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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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Energieträger Wasser

Übersichtsgrafik: Der Energieträger Wasser wird in vier unterschiedlichen Erscheinungsformen dargestellt.Wasser ist ein umweltfreundlicher, regenerativer Energieträger. Es führt Energie in Form von Lage- und Bewegungsenergie (Wellen, Fließwasser und Gezeiten) mit sich. Zudem kann die im Wasser gespeicherte thermische Energie (z. B. Thermalwasser) genutzt werden. Hinweise und Ideen:Das Schaubild lässt sich als Einstieg oder Veranschaulichung in allen Unterrichtssituationen mit Thema “Wasser als Energieträger” einsetzen. Sie stellt den regenerativen Energieträger Wasser in seinen Erscheinungsformen vor und verweist dabei auf die in der Wasserkraft vorhandenen Energiezustände.


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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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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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Geothermieanlage

Foto: Die abgebildete Geothermieanlage deckt den gesamten Heizungsbedarf des Wohn- und Gewerbegebiets im Stadtteil München Freiham ab.Aus einer Förderbohrung wird 90 °C heißes Tiefenwasser gepumpt. Die Wärme dieses aus 2.500 m Tiefe geförderten Tiefenwassers wird über einen Wärmeaustauscher ins Fernwärmenetz übertragen. Sodann wird das abgekühlte Wasser über eine Injektionsbohrung zurück in die Tiefe gepumpt. Die dadurch erreichte Einsparung fossiler Brennstoffe entspricht einer Emission von 22.500 t Kohlendioxid jährlich. Die abgebildete Anlage enthält außer den Pumpen und dem Wärmeaustauscher noch zusätzlich einen großen Gasheizkessel. Dieser dient zur Notversorgung, falls die Pumpen durch Wartung oder Reparatur einmal ausfallen.


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Wellen im Wasser

Foto: Geht es um eine erste Vorstellung, eignet sich die Ausbreitung von Wasserwellen gut, um sich dem Verständnis der Schallwellen anzunähern.Nachdem ein Stein ins Wasser geworfen wurde, breiten sich von der Einwurfstelle konzentrische Kreise aus. Ähnlich ist es mit den Schallwellen, die sich von einer Schallquelle wegbewegen.Hinweise und Ideen:Das bekannte Bild kann für die Schülerinnen und Schüler eine Hilfe sein, sich die Ausbreitung der Schallwellen modellhaft vorzustellen. (Streng genommen unterscheiden sich Wasserwelle und Schallwelle allerdings in Bezug auf die Schwingungsrichtung - transversal bzw. longitudinal!) Unterrichtsbezug:Akustische PhänomeneSchwingungen und Wellen

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Anregungsenergie eines Wassermoleküls

Diagramm:Wasser kann in Form der Schwingungen bzw. der Bewegung seiner Moleküle Wärmeenergie aufnehmen. Dieser Energieinhalt hängt vom Aggregatzustand ab: Wasserdampf enthält z. B. mehr Energie als flüssiges Wasser.Die uns umgebende Materie nimmt je nach Druck und Temperatur (in Kelvin) verschiedene Aggregatzustände an: fest, flüssig oder gasförmig. Das gilt auch für Wasser: Beim Übergang von fest nach flüssig bzw. flüssig nach gasförmig nimmt die Energie der Wassermoleküle zu, ohne dass dabei die Temperatur ansteigt. Dies entspricht den beiden Plateaus im Diagramm. Die “Breiten” der Plateaus liegen bei ca. 6 kJ/mol (Schmelzwärme) und ca. 40,7 kJ/mol (Verdampfungswärme).Hinweise und Ideen:Eignet sich gut zur Erläuterung des Themas Phasengleichgewicht.


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Stoma der Tomatenpflanze

Foto:Blatt einer Tomatenpflanze - makroskopisch und mikroskopisch.Verdunstung ist für Pflanzen lebensnotwendig.Ihre Blätter sind von einer Hülle aus Epidermiszellen umgeben, welche durch eine Wachsschicht (Cuticula) auf der Außenseite geschützt ist und für Wasserdampf (genauso wie für Sauerstoff und CO2) schlecht durchdringbar ist. Durch Spaltöffnungen (Stomata) erfolgt der Gasaustausch nach außen. Diese Spaltöffnungen bestehen aus zwei bohnenförmigen Schließzellen, durch die das Blatt den Gasaustausch regulieren und somit auch die Verdunstungsrate im Bereich von zwei Größenordnungen steuern kann.Hinweise und Ideen:Die mikroskopische Aufnahme stammt von einem Elektronenmikroskop.


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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.