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Alkali-Batterie

Foto:Im Alltag ist die Alkali-Batterie einer der wichtigsten elektrochemischen Energiespeicher. Sie ist eine galvanische Zelle, bestehend aus einer Zink-Anode, einer Mangandioxid-Kathode und Kalilauge als Elektrolyt.Hinweise und Ideen:Als Beispiel für die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie.


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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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Die Sonne - unsere Hauptenergiequelle

Grafik, beschriftet:Ein Querschnitt durch die Sonne zeigt die Temperatur- und Dichteprofile in den einzelnen “Sphären”. Die Energie entsteht durch Kernfusion im Sonneninneren.Die Strahlungsenergie der Sonne ist der Motor für die lebenswichtigen Prozesse auf der Erdoberfläche. Die Energie entsteht durch Kernfusion im Sonneninneren und diffundiert nach etwa 10 Mio. Jahren an die Sonnenoberfläche (Photosphäre), die sie als Strahlung an die Erde abgibt. Die Strahlungsenergie, die letztlich auf der Erde ankommt, ist daher uralt. Das Temperaturprofil durch den Sonnenquerschnitt zeigt Temperaturabnahme vom Kern bis zur Photosphäre und Temperaturzunahme von der Photosphäre zur Korona.Hinweis: Die “Schlangenlinien” im Bild symbolisieren die auftretende Strahlung und deren Wellenlänge.Die Strahlung, die auf die Erde trifft, geht von der Photosphäre aus.Hinweise und Ideen:Unter welchen Gesichtspunkten ist die Sonne eine unerschöpfliche Energiequelle? Welche Erklärung gibt es dafür, dass die Temperatur von der Photosphäre zur Korona hin wieder ansteigt? Übrigens: Der Mechanismus der Aufheizung in der Chromosphäre ist weitgehend ungeklärt!


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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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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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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.