung ist nach der Planck’schen Strahlungsformel 3,85 x 1023 kW. Davon trifft nur ein sehr kleiner Anteil auf die Erde (bei senkrechtem Strahlungseinfall 1,37 kW/m²).Hinweise und Ideen:Strahlungsenergie kann vielfach in andere Energieformen umgewandelt werden: Beim Röntgen wird die Strahlungsenergie in chemische Energie verwandelt (Schwärzung des Fotofilms), Licht wird in der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt, ebenso Funkwellen in einer Antenne. Die Energie von Mikrowellen kann man zur Erwärmung von Speisen verwenden.