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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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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).


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Anteil der Energieträger am weltweiten Strommix von 2005 bis 2040

%iagramm:Das Diagramm zeigt, dass die regenerativen Energien ab ca. 2040 auch weltweit den größten Anteil an der Stromerzeugung haben werden. Es wird deutlich, dass auch in Zukunft die fossilen Energieträger, insbesondere die Kohle, und die dafür entwickelten Kraftwerkstechnologien eine zentrale Rolle bei der Energieversorgung spielen werden. Diese Rolle wird aber zunehmend kleiner.Hinweise und Ideen:In Deutschland sowie in einigen anderen Ländern soll laut Prognosen der Anteil der regenerativen Energien an der Stromerzeugung wesentlich schneller steigen als am gesamten Primärenergieverbrauch. In Deutschland z. B. soll der Anteil in 2040 bei Strom bereits über 65 % liegen. Weltweit liegen die Prognosen sowohl bei Strom als auch beim Gesamtprimärenergieverbrauch (also Strom + Verkehr + Wärmeerzeugung) allerdings gleichauf bei gut 30 %. Wie kann man diesen Unterschied erklären?Unter Verwendung der Quelle: “World Energy Outlook 2012”, International Energy Agency IEA (2012%


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Abfälle und Emissionen beim Betrieb von Kraftwerken

Tabelle:Abfälle und Emissionen beim Betrieb von Kraftwerken nach Energieträgern aufgeschlüsselt.Die Tabelle gilt nur für die Kraftwerksanlagen selbst. Davorliegende Prozesse müssen extra betrachtet werden. Aufgeführt werden die prinzipiell möglichen Belastungen, unabhängig davon, wie weit sie durch technische Gegenmaßnahmen kompensiert werden. Die Punkte kennzeichnen die Belastung. Die Anzahl der Punkte bringt den Grad der Belastung im Vergleich der Energieträger untereinander zum Ausdruck, so dass sich innerhalb einer Zeile die Priorisierung der Energieträger nach Belastung ablesen lässt. Punkte in Klammern deuten auf Unterschiede für stark unterschiedliche Anlagen hin. Nicht alle Emissionen sind gleich Abfall. Bei der Entschwefelung entsteht Gips als Handelsware. Auch Asche und Schlacke können weitergenutzt werden.Hinweise und Ideen:Detailinformationen zum Thema findet man in der Sachinformation “Abfälle und Emissionen”, die u. a. technische Gegenmaßnahmen zur Kompensation von möglichen Belastungen aufzeigt.


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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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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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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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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.