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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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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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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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Tischwetterstation (digital)

Foto:Das Display der digitalen Tischwetterstation zeigt Folgendes an:• Wettervorhersage (aus Luftdruckmessung abgeleitet)• Uhrzeit• Datum• Temperatur• Luftfeuchtigkeit (in Prozent).

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Die Luft

Grafik:Landschaftsmotiv mit Objekten, die Assoziationen zum Thema Luft hervorrufen sollen.Als Impuls für die Schülerinnen und Schüler.

Bildungsbereiche

Elementarbildung

Fach- und Sachgebiete

Sachkunde

Medientypen

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Lernalter

6-10

Schlüsselwörter

Luft Wetter Wind

Sprachen

Deutsch

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Barometerdose

Foto: Druckdose mit Zeigern aus einem mechanischen Tischbarometer. Die Druckdose wird aus sehr festem, elastischem Metall hergestellt. Die Luft wird herausgepumpt, dann wird die Dose (z. B. durch Löten) dicht verschlossen. Je höher nun der äußere Luftdruck ist, desto stärker wird sich die Dose nach innen wölben. Umgekehrt: Sinkt der äußere Luftdruck, so wölbt sich die Dose wieder stärker nach außen.

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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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Tischbarometer (mechanisch)

Foto:Bei einem mechanischen Barometer wird die Verformung der Druckdose im Inneren des Barometers über ein Hebel- und Räderwerk direkt auf einen Zeiger übertragen, sodass man auf einer Skala direkt den Luftdruck ablesen kann.

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Kleinkraftwerk Mitochondrium

Grafik, beschriftet:Schematische Darstellung der Zellatmung. Die Energiezentrale in der Zelle ist das Mitochondrium.Im Körper wird die Energie, die für die Arbeit der Zellen benötigt wird, in Form des Moleküls ATP (Adenosintriphosphat) bereitgestellt. Es besitzt sehr energiereiche chemische Bindungen. ATP wird bei der sog. “Zellatmung” aus Glukose mithilfe von Sauerstoff gewonnen. Der Gesamtprozess erfolgt teils im Zellplasma und teils im Mitochondrium, einer Organelle in der Zelle. Im Zellplasma findet die Glykolyse statt. Im Mitochondrium laufen der Citratzyklus und die Atmungskette ab. In Summe werden so pro Glukosemolekül 36 - 38 ATP-Moleküle erzeugt: Glykolyse und Citratzyklus produzieren jeweils zwei ATP-Moleküle, die Atmungskette bringt es auf 32 - 34 ATP-Moleküle. Das Mitochondrium kann also zu Recht als “Kleinkraftwerk” bezeichnet werden.Hinweise und Ideen:Im Biologieunterricht der Oberstufe wäre es ein schöner Forschungsauftrag herauszufinden, wodurch das ATP bei der Muskelkontraktion verbraucht wird.

Medientypen

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Lernalter

16-18

Schlüsselwörter

Energie

Sprachen

Deutsch

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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?