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Transformator im Ortsnetz

Foto:Transformator, wie er im Ortsnetz zum Heruntertransformieren aus dem Mittelspannungsnetz (z. B. von 30 kV) auf Niederspannung von 230 Volt verwendet wird. Je länger der Stromübertragungsweg bei Wechselstrom ist, desto höher muss die Spannung sein, um die Übertragungsverluste zu minimieren. Bei zentraler Stromversorgung wird deshalb der Strom bei den Kraftwerken von ca. 30 kV bis auf z. B. 380 kV zur Fernübertragung hochtransformiert. Zur regionalen Verteilung wird er dann auf beispielsweise 60 kV oder 30 kV und zur lokalen Verteilung in die Haushalte auf 230 V heruntertransformiert.


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Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

%chemagrafik:Schematische Darstellung der Stromumwandlungsstufen bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) vom Produktionsort zum Mittelspannungsnetz des lokalen Netzes.Um Strom als Hochspannungs-Gleichstrom übertragen zu können, muss er sowohl transformiert als auch gleichgerichtet werden. Nach der Übertragung wird er mit Stromrichter wieder zu Wechselstrom gewandelt. Als Gleich- und Wechselrichter verwendet man Thyristoren. Die Fotos zeigen in der Starkstromtechnik verwendete Transformatoren und Thyristoren.Mit der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) lassen sich Strecken über Land (Freileitungen) ab ca. 1.000 km Länge und unter Wasser (Seekabel) ab ca. 60 km wirtschaftlicher überbrücken als mit Wechselstrom. Gleichstrom hat gegenüber dem Wechselstrom den Vorteil, dass er keine Wirbelströme verursacht und somit den vollen Leitungsquerschnitt nutzt. Aufgrund des niedrigeren Widerstands bei gleichem Querschnitt sind die Wärmeverluste geringer.Übrigens: Leistungsverluste sind bei Wechselspannung unter Wasser deshalb höher als in der Luft oder in der Erde, weil bei Tiefseekabeln keine Ausgleichselemente (Spulen, Kondensatoren) gegen induktive und kapazitive Verluste eingesetzt werden können.Hinweise und Ideen:Was verwendete man früher als Gleichrichter?Unter Verwendung der Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Hochspannungs-Gleichstrom-%C3%9Cbertragun%

Medientypen

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Lernalter

16-18

Schlüsselwörter

Diagramm Energieversorgung Physik

Sprachen

Deutsch

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Funktionaler Aufbau eines Windrads

Grafik:Windrad in seinem gesamten Aufbau mit Sockel und Turm schematisch dargestellt.Das Fundament bildet die Verankerung der Windkraftanlage im Erdreich. Um die Standfestigkeit der Windenergie-Anlage zu gewährleisten, wird je nach Festigkeit des Untergrundes eine Pfahl- oder Flachgründung vorgenommen. Der Turm ist das größte und schwerste Teil einer Windenergieanlage. Er ist üblicherweise zwischen ein bis 1,8 Mal länger als der Rotordurchmesser und kann mehrere Hundert Tonnen schwer sein. Die Turmkonstruktion selbst trägt nicht nur die Massen der Maschinengondel und der Rotorblätter, sondern muss auch die enormen statischen Belastungen durch die wechselnden Kräfte des Windes auffangen. Man verwendet in der Regel Rohrkonstruktionen aus stapelbaren Beton- oder Stahlsegmenten. Die Turmhöhe bzw. die Nabenhöhe beträgt bei 3 MW bis ca. 6 MW Leistung und bei einem Rotordurchmesser von ca. 110 bis 130 m zwischen ca. 120 bis 130 m.Der Rotor ist diejenige Komponente, die mithilfe der Rotorblätter die im Wind enthaltene Energie in eine mechanische Drehbewegung umwandelt. Die Gondel mit Maschinenstrang (Triebstrang) enthält den gesamten Maschinensatz. (Funktionen im Detail siehe Medium “Windrad - Innenansicht”!)Hinweise und Ideen: Im Rahmen des Physikunterrichts könnte geklärt werden, warum es bei Durchströmung mit Wind zu einer Bewegung der Rotorbätter kommt (Strömungslehre von Venturi und Bernoulli).


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Turbinen und Generatoren im Walchenseekraftwerk

Foto:Turbinenhalle im Walchenseekraftwerk bei Kochel in Oberbayern, Deutschland. Links sieht man die horizontal liegenden Francisturbinen und rechts die damit verbundenen Generatoren.Das Walchensee-Kraftwerk gehört zu den größten Speicher-Kraftwerken Deutschlands. Als es 1924 in Betrieb genommen wurde, war es eines der modernsten Speicherkraftwerke weltweit. Es nutzt zwei natürliche Seen, den Walchensee als Oberbecken und den Kochelsee als Unterbecken. Über sechs 430 m lange Druckrohre mit einem nach unten leicht abnehmenden Durchmesser von rund 2 m fließt das Wasser über 200 m Fallhöhe zu den acht Turbinen im Maschinenhaus. Jährlich liefern die 8 Turbinen etwa 300 Millionen Kilowattstunden umweltfreundliche Energie. An die 100.000 Besucher besichtigen jährlich das Informationszentrum am Walchenseekraftwerk.


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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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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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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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Windrad - Innenansicht

%rafik, beschriftet:Rotor und Gondel (“Maschinenhaus”) eines Dreiflügel-Windrads mit horizontaler Drehachse. Die Innenansicht der Gondel wird gezeigt, die einzelnen Komponenten sind beschriftet.Das hier gezeigte Dreiflügel-Windrad mit horizontaler Rotationsachse ist bei großen Windkraftanlagen die häufigste Konstruktion. Das Windrad besteht aus einem Rotor und einer Gondel (“Maschinenhaus”), die auf einem hohen Turm angebracht sind.Das Funktionsprinzip: Das Anemometer misst die Windgeschwindigkeit. Die Daten werden an den Überwachungscomputer gesendet. Dieser steuert das Windrad und bedient den Nachführmotor, der das Windrad ausrichtet. Steht das Windrad optimal zum Wind, so übt dieser ein Drehmoment auf die Rotorblätter aus: Das Windrad dreht sich (ca. 20 Umdrehungen/min) und mit ihm die Antriebswelle. Das Getriebe wandelt die Drehzahl des Rotors in die für den Generator nötige Drehzahl (in Europa 1.500 U/min oder 3.000 U/min, in den USA 1.800 U/min oder 3.600 U/min) um. Der Generator erzeugt den Strom. Dieser wird über Kabel zum Fuß des Windrads hinuntergeleitet. Dort erfolgt die Einspeisung ins Netz. Der Wirkungsgrad eines Windrads liegt bei optimalen Windverhältnissen bei 40 - 51 %. (Der theoretisch maximale Wert liegt bei 59,3 %, ist aber praktisch nicht erreichbar.)Übrigens: Die Bremse sorgt dafür, dass das Windrad sich nicht drehen kann, z. B. bei extremem Sturm oder wenn es gewartet werden muss. (Es gibt auch Windräder ohne Getriebe, siehe dazu die Beschreibung beim Medium “Generator für Windrad”!). Hinweise und Ideen:Welche Vorteile hat ein Dreiflügel-Windrad gegenüber einem Ein-, Zwei- oder Vierblattflügler?Es lohnt der Hinweis, dass es auch Windräder mit vertikaler Drehachse gibt (Savonius-, Darrieus-Windrad). Wann setzt man diese Bauformen ein%


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