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Schuumllerlabor
Energieversorgung Energienutzung
Energieproblematik
schriftliche Hausarbeit
zur ersten Staatspruumlfung fuumlr das Lehramt an Realschulen
ausgearbeitet von Pregler Monika im Juni 2011
betreut und gepruumlft von Prof Dr Thomas Trefzger
Inhaltsverzeichnis
Die Verschwendung von Energie ist
nichts anderes als Wegwerfen von
knappen Rohstoffen
Klaus Toumlpfer
185
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitunghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5
11 Vorworthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5
12 Inhalte der Arbeithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5
2 Einordnung in den bayerischen Lehrplanhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
21 Bezug zu den allgemeinen Zielen des Lehrplanshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
22 Einordnung des Schuumllerlabors in den Lehrplan der Realschule (R6)helliphellip 9
23 Einordnung des Schuumllerlabors in den Lehrplan des Gymnasiumshelliphelliphelliphellip 11
3 Das Schuumllerlaborhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
4 Physikalische Grundlagen helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
41 Energiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
411 Energie in den Naturwissenschaften und im Unterrichthelliphelliphelliphellip 17
412 Energieformen und deren Einheitenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
413 Einteilung in Primaumlr- Sekundaumlr- End- und Nutzenergiehelliphelliphelliphellip 33
414 Die Entwicklung der Weltbevoumllkerung und der Energieverbrauch 35
415 Die Reichweiten der Erdoumllressourcen ndash Der Peak Oilhelliphelliphelliphellip 37
416 Der Treibhauseffekthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
417 Moumlglichkeiten der Energiegewinnunghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
42 Die Induktionhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62
43 Der Drehstromgeneratorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 64
44 Transformatoren und die Verteilung der elektrischen Energiehelliphelliphelliphelliphellip 67
45 Heizwaumlrmebedarf Waumlrmetransport und Waumlrmeleitfaumlhigkeit von
Baustoffenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
69
46 Energiesparen im Haushalthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76
47 Die Waumlrmepumpehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78
5 Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlaborshelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
51 Die Organisation des Schuumllerlaborshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 80
52 Der Vortraghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88
53 Schuumllerversuchehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 90
531 Experimentierstation bdquoEnergieversorgungldquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91
532 Experimentierstation bdquoWaumlrmedaumlmmungldquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 105
533 Experimentierstation bdquoEnergie im Haushaltldquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 117
534 Experimentierstation bdquoWaumlrmepumpeldquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 126
535 Station Energieproblematik und die Diskussionsphasehelliphelliphelliphelliphellip 145
54 Energiesparhaus und Ergometerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 153
6 Evaluation des Schuumllerlaborshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
61 Ergebnisse der Schuumllerevaluationhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 155
62 Ergebnisse der Betreuerevaluationhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 177
63 Folgerungen aus der Evaluationhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 182
7 Zusammenfassung und Ausblickhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 183
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8 Anhanghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 185
81 Checkliste zur Organisation des Schuumllerlaborshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 185
82 Werbeflyerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 187
83 Folien des einfuumlhrenden Power-Point-Vortrageshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 189
84 Schuumllerhandout helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 197
85 Hilfekartenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 250
86 Informationen zur beigefuumlgten CDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 259
9 Referenzenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 260
91 Buumlcher Zeitschriften und Studienhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 260
92 Internetquellenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 263
93 Abbildungsverzeichnishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 268
94 Tabellenverzeichnishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 272
10 Danksagunghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 273
11 Selbstaumlndigkeitserklaumlrunghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 274
Einleitung
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1 Einleitung
11 Vorwort
Energie ist der Motor der Weltwirtschaft Rund um die Uhr bestimmt die Verfuumlgbarkeit
von unterschiedlichen Energiequellen den Alltag einer jeden Person So selbstverstaumlndlich
wie jeder einzelne Buumlrger Tag fuumlr Tag beim Einschalten des Lichtes der Heizung des
Laptops oder der Mikrowelle auf Ressourcen und Energiequellen zugreift ebenso
bedeutend ist fuumlr die Menschheit die Aufgabe nach der bestmoumlglichen Gewinnung von
Energie Die Frage nach sicherer Energie ist eine der Schluumlsselfragen im 21 Jahrhundert
Sie entscheidet uumlber Wachstum und Erfolg der Industriestaaten und Schwellenlaumlnder
Dabei stehen Energiewirtschaft und Politik vor groszligen Herausforderungen [PET081-5]
Die Oumll- und Gasvorraumlte schwinden und ihre Foumlrderung wird immer teurer Die Kohle
muss wenn die hochgesteckten Klimaschutzziele die im Kyoto-Vertrag Ende des Jahres
2010 von 194 Teilnehmern des UN-Klimagipfels in Mexiko verabschiedet worden sind
erreicht werden sollen aufwendig vom CO2-Ausstoszlig befreit werden [INTQ01] Die
Kernenergie ist nach wie vor umstritten ihr Nachbau wenig wirtschaftlich und diese Art
der Energiegewinnung birgt groszlige Gefahren wie uns die neuerliche Atomkatastrophe in
Japan - Fukushima gelehrt hat Es steht die Frage im Raum ob die erneuerbaren Energien
allein bei aller staatlichen Foumlrderung die Luumlcken rechtzeitig schlieszligen koumlnnen
Im kuumlrzlich veroumlffentlichten Energiekonzept legte die deutsche Bundesregierung ihre
energiepolitischen Ziele fest Derzeit macht der Anteil der erneuerbaren Energien am
Stromverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland 16 Prozent aus und soll bis zum Jahr
2050 auf 80 Prozent steigen Der Anteil der erneuerbaren Energien am Energieverbrauch
in Deutschland soll bis zum Jahr 2050 auf 60 Prozent steigen [INTQ02]
Aufgrund dieser Situation muumlssen Politik und Energiewirtschaft weitreichende
Entscheidungen treffen Um Beschluumlsse zu fassen die von den Parteien ebenso wie von
den Buumlrgern getragen werden und die der Energiewirtschaft verlaumlssliche Planungsdaten
liefern bedarf es einer breiten Diskussion Die vorliegende Arbeit sucht diese Debatte bei
Heranwachsenden zu befoumlrdern [PET08]
12 Inhalte der Arbeit
In nahezu allen naturwissenschaftlichen Faumlchern so auch im Physikunterricht werden
traditionellerweise viele Themengebiete haumlufig einfuumlhrend aus fachlicher Sicht behandelt
waumlhrend der Realitaumltsbezug und die technische Bedeutung erst kurz am Schluss
vorgestellt werden Den Schuumllern wird oftmals nicht klar wie das behandelte Thema in
Einleitung
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ihrem Leben einzuordnen ist da der Schwerpunkt nicht selten auf der wissenschaftlichen
Behandlung der Thematik liegt Dies mag ein Grund sein warum viele Schuumller Physik
langweilig und wenig ansprechend finden Ein Ergebnis der PISA-Studie 2006 lautet dass
es eine groszlige Herausforderung bleibt im naturwissenschaftlichen Unterricht nicht nur das
fachliche Wissen aufzubauen sondern zugleich das Interesse an den Inhalten zu foumlrdern
wobei experimenteller und faumlcheruumlbergreifender Unterricht aumluszligerst hilfreich sein kann
aber groumlszligtenteils zu kurz kommt [INTQ03]
Die Energiefrage betrifft jedoch alle und ist von houmlchster Wichtigkeit Auch den
Schuumllerinnen und Schuumllern muss die Dringlichkeit dieses Themas bewusst werden In
dieser Hinsicht bedarf es viel Aufklaumlrungsarbeit in der Bevoumllkerung und bei den
Heranwachsenden schlieszliglich betrifft es gerade ihre Zukunft Die Energieproblematik
wird zwar auch in der Schule angesprochen aber dort koumlnnen nur Ausschnitte der
Thematik behandelt werden
Aus diesen genannten Gruumlnden war es Ziel der vorliegenden Arbeit ein eintaumlgiges
Schuumllerlabor zur Energiefrage zu entwickeln um den Schuumllerinnen und Schuumllern die
Moumlglichkeit zu bieten sich intensiv und faumlcheruumlbergreifend mit der Materie auseinander
zu setzen Demzufolge soll diese Arbeit einen Uumlberblick uumlber das Themengebiet Energie
liefern Hierfuumlr werden die Schuumller zuerst mit Problemen der Energiefrage konfrontiert
wie etwa dem Klimawandel den Folgen der Umweltverschmutzung und der
Rohstoffverknappung welche den Jugendlichen zum Beispiel in den Medien oder in
oumlffentlichen Diskussionen bereits begegnet sind Die Thematik soll den Schuumllern anders
als in der Schule vermittelt werden Deshalb unterscheidet sich der Tag im Schuumllerlabor
von dem gewohnten Physikunterricht ebenso soll die Theorie mit der Praxis verbunden
werden Auf das Schuumllerlabor als auszligerschulische Bildungseinrichtung wird in Kapitel 3
naumlher eingegangen
Im Kapitel 2 wird das Themengebiet Energie in den Lehrplan der Realschule und des
Gymnasiums eingeordnet Dieser Punkt ist von besonderer Wichtigkeit denn das Niveau
des Schuumllerlabors soll fuumlr die Versuchsteilnehmer ansprechend sein und darf die
Jugendlichen nicht unter- bzw uumlberfordern Um die Experimente schluumlssig verstehen zu
koumlnnen ist es unverzichtbar ein besonderes Augenmerk auf die benoumltigten
Grundkenntnisse im Bereich der Energie zu legen Das Kapitel 4 beschaumlftigt sich daher
mit den benoumltigten physikalischen Grundlagen des Schuumllerlabors
Im Anschluss wird in vier verschiedenen Experimentierstationen gezeigt dass mit Hilfe
der Physik Probleme der Energiefrage geloumlst werden koumlnnen Die verwendeten
Versuchsaufbauten sowie die Durchfuumlhrung dieser experimentellen Phase sind in Kapitel
5 beschrieben Dabei werden verschiedene Moumlglichkeiten aufgezeigt Energie zu sparen
denn nicht nur die Politik die Regierungen und die Industriekonzerne sind fuumlr die Loumlsung
der Probleme der Energiefrage verantwortlich sondern bereits der einzelne Buumlrger kann
in seinem persoumlnlichen Umfeld dazu beitragen Bei jedem Versuch wird auf die Lernziele
auf die einzelnen Arbeitsschritte und schlieszliglich auf die Details eingegangen die die
Betreuer bei der Durchfuumlhrung beachten sollten
Einleitung
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In einer weiteren Station bekommen die Schuumller die in sechs Gruppen eingeteilt werden
Arbeitsmaterialien zu unterschiedlichen Hauptkraftwerkstypen (Kernreaktor
Solaranlagen Windkraftanlagen Wasserkraftanlagen Geothermie Biomasse) ausgeteilt
Nach einer Einarbeitungsphase praumlsentieren die Expertengruppen ihre Ergebnisse mit
Hilfe einer Matrix und in Form eines Vortrags den restlichen Mitschuumllern Die auf der
Matrix aufbauende Diskussionsrunde wird ebenfalls in Kapitel 5 erlaumlutert
Das hier vorgestellte Schuumllerlabor wurde mit drei unterschiedlichen Klassen an
verschiedenen Versuchstagen durchgefuumlhrt Es fanden sich am 12102010 die 9d des
Riemenschneider-Gymnasiums Wuumlrzburg am 13102010 die 9a des Roumlntgen-
Gymnasiums Wuumlrzburg und am 14102010 die 10a der Realschule Gemuumlnden am
Lehrstuhl fuumlr Physik und ihre Didaktik der Universitaumlt Wuumlrzburg ein um das hier
vorgestellte Schuumllerlabor zu besuchen Im Anschluss an die Versuchstage wurde eine
Schuumller- und Betreuerevaluation durchgefuumlhrt deren wichtigste Ergebnisse in Kapitel 6
dargelegt und graphisch ausgewertet sind
Zum Abschluss erfolgt in Kapitel 7 eine Zusammenfassung dieser Arbeit Kapitel 9
beinhaltet die Angaben der verwendeten Referenzen Kapitel 10 eine Danksagung und
Kapitel 11 die Selbstaumlndigkeitserklaumlrung
Im Anhang (Kapitel 8) befinden sich die Folien des Power-Point-Vortrages der an jedem
Versuchstag gehalten wurde das Einladungsschreiben eine Checkliste fuumlr die Erstellung
des Labors Hilfekarten sowie die Schuumllerversionen der Versuchsanleitungen Auf der
beigefuumlgten CD finden sich Uumlbersichtsplaumlne uumlber die Versuchstage saumlmtliche verwendete
Arbeitsmaterialien Aufgabenblaumltter und Vortraumlge computerunterstuumltzte Auswertungen
Auszuumlge aus den Ergebnissen der Diskussions- und Praumlsentationsrunde die Frageboumlgen
der Evaluation inklusive deren Auswertung und Bilder von den Schuumllerlaboren
Die Einordnung des Themas Energie in den bayerischen Lehrplan
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2 Die Einordnung des Themas Energie in den
bayerischen Lehrplan
21 Bezug zu den allgemeinen Zielen des Lehrplans
Eines der obersten Bildungs- und Erziehungsziele welches in der bayerischen
Verfassung verankert ist stellt das Verantwortungsbewusstsein fuumlr Natur und Umwelt
dar Im Unterricht soll dabei groszliger Wert auf eine nachhaltige Umwelterziehung gelegt
werden die den Schuumllern die Chancen und Risiken gesellschaftlicher und technischer
Entwicklung offenbart und ihnen die Bedeutung der Natur fuumlr die Existenz des Menschen
illustriert [INTQ04]
Speziell durch den Physikunterricht sollen die Maumldchen und Jungen geschult werden
sich kundig zu aktuellen Themen zu aumluszligeren verantwortungsbewusst zu handeln und
sowohl die Zweckmaumlszligigkeit als auch die Gefahren der technischen Neuerungen zu
erkennen [INTQ05] Mittels dieser Arbeit in welcher Moumlglichkeiten der
Energieeinsparung und die Frage nach der sicheren Energie behandelt werden kann die
in der Schule vermittelte Wissensbasis erweitert werden das Verantwortungsbewusstsein
in Bezug zur Thematik Energie geschult werden und so die Jugendlichen zu einer
gesicherten Urteilsbildung befaumlhigen
Das Schuumllerlabor gibt die Gelegenheit in Kleingruppen zu arbeiten selbstaumlndig Wissen
anzueignen oder bereits bestehende Kenntnisse durch Uumlbung zu vernetzen
Kommunikationsfaumlhigkeit und Selbstaumlndigkeit zu trainieren sowie die Vorteile von
Teamarbeit und Diskussionsrunden kennenzulernen Zudem soll der Unterricht von den
Schuumllern als sinnvolles in sich zusammenhaumlngendes Ganzes wahrgenommen werden
koumlnnen Zur Verstaumlrkung des faumlcherverbindenden Lernens kann aus diesem Grund ein
Besuch eines solchen Schuumllerlabors ebenfalls gewinnbringend sein [INTQ04]
Wie der Titel des Schuumllerlabors bereits erkennen laumlsst wird hier ein breites Spektrum an
theoretischem Wissen benoumltigt da der Begriff der Energie in allen Teilgebieten der
Physik der Technik der Chemie der Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle
spielt Daher setzt sich der Gegenstand dieser Arbeit aus verschiedenen Themengebieten
unterschiedlicher Jahrgangsstufen zusammen
Das Schuumllerlabor bdquoEnergieversorgung Energienutzung Energieproblematikldquo wurde fuumlr
die 10 Jahrgangsstufe der Realschule und fuumlr die 9 und 10 Jahrgangsstufe des
Gymnasiums konzipiert Dennoch koumlnnen Teile dieses Labors auch mit Schuumllern der 8
Jahrgangsstufe beider Schularten durchgefuumlhrt werden Dazu muumlsste das Schuumllerlabor
etwas umstrukturiert werden was im Rahmen dieser Ausarbeitung nicht moumlglich war
aber fuumlr folgende Unterrichtssequenzen dennoch uumlberlegenswert waumlre Aus diesem Grund
wird zunaumlchst explizit auf die einzelnen Inhalte in Bezug auf den bayerischen Lehrplan
Die Einordnung des Themas Energie in den bayerischen Lehrplan
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der Realschule R6 eingegangen und anschlieszligend wird die Einordnung des Schuumllerlabors
in den bayerischen Lehrplan des Gymnasiums vorgenommen
22 Einordnung des Schuumllerlabors in den Lehrplan der
Realschule (R6)
In der Realschule koumlnnen die Schuumller zwischen der Wahlpflichtfaumlchergruppe (WPFF) I
dem mathematisch-naturwissenschaftlichen Zweig der WPFF II dem
wirtschaftswissenschaftlichen Zweig und der WPFF III dem sprachlich-musischen
Zweig waumlhlen Hinsichtlich des Physikunterrichtes muss zwischen der WPFF I und der
WPFF IIIII unterschieden werden da die Faumlchergruppe I erstmals in der Jahrgangsstufe
7 mit Physik in Beruumlhrung kommt waumlhrend die anderen beiden Gruppen erst in der 8
Klasse Physik als Unterrichtsfach haben und daher die Stoffgebiete in gekuumlrzter Form
behandelt werden
Der Begriff der Energie zieht sich als roter Faden durch den Lehrplan der drei bzw vier
Jahrgangsstufen In der 8 Jahrgangsstufe wird sowohl in WPFF I als auch in WPFF IIIII
die Energie in der klassischen Mechanik thematisiert Dabei werden ausgehend von den
Kennzeichen und Arten von Kraftwandlern die Definition von Arbeit als abgeleitete
Groumlszlige die Arten von Arbeit Hubarbeit Beschleunigungsarbeit Verformungsarbeit
Reibungsarbeit sowie die Leistung (Energiestrom) als abgeleitete Groumlszlige eroumlrtert WPFF
I bespricht zusaumltzlich die Arbeit als Uumlbertragungsgroumlszlige die Energie als Speichergroumlszlige
potenzielle kinetische und innerer Energie die Energieumwandlung und die
Energieerhaltung den Wirkungsgrad als Guumltekriterium bei Energieumwandlungen den
Energieerhaltungssatz und Hinweise auf die mit Energieumwandlungen verbundenen
Energieentwertungen [INTQ06]
Der Lehrplan der 9 Jahrgangsstufe ist in die zwei groszligen Gebiete Waumlrmelehre und
Elektrizitaumltslehre in allen drei Wahlpflichtfaumlchergruppen unterteilt Nach dem
bayerischen Lehrplan sind fuumlr diese Schulklasse an der Realschule folgende Themen
(kursiv gedruckt) fuumlr den Besuch des Schuumllerlabors wesentlich
Waumlrmelehre [INTQ07]
Arbeit und Waumlrme stellen die beiden Moumlglichkeiten dar Energie auf einen Koumlrper zu uumlbertragen was eine
Aumlnderung der kinetischen und potenziellen Energien der Teilchen bzw eine Aumlnderung der inneren Energie
des Koumlrpers bedeutet
o Innere Energie Waumlrme Temperatur (ca 6 Std)
Innere Energie (Ei) als Speichergroumlszlige Aumlnderung der inneren Energie eines Koumlrpers
durch Verrichten von mechanischer Arbeit oder durch Zufuhr bzw Abgabe von Waumlrme
Temperaturaumlnderung Volumenaumlnderung Druckaumlnderung Aumlnderung des
Aggregatszustandes als Folge der Aumlnderung der inneren Energie Waumlrme (Wth) als
Uumlbertragungsgroumlszlige
Die Einordnung des Themas Energie in den bayerischen Lehrplan
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Temperatur als Maszlig fuumlr die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Koumlrpers (aus
der Geschichte Lord Kelvin) Temperaturaumlnderung (Aumlnderung der mittleren kinetischen
Energie der Teilchen)
Volumenaumlnderung von Koumlrpern bei Erwaumlrmung und Abkuumlhlung (Aumlnderung der mittleren
potenziellen und kinetischen Energie der Teilchen)
Festlegung der Grundgroumlszlige Temperatur durch ein Messverfahren Temperaturskalen
Temperaturdifferenz Temperaturmessgeraumlte (aus der Geschichte A Celsius)
o Waumlrmeuumlbertragung (ca 4 Std)
Waumlrmeleitung (Waumlrmeleitung in festen Koumlrpern Fluumlssigkeiten und Gasen)
Waumlrmestrahlung (Emission Absorption)
o Konvektion (ca 2 Std)
o Verhalten der Koumlrper bei Temperaturaumlnderung (ca 6 Std)
Volumenaumlnderung von Fluumlssigkeiten bei Temperaturaumlnderung
o Erwaumlrmungsgesetz spezifische Waumlrmekapazitaumlt (ca 7 Std)
Leistung einer Waumlrmequelle
Energieaustausch bei Koumlrpern unterschiedlicher Temperatur (Wthab + Wthauf = 0)
o Verdampfen (ca 4 Std)
Siedetemperatur von Fluumlssigkeiten (Τ-Wth-Diagramm spezifische Verdampfungswaumlrme)
Erklaumlrung fuumlr den Siedevorgang
Abhaumlngigkeit der Siedetemperatur vom Druck [GE VSE]
Verdunsten
Das Verhalten der Koumlrper bei Temperaturaumlnderung und das Verdampfen werden in den
WPFF IIIII nicht unterrichtet In den Experimentierstationen bdquoEnergie im Haushaltldquo
bdquoWaumlrmepumpeldquo und bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo beschaumlftigt man sich vorwiegend mit der
Energie in der Thermodynamik Diese Stationen sind daher gut fuumlr eine Wiederholung
der Inhalte der Waumlrmelehre geeignet
Die Elektrizitaumltslehre der 9 Klasse umfasst das Basiswissen welches fuumlr die
Elektrizitaumltslehre in der 10 Klasse unverzichtbar ist Die Experimentierstation
bdquoEnergieversorgungldquo beruht vorwiegend auf den folgenden Gegenstaumlnden
Elektrizitaumltslehre [INTQ07]
Aufbauend auf dem Wissen uumlber den Magnetismus und uumlber die elektrische Ladung als Grundgroumlszlige lernen
die Schuumller den elektrischen Stromkreis als Energieuumlbertragungssystem kennen Sie erarbeiten die
Wirkungen des elektrischen Stroms und vertiefen ihre Kenntnisse anhand verschiedener Anwendungen Mit
den abgeleiteten Groumlszligen elektrische Stromstaumlrke und elektrische Spannung verstehen die Schuumller die
Grundlagen der Elektrizitaumltslehre
o Ruhende elektrische Ladung elektrische Ladung als Grundgroumlszlige (ca 6 Std)
Elementarladung Einheit als ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung
o Bewegte elektrische Ladung elektrischer Strom (ca 8 Std)
Stromkreis (Schaltsymbole Schaltskizze Leiter und Nichtleiter)
Stromstaumlrke als abgeleitete Groumlszlige I = Qt
Gefahren des elektrischen Stromes
o Elektrische Arbeit ndash elektrische Energie ndash elektrische Spannung ndash elektrische Leistung (ca 8 Std)
Elektrische Arbeit
Zu- oder Abnahme der elektrischen Energie beim Verrichten elektrischer Arbeit
Elektrische Spannung als abgeleitete Groumlszlige
Umwandlung elektrischer Energie in andere Energieformen
Elektrische Leistung als abgeleitete Groumlszlige
Die Einordnung des Themas Energie in den bayerischen Lehrplan
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Fuumlr die Anwendung physikalischer Erkenntnisse in Technik und Alltag bietet das
Curriculum der 10 Jahrgangsstufe der Realschule viele Anknuumlpfungspunkte Die Schuumller
aller Wahlpflichtfaumlchergruppen sollen hier feststellen dass Neuerungen physikalischer
Gesetzmaumlszligigkeiten essentiell fuumlr den Fortbestand der Menschheit geworden sind Speziell
beim Themenbereich Energieversorgung sollen die Jugendlichen die Gefahren des
technischen Fortschritts erkennen und sich bewusst werden dass technische
Weiterentwicklungen nur dann Fortschritt bedeuten wenn sie den Menschen dienen und
die natuumlrliche Umwelt moumlglichst wenig belasten In diesem Zusammenhang werden die
Grundlagen der Energieversorgung die mit einer ca 11-stuumlndigen Unterrichtssequenz
vom Kultusministerium vorgeschlagen sind behandelt Diese Sequenz beinhaltet in etwa
die Thematisierung von primaumlren und sekundaumlren Energietraumlgern die thermischen
Kraftwerke und Kraftwerke auf der Basis regenerativer Energietraumlger Fotothermie
Fotovoltaik Solarwasserstofftechnik Energietraumlger und die Auswirkungen ihrer
Verwendung auf die Umwelt (Art und Ausmaszlig von Umweltbelastungen Entwicklung
des Energiebedarfs weltweite Energievorraumlte) [INTQ08] Da all diese genannten
Themengebiete im Schuumllerlabor bdquoEnergieversorgung Energienutzung
Energieproblematikldquo diskutiert werden bietet es sich an das eintaumlgige
Experimentierlabor zu besuchen und entweder als Einfuumlhrung oder als Wiederholung und
Abschluss des Themengebietes Grundlagen der Energieversorgung zu nutzen
Unverzweigter und verzweigter Stromkreis (ca 10 Std Reihen- und Parallelschaltung)
elektromagnetische Induktion (ca 8Std Umwandlung von mechanischer Energie in
elektrische Energie Selbstinduktion) und Energieumwandlung in elektrische Energie (ca
11 Std Wechselstromgeneratoren Transformator ndash Aufbau und Funktionsweise -
Niederspannungstransformator Hochspannungstransformator Hochstromtransformator
Transformatoren in Energieuumlbertragungssystemen fuumlr elektrische Energie) werden erst im
Laufe des Schuljahres der 10 Klasse unterrichtet [INTQ08] Deshalb sollte da dies
aumluszligerst komplexe Sachgebiete fuumlr die Schuumller darstellen das Labor eventuell erst zum
Ende dieser Jahrgangsstufe besucht werden oder es besteht die Moumlglichkeit die
Experimentierstation bdquoEnergieversorgungldquo welche obige Themen behandelt
wegzulassen oder zu ersetzen
23 Einordnung des Schuumllerlabors in den Lehrplan des
Gymnasiums
Auch in den bayerischen Lehrplaumlnen des Gymnasiums (G8) wird die Energie in allen
Jahrgangsstufen in unterschiedlichster Form behandelt Primaumlr ist das Labor
bdquoEnergieversorgung Energienutzung Energieproblematikldquo fuumlr den Profilbereich im
naturwissenschaftlichen Gymnasium gedacht da sich die Jugendlichen vertieft mit der
Frage nach der sicheren Energie auseinandersetzen
In der 8 Klasse [INTQ09] lernen die Jugendlichen den Energieerhaltungssatz eines der
wichtigsten physikalischen Grundprinzipien kennen das sich auf saumlmtliche Teilbereiche
Die Einordnung des Themas Energie in den bayerischen Lehrplan
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der Physik erstreckt und alle Naturwissenschaften miteinander verbindet Durch die
Thematisierung des Teilchenmodels der Materie koumlnnen viele Phaumlnomene aus der
Waumlrmelehre erklaumlrt werden Im Folgenden werden die Aspekte die den Inhalt des
Schuumllerlabors bilden kurz veranschaulicht
Die Energie als Erhaltungsgroumlszlige
o Uumlberblick uumlber verschiedene Energiearten - Prinzip der Energieerhaltung Energieformen in der
Mechanik
qualitative Beispiele fuumlr Energieumwandlungen in der Mechanik
mathematische Beschreibung der Houmlhenenergie und der kinetischen Energie qualitative
Beschreibung der Spannenergie
Anwendung des Erhaltungsprinzips bei der quantitativen Beschreibung von
Energieumwandlungen
Arbeit als Maszlig fuumlr die einem System zugefuumlhrte oder entzogene mechanische Energie
Leistung und Wirkungsgrad Perpetuum mobile
Aufbau der Materie und Waumlrmelehre
o Aufbau der Materie
Beschreiben der Aggregatzustaumlnde im Teilchenmodell
Temperatur als Maszlig fuumlr die mittlere kinetische Energie der Teilchen Definition des
absoluten Temperaturnullpunkts
Beschreibung von Schmelzen Sieden und Verdunsten im Teilchenmodell
innere Energie
innere Energie als Summe von potentieller und kinetischer Energie der Teilchen
Aumlnderung der inneren Energie durch Arbeit oder Waumlrme
Zusammenhang zwischen Temperaturaumlnderung bzw Aumlnderung des Aggregatzustands und
Aumlnderung der inneren Energie nur anhand einfacher Beispiele
o Volumenaumlnderung
qualitative Betrachtungen zum Verhalten von Gasen Fluumlssigkeiten und festen Koumlrpern
bei Temperaturaumlnderung
Elektrische Energie
o Widerstaumlnde in einfachen Stromkreisen
Serien- und Parallelschaltung
o Elektrische Energie und Leistung
Zusammenhang zwischen Stromstaumlrke und Ladung Elementarladung
Umwandlung von elektrischer Energie in andere Energiearten
Zusammenhang zwischen elektrischer Leistung Spannung und Stromstaumlrke
o Einblick in die Energieversorgung
Ressourcen und verantwortungsbewusster Umgang mit Energie
Umweltfragen und Zukunftsperspektiven
Im Profilbereich der 8 Jahrgangsstufe des Gymnasiums haben die Schuumller die
Moumlglichkeit aus einer bestimmten Vorschlagsliste unterschiedlicher Sachgebiete das
Themenbereich Energietechnik zu waumlhlen Hier wird speziell auf die Solartechnik
Kraftmaschinen Kraftwerke und Energiespeicher eingegangen
Gerade fuumlr die neunten Klassen koumlnnen die Experimentierstationen bdquoEnergie im
Haushaltldquo bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo und bdquoWaumlrmepumpeldquo als auch die Station
Die Einordnung des Themas Energie in den bayerischen Lehrplan
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bdquoEnergieproblematikldquo hervorragend an den Unterricht angeschlossen werden da gerade
diese Stationen eine gute Moumlglichkeit bieten das Physikthema der neunten Klasse
naumlmlich bdquoPhysik als Grundlage moderner Technikldquo zu vertiefen So werden dort zum
Beispiel im Lehrplan als Anregung fuumlr den Profilbereich im naturwissenschaftlichen
Gymnasium die Themen regenerative Energiequellen regionale und globale
Energieversorgungssysteme Hochspannungstechnik zur Energieuumlbertragung Kraft-
Waumlrme-Kopplung Auswirkungen auf die Umwelt und Haushaltstechnik (elektrischer
Herd Mikrowellenherd Wirkungsgrad) vorgeschlagen [INTQ10]
In der 11 Jahrgangsstufe wird schlieszliglich die elektromagnetische Induktion unterrichtet
Relevant fuumlr das Schuumllerlabor sind hier vorrangig die Induktion im bewegten und im
ruhenden Leiter die Erzeugung sinusfoumlrmiger Wechselspannung die Energieerhaltung
und die Selbstinduktion [INTQ11]
Gerade um den Forderungen des Kultusministeriums Rechnung zu tragen ist das hier
konzipierte Schuumllerlabor hervorragend geeignet dennoch ist aus den obigen detaillierten
Auszuumlgen aus den Lehrplaumlnen zu erkennen dass die Schuumller der Realschule und des
Gymnasiums bereits uumlber Wissen im Bereich der elektromagnetischen Induktion
verfuumlgen sollten bevor das Schuumllerlabor bdquoEnergieversorgung Energienutzung
Energieproblematikldquo aufgesucht wird um z B die Station Energieversorgung effektiv
durchfuumlhren zu koumlnnen Die weiteren Stationen sind jedoch in ihrem Gesamtaufbau so
gehalten dass die Schuumller auch ohne tiefere Vorkenntnisse die Experimente problemlos
meistern koumlnnen
Das Schuumllerlabor
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3 Das Schuumllerlabor
Wie allgemein bekannt ist sind die Taumltigkeiten in naturwissenschaftlichen
Forschungsgebieten in einem hohen Maszlig von Kreativitaumlt und Neugier gepraumlgt Die
entsprechenden Unterrichtsfaumlcher vermitteln jedoch ein gegenteiliges Bild Die
Bereitschaft sich mit naturwissenschaftlichen Inhalten auseinanderzusetzen einen mit
Technik oder Naturwissenschaften zusammenhaumlngenden Beruf zu studieren oder zu
ergreifen ist besorgniserregend gering Beispielsweise das Schulfach Physik gilt haumlufig
als wenig attraktiv und langweilig Um diesem Umstand entgegen zu wirken sind
verschiedene Programme und Konzepte entworfen worden um die Entwicklung der
Schuumller insbesondere im Bereich der Naturwissenschaften positiv zu beeinflussen
Angetrieben das Interesse von Jugendlichen in speziellen Faumlchern zu foumlrdern haben in
den letzten Jahren zahlreiche Einrichtungen die den Schuumllern die Moumlglichkeit bieten
auszligerhalb der Schule zu lernen ihre Pforten geoumlffnet [ENG04] Seit Ende der 1990er
Jahre sind in Deutschland uumlber 270 (Stand April 2010) solcher auszligerschulischen
Bildungseinrichtungen an Universitaumlten Forschungseinrichtungen Science Centern usw
entstanden [INTQ12]
Auszligerschulische Lernorte wie in etwa Schuumllerlabore sind informelle Lernumgebungen
und bieten verschiedene Besonderheiten und Vorzuumlge gegenuumlber dem traditionellen
Unterricht [INTQ13] Sie sind heute ein wichtiger Bestandteil der auszligerschulischen
Bildungsmoumlglichkeit da Schuumller sich in dieser Lernumgebung vor allem ohne
Leistungsdruck den physikalischen Inhalten widmen koumlnnen Die Schuumllerlabore sind so
konzipiert dass die Klassen das in der Schule gelernte Wissen vertiefen und erweitern
koumlnnen oder es werden voumlllig unbekannte Aspekte der Physik praumlsentiert wobei die
Aufgaben fuumlr die Lernenden eine Herausforderung darstellen aber dennoch mit den
bereits bekannten Fachwissen bzw mit Hilfestellungen von betreuenden Personen zu
meistern sind
Neben dem Ziel der Foumlrderung von Interesse und Aufgeschlossenheit der Jugendlichen fuumlr
Naturwissenschaften und Technik soll in Schuumllerlaboren ein zeitgemaumlszliges Bild dieses
Forschungsgebietes und ihre Bedeutung fuumlr die Gesellschaft vermittelt werden [ENG04]
Da der heutige Arbeitsmarkt eine hohe Konkurrenzfaumlhigkeit abverlangt und in nahezu
allen Arbeitsbereichen technisches Wissen benoumltigt wird nimmt die Technik in unserer
Gesellschaft einen hohen Stellenwert ein Besonders technische Neuheiten wie zum
Beispiel iPod Notebook usw werden von den Jugendlichen im Alltag oft benutzt Aus
diesem Grund ist eine Beschaumlftigung mit technischen aktuellen Geraumlten in Schuumllerlaboren
aumluszligerst passend um die Motivation und das Interesse der Besucher an der Physik zu
steigern Im schulischen Unterricht haben Jungen und Maumldchen weniger direkten Kontakt
zu Experimenten da Demonstrationsversuche durch die Lehrkraft zumeist nur in fragend-
entwickelnde Gespraumlche eingebunden sind und Schuumllerexperimente bei manchen Lehrern
uumlberhaupt nicht vorkommen Zu wenig wird zum eigenstaumlndigen bdquoAusprobieren und
Tuumlftelnldquo angeregt Aus diesem Grund beschraumlnkt sich die Funktion der Experimente
Das Schuumllerlabor
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vielfach auf das Veranschaulichen und Vorstellen [ENG04] Zudem wird das
Wirkungsprinzip der jeweiligen Experimente und verwendeten Geraumlte oftmals nicht
einsichtig erklaumlrt was daran liegt dass in der Schule auf die Funktionsweise solcher
Geraumlte selten eingegangen wird und die Schuumller nur in Eigenverantwortung technisches
Wissen auf diesem Gebiet erlangen In Verbund zu den Versuchen wird ein
entsprechender aktueller Alltagsbezug dargeboten Dadurch erlangen die Jugendlichen
Informationen uumlber die Verwendung und die Bedeutung der Naturwissenschaften und der
Technik fuumlr die Gesellschaft
Das Schuumllerlabor bietet den Jugendlichen die Moumlglichkeit in Kleingruppen durch das
bdquoTry-and-Error-Verfahrenldquo sich selbstaumlndig mit naturwissenschaftlichen
Zusammenhaumlngen zu beschaumlftigen Das Arbeiten in Gruppen und Sammeln von
praktischen Erfahrungen soll nachhaltige Eindruumlcke von der Arbeit in Laboren und von
der Faszination der Forschung vermitteln Die Schuumller lernen sich eigenstaumlndig mit
Problemstellungen auseinanderzusetzen und ihr eigenes Vorgehen zu uumlberdenken falls
ein Versuch nicht die gewuumlnschten Ergebnisse liefert Laut Pisa ist in Deutschland die
Zeit die Schuumller zum Experimentieren in der Schule aufwenden im Gegensatz zu anderen
europaumlischen Laumlndern eher unterdurchschnittlich [INTQ03] Deshalb stellt der
Ansatzpunkt mehr Experimentiermoumlglichkeiten anzubieten eine guumlnstige Gelegenheit
dar das Interessendefizit zu minimieren
Neben den obigen angestrebten Zielen die gleichzeitig als Vorteile anzusehen sind bieten
speziell die Schuumllerlabore an Universitaumlten auch Vorteile fuumlr die Lehramtsanwaumlrter die
an der Erstellung und Durchfuumlhrung von auszligerschulischen Lernorten beteiligt sind So
sammeln diejenigen die das Labor entwerfen Erfahrungen im Erstellen und Formulieren
von Arbeitsauftraumlgen und bekommen einen Uumlberblick uumlber das Zeitmanagement Auch
betreuende Studenten erhalten waumlhrend einer Durchfuumlhrung in die praktische Arbeit mit
Kindern und deren Denkweise einen Einblick
Auch fuumlr Lehrkraumlfte sind Besuche in Schuumllerlaboren nuumltzlich anzusehen da die Schulen
haumlufig nicht genuumlgend adaumlquate Geraumlte zur Verfuumlgung gestellt bekommen und in
Schuumllerlaboren Ideen und Moumlglichkeiten entdeckt werden koumlnnen die in der Schulpraxis
umgesetzt werden koumlnnen Auch manche Neuheiten der Technik koumlnnen fuumlr einige
Lehrkraumlfte sehr informativ sein da Schuumllerlabore an Universitaumlten vielmalig auf einen
neueren Stand sind als Schulen
Bildungseinrichtungen wie Schuumllerlabore haben auch Nachteile wie zum Beispiel den
organisatorischen materiellen und raumlumlichen Aufwand Bei jeder Durchfuumlhrung bedarf
es einer bestimmten Anzahl von Hilfskraumlften die die Schuumller begleiten und bei Fragen
und Problemen zur Seite stehen Je nach Groumlszlige eines Schuumllerlabors muumlssen Raumlume
reserviert und belegt werden Bei einer Versuchsdurchfuumlhrung muumlssen saumlmtliche Geraumlte
zur Verfuumlgung stehen was bedeutet dass die benoumltigten Geraumlte und Materialien entweder
aus einer bestehenden Sammlung entliehen oder extra fuumlr ein Schuumllerlabor angeschafft
werden muumlssen
Durch den Besuch des Labors faumlllt der regulaumlre Unterricht aus bzw bedarf der Besuch des
Schuumllerlabors eine Vor- und Nachbereitung denn durch eine gute Einbettung in den
Unterricht kann der Lernerfolg zusaumltzlich gesteigert werden [ENG04] Dies bedeutet
Das Schuumllerlabor
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dass die Lehrkraumlfte diese benoumltigten Zeitraumlume von ihrer Unterrichtszeit abziehen muumlssen
Zudem kommt hinzu dass die Organisation eines Besuches einer auszligerschulischen
Bildungseinrichtung zusaumltzliche Zeit in Anspruch nimmt
Mit der Frage inwieweit Schuumllerlabore das Potenzial haben Interesse fuumlr
Naturwissenschaften und Technik bei Schuumllern zu foumlrdern beschaumlftigt sich die Studie von
Katrin Engeln und Manfred Euler [ENG04] Demnach foumlrdert das Schuumllerlabor bereits bei
einem einmaligen Besuch das Fachinteresse an Naturwissenschaften und Technik
Follow-Up-Untersuchungen die mehrere Monate nach dem Besuch des Labors
stattgefunden haben belegen dass die vielfaumlltigen Aktivitaumlten der Jugendlichen im Labor
laumlngerfristige Prozesse in Gang setzen welche die Sichtweisen und Einstellungen der
Jugendlichen veraumlndern Es gelingt Maumldchen und Jungen gleichermaszligen zu motivieren
der bdquoGender Gapldquo tritt nicht auf Die Studie hat weiter zum Ergebnis dass Schuumller die
nur wenig Interesse an den Naturwissenschaften zeigen die Bedeutung des Laborbesuchs
davon abhaumlngig machen dass keine Uumlberforderung eintritt Aus diesem Grund muss bei
Schuumllerlaboren Fordern und Foumlrdern in Balance stehen [INTQ13]
Zur Interessenssteigerung bei Schuumllerinnen und Schuumllern in den naturwissenschaftlichen
Faumlchern haben sich Schuumllerlabore als wirksame Instrumente erwiesen Dort haben die
Jugendlichen die Chance anders als im herkoumlmmlichen Schulunterricht in offenen und
informellen Lernumgebungen Wissen zu wiederholen zu vertiefen und voumlllig neue
Aspekte aus der Physik kennen zu lernen Demzufolge stellen diese auszligerschulischen
Bildungseinrichtungen eine hervorragende Ergaumlnzung zum schulischen Unterricht dar
was eine Zusammenarbeit von Schule und Schuumllerlabor erforderlich macht Die Autoren
Engeln und Euler sehen die Moumlglichkeit dass sich solche Einrichtungen zu einer
verlaumlsslichen Saumlule in unserm Bildungssystem avancieren koumlnnen unter der
Voraussetzung dass fuumlr alle Schularten und Jahrgangsstufen untereinander vernetzte
Schuumllerlabore erstellt werden die mit Lehrerausbildungen und Fortbildungen verknuumlpft
werden [ENG04]
Physikalische Grundlagen
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4 Physikalische Grundlagen
41 Energie
411 Der Energiebegriff in den Naturwissenschaften und im Unterricht
Das Wort bdquoEnergieldquo hat den griechischen Ursprung bdquoEneacutergeialdquo bdquoEneacutergeialdquo war bereits
fuumlr Aristoteles die Wirkenergie durch die Moumlgliches in Seiendes uumlbergeht Jedoch erst
im 19 Jahrhundert wurde bdquoEnergieldquo als die fuumlr alle Bereiche der Physik guumlltige
Verallgemeinerung des bis dahin verwendeten Begriffs bdquolebendige Kraftldquo eingefuumlhrt und
erhielt damit seine heutige Bedeutung [INTQ14] Heute ist der Energiebegriff ohne Frage
ein fundamentaler Begriff der Physik Das Fachwort bdquoEnergieldquo erlaubt es speziell in
dieser Wissenschaft zahlreiche Theoriegebaumlude der Physik unter einem einheitlichen
Gesichtspunkt zu betrachten und auch faumlcheruumlbergreifend koumlnnen vielfaumlltige
Verbindungen zwischen den verschiedenartigen Naturwissenschaften herausgearbeitet
werden da der Begriff bdquoEnergieldquo in saumlmtlichen Fachrichtungen wie etwa in der Chemie
oder in der Biologie Verwendung findet Energie spielt auch in einer Reihe anderer
Wissenschaften eine gewisse Rolle Zu beachten ist hierbei dass zwar der Terminus
Energie benutzt wird nicht unbedingt aber der physikalische Energiebegriff gemeint sein
muss Als Beispiel dient der Begriff bdquoEnergieldquo aus der Physiologie Hier bedeutet Energie
Leistungs- und Wirkfaumlhigkeit Arbeitsfaumlhigkeit oder Arbeitsvorrat [DUI86]
Unterrichtskonzepte den Energiebegriff einzufuumlhren
Reinders Duit schreibt in dem Essay bdquoEnergieldquo bdquoIn den Bildungsstandards Physik fuumlr
den mittleren Schulabschluss spielt der Energiebegriff die Rolle eines Basiskonzepts fuumlr
den Kompetenzbereich Fachwissenldquo [DUI07] Darunter ist zu verstehen dass der
Energiebegriff im Laufe der Schuljahre schrittweise instruiert und vervollkommnet
werden soll
Diese Arbeit wurde auf der Grundlage unterschiedlicher Herangehensweisen an den
Energiebegriff konzipiert und soll verschiedene Aspekte des Terminus Energie
wiederspiegeln Hier muss angefuumlhrt werden dass beim Besuch des Schuumllerlabors die
Theorie bereits im Wissen der Schuumller verankert sein sollte Das Schuumllerlabor dient
vorwiegend der Wiederholung und soll einen Uumlberblick uumlber die Thematik bdquoEnergieldquo im
Physikunterricht geben
Im Unterricht stellt bereits die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoEnergieldquo eine gewisse Huumlrde
dar da eine exakte Definition des Energiebegriffs relativ schwer zu finden ist Die
Lehrplaumlne und Unterrichtskonzepte bieten mehrere Moumlglichkeiten wie den Schuumllern
noch unbekannte naturwissenschaftliche Begriffe oder Groumlszligen im Unterricht naumlher
Physikalische Grundlagen
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gebracht werden koumlnnen Haumlufig wird hier der Weg gewaumlhlt bei welchem zunaumlchst eine
physikalische Groumlszlige der Kraftbegriff eingefuumlhrt wird und anschlieszligend uumlber den
Arbeitsbegriff eine neue physikalische Groumlszlige der Energiebegriff abgeleitet wird
Wenn auf einen Koumlrper mit Masse m eine aumluszligere Kraft ausgeuumlbt wird so wird er in
Richtung der resultierenden Kraft F in Bewegung gesetzt und beschleunigt
Fges= m middot a
Die Beschleunigung a ist die Geschwindigkeitszunahme pro Zeiteinheit Nach dem
zweiten Newton-Gesetz (Aktionsprinzip) sind Kraft und Beschleunigung einander
proportional Die Beschleunigung wird in
gemessen Die SI-Einheit der Kraft ist das
Newton (N) 1 Newton ist dabei die Kraft mit der die Masse m = 1 kg mit a = 1
beschleunigt wird
Beim Beschleunigen des Koumlrpers wird Arbeit W geleistet Die Arbeit W ist definiert als
das Produkt der wirkenden Kraft mal der Laumlnge des Weges s die vom Koumlrper aufgrund
der Krafteinwirkung zuruumlckgelegt wird Wirkt eine konstante Kraft nicht in Richtung des
Weges sondern unter einem beliebigen Winkel α dann spielt fuumlr die Arbeit nur die
Komponente der Kraft in Richtung des Weges eine Rolle
W = F middot s middot cosα
Im internationalen Einheitensystem ist die Einheit fuumlr die Arbeit das Joule (J) 1 Joule ist
die Arbeit die bei der Ausuumlbung einer Kraft F = 1 N uumlber eine Wegstrecke von s = 1 m
geleistet wird
Ausgehend von dem Kraftbegriff wird anschlieszligend der Energiebegriff erschlossen
Energie ist die Faumlhigkeit eines Systems mechanische Arbeit zu verrichten Waumlrme
abzugeben oder Strahlung auszusenden Der einleitende Vortrag und die fuumlnf Stationen
des Schuumllerlabors (vgl Kapitel 5) geben einen Uumlberblick uumlber unterschiedliche
Energieformen und deren Einheiten in diversen Anwendungsgebieten Im spaumlteren
Verlauf dieses Abschnitts werden die Definition der Energie ihre unterschiedlichen
Erscheinungsformen und deren Einheit diskutiert
Damit der Schuumller brisante Themen wie zum Beispiel die Frage nach sauberer Energie
richtig verstehen kann ist es laut Duit Ziel mit Hilfe des Energiebegriffes Vernetzungen
sowohl zwischen den naturwissenschaftlichen Faumlchern als auch zwischen den
unterschiedlichen Teilgebieten der Physik aufzubauen Wie oben zu erkennen ist muss
zuerst die Thematik bdquoKraftldquo verinnerlicht werden bevor der Energiebegriff eingefuumlhrt
werden kann Leider treten bereits beim Erlernen des Fachausdrucks bdquoKraftldquo groszlige
Schwierigkeiten auf Ein noch schwerwiegenderer Sachverhalt ist die Tatsache dass der
Kraftbegriff keinen anschaulichen Zugang dem Energiebegriff bietet und dieses Fachwort
zu sehr auf die Mechanik beschraumlnkt ist Folgernd koumlnnen nur schwer voumlllig
verschiedenartige Vorgaumlnge aus der Physik unter einem einheitlichen Gesichtspunkt
Physikalische Grundlagen
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betrachtet werden Deshalb sollte man sich um faumlcheruumlbergreifende Aspekte bemuumlhen
damit die Schuumller einen Bezug zum Alltag herstellen und die Zusammenhaumlnge erkennen
koumlnnen
Die Bezeichnung bdquoEnergieldquo im Alltag bietet ebenso wie die Ableitung des Terminus
bdquoEnergieldquo aus dem Kraftbegriff Anknuumlpfungspunkte fuumlr den physikalischen
Energiebegriff Besonders in den letzten Jahrzehnten ist der Fachausdruck Energie in das
Vokabular der Jungen und Maumldchen eingegangen was wohl daran liegen mag dass kaum
ein Tag vergeht an dem die turbulente Oumllpreisentwicklung nicht im Mittelpunkt der
Medien steht Jeder der mobil ist wird taumlglich mit den Kraftstoffpreisen an den
Tankstellen konfrontiert Fragt man die Schuumller nach der Bedeutung des Wortes
bdquoEnergieldquo im Alltagsgebrauch so scheint auch bei den Schuumllern eine Art
bdquoTreibstoffvorstellungldquo zu dominieren Aber Energie ist natuumlrlich mehr als nur eine
Treibstoffvorstellung Den Schuumllern ist oft nicht klar um welche Art von Energie
(potentielle kinetische mechanische) es sich handelt Auch Strom Waumlrme und Licht
werden zu den Treibstoffen gezaumlhlt Nicht selten kommt hinzu dass die Schuumller noch
nicht verstanden haben dass auch Energie in der Nahrung steckt die wir taumlglich zu uns
nehmen muumlssen ohne die ein Leben gar nicht moumlglich waumlre [DUI07] Um an die
Erfahrungswelt der Jungen und Maumldchen anknuumlpfen zu koumlnnen wird der Vortrag des
Schuumllerlabors mit einer Frage bdquoWo nutzen wir Energie im Alltagldquo eroumlffnet
Anschlieszligend werden den Jugendlichen einige Bilder aus dem Alltag gezeigt
Beispielsweise ein Motorrad Nahrung oder ein Heizkoumlrper in einem Haus (vgl Kapitel
83)
Energie und Leistung
Da fuumlr zahlreiche Schuumller die Unterscheidung der Begriffe bdquoEnergieldquo und bdquoLeistungldquo ein
Hindernis darstellt folgt im Anschluss die Frage bdquoWas ist eigentlich Energie und was ist
Leistungldquo Anhand der Definition Formeln und Einheiten werden beide Fachwoumlrter
verglichen und somit wiederholt Die Leitung P die eine Kraft liefert ist ein Maszlig fuumlr die
Rate mit der diese Kraft Arbeit verrichtet Sie ist eine physikalische Groumlszlige und ist
definiert als der Quotient aus verrichteter Arbeit ΔW oder dafuumlr aufgewendeter
Energie ΔE und der dazu benoumltigten Zeit Δt
P =
=
Die SI-Einheit der Leistung das Watt (W) ist ein Joule pro Sekunde 1 W = 1
[TIP04153] Energieunternehmen stellen Energie nicht Leistung in Rechnung wobei
die Energie meist in Kilowattstunden (kWh) abgerechnet wird Eine Kilowattstunde
Energie ist
1 kWh = (103 W) middot (3600 s) = 36 middot 10
6 W middot s = 36 MJ
Physikalische Grundlagen
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Der Terminus Energie als Mengenbegriff und Energieflussdiagramme
Nach Duit kann der Energiebegriff durch einen abstrakten mathematischen
Mengenbegriff veranschaulicht werden Das Denken im Rahmen eines solchen abstrakten
Energiebegriffs faumlllt vielen Schuumllern und Schuumllerinnen aumluszligerst schwer Deshalb wurde im
Rahmen dieser Arbeit auf diese Herangehensweise an den Energiebegriff verzichtet Im
Schuumllerlabor werden uumlberwiegend Energieflussdiagramme in der Station
bdquoEnergieproblematikldquo eingesetzt um Energieumwandlungsketten zu verdeutlichen
Unter den Energieflussdiagrammen stellen sich die Schuumller Energie als Stoff vor der von
einem System zum anderen flieszligt
Abb 41 Energieflussbild zur Energieumwandlungskette von Sonnenenergie beim Parabolrinnenkraftwerk
Duit fasst die substantiellen Inhalte des Energiebegriffs in vier Grundideen
(Energietransport Energieumwandlung Energieerhaltung und Energieentwertung)
zusammen und nennt diese bdquoEnergiequadrigaldquo Haben die Schuumller den Gehalt der vier
Grundideen verinnerlicht bdquoso haben die Schuumllerinnen und Schuumller einen adaumlquaten
Einblick in einen zentralen Begriff der Physik und die mit ihm verbundenen
physikalischen Denk- und Arbeitsweisen (Erkenntnismethoden) gewonnenldquo [DUI07]
Der Energietransport
Unter Energietransport wird die Tatsache verstanden dass Energie von einem System
auf ein anderes uumlbergehen kann Energiequellen finden sich selten dort wo Energie auch
benoumltigt wird Mit unterschiedlichsten Transportmitteln wie beispielsweise Schiff Bahn
oder Pipeline wird die Energie dorthin transportiert wo sie fuumlr die Umwandlung in eine
Dienstleistung benoumltigt wird Bei den Pflanzen ist es das Sonnenlicht also Energiezufuhr
durch elektromagnetische Strahlung von der Sonne zur Erde Bei der Heizung unserer
Wohnungen werden Oumll Gas Kohle Strom oder Fernwaumlrme als Energietraumlger eingesetzt
Die Schuumller lernen im Vortrag dass man Energie zum Heizen Fahren Radio houmlren
Beleuchten benoumltigt Hier wird klar dass Energie in verschiedenen Gestalten mal als
Treibstoff Elektrizitaumlt oder Waumlrme auftreten kann Energie sucht sich demnach immer
einen Traumlger kommt in unterschiedlicher Form vor und bdquostroumlmtldquo so von einem Medium
Kinetische
Energie
Thermische
Energie Thermische
Energie
Physikalische Grundlagen
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in ein anderes Medium In diesem Zusammenhang wird das Gesetz von der Erhaltung
der Energie thematisiert
Der Energieerhaltungssatz
Das Gesetz von der Erhaltung der Energie sagt aus dass in einem abgeschlossenen
System die Summe aller Energie stets konstant ist die Gesamtenergie bleibt demnach
erhalten Zwar kann Energie zwischen verschiedenen Energieformen umgewandelt
werden es ist jedoch nicht moumlglich innerhalb eines abgeschlossenen Systems Energie zu
erzeugen oder zu vernichten Die Energie ist eine Erhaltungsgroumlszlige
Betrachtet man zum Beispiel die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie
wie sie oben im Energieflussdiagramm dargestellt ist so stellt man fest dass hier die
Strahlungsenergie der Sonne in thermische anschlieszligend in kinetische und letztendlich in
elektrische Energie umgewandelt wird Die Summe aus thermischer und elektrischer
Energie sowie der Strahlungsenergie bleibt erhalten In dieser Summation der Energien
muss auch diejenige Energie Beachtung finden die in Form von Waumlrme (∆E) bei den
Umwandlungsprozessen als bdquoNebenproduktldquo entsteht Die Zu- oder Abnahme der
Gesamtenergie eines Systems kann immer dadurch erklaumlrt werden dass dieser
Energiebetrag an anderer Stelle entzogen oder hinzugefuumlgt wird Diese experimentelle
Beobachtung ist der Energieerhaltungssatz Der Energieerhaltungssatz lautet
Eein ndash Eaus = ∆E
E ist dabei die Gesamtenergie eines gegebenen Systems Eein ist die Energie die dem
System zugefuumlhrt und Eaus die Energie die vom System abgegeben wird [TIP04172-
183]
Entropie und Energieentwertung
Mit Hilfe der Grundideen koumlnnen Probleme der Energieversorgung deutlich
herausgearbeitet werden Zum Verstaumlndnis dieser Probleme gehoumlrt z B die Erkenntnis
dass Energie nicht einfach erzeugt werden kann sondern nur aus in bestimmten Formen
gespeicherte Energie bdquogewonnenldquo werden kann die ihrerseits wieder aus bestimmten
Prozessen stammt Zudem ist bekannt dass Energie nach Gebrauch nicht einfach
verschwunden ist also vernichtet worden ist sondern nur an andere Orte transportiert
wurde Dies bedeutet jedoch nicht dass Umwandlungsprozesse verlustfrei ablaufen In
diesem Zusammenhang spielt die Energieentwertung eine wichtige Rolle Hier muss der
erste Hauptsatz der Waumlrmelehre beachtet werden
∆U =∆Q + ∆E
Physikalische Grundlagen
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Er besagt dass die Aumlnderung der inneren Energie U eines abgeschlossenen
thermodynamischen Systems gleich der Summe der ausgetauschten Waumlrmeenergie Q
und der ausgetauschten mechanischen Energie E ist Bei allen Prozessen bleibt die
Gesamtenergiesumme also konstant [GER05217-254]
Bei allen mechanischen Vorgaumlngen kann man beobachten dass mit zunehmender Zeit ein
immer groumlszligerer Teil der mechanischen Energie die als kinetische oder potentielle
Energie vorliegt verloren geht Ursache dafuumlr ist die Umwandlung mechanischer Energie
in thermische Energie beispielsweise durch Reibungsvorgaumlnge Faumlllt in etwa ein Ball aus
einer bestimmten Houmlhe auf eine feste ebene Unterlage so springt er wieder nach oben
Jedoch wird die Anfangshoumlhe nicht wieder erreicht Als weiteres Beispiel dient das
Abkuumlhlen eines Koumlrpers (vgl Kapitel 534) Hier geht Waumlrmeenergie vom Koumlrper
houmlherer Temperatur zu einem Koumlrper tieferer Temperatur uumlber Der umgekehrte Fall dass
sich ein Koumlrper niedrigerer Temperatur abkuumlhlt und dadurch ein Koumlrper houmlherer
Temperatur seine Temperatur entsprechend erhoumlht wurde noch niemals beobachtet
Diese Umwandlungen sind irreversibel und verlaufen grundsaumltzlich nur in eine
Richtung Prozesse bei denen mechanische Energie teilweise oder ganz in thermische
Energie umgewandelt wird sind irreversibel d h nicht umkehrbar Diese Tatsache ist
im zweiten Hauptsatz der Waumlrmelehre inbegriffen
Er gibt die Erfahrung wieder dass die Richtungen der Umwandlung von thermischer
Energie in mechanische Energie und umgekehrt nicht gleichwertig sind Bei der
Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie muss stets ein Teil der
Waumlrmeenergie ungenutzt abgegeben werden waumlhrend die Umwandlung in
entgegengesetzter Richtung vollstaumlndig moumlglich ist [GER05217-254]
Entropie ist eine Zustandsgroumlszlige ebenso wie der Druck P das Volumen V die
Temperatur T und die innere Energie U Sie beschreibt die bdquoUnordnungldquo in einem
System Der Grad der Unordnung eines Systems wird durch eine Zahl k der moumlglichen
Zustaumlnde die das System einnehmen kann charakterisiert Ist k = 1 liegt eine maximale
Ordnung vor Die Entropie haumlngt nur vom Zustand des Systems ab nicht aber vom Weg
auf dem dieser erreicht wurde Wie bei der potenziellen Energie ist bei der Entropie vor
allem ihre Aumlnderung interessant Die Entropieaumlnderung dS eines Systems das von einem
Zustand in einen anderen uumlbergeht ist
dS =
Darin ist dQrev die Energie die dem System in einem reversiblen Prozess als Waumlrme
zugefuumlhrt wird wenn es vom Anfangszustand in den Endzustand uumlbergeht [TIP04601-
611]
Es gibt keine natuumlrlichen Prozesse in denen die Gesamtentropie abnimmt Alle
irreversiblen Prozesse in einem abgeschlossenen System sind mit einer
Entropievergroumlszligerung verbunden Nach der Zustandsaumlnderung muss das System wieder
ins Gleichgewicht laufen wobei die Entropie ansteigt
Physikalische Grundlagen
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dS ge 0
In Teilsystemen kann dS lt 0 gelten was aber nur durch Aufwendung von Arbeit moumlglich
ist Die Entropie eines Systems wird vergroumlszligert wenn Arbeit hineingesteckt wird Bei
reversiblen Prozessen ist die Summe der Entropieaumlnderung null d h die Gesamtentropie
bleibt konstant (dS = 0) Alle natuumlrlichen und technischen Vorgaumlnge insbesondere alle
Prozesse in der Waumlrmelehre verlaufen von selbst nur irreversibel Das bedeutet dass bei
all diesen Vorgaumlngen Entropie erzeugt wird und somit die Gesamtentropie des Systems
das alle diese Vorgaumlnge einschlieszligt nimmt zu (dS gt 0) Kuumlhlt sich ein Koumlrper der
Temperatur T1 ab verliert der Koumlrper mit der Entropie dS1 die Waumlrmeenergie Ein
anderer Koumlrper der tieferen Temperatur T2 nimmt dieselbe Energie auf wozu wegen der
niedrigeren Temperatur die groumlszligere Entropie dS2 noumltig ist Es wird also Entropie erzeugt
Mit dem Begriff bdquoEntropieldquo kann der 2 Hauptsatz der Waumlrmelehre neu definiert
werden
Es gibt keinen Prozess der Anergie in Exergie verwandelt [STOuml98587-643]
Als Exergie wird in der Literatur der Teil der Gesamtenergie eines Systems bezeichnet
der Arbeit verrichten kann dies ist demnach bdquonutzbareldquo oder bdquoordentlicheldquo Energie
[INTQ15] Anergie ist hingegen arbeitsunfaumlhige Energie also bdquonichtnutzbareldquo oder
bdquounordentlicheldquo Energie [INTQ16] Eine weitere Formulierung des 2 Hauptsatzes der
Waumlrmelehre waumlre
In einem abgeschlossenen System laufen so lange Vorgaumlnge ab bis die Entropie ihren
Houmlchstwert erreicht hat
Sie strebt also immer ein Maximum an [STOuml98587-643] Werden Koumlrper zum Beispiel
durch Heizen mit elektrischer Energie auf eine hohe Temperatur gebracht gibt der
Koumlrper die vorhandene thermische Energie die er gespeichert hat als Waumlrmeenergie an
die Umgebung ab Es wird Entropie erzeugt Diese abgegebene Energie die nach wie vor
vorhanden ist ist aber nicht weiter verwertbar Sie ist also entwertet Entropieerzeugung
ist stets mit einem Verlust des Wertes der Energie verbunden Da alle technischen und
natuumlrlichen Vorgaumlnge von selbst so ablaufen dass die Entropie des Gesamtsystems
erhoumlht wird bedeutet dies fuumlr das Gesamtsystem eine fortschreitende
Energieentwertung
Die Grundidee bdquoEnergieumwandlungldquo wird im naumlchsten Kapitel 412 ausfuumlhrlich
beschrieben
Das Schuumllerlabor bdquoEnergieversorgung Energienutzung Energieproblematikldquo beachtet
alle vier Grundideen von Duit und versucht darauf aufbauend den Energiebegriff bei den
Schuumllern nachhaltig zu verankern Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird auf die Theorie
naumlher eingegangen die zur Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors benoumltigt wird
Physikalische Grundlagen
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Wirkungsgrad
Je nach Art Wirkungsweise und Zustand des Umwandlungssystems von Roh- in End-
und weiter in Nutzenergie treten unterschiedliche bdquoEnergieverlusteldquo auf die je nach der
Umwandlungsstufe (z B Elektroenergieerzeugung Brikettierung) in weiten Bereichen
schwanken Zur Einschaumltzung der Guumlte der Umwandlung werden Wirkungsgrade
verwendet
Der Wirkungsgrad ist eine dimensionslose Groumlszlige und kann einen Wert zwischen 0 und 1
annehmen oder in Prozent ausgedruumlckt werden In der Tabelle 1 sind Wirkungsgrade fuumlr
die Umwandlung von Primaumlr- in Endenergie und von Endenergie in Nutzenergie
aufgelistet
Wirkungsgrade fuumlr die Umwandlung von Primaumlrenergie in Endenergie
η
Elektroenergieerzeugung
- in Kernkraftwerken 030 ndash 040
- in Braunkohlekraftwerken 025 ndash 040
- in Steinkohlekraftwerken 03 ndash 043
- in Wasserkraftwerken 08 ndash 092
- mit Windenergiekonvertern 030 ndash 051
- mit Solarzellen 006 ndash 012
- mit Biogasanlagen 015 - 020
Wirkungsgrade fuumlr die Umwandlung von Endenergie in Nutzenergie
η
Tauchsieder 090 ndash 098
Elektroherd 050 ndash 060
Drehstrommotor 080 ndash 095
Ottomotor 025 ndash 030
Dieselmotor 040 ndash 046
Transformator 090 ndash 095
Gluumlhlampe 005 ndash 007
Leuchtstofflampe 020 ndash 025
Energiesparlampe 025
Blockheizkraftwerk 080 ndash 095
Tabelle 1 Wirkungsgrad [DIT9829-30] [INTQ17]
Der Wirkungsgrad wird im Allgemeinen als der Quotient aus abgegebener Energie Eab
und zugefuumlhrter Nutzenergie Ezu definiert
η =
Mit Blick auf die Leistung kann der Wirkungsgrad folgendermaszligen definiert werden
η =
Physikalische Grundlagen
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412 Energieformen und deren Einheiten
Die Energieumwandlung
Die Physik kann als die Wissenschaft von der Energie bezeichnet werden Denn Energie
ist ein fuumlr die gesamte Physik fundamentaler Begriff und viele Diskussionen unserer Zeit
werden von dem Wort bdquoEnergieldquo beherrscht Energie mit der es die Physik zu tun hat
existiert beispielsweise als mechanische elektrische chemische und magnetische
Energie als Waumlrme- Kern- und Strahlungsenergie Saumlmtliche Energieformen lassen sich
ineinander umwandeln Die Abbildung 42 zeigt einen Ausschnitt aus der Vielfaumlltigkeit
der Energieumwandlungen In der nachfolgenden Tabelle 2 sind fuumlr die entsprechenden
Umwandlungsprozesse Beispiele aufgelistet
Im Folgenden werden die wichtigsten Arten von Energie mit Formeln und Beispielen
einzeln benannt und kurz erlaumlutert Hierzu dient wenn nicht anderes angegeben die
Literatur [TIP04137-166]
mechanische Energie
Die mechanische Energie ist einerseits die potenzielle Energie die auch Lageenergie
genannt wird und andererseits die kinetische Energie die auch als Bewegungsenergie
bezeichnet wird Bei der potentiellen Energie handelt es sich um diejenige Energie uumlber
welche ein Koumlrper aufgrund seiner Position oder Lage in einem konservativen Kraftfeld
(etwa einem Gravitationsfeld oder elektrischen Feld) verfuumlgt Die Energie Epot einer
Masse m die im Schwerefeld der Erde gegen die Fallbeschleunigung g um die Houmlhe h
angehoben wurde besitzt demnach die Energie
Epot = m middot g middot h
Dabei ist h die Houmlhe in Meter und g die Erdbeschleunigung (gasymp 981 ms2) Bei
Pumpspeicherkraftwerken (eine Sonderform der Speicherkraftwerke) werden natuumlrliche
Auffangbecken mit Wasser das aus dem Tal gepumpt wird aufgefuumlllt Das Wasser
besitzt in diesen Houmlhen potentielle Energie welche in Schwachlastzeiten in elektrische
Energie umgeformt wird und somit zur Erzeugung von elektrischem Strom dient Flieszligt
dieses Wasser in das Tal wird die potentielle Energie in Bewegungsenergie oder
kinetische Energie umgewandelt Die kinetische Energie Ekin ist diejenige Energie die
dem Bewegungszustand eines Koumlrpers innewohnt Sie ist proportional zur Masse m und
zum Quadrat der Geschwindigkeit v relativ zu dem Inertialsystem in dem man den
Koumlrper beschreibt
Ekin =
middot m middot v
2
Dies gilt fuumlr kleine Geschwindigkeiten (cgtgt v)
Physikalische Grundlagen
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Abb 42 Moumlglichkeiten der Energieumwandlung
1 Photovoltaik 12 Atombombe
2 Lampe Leuchtdiode 13 Kernkraftwerk
3 Generator Dynamo
Windkraftanlagen
14 Verformung Reibung
Bremse
4 Elektromotor 15 Thermoelement
5 Skater auf einer
Halfpipe
Wasserfall
16 Waumlrmetauscher
6 Achterbahn bei Bergfahrt 17 Prisma Polarisator Spiegel
7 Bogen schieszligen 18 Transformator Umrichter
8 Batterie Fluumlssigkristalle
Elektrolyse
19 Reaktionen
9 Batterie Brennstoffzelle
Kohlekraftwerk
Biogasanlage
20 Dampfturbine Gasturbine
Verbrennungsmotor
Bimetall
10 Verbrennung Feuer
Kohlekraftwerke
21 Tauchsieder Heizplatte
Heizluumlfter
11 Solarkollektor
Tabelle 2 Beispiele fuumlr Umwandlungsprozesse
Spannenergie
chemische Energie potentielle
Energie
thermische Energie
Kernenergie
kinetische Energie
elektrische Energie
magnetische Energie
Strahlungsenergie
2 1
3 4
5 6
7
8
9
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Von gleicher Art wie die kinetische Energie ist die Rotationsenergie
Erot =
middot I middot ω2
eines Koumlrpers mit dem Traumlgheitsmoment I und einer Rotation mit der
Winkelgeschwindigkeit ω um eine Drehachse Als Beispiel dient hier die
Windkraftanlage Die Rotationsenergie der Rotorblaumltter wird an einen Generator
weitergeleitet und dort in elektrische Energie umgewandelt
elektrische Energie
Elektrische Energie liegt in elektrischen Ladungen also freien Elektronen oder Ionen
oder in magnetischen Feldern vor Die Industriegesellschaften sind in besonderem Maszlige
auf die elektrische Energie angewiesen Da sie relativ einfach aus anderen Energieformen
zu erzeugen ist und sich leicht transportieren laumlsst gilt sie als hochwertige Energieform
Allerdings wird bei der Erzeugung elektrischer Energie aus anderen Energieformen nur
ein relativ niedriger Wirkungsgrad erzielt Daruumlber hinaus kann sie nur in kleinen
Mengen direkt gespeichert werden Deshalb wird sie haumlufig in andere Energieformen
umgewandelt meist chemisch da diese Speicherungsform sehr effizient und
umweltschonend ist Elektrische Energie Eel wird durch Umwandlung thermischer
chemischer oder mechanischer Primaumlrenergie erzeugt Dabei werden Verfahren
angewendet die auf verschiedene Rohstoffe zuruumlckgreifen und unterschiedliche
Wirkungsgrade aufweisen Eel ist direkt proportional zum Strom I in einem Leiter der
angelegten Spannung U und zu der Zeit t
Uel = U middot I middot t
In der Natur kommt elektrische Energie zum Beispiel als Folge einer elektrostatischen
Aufladung besser bekannt als Blitz vor
magnetische Energie
Die magnetische Energie aumluszligert sich in einem magnetischen Feld und uumlbt eine Kraft auf
bewegte Ladungen aus die sogenannte Lorentzkraft Dabei unterscheidet man
elektromagnetische und elektrodynamische Kraumlfte Gespeichert werden kann
magnetische Energie im Alltag nicht sehr dauerhaft in einer Spule oder Drossel Eine
kurzzeitige Speicherung ist jedoch mit supraleitenden magnetischen Energiespeichern
moumlglich Fuumlr die in einer Spule mit der Selbstinduktivitaumlt L durch den Fluss eines
Stromes I gespeicherte magnetische Feldenergie gilt
Physikalische Grundlagen
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Emag =
middot L middot I
2
Die Kraft des magnetischen Feldes nutzt man beispielsweise um mit Kraumlnen
magnetisierbare Materialen mittels Einsatz von magnetischer Energie von einem Ort
zum anderen zu bewegen
Waumlrmeenergie
Bei der Erzeugung elektrischer Energie mithilfe heiszligen Wassers oder Dampfes wird die
Energie der Energietraumlger meist zunaumlchst in einer Verbrennung freigesetzt und flieszligt dann
dem in einem Kessel oder in Rohren befindlichen Wasser zu dessen Temperatur sich
erhoumlht Energie die von einem Koumlrper houmlherer Temperatur zu einem Koumlrper niedrigerer
Temperatur flieszligt heiszligt Waumlrme Wird einem Koumlrper der Masse m die Energie E
zugefuumlhrt die eine Temperaturaumlnderung ∆T hervorruft so gibt der Term
EQ= c middot m middot ∆T
die zugefuumlhrte Energie an wobei c die spezifische Waumlrmekapazitaumlt des Stoffes ist Diese
Formel gestattet also auch die einem Koumlrper zugefuumlhrt Waumlrme bzw Waumlrmeenergie Q
zu messen
Stoffe koumlnnen in verschiedenen Aggregatszustaumlnden fest fluumlssig oder gasfoumlrmig
existieren Der Aggregatszustand haumlngt von der Temperatur des Stoffes und dem Druck
ab unter dem der Stoff steht Wird dem Stoff bei konstantem Druck Waumlrmeenergie
zugefuumlhrt so steigt im allgemeinen seine Temperatur es sei denn es findet ein Uumlbergang
von einer in eine andere Zustandsform ein so genannter Phasenuumlbergang (Schmelzen
Verdampfen Sublimieren Erstarren Kondensieren Verfestigen) statt Zum Schmelzen
bzw Verdampfen der Masse m eines Stoffes muss eine fuumlr den Stoff charakteristische
Energie die Schmelzwaumlrme oder Verdampfungswaumlrme zugefuumlhrt werden Ursache fuumlr
den Energiebedarf beim Schmelzen und Verdampfen sind die zwischen den Teilchen des
Stoffes existierenden anziehenden Kraumlfte Die dabei zugefuumlhrte Energie ist dann in dem
Stoff bzw in dem so genannten thermodynamischen System als potentielle Energie der
Teilchen gespeichert Wenn die zugefuumlhrte Energie zur Erhoumlhung der Temperatur fuumlhrt
so bedeutet dies fuumlr frei bewegliche Teilchen des thermodynamischen Systems z B eine
groumlszligere mittlere kinetische Energie bzw fuumlr an feste Plaumltze gebundene Teilchen groumlszligere
Schwingungsenergie Die potentielle und die kinetische Energie der Teilchen bezeichnet
man zusammenfassend auch als thermische Energie Neben diesen Energien kann ein
Stoff aufgrund seines molekularen bzw atomaren Aufbaus so genannte chemische
Energie und nukleare Energie besitzen Die gesamte Energie eines thermodynamischen
Systems die aus thermischer Energie (potentielle und kinetische Energie der Teilchen)
aus chemischer Energie und nuklearer Energie besteht heiszligt innere Energie U [GRE98]
Physikalische Grundlagen
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chemische Energie
Als chemische Energie wird die Reaktionswaumlrme bezeichnet die durch eine chemische
Reaktion freigesetzt wird Damit ist die Energie gemeint die durch eine Verbrennung
eines Stoffes freigesetzt wird also die Verbrennungsenthalpie Findet die Reaktion unter
konstantem Druck statt entspricht das dem Enthalpieumsatz Die Enthalpie auch
Waumlrmeinhalt genannt ist ein Maszlig fuumlr die Energie eines thermodynamischen Systems
[INTQ18]
Aus technischer Sicht ist in Treibstoffen chemische Energie gespeichert Der Motor
wandelt die chemische Energie die im Benzin gespeichert ist in kinetische Energie um
Bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor findet eine komplizierte chemische
Reaktion statt Die Reaktionspartner (Luft und Benzin) uumlbertragen Elektronen zu-
einander So gibt die Luft Elektronen ab und nimmt solche vom Benzin auf Dabei
entsteht Waumlrme und Licht Da sich Materialien und Gase (hier die Luft) bei Waumlrme
ausdehnen wird der sogenannte Kolben des Motors nach unten gedruumlckt Diese Energie
wird durch die Kurbelwelle in Rotationsenergie umgewandelt Auch bei der Verbrennung
von Kohle in Kohlekraftwerken wird chemische Energie in thermische Energie
umgewandelt (vgl Kapitel 417) Grundlage ist die Bindungsenergie der Stoffe (vgl
unten bei Kernenergie) Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der
Ausgangsstoffe neu angeordnet d h Bindungen werden gespalten und neu geknuumlpft Die
dabei freiwerdende Energie wird in Form von Waumlrme und Licht an die Umgebung
abgegeben Jede Reaktion ist also mit einem Energieumsatz verbunden da sowohl beim
Spalten einer Bindung mehr oder weniger Energie aufgewandt werden muss als auch
beim Knuumlpfen von Bindungen Energie frei wird Zum Beispiel bei der Verbrennung von
12 kg Kohlenstoff (C) mit 32 kg Sauerstoff (O2) entsteht 44 kg Kohlendioxid (CO2) und
110 kWh Waumlrme Demnach lautet die Reaktionsgleichung
C + O2 rarr CO2 + E
wobei zusaumltzlich noch Waumlrme erzeugt wird [INTQ19] Das Kohlendioxid das bei der
Reaktion als Nebenprodukt entsteht ist ein Treibhausgas und neben anderen Gasen
verantwortlich fuumlr den Klimawandel (vgl Kapitel 416)
In diesem Zusammenhang sind noch weitere Begriffe zu klaumlren die fuumlr die
Schuumllerlabordurchfuumlhrung von Belang sind Als exotherme Reaktion wird ein Vorgang
bezeichnet der freiwillig und unter Energieabgabe verlaumluft Das Gegenstuumlck ist die
endotherme Reaktion die unter Energiezufuhr erzwungen wird Die aufgenommene oder
abgegebene Energie nennt man wie bereits oben erwaumlhnt die Reaktionsenthalpie Da
zB Holzkohle sich nicht von alleine entzuumlndet muss jede Reaktion durch einen
zusaumltzlichen Energieaufwand angestoszligen werden Diese Energie ist die
Aktivierungsenergie [MOR03]
Physikalische Grundlagen
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Kernenergie
Die Masse mK jedes Atomkerns ist kleiner als die Summe der Massen seiner
Bestandteile Z Protonen (Masse mP) und N Neutronen (Masse mn) Die Differenz
∆m = mK ( Zmiddot mP + N middotmn) lt 0
nennt man Massendefekt Dieser Massendefekt ∆m ergibt sich bei der Kernfusion und
Kernspaltung bei welcher sich ein Gewinn von Kernenergie durch die sogenannte
Einsteinformel
E = ∆m middot c
ergibt wobei E die Bindungsenergie des Atoms ist und c die Lichtgeschwindigkeit mit
299792 middot 108
ist
Ein Deuteriumkern besteht aus einem Proton und einem Neutron die aneinander
gebunden sind Die Masse des Protons betraumlgt 93828
und die Masse des Neutrons
93957
Ihre Gesamtmasse waumlre demnach 187785
Die Masse des
Deuteriumkerns betraumlgt aber nur 187563
also 222
weniger als die Summe der
Massen des Protons und des Neutrons allein Schweres Wasser (Deuteriumoxidmolekuumlle)
wird im Primaumlrkuumlhlkreislauf von Kernreaktoren erzeugt Dort stoszligen Neutronen mit den
Wasserstoffkernen (Protonen) der Wassermolekuumlle zusammen Wird ein langsames
Neutron von einem Proton eingefangen werde die 222 MeV Energie in Form von
elektromagnetischer Strahlung freigesetzt Daher ist die Masse eines Deuteriumkerns
222
kleiner als die Summe der Massen des Wasserstoffatoms und des Neutrons im
getrennten Zustand Dieser Prozess kann umgekehrt werden wenn man den
Deuteriumkern in seine Bestandteile spaltet Dazu muss ihm in Form von
elektromagnetischer Strahlung oder durch Stoumlszlige mit anderen energiereichen Teilchen
eine Energie von mindestens 222 MeV zugefuumlhrt werden Die Bindungsenergie eines
Deuteriumkerns ist also 222 MeV Der Deuteriumkern ist ein Beispiel fuumlr ein
gebundenes System Seine Ruheenergie ist kleiner als die Ruheenergie seiner
Bestandteile Soll das System gespalten werden muss Energie zugefuumlhrt werden
[TIP04189-193] Ist die Ruheenergie eines Systems dagegen groumlszliger als die Ruheenergie
seiner Bestandteile ist das System ungebunden Ein Beispiel hierfuumlr ist das 236
Uran Die
Uranspaltung geht vom nicht-stabilen Isotop 235
Uran aus das durch Beschuss mit
langsamen Neutronen in 236
Uran uumlberfuumlhrt wird Das zerfaumlllt sofort unter Bildung von 139
Barium und 94
Krypton und drei Neutronen
+
rarr rarr
+ + 3
+ E
Die Summe der Massen der Teilchen die bei dieser Kernspaltung entstehen ist kleiner
als die Masse des Ausgangskerns Damit verringert sich bei der Kernspaltung die Masse
des Systems waumlhrend gleichzeitig Energie freigesetzt wird Dieses Prinzip wird in
Kernkraftwerken umgesetzt Das Gegenteil davon ist die Kernfusion bei der zwei sehr
Physikalische Grundlagen
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leichte Kerne wie z B die von Deuterium und Tritium miteinander verschmelzen Bei der
Fusion eines Deuteriums- und eines Tritiumkerns entstehen ein Alpha-Teilchen ein
Neutron und Energie
2H +
3H rarr 4He + n + E
Die Ruhemasse des entstehenden Kerns ist kleiner als die seiner Bestandteile so dass
auch hier Energie freigesetzt wird [MOR03625-652] Die Sonne stellt einen riesigen
Kernreaktor dar Dort findet die Fusionsreaktion von Wasserstoff uumlber Zwischenschritte
zu Heliumkernen statt Da bei der Reaktion keine radioaktiven Elemente beteiligt sind
und keine umweltschaumldlichen Nebenprodukte entstehen hat sie einen groszligen Vorteil
gegenuumlber der Kernspaltung und den Kohlekraftwerken Leider ist die Kernfusion derzeit
noch nicht realisierbar da das Hauptproblem bei der Fusion auf der Erde die
Reaktionstemperatur noch nicht in den Griff bekommen wurde
Strahlungsenergie
Die Strahlungsenergie ist die Energie der elektromagnetischen Strahlung Diese
Erscheinungsform der Energie wird beispielsweise in Photovoltaikanlagen genutzt
Betrachtet man elektromagnetische Strahlung vereinfacht als Strom von Photonen so ist
die Strahlungsenergie die in diesem Strom transportierte Energie Die Energie eines
Photons ist lediglich von der Frequenz abhaumlngig
E = h middot f
mit dem planckschen Wirkungsquantum h (6626075middot10-34
Js) und der Frequenz der
Welle f wobei die Frequenz durch
c0= f middot λ
definiert ist λ stellt dabei die Wellenlaumlnge des Licht dar und c0 ist die
Vakuumlichtgeschwindigkeit mit c0 = 299792 middot 108
Die Abbildung 43 zeigt das
Spektrum elektromagnetischer Wellen
Abb 43 Spektrum elektromagnetischer Wellen [INTQ20]
Physikalische Grundlagen
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Die Einheit der Energie
Die international einheitliche SI-Einheit der Energie ist das Joule (J) welches nach dem
britischen Physiker James Prescott Joule benannt ist
1 J = 1
= 1 Nm = 1 VAs = 1 Ws
Ein Joule ist die Energiemenge die benoumltigt wird um uumlber die Strecke von einem Meter
die Kraft von einem Newton aufzuwenden oder fuumlr die Dauer einer Sekunde eine
Leistung von einem Watt zu erbringen Ein Joule entspricht daher einer Wattsekunde Im
menschlichen Maszligstab ist das eher eine kleine Einheit denn ein ruhender Mensch hat
einen Grundumsatz von etwa 55 - 90 Watt (je nach Gewicht und Geschlecht) In der
folgenden Tabelle 3 sind die unterschiedlichen Einheiten der Energieformen und ihre
entsprechenden Umrechnungsfaktoren aufgelistet
kJ kcal kWh kg SKE kg ROumlE m3 Erdgas
1 Kilojoule (kJ) -
02388 0000278 0000034 0000024 0000032
1 Kilocalorie 41868 -
0001163 0000143 00001 000013
1
Kilowattstunde
(kWh)
3600 860 -
0123 0086 0113
1 kg
Steinkohleinheit
(SKE)
29308 7000 814 -
07 0923
1 kg
Rohoumlleinheit
(ROumlE)
41868 10000 1163 1428 -
1319
1 m3 Erdgas 31736 7580 8816 10836 0758 -
Tabelle 3 Umrechnungstabellen fuumlr Energieeinheiten [INTQ21]
Physikalische Grundlagen
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413 Einteilung in Primaumlr- Sekundaumlr- End- und Nutzenergie
Aufgrund ihrer vielen Erscheinungsformen wird die Energie in verschiedene Kategorien
unterteilt um den Bedarf und Verbrauch richtig demonstrieren zu koumlnnen In diesem
Abschnitt wird auf die Definition und Unterteilung der Energie in Primaumlr- Sekundaumlr-
End- und Nutzenergie eingegangen
Zur Deckung seines Energiebedarfs ist der Mensch auf die in der Natur vorkommenden
Energiequellen angewiesen Diese werden entweder in ihrer urspruumlnglichen Form
(Primaumlrenergie) oder nach Umwandlung (Sekundaumlrenergie) eingesetzt
Als Primaumlrenergie bezeichnet man in der Energiewirtschaft die Energie die in den
natuumlrlich vorkommenden Energieformen oder Energiequellen zur Verfuumlgung steht und
ohne Umwandlung oder Aufbereitung zum Einsatz kommt Dazu zaumlhlen die fossilen
Energien (Steinkohle Braunkohle Torf Erdgas Erdoumll) die regenerativen Energien
(Sonnenenergie Biomasse Windenergie Wasserkraft Geothermie) und die Kernenergie
Sie sind die Quellen die unser sehr komplexes Energiesystem speisen an dessen Ende
die vielfaumlltigen Dienstleistungen stehen die unsere Volkswirtschaft oder unsere
Haushalte benoumltigen [INTQ22] [BUC0858-59]
Sekundaumlrenergie ist diejenige Energie die durch Umwandlung von Primaumlrenergie unter
bdquoEnergieverlustldquo entsteht Holzkohle aus Holz Koks aus Steinkohle Propangas aus
Erdoumll Biogas aus Biomaterial sind exemplarisch fuumlr diese Kategorie Strom ist eine
Sekundaumlrenergie da er aus der Umwandlung von Primaumlrenergien beispielsweise aus
Wasserkraft oder Wind oder aus anderen Sekundaumlrenergien (zB Heizoumll) gewonnen
wird Nebenprodukte die bei der Herstellung von Sekundaumlrenergie anfallen koumlnnen
oftmals wiederum als Sekundaumlrenergie genutzt werden - zB Waumlrme bei der Herstellung
von elektrischer Energie
Die vom Verbraucher bezogene Energie wird als Endenergie bezeichnet so zB das
Heizoumll im Tank oder der Strom der aus der Steckdose entnommen werden kann Die
Endenergie ist derjenige Teil der Primaumlrenergie der dem Verbraucher nach Abzug von
Transport- und Wandlungsverlusten zur Verfuumlgung steht
Die Nutzenergie wiederum ist jene Energie die nach der Umwandlung am Verbraucher
fuumlr die gewuumlnschte Energiedienstleistung zur Verfuumlgung steht zB in Form von warmen
Wasser oder mechanischer Energie Die Energiedienstleistung entsteht letztlich durch die
Kombination von Nutzenergie Energiewandler (Geraumlt) und dem Verbraucherverhalten
[INTQ23] [BUC0858-59]
In Abbildung 44 ist ein Energieflussdiagramm von der Forschungsstelle fuumlr
Energiewirtschaft eV dargestellt In diesem Diagramm wird der Weg von der
Primaumlrenergie (100 ) bis zur Nutzenergie gezeigt
Physikalische Grundlagen
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Abb 44 Energieflussdiagramm [INTQ24]
Wie das Schaubild zeigt geht ca 70 der Primaumlrenergie auf dem Weg zu uns den
Verbrauchern verloren Das Schaubild veranschaulicht also wie viel der vorhandenen
Energie umgesetzt wird also den Wirkungsgrad und an welchen Stellen oder aus
welchen Gruumlnden die Energie bdquoverlorenldquo geht
Die Primaumlrenergien wie Rohoumll Erdgas Uran und Kohle sind heute unsere wichtigsten
Energietraumlger Bei den Umwandlungsprozessen von Primaumlr- zu Sekundaumlrenergie gehen
23 der Primaumlrenergie verloren Es folgen 5 Leitungsverluste und 6
nichtenergetischer Verbrauch Nach Umwandlung und abzuumlglich des Transports stehen
noch 66 Endenergie fuumlr die Verbraucher zur Verfuumlgung Wie das
Energieflussdiagramm zeigt findet der groumlszligte Energieverlust naumlmlich ca 36 bei der
Umwandlung der Endenergie zur Nutzenergie statt Dies liegt daran weil bei der
Energieumwandlung wie oben bereits erwaumlhnt bdquoVerlusteldquo auftreten koumlnnen
Beispielsweise gibt eine Herdplatte nicht immer die gesamte Energie an das Kochgeschirr
ab sondern ein Teil der Energie geht auch als Waumlrmestrahlung verloren Letztlich bleibt
eine Nutzenergie von 30 die als Waumlrme Licht Kraftstoff usw verwendet werden
kann
Primaumlrenergie 100
Umwandlung Kraftwerke Raffinerie Kokerei
Sekundaumlrenergie
Endenergie 66
Nutzenergie
23 Umwandlungsverluste
5 Eigenverbrauch in den Energiesektoren Leitungsverluste
6 Nichtenergetischer Verbrauch z b Rohbenzin
der Chemie
36 Verluste beim Verbraucher
30 Kraft Waumlrme Licht
Physikalische Grundlagen
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414 Die Entwicklung der Weltbevoumllkerung und der Energieverbrauch
Der Welt-Primaumlrenergieverbrauch hat wie aus der Abbildung 45 hervorgeht in den
letzten Jahrzehnten zugenommen Seit 1972 ist der taumlgliche weltweite Verbrauch von
Erdoumll dem derzeit wichtigsten Rohstoff fuumlr die Erzeugung von Energie von etwa 50 auf
85 Mio Barrel angestiegen [WIL07] Saumlmtliche Prognosen so auch das
Referenzszenario des bdquoWorld Energy Outlookldquo (WEO) einer Energieagentur in Paris
zeigen einen weiteren Anstieg des Energieverbrauchs Danach werden bei weiter
steigendem Energiebedarf die fossilen Brennstoffe auch in den kommenden drei
Jahrzehnten die Hauptenergiequelle bleiben Sie werden 2030 zu etwa 80 zum
Energiemix beitragen [BUN097-8]
Ein Mensch benoumltigt im Durchschnitt 16-mal mehr Energie als vor 130 Jahren [WIL09]
in den Industriestaaten noch wesentlich mehr In Deutschland wurden alleine im Jahr
2010 ca 14057 Petajoule (PJ) oder 480 Millionen Tonnen Steinkohleeinheiten
verbraucht Wie die Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB) in ihrem Jahresbericht
2010 ausfuumlhrlich darlegt stieg der Primaumlrenergieverbrauch (PEV) hierzulande gegenuumlber
dem Vorjahr um 46 Prozent
Abb 46 Anteile der Energietraumlger am Primaumlrenergieverbrauch in Deutschland im Jahr 2010 [INTQ25]
Auch wenn der Anteil der erneuerbaren Energien am Gesamtenergieverbrauch bisher
noch relativ gering ist konnten die erneuerbaren Energien in den vergangenen Jahren
Abb 45 Entwicklung des Primaumlrenergieverbrauchs [BUN091-3]
Physikalische Grundlagen
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aufgrund der guten Foumlrderbedingungen ein deutliches Wachstum verzeichnen Ihr Anteil
am Primaumlrenergieverbrauch steigerte sich von 26 im Jahr 2000 auf 94 im Jahr
2010 wie aus der Abbildung 46 zu entnehmen ist Unter den erneuerbaren Energien trug
die Wasserkraft mit 72 die Windenergie mit 133 die Solarthermie mit 19 die
Geothermie mit 20 Photovoltaik mit 44 zur deutschen Endenergiebereitstellung
bei Ganze 461 stellten bioenergetische Brennstoffe zur Waumlrmeerzeugung bereit
[BMU11] Wie bereits zu anfangs erwaumlhnt sind die fossilen Energien nach wie vor die
Hauptenergietraumlger mit 782 In Deutschland spielte auch die Kernenergie im Jahr
2010 mit 109 eine wichtige Rolle [INTQ25] Trotz zahlreicher Gegner behielt
Deutschland bis vor kurzem den Kurs zur Nutzung der Kernenergie bei (vgl Kapitel
417) waumlhrend andere Laumlnder wie z B Oumlsterreich sich grundsaumltzlich gegen den Einsatz
der Kernenergie entschieden haben
Abb47 Energiehunger der Welt [INTQ26]
Weltweit bestehen beim Energieverbauch sehr groszlige Unterschiede 18 der
Weltbevoumllkerung leben in den Industriestaaten und sind fuumlr fast die Haumllfte des weltweiten
PEV und der globalen CO2-Emissionen verantwortlich Die Weltbevoumllkerung wird von
derzeit 693 Mrd (2010) auf geschaumltzte 82 Mrd Menschen im Jahr 2030 anwachsen und
dann entsprechend mehr Energie verbrauchen Dazu kommt die zunehmende
Industrialisierung in den Schwellen- und Entwicklungslaumlndern die den Energiebedarf
weiter ansteigen lassen [WIL09] Die Welt hat demnach einen gewissen Energiehunger
wie die Abbildung 47 zeigt Die Grafik veranschaulicht die Verteilung des PEV im Jahr
2009 auf die Regionen (in ) und wird im einleitenden Vortrag verwendet um die
Thematik des Energieverbrauchs zu eroumlrtern Es ist deutlich erkennbar dass besonders
Asien u Pazifik mit 371 gefolgt von Europa und Eurasien mit 248 Spitzenreiter
im Energieverbrauch sind Hier ist im besonderen Maszlige China zu nennen deren
Wirtschaft jedes Jahr um gut neun Prozent steigt So stieg allein im Jahr 2007 der
chinesische Oumllbedarf um zehn Prozent auf 385 Millionen Tonnen [PET0875-85] Die
Graphik zeigt weiter dass bei den erneuerbaren Energien nur die Wasserkraft
beruumlcksichtigt wird Windenergie Solarenergie Geothermie und die in vielen armen
Regionen vorherrschende Biomasse (zB Holz Stroh Dung) bleiben unberuumlcksichtigt
Fossile Energietraumlger decken hingegen derzeit weltweit 75 des jaumlhrlichen
Weltenergiebedarfs ab [HEI03138]
Physikalische Grundlagen
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415 Die Reichweiten der Erdoumllressourcen ndash Der Peak Oil
Energien welche in den Energiequellen unserer Umwelt gespeichert sind treten in ganz
verschiedenen Formen als Primaumlrenergie auf Sie unterscheiden sich z B in der
Energieart in der Art des Vorkommens in der Konzentration in der Verfuumlgbarkeit in
der Abhaumlngigkeit von Sonneneinstrahlung und in der Verwertungsmoumlglichkeit Man
unterscheidet zwischen Vermoumlgensenergien und Einkommensenergien Mit
Vermoumlgensenergien bezeichnet man gespeicherte Energie die nur einmal verbraucht
werden kann und dann erschoumlpft ist Zu differenzieren ist dabei zwischen fossilen
Brennstoffen in denen chemische Bindungsenergie gespeichert ist und
Kernbrennstoffen von denen ein Teil der Kernbindungsenergie genutzt werden kann
Einkommensenergien erschoumlpfen sich in Zeitraumlumen die fuumlr die Menschheit von
Bedeutung sind nicht Sie tritt unabhaumlngig vom Verbrauch immer wieder auf
Einkommensenergien sind zum Beispiel die Sonnenenergie die Wasserkraft die
Windenergie die Biomasse und die Erdwaumlrme Die Vermoumlgensenergien die auf der
Erde vorhanden sind muumlssen zwei Bedingungen erfuumlllen wenn sie genutzt werden
sollen Ihre Lagerstaumltten muumlssen bekannt sein und sie muumlssen oumlkonomisch nutzbar sein
Sicher nachgewiesen und gegenwaumlrtig oumlkonomisch foumlrderbare und nutzbare Vorkommen
werden als Reserven bezeichnet Die Summe aller Vorkommen einschlieszliglich der
nachgewiesenen z Z nicht oumlkonomisch nutzbaren und der gesamten noch zu
entdeckenden Lagerstaumltten die wiederum aus oumlkonomisch nutzbaren und noch nicht
nutzbaren Staumltten bestehen bezeichnet man als Ressourcen In den Ressourcen sind die
Reserven mit enthalten [DIT981-27]
Mittelpunkt der Diskussion uumlber die Energieproblematik im Schuumllerlabor ist die
Reichweite der Ressourcen von fossilen Brennstoffen Aus diesem Grund werden hier die
Vorraumlte von Kohle Erdgas und vor allem Erdoumll intensiver erlaumlutert Informationen uumlber
die Reichweiten der Ressourcen von erneuerbaren Energie sowie uumlber die
Kernspaltprodukte finden sich im Kapitel 417
Fossile Brennstoffe treten in fester Form als Torf Braunkohle und Steinkohle in
fluumlssiger Form als Erdoumll und gasfoumlrmig als Erdgas auf Entstanden sind diese Brennstoffe
aus organischen Substanzen die sich vor bis zu 400 Millionen Jahren bildeten Den
entscheidenden Beitrag zum globalen Energieverbrauch leistet unter den fossilen
Brennstoffen das Erdoumll Aus diesem Grund ist die Frage nach den Energieressourcen in
erster Linie die Frage nach den Oumllreserven Eine haumlufig zitierte Quelle detaillierter
Angaben uumlber die Oumllreserven der Welt ist der bdquoStatistical Review of World Energyldquo den
der Oumllkonzern BP jedes Jahr veroumlffentlicht Doch auch die darin enthaltenen
Zahlenreihen uumlber die Reichweiten der Ressourcen muumlssen wie die Herausgeber selbst
deutlich machen mit Vorsicht behandelt werden Das Problem genaue Daten zu sammeln
ist naumlmlich dass es den oumllproduzierenden Gesellschaften oder Staaten uumlberlassen ist
welche Reserven sie melden Wie diese Staaten die Zahlen ermittelt haben ist nicht zu
kontrollieren Der Kurzstudie aus dem Jahr 2009 von der Bundesanstalt fuumlr
Geowissenschaften und Rohstoffen ist zu entnehmen dass fuumlr das Jahr 2008 ein
Physikalische Grundlagen
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Gesamtpotenzial an konventionellen Erdoumllreserven in Houmlhe von 405 GT ausgewiesen
worden war [BUN0917-18] Auch diese Werte muumlssen kritisch betrachtet werden
Weniger interessant ist jedoch die Reichweite der Reserven als vielmehr die Frage wann
die Produktion die immer mehr steigende Nachfrage nicht mehr decken kann und somit
das Maximum der Oumllfoumlrderung erreicht ist Mit diesem Zeitpunkt dem Peak der
Foumlrderung hat sich der Geophysiker M King Hubbert befasst Er stellte fest dass sich
die Ausbeutung jedes Oumllfeldes sowie der weltweiten Reserven in einer Glockenkurve
darstellen laumlsst (vgl Abb 48) Zunaumlchst sprudelt das Oumll reichlich es wird stetig mehr
gefoumlrdert bis zu dem Punkt an dem etwa die Haumllfte des festgestellten Oumlls herausgeholt
wurde Nach diesem Gipfel (bdquoPeakldquo) nimmt die gefoumlrderte Menge kontinuierlich ab
Wann dieses Maximum erreicht ist laumlsst sich nach Hubbert anhand der jeweils neuen
Explorationsmoumlglichkeiten und Sucherfolge nach Oumllvorraumlten schaumltzen
Abb 48 Die Hubbert-Kurveldquo nach ASPO 2004 [PET0869]
Die bdquoHubbert-Kurveldquo zeigt fuumlr verschiedene Weltregionen den Gipfelpunkt der
Erdoumllfoumlrderung In den USA zB lag er um 1970 Russland erreichte das
Foumlrdermaximum um 1985 Zu beachten ist dass solcherart Statistiken nur
konventionelles (flieszligfaumlhiges) Oumll erfassen Aufgrund der fortschreitenden Technologien
koumlnnen jedoch auch unkonventionelle Vorkommen wie Schweroumll Oumllsande oder
Oumllschiefer die allesamt nur unter erschwerten Bedingungen und zu deutlich houmlheren
Kosten zu foumlrdern sind zugaumlnglich gemacht werden Weiter hinzu kommt dass staumlndig
neue Oumllvorkommen erschlossen werden wie z B die Quellen unter dem Meeresboden
Tatsache ist dass zwar noch genuumlgend Oumll vorhanden ist Geologen gehen aber davon aus
dass bereits 90 aller Oumlllagerstaumltten inzwischen gefunden sein duumlrften Wie lange wird
uns also das Oumll noch reichen David OacuteReilly der ChevronTexaco-Chef sagte bdquoDie
Menschen haben 125 Jahre gebraucht die erste Billion Fass Oumll zu verbrauchen und wir
werden wahrscheinlich die naumlchste Billion in nur 35 Jahren konsumierenldquo [PET0869-
71] Die Internationale Energie-Agentur schaumltzt dass der Verbrauch bis zum Jahr 2030
auf etwa 120 Millionen Barrel pro Tag steigen koumlnnte Gegenwaumlrtig werden nach ihren
Berechnungen taumlglich etwa 85 Millionen Barrel gefoumlrdert [PET0863-84]
Physikalische Grundlagen
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416 Der Treibhauseffekt
Ohne Energiezufuhr gibt es kein Leben und da die Menschheit bdquogutldquo leben will benoumltigt
man viel Energie Unsere Energieversorgung beeinflusst aber unvermeidbar auch unsere
Umwelt Wie und wie sehr haumlngt von der Art der Energieversorgung ab Die wichtigsten
Umweltprobleme unserer Energieversorgung sind das Ozonloch das Armutsproblem das
Wasserproblem das Problem der Strahlenexposition und vor allem das Klimaproblem
Die Probleme und damit auch die Loumlsungsmoumlglichkeiten haumlngen vielfaumlltig miteinander
zusammen Da die Besprechung der einzelnen Schwierigkeiten den Rahmen dieser Arbeit
sprengen wuumlrde wird im Folgenden nur auf das Klimaproblem und somit auf den
Treibhauseffekt eingegangen Im Vortrag der Schuumllerlabordurchfuumlhrung wird diese
Thematik anhand der Abbildung 49 mit den Schuumllern diskutiert
Abb 49Der Treibhauseffekt [INTQ27]
Bei dem Begriff bdquoTreibhauseffektldquo muss zwischen dem natuumlrlichen Treibhauseffekt und
dem anthropogenen Treibhauseffekt der zusaumltzlich vom Menschen verursacht wird
unterschieden werden
Der natuumlrliche Treibhauseffekt
Der natuumlrliche Treibhauseffekt ist essentiell fuumlr das Leben auf der Erde Die Sonne die
eine Oberflaumlchentemperatur von 6000 K besitzt schickt kurzwellige Strahlung auf die
Erde Ungefaumlhr dreiviertel dieser Strahlung wird schon beim Auftreffen auf die aumluszligerste
Atmosphaumlre durch Aerosole und Wolken reflektiert der Rest der Sonnenstrahlung
gelangt jedoch bis zur Erdoberflaumlche Dort wird die kurzwellige Strahlung der Sonne in
Physikalische Grundlagen
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Infrarotstrahlung also Waumlrme umgewandelt und wiederum als langwellige
Waumlrmestrahlung reflektiert Ein gewisser Prozentsatz dieser Infrarotstrahlung dringt
ungehindert durch die Lufthuumllle unserer Erde wieder in den Weltraum der groumlszligte Teil der
langwelligen Strahlung kann die Atmosphaumlre aber nicht wieder verlassen da sogenannte
Spurengase wie Wasserdampf Kohlendioxid Ozon Distickstoffmonoxid Methan und
FCKWacutes das Durchdringen verhindern Die langwelligen Waumlrmestrahlen werden
deshalb wieder zur Erde reflektiert und erwaumlrmen dabei die Oberflaumlche zusaumltzlich Diese
natuumlrliche Reflexion gewaumlhrleistet auf der Erde eine Durchschnittstemperatur von etwa
15 Grad Celsius oder 288 K Ohne diese Reflexion wuumlrde dieser Wert -18 Grad Celsius
oder 255 K betragen bei welcher aufgrund gefrorener Ozeane eine Entstehung heutiger
Lebensformen unmoumlglich gewesen waumlre Ohne Treibhauseffekt laumlsst sich folgende
mittlere Oberflaumlchentemperatur T0 mit Hilfe der Strahlungsbilanzgleichung berechnen
Dabei gilt
middot Q middot (1-α) = σ middot T0
4
wobei Q (13675 plusmn 05
) die Solarkonstante ist Sie druumlckt die gesamte
Strahlungsenergie der Sonne aus α ist die Ruumlckstrahlungsfaumlhigkeit oder Albedo also der
Quotient aus reflektierter zu einfallender Lichtmenge und betraumlgt fuumlr die Erde 030
σ (567middot 10-8
) ist die Stefan-Boltzmann-Konstante [WOK99206-215]
Der anthropogene Treibhauseffekt
Der Mensch greift in das seit Jahrtausenden stabile Gleichgewicht ein und foumlrdert den
anthropogenen Treibhauseffekt Dieser Effekt beschreibt die Veraumlnderung der
Durchschnittstemperatur in der Atmosphaumlre Die Hauptursache des vom Menschen
verursachten zusaumltzlichen Treibhauseffekts liegt in der vermehrten Freisetzung von
sogenannten Treibhausgasen wie z B Kohlendioxid (CO2) was zur Folge hat dass die
Waumlrmestrahlung von der Atmosphaumlre auf die Erde verstaumlrkt zuruumlckgeworfen wird
Abb 410 Die globalen CO2-Emission [WOK99206-215]
A1 bdquoBusiness as usualldquo Zunahme der Emissionen um +2 Jahr A2 kleine Einsparungen +1Jahr B Einfrieren der Emissionen auf Stand 1990 C1 Groszlige Einsparungen Abnahme der Emissionen um -1Jahr C2 Sehr groszlige aber oumlkonomisch
noch realisierbare Einsparungen -2Jahr
D Emissionstopp nur von wissenschaftlichem Interesse
Physikalische Grundlagen
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Neben CO2 das hauptverantwortlich fuumlr den anthropogenen Treibhauseffekt ist sind
Methan CH4 mit ca 15 Fluorchlorkohlenwasserstoffe FCKW mit ca 12 O3 mit ca
8 und N2O mit ca 4 die vier wichtigsten Treibhausgase [WOK99206-215] In der
Abbildung 410 ist der rapide Anstieg des Kohlendioxidgehaltes in der Erdatmosphaumlre
uumlber die letzten 250 Jahre gezeigt Die Konzentration des CO2 wird in Millionstel
Volumenanteil ppm (parts per million) angegeben Seit dem Beginn der
Industrialisierung die ein starkes Wachstum der Bevoumllkerung der Industrie und des
Verkehrs zu Folge hatte und die einen steigenden Lebensstandard mit einschloss steigt
der CO2 Gehalt kontinuierlich an Zwar unterlag die Konzentration in den letzten tausend
Jahren vielen Schwankungen dennoch lag der Wert niemals uumlber 300 ppm Im Jahr 1990
betrug dieser Wert bereits 353 ppm Die Abbildung 410 zeigt weiterhin vier
unterschiedliche Szenarien fuumlr die Entwicklung der globalen CO2-Emissionen Nur durch
groszlige bis sehr groszlige Einsparungen (C1 und C2) kann die Zunahme des CO2-Gehalts
gestoppt und verringert werden [WOK99206-215]
Seit der Mensch in die natuumlrlichen Prozesse der Natur aktiv eingreift wie in etwa durch
die Verbrennung fossiler Energien bei welcher groszlige Mengen an Treibhausgasen
freisetzt werden aumlndert sich die CO2-Konzentration in der Erdatmosphaumlre gravierend
Damit eng verbunden ist ein Anstieg der globalen Temperatur
Abb 411 Temperatur- und CO2-Verlauf [INTQ28]
Aus der Graphik 411 wird ersichtlich dass sich die Temperaturveraumlnderungen aumlhnlich
wie die Konzentrationsschwankungen des CO2-Gehalts verhalten Demzufolge wird fuumlr
die Zukunft ein Anstieg der CO2-Konzentration auch einen Anstieg der Temperatur auf
der Erdoberflaumlche mit sich fuumlhren Dieser Anstieg der Temperatur bringt schwerwiegende
Klimaveraumlnderungen mit sich Die Anzahl der Wirbelstuumlrme und deren Staumlrke
Uumlberschwemmungs- und Brandkatastrophen sowie Duumlrreperioden haben weltweit
zugenommen und fordern jaumlhrlich viele Menschenleben Lebewesen verlieren ihren
natuumlrlichen Lebensraum Die Gletscher schmelzen ab was wiederum zur Folge hat dass
der Meeresspiegel staumlndig steigt (10 bis 25 cm innerhalb der letzten 100 Jahre) und
Laumlnder und Inselgruppen die unterhalb des Meeresspiegels liegen in groszlige Gefahr bringt
Der Klimawandel hat viele weitere Folgen die an dieser Stelle nicht alle aufgezaumlhlt
werden koumlnnen Zwar bietet die Natur natuumlrliche CO2-Senkprozesse wie die
Photosynthese der Pflanzen (Regenwald Algen) und die Absorption im Meerwasser
dennoch ist der Grad der Abbaufaumlhigkeit der Natur begrenzt was wiederum bedeutet
dass der Mensch selbst handeln muss [BUC0884-93]
Physikalische Grundlagen
Seite | 42
417 Moumlglichkeiten der Energiegewinnung
In diesem Kapitel werden Moumlglichkeiten der Energiegewinnung vorgestellt Dabei wird
explizit auf das Kohlekraftwerk das Kernkraftwerk sowie auf erneuerbare Energien
wie die Nutzung der Sonnenenergie der Wind- und Wasserenergie der Bioenergie und
der Geothermie eingegangen Im Folgenden werden die Funktionsweisen der
unterschiedlichen Energiegewinnungsmoumlglichkeiten thematisiert In Kapitel 535 findet
sich eine Tabelle 11 die die jeweiligen Ressourcen Wirkungsgrade Vorteile Nachteile
und die derzeitige Verwendung in Deutschland nochmals detailliert enthaumllt Anhand
dieser Tabelle koumlnnen die Kraftwerkstypen verglichen werden Falls nicht anderweitig
vermerkt wurden die Quellen [HUB0337-55] und [WIL09] verwendet Skizzen und
Grafiken der Prinzipien der Energiegewinnungsarten sowie verwendete Texte fuumlr die
Station bdquoEnergieproblematikldquo befinden sich auf beiliegender CD
Das Kohlekraftwerk
In der Bundesrepublik Deutschland werden 228 (Abbildung 46) der elektrischen
Energie aus der chemischen Energie des Primaumlrenergietraumlgers Kohle durch Verbrennung
erzeugt Kohle ist weltweit einer der wichtigsten und aumlltesten Energietraumlger Bei
thermischen Kraftwerkstypen muss die beim Verbrennen entstehende Waumlrmeenergie erst
in mechanische Energie und dann in elektrische Energie umgewandelt werden
Braunkohle und Steinkohle sind dabei die Hauptlieferanten der chemischen Energie In
Deutschland wird mit braunkohlegefeuerten Kohlekraftwerken die Grundlast und mit
Steinkohle hauptsaumlchlich die Mittellast erzeugt Als Grundlast bezeichnet man die
Netzbelastung die waumlhrend eines Tages in einem Stromnetz nie unterschritten wird Als
Mittellast bezeichnet man den Bereich wenn uumlber die Grundlast hinaus zusaumltzlicher
Strom verbraucht wird
Der Aufbau eines Kohlekraftwerks
Bevor die Kohle in die Brennkammer des Kraftwerkes geblasen wird wird die Kohle
nach dem Abbau getrocknet da Braunkohle bis zu 50 und Steinkohle bis zu 10
Feuchtigkeit enthaumllt Anschlieszligend wird die Kohle in Schlagradmuumlhlen zerkleinert und
gemahlen Auf der Innenseite der riesigen Kraftwerkskessel sind die Kesselwaumlnde mit
einem System von Rohrleitungen uumlberzogen die eine Laumlnge von einigen 100 km
erreichen koumlnnen Durch diese Rohre stroumlmt Wasser das sog Kesselspeisewasser Der
Kohlenstaub wird mit vorgewaumlrmter Luft in die Brennkammer eingeblasen und
verbrannt Im Feuerungsraum herrscht eine Temperatur von 1300 degC Hier beginnt die
Energieumwandlung wobei durch Verbrennung die chemische Energie der Kohle zu
Waumlrme wird Die entstehende Waumlrmeenergie uumlbertraumlgt sich auf das Wasser das durch
das Rohrleitungssystem des Kessels gepumpt wird In diesen Leitungen verdampft das
Wasser Der Dampf wird auf eine Temperatur bis fast 600 degC aufgeheizt Durch die hohe
Temperatur steht der Dampf unter einem groszligen Druck von rund 180 bar Dieser Dampf
Physikalische Grundlagen
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wird nun zur Turbine geleitet In der Turbine ist eine Achse gelagert auf der mehrere
Laufraumlder angeordnet sind Jedes Laufrad ist mit vielen Schaufelblaumlttern bestuumlckt die
wie Propeller aussehen Mit groszliger Geschwindigkeit stroumlmt der uumlberhitzte Dampf in die
Turbine und trifft auf die Schaufeln der Laufraumlder Dadurch wird der Turbinenlaumlufer in
eine Drehbewegung versetzt wobei genau 3000 Umdrehungen pro Minute geschafft
werden muumlssen damit die Generatoren die Netzfrequenz von 50 Hz einhalten Nachdem
der Dampf seine Energie auf die Schaufelraumlder uumlbertragen hat entspannt sich der Dampf
beim Durchstroumlmen der Turbine und kuumlhlt ab In Richtung zum Turbinenausgang
vergroumlszligern sich die Laufraumlder damit auch die schwaumlcher werdende Kraft des Dampfes
noch genuumlgend ausgenutzt werden kann Erst werden die Turbinen in dem
vergleichsweise kleinen Hochdruckteil in Bewegung gesetzt dann im baulich groumlszligeren
Mitteldruckteil zuletzt im groszligvolumigen Niederdruckteil Beim Verlassen der
gewaltigen Turbine hat der Dampf noch eine Temperatur von etwa 30deg C Der 30deg
warme Dampf wird im Kondensator mit Kuumlhlwasser gekuumlhlt und verdichtet sich wieder
zu Wasser Dieser Vorgang heiszligt Kondensation Das kondensierte Wasser wird zuruumlck in
die Rohrleitungen des Kessels gepumpt ndash der Kreislauf beginnt von Neuem Das
Kuumlhlwasser zur Kondensation des Dampfes gibt seine Waumlrmeenergie in Kuumlhltuumlrme In
diesen Naturzug-Kuumlhltuumlrmen wird das Wasser im unteren Drittel verrieselt Der
natuumlrliche Kamin der Luft in dem hohen Turm kuumlhlt das abregnende Wasser durch
Verdunstung [INTQ30] [BUC0860-61] Stromproduktion durch thermische Kraftwerke
ist stark verlustbehaftet da ein erheblicher Teil an Waumlrme bei der Verbrennung des
Brennstoffes an die Umgebung verloren geht was wiederum zu einen schlechten
Gesamtwirkungsgrad (von ca 30 - 40 [INTQ30]) fuumlhrt Abhilfe kann z B die Kraft-
Waumlrme-Kopplung bringen bei welcher die Abwaumlrme fuumlr Prozesswaumlrme oder zur Buumlro-
und Wohnraumbeheizung in Fernwaumlrmenetzen genutzt werden kann
Deutsche Kohlekraftwerke sind Umweltsuumlnder
Kohlekraftwerke emittierten bei einer taumlglichen Verbrennung von ca 5000 t Kohle pro
Tag 20 000 t Kohlendioxid das wesentlich zum Treibhauseffekt beitraumlgt Nach
Berechnungen von Umweltschuumltzern gehoumlren deutsche Kohlekraftwerke zu den
klimaschaumldlichsten Stromlieferanten in der Europaumlischen Union Nach einer
veroumlffentlichten Studie im Jahr 2007 des Oumlko-Instituts im Auftrag des WWF stehen von
den 30 groumlszligten Dreckschleudern in der EU allein zehn in Deutschland Als Richtmaszlig
galt dabei der CO2-Ausstoszlig pro erzeugter Kilowattstunde Strom Die Untersuchung habe
gezeigt dass im Jahr 2006 393 Millionen Tonnen Kohlendioxid das entspricht zehn
Prozent der europaumlischen CO2-Emissionen auf das Konto der Dreckigen Dreiszligig
gegangen sind [INTQ29] Zwar gaben die deutschen Inhaber dieser Werke im Jahr 2007
an die Kohlekraftwerke zu erneuern bzw bis zum Jahr 2012 die Werke in Nordrhein-
Westfalen zu schlieszligen jedoch nach aktuellem Stand sind noch keine nennenswerte
Schritte in diese Richtung gemacht worden Das staumlrkste Kohlekraftwerk der Welt ist das
bdquoTaichung Power Plantldquo in Taiwan mit einer Nettoleistung von 5500 Megawatt Es blaumlst
jaumlhrlich 397 Millionen Tonnen Kohlendioxid in den taiwanesischen Himmel [INTQ38]
Physikalische Grundlagen
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Das Kernkraftwerk
Bei Kohlekraftwerken muumlssen groszlige Massen an Kohlenstoff uumlber recht weite Strecken
von den Kohlegruben zu den Kraftwerken transportiert werde Mit wesentlich weniger
Massentransport kommen dagegen Kernkraftwerke aus Ein Kernkraftwerk mit einer
Leistung von 500 MW muss im Jahr nur etwa 15 t an Brennelementen austauschen und
es werden praktisch keine schaumldlichen Gase emittiert Allerdings entstehen bei der
Energiegewinnung hochradioaktive Spaltstoffe die nach dem Entnehmen in
Abschirmbehaumlltern sicher gelagert werden muumlssen Deutschland besaszlig im Jahr 2010 25
Kernkraftwerke wobei 13 bereits stillgelegt worden waren [INTQ31] Im selben Jahr
betrug der Anteil der Kernenergie an der Stromerzeugung in Deutschland rund 109
(vgl Abb 46)
Statt der chemischen Energie von Kohlenstoff und Sauerstoff wird im Kernkraftwerk die
Kernbindungsenergie von Uranatomen genutzt Laut der Quelle [HEI03229-233]
reichen die Uranressourcen uumlber 400 Jahre Wird ein Atomkern des Uranisotops 235
Uran
von einem bdquoNeutron getroffen erhoumlht sich die Massenzahl aus dem relativ stabilen 235
Uran wird ein extrem instabiles 236
Uran und zerfaumlllt in Sekundenbruchteilen in zwei
etwa gleich groszlige Bruchstuumlcke z B 144
Barium und 89
Krypton Wegen der
elektrostatischen Abstoszligungskraumlfte der gleichnamig geladenen Kernbruchstuumlcke fliegen
diese mit groszliger kinetischen Energie auseinander Dabei wird eine Energie von etwa 200
MeV frei In einem Kernkraftwerk werden im Betrieb pro Sekunde ca 1020 solcher
Urankerne gespalten Durch Zusammenstoszlig mit benachbarten Atomen wird diese
kinetische Energie in Waumlrmeenergie des Uranldquobrennstoffsldquo umgewandelt Bei der
Spaltung werden ferner ein Gammaquant und 2 bis 3 Neutronen frei (vgl Kapitel 412
Kernenergie) Neutronen koumlnnen in einem geeigneten Medium (z B Wasser) durch
Zusammenstoszlig mit Wasserstoffatomen so weit abgebremst werden dass sie eine
geeignete Geschwindigkeit erhalten um zwei bis drei weitere Uranatome zu spalten
Durch neutronenabsorbierendes Material (z B Bor oder Cadmium) werden so viele
Neutronen abgefangen dass im Durchschnitt nach jeder Spaltung eines Uranatoms durch
die Neutronenemission gerade ein weiteres Uranatom gespalten wird Im Reaktorkern
eines Kernkraftwerks ist das Uran aus Uranoxid mit einem Gehalt von ca 35 Uran in
Rohren aus einer Speziallegierung (Zircalloy) untergebracht Jeweils etwa 100 Rohre
sind zu einem sog Brennelement gebuumlndelt Zwischen den Rohren befindet sich Wasser
das einerseits die Waumlrme von den Brennelementen abfuumlhrt und auszligerdem als Moderator
zur Abbremsung der Neutronen dient [TIP041304-1313] [HEI03224-298]
Der Aufbau eines Kernkraftwerks
Im Betrieb wird eine starke Gammastrahlung emittiert ferner sind auch die
Spaltprodukte des Urans stark radioaktiv Deshalb muss der Reaktorkern so abgeschirmt
werden dass die Strahlung nicht in die Umgebung gelangen kann Auszligerdem muss
vermieden werden dass das Wasser aus dem Reaktordruckgefaumlszlig entweichen kann Zwar
wuumlrde ohne Moderator die Kernspaltung zum Erliegen kommen aber die Spaltstoffe
erzeugen durch die hohe Radioaktivitaumlt eine sog Nachwaumlrme von ca 7 der
Reaktorleistung die ohne weiteres reichen wuumlrde um den Reaktorkern zum Schmelzen
Physikalische Grundlagen
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zu bringen Der radioaktive Kern wuumlrde dann das Fundament durchdringen und in den
Erdboden einsinken Im Kontakt mit dem Grundwasser entstuumlnde eine gewaltige
Dampfwolke die die fluumlchtigen radioaktiven Stoffe des Kern in der Umgebung
verbreiten wuumlrde (bdquoSuper-GAUldquo GAU=Groumlszligter anzunehmender Unfall) Deshalb sind
fuumlr Bau und Betreib eines Kernkraftwerks weitaus groumlszligere Sicherheitsmaszlignahmen
erforderlich als fuumlr ein Kohlekraftwerk Die Kernspaltung findet im Inneren eines
maumlchtigen Stahlbehaumllters statt Der Druckbehaumllter hat Stahlwaumlnde von 25 cm Dicke Sie
muumlssen nicht nur dem Wasserdruck standhalten sondern auch zusammen mit einem
Betonmantel die radioaktive Strahlung der gespaltenen Uranatome zuruumlckhalten Ein
kugelfoumlrmiger Sicherheitsbehaumllter aus dickem Stahlblech sorgt dafuumlr dass kein
radioaktiver Dampf in die Umwelt gelangt wenn eine der mit dem Druckgefaumlszlig
verbunden Leitungen durch einen Materialfehler brechen sollte Schlieszliglich ist der
Reaktor samt Sicherheitsbehaumllter mit einer Stahlbetonhuumllle umgeben Eine maumlchtige
Grundplatte aus Beton von fast 3 m Staumlrke und 60 m Durchmesser traumlgt das Gewicht des
Reaktorgebaumludes Auf der Grundplatte ist eine Betonschale errichtet in der der
kugelfoumlrmige Sicherheitsbehaumllter ruht Dieser ist aus mehr als 500 Einzelteilen
zusammengeschweiszligt Alle Schweiszlignaumlhte sind sorgfaumlltig gepruumlft denn sie duumlrfen im
Ernstfall keine Radioaktivitaumlt entweichen lassen Der 450 t schwere Reaktordruck-
behaumllter wird aus geschmiedeten Stahlringen zusammengeschweiszligt Er ist in den sog
biologischen Schild eingesetzt einem Behaumllter mit Betonwaumlnden von mehr als 2 m
Staumlrke die die gefaumlhrliche Neutronenstrahlung abschirmt [TIP041304-1313]
[HEI03224-298]
Energiegewinnung im Druckwasserreaktor
Weltweit haben sich zwei Reaktortypen durchgesetzt der Siedewasserreaktor und der
Druckwasserreaktor der nachfolgend zunaumlchst beschrieben wird (vgl Abb 412) Die
Brennelemente erhitzen durch die bei der Kernspaltung entstehende Waumlrme das Wasser
im Druckgefaumlszlig auf etwa 320deg Das Wasser wird mit Pumpen vom Reaktorkern zum
Dampferzeuger transportiert (Primaumlrkreislauf) wo es seine Waumlrme uumlber
Zwischenwaumlnde an das Wasser eines zweiten Kreislaufs (Sekundaumlrkreislauf)abgibt
Dieses Wasser verdampft und treibt die Turbine an Durch die Auftrennung in zwei
Kreislaumlufe erreicht man dass das radioaktive kontaminierte Kuumlhlwasser aus dem
Reaktorkern nicht in den Kraftwerksteil mit der Turbine gelangt Turbine und Generator
benoumltigen also keine besonderen Schutzmaszlignahmen da sie keine Strahlung aussenden
Nachdem der Dampf die Turbine verlassen hat wird er im Kondensator abgekuumlhlt und
als Wasser wieder in den Dampferzeuger zuruumlckgepumpt (Kuumlhlwasserkreislauf) Im
Kondensator entsteht eine groszlige Waumlrmemenge die wie auch bei groszligen
Kohlekraftwerken ndash durch Kuumlhltuumlrme abgefuumlhrt werden muss Die in der Dampfturbine
erzeugte mechanische Leitung wird an den Generator abgegeben Dessen Polrad besteht
aus einem geschmiedeten Stahlzylinder mit Kupferspulen In den auszligenliegenden
Staumlnderspulen wird durch den rotierenden Laumlufer eine Wechselspannung von 27 kV
induziert Auch der zugehoumlrige Transformator hat gewaltige Ausmaszlige und ein Gewicht
von 450 t Er transformiert die Generatorwechselspannungen von 27 kV auf eine
Physikalische Grundlagen
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Hochspannung von 380 kV Dabei wird die Stromstaumlrke auf 3000 A herab transformiert
und erzeugt somit relativ geringe Verluste in den Hochspannungsleitungen [INTQ33]
[HEI03224-298]
Energiegewinnung im Siedewasserreaktor
Bei diesem Reaktortyp wird das Wasser bereits im Reaktordruckgefaumlszlig verdampft (nur
ein Teil da ja das Wasser auch als Moderator gebraucht wird) und der Dampf der
Turbine zugeleitet Der Dampfdruck betraumlgt bdquonurldquo etwa 70 bar die Leistungsdaten
entsprechen etwa denen des Druckwasserreaktors Da der Dampf radioaktive Gase und
Partikel enthaumllt muumlssen hier auch die bdquokonventionellenldquo Komponenten Turbine
Generator und Kondensator mit allen Leitungen in einem abgeschirmten und
kontrollierten Bereich betrieben werden Der einfache Aufbau im nuklearen Teil der
Anlage wird also durch mehr Aufwand im konventionellen Teil der Anlage kompensiert
Das Schema des Siedewasserreaktors und des Druckwasserreaktors befinden sich im
Anhang [INTQ34] [INTQ35]
Behandlung der Spaltstoffe
Die Spaltprodukte des Urans oder Plutoniums sind so stark radioaktiv dass sie auch nach
Unterbrechung der Kernspaltung groszlige Waumlrmemengen abgeben Sie muumlssen daher uumlber
Jahre nicht nur abgeschirmt sondern auch gekuumlhlt aufbewahrt werden Wenn die
Waumlrmeentwicklung genuumlgend zuruumlckgegangen ist wird ein Teil der abgebrannten
Brennelemente in sog Wiederaufbereitungsanlagen chemisch zerlegt und die
verbleibenden spaltbaren Isotope 235
Uran fuumlr neue Brennelemente verwendet Der stark
strahlende Abfall wird in Glasbloumlcke eingeschmolzen in rostfreie Stahlfaumlsser
eingeschweiszligt und in Betonbunkern strahlensicher verwahrt Ein anderer Teil der
abgebrannten Brennelemente soll in geeigneten Abschirmbehaumlltern in Zwischenlagern
aufbewahrt werden [TIP041301-1313] [HEI03224-298]
Sein verhaumlltnismaumlszligig schlechtes Image erhaumllt die Kernenergietechnik durch die Angst
vor Katastrophen vor der Verbreitung von Nuklearwaffen und vor dem Problem der
Endlagerung welches bis heue nicht geloumlst ist Nach dem schwersten jemals gemessenen
Erdbeben in der Geschichte Japans uumlberflutete ein Tsunami riesige Landstriche an der
Ostkuumlste Tausende Menschen wurden in den Tod gerissen In mehreren
Atomkraftwerken kam es daraufhin zu Stoumlrfaumlllen Im Reaktorkomplex Fukushima droht
seit diesem Moment (Maumlrz 2011) eine atomare Katastrophe
Ohne Kernenergie wird Deutschland seine Ziele bei der Reduktion der
Kohlendioxidemissionen nicht erreichen koumlnnen Dennoch hat die BRD mitunter auch
aufgrund des Vorfalls in Fukushima beschlossen alle Kernkraftwerke innerhalb der
naumlchsten Jahre abzuschalten
Physikalische Grundlagen
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Sonnenenergie
Abb 412 Durchschnittliche Sonneneinstrahlung in BRD [INTQ36]
5
pro Tag und im tiefen Winter auf ca 1
pro Tag [HEI03314-316] Man sieht
dass die Strahlungsenergie in den suumldlichen Bundeslaumlndern houmlher als im Norden ist
Zwar ist die Sonneneinstrahlung in Deutschland nicht so uumlppig wie in Laumlndern die naumlher
am Aumlquator liegen dennoch lohnt sich die Nutzung der Sonnenenergie in unseren
Breitengraden trotzdem da z B Solarzellen auch den diffusen Anteil der Strahlung
energetisch umsetzen koumlnnen Die Sonne strahlt in einer Sekunde mehr Energie ab als
der Mensch seit Beginn der Zivilisation verbraucht hat und sie steht uns kostenlos und
unendlich zur Verfuumlgung Bei der Solarenergienutzung unterscheidet man zwischen
Photovoltaik und Solarthermie
Photovoltaik
Photovoltaikanlagen bzw Solarzellen wandeln die Strahlungsenergie der Sonne ohne
Umwege direkt in elektrischen Strom um Sie bestehen aus verschiedenen
Halbleitermaterialien Uumlber 90 aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen
aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si) das unbegrenzt verfuumlgbar ist Beim
monokristallinen Silizium werden die Wafer das Ausgangsmaterial der Solarmodule
aus dem teuren Einkristallblock gesaumlgt Beim multikristallinen Silizium saumlgt man
Scheiben aus Siliziumbloumlcken die aus vielen kleinen Kristallen bestehen Diese Bloumlcke
Ohne die Sonne ist ein
Leben auf der Erde nicht
moumlglich Sie spendet Licht
erwaumlrmt den Boden die
Meere und die Atmosphaumlre
steuert Wetter und Klima
Die Sonne liefert Energie fuumlr
das Pflanzenwachstum und
damit fuumlr alles Leben Die
Sonne ist ein riesiges
Energiereservoir In der
Abbildung 412 ist die
durchschnittliche jaumlhrliche
Sonnenstrahlung in
Deutschland abgebildet
Uumlber ein Jahr summiert sich
die Lichteinstrahlung auf der
Erde auf ca 1 000
Die
Lichteinstrahlung belaumluft
sich im Hochsommer auf ca
Physikalische Grundlagen
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werden entweder durch Gieszligen von geschmolzenem Silizium in einen Tiegel hergestellt
oder das Silizium wird direkt im Tiegel mit starken elektromagnetischen Feldern aufge-
Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial dotiert Damit ist das
definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint mit denen man entweder
einen positiven Ladungstraumlgeruumlberschuss (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen
negativen Ladungstraumlgeruumlberschuss (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial
erzielen kann Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet
entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n-Uumlbergang An diesem Uumlbergang baut
sich basierend auf dem Photoeffekt ein inneres elektrisches Feld auf das zu einer
Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungstraumlger fuumlhrt Eine elektrische
Spannung kann anschlieszligend uumlber Metallkontakte abgegriffen werden Wird der aumluszligere
Kreis geschlossen das heiszligt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen flieszligt ein
Gleichstrom der direkt zum Betrieb elektrischer Geraumlte genutzt werden kann Um fuumlr die
unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw Leistungen
bereitstellen zu koumlnnen werden einzelne Solarzellen zu groumlszligeren Modulen miteinander
verschaltet [TIP041235-1242] Die rasante Entwicklung im deutschen Photovoltaik-
markt hat 2010 Schlagzeilen gemacht da im Laufe des Jahres sich die gesamte installiert
Leistung um rund 7 400 MW oder fast 75 auf 17 320 MW erhoumlht hat Mit 12 Mrd
kWh wurde aus Photovoltaik rund 82 mehr Strom als im Vorjahr erzeugt und damit
die Marke des Anteils von 2 am gesamten Stromverbrauch erreicht [BMU114-5]
Das staumlrkste Photovoltaik - Solarfeld mit 550 000 Solarmodulen befindet sich in
Deutschland oumlstlich von Leipzig auf einer Grundstuumlcksflaumlche von 110 Hektar (etwa 200
Fuszligballfelder) Es wurde im Jahr 2009 fertiggestellt und hat eine Nettoleistung von 40
Megawatt [INTQ38]
Solarthermische Kraftwerke
Ein Groszligteil des Stroms aus unserer Steckdose stammt aus fossilen und nuklearen
Kraftwerken Dabei ist das Prinzip der Erzeugung immer gleich Waumlrmeenergie die aus
der Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder aus der Spaltung von Atomkernen
Abb 413 Funktionsprinzip Photovoltaik [INTQ37]
schmolzen Aufgrund dieser Verfahren ist die
Herstellung sehr teuer Deshalb ist man bemuumlht
durch neue technische Verfahren die
Produktionskosten zu senken und gleichzeitig
die Qualitaumlt und den Wirkungsgrad zu steigern
Solarzellen haben je nach Halbleitermaterial
und Bauart unterschiedliche Wirkungsgrade
Solarzellen aus monokristallinem Silizium
haben den houmlchsten von bis zu 20 Die
Amortisationszeit betraumlgt ca 3 Jahre
[BUumlR0732-38]
Physikalische Grundlagen
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stammt wird verwendet eine Waumlrmekraftmaschine anzutreiben und uumlber einen
Generator elektrischen Strom zu erzeugen Genau diese Technik wird bei
solarthermischen Kraftwerken genutzt Es werden nur die konventionellen
Waumlrmequellen durch Sonnenenergie ersetzt Solarthermische Kraftwerke funktionieren
im Prinzip wie ein Brennglas Damit die Waumlrmekraftmaschinen aus der Solarenergie
effektiv und wirtschaftlich Strom herstellen koumlnnen benoumltigt man eine
Mindesttemperatur von 300degC Deshalb muumlssen die Sonnenstrahlen konzentriert werden
Die hohe Betriebstemperatur erfordert eine genuumlgend starke direkte Sonneneinstrahlung
was bedeutet dass solarthermische Kraftwerke deswegen nur im Sonnenguumlrtel zwischen
dem 35 noumlrdlichen und suumldlichen Breitengrad wirtschaftlich betrieben werden koumlnnen
und deshalb in Deutschland nur begrenzt einsetzbar sind Solarthermische Anlagen
stehen jedoch nicht rund um die Uhr zur Verfuumlgung Diese Luumlcken koumlnnen entweder
durch den zusaumltzlichen Einsatz von fossilen Brennstoffen oder durch die Speicherung
von Waumlrmeenergie kompensiert werden [BUumlR0724-31] Im Folgenden werden zwei
Arten solarthermischer Kraftwerke diskutiert das Turmkraftwerk und das Parabolrinnen-
Sonnenkraftwerk
Abb 414 Turmkraftwerk [INTQ46]
Im Receiver werden die Sonnenstrahlen von einem Traumlgermedium absorbiert und in ein
Waumlrmekraftwerk weitergeleitet Fluumlssiges Salz wird mit einer Temperatur von ca 290degC
in die Turmspitze gepumpt wo es auf ca 565degC erhitzt wird Uumlber Waumlrmetauscher wird
seine Waumlrmeenergie dann an Wasser weitergeleitet wobei Wasserdampf entsteht Dieser
Wasserdampf treibt eine Turbine an die wiederum uumlber einen Generator Strom erzeugt
Ein solches Turmkraftwerk erreicht einen Wirkungsgrad von ca 40 [HEI03328-330]
Einen Wirkungsgrad von etwa 20 erreichen konzentrierende Kollektoren bei denen
der Receiver im Brennpunkt eines Parabolspiegels liegt Ein Solarfeld besteht aus
mehreren parallel angeordneten Reihen von Kollektoren Diese Kollektorreihen haben
Bei den sogenannten
Turmkraftwerken stehen auf
einer groszligen Flaumlche um einen
zentralen Licht-Waumlrme-
Wandler (bdquoReceiver-Turmldquo)
verteilt hunderte meist
gekruumlmmte Spiegel
sogenannte Heliostaten Diese
Heliostaten reflektieren die
Sonnenstrahlen zur Turmspitze
und sind beweglich angebracht
was eine Ausrichtung zur
Sonne hin ermoumlglicht In der
Turmspitze sitzt der
sogenannte Receiver Dieser
kann sich auf 600deg bis 1000deg
erhitzen
Physikalische Grundlagen
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jeweils eine Troglaumlnge von ca 100 Metern und sind wiederum unterteilt in kleine
Einzelkollektoren Die Spiegel der Einzelkollektoren haben einen parabelfoumlrmigen
Querschnitt Im Brennpunkt des Spiegels verlaumluft ein Absorberrohr das von einem
hitzebestaumlndigen synthetischen Thermo-Oumll durchlaufen wird Das Sonnenlicht wird
konzentriert auf dieses Rohr reflektiert Das Oumll wird dadurch auf bis zu 400degC erhitzt
Die Energie wird uumlber das Traumlgermedium in die Kraftwerkszentrale transportiert wo sie
uumlber einen Waumlrmetauscher an Wasser abgegeben wird Der entstehende Wasserdampf
treibt dann wie schon beim Turmkraftwerk erklaumlrt einen Generator an [HEI03326-
328]
hreren parallel
Wasserenergie
Knapp 976 des gesamten Wassers der Erde findet man in Ozeanen und etwa ein
Viertel der Energie des von der Sonne auf die Erde eingestrahlten Lichts fuumlhrt zur
Verdunstung von Wasser jede Sekunde ca 14 Mio m3 Dieses Wasser kommt als Regen
wieder auf die Erde zuruumlck es schlieszligt sich der Wasserkreislauf der Natur der sog
Kindacutesche Wasserkreislauf Da Wasser von den Landflaumlchen der Erde aus einer
mittleren Houmlhe von durchschnittlich 800 m als Fallwasser aus Stauseen bzw in Fluumlssen
zu den Meeren ablaumluft kann die potentielle Energie und oder die kinetische Energie
von Wasser zur Stromerzeugung genutzt werden Diese Energie wird uumlber ein
Turbinenrad in mechanische Rotationsenergie umgewandelt die dem Antrieb von
Maschinen oder Generatoren dient Technisch ist die Wasserkraft weitgehend ausgereift
Je nach Einsatzort und Durchflussmengen werden unterschiedliche Turbinentypen
Parabolrinnen - Solarkraftwerk
Abb 415 Parabolrinnenkraftwerk [LAP10]
Physikalische Grundlagen
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eingesetzt Die Francis-Turbine die Kaplan-Turbine und die Pelton-Turbine sind die
am haumlufigsten verwendeten Auf eine ausfuumlhrliche Erlaumluterung der Turbinenformen wird
hier verzichtet da dies fuumlr das Schuumllerlabor nicht von Belang war
Aus dem Ablauf von jaumlhrlich ca 38 Billiarden t Wasser zu Land folgt fuumlr das
theoretische Potential dieser weltweiten Wasserkraft ein Wert von ca 40 000 TWhJahr
Geographisch sind die Wasserkraumlfte jedoch sehr ungleichmaumlszligig verteilt denn ca 23 des
nutzbaren Potentials liegt in den Laumlndern der Dritten Welt [HEI03300-305] So findet
sich eines der groumlszligten Wasserkraftwerke der Welt der Itaipu-Damm an der Grenze
zwischen Brasilien und Paraguay Mit einer Leistung von 12 600 MW deckt es einen
Groszligteil des Strombedarfs Paraguays und Brasiliens Das staumlrkste Wasserkraftwerk der
Welt ist der bdquo3-Schluchten-Staudammldquo in China Mit einer Leistung von 18 200 MW
traumlgt es zur Stromerzeugung pro Jahr mit 85 000 Gigawattstunden bei [INTQ38] In
Europa wird das Potential der Wasserkraft erst zu ca einem Drittel ausgenutzt
Norwegen liegt dabei an der Spitze wo 99 des Stroms aus Wasserkraft gewonnen
wird In Deutschland spielt die Energieerzeugung mit Wasserkraft nur eine geringe Rolle
(35 ) [WIL0920-21] Groumlszligere Kraftwerke lassen sich hierzulande kaum mehr bauen
denn die moumlglichen Standorte die sich eher im Suumlden Deutschland befinden werden
schon von Wasserkraftwerken genutzt oder sind durch Landschaftsschutzbestimmungen
nicht mehr ausbaufaumlhig Einen Anteil von 4 ndash 5 am gesamten deutschen Strommix
wird die Wasserenergie in Deutschland kaum mehr uumlberschreiten [PET08237-243]
In verschiedenen Kraftwerkstypen die einen Wirkungsgrad von bis zu 97 erreichen
koumlnnen [HEI03300] wird die Wasserkraft sich unterschiedlich zu Nutze gemacht
Abb 416 Laufwasserkraftwerk Speicherkraftwerk und Pumpspeicherkraftwerk [INTQ39]
Laufwasserkraftwerke gehoumlren zu den Niederdruckkraftwerken da die meisten
Laufwasserkraftwerke nur ein geringes Gefaumllle aufweisen und das Wasser deshalb nur
einen geringen Druck aufbauen kann Sie nutzten die Kraft des flieszligenden Wassers in
Fluumlssen und haben einen Wirkungsgrad von fast 94 Der Fluss wird mittels einer
Wehranlage aufgestaut und durch Turbinen in den unteren Flusslauf geleitet Dieser
Kraftwerkstyp laumlsst sich als Grundlastkraftwerk einsetzen da es kontinuierlich Strom
produziert obwohl die produzierte Strommenge mit dem Wasserstand des Flusses
Laufwasserkraftwerk Speicherkraftwerk Pumpspeicherkraftwerk
Physikalische Grundlagen
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schwankt Somit laufen die Kraftwerke 24 Stunden am Tag Wo es moumlglich ist werden
Laufwasserkraftwerke mit moumlglichst hohen Staumauern errichtet Durch die groumlszligere
Fallhoumlhe kann das Wasser somit einerseits einen houmlheren Druck aufbauen und so groumlszligere
Mengen Strom erzeugen und andererseits kann das aufgestaute Wasser als
Energiereserve dienen Vor allem an Rhein Donau Iller Lech Isar Inn und Mosel
findet man in Deutschland ca 6300 groszlige Laufwasserkraftwerke Ihr Leistungsbereich
geht bis zu 150 MW [HEI03303]
Speicherkraftwerke nutzen die in einem natuumlrlichen (Schmelzwasser) oder kuumlnstlich
angelegten Stausee gespeicherte potentielle Energie des Wassers zur Stromerzeugung
Aufgrund des groszligen Gefaumllles trifft das Wasser mit hohem Druck auf die Turbinen die
sich in einem tiefer gelegenen Krafthaus befinden Speicherkraftwerke koumlnnen je nach
Bedarf innerhalt von Minuten in Betreib genommen und wieder abgestellt werden sie
sind also fuumlr Spitzenverbrauchszeiten geeignet Die Stauung des Wassers dient auch zur
Hochwasserruumlckhaltung Regulierung des Abflusses fuumlr die Sicherheit der Schifffahrt
zur Speicherung von Trinkwasser und zur Bewaumlsserung
Pumpspeicherkraftwerke dienen zur Haltung der Netzfrequenz Stabilisierung des
Netzes und als Reservewerk wenn andere Kraftwerke ausfallen Sie arbeiten bei der
Stromerzeugung genau wie Speicherkraftwerke In einem Pumpspeicherwasserkraftwerk
gibt es ein houmlher gelegenes und ein niedrig gelegenes Wasserbecken Zu den
Spitzenlastzeiten des Stromverbrauchs wird das Wasser vom oberen Becken durch
Turbinen und Generatoren in das niedrigere Bassin geleitet In der Nacht wird das
Wasser dann mit billigem Nachtstrom durch Rohrleitungen wieder in das obere Becken
gepumpt die Generatoren und Turbinen werden dann als Pumpen verwendet
Pumpspeicherkraftwerke erreichen eine Leistung von bis zu 1 000 MW und haben einen
Wirkungsgrad von rund 75 [BUumlR0720-23] [HEI03303]
arbeiten Dies erreicht man indem man die Rotorblaumltter umstellt Da sich der
Gezeitenrhythmus taumlglich um 50 Minuten verschiebt verschiebt sich damit auch der
Zeitpunkt der vollen Leistungsfaumlhigkeit eines solchen Kraftwerks Das staumlrkste
Gezeitenkraft in Dammbauweise befindet sich in Frankreich bdquoLa Ranceldquo produziert
jaumlhrlich 600 Gigawattstunden Strom Das staumlrkste schwimmende Wellenkraftwerk
Gezeitenkraftwerke nutzen den Houmlhenunter-
schied (Tidenhub) des Meerwassers bei Ebbe und
Flut Bei Flut stroumlmt das Wasser durch
Roumlhrenturbinen in einer Staumauer in die
abgetrennte Meeresbucht Ist der Wasserspiegel
zwischen Meer und Bucht auf gleicher Houmlhe
werden die Oumlffnungen der Staumauer geschlossen
Bei Ebbe wiederholt sich der Vorgang in
umgekehrter Richtung Die Turbinen werden bei
Flut vom einflieszligenden Wasser bei Ebbe vom
ausflieszligenden Wasser in Bewegung gesetzt
weshalb sie in beiden Durchstroumlmungsrichtungen
Abb 417 Gezeitenkraftwerk [PET08241]
Physikalische Grundlagen
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bdquoAgucaduora Projectldquo liegt in Portugal ist 140 m lang hat einen Durchmesser von 35 m
und hat eine Nettoleistung von 750 Kilowatt je Anlage (3 Anlagen sind installiert)
Dieses Kraftwerk spart jaumlhrlich 60000 Tonnen Kohlendioxid ein [INTQ38]
Bioenergie
Das Wort Bioenergie bezeichnet die Energiebereitstellung auf der Basis nachhaltig
bereitgestellter Biomasse Der Begriff bdquoBiomasseldquo beschreibt die Gesamtmasse der in
einem Lebensraum vorkommenden lebenden oder rezent abgestorbenen pflanzlichen
tierischen oder menschlichen Stoffe die noch nicht fossil sind [BUC08134-136] Dazu
zaumlhlen nicht nur alle Pflanzen Tiere Pilze und Bakterien sondern auch alle organischen
Abfaumllle aus Natur Haushalt und Industrie sowie Tier- und Pflanzenprodukte Basis fuumlr
die Bildung von Biomasse ist die vor allem von Pflanzen betriebene Photosynthese bei
der Sonnenenergie absorbiert und durch Bildung von Biomasse gespeichert wird Der
weltweite jaumlhrliche Zuwachs an Biomasse mit der in ihr gespeicherten Energie uumlbertrifft
das Mehrfache des Weltenergieverbrauchs In Deutschland steht schaumltzungsweise ein
sofort nutzbares Potential an Biomasse von 2343 PJ zur Verfuumlgung Damit koumlnnen 16
Prozente des Primaumlrenergie- bzw 24 Prozent des Endenergiebedarfs gedeckt werden
[SCH00] Im Jahr 2010 trug die Bioenergie in der BRD zum Waumlrmebedarf mit 90
zum Strombedarf mit 55 und zum Kraftstoffbedarf mit 58 bei [BMU11]
Biomasse ist demnach gleichermaszligen fuumlr die Erzeugung von Elektrizitaumlt Waumlrme und
Kraftstoffen brauchbar Je nach Art der Biomasse sind unterschiedliche
Aufbereitungsschritte notwendig Ein Uumlberblick uumlber die technischen Moumlglichkeiten der
Konversion und Verwertung von Biomasse findet sich auf der beiliegenden CD In
Deutschland spielt inzwischen die Erzeugung von Biogas eine wichtige Rolle
hierzulande wurden im Jahr 2010 etwa 6000 Biogasanlagen mit einer Leistung von rund
2279 Megawatt betrieben die etwa 128 Mrd kWh Strom erzeugten In der
Schuumllerlabordurchfuumlhrung wurde speziell aus diesem Grund auf die Funktionsweise von
Biogasanlagen eingegangen [INTQ41]
Bei den Wellenkraftwerken schwappen die Wellen in eine Art Kamin Dabei druumlckt
jede Welle Luft in die Houmlhe und zieht sich ndash wenn das Wellental folgt ndash wieder heraus
Eine Spezialturbine treibt einen Generator an und verwandelt so die abwechselnd
komprimierte und angesaugte Luft in elektrischen Strom Die Nutzung ist schwierig und
vor allem teuer Die Kraftwerke muumlssen auf Plattformen entstehen die voll automatisiert
funktionieren Auch der Mechanismus der die Wellenenergie in elektrische Energie
umwandelt ist sehr kompliziert da die Staumlrke und Richtung der Wellen stark schwankt
[BUumlR0772-78]
Ein Stroumlmungskraftwerk funktioniert im Prinzip wie eine Windkraftanlage nur
bewegen sich die Rotorblaumltter (Durchmesser jeweils 10 m) unter Wasser Die
Drehbewegung der Rotoren wird in elektrischen Strom umgewandelt Der Turm
(bdquoMonopileldquo) an dem die Rotoren befestigt sind ist am Meeresboden in ein Bohrloch
mit mehreren Meter Durchmesser einbetoniert Solche Anlagen erreichen eine Leistung
von 600 ndash 800 kW [PET08237-243]
Physikalische Grundlagen
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In Biogasanlagen wandeln Bakterien und Pilze die Biomasse bei einer biologisch-
chemischen Konversion uumlber Gaumlrungsprozesse zu einem sekundaumlren Energietraumlger zum
Beispiel Biogas um Guumllle und andere Substanzen werden in einer Vorgrube
zwischengelagert und eventuell zerkleinert verduumlnnt oder gemischt Diese Substanzen
sind Energiepflanzen (zB Mais und andere Getreide Schilfgras) Reststoffe wie
Ernteruumlckstaumlnden (zB Ruumlbenblaumltter) tierische Exkremente (zB Guumllle Mist)
Nebenprodukte der Lebensmittelproduktion (zB Fette Speisereste Kartoffelschalen)
oder organische Abfaumllle (zB Klaumlrschlamm) Sie werden im Fermenter (auch
Gaumlrbehaumllter Faulbehaumllter oder Bioreaktor) zur Biogaserzeugung eingesetzt werden
Der Fermenter ist das Kernstuumlck der Biogasanlage Er ist ein Behaumllter in dem Biomasse
unter Ausschluss von Licht und Sauerstoff von Mikroorganismen abgebaut wird Aus
den Abbauprodukten dieses Gaumlrprozesses bilden methanogene Bakterien dann Methan
und Kohlendioxid Dieser Faulbehaumllter ist beheizt und verfuumlgt uumlber eine
Durchmischungseinrichtung und eine Moumlglichkeit zur Entnahme des Biogases Das
entstehende Biogas wird in der Haube direkt uumlber dem Substrat gespeichert oder es kann
direkt in ein Blockheizkraftwerk geleitet werden wo es in einem Gasmotor zur Strom-
und Waumlrmeerzeugung verbrannt wird Alternativ kann das Biogas in einer
Gasaufbereitungsanlage gereinigt werden Dabei wird der Methangehalt des Biogases
gesteigert um dessen Zusammensetzung der Zusammensetzung konventionellen
Erdgases anzugleichen Hierzu muss das Biogas veredelt werden dh Schwefelwasser-
stoff Kohlendioxid und andere Schadgase muumlssen entfernt werden Aufbereitetes Biogas
Funktionsprinzip einer Biogasanlage
Abb 418 Energiegewinnung mit einer Biogasanlage [INTQ42]
Physikalische Grundlagen
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wird auch als bdquoBioerdgasldquo oder Bio-Methan bezeichnet Es kann direkt in bestehende
Erdgasnetze eingespeist werden oder als Kraftstoff in Erdgasautos genutzt werden
[INTQ42] Die Flaumlchenkonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion ist eines der Probleme
bei der Nutzung von Bioenergie Fuumlr etwa 20 000 km Fahrleistung eines Pkw der mit
Rapsoumll betrieben wird ist z B ein Hektar Flaumlche noumltig Daruumlber hinaus wird auch der
Import landwirtschaftlicher Produkte aus Entwicklungs- und Schwellenlaumlndern zur
energetischen Nutzung in den Industrienationen kritisch beaumlugt Dadurch gehen in diesen
Laumlndern Flaumlchen fuumlr die Nahrungsmittelproduktion verloren und sie sind staumlrker auf den
Import von Nahrungsmitteln angewiesen Auch die Klimabilanzen der verschiedenen
Bioenergienutzungen stehen zur Diskussion So gibt es in den Energiegehalten zum Teil
betraumlchtliche Unterschiede Die fossilen Energietraumlger sind dabei kaum zu schlagen Der
Energieinhalt von schwerem Heizoumll liegt beispielsweise bei 119 kWhkg waumlhrend der
Energieinhalt Stroh nur bei 40 kWhkg betraumlgt [WIL0924-25] Weiterhin kommt die
Tatsache hinzu dass bei der energetischen Verwendung von Biomasse nur so viel CO2
freigesetzt wird wie zuvor durch das Pflanzenwachstum aus der Luft gebunden wurde
Beruumlcksichtigt man aber zusaumltzlich alle vom Anbau der Energiepflanzen bis zur Nutzung
beim Verbraucher entstehenden Emissionen koumlnnen insgesamt mehr klimawirksame
Treibhausgase entstehen z B Lachgas oder Methan als durch den Ersatz der fossilen
Energietraumlger vermieden werden [PET08225-230]
Geothermie
In der Erdrinde existiert ein Waumlrmefluss Er wird zu 30 Prozent durch den Zerfall
radioaktiver Isotope im Erdinneren und zu 70 Prozent durch die auf die Erde einge-
strahlte Sonnenenergie verursacht Je tiefer man zum Erdkern vordringt umso houmlher
werden die Temperaturen im Erdinneren Etwa alle 1000 Meter steigen sie um ca 30
Grad Die Masse des heiszligen Erdinneren wird als Magma bezeichnet In einigen Gebieten
unserer Erde tritt dieser heiszlige Magmafluszlig so nahe an die Erdoberflaumlche heran dass in
geringer Tiefe Temperaturen von mehr als 1000 degC auftreten Erscheinung solcher Art
nennt man geothermische Anomalien Allein in dem Bereich der Erdkruste bis in eine
Tiefe von ca 10 km sind ca 600 Mio EJ Waumlrme im Temperaturbereich von ca 30 bis
300 degC im Gestein gespeichert [HEI03351-355]
Erdwaumlrme kann grundsaumltzlich aus unterschiedlichen Tiefen entnommen werden Ihre
technische Nutzbarkeit haumlngt in erster Linie von den geologischen und
hydrogeologischen Bedingungen am Standort ab Fuumlr die oberflaumlchennahe Waumlrme (etwa
bis 400 m Tiefe) werden erdgekoppelte Waumlrmepumpen eingesetzt (vgl Kapitel 47)
Die Nutzung der Waumlrme in tieferen Schichten kann im Wesentlichen nach zwei
Verfahren unterschieden werden Bei der hydrothermalen Geothermie in 1500 bis
3000 m Tiefe wird heiszliges Wasser das sich in den Gesteinsschichten befindet gefoumlrdert
und anschlieszligend uumlber einen Waumlrmetauscher geleitet Mittels einer zweiten Bohrung
gelangt das abgekuumlhlte Wasser wieder zuruumlck in die Tiefe Die gewonnene Waumlrme wird
anschlieszligend z B in ein Fernwaumlrmenetz eingespeist Petrothermale Systeme nutzen
hingegen die im tiefen kristallinen Gestein enthaltene Waumlrme in 3000 bis 6000 m
Tiefe Charakteristisch hierfuumlr ist das Hot-Dry-Rock-Verfahren (Abbildung 419)
Physikalische Grundlagen
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Die Abbildung 420 zeigt die Nutzung geothermischer Waumlrme in Deutschland In 1000
bis ca 5000 m Tiefe finden sich in geologisch ganz unterschiedlichen Regionen
Deutschlands Warmwasservorkommen Die Temperaturen liegen regional unterschied-
lich und tiefenabhaumlngig zwischen 40 und 190 degC [INTQ43]
Windenergie
Die Windenergienutzung hat innerhalb der letzten fuumlnfzehn Jahren eine rasante Zunahme
erfahren (vgl Abb 421) Inzwischen stehen in Deutschland 21607 Windenergieanlagen
Abb 419 Hot-Dry-Rock-Verfahren [INTQ44]
Abb 420 Nutzung geothermischer Waumlrme in
Deutschland [INTQ43]
Es werden zwei Bohrloumlcher in das
Erdinnere bis in den Bereich des heiszligen
Granits eingebracht der eine
Temperatur von mehreren 100 degC
aufweist Dabei muss eine Bohrung die
Injektionsbohrung tiefer als die andere
sein In die tiefere Bohrung wird kaltes
Wasser eingepresst Wenn sich dieses
erwaumlrmt steigt der Druck im Bohrloch
so stark an dass er das umgebene
Gestein zu sprengen vermag Die
zweite Bohrung Foumlrderbohrung muss
so an die untere Bohrung anschlieszligen
dass sie das Wasser aufnehmen kann
dass sich im Bereich des gebrochenen
Gesteins erwaumlrmt hat Bei diesem
Verfahren liegt die groumlszligte
Schwierigkeit in den Bohrkosten Fuumlr
gute Standorte sind diese vergleichbar
mit denjenigen einer Erdoumllbohrung fuumlr
schlechte Standorte betragen sie ein
Vielfaches [WOK99146-150]
[BUumlR0752-58] In Deutschland liegt
mit etwa 90 Prozent der Hauptteil des
Potenzials zur geothermischen
Stromerzeugung im Einsatz
petrothermaler Systeme [INTQ43]
Physikalische Grundlagen
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mit einer installierten Leistung von 27214 Megawatt [INTQ45] Im Jahr 2010 trug die
Windenergie mit 133 zur deutschen Endenergiebereitstellung bei [BMU11]
Abb 421 Die Entwicklung der Windenergie in Deutschland bis zum Jahr 2010 [INTQ45]
Die Deutschen nehmen einen Spitzenplatz bei der Windkraftproduktion ein 28 der
weltweit installierten Windkraft stehen heute in Deutschland es folgen Spanien und die
USA mit jeweils knapp 16 Zudem ist Deutschland mit 37 Weltmarktanteil die
groumlszligte Manufaktur fuumlr Windkraftanlagen [PET08213-223]
Allgemein nutzen Windkraftanlagen indirekt die als Strahlung von der Sonne zur Erde
transportierte Energie Das Sonnenlicht dringt zunaumlchst fast ungehindert durch die
Atmosphaumlre zum Boden und wird dort groumlszligtenteils absorbiert Dabei erwaumlrmt sich die
Erde und uumlbertraumlgt einen Teil dieser Waumlrme auf die Luftschicht uumlber dem Erdboden Die
erwaumlrmte Luft dehnt sich aus und steigt wegen ihrer geringeren Dichte nach oben An
den erwaumlrmten Stellen entsteht dadurch ein Gebiet niedrigen Luftdrucks in das die Luft
aus den umliegenden Gebieten stroumlmt Die Windenergie ist also die kinetische Energie
der stroumlmenden Luftmassen die mittels Windfluumlgelraumldern partiell in nuumltzliche
mechanische Rotationsenergie umgewandelt werden kann Die gesamte kinetische
Energie der Luftstroumlme betraumlgt ca 3 middot 1015
das sind etwa 02 der empfangenen
Sonnenenergie Davon wird rund 1 als technisch nutzbar angesehen [DIT98351-359]
Im Idealfall kann kinetische Energie des Windes zu knapp 60 in mechanische
Rotationsenergie und diese dann uumlber einen Generator praktisch vollstaumlndig in
elektrische Energie gewandelt werden In der Realitaumlt werden heute jedoch bei der
bereits ziemlich ausgereiften Technik dieser Windenergiewandlung Umwandlungs-
wirkungsgrade von ca 40 ndash 50 erreicht [HEI03305-313]
Bei der Nutzung der Windenergie ist zu beachten dass die auftretenden
Windgeschwindigkeiten sowohl zeitlich als auch raumlumlich sehr unterschiedlich sind Die
Abbildung 422 zeigt die mittleren Windgeschwindigkeiten in Deutschland Die Graphik
zeigt dass vorwiegend die Windenergie im Kuumlstenbereich von Niedersachsen
Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern bei einer mittleren
Windgeschwindigkeit zwischen 4 und 6
genutzt werden kann
Physikalische Grundlagen
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Abb 423 Seewindstaumlrken in 100 m Houmlhe in Europa [PET08222]
Verkabelung aufwaumlndiger aber durch groumlszligere Windgeschwindigkeiten ist die Ausbeute
deutlich besser Die Abbildung 423 gibt einen Uumlberblick uumlber die Seewindstaumlrken in 100
m Houmlhe in Europa Weiter sind Zahlen uumlber bereits installierte geplante und genehmigte
Offshore-Anlagen in Europa angegeben In Europa ist Daumlnemark Vorreiter in der
Nutzung von Offshore-Windkraft [PET08213-223] Hier liegt auch der staumlrkste
Offshore-Windpark der Welt bdquoNysted Havmoslashlleparkldquo nimmt eine Flaumlche von 24
Quadratkilometern ein und produziert im Jahr genuumlgend Strom um 145000 daumlnische
Haushalte mit Elektrizitaumlt versorgen zu koumlnnen Der staumlrkste Onshore-Windpark bdquoHorse
Bislang wurden in Deutschland Windkraft-
Anlagen hauptsaumlchlich auf dem Festland
installiert Es bieten sich dafuumlr aber auch
kuumlstennahe Bereiche von Nordsee und
Ostsee besonders an Hier koumlnnte bei
houmlherer zeitlichen Verfuumlgbarkeit (ca 1
Drittel der Zeit) als auf dem Land im
Kuumlstenbereich (ca 1 Fuumlnftel der Zeit) und
bei houmlheren mittleren Windgeschwindig-
keiten auf einer kleineren Flaumlche mehr
Windenergie gewonnen werden als auf dem
Festland [HEI03309-310] Aus diesem
Grund erfahren Offshoreanlagen eine
zunehmende Bedeutung Zwar sind die
Investitionskosten hier houmlher die
Gruumlndung im Meeresboden aufgrund
komplexer Tragkonstruktionen und die
Abb 422 mittlere Windgeschwindigkeit in
Deutschland [HEI03310]
Physikalische Grundlagen
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Hollow Wind Energy Centerldquo befindet sich in Texas mit einer Nettoleistung von 7355
Megawatt aus 421 Windkraftanlagen [INTQ38]
Aufgrund der zeitlich begrenzten Verfuumlgbarkeit von Windenergie hat ein Windkraftwerk
in guumlnstiger Lage (Kuumlste oder Mittelgebirgshoumlhe) nur ungefaumlhr 3000 Voll-Last-
Stunden waumlhrend z B Kohlkraftwerke 8 000 Voll-Last-Stunden pro Jahr erreichen
Dies bedeutet dass ein Stromnetz mit hoher Verfuumlgbarkeit nicht allein aus
Windkraftwerken gespeist werden kann Entweder benoumltigt man zusaumltzlich
Speicherkraftwerke oder die wechselnde Energieabgabe muss von konventionellen
Kraftwerken im Verbundnetz ausgeglichen werden [HEI03305-313]
Funktionsprinzip von Windkraftanlagen
Um elektrische Energie aus Windkraftanlagen gewinnen zu koumlnnen muss die kinetische
Energie des Windes zuerst in mechanische Energie gewandelt werden Dieser erste
Umwandlungsschritt wird durch den Rotor der Windkraftanlage realisiert Dafuumlr gibt es
zwei Umwandlungsprinzipien das Widerstandsprinzip und das Auftriebsprinzip Das
Widerstandsprinzip basiert auf der Widerstandskraft welche eine Rotorflaumlche in einer
Luftstroumlmung erfaumlhrt Hier wird nur ein geringer Wirkungsgrad erreicht [WOK99127-
140] Durch das Auftriebsprinzip in welchem die Antriebskraft eingesetzt wird werden
bei modernen Windkraftanlagen die Rotorblaumltter bewegt
Die Flaumlche der Oberseite eines Windkraftanlagen-Fluumlgels genauso wie die Oberseite
eines Flugzeugfluumlgels ist groumlszliger als die der Unterseite Da die Laumlnge groumlszliger ist muss
sich die Luft an der Oberseite schneller bewegen als an der Unterseite (vgl Abb 424)
Bei gleicher Houmlhe besagt die Bernoulli-Gleichung dass die Summe aus dynamischem
Druck und statischem Druck einer Seite konstant ist
middotv
2ober + pober =
middotv
2unter + punter
Da an der Oberseite die Luftgeschwindigkeit vober groumlszliger ist als an der Unterseite
resultiert daraus ein Unterdruck pober an der Oberseite und ein Uumlberdruck punter an der
Unterseite Auf diesem Druckverhaumlltnis basierend kann ein Flugzeug abheben und
Abb 424 Auftriebsprinzip als
Antriebskraft [INTQ45]
Abb 425 Luftdruck an einem Blatt
[INTQ45]
Physikalische Grundlagen
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fliegen Das gleiche Prinzip wird auch dem Rotorblatt einer Windkraftanlage genutzt
um es zu bewegen Die Auftriebskraft nimmt mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit
v der Luftdichte ρ der Tragflaumlche f und dem Auftriebsbeiwert cA zu
FA = cA middot
middot f middot v
2
Sowohl fuumlr die Oberseite als auch fuumlr die Unterseite des umstroumlmten Fluumlgels bedeutet
dies dass die Flaumlche f die Tragflaumlche ist welche sich aus der Breite mal der Laumlnge des
Fluumlgels errechnet (Abb 425) Der Auftriebsbeiwert cA ist abhaumlngig vom Anstellwinkel
α was zur Folge hat dass durch die Anpassung des Anstellwinkels die Auftriebskraft
beeinflusst werden kann Die Widerstandskraft W tritt auch bei Flugzeug- und
Windkraftanlagenfluumlgeln auf bleibt aber bei einem geringen Anstellwinkel sehr klein
naumlmlich 20- bis 100-mal niedriger als die Auftriebskraft und ist immer gegen die
Windrichtung gerichtet Die Widerstandskraft beginnt ab einem Anstellwinkel von 20
Grad groumlszliger zu werden [INTQ45] [TIP04408-410]
Alle Anlagen erfordern ein Verfahren zur Begrenzung der aufgenommenen Leistung und
Belastungen da die im Wind enthaltene Leistung mit der dritten Potenz der
Windgeschwindigkeit ansteigt und ab einer Windgeschwindigkeit von ca 9
- 12
die Rotorleistung groumlszliger als die Nennleistung der Windkraftanlage ist was zur Folge hat
dass das Material durch zu schnelles Wehen des Windes zu Schaden kommt Hierzu
haben sich zwei Prinzipien durchgesetzt naumlmlich die Stall- und Pitchregelung
In der Bauart der stallgeregelten Windenergieanlage sind die Rotorblaumltter mit der
Nabe verbunden Die Drehzahl haumllt ein direkt an das Netz gekoppelter
Asynchrongenerator nahezu konstant Dabei handelt es sich um einen generatorisch
betriebenen uumlblichen Drehstrommotor Bei staumlrkerem Wind kommt es zu einer
Veraumlnderung der Anstroumlmrichtung die aus der vektoriellen Addition von
Windgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit resultiert
Diese Vergroumlszligerung des Anstellwinkels fuumlhrt an der Saugseite der Blaumltter zur
Stroumlmungsabloumlsung (engl Stall) Waumlhrend einem Flugzeug nun der Absturz droht wird
die Windturbine vor uumlberhoumlhter Leitung bewahrt da sich der Auftrieb vermindert und
der Widerstand erhoumlht (Abb 427) Zusaumltzlich muumlssen die Rotorblaumltter um ihre
Laumlngsachse drehbar in der Nabe gelagert sein Durch ein Verstellen der Rotorblaumltter um
wenige Grad hin zu groumlszligeren Anstellwinkeln α laumlsst sich der Stroumlmungsabriss aktiv
beeinflussen und zuverlaumlssig die gewuumlnschte Nennleistung einstellen [BUumlR0712-18]
Das zweite Prinzip zur Leistungsbegrenzung basiert auf einer staumlrkeren Verstellung des
Abb 426 Leistungsbegrenzung bei Windzunahme durch Stroumlmungsabriss - Winddreieck INTQ45]
Physikalische Grundlagen
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Blattwinkels (engl Pitch) Nimmt die Windgeschwindigkeit nach Erreichen der
Nennleistung zu so wird das Blatt mit der Vorderkante in den Wind gedreht (Abb 427)
Durch Verringerung des Anstellwinkels werden Leistung und Belastungen begrenzt
[BUumlR0712-18]
beschrieben Die in Abbildung 428 dargestellten Kurven sind die Leistungskurven einer
15 MW Windkraftanlagen Verschiedene Windkraftanlagenmodelle koumlnnen in
unterschiedliche Betriebsphasen eingeteilt werden
Phase 1 (von 0 bis 3
) Unterhalb der Einschaltwindgeschwindigkeit ist die Anlage
nicht in Betrieb Es gibt zu wenig Wind um Strom zu erzeugen
Phase 2 (von 3 bis 13 ndash 15
) Je nach Anlagentyp fangen die Fluumlgel an sich ab ca 3
zu drehen Mit steigender Windgeschwindigkeit nimmt die Leistung zu bis die
maximale Nennleistung des Generators erreicht wird
Phase 3 (von 13 - 17 bis 25
) In diesem Windgeschwindigkeitsbereich entspricht die
abgegebene elektrische Leistung naumlherungsweise der installierten Generatorleistung Die
Pitch-Windkraftanlage ist durch das Pitchsystem gebremst waumlhrend die Stall-
Windkraftanlage durch die Turbulenzen der Luft hinter den Blaumlttern gebremst und
reguliert ist Die Stall-Windkraftanlagen liefern bei dem Windgeschwindigkeitsbereich
von 15 bis 18
und 21 ndash 25
mehr Energie als die Pitch-Windkraftanlagen
Phase 4 (ab 25
Uumlbersteigt die Windgeschwindigkeit eine von Anlagenbauart und
Typ abhaumlngige obere Geschwindigkeitsgrenze muss der Konverter zur Vermeidung
einer mechanischen Zerstoumlrung abgeschaltet werden [INTQ45]
Abb 427 Leistungsbegrenzung bei Windzunahme durch Regelung mittels Blattwinkelverstellung
- Winddreiecke [INTQ45]
Abb 428 Leistungskurven [INTQ47]
Die Leistungskennlinie einer
Windkraftanlage ist die abge-
gebene Leistung als Funktion der
Windgeschwindigkeit Durch sie
wird die Abhaumlngigkeit der vom
Generator abgegebenen mittleren
elektrischen Leistung von der
Windgeschwindigkeit und damit
das Betriebsverhalten eines
typischen Windenergiekonverters
Physikalische Grundlagen
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42 Die Induktion
Weitaus der groumlszligte Teil der elektrischen Energie die heute genutzt wird stammt aus
Kraftwerken die mechanische Energie durch Generatoren in elektrische Energie
umwandeln Grundlage dieser Umwandlung ist die von Michael Faraday (1831)
entdeckte elektromagnetische Induktion [DEM02117-120] Sie besagt dass wenn man
ein elektrisch leitendes Material in einem Magnetfeld bewegt oder durchsetzt ein sich
bewegendes Magnetfeld ein elektrisch leitendes Material so wird in dem Material eine
Spannung induziert dh es findet eine Trennung von Ladungstraumlger im Leiter statt
Entscheidend fuumlr die Staumlrke der induzierten Spannung sind die Anzahl und die zeitliche
Aumlnderung der den Leiter durchsetzenden Feldlinien
Das Gesetz der elektromagnetischen Induktion kann auf nachfolgendem Weg hergeleitet
werden Bindet man eine Spule in einen Stromkreis ein an welchem ebenfalls ein
Oszilloskop angeschlossen ist und bewegt man einen Magneten in die Spule oder wieder
heraus so stellt man fest dass eine Spannung induziert wird In diesem Fall bei welchem
ein Magnet mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in eine Spule mit verschiedenen
Windungszahlen und Querschnittsflaumlchen gebracht wurde liegt eine zeitliche
Magnetfeldaumlnderung vor Es gilt
Uind n (Windungszahl)
Uind A (Querschnittsflaumlche)
Uind
(Aumlnderungsrate des Magnetfeldes)
Daraus folgt mit Hilfe der Lenzacuteschen Regel nachdem der Induktionsstrom immer der
Ursache entgegenwirken muss
Uind = - n middotAmiddot
Zieht man einen Leiter beispielsweise einen duumlnnen Draht der in das konstante
Magnetfeld einer lang gestreckten Spule eingebracht wurde langsam heraus so findet
ebenfalls elektromagnetische Induktion statt Allerdings nur so lange wie sich der Draht
bewegt Hier liegt eine Aumlnderung der vom Magnetfeld durchsetzten Flaumlche vor bei
welcher gilt
Uind n (Windungszahl)
Uind B (Magnetfeld)
Uind
(Aumlnderungsrate der Flaumlche)
Daraus folgt
Uind = - n middotBmiddot
Die elektromagnetische Induktion tritt also durch die zeitliche Aumlnderung des
Magnetfeldes oder durch die zeitliche Aumlnderung der vom Magnetfeld durchsetzten Flaumlche
Physikalische Grundlagen
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auf Beide Aumlnderungen koumlnnen auch durch eine einzige Groumlszlige dem magnetischen Fluss
beschrieben werden Der magnetische Fluss ist das Produkt aus der Feldstaumlrke B und der
durch das Magnetfeld durchsetzten Flaumlche A
Somit gilt
Mit Hilfe der Differentialrechnung laumlsst sich das Induktionsgesetz nun herleiten
= A
Somit gilt zusammenfassend
Uind = - n middotA
Uind = -n
Das Faradayacutesche Induktionsgesetz laumlsst sich demnach folgendermaszligen formulieren
Die in einer Spule mit einer bestimmten Anzahl von Windungen induzierte Spannung ist
proportional zur zeitlichen Aumlnderung des magnetischen Flusses Somit gilt
Uind = -n
= -n mag
Die wichtigsten Anwendungen der elektromagnetischen Induktion sind Generatoren und
Transformatoren Diese werden im weiteren Verlauf naumlher betrachtet
Physikalische Grundlagen
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43 Der Drehstromgenerator
Der Drehstromgenerator ist eine besondere Form des elektrischen Generators zur
Erzeugung von Wechselstrom Auf eine ausfuumlhrliche Erlaumluterung des Funktionsprinzips
eines Generators wird hier verzichtet Typische Vertreter der Drehstromgeneratoren sind
der Drehstrom-Synchrongenerator und der Drehstrom-Asynchrongenerator
Drehstrom-Synchrongeneratoren sind bei der groszligtechnischen Energieerzeugung von
groszliger Bedeutung Sie kommen zB in Dampfkraftwerken Kernkraftwerken oder
Wasserkraftwerken zum Einsatz waumlhrend Drehstrom-Asynchrongeneratoren im
kleineren Leistungsbereich wie zB in Windkraftanlagen und Notstromaggregaten
Verwendung finden Bei den heute uumlblichen groszligtechnischen Drehstrom-
Synchronmaschinen die zumeist als Innenpolmaschine ausgefuumlhrt sind laumlsst man das
Magnetfeld rotieren (Rotor) und die Induktionsspulen sind raumlumlich fest (Stator) Die
Abbildung 429 zeigt als Beispiel einen sechspoligen Wechselstromgenerator Der
rotierende Feldmagnet ist ein Elektromagnet der drei Nord- und drei Suumldpole besitzt Am
feststehenden Gehaumluse sind sechs Induktionsspulen mit Eisenkern angebracht die
hintereinander geschaltet und abwechselnd mit umgekehrtem Windungssinn gewickelt
sind
Laumlsst man statt der sechs Spulen N um jeweils den Winkel
gegeneinander versetzte
Spulen im Magnetfeld rotieren so sind die zwischen den Enden jeder Spule induzierten
Wechselspannungen
U = U0 middotcosmiddot (ωmiddott -
middot 2middot )
jeweils um den Winkel ∆ =
gegeneinander phasenverschoben Man kann das eine
Ende aller Spulen auf denselben Schleifkontakt geben und die anderen auf jeweils
getrennte Kontakte so dass man insgesamt N + 1 Ausgangsklemmen hat Vielfach wird
in der Technik vor allem eine Vorgehen benutzt bei der ein sich um die Achse drehender
Magnet Wechselspannung erzeugt da er sich an drei feststehenden Spulen die um 120 deg
Abb 429 Wechselstromgenerator mit einem
rotierenden Feldmagneten und
feststehenden Induktionsspulen
[DEM02140]
Abb 430 Modell eines Drehstrom-
Generators mit drei
gegeneinander um 120 deg
phasenverschobenen Wechsel-
spannungen [DEM02142]
Physikalische Grundlagen
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zueinander versetzt sind vorbei bewegt (vgl Abb 430) Bei diesem Verfahren wird ein
Dreiphasenstrom erzeugt der in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen
hat weil sich mit ihm bei vertretbarem Aufwand eine wesentlich houmlhere elektrische
Leistung uumlbertragen laumlsst
Wird von den drei Spulen genau ein Ende mit einem ohmschen Verbraucherwiderstand R
verbunden und wird eine gemeinsame Ruumlckleitung zu den miteinander verbundenen
anderen Enden der Induktionsspulen (Sternschaltung vgl Abb 431) hergestellt so sind
die in den drei Leitungen 123 flieszligenden Stroumlme I =
mit I0 =
I1 = I0 cos (ωmiddott)
I2 = I0 cos (ωmiddott ndash 120deg)
I3 = I0 cos (ωmiddott ndash 240deg)
Aus diesen drei Gleichungen kann gefolgert werden dass 0 also dass durch
die gemeinsame Ruumlckleitung kein Strom flieszligt (Nullleiter) siehe Abb 432
Gibt man die Spannungen Un = U0 middotcos middot(ωmiddot t ndash nmiddot
) die in der Abbildung 431 von
den drei Ausgangsklemmen abgenommen werden auf drei Magnetfeldspulen deren
Achsen um 120 deg gegeneinander verdreht sind (Abbildung 433) so entsteht ein
Magnetfeld das sich raumlumlich mit der Frequenz ω um die Symmetrieachse senkrecht zur
Ebene der Anordnung dreht Mit Hilfe eines vereinfachten Vektormodells kann die
Rotation des Magnetfeldes erklaumlrt werden (Abbildung 434)
Abb 431 Sternschaltung des Drehstroms
[DEM02143] Abb 432 Strom- und Spannungsverlauf
[DEM02143]
Abb 433 Modell des magnetischen
Drehfeldes des Drehstroms
[DEM02143]
Abb 434 Vektoraddition der
Magnetfelder in den drei
Spulen des Magnet-
feldes [DEM02144]
Physikalische Grundlagen
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Die drei Magenfelder zeigen in die Richtung der jeweiligen Spulenachsen liegen also
in einer Ebene und bilden jeweils eine Winkel von 120deg miteinander
Zum Zeitpunkt t = 0 zeigt das Gesamtfeld in Richtung 1 Die Stroumlme in den Spulen 2
und 3 sind um plusmn 120deg phasenverschoben d h die Felder 2 und 3 sind um den Faktor
cos middot 120deg = -
schwaumlcher und radial nach auszligen gerichtet und ihre Querkomponenten
heben sich auf Die Uumlberlagerung der drei Felder ergibt demnach ein radial nach innen
gerichtetes Feld in der Richtung der Spulenachse 1
Nach einer drittel Periode d h nach t =
middot
hat sich das Feld um den Phasenwinkel
120deg geaumlndert Dort nimmt es fuumlr die Spule 2 ein radial nach innen gerichtetes Maximum
an Die beiden anderen Spulenfelder sind nach auszligen gerichtet und so wie oben um den
Faktor -
schwaumlcher Auch hier heben sich die Querkomponenten weg Aufgrund dieser
Drehung des Magnetfeldes wird Dreiphasenstrom auch Drehstrom genannt
Abb 435 Dreieckschaltung fuumlr Drehstrom
[DEM02144]
Die Dreiecksschaltung aus der Abbildung
435 wird neben der Sternschaltung aus der
Abb 431 auch haumlufig verwendet Hier wird
ausgenutzt dass die Summe aller drei
Spannungen Null ist
Utot = U0 middotcos middot(ωmiddot t ndash nmiddot
) = 0
Bei der Dreieckschaltung sind die
Spannungen zwischen den Punkten 1 2 und
3 immer gleich der Spannung einer Phase
[DEM02140-145] [GER05420-424]
Physikalische Grundlagen
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44 Transformatoren und die Versorgung mit elektrischer
Energie
Ohne Transformatoren waumlre eine Versorgung mit elektrischer Energie uumlber groumlszligere
Entfernung nicht moumlglich Bei Kraftwerken betragen die Ausgangsstroumlme bis zu 104 A
Fuumlr die Verteilung im Stromnetz wuumlrde man sehr groszlige und damit teure
Leiterquerschnitte benoumltigen da der Leitungswiderstand R ja umgekehrt proportional
zum Querschnitt A und proportional zu seiner Laumlnge l und dem spezifischen Widerstand
ist
R =
Deshalb ist es guumlnstig moumlglichst hohe Spannungen zu waumlhlen da dann bei vorgegebener
zu uumlbertragener Leistung der Leitungsverlust durch Waumlrme infolge des
Leitungswiderstandes R moumlglichst klein wird Will man eine elektrische Leistung Pel=UmiddotI
uumlbertragen so verliert man in der Leitung die Leistung ∆Pel = I2 middot R so dass der relative
Leistungsverlust
=
=
=
middot Pel
bei vorgegebener Leistung Pel mit steigender Spannung proportional zu
absinkt Der
Leitungswiderstand R bewirkt einen Spannungsabfall ∆ U = I middot R und es folgt
=
Fuumlr die Umformung von Spannungen benutzt man Transformatoren die auch Umspanner
genannt werden Sie dienen zur Aumlnderung der Amplitude einer Wechselspannung ohne
Frequenzaumlnderung Ein Transformator besteht aus zwei voneinander isolierten Spulen
verschiedener Windungszahlen N1 bzw N2 die auf einen Eisenkern gewickelt sind und
die einen gemeinsamen Magnetfluss umgreifen Diese Spulen werden als
Primaumlrwicklung (ihr wird die zu transformierende Wechselspannung zugefuumlhrt) und als
Sekundaumlrwicklung (in ihr wird durch das magnetische Wechselfeld im Eisenkern eine
Wechselspannung mit gleicher Frequenz wie bei der Primaumlrspannung induziert)
bezeichnet Zunaumlchst wird der ideale Transformator betrachtet Das Magnetfeld ist
ganz im Eisenkern konzentriert und durchsetzt beide Spulen in der gleichen Staumlrke Da
der Widerstand in der Primaumlrspule an der die Spannung U1 angeschlossen ist rein
induktiv ist wird U1 durch eine entgegengesetzte gleiche Selbstinduktionsspannung
kompensiert die der Flussaumlnderung durch alle N1 Windungen entspricht
U1 = N1 middot
Zeitgleich induziert dieselbe Flussaumlnderung in der Sekundaumlrspule die Spannung
Physikalische Grundlagen
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U2 = - N2 middot
die mit den an den Sekundaumlrklemmen abgegriffenen Spannungen uumlbereinstimmt Die
Spannungsuumlbersetzung des Transformators ist demnach
= -
Diese Beziehung druumlckt direkt das Induktionsgesetz aus ist also unabhaumlngig von der
Belastung d h von der Stromentnahme aus der Sekundaumlrspule Mit Hilfe des letzten
Gesetzes kann das Transformatorgesetz fuumlr Stroumlme hergeleitet werden
P1 = P2
rarr U1 middot I1 = U2 middot I2
rarr U1 middot I1 = U1 middot
middot I2
rarr I1 =
middot I2
rarr
=
Die Verteilung der elektrischen Energie
Ein dichtes Netz von Leitungen und Umspannanlagen verbindet Kraftwerke und
Verbraucher Dabei betreiben vier Unternehmen die Uumlbertragungsnetze fuumlr Strom in
Deutschland Im Osten ist dies Elia in der Mitte des Landes TenneT (vormals Eon) im
Westen und Teilen Bayerns Amprion eine Tochtergesellschaft der RWE und in Baden-
Wuumlrttemberg schlieszliglich EnBW Die Betreiber sorgen fuumlr die Stromverteilung im Land
und den Zugang der Stromhaumlndler oder -lieferanten zum Netz Sie gleichen auszligerdem
Netzschwankungen aus wenn es zum Beispiel zu Engpaumlssen kommt Das Leitungsnetz
ist den Aufgaben entsprechend in bis zu 5 verschiedene Transformationsstufen geteilt
Die Houmlchstspannungsnetze der 380- und 220-kV-Ebene dienen der weitraumlumigen
Uumlbertragung und dem Stromaustausch mit dem Ausland (Europaumlisches Verbundnetz)
Hochspannungsnetze mit 110-kV-Leitungen uumlbernehmen die regionale
Stromverteilung
Es folgen Mittelspannungsnetze zwischen 1 kV und 60 kV Bei der Stromuumlbertragung
geht aus physikalischen Gruumlnden ein kleiner Teil des Stroms als Netzverlust verloren
Vor allem durch hohe Uumlbertragungsspannungen zusaumltzliche Umspannstationen und die
technische Weiterentwicklung der Transformatoren koumlnnen die Verluste kontinuierlich
verringert werden
Nahe den Zentren des Verbrauchs wird die Hochspannung meist stufenweise durch
Umspannwerke auf 10 bis 20 kV herab transformiert in die einzelnen Straszligenzuumlge
verteilt und in Transformatorstationen (Trafohaumluschen Netzstationen) auf die in den
Haushalten uumlbliche Niederspannung von 230 V verringert [BUC0858-59] [GER05415-
416]
Physikalische Grundlagen
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45 Heizwaumlrmebedarf Waumlrmetransport und
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von Baustoffen
Damit ein Wohnhaus komfortabel bewohnbar ist ist Energie unter anderem zum
Beheizen der Raumlume noumltig Die beste Heizung und modernste Regelung nuumltzen aber
wenig wenn bdquozum Fenster hinausldquo geheizt wird Jeder Haustyp besitzt einen
unterschiedlichen Heizwaumlrmebedarf (HWB) welcher die Gebaumlude vergleichbar macht
und energiespezifische Daten liefert Er errechnet sich mit folgender Formel
PH =
wobei der HWB PH die errechnete Energiemenge ist die einem Gebaumlude mit einer
vorgegebenen Flaumlche innerhalb der Heizperiode zuzufuumlhren ist um die gewuumlnschte
Innentemperatur aufrechtzuerhalten Er ist eine Baukenngroumlszlige also fuumlr ein spezielles
Gebaumlude typisch und wird von der Gebaumludehuumllle (Bauform Daumlmmung) dem Standort
(Groszlig- und kleinklimatische Bedingungen) und seiner baulichen Nutzungsart bestimmt
Vom Nutzerverhalten ist dieser Wert jedoch vollkommen unabhaumlngig
Allgemein dient der HWB fuumlr die Definition von Energiestandards bei Haumlusern
Angestrebte Minimalforderungen fuumlr effiziente moderne Waumlrmedaumlmmungen liegen bei
etwa HWB le 100 fuumlr neugebaute Haumluser wird etwa laut der deutschen
Energieeinsparverordnung (EnEV) etwa der Niedrigenergiehaus-Standard mit einem
spezifischen Heizwaumlrmebedarf zwischen 40 ndash 70
gefordert fuumlr unsanierte Altbauten
liegt der Wert typischerweise uumlber 150 bis weit uumlber 300
Bei einem Passivhaus darf
der Heizwaumlrmebedarf jedoch maximal nur bei 15
liegen [JEN02291]
Die Waumlrme entweicht demnach durch die Bauteile des Gebaumludes das sind Waumlnde
Keller- und Geschossdecken das Dach sowie Fenster und Tuumlren Mit Hilfe der
Thermografie kann Infrarotstrahlung Waumlrmestrahlung sichtbar gemacht werden So
Abb 436 Thermogramm eines Zweiparteienhauses [INTQ48]
Immer dann wenn zwischen
einem System (Wohnraumlume) und
seiner Umgebung (Auszligen-
temperatur) ein Temperaturgefaumllle
besteht kommt es zur Uumlber-
tragung von thermischer Energie
(Waumlrmetransport) Ist die
Temperatur des Systems groumlszliger
als die der Umgebung so gibt es
Waumlrme an die Umgebung ab
andernfalls nimmt es Waumlrme auf
Physikalische Grundlagen
Seite | 70
koumlnnen beispielsweise zu groszlige Energieverluste an den Auszligenfassaden von Gebaumluden
entdeckt werden (vgl Abb 436) Je heller die Faumlrbung ist desto groumlszliger ist der
Waumlrmestrom Zwar wird ein Teil des Waumlrmeverlustes durch Waumlrmeabgabe vom
Menschen elektrischen Geraumlten Beleuchtung und Sonneneinstrahlung im Inneren des
Gebaumludes kompensiert aber der Groszligteil der Waumlrme muss durch die Heizung geliefert
werden
Die wichtigste Grundlage zur Deckung des Energiebedarfs wie in etwa um die
Ausgangstemperatur in Wohnraumlumen konstant zu halten ist die in den Brennstoffen
chemisch gebundene und durch Reaktion mit Sauerstoff freiwerdende Energie Der
Energieinhalt von Brennstoffen wird als Brennwert bezeichnet Das ist diejenige
Waumlrmemenge die bei der vollstaumlndigen Verbrennung eines Stoffes je kg freigesetzt wird
Die freigesetzte Waumlrmemenge ist nicht vollstaumlndig nutzbar weil die Verbrennungsgase
noch Restwaumlrme enthalten wenn sie in die Atmosphaumlre entweichen Der groumlszligte Teil
dieser Restwaumlrme steckt im Wasserdampf des Abgases Der von konventionellen
Heizkesseln nutzbare Energieinhalt ist daher etwas niedriger als der Brennwert er wird
als Heizwert Hu bezeichnet [DOE08395-396] Die nachfolgende Tabelle 4 gibt einen
kurzen Uumlberblick uumlber die Heizwerte Hu einiger Brennstoffe
feste Stoffe Hu [
] fluumlssige Stoffe Hu [
] gasfoumlrmige
Stoffe Hu [
]
Braunkohle 96 Erdoumll 41 Erdgas nass 29 Braunkohlen-
brikett 20 Heizoumll 418 Erdgas
trocken 439
Holz trocken 133 Benzin 425 Methan 359 Torf trocken 146 Spiritus (95 ) 25 Propan 934 Holzkohle 31 Dieselkraftstoff 421 Wasserstoff 108
Wie oben erwaumlhnt entstehen Energieverluste durch Waumlrmetransport Dieser
Waumlrmetransport kann auf unterschiedliche Art erfolgen naumlmlich in festen Stoffen durch
Waumlrmeleitung in Gase und Fluumlssigkeiten zusaumltzlich durch Konvektion und bei
strahlungsdurchlaumlssigen Stoffen durch Waumlrmestrahlung Diese verschiedenen Arten des
Waumlrmetransportes koumlnnen allein oder miteinander kombiniert auftreten [FIS08112] In
diesem Kapitel entstammen die Daten wenn nicht anderes erwaumlhnt den Quellen
[CER94324-366] [DOE08297-354] und [WAG0521-48]
Die Waumlrmeleitung
Bei der Waumlrmeleitung wird Waumlrme nur zwischen direkt benachbarten Teilchen fester
Koumlrper oder unbewegter Fluumlssigkeiten bzw Gase uumlbertragen Der Vorgang tritt z B
zwischen der Innen- und Auszligenflaumlche einer Hauswand auf Hier werden ausschlieszliglich
stationaumlre d h zeitlich unveraumlnderliche Temperaturfelder behandelt und es wird
vorausgesetzt dass sich die Temperatur nur in einer Richtung aumlndert
Tabelle 4 Spezifischer Heizwert Hu [STOuml98738]
Physikalische Grundlagen
Seite | 71
Das Fouriersche Gesetz besagt dass die Waumlrme die durch eine ebene Wand stroumlmt
direkt proportional zur Wandflaumlche A dem Temperaturgefaumllle t1 ndash t2 und der Zeit
sowie indirekt proportional zur Wandstaumlrke ist
Q1 =
middot A (t1 ndash t2)
niedrigeren Temperatur was zum negativen Vorzeichen (-
fuumlhrt Daraus folgt die
Grundform des Fourierschen Gesetzes
Q1 =- middot A
Auf die Zeit bezogen ergibt sich der durch die Flaumlche A tretende Waumlrmestrom mit
=
=
middot A middot (t1 ndash t2)
Bezogen auf die Flaumlche A wird die durchstroumlmende Waumlrme als Waumlrmestromdichte oder
Heizflaumlchenbelastung bezeichnet
=
=
middot (t1 ndash t2)
Zwischen der Leitung der Waumlrme und der Leitung des elektrischen Stroms besteht eine
Analogie Mit der Spannung U der Stromstaumlrke I und dem Widerstand R gilt fuumlr die
Leitung des elektrischen Stroms das Ohmsche Gesetz U = Imiddot R Analog ist
(t1 ndash t2)= middot
Abb 437 Stationaumlre Waumlrmeleitung
durch eine ebene Wand
[CER94325]
Mit t1 als der houmlheren und t2 als der niedrigeren
Oberflaumlchentemperatur der Wand wird die
uumlbertragene Waumlrme positiv Der Propor-
tionalitaumltsfaktor der in der obigen Gleichung
eingesetzt ist ist ein temperaturabhaumlngiger
Stoffwert und wird als Waumlrmeleitfaumlhigkeit be-
zeichnet Dieser Wert wird weiter unten naumlher
diskutiert In der Abbildung 437 stroumlmt durch
eine duumlnne Wandschicht die die Staumlrke dx
aufweist die gleiche Waumlrme Q1 wie durch die
gesamte Dicke der Wand Das
Temperaturgefaumllle hat aber nur die Groumlszlige dt
und die Waumlrme stroumlmt nur in die Richtung der
mit RL als dem Waumlrmeleit-
widerstand RL =
λ Bei einer
mehrschichtigen Wand geht durch
jede Schicht der gleiche
Waumlrmestrom Bei einer drei-
schichtigen Wand (vgl Abb 438)
gilt dann beispielsweise
Abb 438 Stationaumlre Waumlrmeleitung durch eine mehrschichtige ebene
Wand [CER94328]
A
dt
Q1
Q2
Physikalische Grundlagen
Seite | 72
=
middot A middot (t1 ndash t2) =
middot A middot (t2 ndash t3) =
middot A middot (t3 ndash t4) =
middotA middot (t1-t4)
Allgemein rarr =
A middot (t1-t4)
In der Bauphysik wird der Quotient
auch als Waumlrmedaumlmmwert oder als U-Wert
bezeichnet Er gibt die Leistung (also die Energiemenge pro Zeiteinheit) an die durch
eine Flaumlche von 1 msup2 flieszligt wenn sich die beidseitig anliegenden Lufttemperaturen
stationaumlr um 1 K unterscheiden
Konvektion
Bei der Konvektion veranlasst ein Stroumlmungsvorgang eine staumlndig wechselnde Beruumlhrung
von Fluidteilchen mit unterschiedlichen Temperaturen zwischen denen eine
Energieuumlbertragung durch Waumlrmeleitung stattfindet Sie findet z B staumlndig in den
Meeresstroumlmungen statt aber auch in globalen Zirkulationen in der Atmosphaumlre Man
unterscheidet nach der Ursache der Stroumlmung zwischen erzwungener und freier
Konvektion Bei erzwungener Konvektion wird die Stroumlmung durch ein von auszligen
aufgepraumlgtes Druckgefaumllle erzeugt Bei freier Konvektion bewirken Dichteunterschiede
infolge von Temperaturunterschieden die Ausbildung einer Stroumlmung Als konvektiven
Waumlrmeuumlbergang bezeichnet man die Waumlrmeuumlbertragung zwischen Fluiden und einer
festen Wand Der Waumlrmestrom der von einem Fluid mit der mittleren Temperatur tf an
eine Wandflaumlche A mit der Oberflaumlchentemperatur tw uumlbertragen wird oder umgekehrt
kann mit folgender Gleichung ermittelt werden
= middot A middot (tf ndash tw)
Der Proportionalitaumltsfaktor wird als Waumlrmeuumlbergangskoeffizient bezeichnet und hat die
Einheit
Waumlrmestrahlung
Die Waumlrmestrahlung oder thermische Strahlung ist eine elektromagnetische Strahlung
die jeder Koumlrper emittiert Bei Festkoumlrpern und Fluumlssigkeiten ist das Spektrum der
ausgesendeten Strahlung kontinuierlich und im Wesentlichen nur von der Temperatur
abhaumlngig Im Gegensatz zu Konvektion und Waumlrmeleitung tritt Waumlrmestrahlung auch im
luftleeren Raum auf Sie ist lediglich an die Moumlglichkeit zur Ausbreitung von
elektromagnetischen Wellen gebunden und wird deshalb mittels ihres Wellencharakters
hier dargestellt Die Abbildung 43 gibt einen Uumlberblick uumlber die unterschiedlichen
Strahlungsarten Die Energie der Strahlung verteilt sich uumlber die Wellenlaumlngen nach dem
Planckschen Gesetz (Abb 439) Mit houmlherer Temperatur des Koumlrpers wandert das
Maximum der ausgesandten Strahlungsenergie zu niedrigeren Wellenlaumlngen der
sichtbare Anteil der Strahlung wird groumlszliger
Physikalische Grundlagen
Seite | 73
kohlendioxidhaltige Atmosphaumlre uumlberwiegend hindurch gelassen Dagegen wird die
Strahlung von der Erdoberflaumlche von Wasserdampf und Kohlendioxid staumlrker absorbiert
Das Intensitaumltsmaximum schwarzer Koumlrper liegt bei der Wellenlaumlnge =
mit K = 2898
m middot K Der Zusammenhang heiszligt Wiensches Verschiebungsgesetz Mit ihm kann aus
der Lage des Intensitaumltsmaximums die Temperatur eines schwarzen Koumlrpers berechnet
werden Der von einem schwarzen Koumlrper abgestrahlte Waumlrmestrom kann fuumlr einen
Koumlrper uumlber das Stefan-Boltzmann-Gesetz
= middot T
4 middot dA = E middot dA
berechnet werden und ist somit der vierten Potenz der absoluten Temperatur T und der
Oberflaumlche A des Koumlrpers proportional E ist die Emission die einen Waumlrmestrom
bezogen auf die Oberflaumlche des strahlenden Koumlrpers darstellt
ist der Strahlungskoeffizient oder auch Stefan-Bolzmannkonstante genannt und hat
den Wert von 567 middot 10-8
Dieser Koeffizient haumlngt stark von der Art des Koumlrpers
ab Den groumlszligten Strahlungskoeffizienten hat der schwarze Koumlrper Nur fuumlr schwarze
Koumlrper gilt das Stefan-Boltzmann-Gesetz exakt fuumlr andere Koumlrper nur naumlherungsweise
Das Emissionsverhaumlltnis eines beliebigen Koumlrpers ist das Verhaumlltnis der Emission E
dieses Koumlrpers zur Emission ES eines schwarzen Koumlrpers mit derselben Temperatur Das
Absorptionsverhaumlltnis a eines beliebigen Koumlrpers ist das Verhaumlltnis der absorbierten
Strahlung zur auftreffenden Strahlung Da ein schwarzer Koumlrper die gesamte auftreffende
Strahlung absorbiert ist das Absorptionsverhaumlltnis eines beliebigen Koumlrpers auch das
Verhaumlltnis der absorbieren Strahlung zu der Strahlung die ein schwarzer Koumlrper
absorbieren wuumlrde Nach dem Kirchhoffacuteschen Gesetz ist das Absorptionsverhaumlltnis
eines beliegen Koumlrpers gleich seinem Emissionsverhaumlltnis und es gilt
a = =
=
Das hat beispielsweise
fuumlr den Treibhauseffekt
eine groszlige Bedeutung
Wasserdampf und
Kohlendioxid sind
Selektivstrahler strah-
lungsdurchlaumlssig sind
Stickstoff und
Sauerstoff Weil die
Strahlungsintensitaumlt der
Sonne mit ihrer hohen
Oberflaumlchentemperatur
staumlrker im Bereich
kleinerer Wellenlaumlnge
liegt wird die Solar-
strahlung durch die
wasserdampf- und
Abb 439 Energieverteilung der schwarzen Strahlung [CER94348]
Physikalische Grundlagen
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Die auftreffende Strahlung die von einem beliebigen Koumlrper nicht absorbiert wird kann
reflektiert oder durchgelassen werden Das Reflexionsverhaumlltnis r ist das Verhaumlltnis der
reflektierten Strahlung zur auftreffenden Strahlung Das Durchlassverhaumlltnis d ist das
Verhaumlltnis der durchgelassenen Strahlung zur auftreffenden Strahlung Fuumlr die Summe
aus dem Absorptionsverhaumlltnis dem Reflexionsverhaumlltnis und dem Durchlassverhaumlltnis
gilt a + r + d = 1 Beim schwarzen Koumlrper ist a = 1 Einen Koumlrper bei dem r = 1 ist nennt
man einen weiszligen Koumlrper Ist das Absorptionsverhaumlltnis 0 lt a lt 1 unabhaumlngig von der
Wellenlaumlnge so spricht man von einem grauen Koumlrper
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von Baustoffen
Wie bereits oben erwaumlhnt ist ein temperaturabhaumlngiger Stoffwert und wird als
Waumlrmeleitfaumlhigkeit bezeichnet
Material Dichte [kgm3] Temperatur [degC] Waumlrmeleitfaumlhigkeit
[WmK]
Glaswolle 120 25 0046
Ziegelmauerwerk 1420-1460 20 076
Fensterglas 2480 20 116
Kiesbeton 2200 20 128
Zink 7130 20 113
Messing 8600 20 81 ndash 116
Kupfer 8300 20 372
Stahl unlegiert 7850 0 59
Aluminium 2700 20 229
Wasser 9982 20 0555
Sauerstoff 1289 20 0026
Mineralwolle 10-200 20 0030
Expandierte
Polystyrolschaum
10 - 50 20 0030
Holzfaserdaumlmmstoff 150 - 250 20 0032
Schaumglas 100 - 150 20 0038
Polyethylenschaum 70 20 005
Silikon 1200 20 035 Tabelle 5 Waumlrmeleitfaumlhigkeit und Dichte bei bestimmter Temperatur einiger Baustoffe
[FIS08332-334] [JEN02242-244]
Aus der kinetischen Gastheorie kann die Waumlrmeleitfaumlhigkeit von Gasen
=
middot C middot middotl
hergeleitet werden Dabei bezeichnet C die Waumlrmekapazitaumlt pro Volumeneinheit die
mittlere freie Teilchengeschwindigkeit und l die mittlere freie Weglaumlnge zwischen den
Zusammenstoumlszligen eines Teilchens In Anlehnung an die kinetische Gastheorie kann die
Waumlrmeleitung in Festkoumlrpern erklaumlrt werden wird meist in
angegeben Wie aus der
Tabelle 5 zu entnehmen ist besitzen kristallisierte Stoffe wie zum Beispiel Metalle und
ihre Legierungen ein groumlszligeres Waumlrmeleitvermoumlgen sie sind also gute Waumlrmeleiter Bei
amorphen Stoffen wie zum Beispiel Fensterglas ist das Waumlrmeleitvermoumlgen im
Physikalische Grundlagen
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Vergleich geringer [JEN02128-135] Bei poroumlsen und porigen Stoffen beeinflussen die
in den Poren eingeschlossenen Medien Luft Wasserdampf oder Wasser die
Waumlrmeleitfaumlhigkeit entscheidend Ruhende Luft weist eine sehr kleine
Waumlrmeleitfaumlhigkeit auf Deshalb wird bei vielen Baustoffen versucht durch Erhoumlhung
der Porositaumlt die Waumlrmeleitfaumlhigkeit zu verringern was in etwa durch kuumlnstliche
Porenbildung durch Treibmittel der Beimengung von poroumlsen Zuschlaumlgen oder durch
Lochbildung bei Mauersteinen realisiert wird Da sich aufgrund der geringen Dichte der
Luft (129
bei 0deg) auch die Materialrohdichte verringert reduzieren die Luftporen
nicht nur die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Materials sondern auch seine Rohdichte was
wiederum dazu fuumlhrt dass man generell sagen kann dass Stoffe geringer Rohdichte
kleine Waumlrmeleitfaumlhigkeiten aufweisen waumlhrend Stoffe mit groumlszligeren Rohdichten groumlszligere
Waumlrmeleitfaumlhigkeiten besitzen (vgl Abb 440)
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit eines Baustoffes haumlngt auszligerdem noch von der Temperatur und
dem Wassergehalt ab In der Abbildung 441 sind unter a) Schaumglas mit einer Dichte
von = 156
und unter b) Polystyrol-Hartschaum mit der Dichte = 20
graphisch
aufgetragen Nimmt die Temperatur der Stoffe zu so steigt auch die Waumlrmeleitfaumlhigkeit
linear an Erhoumlht sich der Wassergehalt von Baustoffen tritt ebenfalls eine Steigerung der
Waumlrmeleitfaumlhigkeit auf was auf die hohe Waumlrmeleitfaumlhigkeit des Wassers
zuruumlckzufuumlhren ist [JEN02128-135]
Abb 440 Zusammenhang der Waumlrmeleitfaumlhigkeit
mit der Rohdichte von Materialien [JEN02129]
Abb 441 Zusammenhang der Waumlrmeleit-
faumlhigkeit mit der Temperatur von Materialien
[JEN02131]
Physikalische Grundlagen
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46 Energiesparen im Haushalt
Der Energieverbrauch ist Hauptverursacher des weltweiten Klimawandels Energie wird
in Form von Strom (Licht Kraft) Heizenergie (Waumlrme) und Bewegungsenergie (z B
Auto) verbraucht Der einfachste und billigste Weg weniger Kohlendioxid durch den
Energieverbrauch freizusetzen ist Energie dort einzusparen wo sie unnoumltig verbraucht
wird Und hier kann jede Person beitragen Im Kapitel 533 findet sich eine Uumlbersicht der
Moumlglichkeiten speziell im Haushalt Energie zu sparen In diesem Abschnitt wird auf das
EU-Label die Leistungsmessung bei Elektrogeraumlten und auf Energiesparlampen
eingegangen
Kompaktleuchtstofflampen (Energiesparlampen)
Seit dem 01092009 werden nach einem Beschluss der EU die meisten Gluumlhbirnen
schrittweise aus dem Verkehr gezogen und die deutschen Haushalte muumlssen ihren Bedarf
mit Energiesparlampen decken Diese Aktion beruht auf den Prognosen der Europaumlischen
Kommission laut derer durch diese Umstellung der jaumlhrliche Stromverbrauch von
Beleuchtung in privaten Haushalten von 75 Milliarden kWH gesenkt werden kann
Kompaktleuchtstofflampen (KLL) zaumlhlen als Leuchtstofflampen zu den
Quecksilberdampf-Niederdrucklampen Zur Verringerung der Abmessungen ist die
Gasentladungsroumlhre nicht gerade sondern mehrfach und U-foumlrmig gebogen oder als
Bild 11 Lichtentstehung in Leuchtstofflampen
Wendel ausgefuumlhrt Im Inneren der KLL befindet sich ein Edelgas meistens ein Gemisch
aus Argon und Neon Bei Betrieb direkt am Stromnetz wuumlrde der Lampenstrom einer
KLL aufgrund der Stoszligionisation bis zur Zerstoumlrung der Lampe ansteigen Um ihn zu
begrenzen wird zum Betrieb ein Vorschaltgeraumlt benoumltigt das sowohl in der Lampe als
auch extern angebracht sein kann Uumlber den Starter und das Vorschaltgeraumlt wird die
Zuumlndspannung erzeugt und schlieszliglich somit die Stromzufuhr fuumlr die Elektroden geregelt
Die Quecksilberatome in der Roumlhre verdampfen aufgrund der Waumlrmeentwicklung durch
die angelegte Spannung Die Kathode gibt Elektronen ab die sich in der Roumlhre frei
bewegen koumlnnen und von der Anode angezogen werden Haumlufig kollidieren diese dabei
mit den Quecksilberatomen die in der Lampe gasfoumlrmig verteilt vorliegen Dabei wird
Abb 442 Funktionsprinzip einer Energiesparlampe [INTQ49]
Physikalische Grundlagen
Seite | 77
Energie an die Quecksilberatome abgegeben und die Elektronen der Quecksilberatome
die sich auf der aumluszligersten Schale des Quecksilberatoms befinden in einen Zustand
houmlherer Energie versetzt und auf eine houmlhere Schalenschicht (siehe dazu Atommodell)
befoumlrdert Dieser Zustand dauert jedoch nur sehr kurz denn die Elektronen werden
sogleich durch die Anziehungskraumlfte des Atoms wieder auf ihre urspruumlngliche Schale
zuruumlckgezogen Dabei geben sie Energie in Form von ultravioletter Strahlung ab Dieser
Prozess der Gasentladung findet nach Zuumlndung der Lampe automatisch statt und wuumlrde
den Stromfluss so lange verstaumlrken bis die Lampe durch Uumlberhitzung zerstoumlrt wuumlrde Das
Vorschaltgeraumlt reguliert diesen um das zu verhindern Da das emittierte Licht fuumlr den
Menschen unsichtbar ist befindet sich an der Auszligenwand der Glasroumlhre eine
Leuchtstoffschicht aus Phosphorverbindungen Diese gibt wenn sie vom UV-Licht
getroffen wird die Energie in Form von sichtbarem Licht wieder ab (vgl Abb 442)
Das EU-Label und die Leistungsmessung bei Elektrogeraumlten
Es werden unterschiedliche Effizienzklassen von A ndash G zur Bewertung der Energie-
effizienz des Geraumltes genutzt Ein Geraumlt der Klasse A ist besonders sparsam im Gebrauch
von Energie waumlhrend Geraumlte der Klasse G besonders viel Energie verbrauchen Daruumlber
hinaus enthaumllt das Label Informationen uumlber weitere energie- und umweltrelevante Daten
sowie Angaben zur Gebrauchstauglichkeit der Geraumlte Damit der Energieverbrauch von
alten Geraumlten im Haushalt festgestellt werden kann werden Strommessgeraumlte eingesetzt
Mit deren Hilfe kann man die aufgenommene Leistung des Geraumltes sowie den
Energieverbrauch uumlber eine bestimmte Zeit messen
Information und Kommunikation bedienen sich heute
einer Vielzahl elektronischer Geraumlte wie zum Beispiel
Fernsehgeraumlt DVD- oder CD-Player Fast all diese
Geraumlte verfuumlgen uumlber einen Stand-by-Modus und
verbrachen rund um die Uhr Strom Manche aumlltere
Geraumlte muumlssen staumlndig am Netz bleiben wenn
gespeicherte Informationen nicht geloumlscht werden
sollen Deshalb sollen bei der Anschaffung von
Geraumlten die immer in Bereitschaft bleiben muumlssen
wie etwa ein Faxgeraumlt nur energiesparenste Modelle
ausgewaumlhlt werden Der Kaumlufer kann dabei auf das
EU-Label (Abb 443) achten Mit diesem Label
wurde eine europaweite Auszeichnung fuumlr Haushalts-
groszliggeraumlte sowie weitere Produktkategorien ent-
wickelt die dem Verbraucher ermoumlglicht schnell und
uumlbersichtlich den Stromverbrauch unterschiedlicher
Modelle einer Produktgruppe zu vergleichen
Abb 443 Beispiel fuumlr EU-Label [INTQ50]
Physikalische Grundlagen
Seite | 78
47 Die Waumlrmepumpe
Unabhaumlngig von ihrer jeweiligen Bauart kann eine Waumlrmepumpe als eine
Maschinenanlage betrachtet werden die unter Aufwendung von technischer Arbeit
thermische Energie aus einem Reservoir mit niedriger Temperatur aufnimmt und mit
Hilfe der Antriebsenergie als Nutzwaumlrme auf ein zu beheizendes System mit houmlherer
Temperatur uumlbertraumlgt Je nach Betriebsart der Waumlrmepumpe wird dieser Prozess
unterschiedlich realisiert Dennoch haben alle Waumlrmepumpen eines gemeinsam naumlmlich
dass immer ein geeignetes Arbeitsmedium verdichtet und wieder entspannt wird so dass
der gewuumlnschte Wechsel von Waumlrmeaufnahme und Waumlrmeabgabe eintritt
Grundsaumltzlich lassen sich drei Waumlrmepumpen ja nach Bauart und Arbeitsprinzip
unterscheiden
a) Kompressions-Waumlrmepumpen
b) Vuilleumier-Waumlrmepumpen
c) Sorptions-Waumlrmepumpen
i Absorptions-Waumlrmepumpen
ii Adsorptions-Waumlrmepumpen
Die Arbeitsweise der Kompressions-Waumlrmepumpen entspricht dem eines Kuumlhlschrankes
nur dass bei der Waumlrmepumpe geheizt statt gekuumlhlt wird Da das Arbeitsprinzip der
Kompressions-Waumlrmepumpe im Schuumllerlabor Verwendung fand und diese Art der
Waumlrmepumpe am weitesten verbreitet ist wird in dieser Arbeit speziell das
Funktionsprinzip der Elektro-Kompressions-Waumlrmepumpe (vgl Abb 444) vorgestellt
Eine Kompressions-Waumlrmepumpe besteht im Wesentlichen aus vier Teilbereichen
naumlmlich dem Verdampfer (1) dem Verdichter (2) dem Verfluumlssiger (3) und dem
Abb 444 Funktionsschema einer Kompressions-Waumlrmepumpe [VIS057]
Physikalische Grundlagen
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Expansionsventil (4) Vor der Waumlrmeaufnahme befindet sich das fluumlssige Arbeitsmedium
(Kaumlltemittel) bei geringem Druck und niedriger Temperatur auf der Primaumlrseite (kalte
Seite blau) im Verdampfer (1) Da die dem Druck entsprechende Temperatur des
Arbeitsmittels niedriger als die der Waumlrmequelle ist nimmt nun das Arbeitsmedium
Waumlrme aus der entsprechenden Waumlrmequelle auf und verdampft dadurch Dabei kann die
Temperatur des Kuumlhlmittels durchaus unterhalb von 0degC liegen Anschlieszligend wird vom
Verdichter (2) das verdampfte Medium abgesaugt und der Druck im Verdichter erhoumlht
sodass es zu einer Temperaturzunahme kommt Vom Verdichter gelangt das
dampffoumlrmige Arbeitsmedium auf der Sekundaumlrseite (warme Seite (Heizsystem)) in den
Verfluumlssiger (3) der vom Heizwasser umspuumllt ist Da die Temperatur des
Arbeitsmediums houmlher als die des Heizsystems ist gibt das Kaumlltemittel im Verfluumlssiger
Waumlrme an das Heizwasser ab Das Heizwasser erwaumlrmt sich und das Kaumlltemittel kuumlhlt ab
und kondensiert Nachfolgend bewirkt das Expansionsventil (4) dass der hohe Druck
vom Arbeitsmedium abfaumlllt das Medium entspannt sich und kuumlhlt ab und wird
anschlieszligend wieder zum Verdampfer (1) geschickt wo es erneuert bei geringem Druck
und niedriger Temperatur auf der Primaumlrseite Waumlrme aufnimmt [VIS057]
Als Kaumlltemittel bezeichnet man das in der Waumlrmepumpe verwendetet Arbeitsmedium
Heute werden innerhalb des Waumlrmepumpenkreises in der Regel Verbindungen aus
Kohlenstoff Fluor Chlor und Wasserstoff eingesetzt die FCKW- und H-FCKW-frei
ungiftig biologisch abbaubar und nicht brennbar sind [VIS0514] Zusaumltzlich sollte es
innerhalb des Kaumlltekreislaufes chemisch stabil und bestaumlndig bei allen herrschenden
Druumlcken und Temperaturen sein und zudem geeignete Verdampfungstemperaturen
aufweisen [INTQ51]
Als Waumlrmequellen stehen Erdreich Grund- und Oberflaumlchenwasser Umgebungsluft
oder Abwaumlrme zur Verfuumlgung Dabei kommt es auf die oumlrtlichen Gegebenheiten die
Lage des Gebaumludes und den Waumlrmebedarf an welche Waumlrmequelle am besten verwendet
wird Derzeit uumlberwiegen im deutschlandweiten Bestand noch Umgebungsluft-
Waumlrmepumpen Umgebungsluft ist immer und uumlberall verfuumlgbar allerding dann am
kaumlltesten wenn am meisten Waumlrme gebraucht wird Im Gebaumludebereich haben sich
Erdwaumlrme-Waumlrmepumpen als besonders guumlnstig erwiesen Sie gewinnen die Waumlrme uumlber
vertikale Sonden aus 50 bis 100 m Tiefe Das bodennahe Erdreich (wenige m unter der
Oberflaumlche) wird dagegen von der Sonne erwaumlrmt Diese Solarwaumlrme wird mit Hilfe im
Garten in etwa 1 m Tiefe horizontal verlegter Rohrschlangen die relativ teuer sind
genutzt Ebenso wie der tiefere Untergrund bietet das Grundwasser ganzjaumlhrig
gleichbleibende Temperaturen [WIL0927] Es gilt im Allgemeinen Je geringer der
Temperaturunterschied (auch Temperaturhub genannt) zwischen Waumlrmequelle und
Heizsystem ist desto weniger Antriebsenergie wird fuumlr den Verdichter benoumltigt und
desto besser ist die Leistungszahl [VIS0516] Die Leistungszahl
W =
gibt das Verhaumlltnis der an das heiszlige System abgegebenen Waumlrme zu aufgewandter Arbeit
an [STOuml98648]
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 80
5 Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
51 Die Organisation des Schuumllerlabors
Houmlhere Temperaturen die Haumlufung von Umweltkatastrophen der steigende
Meeresspiegel die Gletscherschmelze ndash dies sind alles Anzeichen fuumlr den Klimawandel
Auch Deutschland bleibt davon nicht unberuumlhrt Mit dieser Thematik werden die Schuumller
und Schuumllerinnen regelmaumlszligig durch die Medien konfrontiert und sie spielt in der
Erfahrungswelt der Jugendlichen eine groszlige Rolle Leider werden in Medienberichten
oumlffentlichen Diskussionen und Fachvortraumlgen zahlreiche Fachausdruumlcke verwendet und
die Informationsfuumllle macht es den Maumldchen und Jungen nahezu unmoumlglich die
komplexen Zusammenhaumlnge zu verstehen Zwar werden in der Schule Teilaspekte der
Energie und deren Problematik in Physik und im faumlcheruumlbergreifenden Unterricht
behandelt die noumltige Aufklaumlrungsarbeit innerhalb dieser Materie faumlllt jedoch relativ kurz
aus Deshalb war das Hauptanliegen dieser Arbeit ein Schuumllerlabor zu entwickeln dass
einen Gesamtuumlberblick uumlber die Thematik bdquoEnergieldquo vermittelt und gleichzeitig die
Schuumller fuumlr den Klimaschutz sensibilisiert
Die Konzeption eines Schuumllerlabors bedarf einer sehr umfangreichen Vorbereitung Aus
diesem Grunde wurde vorab eine Checkliste erstellt um alle notwendigen Maszlignahmen
beginnend bei der Planung bis zur Evaluation des Labors zeitnah treffen zu koumlnnen
Diese Liste befindet sich im Anhang unter Punkt 81 und kann als Richtlinie und
Vereinfachung fuumlr eine erneute Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors bdquoEnergieversorgung
Energienutzung Energieproblematikldquo verwendet werden Im Folgenden wird naumlher auf
die Projektierung des Labors eingegangen
Die Planungs- und Vorbereitungsphase
Im Schuumllerlabor bdquoEnergieversorgung Energienutzung Energieproblematikldquo sollen die
Jugendlichen an der Universitaumlt selbstaumlndig Versuche durchfuumlhren und uumlber Probleme
die in Verbindung mit dem Begriff bdquoEnergieldquo zu nennen sind mit ihren Mitschuumllern
diskutieren
Zunaumlchst musste geklaumlrt werden welche Themengebiete unter dem Titel des
Schuumllerlabors behandelt werden sollen um ein moumlglichst breites Bild von der Thematik
bdquoEnergieldquo vermitteln zu koumlnnen Darin eingeschlossen war natuumlrlich auch die Frage
welche Jahrgangsstufe und welche Schulart das Labor ansprechen soll Da die
Energieproblematik recht komplexe Teilgebiete beinhaltet wurde entschieden vier
Experimentierstationen und eine Station in welcher der theoretische Hintergrund der
Energiegewinnungsmoumlglichkeiten inklusive deren Vor- und Nachteile diskutiert wird
zu erstellen Teilexperimente der Stationen fordern ein physikalisches Grundwissen dass
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 81
von den Schuumllern erst in der 10 Jahrgangsstufe der Realschule und in der 9
Jahrgangsstufe des Gymnasiums erlangt wird Deshalb dient dieses hier konzipierte
Labor vorwiegend zur Wiederholung und Vertiefung unterschiedlicher Aspekte des
Begriffs bdquoEnergieldquo und ist ausschlieszliglich fuumlr Schuumller houmlherer Schulklassen 9 und 10
Klasse geeignet Die Station bdquoEnergieversorgungldquo soll die grundlegende Technik bei der
Stromerzeugung in einem Kohlekraftwerk zeigen waumlhrend die drei
Experimentierstationen bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo bdquoWaumlrmepumpeldquo und bdquoEnergie im Haushaltldquo
Moumlglichkeiten vorstellen Energie zu sparen Schlieszliglich werden in der Station
bdquoEnergieproblematikldquo unterschiedliche Wege aufgezeigt wie Energie gewonnen werden
kann Da die Stationen unabhaumlngig voneinander sind musste bei der Planung
beruumlcksichtigt werden dass alle Teilnehmer vor ihrem Durchlauf durch die Stationen
zunaumlchst die benoumltigten Grundlagen wiederholen Aufgrund dessen wurde beschlossen
dass alle Schuumller vor Beginn der Experimentierphase einen einfuumlhrenden Vortrag
besuchen muumlssen (vgl Kapitel 52)
Im Anschluss an diese grobe Gliederung des Labors wurde begonnen Versuche fuumlr die
entsprechenden Stationen auszusuchen die moumlglichst anschaulich den dortigen Inhalt
vermitteln und welche von den Schuumllern selbstaumlndig durchgefuumlhrt werden koumlnnen
Deshalb wurden im Vorfeld zahlreiche Ideen fuumlr Versuche gesammelt um spaumlter
moumlglichst viel Spielraum bei der endguumlltigen Auswahl zu haben Der naumlchste Schritt
beinhaltete alle Versuche aufzubauen wobei fehlendes Material vorab bestellt oder in
der Werkstatt der Universitaumlt Wuumlrzburg gebaut werden musste Dann wurde entschieden
welche Experimente (vgl Kapitel 531 ndash 534) endguumlltig fuumlr das Labor ausgewaumlhlt
werden und welche Versuche eventuell zu schwierig sind oder den zeitlichen Rahmen
einer Station sprengen wuumlrden Zu dieser Entscheidung trugen natuumlrlich auch die
Vorkenntnisse der Teilnehmer und deren Jahrgangsstufe mit bei Hiernach wurden die
gewaumlhlten Experimente nach Grundlagen- und Wiederholungsversuchen sowie nach
Versuchen die vollkommen neuen Stoff lehren sollten geordnet Anschlieszligend wurde
die Erstellung der Handouts fuumlr die Schuumller als auch fuumlr die Betreuer in Angriff
genommen Dabei wurde versucht die Versuchsanleitungen so auszuarbeiten dass
Schuumller damit problemlos umgehen koumlnnen da durch eine moumlglichst optimale
Versuchsanleitung sichergestellt werden kann dass die Schuumller die Versuche selbstaumlndig
durchfuumlhren koumlnnen Zur Unterstuumltzung dienen kleine Cartoon ndash Bilder die den Schuumllern
einen Uumlberblick und eine Gliederung des Handouts liefern Die einzelnen Icons bedeuten
dabei
Fuumlhre das Experiment durch
Welche Frage wird als naumlchstes behandelt
Abb 51 [INTQ52]
Abb 52 [INTQ53]
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 82
Schriftlicher Arbeitsauftrag
Uumlberlege und diskutiere mit deiner Gruppe
Achtung
Informationen
Weitere Abbildungen und Skizzen die sich in der Anleitung finden sollen als
Unterstuumltzung zur Vorstellung abstrakter Denkmodelle dienen (siehe Kapitel 84) Da bei
der Erstellung des Handouts explizit auf die Formulierung der Informationstexte und der
Versuchsbeschreibung geachtet werden muss und diese altersgemaumlszlig sein sollen wurde
vor der Planungsphase des Labors das Seminar bdquoLehr-Lern-Laborldquo welches die
Universitaumlt Wuumlrzburg unter der Leitung von Herrn Voumllker anbietet besucht Dieses
Seminar hatte nicht nur den Vorteil dass es einen Einblick in den Aufbau eines
Schuumllerlabors und dessen Handouts bot sondern noch den weiteren positiven Effekt sich
mit der Organisation der Physiksammlung auseinander setzen zu muumlssen was wiederum
fuumlr die Erstellungsphase der Experimente des Schuumllerlabors bdquoEnergieversorgung
Energienutzung Energieproblematikldquo vorteilhaft war Problematisch ist auch ein Gespuumlr
fuumlr das Zeitmanagement hinsichtlich der Teilversuche an einer Station zu entwickeln
Bezogen auf diesen Aspekt war das Seminar gleichermaszligen sehr hilfreich Die Handouts
wurden schlieszliglich so konzipiert dass zwar die Experimente innerhalb der Stationen den
Schwerpunkt bilden dennoch wurden die Anleitungen um Tabellen fuumlr die Auswertung
und zum Teil auch um kleinere Rechenaufgaben ergaumlnzt (vgl Kapiteln 53) um zu
gewaumlhrleisten dass alle Stationen ungefaumlhr gleich lang sind Die Bearbeitung einer
Station sollte dabei nicht laumlnger als eine Stunde in Anspruch nehmen
Damit beim Ablauf keine Probleme auftauchen wurden vorab alle Stationen von einigen
Testpersonen durchgefuumlhrt deren Vorwissen im Bereich Energie mit dem der
teilnehmenden Schuumller vergleichbar war Hiermit sollte getestet werden ob die
Experimente innerhalb des zeitlich vorgegebenen Rahmens absolviert werden koumlnnen
und ob die Erklaumlrungen in den Anleitungen schluumlssig und leicht verstaumlndlich sind Die bei
Abb 53 [INTQ54]
Abb 56 [INTQ57]
Abb 55 [INTQ56]
Abb 54 [INTQ55]
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 83
dem Testlauf engagierten Betreuer die jeweils vorher schon instruiert wurden notierten
sich die Momente des Einschreitens und der Hilfestellung sowie eventuelle
Problemfelder Auf Grund dieser Notizen wurden nochmalig einige Aumlnderungen an den
Handouts und auch an der Zusammenstellung des Schuumllerlabors vorgenommen
Zusaumltzlich wurden fuumlr problematische Teilgebiete Hilfekarten erstellt (vgl Kapitel 85)
Experimente und Vorhaben die nach der Uumlberarbeitung keine Verwendung mehr im
Labor fanden sind in den Kapiteln 531 ndash 535 ebenfalls erlaumlutert Konnten die Betreuer
feststellen dass an manchen Stellen der Stationen ein Einschreiten dringend notwendig
war damit falsche Erkenntnisse und Messungen vermieden wurden so wurden im
Betreuerhandout dementsprechend Kommentare vermerkt Diese Hinweise sind auch in
den nachfolgenden Kapiteln zu finden Die Betreuerversionen beinhalten im Gegensatz
zu den Schuumllerversionen neben den oben erwaumlhnten Hinweisen noch die zu erwartenden
Ergebnisse bei Messungen Erklaumlrungsansaumltze Anwendungsbeispiele aus dem Alltag und
eventuelle zusaumltzliche Anmerkungen zum Ablauf wobei hier angefuumlhrt werden muss
dass Ausfuumlhrungen nur als Hilfestellung fuumlr die Betreuer fungieren sollen und keine
Musterloumlsung darstellen sollen
Parallel zu diesen Vorbereitungen wurden moumlgliche Termine fuumlr die
Schuumllerlabordurchfuumlhrung in Anbetracht der Raumbelegung an der Universitaumlt
vereinbart Nachdem die benoumltigten Raumlume reserviert waren wurde ein Werbeflyer fuumlr
das Labor ausgearbeitet Dieser befindet sich im Anhang unter Punkt 82 In diesem
Einladungsschreiben wurden das Labor und vor allem die Inhalte kurz vorgestellt Dieses
Schreiben wurde im Anschluss an die Lehrkraumlfte an alle Gymnasien und Realschule in
und um Wuumlrzburg versandt Innerhalb eines Tages hatten sich bereits sieben
Interessenten gemeldet und es wurden folgende Klassen auf nachfolgende Termine fest
gebucht
Datum Schule Jahrgang Anzahl der
teilnehmenden
Schuumller
12102010 Riemenschneider - Gymnasium
Wuumlrzburg
9D 19
13102010 Roumlntgen - Gymnasium
Wuumlrzburg
9A 29
14102010 Realschule Gemuumlnden 10A 19
Da das Labor bereits kurz nach dem Aussenden des Werbeflyers eine recht groszlige
Resonanz erfuhr wurde ein erneuter Versuchstag im demnaumlchst eroumlffnenden Mind-
Center in Wuumlrzburg von zahlreichen Interessenten gewuumlnscht Die Lehrer erhielten direkt
nach der Anmeldung die Bestaumltigung mit naumlheren Informationen uumlber den Treffpunkt
den Ablauf und die Kosten des Labors sowie uumlber die benoumltigten Materialien schriftlich
zugeschickt Weiter bekamen die Schulklassen Pretest-Evaluationsboumlgen zugesendet die
bereits im Vorfeld basierend auf der Thematik Energie und dem Labor im speziellen
vorbereitet worden waren Die Lehrkraumlfte wurden instruiert diese Boumlgen bei der
Tabelle 6 Uumlbersicht uumlber teilnehmende Klassen am Schuumllerlabor
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 84
Durchfuumlhrung ausgefuumlllt mitzubringen Nach dem Versuchstag bekamen die Paumldagogen
fuumlr die Jugendlichen weitere Boumlgen inklusive Ruumlckumschlag ausgehaumlndigt der nach
einigen Tagen von der betreuenden Lehrkraft wiederum ausgefuumlllt zuruumlckgeschickt
werden sollte Diese Evaluation der Schuumller sowie die Evaluation der Betreuer die
ebenfalls im Anschluss an die Schuumllerlabordurchfuumlhrung vollzogen wurde hatte die
Aufgabe nochmalig zur Uumlberarbeitung und Verbesserung des Labors beizutragen Die
einzelnen Fragen sind den Frageboumlgen auf der beiliegenden CD zu entnehmen Die
Auswertung findet sich im Kapitel 6 worin auf die Beantwortung der wichtigsten Fragen
eingegangen wird
Ungefaumlhr eine Woche vor dem praktischen Teil des Schuumllerlabors wurden die Handouts
gedruckt und anschlieszligend zusammengeordnet Diesen Arbeitsanweisungen wurden
zusaumltzlich ein Lageplan des Physikgebaumludes ein Zeitplan und Hinweise uumlber den Ablauf
des Labors beigefuumlgt Zusaumltzlich wurde darauf verwiesen dass sich im Raum E071
Zusatzmaterial zum Thema Energie befindet wie zum Beispiel ein Trimm ndash Dich ndash Rad
und ein Modell eines Energiesparhauses Diese beiden dienten vom 5 ndash 7 Oktober 2010
als Anschauungsmaterial fuumlr den Projekttag bdquoEnergie im Speicherldquo im Museum im
Kulturspeicher und waren von Herrn Stolzenberger amp Kollegen der Universitaumlt Wuumlrzburg
konstruiert und bereitgestellt worden
Da bis zum Vortag der Durchfuumlhrung noch alle benoumltigten Raumlume aufgrund eines
weiteren Schuumllerlabors besetzt waren mussten der Aufbau der Versuche sowie die
Markierung aller Raumlume und Wege teilweise bis spaumlt abends durchgefuumlhrt werden Alle
Programme und vorbereiteten Dateien wurden vorab auf den Experimentierlaptops
installiert der Beamer und Overheadprojektor auf Funktionstuumlchtigkeit gepruumlft sowie
alle notwendigen Materialien die Handouts Klebeband fuumlr die Namensschilder
Schreibmaterial und die Mappen fuumlr die Station bdquoEnergieproblematikldquo vorbereitet und
bereitgelegt Nebenbei wurden alle Betreuer in ihren Aufgabenbereich eingefuumlhrt und sie
hatten nochmals die Moumlglichkeit die zu betreuenden Experimente selbst durchzufuumlhren
damit gewissen Tuumlcken bekannt und schneller behoben werden konnten Dabei wurde auf
wichtige Details bei der Erklaumlrung von Sachverhalten und auf das optimale Verhalten der
Betreuer waumlhrend des Versuchstags hingewiesen
Der Tag der Schuumllerlabordurchfuumlhrung
Die teilnehmende Klasse fand sich am Tag der Durchfuumlhrung spaumltestens eine halbe
Stunde vor dem vereinbarten Termin in der Universitaumlt Wuumlrzburg ein um mit dem
Versuchstag zu beginnen Die Schuumller versammelten sich in einen Seminarraum in dem
ein kurzer Vortrag stattfand und der Tagesablauf besprochen wurde damit die Versuche
reibungslos und ohne groumlszligere Zwischenfaumllle durchgefuumlhrt werden konnten
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Zeitplan fuumlr den 12 und 13 Oktober 0830 Uhr bis 0900 Uhr Vortrag 0900 Uhr bis 1000 Uhr 1 Station 1000 Uhr bis 1015 Uhr Pause 1015 Uhr bis 1115 Uhr 2 Station 1115 Uhr bis 1215 Uhr 3 Station 1215 Uhr bis 1300 Uhr Mittagessen 1300 Uhr bis 1315 Uhr Argumente sammeln und wiederholen in der Gruppe 1315 Uhr bis 1415 Uhr Diskussionsrunde
Zeitplan fuumlr den 14 Oktober 1030 Uhr bis 1100 Uhr Vortrag 1100 Uhr bis 1200 Uhr 1 Station 1200 Uhr bis 1300 Uhr 2 Station 1300 Uhr bis 1345 Uhr Mittagspause 1345 Uhr bis 1445 Uhr 3 Station 1445 Uhr bis 1500 Uhr Argumente sammeln und wiederholen in der Gruppe 1500 Uhr bis 1545 Uhr Diskussionsrunde
Bei dieser Gelegenheit wurden den Schuumllern auch andere Informationen zugetragen wie
in etwa der Ablauf des Schuumllerlabors Informationen uumlber die Raumaufteilung oder dass
sich im Raum E071 ein TrimmndashDichndashRad und ein Modelhaumluschen zum Energiesparen
befindet Die Tabelle 7 zeigt den Zeitplan vom 12 und 13 Oktober Da die Jugendlichen
der Realschule in Gemuumlnden mit dem Bayernticket nach Wuumlrzburg fahren wollten wurde
die Zeittafel nach hinten verschoben und das Schuumllerlabor begann somit erst um 1030
Uhr wie aus der Tabelle 8 ersichtlich wird
Bevor der Versuchstag beginnen konnte mussten die Maumldchen und Jungen in 6 Gruppen
(Gruppe A ndash F) aufgeteilt werden Dies geschah durch wahlloses Durchzaumlhlen durch die
Reihen Damit konnte gewaumlhrleistet werden dass die Gruppen recht homogen
hinsichtlich des Geschlechtes der Teilnehmer und des physikalischen Vorwissens waren
Da die Anzahl der Klassenmitglieder am 13102010 recht hoch war bedeutete das dass
die Gruppen aus recht vielen Personen bestanden Idealerweise sollten aber nicht mehr als
3 ndash 4 Schuumller eine Einheit bilden da sonst zu viel Unruhe und Unaufmerksamkeit
aufkommt
Alle Schuumller durchliefen in diesem Schuumllerlabor zwei Pflichtstationen naumlmlich die
Experimentierstation bdquoEnergieversorgungldquo und die Station bdquoEnergieproblematikldquo mit
anschlieszligender Diskussionsrunde Als dritte Station wurde unter den drei restlichen
Experimentierstationen variiert (vgl mit Tabelle 9) d h die Schuumller absolvierten in
diesem Schuumllerlabor keinen Parkour sondern sie mussten zwei Pflichtstationen und eine
der drei Stationen zum Energiesparen besuchen Die Zuteilung zur dritten Station
Tabelle 7 Zeitplan fuumlr den 12 und 13 Oktober
Tabelle 8 Zeitplan fuumlr den 14 Oktober
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 86
entweder zur Experimentierstation bdquoWaumlrmepumpeldquo zur Experimentierstation
bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo oder zur Experimentierstation bdquoEnergie im Haushaltldquo erfolgte je
nach Zuteilung zu einer bestimmten Gruppe A ndash F wie bereits oben erlaumlutert wurde Da
das Labor einen Uumlberblick und eine Wiederholung der Thematik bdquoEnergieldquo liefern soll
wurde die Entscheidung getroffen dass nicht alle Schuumller jede Station besuchen Ein
weiterer Grund fuumlr diesen Entschluss ist mit dem Zeitmanagement zu begruumlnden Sollten
die Jugendlichen alle Stationen durchlaufen muumlsste das Schuumllerlabor auf zwei Tage
ausgedehnt werden da die Konzentration der meisten Schuumller ab 1300 Uhr merklich
nachlaumlsst weil die Maumldchen und Jungen den Rhythmus der Unterrichtszeit gewohnt sind
Zugleich wuumlrde das den Ausfall eines weiteren Unterrichtstages bedeuten Eine derartige
Ausdehnung auf zwei Labortage waumlre aber eventuell fuumlr spaumltere Anwendungen des
Labors durchaus denkbar
Der Uumlbersichtsplan in Tabelle 9 der fuumlr den 12 und 13 Oktober galt lagt an jeder
Station aus damit die Jugendlichen nach Abschluss einer Station genau uumlber den
weiteren Verlauf informiert waren Weiter ist zu erkennen dass immer zwei Gruppen
gleichzeitig die Station bdquoEnergieproblematikldquo und die Station bdquoEnergieversorgungldquo
besuchten Deshalb mussten diese beiden zweimal aufgebaut werden was sich aber als
recht kompliziert darstellte da der doppelte Aufbau erstens einen Mehraufwand an
Materialien und zweitens einen groumlszligeren Raumbedarf bedeutete Deshalb waren im Raum
E070 immer drei Gruppen was natuumlrlich zu einem enormen Laumlrmpegel fuumlhrte
900 - 1000 1000 -
1015
1015 ndash 1115 1115 ndash 1215 1215 ndash
1300
1300 ndash
1315
1315 ndash
1400
Station 1 Pause Station 2 Station 3
Pause
Argu-
mente sam-
meln
Diskus-
sions-runde
A Energieversorgung
Waumlrmepumpe Energieproblematik
B Energie im Haushalt
Energieproblematik Energieversorgung
C Energieproblematik
Waumlrmedaumlmmung Energieversorgung
D Waumlrmedaumlmmung
Energieversorgung Energieproblematik
E Energieproblematik
Energieversorgung Waumlrmepumpe
F Energieversorgung
Energieproblematik Energie im Haushalt
Bevor die Experimentierphase begann wurden alle studentischen Betreuer vorgestellt
weshalb alle Betreuer bereits zum einfuumlhrenden Vortrag vor Ort sein sollten Die Schuumller
folgten nach dem Vortrag dem jeweiligen Betreuer zu ihren Stationen und durchliefen bis
zur Mittagspause die drei Stationen Im Anschluss wurden in einer viertelstuumlndigen Phase
die Ergebnisse aus der Station bdquoEnergieproblematikldquo innerhalb der Gruppe noch einmal
kurz aufbereitet und anschlieszligend startete die Praumlsentations- und Diskussionsphase Diese
werden im Kapitel 535 naumlher erklaumlrt Den Abschluss des Schuumllerlabors bildete ein
Tabelle 9 Uumlbersichtsplan fuumlr die Schuumller
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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kurzes Resuumlmee vom Diskussionsleiter und schlieszliglich wurde die Klasse verabschiedet
und entlassen
Alle Betreuer versammelten sich noch am selbigen Tag um eventuelle
Verbesserungsvorschlaumlge zu besprechen Diese wurden im Anschluss an den
Versuchstag solange es im moumlglichen Rahmen lag noch umgesetzt
Die Nachbearbeitungsphase
Nach Ende der dreitaumlgigen Schuumllerlabordurchfuumlhrungstage wurde das Labor abgebaut
und die Betreuer interviewt (vgl Kapitel 62) Es folgte die Auswertung der
Evaluationsfrageboumlgen und die sich darin anschlieszligende erneute Uumlberarbeitung des
Labors
Im weiteren Verlauf dieser Arbeit werden zunaumlchst der einleitenden Vortrag und
anschlieszligend die Stationen vorgestellt Im Kapitel 6 wird das Ergebnis der Evaluation
diskutiert
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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52 Der Vortrag
Alle Teilnehmer besuchten vor der Experimentierphase des Schuumllerlabors einen kurzen
Vortrag Hierdurch wird gewaumlhrleistet dass eine physikalische Wissensbasis von allen
Jugendlichen erlangt wird auf welche die Schuumller die die voneinander unabhaumlngigen
Experimentierstationen durchlaufen zum besseren Verstaumlndnis angewiesen sind Nach
der Begruumlszligung wurde kurz der Ablauf des Schuumllerlabortages vorgestellt und anschlieszligend
auf die Vermittlung der Grundlagen des Energiebegriffs uumlbergegangen Die Folien des
Power-Point-Vortrages befinden sich in Kapitel 83 sowie auf der beiliegenden CD
Da die Mitarbeit der Klasse bei dem einleitenden Vortrag eine groszlige Rolle spielt wurde
zunaumlchst versucht die Aufmerksamkeit der Jugendlichen auf den Redner zu lenken Mit
Fragen an die ganze Gruppe gerichtet wie zum Beispiel bdquoWo kommt man im Alltag mit
Energie in Beruumlhrungldquo und bdquoWo findet man im Alltag Energieldquo kann das Interesse
gesteigert werden Bei allen drei Klassen konnte beobachtet werden dass nach
anfaumlnglichem Zoumlgern die Schuumller und Schuumllerinnen recht aktiv mitarbeiteten Es wurden
zahlreiche Energieformen die bereits aus der Schule oder auch aus dem Alltag bekannt
waren spontan genannt (Folie 3) Anschlieszligend folgte die Frage bdquoWas ist Energie und
was ist Leistungldquo Auch hierfuumlr hatten einige Klassenmitglieder recht schnell eine
passende Antwort parat (Folie 4) Es schloss sich die Wiederholung der Kilowattstunde
der unterschiedlichen Energieformen des Wirkungsgrades der Primaumlr- Sekundaumlr- und
Endenergie und des Energieerhaltungssatzes an wobei immer wieder darauf geachtete
wurde ob die Schuumller aktiv mitarbeiten oder ob es einer gezielten Frage an die Zuhoumlrer
bedurfte um die Aufmerksamkeit erneut auf den Vortrag zu lenken
Die zweite Teilaufgabe des Vortrags lag darin die Schuumller fuumlr die Energieproblematik zu
sensibilisieren Aus diesem Grund wurden die Entwicklung der Weltbevoumllkerung und der
damit einhergehende staumlndig steigende Weltenergieverbrauch angesprochen (Folie 9)
Hierbei sollte verdeutlicht werden dass manche Industriestaaten recht verschwenderisch
mit der Energie umgehen (Folie 10) Es folgte die Besprechung einer der folgenreichsten
Konsequenzen der Energieverschwendung naumlmlich des Treibhauseffekts (Folie 16) Um
die Folgen der Umweltverschmutzung den Schuumllern moumlglichst nahe zu bringen wurden
Abbildungen Graphiken und Karikaturen verwendet da zahlreiche Schuumller
empfaumlnglicher fuumlr solche Art der Informationspraumlsentation sind (Folie 17 ndash 18) Auch
kann somit wiederum die Aufmerksamkeit und das Interesse vermehrt auf das
Vorgetragene geleitet werden Deutschland traumlgt ebenfalls stark zur
Umweltverschmutzung bei Dies wurde mit der Folie 19 thematisiert Waumlhrend der
Praumlsentation wurde immer wieder darauf hingewiesen dass die Erdoumllreserven und
Erdoumllressourcen nur begrenzt sind Diese letzten beiden Probleme bieten eine gute
Uumlberleitung zu den Gedankenmodellen bdquoWas kann nun jeder einzelne Buumlrger zur
Verbesserung der Energieproblematik und dem damit eng verbundenen Klimawandel
unternehmenldquo und bdquoWelche Alternativen zur umweltfreundlichen Energiegewinnung
gibt esldquo
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 89
Zum Abschluss des Vortrages wurde die Folie 22 aufgelegt Diese Karikatur eignet sich
hervorragend um die Schuumller zum Denken anzuregen Sie soll verdeutlichen dass so
manche regenerative Energiequellen noch nicht vollkommen ausgeschoumlpft werden
obwohl sie beispielsweise gegenuumlber der Atomenergie oder der Energiegewinnung mit
Kohle oder Erdoumll viele Vorteile bieten
Diese Arbeit wurde auf der Grundlage unterschiedlicher Herangehensweisen an den
Energiebegriff konzipiert (vgl Kapitel 411) und soll verschiedene Aspekte des
Terminus Energie wiederspiegeln Hier muss angefuumlhrt werden dass beim Besuch des
Schuumllerlabors die Theorie bereits im Wissen der Schuumller verankert sein sollte Das
Schuumllerlabor dient vorwiegend der Wiederholung und soll einen Uumlberblick uumlber die
Thematik bdquoEnergieldquo im Physikunterricht geben Aus diesem Grund ist der Vortrag relativ
kurz gehalten und es werden nur sehr knapp die einzelnen Teilbereiche der Energie
angeschnitten Die verwendete Theorie ist in Kapitel 412 bis 416 ausfuumlhrlich
dargestellt
Grundsaumltzlich kann angefuumlhrt werden dass die Schuumller aller Teilnehmerklassen recht
aufmerksam dem Vortrag folgten was auch wiederum waumlhrend der Experimentierphase
durch produktive Beitraumlge bemerkbar wurde Wie die Evaluation zeigt (Kapitel 61) hat
der Vortrag bei den Klassen recht groszligen Anklang gefunden Haumlufig wurde kommentiert
dass die zahlreichen Bilder Karikaturen und Graphiken die Praumlsentation auflockern und
die Darstellung recht ansprechend gestalten Weiter wurde positiv vermerkt dass
saumlmtliche Gebiete der Energie angesprochen werden auch solche die noch voumlllig neu
und unbekannt sind
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 90
53 Schuumllerversuche
Der Aufbau des Schuumllerlabors bdquoEnergieversorgung Energienutzung
Energieproblematikldquo ist so gestaltet dass die Teilnehmer weitestgehend selbstaumlndig und
eigenverantwortlich die einzelnen Stationen durchlaufen und absolvieren koumlnnen Wie
bereits oben erwaumlhnt stellen die beiden Stationen bdquoEnergieproblematikldquo und
bdquoEnergieversorgungldquo Basisstationen dar die jeder Schuumller durchlaufen muss Die anderen
drei Stationen bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo bdquoEnergie im Haushaltldquo und bdquoWaumlrmepumpeldquo sind
weiterfuumlhrende Experimentierstationen die jeweils eine andere Moumlglichkeit zeigen
Energie zu sparen In der nachfolgenden Ausarbeitung dieser Arbeit werden die einzelnen
Teilstationen und die darin enthaltenen Experimente naumlher erklaumlrt Zu Beginn jedes
Abschnitts werden unter der Uumlberschrift bdquoMotivationldquo Uumlberlegungen aufgefuumlhrt die
diesen Aufbau der Station rechtfertigen Weiterhin wird illustriert welche Lernziele in
diesem Abschnitt verfolgt werden
Im Anschluss folgt neben der Beschreibung der Versuchsaufbauten eine Erlaumluterung der
zusaumltzlichen Informationen und Arbeitsschritte die das Schuumllerhandout beinhaltet und
welche durch die Station leiten Je nachdem um welchen Versuch es sich handelt und
welches Thema darin behandelt wird werden fachliche Ergaumlnzungen genannt sofern sie
noch nicht im Kapitel 4 behandelt wurden Diese sollen als Hilfestellung fuumlr eine erneute
Durchfuumlhrung des Labors dienen
Kritische Stellen des Schuumllerlabors an denen die Schuumller und Schuumllerinnen ohne
Mitwirken des Betreuers nicht vorwaumlrts kommen wurden dahingehend gehemmt indem
Hilfekarten entwickelt wurden Auf diese Gedaumlchtnishilfe wird an entsprechender Stelle
ebenfalls verwiesen Informationen fuumlr die Betreuer die vor und waumlhrend der
Durchfuumlhrung Beachtung finden sollten werden unter der Uumlberschrift bdquoHinweise fuumlr
Betreuerldquo abgehandelt Bei diesen Hinweisen werden Probleme aber auch sinnvolle
Zusatzinformationen aufgefuumlhrt die bei der Probeversuchsdurchfuumlhrung oder an den drei
Labortagen aufgetreten sind
Unter dem Punkt bdquoBeobachtungenldquo werden Eindruumlcke und Erfahrungen waumlhrend der
Labortage festgehalten Darin enthalten ist die Motivation der Teilnehmer die Faumlhigkeit
zum Arbeiten in Teams und es wird angesprochen inwiefern Teilversuche von den
Schuumllern verinnerlicht worden sind
Materialien und Experimente die zwar urspruumlnglich geplant gewesen waren aber aus
Zeitgruumlnden verworfen wurden werden im Anschluss praumlsentiert und vorgestellt
Um der weiteren Ausfuumlhrung und Erlaumluterung der Versuche folgen zu koumlnnen ist es
sinnvoll die in Kapitel 84 beigefuumlgte Schuumllerversion zu lesen Das Betreuerhandout
befindet sich auf der beiliegenden CD
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 91
531 Experimentierstation bdquoEnergieversorgungldquo
Motivation
Die Versuchsstation bdquoEnergieversorgungldquo ist eine Pflichtstation und wird von allen
Schuumllern absolviert Jeder Mensch benoumltigt taumlglich Energie Wo kommt aber die Energie
her Grobziel dieser Experimentierstation ist es den Teilnehmern zu vermitteln dass
Energie nicht erzeugt werden kann sondern lediglich von einer Energieform in eine
andere umgewandelt werden kann und somit die benoumltigte Energieart nur durch
Umwandlungsprozesse gewonnen wird Es gilt das Gesetz von der Erhaltung der Energie
Da dieses Wissen elementar fuumlr alle weiteren Stationen ist wurde beschlossen dass die
Station bdquoEnergieversorgungldquo von allen Jugendlichen durchlaufen werden muss
Es soll speziell der grundlegende Gewinnungsprozess von elektrischer Energie in
Kohlekraftwerken vermittelt werden Da in der Bundesrepublik Deutschland 228 der
elektrischen Energie aus der chemischen Energie durch Verbrennung des
Primaumlrenergietraumlgers Kohle erzeugt wird und Kohle weltweit einer der wichtigsten und
aumlltesten Energietraumlger ist wird hier die grundsaumltzliche Funktionsweise eines
Waumlrmekraftwerks diskutiert Fuumlr die Durchfuumlhrung dieser Einheit muumlssen die Schuumller
ein grundlegendes Verstaumlndnis der Elektrik besitzen
Die Einfuumlhrung in die Station
Den Anfang dieser Station bildet eine Graphik die die Stufen des Gewinnungsprozess
von elektrischer Energie in Kohlekraftwerken verdeutlicht Die Graphik beinhaltet
Luumlcken in welcher die Schuumller beispielsweise die Turbine den Generator oder den
Kuumlhlturm benennen sollen Mit den im Anschluss beschriebenen Experimenten werden
die Induktion der Drehstromgenerator der Transformator und die Energieuumlbertragung
durch Hochspannungsleitungen demonstriert Die Reihenfolge der Versuche ergibt sich
aus den nacheinander aufbauenden Teilbereichen eines Waumlrmekraftwerks in denen die
Energie oftmalig umgewandelt wird bis sie endlich als elektrische Energie dem
Verbraucher zur Verfuumlgung steht
Hinweise fuumlr die Betreuer
Zahlreiche Schuumller haben Probleme den Aufbau eines Waumlrmekraftwerks grob skizzieren
zu koumlnnen Aus diesem Grund wurde basierend aus den Erfahrungen aus dem Testlauf
des Schuumllerlabors eine Hilfekarte erstellt die der Betreuer den Teilnehmern bei Bedarf
aushaumlndigen kann Diese Karte 1 befindet sich im Anhang unter Kapitel 85 Aus dieser
Gedaumlchtnisstuumltze koumlnnen die benoumltigen Details entnommen werden die fuumlr die
Bearbeitung des Luumlckentextes relevant sind Die Aufgabe des Betreuers ist es mit der
Gruppe die Graphik zu besprechen Das Problem eines Labortages in welchen die
Schuumller groumlszligtenteils selbstaumlndig arbeiten sollen ist dass die Teilnehmer die zu lesenden
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 92
und diskutierenden Passagen gerne uumlberspringen oder nur uumlberfliegen Da diese Station
aber wichtige Themen die auch fuumlr die weiteren Stationen von groszliger Relevanz sind
beinhaltet ist hier eine leitende und fuumlhrende Person unerlaumlsslich Neben den
nachfolgenden Themengebieten die anhand eines Experimentes thematisiert werden
sind besonders die Diskussion uumlber die Entstehung der Waumlrmeenergie im Brennkessel
eines Kohlekraftwerkes sowie das Funktionsprinzip einer Turbine und die damit
verbundene Umwandlung von thermischer Energie zu mechanischer Energie zu nennen
Die Schuumller sollen erkennen dass Energie nicht erzeugt werden kann Sie ist nur in einer
bestimmten Energieform gespeichert und wird je nach Bedarf in eine andere verwendbare
Energieform gewandelt Dieser Sachverhalt muss vom Betreuer explizit angesprochen
werden
Versuch 1 Die elektromagnetische Induktion
Motivation
Der Versuch 1 soll das Prinzip der elektromagnetischen Induktion behandeln Grundlage
jeglicher elektrischen Maschine egal ob Generator oder Motor ist die
elektromagnetische Induktion Zwar soll das Labor zu Wiederholung dienen dennoch
wurde bereits bei der Entwicklung der Station beruumlcksichtigt dass eventuell Schuumller einer
Jahrgangsstufe der Realschule oder des Gymnasiums das Labor besuchen koumlnnten fuumlr
welche die Induktion unter Umstaumlnden ein relativ neues Themengebiet darstellt Die
Versuche die die Schuumller durchfuumlhren sollen beginnen daher mit einem
Grundlagenversuch zur Einfuumlhrung der Induktion Ziel dieses Experimentes ist den
Schuumllern zu verdeutlichen was unter der elektromagnetischen Induktion verstanden wird
Auszligerdem soll geklaumlrt werden wovon die Induktion abhaumlngig ist
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltige Materialien
Digitalspeicher ndash Oszilloskop Tektronix
Messverstaumlrker Didactic GmbH 220 ndash 240 V 110 ndash 130 V T 063 A
Stativ
Stabmagnet
Leiterschleife
Der Aufbau des Experimentes ergibt sich aus Abbildung 57 Die Teilnehmer haben die
Aufgabe das Ende eines langen Stabmagneten rasch in das Innere der Spule zu bewegen
und dabei den Zeigerausschlag des Messgeraumltes zu beobachten Nach einer kurzen
Wartezeit bis der Zeiger des Oszilloskops wieder ganz auf null zuruumlckgegangen ist soll
der Magnet wieder aus der Spule herausgezogen werden Anhand der Beobachtung die
die Schuumller gemacht haben wird innerhalb der Gruppe diskutiert was genau unter der
Krokoklemmen
Verbindungsstecker
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 93
elektromagnetischen Induktion zu verstehen ist und wie der Verlauf des Graphen der an
der Anzeige des Messgeraumltes erkennbar ist und im Handout skizziert werden soll
interpretiert werden kann
Eigens fuumlr diesen Teilbereich des Versuchs ist ein Vorwissen der Teilnehmer uumlber
trigonometrische Funktionen erforderlich Auf dieses Vorwissen wird beim Experiment 2
naumlher eingegangen Im Anschluss soll getestet werden von welchen Variablen die Groumlszlige
und die Richtung der erzeugten Spannung abhaumlngig ist
Hinweise fuumlr die Betreuer
Urspruumlnglich war geplant dass die Schuumller den Versuchsaufbau so wie er in ihrem
Handout beschrieben und abgebildet ist nachbauen sollen Da aber die teilnehmenden
Klassen die elektromagnetische Induktion noch nicht besprochen hatten wurde
beschlossen dass dieser Versuch bereits vollstaumlndig aufgebaut war sobald zu
experimentieren begonnen wurde Dies hatte zum einen den Vorteil dass die betreuende
Person intensiver und laumlnger auf den Inhalt dieses Experimentes eingehen konnte falls
Bedarf bestand und zum zweiten konnte die Feineinstellung des Oszilloskops
beibehalten werden und musste nicht nach jeder Versuchsdurchfuumlhrung erneuert werden
Abb 57 Energieversorgung - Aufbau Versuch 1 ndash Die elektromagnetische Induktion
Oszilloskop
Leiterschleife Stativ und
Verbindungsschnuumlre
Verstaumlrker Magnet
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 94
Da die Abhaumlngigkeit der Groumlszlige und der Richtung der induzierten Spannung von der
Staumlrke und von der Bewegungsgeschwindigkeit des Magneten sowie von der Bewegung
des Magneten senkrecht zum Leiter abhaumlngig ist muss zum exakten Erkennen der obigen
Eigenschaften die Ablenkung des Lichtstrahles am Oszillographen in der horizontalen
und vertikalen Achse relativ langsam erfolgen Diese Einstellungen am Messgeraumlt
nehmen viel Zeit in Anspruch Deshalb war es die Aufgabe des Betreuers die Teilnehmer
darauf hinzuweisen dass die Einstellungen am Messgeraumlt bei diesem Experiment nicht
veraumlndert werden durften
Beobachtungen
Fuumlr kommende Schuumllerlabordurchfuumlhrungen ist es sinnvoll den Aufbau des Versuchs
Nummer 1 von den Teilnehmern vornehmen zu lassen da das Anschlieszligen der
Leiterschleifen uumlber einen Messverstaumlrker an ein Oszilloskop von zahlreichen Schuumllern
als recht schwierig aber dennoch als lehrreich beurteilt wird Besonders Maumldchen wissen
haumlufig nicht wie sie an die Geraumlte herangehen sollen und trauen sich nicht mit diesen zu
experimentieren Speziell bei diesem Teilversuch wurde waumlhrend der Durchfuumlhrung
mehrfach festgestellt dass die Schuumllerinnen oftmals ihren Kollegen das Experimentieren
uumlberlieszligen und sich lieber im Hintergrund hielten Aus diesem Grund ist es zweckmaumlszligig
fuumlr diesen Teilversuch mehr Zeit einzuplanen sodass auch den Maumldchen die Moumlglichkeit
geboten wird mit Spannungsmessgeraumlten Spulen Magneten etc zu hantieren
Versuch 2 Der Drehstromgenerator
Motivation
Dieses Experiment zeigt exemplarisch den heute in nahezu allen Kraftwerken
eingesetzten Drehstromgenerator Dieser Generatortyp ist in unserer unmittelbaren
technischen Umwelt die am meisten verwendete Bauart sie ist allerdings nicht die
einfachste Daher ist es relevant dass die Teilnehmer vor dem Besuch des Schuumllerlabors
Grundlagen des Generatorprinzips im Unterricht behandelt haben Auch hier sind
Kenntnisse uumlber trigonometrische Funktionen erforderlich
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltige Materialien
3 Spulen (600 Windungen)
Laptop
Powerlink
PASKO-Datenlogger
Magnet mit Dreh-
vorrichtung
Spannungssensoren
Bohrmaschine
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Der Laptop ist bereits vor der Schuumllerlabordurchfuumlhrung hochgefahren und der
Schuumllerlabormodus am PC bereits gestartet Der Aufbau besteht aus drei elektrischen
Spulen die sich in der fuumlr die Drehstromerzeugung typischen Anordnung im Kreise
versetzt um 120 Grad befinden Diese Spulen sind je mit einem Spannungssensor
verbunden Im Kreismittelpunkt befindet sich ein drehbar gelagerter Stabmagnet der
durch eine Bohrmaschine gleichmaumlszligig zum Drehen gebracht wird Wenn der Magnet
rotiert kommen dessen Pole der Reihe nach im Wechsel an den Polschuhen der Spulen
vorbei Dadurch wird in jeder der drei Spulen die am Desktop farblich mit drei
verschiedenen Farben gekennzeichnet sind eine Wechselspannung induziert Die
Bohrmaschine wird von einem Teilnehmer der Gruppe bedient Dabei ist darauf zu
Abb 58 Energieversorgung - Aufbau Versuch 2 ndash Drehstromgenerator
3 Spulen mit
Magnet um 120deg
versetzt
drehbar
gelagerter
Stabmagnet
Bohrmaschine
Laptop
Spannungssensoren
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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achten dass eine gleichmaumlszligige Drehbewegung des Magneten gewaumlhrleistet wird Die
restlichen Mitglieder der Experimentiergruppe versammeln sich vor dem Laptop Das
Programm bdquoDataStudioldquo wird aktiviert und der Button bdquoStartldquo wird gedruumlckt Auf dem
Bildschirm kann der Verlauf der drei Graphen beobachtet werden Anschlieszligend wird die
Aufzeichnung am Computer gespeichert
Hinweise fuumlr die Betreuer
Die oben erwaumlhnte und im Experiment 2 verwendetet Einheit bestehend aus Spulen und
eines Magneten rotiert im Inneren eines Drehstromgenerators Waumlhrend des Rotierens
muss die Spule mit Strom versorgt werden damit sie ein kraumlftiges Permanentmagnetfeld
aufbaut Hier muss mit den teilnehmenden Personen des Labors diskutiert werden wie
der rotierende Magnet auf feststehende Spulen wirkt In diesem Zusammenhang ist die
aus Versuch 1 erlaumluterte elektromagnetische Induktion zu erwaumlhnen
Das Diagramm (Abb 59) zeigt den zeitlichen Verlauf dieser drei Wechselspannungen
Aufgetragen ist die Spannung U in Abhaumlngigkeit vom Drehwinkel Es sollte sich die
drehstromtypische Darstellung mit den drei zeitversetzt hintereinander hereilenden
Wechselspannungskurven ergeben
Wie bereits oben erwaumlhnt wird die induzierte Spannung mit einem PASCO Datenlogger
mit Software aufgezeichnet Dieses System erlaubt es mit drei analogen
Spannungskanaumllen zu arbeiten So koumlnnen drei Spulen mit der gleichen Anzahl an
Wicklungen im Abstand von 120deg um den sich drehenden Magneten platziert werden um
einen Drehstromgenerator herzustellen Die sich ergebenden Linien sollen sich in den
aufeinander folgenden Phasen um 120deg unterscheiden was sich durch das Uumlberpruumlfen des
Abstandes von einem Drittel der Periode zwischen den Linien nachweisen laumlsst (siehe
Abb 59) [DIX05] Die Abbildung 510 zeigt die Verlaumlufe der Graphen wie sie auf dem
Bildschirm waumlhrend der Schuumllerlabordurchfuumlhrung erscheinen Zwar kann die
Verschiebung der drei Spannungsstraumlnge um 120deg deutlich erkannt werden dennoch
ergibt sich kein reiner sin-Verlauf
Abb 59 Zeitlicher Verlauf der Spannungsstraumlnge
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Dieser Sachverhalt kann zum Beispiel auf den verwendeten Stabmagneten
zuruumlckzufuumlhren sein Tritt der Magnet in das Feld der Spule ein aumlndert sich der
magnetische Fluss und es wird eine Spannung induziert Derselbe Effekt geschieht jedoch
aber auch in dem Moment wenn der Magnet das Feld der Spule wieder verlaumlsst also in
relativ kurzer Zeit hintereinander Andererseits kann speziell bei dieser Bauweise der Fall
eingetreten sein dass die drei Spulen nicht exakt um 120deg verschoben zueinander
angeordnet sind Eine ungleichfoumlrmige Bewegung des Magneten durch die Bohrmaschine
kann ebenfalls zu einer unregelmaumlszligigen Darstellung der Graphen fuumlhren Diese
beschriebenen Problemstellungen sollten mit den Schuumllern geklaumlrt werden Um den
Teilnehmern einen exakten Verlauf der Spannungsstraumlnge praumlsentieren zu koumlnnen wurde
vorab auf den Laptop eine Version mit Sinusfunktionen die genau um 120deg verschoben
sind installiert Anhand dieser Datei kann der Drehstrom besprochen werden
Beobachtung
Interessanterweise war der Versuch 2 innerhalb der Station bdquoEnergieversorgungldquo der
Anziehungspunkt fuumlr die Schuumller Fast alle Teilnehmer zeigten groszliges Interesse sowohl
am Aufbau dieses Experiments als auch an der dazugehoumlrigen Datei Nahezu jeder Junge
und jedes Maumldchen wollte einen moumlglichst bdquogutaussehendenldquo Graphen erstellen Auch
die Theorie die hinter diesem Teilversuch steckt wurde zahlreich hinterfragt Die
Sachlage dass von sechs Anschluumlssen der drei Spulen je ein Anschluss zu einem
gemeinsamen Leiter zusammengefasst wird und somit vom Drehstromgenerator vier
Leitungen ausgehen analog zu Freileitungen erweckte ebenfalls groszlige Aufmerksamkeit
Hier wurde ein Bezug zum Alltag geschaffen da jeder Schuumller bereits bemerkt hatte dass
von einem Trafohaumluschen immer vier Draumlhte ausgehen Hier war erstaunlicherweise
keine Scheu und kein Desinteresse bei den Maumldchen erkennbar
Wie bereits oben erwaumlhnt sind im Versuch Nr 1 als auch im Versuch Nr 2
trigonometrische Vorkenntnisse noumltig Im ersten Experiment soll der Verlauf einer
Sinusfunktion erkannt und diskutiert werden Im nachfolgenden Experiment wird die
Lage der drei Graphen zueinander thematisiert Die Schuumller erfahren dass die
Mathematik in vielen alltaumlglichen Situationen oder in der Technik hilfreich ist Die
Abb 510 Zeitlicher Verlauf der Spannungsstraumlnge mit PASKO - Datenlogger
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Mathematik ist nicht nur Theorie ohne praktische Anwendungen sondern auch uumlber ihr
eigenes Fach hinaus weit verzweigt bzw Grundlage fuumlr fast alle anderen
naturwissenschaftlichen Faumlcher sowie der Technik In vielen Faumlllen hatten die Teilnehmer
bei dieser Station groszlige Probleme mit den Graphen Die Maumldchen und Jungen der
Realschule Gemuumlnden hatten zwar Sin- und Cos-Funktionen im Unterricht noch nicht
besprochen in den beiden Gymnasiumklassen waren trigonometrische Funktionen laut
Angabe der Lehrkraumlfte aber bereits Thema Es zeigte sich dass es fuumlr die Jugendlichen
schwer ist die Mathematik und die Physik in Verbindung zu bringen und zu erkennen
dass mit Unterstuumltzung der Mathematik die Physik erklaumlrt werden kann Aus diesem
Grund wurde an dieser Stelle versucht faumlcheruumlbergreifende Aspekte wie beispielsweise
den Verlauf der Sinusfunktion anzufuumlhren
Versuch 3
Der Transformator und die verlustarme Uumlbertragung elektrischer Energie
uumlber weite Strecken I
Motivation
In den folgenden zwei Experimenten der Station bdquoEnergieversorgungldquo Versuch 3 und
Versuch 4 wird das Prinzip der Hochspannungsgleichstromuumlbertragung mit
Modellversuchen veranschaulicht Neben der Wiederholung der Funktionsweise eines
Transformators sollen die Schuumller erkennen dass nur bei Hochspannung eine relativ
verlustarme Energieuumlbertragung uumlber weite Strecken moumlglich ist
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Da die erzeugte elektrische Energie uumlber groszlige Entfernungen zu den Endverbrauchern
transportiert werden muss werden Transformatoren benoumltigt Zunaumlchst wird den
Schuumllern die Frage gestellt wie ein Transformator funktioniert Dabei soll eine kleine
Skizze eines Transformators aufgezeichnet und die wichtigsten Bestandteile benannt
werden (vgl Abb 511) Bei Unklarheiten kann die Hilfekarte 2 herangezogen werden
Abb 511 Aufbau eines Transformators [INTQ66]
Spannungsvorrichtung
Sekundaumlrspule
Joch aus Eisenkern
Primaumlrspule
U-Kern
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Anschlieszligend folgt die Durchfuumlhrung des Experimentes 3
Benoumltige Materialien
Spannungsquelle (6V ) Phywe
Gluumlhlampe (6V 5A)
2 Digital-Multimeter Voltcraft V3610 oder M3610
Verbindungsschnuumlre
Draht aus Konstantan (110m = 4mm)
Halterungen fuumlr den Draht
Im Handout der Schuumller findet sich eine genaue Erlaumluterung des Versuchsaufbaus (vgl
Abb 512)
Die Teilnehmer sollen uumlberpruumlfen ob die Geraumltschaften richtig angeschlossen sind
Natuumlrlich wurden vorab die Verbindungsschnuumlre falsch gesteckt Dies hat den Vorteil
dass sich die Jugendlichen intensiv mit dem Aufbau des Experimentes beschaumlftigen und
uumlberlegen muumlssen wie schaltet man Instrumente in Reihe Nach Uumlberpruumlfung der
Schaltung durch den Betreuer soll das Schaltbild dieses Versuchs kurz skizziert und mit
den wichtigsten Benennungen beschriftet werden (Abb 513) Mittels dieses
Demonstrationsversuches soll den Schuumllern die Notwendigkeit des Einsatzes von
Hochspannung zur Spannungsuumlbertragung uumlber weite Strecken bewusst werden Zunaumlchst
soll eine Lampe mit obigen Betriebsdaten uumlber eine Fernleitung betrieben werden Die
Fernleitung wird simuliert durch zwei Drahtschnuumlre aus Konstantan Die Schuumller
beobachten dass die Lampe nicht leuchtet
6 V
~6 V 5 A
Pruumlfe ob der Versuch richtig aufgebaut ist
Ausgehend von der Spannungsquelle 6V~ soll das
Drehspulmessinstrument mit Messbereich 3A ein Draht das
Vielfachmessinstrument die Gluumlhlampe und der zweite Draht in
Reihe geschalten werden
Abb 512 Versuchsbeschreibung Experiment Nr 3 Station Energieversorgung
A A RD= 04 Ω
RD= 04 Ω
RL= 04Ω
Abb 513 Energieversorgung - Schaltbild des Experimentes 3
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Versuch 4
Die verlustarme Uumlbertragung elektrischer Energie uumlber weite Strecken II
benoumltigte Materialien
Materialien aus Versuch 3
Joch aus Eisen
U-Kern
Spannvorrichtung
zwei Spulen (N=12000)
zwei Spule (N=750)
Im zweiten Versuchsteil Experiment 4 wird der analoge Aufbau verwendet nur wird vor
die bdquoFernleitungldquo ein Hochspannungstransformator (Uumlbersetzungsverhaumlltnis nPnS =
161) und hinter der bdquoFernleitungldquo ein Niederspannungstransformator
(Uumlbersetzungsverhaumlltnis nPnS = 116) in die Schaltung eingebaut Die Teilnehmer haben
die Aufgabe Versuch 3 so zu veraumlndern dass die Lampe leuchtet Es folgt eine
Diskussion der Beobachtung
Hinweise fuumlr die Betreuer
Bei der Wiederholung des Transformators muumlssen sich die Helfer versichern dass die
Schuumller folgendes Wissen parat haben
Mithilfe von Transformatoren wird auf der Erzeugerseite eine niedrige Spannung
auf eine Hochspannung hochtransformiert Auf der Abnehmerseite wird die
Hochspannung mit einem Transformator wieder auf das gewuumlnschte
Spannungsniveau des Netzes heruntertransformiert
Transformatoren arbeiten nur mit Wechselstrom
Sollten gewisse Luumlcken festzustellen sein muss der Betreuer den Transformator anhand
eines Modells erneut erklaumlren Ein Modell steht am Arbeitsplatz bereit
Beim Experimentieren hat der Betreuer explizit darauf zu verweisen dass sobald die
Spannungsquelle eingeschaltet ist kein Material mehr beruumlhrt werden darf Auch auf den
richtigen Aufbau der Experimente 3 und 4 ist zu achten
Bei der Diskussion am Schluss des Versuchs 4 ist zum Verstaumlndnis ein formelmaumlszligiges
Betrachten der physikalischen Zusammenhaumlnge wichtig Es werden die Abhaumlngigkeit der
Leistungsverluste PV von der Stromstaumlrke I (PV = U I = R I2) und damit die
Notwendigkeit fuumlr das Prinzip den Strom uumlber weite Strecken auf hohe Spannungen zu
transformieren verdeutlicht
Zusaumltzlich wurde eine letzte Hilfekarte fuumlr diese Station erstellt die einen Uumlberblick uumlber
den Transport und die Verteilung von elektrischer Energie liefern soll Diese Karte 3 (vgl
Kapitel 85) soll den Schuumllern ebenfalls uumlberreicht werden
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Beobachtungen
Fuumlr die gesamte Station bdquoEnergieversorgungldquo war aufgrund der Tatsache dass nur wenig
Vorwissen bei den Schuumllern vorhanden war zu wenig Zeit angesetzt Die Versuche 3 und
4 wurden deshalb vorwiegend von den Betreuern vorgefuumlhrt und die Ergebnisse innerhalb
einer Sitzgruppe diskutiert
Diese Station bdquoEnergieversorgungldquo wurde zweimal aufgebaut da alle Teilnehmer diese
Pflichtstation absolvieren mussten Da waumlhrend der Schuumllerlabordurchfuumlhrung zu wenig
freie Raumlume zur Verfuumlgung standen befand sich im Raum E070 neben diesen beiden
oben erwaumlhnten Versuchsreihen auch noch die Station bdquoEnergie im Haushaltldquo Aufgrund
dieser Situation war der Laumlrmpegel in diesem Raum extrem hoch Fuumlr zukuumlnftige
Durchfuumlhrungen ist aumluszligerst empfehlenswert die Station bdquoEnergieversorgungldquo alleine in
einem Zimmer zu platzieren da hier wesentliche Grundlagen der Elektrizitaumltslehre
besprochen werden die eine hohe Aufmerksamkeit fordern
Zusatzaufgabe I
Die Station bdquoEnergieversorgungldquo beinhaltet eine Zusatzaufgabe die von Schuumllern
bearbeitet werden kann die sehr motiviert sind oder keine volle Stunde fuumlr die
Durchfuumlhrung der Station benoumltigt haben Diese Uumlbung behandelt die Spitzenlast
Grundlast und Mittellast (vgl Kapitel 84) Es soll beraten werden welche
Kraftwerkstypen in Deutschland die Grundlast und welche Typen die Spitzenlast
abdecken koumlnnen
In Deutschland dienen zur Gewinnung elektrischer Energie in erster Linie
Waumlrmekraftwerke und in zweiter Linie Kernkraftwerke wie etwa das Kraftwerk in
Grafenrheinfeld bei Schweinfurt Auch Wasserkraft nimmt eine bedeutende Rolle ein All
diese Werke decken die Grundlast Zur Abdeckung des uumlber die Grundlast
hinausgehenden Bedarfs an elektrischer Energie der Spitzenlast dienen Pumpkraftwerke
Ein Pumpspeicherkraftwerk befindet sich zum Beispiel in Gemuumlnden am Main (Franken)
Die Mittellast decken Steinkohle- und Gaskraftwerke ab
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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nicht verwendete Experimente und Rechenbeispiele
Zusatzaufgabe II
Wie bereits oben erwaumlhnt wird im Anschluss an Versuch 4 die Abhaumlngigkeit der
Leistungsverluste PV von der Stromstaumlrke I angesprochen Ein Rechenbeispiel kann zum
besseren Verstaumlndnis fuumlhren Anfangs war folgende Aufgabe (Abb 514) in das Handout
der Schuumller integriert Diese wurde allerdings nach der Schuumllerlabordurchfuumlhrung dem
Arbeitsblatt wieder entnommen da die Bearbeitung des Rechenbeispiels den zeitlichen
Rahmen von einer Stunde sprengte
Fuumlr den Widerstand der Leitung gilt
Zwischen der Laumlnge l eines Drahtes seiner Querschnittsflaumlche A und seinem Widerstand besteht folgender Zusammenhang
RD = ρ middot l_
A Ρ = spezifischer Widerstand l= Laumlnge der Leitung A= Querschnitt der Leitung
Berechne mit Hilfe der Tabelle den Widerstand des Drahtes
RD und den elektrischen Widerstand RL der Lampe RD = 500 ∙ 10minus3 Ω middot mm2m middot 110 m 1256 mm2 = 04 Ω RL = U I = 6V 5A = 12 Ω
Wie groszlig ist bei dem Versuch Nr 3 die Stromstaumlrke und der Spannungsabfall an der
Lampe IL = 6 V (2∙ 04 Ω + 12 Ω) = 288 A Die Stromstaumlrke ist also zu gering deswegen leuchtet
die Lampe nicht UL = 12Ω ∙288 A = 345 V
Die bei dem Versuch fuumlr die in der Uumlbertragungsleitung verlorene Leistung ist demnach PVerlust = Δ ULeitung ∙ I = RLeitung ∙ I ∙ I = 2middot RDraht ∙ I2 = = 2 ∙ 04 Ω ∙ 288 A = 73 Watt
Wird die elektrische Leistung Pel mit einer Hochspannung UH uumlber die Leitung mit dem Gesamtwiderstand RLeitung uumlbertragen dann gilt fuumlr die
in der Leitung verlorene Leistung PVerlust
PVerlust = RL middot Pel2
UH2middot 16
Material Spezifischer Widerstand in Ω middot mm
2m
Aluminium 265 middot10-3
Blei 208 middot 10-3
Eisen 10 middot 10-1
bis 15 middot 10
-1
Gold 2214 middot 10-3
Konstantan 500 middot 10-3
Messing 70 middot 10-3
Kupfer (rein) 1678 middot 10-3
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Versuch 5 Modellexperiment zur Dampfturbine
Motivation
Waumlhrend der Planungsphase des Schuumllerlabors wurde ein Modell zur Dampfturbine
erbaut Dieses Experiment war urspruumlnglich als erster Versuch in der Station
bdquoEnergieversorgungldquo geplant Aus zeitlichen Gruumlnden musste es aber leider verworfen
werden obwohl hiermit das Funktionsprinzip einer Turbine gut erlaumlutert werden kann
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltige Materialien
Erlenmeyerkolben (500 ml)
zweifach durchbohrter Stopfen
2 gewinkelte Glasroumlhren mit Spitzen
Bunsenbrenner mit Dreifuszlig und Drahtgewebe mit Asbest
kleines Ventilatorrad aus Plastik
In den Verschlussstopfen eines Erlenmeyerkolbens setzt man die gewinkelten mit
Spitzen versehenen Glasroumlhren ein Die Spitzen sind entgegengesetzt zueinander schraumlg
nach oben beziehungsweise nach unten umgebogen Der Erlenmeyerkolben wird mit
etwas Wasser gefuumlllt und uumlber einem Bunsenbrenner erwaumlrmt Wenn das Wasser siedet
entstroumlmt den Duumlsen je ein Dampfstrahl Die Dampfstrahlen treffen schraumlg auf die
Schaufeln des Ventilatorrades und bringen das Rad zum Drehen Anhand dieses
Experimentes (vgl Abb 515) kann eine Turbine erlaumlutert werden
Berechne nun die Verlustleistung PVerlust mit Trafo = RL middot Pel2 = 2 ∙ 04 Ω ∙ (6v ∙ 5A)2 = 01 Watt
UH2middot Ns (6V ∙ 16)
Np
Um wie viel hat sich die Verlustleistung verringert 73 Watt ndash 01 Watt = 99 73 Watt
Abb 514 Energieversorgung ndash Rechenbeispiel zu Versuch 3 und 4
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Aufgabe der Jugendlichen ist es den Versuch laut den Angaben im Handout aufzubauen
dass Wasser zum Kochen zu bringen und schlieszliglich mit dem entstehenden Dampf ein
Rad anzutreiben
Hinweise fuumlr die Betreuer
Das groumlszligte Problem dieses Experiments ist die Zeit bis das Wasser zu Kochen beginnt
Den richtigen Winkel zu finden in welchem der Dampf auf die Ventilatorplaumlttchen trifft
und diese antreibt ist ebenfalls sehr langwierig
Abb 515 Modellexperiment zur Dampfturbine
Ventilatorrad
Bunsenbrenner
Erlenmeyerkolben
Stativ
Duumlsen Verschlussstopfen
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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532 Experimentierstation bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo
Motivation
Innerhalb dieser Station lernen die Schuumller die Moumlglichkeit kennen mittels
Waumlrmedaumlmmung Energie zu sparen Das Grobziel dieser Station ist es den Schuumllern
bewusst zu machen wie wichtig eine effektive Waumlrmedaumlmmung ist dass diese mit wenig
Aufwand herzustellen ist und wieviel Energie man dadurch sparen kann Die Schuumller
sollen die Arten des Waumlrmetransports kennen lernen und erfahren wie Energieverluste
durch Waumlrmetransport entstehen koumlnnen
In der Realschule werden die unterschiedlichen Arten des Waumlrmetransports in der 9
Jahrgangsstufe behandelt Das Thema bdquoWaumlrmeleitungldquo wird allerdings laut bayerischen
G8 Lehrplan in Physik leider nicht durchgenommen obwohl Waumlrmedaumlmmung in Zukunft
eine immer wichtigere Rolle spielt Das Thema bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo wird in keinem
Lehrplan der beiden Schularten explizit aufgefuumlhrt jedoch besteht im Gymnasium die
Moumlglichkeit in der achten Klasse im Rahmen des Themenbereichs bdquoEnergietechnikldquo
diese Thematik zu behandeln Mithilfe dieser Experimentierstation wird versucht den
Schuumllern in kurzer Zeit diese wichtigen Inhalte naumlher zu bringen Da viele Formeln und
Rechnungen fuumlr einen Schuumller der Mittelstufe zu schwer sind wurden in dieser Einheit
Formen und Rechnungen vereinfacht bzw teilweise ganz weggelassen
Wie oben erwaumlhnt entstehen Energieverluste durch Waumlrmetransport Dieser
Waumlrmetransport kann auf unterschiedliche Art erfolgen naumlmlich in festen Stoffen durch
Waumlrmeleitung in Gase und Fluumlssigkeiten zusaumltzlich durch Konvektion und bei
strahlungsdurchlaumlssigen Stoffen durch Waumlrmestrahlung Diese verschiedenen Arten des
Waumlrmetransportes werden im Folgenden experimentell erarbeitet Im Versuch 4 werden
verschiedene Materialien und deren unterschiedliche Waumlrmeleitfaumlhigkeit naumlher
betrachtet
Die Einfuumlhrung in die Station
Die Station bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo startet mit der Frage bdquoWas ist eigentlich ein
Passivhausldquo
Die Teilnehmer enthalten durch einen Vergleich mit einer Thermoskanne eine Erklaumlrung
des Begriffs Passivhaus (vgl Abb 516)
Mit einer guten Isolierung kann bei Haumlusern demnach Energie gespart werden Je nach
Art des Hauses benoumltigt man mehr oder weniger Energie um bdquoverloreneldquo Energie eines
Gebaumludes wieder zu ersetzen Diesen Wert bezeichnet man als Heizwaumlrmebedarf Die
Schuumller haben die Aufgabe zu diskutieren wie man den Heizwaumlrmebedarf PH berechnen
koumlnnte Anschlieszligend soll ihr Ergebnis im Handout schriftlich festgehalten werden Es
folgt die Frage bdquoWarum bleibt aber die Waumlrme in einem Haus nicht erhaltenldquo Eine
Antwort bekommen die Jungen und Maumldchen durch die Versuche 1 ndash 3
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Versuch 1 Waumlrmeleitung
Motivation
Der Versuch 1 soll die Waumlrmeleitung experimentell erarbeiten Ziel dieses Experimentes
ist es den Schuumllern zu verdeutlichen dass die Waumlrmeleitung innerhalb von Koumlrpern und
zwischen Koumlrpern erfolgt Es handelt sich um einen Energietransport der zwischen
benachbarten Molekuumllen auftritt Die Jugendlichen sollen erkennen dass der
Waumlrmestrom von der Temperaturdifferenz den Ausmaszligen der leitenden Koumlrper und vom
Material abhaumlngig ist
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltige Materialien
Metallring mit Halterung
Wachskuumlgelchen
Gasbrenner
Stativ
Kupferstab ( = 05 cm
Laumlnge = ca 6 cm)
Messingstab ( = 05 cm
Laumlnge = ca 6 cm)
Eisenstab ( = 05 cm
Laumlnge = ca 6 cm)
Zange
Petrischale
Was ist eigentlich ein Passivhaus
Stelle dir vor du hast dir eine Tasse Tee gekocht Wenn du den
Tee in der Tasse laumlnger stehen laumlsst kuumlhlt er sich relativ schnell
ab Fuumlllst du den Tee aber in eine Thermoskanne bleibt er laumlnger
heiszlig
Die Thermoskanne ist isoliert Deshalb wird die Abgabe der
Waumlrmeenergie vom Inneren der Kanne an die Umwelt verlangsamt
Hast du aber keine Thermoskanne musst du dem Getraumlnk immer
wieder Waumlrmeenergie hinzufuumlgen damit es heiszlig bleibt
Das Passivhaus nutzt das gleiche Prinzip wie die Thermoskanne Es
wird angestrebt moumlglichst wenig Waumlrmeenergie an die Umwelt
abzugeben sodass fast keine Heizung mehr benoumltigt wird
Abb 516 Auszug aus Schuumllerhandout Waumlrmedaumlmmung Was ist ein Passivhaus
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 517 zu sehen An einem Metallring werden Rohre
aus verschiedenen Metallen befestigt An diesen werden Wachskugeln geklebt (mit
erwaumlrmten Wachs) Unter den Ring wird ein Bunsenbrenner gestellt Wird der Metallring
somit geheizt leiten die drei unterschiedlichen Metalle die Waumlrme vom
bdquoErhitzungspunktldquo aus nach auszligen hin
Nach und nach fallen die befestigten Wachskugeln von den Metallrohren ab da sie
schmelzen Weil die Rohre jedoch aus unterschiedlichen Materialien bestehen und somit
unterschiedliche Waumlrmeleitfaumlhigkeiten aufweisen fallen die Kugeln unterschiedlich
schnell von den Rohren ab Da Kupfer die Waumlrme erheblich besser leitet als Eisen wird
zuerst der erste Wachsklumpen auf der Kupferstange schmelzen und herunterfallen An
der Eisenstange dauert der gleiche Vorgang also bis das erste Kuumlgelchen abfaumlllt trotz
gleicher Heizung laumlnger
Der Experimentierphase folgt ein Luumlckentext den die Schuumller mit vorgegeben Woumlrtern
fuumlllen sollen Dieser Text bezieht sich auf die vorher gemachten Beobachtungen und
Erkenntnisse Sollten Schwierigkeiten beim Ausfuumlllen der Luumlcken entstehen kann der
Betreuer eine Hilfekarte (vgl Kapitel 85 Karte Nr 4) uumlberreichen
Hinweise fuumlr die Betreuer
Da die bereits am Metallring befestigten Metallstaumlbe hinsichtlich ihres Materials nicht
gekennzeichnet sind muss vor dem Experimentieren das Material der Staumlbe geklaumlrt
werden Nach der Durchfuumlhrung sind die erhitzten Metallstaumlbe sehr heiszlig deshalb muss
aumluszligerst vorsichtig darauf geachtet werden dass sich kein Schuumller Verbrennungen zuzieht
Diese Versuchskonstruktion soll am besten vom Betreuer zur Seite geschoben werden
und erst am Ende der gesamten Station sollen die Metallstaumlbe aus dem Metallring entfernt
Abb 517 Waumlrmedaumlmmung - Aufbau Versuch 1 - Waumlrmeleitung
Wachskugeln Metallring
Metallrohre
Bunsenbrenner
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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werden Anschlieszligend sind vom Helfer fuumlr die nachfolgende Gruppe neue Staumlbe inklusive
Wachsbaumlllchen an der Halterung anzubringen
Der Betreuer sollte nach dem Ausfuumlllen des Luumlckentextes die Theorie die hinter der
Waumlrmeleitung steckt nochmals kurz zur Sprache bringen Dabei muss genannt werden
dass sich bei der Waumlrmeleitung ein Waumlrmeenergietransport durch Wechselwirkung
zwischen Atomen bzw Molekuumllen vollzieht wobei aber kein Stofftransport auftritt Wird
beispielsweise ein fester Stab an einem Ende erwaumlrmt dann schwingen die Atome um
ihre Ruhelage staumlrker also mit houmlherer kinetischer Energie als die Atome am kalten
Ende Durch Stoumlszlige mit den jeweils benachbarten Atomen wird Waumlrmeenergie allmaumlhlich
durch den Stab geleitet wobei jedes Atom seine Ruhelage beibehaumllt da kein
Stofftransport stattfindet
Beobachtungen
Dieser Versuch wurde als Experimente 1 gewaumlhlt weil er eindrucksvoll die
Waumlrmeleitung demonstriert sehr wenig Zeit benoumltigt und somit fuumlr die Teilnehmer
motivierend wirken kann Allerdings ist hier das Problem gegeben dass eher die
Ausbreitung der Temperatur und nicht die Waumlrmeleitung zu sehen ist Auszligerdem spielt
hier die Waumlrmekapazitaumlt eines Stoffes die erst spaumlter in der Station besprochen wird eine
groszlige Rolle
Waumlhrend des Labors tauchten jedoch keinerlei Fragen bei den Schuumllern hinsichtlich der
erlaumluterten Debatte auf Aus diesem Grund wurde auf diese Problematik gar nicht naumlher
eingegangen um die Jungen und Maumldchen nicht zu verwirren
Versuch 2 Waumlrmestroumlmung
Motivation
Der Versuch 2 behandelt die Waumlrmestroumlmung Ziel dieses Experimentes ist es den
Schuumllern zu verdeutlichen dass die Konvektion die Mitfuumlhrung von thermischer Energie
in stroumlmenden Fluumlssigkeiten oder Gasen ist Es soll also erkannt werden dass die
Waumlrmestroumlmung einen Waumlrmetransport bezeichnet der mit einem Transport von
Teilchen verbunden ist Die Energie wandert hier von einem Ort houmlherer Temperatur mit
der erwaumlrmten Materie zu einem Ort niedrigerer Temperatur
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltige Materialien
Glasroumlhrchen
Stativ
Gasbrenner
Alufolie
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Ein Glasroumlhrchen wird an einem Stativ befestigt Unter das Stativ stellt man einen
Gasbrenner Auf das Glasroumlhrchen legt man ein Stuumlck Alufolie oder ein anderes leichtes
Papier Die Alufolie wird so gebogen dass alle Seitenraumlnder ein wenig abstehen So wird
der Luft eine moumlglichst groszlige Angriffsflaumlche geboten Die Folie muss aber dennoch
sicher auf dem Roumlhrchen locker liegen (vgl Abb 518)
Mit Hilfe des Gasbrenners wird die Luft unterhalb des Rohres erwaumlrmt und es kann
beobachtet werden dass die Alufolie nach kurzer Zeit durch die aufwaumlrts stroumlmende Luft
vom Glasroumlhrchen geblasen wird
Der Experimentierphase folgt wieder ein Luumlckentext den die Schuumller mit vorgegeben
Woumlrtern ausfuumlllen sollen Auch hier liegt eine Hilfekarte (vgl Kapitel 85 Karte 5) bereit
Hinweise fuumlr die Betreuer
Auch bei dem Versuch 2 sollte der Betreuer nach dem Ausfuumlllen des Luumlckentextes die
Theorie die hinter der Waumlrmestroumlmung steckt nochmals kurz mit den Teilnehmern
durchsprechen Dabei muss nochmals explizit darauf eingegangen werden dass die
Konvektion das Mitfuumlhren von Waumlrme durch Stofftransport bedeutet Die
Waumlrmestroumlmung beschreibt also den Transport von Waumlrmeenergie die an die Stroumlmung
eines Mediums gebunden ist Dabei kann die Stroumlmung von aumluszligeren Kraumlften zum
Beispiel von Pumpen Geblaumlsen und aumlhnlichem erzwungen sein
Bei der freien Konvektion stellt sich eine Stroumlmung als Folge von Dichteunterschieden
innerhalb eines Stoffes ein Die Dichte fluumlssiger und gasfoumlrmiger Koumlrper haumlngt von ihrer
Alufolie
Stativ
Bunsenbrenner
Glasroumlhrchen
Abb 518 Waumlrmedaumlmmung - Aufbau Versuch 2 - Waumlrmestroumlmung
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Temperatur ab In der Regel sinkt bei zunehmender Temperatur die Dichte eines
Mediums Die Stoffe werden demzufolge spezifisch leichter Hier sollte beispielsweise
die Raumheizung genannt werden bei der die Konvektion in Luft eine ganz wesentliche
Rolle spielt Durch Waumlrmeleitung wird die Luft in der Umgebung des Heizkoumlrpers
insbesondere zwischen den Heizkoumlrperlamellen erwaumlrmt Die erwaumlrmte Luft steigt auf
und kuumlhlt dann im Raum wieder ab Abgekuumlhlte Luft flieszligt von unten nach und wird
ihrerseits wieder erwaumlrmt Es bildet sich eine Luftzirkulation aus Die Luft ist demnach
das Transportmittel fuumlr die thermische Energie
Als wichtiges Beispiel fuumlr Konvektion in der Natur kann der Golfstrom erwaumlhnt werden
Bei der Erwaumlrmung von Wasser beobachtet man eine Dichteveraumlnderung Es bildet sich
aufgrund der Dichtegradienten eine Stroumlmung zwischen den Zonen kaumllteren und
waumlrmeren Wassers aus Diese Stroumlmung leitet das warme Wasser nach oben
Beobachtungen
Da dieser Versuch 2 ohne nennenswerte Schwierigkeiten und nur mit geringem Aufwand
durchzufuumlhren ist bietet sich das oben beschriebene Experiment an Der Versuch soll
helfen die Begriffe Waumlrmeleitung und Waumlrmestroumlmung gegeneinander abzugrenzen Das
Ergebnis das Wegfliegen der Alufolie zeigt deutlich dass hier ein Transport von
Materie anders als bei der Waumlrmeleitung vorliegen muss Die Reaktionen der
Teilnehmer lieszligen waumlhrend der Schuumllerlabordurchfuumlhrung darauf schlieszligen dass der
wesentliche Unterschied zwischen Waumlrmeleitung und Konvektion von allen verinnerlicht
worden ist
Abb 519 Waumlrmedaumlmmung - Versuch 2 ndash Foto der Durchfuumlhrung
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Versuch 3 Waumlrmestrahlung
Motivation
Dieses Experiment hat das Ziel den Schuumllern zu verdeutlichen dass die Sonne
thermische Strahlung auf die Erde schickt und diese Strahlung als Waumlrmequelle genutzt
werden kann Die Teilnehmer sollen erkennen dass jeder Koumlrper Waumlrmestrahlung
aussendet Die Strahlung breitet sich so wie Licht auch im Vakuum aus Je houmlher die
Temperatur eines Koumlrpers ist umso mehr Waumlrmestrahlung sendet der Koumlrper aus Hier
liegt kein Transport von Teilchen vor
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltige Materialien
Holzhaumluschen
Styropor
Baustrahler mit Stativ
2 Thermometer
- 45degC - +200degC
Stoppuhr
Glasplatte
Abb 520 Waumlrmedaumlmmung - Aufbau Versuch 3 - Waumlrmestrahlung
Baustrahler mit Stativ
Thermometer Styropor Holzhaumluschen
Glasplatte
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 112
Das Modell in Abbildung 520 soll ein Haus mit Wintergarten darstellen Wie zu
erkennen ist wird ein Baustrahler durch ein Stativ uumlber ein Holzhaumluschen mittig
aufgehaumlngt Der Baustrahler symbolisiert die Sonne Der Innenraum des Holzhaumluschens
ist in zwei gleichgroszlige Haumllften durch eine Trennwand aufgeteilt Die Waumlnde der einen
Haumllfte sind dick mit Styropor verkleidet die andere Haumllfte besitzt keine
Daumlmmmaterialien Jede Seite des Hauses ist mit einer kleinen Bohrung ( = 5 mm)
versehen Hindurch wird ein Thermometer gesteckt um die Innenraumtemperatur messen
zu koumlnnen Das Haus ist mit einer Glasplatte luftdicht abgedeckt Diese Glasplatte dient
dazu den Schuumllern zu zeigen dass die Temperaturerhoumlhung nicht auf einen Transport
von Teilchen zuruumlckzufuumlhren ist
Der Baustrahler wird eingeschaltet und es kann auf jeder Seite des Hauses die
Temperatur gemessen werden Nach ca zwei Minuten ist bereits auf beiden Seiten ein
deutlicher Temperaturanstieg zu verzeichnen Die Teilnehmer haben die Aufgabe die
Werte der beiden Temperaturen 1 und 2 sieben Minuten lang jede Minute einmal zu
messen die Daten festzuhalten und anschlieszligend die Werte in eine Tabelle die am
eingeschalteten Laptop vorbereitet ist einzutragen Die Graphik 521 zeigt das Ergebnis
Die Theorie dieses Experimentes wird ebenfalls in einem kurzen Luumlckentext
zusammengefasst Auch hier kann beim Betreuer nach einer Hilfekarte (vgl Kapitel 85
Karte 6) gefragt werden
Hinweise fuumlr die Betreuer
Gemeinsam muumlssen die beiden wesentlichen Ergebnisse dieses Experimentes formuliert
werden Festzuhalten ist zum einen dass die Sonne durch die Fenster eines Hauses
Waumlrme zufuumlhrt Die Folgerung aus dieser Erkenntnis ist dass Haumluser moumlglichst
000 100 200 300 400 500 600 700
nicht isoliert 00 10 20 30 40 55 70 85
isoliert 00 10 25 40 55 75 100 125
00
20
40
60
80
100
120
140
Tem
pera
tur
in deg
C
Nutzung der Sonneneinstrahlung
Abb 521 Waumlrmedaumlmmung ndash Messwerte der Temperaturerhoumlhung
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 113
zahlreiche Fenster auf der Sonnenseite besitzen sollten In diesem Zusammenhang sollte
nochmals das Passivhaus erwaumlhnt werden
Eine weitere Erkenntnis ist aus dem Vergleich der beiden Graphen zu entnehmen Die
isolierte Seite heizt sich schneller als die nicht isolierte auf was bedeutet dass die bereits
vorhandene Waumlrme besser gespeichert wird In diesem Zusammenhang kann der Betreuer
auch auf die Farbe der Isolierung zu sprechen kommen Er kann die Teilnehmer fragen
ob sich die Werte nochmals deutlich veraumlndern wuumlrden wenn die Isolierung schwarz
gestrichen waumlre Dieses Gedankenmodell laumlsst sich noch weiter ausbauen Die Schuumller
koumlnnen auf die Gefahren beim Umgang mit Waumlrmestrahlungsgeraumlten im Haushalt
aufmerksam gemacht werden Leicht entzuumlndliche Stoffe (Holz Pappe Papier Textilien)
sind beispielsweise aus dem Bereich eines starken Strahlers zu entfernen denn nicht nur
die Sonne sondern auch andere Gegenstaumlnde und Koumlrper senden Waumlrmestrahlung aus
Da das Modellhaumluschen auf beiden Haumllften kleine Bohrungen enthaumllt ( = 1 mm) die zur
besseren Zirkulation der erwaumlrmten Luft dienen muss den Jungen und Maumldchen auch
diese Thematik erlaumlutert werden Waumlhrend der Besprechung der Ergebnisse kann der
Helfer den Baustrahler ausschalten und die Teilnehmer immer wieder darauf hinweisen
nochmals einen kurzen Blick auf die Thermometer zu werfen Es ist deutlich zu
erkennen dass die isolierte Seite die Temperatur deutlich laumlnger konstant beibehaumllt und
die Temperatur nur sehr langsam sinkt waumlhrend die nicht isolierte Seite sofort nach dem
Abschalten der Waumlrmequelle kaumllter wird Diese Feststellung ist eine gute Uumlberleitung
zum naumlchsten Versuch der Waumlrmeleitfaumlhigkeit verschiedener Materialien
Der Baustrahler wird bei laumlngerer Benutzung sehr heiszlig Die Schuumller muumlssen auf diesen
Sachverhalt hingewiesen werden Auch nach dem Abschalten des Strahlers ist noch
laumlngere Zeit aumluszligerste Vorsicht geboten
Beobachtungen
Die Versuchsanleitung zu dem Experiment der Waumlrmestrahlung ist recht umfangreich zu
lesen Da auch in dieser Station festgestellt werden konnte dass Schuumller gerne dazu
Abb 522 Waumlrmedaumlmmung ndash Versuch 3 ndash Foto der Durchfuumlhrung
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 114
neigen den Text zu uumlberspringen und gleich zu experimentieren beginnen beschloss der
fuumlr diese Station zustaumlndige Betreuer den Versuch kurz muumlndlich zu erklaumlren und auf
alle notwenigen Schritte hinzuweisen Dieses Vorgehen hatte den Vorteil dass einige
Minuten eingespart wurden die fuumlr eine spaumltere Diskussion genutzt werden konnten Die
Versuchsanleitung wurde aber aus dem Handout nicht gekuumlrzt da eine Erlaumluterung des
Versuchs fuumlr eventuelle spaumltere Durchlaumlufe recht hilfreich sein kann
Versuch 4 Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit
Motivation
Die Schuumller erfahren dass der Waumlrmestrom durch eine Wand von der Dicke der Wand
der Flaumlche der Wand der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur auf der
Oberflaumlche der Wandauszligenseite und der Temperatur auf der Wandinnenseite sowie vom
Material abhaumlngt Im Versuch 4 soll nun die Waumlrmeleitfaumlhigkeit verschiedener
Materialien untersucht werden Ziel dieses Experimentes ist den Schuumllern zu
verdeutlichen dass verschiedene Materialien unterschiedlich gut Waumlrme leiten und sich
unterschiedlich gut als Daumlmmstoff eignen
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltige Materialien
2 Glasgefaumlszlige unterschiedlicher
Groumlszlige die ineinander gestellt
werden koumlnnen
Glaswolle
Beton
Styropor
Es werden zwei groumlszligere und zwei kleinere Glasgefaumlszlige benoumltigt Diese sollten jeweils die
gleiche Groumlszlige aufweisen Ein kleineres Glasgefaumlszlig wird in ein groumlszligeres Gefaumlszlig gestellt und
der Zwischenraum wird entweder mit Beton oder mit Glaswolle gefuumlllt Der Beton muss
erst einige Tage trocknen bevor das Experiment durchgefuumlhrt werden kann Die Gefaumlszlige
werden mit einem kreisrunden Styropordeckel bedeckt und die Raumlnder mit Silikon
verdichtet Im Deckel aus Styropor wurde vorher eine kreisrunde Oumlffnung angebracht die
mit einem Gummistopfen geschlossen werden kann und durch welchen die
Innentemperatur mit einem Thermometer gemessen werden kann (vgl Abb 523)
Heiszliges Wasser wird mit dem Wasserkocher zum Kochen gebracht Sofort nach dem
Ausschalten des Wasserkochers wird die Temperatur des Wassers gemessen und die
Stoppuhr angeschaltet Das innere Gefaumlszlig wird im Anschluss mit heiszligem Wasser gefuumlllt
Darauf ist zu achten dass moumlglichst beide Einzelversuche sowohl das Glas mit Beton
als auch das Glas mit Glaswolle gleichzeitig gefuumlllt werden Sofort nach dem Einfuumlllen
des Wassers wird der Stopfen auf die Vorrichtung gesetzt und das Thermometer in die
2 Thermometer
-45degC - +200degC
Stoppuhr (1100s)
2 Gummistopfen
Wasserkocher
Becherglas
Geschirrtuch
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 115
dafuumlr vorgesehene Oumlffnung gesteckt Nachdem eine Minute vergangen ist wird die
zweite Temperaturmessung vorgenommen und dieser sowie der erste Wert in der
Tabelle im Handout notiert Es folgen vier weitere Messungen wobei immer nach Ablauf
einer weiteren Minute auf das Thermometer geschaut wird und die Daten uumlbernommen
werden Am Schluss dieses Experimentes wird vorsichtig das Thermometer und der
Stopfen entfernt mit Hilfe eines Geschirrtuchs oder eines Topflappens das Wasser
abgegossen und die Umgebungstemperatur gemessen
Versuchsskizze
Die Daten werden in ein Koordinatensystem uumlbertragen und anhand der entstehenden
Kurve das Ergebnis bewertet und diskutiert (vgl Diagramm 524) Werden waumlhrend des
Versuchs nach ca 3 Minuten die Auszligenseiten beider Gefaumlszlige mit der Hand beruumlhrt
(Vorsicht heiszlig) und misst man die Innentemperatur mit einem Thermometer so ist
festzustellen dass das Gefaumlszlig mit Beton deutlich waumlrmer ist als das mit Glaswolle Die
gemessene Auszligentemperatur gibt einen direkten Vergleich zwischen der Oberflaumlche des
Gefaumlszliges und der Raumluft Ebenfalls ist aus dem Graphen aus dem Diagramm 524 zu
entnehmen dass das Wasser bei dem Gefaumlszlig mit Glaswolle viel waumlrmer ist Anhand dieses
Abb 523 Waumlrmedaumlmmung ndash Versuch 4 ndash Waumlrmeleitfaumlhigkeit
Gummistopfen Thermometer
groszliges Gefaumlszlig mit
Fuumlllung (Beton oder
Glaswolle)
Deckel aus
Styropor
Wasser
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 116
Schematas kann den Schuumllern gezeigt werden dass Glaswolle deutliche schlechter
Waumlrme leitet als Beton Dies ist der Grund wieso Waumlnde mit Glaswolle gedaumlmmt
werden
Hinweise fuumlr die Betreuer
Im Zusammenhang mit dem Versuch 4 kommt die Frage auf wieso Glaswolle nun ein
schlechterer Waumlrmeleiter ist als Beton Dieser Sachverhalt muss mit den Schuumllern
erarbeitet werden Der Betreuer soll hier als Stuumltze fungieren und lediglich Tipps geben
falls die Schuumller nicht selbstaumlndig auf die Loumlsung kommen Die Schuumller haben in dem
Handout eine Tabelle gegeben mit unterschiedlichen Materialien und deren
verschiedenen Waumlrmeleitfaumlhigkeiten (vgl Kapitel 84) Es ist deutlich zu erkennen dass
verschiedene Materialien unterschiedlich gut Waumlrme leiten Als Faustformel kann gesagt
werden dass ein Stoff umso schlechter Waumlrme leitet je leichter er ist und je geringer
seine Dichte ist Luft ist ein schlechter Waumlrmeleiter Um also einen Waumlrmetransport zu
verhindern verwendet man Materialien geringer Dichte die viel Luft einschlieszligen wie
zum Beispiel Styropor oder Glaswolle Materialien mit lt 01
bezeichnet man als
Waumlrmedaumlmmstoffe Diese verwendet man um den Waumlrmeverlust eines Gebaumludes zu
reduzieren Glas ist ein schlechter Waumlrmeleiter deswegen verliert das Haus uumlber die
Fenster viel Waumlrme
Zusatzaufgabe
Die Station bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo beinhaltet eine Zusatzaufgabe in welcher die Inhalte der
einzelnen Experimente nochmal zusammengefasst und wiederholt werden Die Schuumller
sollen uumlberlegen wo die Waumlrme aus dem Haus entweichen kann Hierzu sollen ebenfalls
Luumlcken einer Abbildung ausgefuumlllt werden Zum Abschluss wird diskutiert warum sich
in einem geschlossenen Wintergarten bei Sonnenschein und Windstille eine houmlhere
Temperatur einstellt als im Freien (vgl Schuumllerhandout Kapitel 84)
0
20
40
60
80
100Te
mp
era
tur
degC
Waumlrmeleitfaumlhigkeit
Isolierung Glaswolle
Isolierung Beton
Abb 524 Waumlrmedaumlmmung ndash Versuch 4 ndash Waumlrmeleitfaumlhigkeit
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 117
533 Experimentierstation bdquoEnergie im Haushaltldquo
Motivation
Die Versorgung mit ausreichend Energie ist eine entscheidende Voraussetzung fuumlr den
vergleichsweise hohen Lebensstandard in welchem die Menschheit momentan lebt Da
jede Energieumsetzung aber mit einer Beeinflussung der Umwelt verbunden ist muumlssen
wir sorgfaumlltig und sparsam mit der Energie umgehen Das Ziel der Station bdquoEnergie im
Haushaltldquo ist den Schuumllern und Schuumllerinnen zu verdeutlichen dass wenn die
Energiekrise vermieden werden soll jede Person Energie sparsamer benutzen muss
Damit kann bereits in den Haushalten begonnen werden Zwar ist im Vergleich zu
Haushalt Handel und Gewerbe Verkehr und Landwirtschaft die Industrie der groumlszligte
Stromverbraucher in Deutschland ungefaumlhr ein Viertel des gesamten Stromverbrauchs
entfaumlllt jedoch auf die rund 39 Millionen Haushalte Die Jugendlichen sollen lernen im
Haushalt die bdquoEnergiefresserldquo ausfindig zu machen und diese zu verbannen oder von
diesen Geraumlten nur selten Gebrauch machen Zusaumltzlich werden Moumlglichkeiten
vorgestellt direkt beim Gebrauch von Haushaltsgeraumlten Energie zu sparen
Die Einfuumlhrung in die Station
Zu Beginn der Station bdquoEnergie im Haushaltldquo lernen die Maumldchen und Jungen den
Umgang mit dem Leistungsmessgeraumlt Energy-Check 3000 kennen (vgl Abb 525) Die
Funktionsweise des Geraumltes ist auf der Hilfekarte 7 erlaumlutert Diese Karte ist vom
Betreuer an die Teilnehmer zu verteilen
Abb 525 Energie im Haushalt ndash Versuch 1 ndash Leistungsmessgeraumlt Energy Check 3000
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Versuch 1 Leistungsmessung
Motivation
Im Versuch 1 sollen die Teilnehmer sich mit dem Leistungsmessgeraumlt Energy Check
3000 auseinandersetzten Die Schuumllerinnen und Schuumller lernen hierbei den Umgang mit
dem Messgeraumlt und ermitteln typische Werte fuumlr den Verbrauch von Energie an
Elektrogeraumlten die sie auch bei sich zuhause wieder finden
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltige Materialien
Leistungsmessgeraumlt Energy Check 3000
Foumln (1200 Watt)
Schreibtischlampe (60 Watt)
Die Aufgabe der Teilnehmer ist es mithilfe des Leistungsmessgeraumltes herauszufinden ob
die auf dem Foumln und der Schreibtischlampe angegebene Leistung stimmt Dabei sollen
die Leistungsangabe auf dem Geraumlt der gemessenen Leistung gegenuumlber gestellt werden
Bei dem Experiment ist deutlich zu erkennen dass die gemessene Leistung der
Schreibtischlampe merklich uumlber der Leistungsangabe auf dem Geraumlt liegt Der Foumln
hingegen benoumltigt weniger Watt als die Angabe zeigt Es folgt die Erkenntnis dass
gewisse Haushaltsgeraumlte tatsaumlchlich mehr Energie verbrauchen als sie urspruumlnglich
duumlrften
Diese bdquoEnergiefresserldquo muumlssen gefunden entfernt und durch energiesparsame Maschinen
ersetzt werden Jede Person kann diese einfache Maszlignahme direkt zuhause durchfuumlhren
und so deutlich Energiekosten senken
In diesem Zusammenhang sollen die Schuumller sich uumlberlegen ob mehr Energie benoumltigt
wird wenn man eine halbe Stunde lang den Foumln oder die Schreibtischlampe
auszuschalten vergisst Hier wird die Formel
Energie = Leistung Zeit
wiederholt
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Versuch 2 ndash 4 Erhitzen von Wasser
Motivation
Auch beim Kochen in der Kuumlche gibt es Moumlglichkeiten Energie zu sparen Bei den
Versuchen 2 ndash 4 wird untersucht welche Methode des Wasserkochens am
energiesparsamsten ist Im Anschluss wird der jeweilige Wirkungsgrad der Geraumlte
bestimmt
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Im Experiment 2 wird auf eine Ceranheizplatte ein Topf gestellt dessen Groumlszlige an die
Heizplattengroumlszlige angepasst ist (vgl Abb 526)
Benoumltigte Materialien fuumlr Versuch 2
Messgeraumlt Energy Check 3000
Ceranheizplatte
Messzylinder (500 ml)
digitales Temperaturmessgeraumlt (-200degC ndash +1200degC)
Topf mit Deckel ( = 16 cm Groumlszlige an die Heizplatte angepasst)
Stoppuhr (oder die Stoppuhr des Handyacutes des Versuchsteilnehmers) (1100s)
Topfuntersetzer
Kochloumlffel
Topflappen
Abb 526 Energie im Haushalt ndash Versuch 2 ndash Wasserkochen mit Ceranheizplatte und passendem
Gefaumlszlig
Stoppuhr
Messzylinder
Cerankochplatte Digitales
Temperaturmessgeraumlt
Topf mit Deckel
( = 16 cm
Groumlszlige an die
Heizplatte
angepasst)
Topf mit Deckel
Leistungsmessgeraumlt
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Im Experiment 3 wird auf die gleiche Ceranheizplatte aus dem Vorversuch ein Topf
gestellt dessen Groumlszlige kleiner als das verwendete Ceranfeld ist (vgl Abb 527) Der
restliche Aufbau ist analog zu Versuch 2
Benoumltigte Materialien fuumlr Versuch 3
Messgeraumlt Energy Check 3000
Ceranheizplatte
Messzylinder (500 ml)
digitales Temperaturmessgeraumlt (-200degC ndash +1200degC)
Topf mit Deckel ( = 12 cm Groumlszlige an die Heizplatte nicht angepasst)
Stoppuhr (oder die Stoppuhr des Handyacutes des Versuchsteilnehmers) (1100s)
Topfuntersetzer
Kochloumlffel
Topflappen
Im Experiment 4 wird das Wasser mit einem Wasserkocher erhitzt (vgl Abb 528) Auch
hier ist der restliche Aufbau des Versuchs genauso wie in Versuch 2
Benoumltigte Materialien fuumlr Versuch 4
Messgeraumlt Energy Check 3000
Messzylinder (500 ml)
digitales Temperaturmessgeraumlt (-200degC ndash +1200degC)
Wasserkocher (1000 Watt)
Stoppuhr (oder die Stoppuhr des Handyacutes des Versuchsteilnehmers) (1100s)
Kochloumlffel
Abb 527 Energie im Haushalt ndash Versuch 3 ndash Wasserkochen mit Ceranheizplatte und kleinerem
Topf
Topf mit Deckel
( = 12 cm Groumlszlige
an die Heizplatte
nicht angepasst)
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Die Schuumller muumlssen in dieser Station den Schritten der Arbeitsanweisungen die sich im
Schuumllerhandout befinden (vgl Kapitel 84) aumluszligerst genau folgen Die Arbeitsablaumlufe
vom Versuch 2 und 3 sind aumlquivalent
Mit Hilfe des Messzylinders werden 500 g Wasser abgemessen Das Wasser wird in den
Topf gegeben und seine Anfangstemperatur gemessen Dieser Wert wird in die Tabelle
die sich im Handout befindet eingetragen (vgl Tabelle 10) Das Leistungsmessgeraumlt wird
in die Steckdose gesteckt Anschlieszligend wird der Drehknopf an der Heizplatte auf 0
gestellt und der Stecker des Verbrauchers in das Leistungsmessgeraumlt gesteckt Der Topf
mit dem Wasser befindet sich hier noch neben der Heizplatte Im Anschluss folgt die
eigentliche Durchfuumlhrung der Experimente Hier muumlssen alle Arbeitsschritte sehr zuumlgig
bearbeitet werden
Die Heizplatte wird genau 1 Minute vorgeheizt Der Schalter der Ceranheizplatte wird
auf 6 gedreht und gleichzeitig wird die Stoppuhr gedruumlckt Dieser Schritt hat den Zweck
die Heizplatte aufzuheizen Die angezeigten Werte auf dem Leistungsmessgeraumlt werden
hier noch nicht benoumltigt Nach Ablauf der Minute wird die Heizplatte wieder auf 0 und
der Topf inklusive Wasser und mit aufgesetztem Deckel auf die Heizplatte gestellt Der
Drehknopf der Heizplatte wird erneut auf 6 geschaltet und es wird genau eine Minute
gemessen Waumlhrend dieser Zeit beobachten die Schuumller die Leistungsanzeige am Energy
Check 3000 und tragen den Wert in die Tabelle ein Nach Ablauf der Minute wird der
Topf mit dem heiszligen Wasser sofort von der Heizplatte genommen und auf den
Topfuntersetzter gestellt Die Teilnehmer ruumlhren mit dem Kochloumlffel gut um und messen
die Endtemperatur die dann ebenfalls in die Tabelle uumlbertragen wird Abschlieszligend wird
das Wasser abgegossen
Abb 528 Energie im Haushalt ndash Versuch 4 ndash Wasserkochen mit Wasserkocher
Stoppuhr
digitales
Thermo-
meter
Leistungs-
messgeraumlt
Wasserkocher
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Die Arbeitsablaumlufe beim Experiment 4 sind aumlhnlich denen aus Versuch 2 und 3 Auch
hier soll mit einem Messzylinder 500 g Wasser abgemessen werden Das Wasser wird in
den Wasserkocher gegeben und seine Anfangstemperatur gemessen Dieser Wert wird in
die Tabelle im Handout eingetragen Der Knopf an dem Wasserkocher wird auf 0 gestellt
und der Stecker in das Leistungsmessgeraumlt gesteckt Hier beginnt wieder die eigentliche
Durchfuumlhrung
Die Schuumller schalten den Knopf des Wasserkochers auf 1 und messen genau eine Minute
Waumlhrend dieser Zeit beobachten sie die Anzeige auf dem Leistungsmessgeraumlt und
uumlbertragen den Wert in die dafuumlr vorgesehene Stelle in der Tabelle Nach Ablauf der
Minute wird der Wasserkocher abgeschaltet das Wasser mit dem Kochloumlffel umgeruumlhrt
die Temperatur mit dem Digitalthermometer gemessen und schlieszliglich der Wert der
Endtemperatur in die Tabelle geschrieben Das Wasser im Wasserkocher kann
abgegossen werden
Die Auswertung der Versuche 2 ndash 4 erfolgt mit einer Exeldatei die auf dem bereits
hochgefahrenen Laptop geoumlffnet ist (vgl beiliegende CD) Die Maumldchen und Jungen
muumlssen hier die gemessenen Werte eintragen und den Anweisungen am Laptop folgen
Zunaumlchst wird die Waumlrmeenergie die vom Wasser aufgenommen worden ist berechnet
Im Handout ist die Frage zu beantworten wie die Energieaufnahme des Wasser errechnet
werden kann Beim aufmerksamen Durchlesen der Datei am PC kann die Antwort sehr
schnell entdeckt werden Anschlieszligend folgt eine Hilfestellung was man sich unter einer
Wattstunde vorstellen kann Im naumlchsten Schritt wird die vom Geraumlt aufgenommene
elektrische Energie bearbeitet Hier wird die Formel fuumlr die Energie aus Versuch 1 kurz
wiederholt Als zusaumltzliche Information wird den Schuumllern mitgeteilt dass die Leistung
einer Maschine oder eines Geraumltes eine wichtige Kenngroumlszlige ist Im Handout folgt eine
Tabelle in welcher die Jugendlichen den Leistungswert des Foumlns aus Versuch 1 und den
des Wasserkochers aus Versuch 4 eintragen sollen Hierzu besitzt der Betreuer eine
Hilfekarte 8 (vgl Kapitel 85) Im Folgenden soll der Wirkungsgrad der drei Geraumlte aus
Heizplatte
Versuch 2
Heizplatte
Versuch 3
Wasserkocher
Anfangstemperatur in degC
Endtemperatur
in degC
Temperaturerhoumlhung
In degC
Leistungsangabe an Energy
Check 3000
Masse Wasser
(05 Liter) in kg
spezifische Waumlrme in Wh
kg x Grad
Energieaufnahme des
Wassers
in Wh
Tabelle 10 Experimentierstation Energie im Haushalt ndash Versuch 2 ndash 4
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Versuch 2 ndash 4 bearbeitet werden Es werden Fragen gestellt wie der Wirkungsgrad
errechnet werden kann welche Einheit der Wirkungsgrad besitzt und was der
Wirkungsgrad aussagt Die Antworten befinden sich ebenfalls in Textform in der
Exeldatei Abschlieszligend besprechen die Jugendlichen die jeweiligen Verluste bei den
Experimenten Daraus ergibt sich das Ergebnis welche Methode die energiesparsamste
Variante ist um Wasser zum Kochen zu bringen
Es folgt eine kurze Phase in welcher die folgenden Fragen diskutiert werden
Wie kommen die unterschiedlichen Wirkungsgrade bzw die verschiedenen Verluste
beim Wasserkocher und bei der Heizplatte zustande und wo geht die verbliebene
Energie hin
Wasser kann man aber auch z B mit einer Mikrowelle erwaumlrmen Diese hat einen
durchschnittlichen Wirkungsgrad von 50 Wo verbleibt hier die restliche Energie
Werden die Versuche 2 und 3 miteinander verglichen welche Schluumlsse lassen sich
daraus ziehen
Laumlsst sich ein houmlherer Wirkungsgrad mit oder ohne Deckel auf den Toumlpfen jeweils
erreichen Begruumlnde
Hinweise fuumlr die Betreuer
Die Betreuer muumlssen bei den Versuchen 2 ndash 4 explizit darauf hinweisen dass die
Arbeitsgaumlnge sehr schnell hintereinander ausgefuumlhrt werden sollen da sich das Wasser
sonst zu sehr abkuumlhlt und die Messwerte verfaumllscht werden koumlnnten Auszligerdem ist darauf
zu verweisen dass hier vorsichtiges Arbeiten unerlaumlsslich ist da das Wasser sehr schnell
sehr heiszlig wird Die betreuende Person sollte deshalb auch stets darauf achten dass die
Maumldchen und Jungen die bereitgelegten Topflappen benutzen und die heiszligen Geraumlte
konsequent auf den Topfuntersetzer stellen
Beobachtungen
Sowohl bei der Bearbeitung der Auswertung mit der Exeldatei als auch bei der
Beantwortung der letzten Fragen wurde waumlhrend des dreitaumlgigen Schuumllerlabors die Hilfe
des Betreuers sehr haumlufig in Anspruch genommen Es zeigte sich dass zahlreiche Schuumller
beim Arbeiten mit Dateien groumlszligere Probleme haben Erst nach einer Erklaumlrung durch den
Helfer konnte die Auswertung am PC durchgefuumlhrt werden Fuumlr eine weitere
Durchfuumlhrung dieser Station waumlre es sinnvoll fuumlr die Bearbeitung der Daten mehr Zeit
einzuplanen da eine Stunde fuumlr die gesamte Station sehr kurz bemessen ist Ohne groumlszligere
Komplikationen konnte die Station zwar innerhalb einer Stunde von einigen Gruppen
leicht absolviert werden dennoch bei Gruppen die Probleme bei der Auswertung hatten
war eine Zeitspanne von einer Stunde viel zu klein angesetzt Grundsaumltzlich bereiteten
den Schuumllerinnen und Schuumllern die Experimente keinerlei Schwierigkeiten Zwar ist im
Vergleich zu den anderen Stationen die Station bdquoEnergie im Haushaltldquo eher
unspektakulaumlr die Motivation der Gruppen hatte aber darunter zu keiner Zeit gelitten
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Zusatzaufgabe
Versuch 5 Energiesparlampen
Motivation
In der Zusatzaufgabe die von schnellen Schuumllern erledigt werden kann werden
Energiesparlampen thematisiert Ziel dieses Versuchs ist es den Schuumllern die
Unterschiede zwischen Gluumlhlampen und Energiesparlampen zu verdeutlichen
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltigte Materialien
Sicherheitssteckdose mit Personenschutz (Phywe 230 V 5060 Hz 10 A)
Verbindungskabel
Gluumlhlampe (15 Watt)
Energiesparlampe (14 Watt)
Halterung fuumlr Lampen
Die Abbildung 529 zeigt Schuumllerinnen die die unterschiedliche Waumlrmeabgabe von der
Gluumlhlampe und von der Energiesparlampe testen Nachdem die Teilnehmer die
Verbindungsschnuumlre so an der Sicherheitssteckdose angebracht haben dass beide
Lampen leuchten sollen die Jugendlichen die Vorteile einer Energiesparlampe
besprechen Es kann erfuumlhlt und gesehen werden dass die Gluumlhlampe heiszliger und dunkler
Abb 529 Energie im Haushalt ndash Versuch 5 ndash Energiesparlampen
Gluumlhlampe
Energiesparlampe Sicherheitssteckdose
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 125
leuchtet Dies zeigt auch die Abbildung 529 Die groszlige Lampe die Energiesparlampe
besitzt dagegen eine groszlige Helligkeit und wird nicht so heiszlig Die Energiesparlampe hat
demnach geringere Energieverluste Abschlieszligend soll besprochen werden was diese
Erkenntnisse fuumlr die Umwelt und letztendlich fuumlr jeden Einzelnen bedeuten
Hinweise fuumlr die Betreuer
Die Labordurchfuumlhrung hat gezeigt dass die Schuumller die Funktionsweise der Gluumlhlampe
und der Energiesparlampe haumlufig hinterfragten Deshalb wurde dem Betreuerhandout
noch diese letzte Zusatzaufgabe zugefuumlhrt Mithilfe dieser Aufgabe kann die Thematik
Energiesparlampen diskutiert werden Zunaumlchst muss der Betreuer die Unterschiede
zwischen der Energiesparlampe und der normalen Gluumlhlampe erlaumlutern und kurz in den
Versuch einfuumlhren Die Gluumlhlampe ist eine kuumlnstliche Lichtquelle in der ein elektrischer
Leiter durch elektrischen Strom aufgeheizt und dadurch zum Leuchten angeregt wird
Der Wirkungsgrad erreicht maximal ca 5 da die elektrische Energie vor allem in
innere Energie umgewandelt wird Das Funktionsprinzip einer Energiesparlampe ist in
Kapitel 46 genauer ausgearbeitet
Um die Unterschiede zwischen den beiden Lampen noch weiter zu differenzieren sollte
auch uumlber die Anschaffungskosten die Lebensdauer und die Leistungsaufnahme der
beiden Lampen gesprochen werden
Beobachtungen
Die Betreuer gaben nach den Labortagen an dass zwar alle Schuumller zuhause vorwiegend
Energiesparlampen im Einsatz haben dennoch zeigte sich dass sich viele Maumldchen und
Jungen mit dieser Materie noch nicht intensiv beschaumlftigt hatten Im Handout befindet
sich eine kurze Uumlbersicht uumlber die gravierenden Unterschiede der beiden Lampen Dort
ist ein kurzes Rechenbeispiel dargestellt Die Schuumller waren teilweise recht uumlberrascht
dass der Einsatz von Energiesparlampen jaumlhrliche Einsparungen von ungefaumlhr 50 Euro
ausmachen kann Auch die enorm laumlngere Lebensdauer der Energiesparlampe war den
Teilnehmern nahezu unbekannt Positiv bewertet wurde die sehr viel kleinere CO2-
Emissionsrate der Energiesparlampe
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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534 Experimentierstation bdquoWaumlrmepumpeldquo
Motivation
In fast jedem deutschen Haushalt befindet sich ein Geraumlt das auf der Grundlage der
Waumlrmepumpe arbeitet der Kuumlhlschrank Weniger bekannt ist bei uns die Waumlrmepumpe
als Heizungsanlage von Gebaumluden Sie entzieht dem Erdreich oder der Umgebungsluft
die erforderliche Waumlrmeenergie und speichert sie in einem isolierten Wasserspeicher Das
Warmwasser kann zur Beheizung des Hauses zur Speisung der Dusche oder
Waschmaschine usw verwendet werden Der Zweck einer Waumlrmepumpe besteht also
darin einer Umgebung mit der Temperatur T1 die Waumlrmemenge Q zu entziehen und sie
an eine andere Umgebung mit einer houmlheren Temperatur T2 abzugeben Dazu ist die
Arbeit W erforderlich die von einem Kompressor aufgebracht wird Der groszlige Vorteil
einer Waumlrmepumpe gegenuumlber einer konventionellen Heizanlage ist der houmlhere
Wirkungsgrad Sie erzeugt mehr Waumlrmeenergie als ihr in Form von elektrischer Energie
zugefuumlhrt wird
Wie bereits unter Punkt 532 erwaumlhnt wurde spielt im bayrischen G-8-Lehrplan anders
als im Lehrplan der Realschule die Waumlrmelehre eine untergeordnete Rolle Die
Waumlrmepumpe bietet eine gute Chance das Thema bdquoWaumlrmelehreldquo zu wiederholen oder
ganz neue Sachverhalte zu lernen Um die Waumlrmepumpe verstehen zu koumlnnen benoumltigen
die Schuumller Wissen uumlber die Waumlrmelehre Aus diesem Grund werden waumlhrend dem
Experimentieren stets benoumltige Sachverhalte aus dem Themengebiet der Waumlrmelehre wie
beispielsweise Aggregatszustandsaumlnderungen der Begriff der inneren Energie oder die
Hauptsaumltze der Thermodynamik wiederholt und besprochen
Die Behandlung der Waumlrmepumpe stellt weiter eine Moumlglichkeit dar interessante
physikalische Sachverhalte mit den Aspekten der Umwelterziehung in sinnvoller Weise
zu verknuumlpfen In diesem Zusammenhang muumlssen folgende Punkte genannt werden
Waumlrmepumpen nutzen die in der Umgebungsluft im Boden im Grundwasser oder in
Abwaumlssern bzw in der Abluft gespeicherte Energie Den Maumldchen und Jungen wird
durch die Kenntnis der Wirkungsweise von Waumlrmepumpen bewusst dass alle Koumlrper
Energie in Form von Waumlrme abgeben koumlnnen auch wenn ihre Temperaturen relativ
niedrig sind
Alle Jugendlichen kennen den Kuumlhlschrank und seine Bedeutung fuumlr unseren
Lebensstandard aus dem taumlglichen Leben Den meisten ist aber nicht klar dass das
Kuumlhlschrank-Aggregat eigentlich eine Waumlrmepumpe darstellt Der Kuumlhlschrank
entzieht im Innenraum den Lebensmitteln Waumlrme und gibt diese an seiner Auszligenseite
an den Raum ab
Traditionell werden im Physikunterricht Verbrennungsmotoren behandelt
Verbrennungsmotoren sind aber bdquoUmweltsuumlnderldquo und ihrer Bedeutung sollte im
Unterricht oder in auszligerschulischen Bildungsstaumltten weniger Wert beigemessen
werden Das Wirkprinzip einer Waumlrmepumpe kann dagegen weitestgehend im
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 127
Einklang mit den heutigen Bauformen und mit Hilfe einfacher Experimente erlaumlutert
werden und auszligerdem wird die Waumlrmepumpentechnik von Bund und Laumlndern
gefoumlrdert und ein entsprechender Wissenstand der Bevoumllkerung ist gesellschaftlich
gewuumlnscht
Politik Industrie Landwirtschaft und private Haushalte sind aufgefordert ihren
Beitrag zum Klimaschutz zu leisten Mit Waumlrmepumpen koumlnnen die CO2- und
Schadstoffemissionen im Vergleich zu konventionellen Heizungen deutlich reduziert
werden [HEP99]
Aufgrund dieser genannten Gruumlnde wurde beschlossen eine Station zum Thema
bdquoWaumlrmepumpeldquo zu erstellen Die Schuumller sollen in dieser Einheit die Funktionsweise
einer Waumlrmepumpe verstehen lernen Zum einen soll damit erreicht werden dass die
Jugendlichen die Moumlglichkeiten kennen lernen ein Haus ohne den Einsatz fossiler
Brennstoffe zu heizen Zum anderen soll ihnen aber auch bewusst werden dass eine
Waumlrmepumpe nicht unter allen Umstaumlnden guumlnstig ist So kann zum Beispiel eine
Luftwaumlrmepumpe mit einer herkoumlmmlichen Zentralheizung energetisch wirtschaftlich
und oumlkonomisch nicht sinnvoll sein
Da viele Formeln und Rechnungen fuumlr einen Schuumller der Mittelstufe zu schwer sind wird
auch in dieser Einheit bei der Erklaumlrung der Waumlrmepumpe groumlszligtenteils darauf verzichtet
die Sachverhalte durch Formeln und Rechenaufgaben darzustellen Alle Aussagen
werden vorwiegend qualitativ getroffen
Die Einfuumlhrung in die Station
Zu Beginn der Station bdquoWaumlrmepumpeldquo lernen die Teilnehmer das Grundprinzip einer
Waumlrmepumpe kennen
Hochdruck
Niedrigdruck
Abb 530 Waumlrmepumpe ndash Funktionsprinzip einer Waumlrmepumpe
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 128
Anhand der Abbildung 530 bespricht die Gruppe mit dem Betreuer dass in der
Waumlrmepumpe ein Traumlgermittel (Frigen Freon oder Ammoniak) einen Kreisprozess
durchlaumluft Dieser Kreisprozess besteht aus vier Schritten dem Verdampfen dem
Verdichten dem Kondensieren und dem Entspannen
Beobachtungen
Oft werden bei der Erklaumlrung der Waumlrmepumpe nur die Vorgaumlnge in den einzelnen
Bauteilen erlaumlutert Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil dass zwar die einzelnen
Schritte verstanden werden aber es wird nicht deutlich warum die einzelnen
Arbeitsschritte stattfinden Zudem wird haumlufig nicht besprochen wie die Waumlrmepumpe
den scheinbaren Widerspruch loumlst dass Waumlrme vom Ort niedrigerer Temperatur zum Ort
houmlherer Temperatur flieszligt Dass durch Veraumlnderung des Drucks dieser Widerspruch
uumlberwunden werden kann wird von den Jugendlichen nicht erkannt Aus diesem Grund
wird vor dem Experimentieren das Grundprinzip der Waumlrmepumpe (Abb 530)
ausfuumlhrlich besprochen und diskutiert Auszligerdem muss betont werden warum die
einzelnen Vorgaumlnge stattfinden
Im weiteren Verlauf der Experimentierstation bdquoWaumlrmepumpeldquo wird auf die einzelnen
Arbeitsschritte einer Waumlrmepumpe naumlher eingegangen Die vollstaumlndige Erklaumlrung wird
hier an dieser Stelle nicht explizit aufgelistet Sie kann im Kapitel 47 nachgelesen
werden In den nachfolgenden Versuchen der Station bdquoWaumlrmepumpeldquo werden die
Schritte des Kreisprozesses erarbeitet
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 129
Versuch 1 Energietransport und Verdichten
Motivation
Die folgenden zwei Sachverhalte auf welchen die Funktionsweise der Waumlrmepumpe
beruht muumlssen ausfuumlhrlich thematisiert werden
Waumlrme flieszligt immer vom Koumlrper houmlherer Temperatur zum Koumlrper niedrigerer
Temperatur
Die Erhoumlhung des Drucks hat immer eine Erhoumlhung der Temperatur zu Folge
Diese Prinzipien muumlssen stets wiederholt und immer wieder verwendet werden um die
Funktionsweise der Waumlrmepumpe zu erklaumlren Dabei soll bereits vor dem
Experimentieren klar werden dass man durch Veraumlnderung des Drucks die Temperatur
veraumlndern kann und somit erreichen kann dass Waumlrme vom Ort niedrigerer Temperatur
aufgenommen und am Ort houmlherer Temperatur abgegeben wird
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltigte Materialien
Luftpumpe
Der Kolben einer Fahrradluftpumpe wird nach hinten bewegt und damit Luft angesaugt
Das Auslassventil wird mit dem Daumen fest zugedruumlckt Anschlieszligend soll einige Male
kraumlftig gepumpt werden Dabei stellen die Teilnehmer eine Erwaumlrmung am Daumen fest
Mit Hilfe eines Luumlckentextes und den dabei vorgegebenen Woumlrtern die in die Luumlcken
geschrieben werden sollen wird die Theorie dieses Versuchs bearbeitet
Hinweise fuumlr die Betreuer
Die Betreuer muumlssen mit den Maumldchen und Jungen die im Luumlckentext erarbeiteten Inhalte
besprechen Dabei wird festgehalten Je groumlszliger die Druckerhoumlhung ist desto groumlszliger ist
die Temperaturerhoumlhung Um den Druck zu erhoumlhen muss Arbeit verrichtet werden Die
Arbeit muss umso groumlszliger sein je groumlszliger die Druckerhoumlhung sein soll Bei der
Waumlrmepumpe kann nun durch Veraumlnderung des Druckes Waumlrme von einem Gebiet
niedrigerer Temperatur in ein Gebiet houmlherer Temperatur gebracht werden Um Waumlrme
aufzunehmen befindet sich das Kaumlltemittel unter niedrigerem Druck und hat eine
niedrigere Temperatur als die Umgebung Bei der Waumlrmeabgabe ist der Druck des
Kaumlltemittels hoch und die Temperatur houmlher als die Temperatur des Heizsystems
Beobachtungen
Waumlhrend der Schuumllerlabordurchfuumlhrung wurden beim Versuch 1 einige Probleme
festgestellt Zum einen fuumlhren die Schuumller die fuumlhlbare Erwaumlrmung auf die Koumlrperwaumlrme
des Durchfuumlhrenden zuruumlck zum anderen ist es schwierig mit dem Daumen die Oumlffnung
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 130
der Pumpe zu verschlieszligen Auszligerdem sieht man die Druckerhoumlhung nicht sondern spuumlrt
sie nur indirekt uumlber die auszuuumlbende Kraft Aus diesem Grund musste die betreuende
Person explizit auf das zu beobachtende Phaumlnomen hinweisen
Arbeitsauftrag 1 Verdampfen
Motivation
Der Arbeitsauftrag 1 dient dazu zum Versuch 2 hinzufuumlhren
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltigte Materialien
Spiritus oder Eau de Toilette
Es werden einige Tropfen Spiritus auf den Handruumlcken getropft und anschlieszligend wird
leicht daruumlber geblasen
Hinweise fuumlr die Betreuer
Wenn Spiritus auf der Hand verdunstet wird die Haut kuumlhler Um eine Fluumlssigkeit zu
verdampfen ist immer Energie erforderlich Meist wird sie in Form von Waumlrme
zugefuumlhrt z B beim Sieden von Wasser oder sie wird der Umgebung entzogen (im
Arbeitsauftrag ist dies die Handoberflaumlche) Auch beim Verlassen eines
Schwimmbeckens ist dies zu beobachten Ohne Abtrocknen friert man sehr bald Bei der
Waumlrmepumpe wird dieser Vorgang technisch genutzt Hier wird beim Verdampfen einer
Fluumlssigkeit Energie in Form von Waumlrme aus der Umgebung entzogen Abgekuumlhlt werden
dabei aber nicht wie im Kuumlhlschrank Speisen sondern z B der Erdboden im Garten das
Grundwasser oder die Auszligenluft Am einfachsten laumlsst sich die mit Auszligenluft arbeitende
Waumlrmepumpe beschreiben Mit Ventilatoren wird die Auszligenluft an den Rohrschlangen
des Verdampfers der Waumlrmepumpe vorbeigefuumlhrt In ihnen befindet sich eine Fluumlssigkeit
das so genannte Traumlgermittel Da diese Fluumlssigkeit einen sehr niedrigen Siedepunkt hat
siedet und verdampft sie sehr schnell und entzieht die hierfuumlr erforderliche Energie der
vorbeistroumlmenden Luft Mit Hilfe einer Pumpe wird das entstehende Gas angesaugt
Beobachtungen
Da Spiritus sehr geruchsintensiv ist und einige Schuumller dem Arbeiten mit Spiritus recht
kritisch gegenuumlberstanden wurde Eau de Toilette fuumlr die Experimentdurchfuumlhrung
benutzt Auch eine objektive Temperaturmessung mit einem Digitalmessgeraumlt ist
moumlglich Hierfuumlr wird ein Wattebausch mit etwas Eau de Toilette oder Spiritus getraumlnkt
und der Messfuumlhler des Digitalmessgeraumlts wird an den Wattebausch gehalten Dabei ist
eine leichte Abkuumlhlung zu messen
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Versuch 2 Verdampfungswaumlrme von Wasser
Motivation
Mit diesem Versuch wird das Ziel verfolgt den Schuumllern klar zu machen dass zum
Verdampfen einer Fluumlssigkeit Energie benoumltigt wird Daruumlber hinaus soll der Versuch den
enormen Unterschied zwischen den benoumltigten Energiemengen bei Verdampfen bzw
Erwaumlrmen demonstrieren Die Jugendlichen arbeiten in dieser Einheit mit dem
Computerprogramm bdquoDataStudioldquo Dabei soll erkannt werden dass physikalische
Messreihen mit Hilfe von Datenerkennungsprogrammen erstellt werden koumlnnen Im
Versuch 2 wird mit Temperatursensoren der Temperaturverlauf in Abhaumlngigkeit von der
Heizzeit graphisch aufgezeichnet und anschlieszligend von den Jungen und Maumldchen
ausgewertet
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltigte Materialien
Becherglas
Tauchsieder (300 Watt)
Temperatursensor (Abb 531) Pasko
Powerlink (Abb 532) Pasko
Laptop
Magnetruumlhrgeraumlt
Stativmaterial
Topflappen
Waage (Digi 2000 2000g1g)
Stoppuhr (oder die Stoppuhr des Handyacutes des Versuchsteilnehmers) (1100s)
Da der Versuch 2 mindestens 10 Minuten laufen soll muss bereits vor dem Beginn des
Versuchs 1 Vorarbeit geleistet werden
Abb 531 Waumlrmepumpe ndash Temperatursensor
Abb 532 Waumlrmepumpe ndash Powerlink
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Anfangs wird der Laptop gestartet Das Leergewicht (m2) eines Becherglases wird
ermittelt anschlieszligend wird das Glas mit 400 ml Wasser gefuumlllt und das Gefaumlszlig samt
Inhalt nochmals gewogen (m1) Die gemessenen Daten werden in eine Tabelle die sich
im Handout der Schuumller befindet geschrieben (vgl Kapitel 84) Der Temperatursensor
(Abb 531) wird uumlber ein Kabel an den Powerlink (Abb 532) angeschlossen In der
Zwischenzeit sollte der PC soweit hochgefahren sein dass er nach dem Benutzer fragt Es
soll auf den Button bdquoexperimentierenldquo gedruumlckt werden danach wird Windows
vollstaumlndig hochgeladen Von der Ruumlckseite des Powerlinks geht ein USB-Kabel zum
PC Wird der Sensor angesteckt wird er automatisch erkannt und die Schuumller muumlssen nur
noch auf bdquoData-Studio-Startenldquo klicken um das Messprogramm automatisch zu starten
Im Anschluss soll der Versuch 2 wie er in der Abbildung 533 dargestellt ist aufgebaut
werden
Der Tauchsieder mit bekannter Leistung wird in das Becherglas gegeben Er soll aber
nicht ganz den Boden des Gefaumlszliges beruumlhren Das Thermometer wird am Becherglas
befestigt Dabei soll die Fuumlhlerspitze etwa auf halber Wasserhoumlhe stehen Das
Magnetruumlhrgeraumlt ist einzuschalten
Wenn alle Vorbereitungen getroffen sind kann die eigentliche Messung beginnen Der
Tauchsieder wird eingeschalten und die Stoppuhr gestartet Gleichzeitig muss im
Programm bdquoDataStudioldquo auf Start gedruumlckt werden Ab diesem Moment kann beobachtet
werden dass die Messkurve aufgezeichnet wird
Ab diesem Zeitpunkt laumluft das Experiment selbstaumlndig weiter und es kann zum Versuch 1
wieder gewechselt werden Sind die Schuumller erneut an dem Versuch 2 angelangt und sind
Abb 533 Waumlrmepumpe ndash Versuch 2 ndash Verdampfungswaumlrme von Wasser
Tauchsieder
Magnetruumlhrgeraumlt
Stativ
Temperatursensor
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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genau 5 Minuten nach Siedebeginn vergangen so kann im Programm bdquoDataStudioldquo auf
Stopp gedruumlckt werden und die vollstaumlndige Kurve ist am PC ersichtlich (Abb 534) Das
Becherglas mit dem heiszligen Wasser muss erneut gewogen werden (m4) Dieser Wert und
die Wattangabe des Tauchsieders wird in die Tabelle uumlbertragen Im Anschluss soll
berechnet werden wie viel Wasser verdampft ist Die vom Wasser in der Zeit t
aufgenommenen Waumlrmemenge Q ergibt sich aus der Leistung P des Tauchsieders
Hinweise fuumlr die Betreuer
Die Betreuer muumlssen mit den Schuumllern die obige Kurve besprechen Die Temperatur des
Wassers nimmt zuerst linear mit der Zeit zu Bei hohen Temperaturen flacht die Kurve
etwas ab Nach Einsetzen des Siedens bleibt die Temperatur des Wassers konstant
Im Zusammenhang zur oben berechneten und aufgenommenen Waumlrmemenge kann vom
Betreuer die spezifische Waumlrmekapazitaumlt c erwaumlhnt werden Sie gibt an wie viel
Waumlrmeenergie benoumltigt wird um 1 g Wasser um 1 degC zu erwaumlrmen Dabei sollte erwaumlhnt
werden dass mit der Energie die benoumltigt wird um 1 g Wasser zu verdampfen ca 10 g
Wasser um 50 degC erwaumlrmt werden koumlnnen Die Jugendlichen sollen also zum einen
erkennen dass zum Verdampfen einer Fluumlssigkeit eine groszlige Energiemenge erforderlich
ist und zum anderen soll deutlich werden dass die Temperatur der Fluumlssigkeit waumlhrend
des Siedens stets konstant bleibt
Diese beiden Eigenschaften werden beim Betrieb der Waumlrmepumpe ausgenutzt Der in
den Verdampfer einstroumlmende Arbeitsstoff ist fluumlssig der Umgebung wird Waumlrme
entzogen und der Arbeitsstoff verdampft waumlhrend seine Temperatur etwa konstant bleibt
100
degC
80
60
40
20
2 4 6 tmin 12 8 10
Sieden setzt ein
Abb 534 Waumlrmepumpe ndash Versuch 2 ndash Temperatur des Wassers in Abhaumlngigkeit von der Heizzeit
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Beobachtungen
Bei diesem Versuch hatten die Teilnehmer groszlige Freude am Experimentieren wie auch
die Abbildung 535 zeigt Die Schuumller bewerteten es positiv dass sie komplett
eigenstaumlndig den gesamten Versuch durchfuumlhren konnten Dies beinhaltete sowohl den
Aufbau des Versuchs als auch die graphische Auswertung am PC Bei der Interpretation
der Ergebnisse traten aber dennoch vermehrt Schwierigkeiten auf da der benoumltigte
theoretische Inhalt doch recht kompliziert ist Hier wurde relativ haumlufig der Beteuer um
Hilfe gebeten
Arbeitsauftrag 2
Im Arbeitsauftrag 2 sollen die bisherigen Ergebnisse nochmals kurz zusammengefasst
werden Zum Verdampfen einer Fluumlssigkeit ist eine groszlige Energiemenge erforderlich
Die Temperatur der Fluumlssigkeit bleibt dabei konstant (Siedetemperatur)
Der Kompressor
Im nachfolgenden Abschnitt sollen die Schuumller uumlberlegen und diskutieren was im
Kompressor geschieht Hierzu wird auf den Versuch 1 mit der Luftpumpe verwiesen
Hinweise fuumlr die Betreuer
Im Versuch 1 konnte festgestellt werden dass sich beim Zusammenpressen der Luft die
Temperatur erhoumlht In der Waumlrmepumpe geschieht dieser Vorgang mit dem gasfoumlrmigen
Traumlgermittel Das Mittel wird aus dem Verdampfer gesaugt und anschlieszligend verdichtet
Dabei steigen der Druck und die Temperatur stark an Zum Antrieb der Pumpe muss
jedoch elektrische Energie zugefuumlhrt werden
Abb 535 Waumlrmepumpe ndash Versuch 2 ndash Durchfuumlhrung
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
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Versuch 3 Der Verfluumlssiger
Motivation
Das Ziel dieses Experiments ist es dass die Teilnehmer die Funktionsweise des
Verfluumlssigers verinnerlichen Dabei soll erkannt werden dass beim Kondensieren von
Wasser Waumlrmeenergie frei wird
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltigte Materialien
Erlenmeyerkolben mit Stopfen
Gasbrenner mit Dreifuss
Stativmaterial
Becherglas
Digitalthermometer (-200degC ndash +1200degC)
Schlauch mit Reagenzglasroumlhrchen ( = ca 5 mm)
Auch bei diesem Versuch muss vor der eigentlichen Bearbeitung des Experiments
Vorarbeit geleistet werden Die Abbildung 536 zeigt den vollstaumlndigen Aufbau
Abb 536 Waumlrmepumpe ndash Versuch 3 ndash Der Verfluumlssiger
Erlenmeyer-
kolben mit
Stopfen
Digitalthermometer Becherglas mit kaltem
Wasser (gefaumlrbt mit
Speisefarbe)
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 136
Im Handout werden die Schuumller gebeten den Gasbrenner zu entzuumlnden damit das
Wasser im Erlenmeyerkolben zum Sieden gebracht werden kann Der entstehende
Wasserdampf wird in ein Reagenzglas geleitet das sich in einem Becherglas mit kaltem
Wasser befindet Hierzu soll kaltes Wasser aus dem Kuumlhlschrank geholt werden und ca
400 ml Wasser in das Auffangbecherglas gefuumlllt werden Im Weiteren soll die
Temperatur des Wassers im Becherglas gemessen werden Nachdem die Schuumller die
Vorarbeit geleistet haben und wieder an diesem Punkt des Handouts angelangt sind
sollen die Beobachtungen festgehalten und diskutiert werden
Hinweise fuumlr die Betreuer
Deutlich zu erkennen ist dass die Temperatur kontinuierlich ansteigt Wenn Dampf mit
einer wesentlich kuumlhleren Umgebung in Kontakt kommt kondensiert er sofort und gibt
dabei die beim Verdampfen aufgenommene Energie wieder ab
Fuumlr die Waumlrmepumpe bedeutet dies Folgendes Im Verfluumlssiger der Waumlrmepumpe ist die
Rohrleitung in dem sich das gasfoumlrmige und unter hohem Druck stehende Traumlgermittel
befindet vom Wasser des angeschlossenen Heizkreislaufes umgeben Das Traumlgermittel
kuumlhlt sich bis zur Kondensationstemperatur ab kondensiert und gibt die dabei frei-
werdende Energie in Form von Waumlrme an das Wasser des Heizkreislaufes ab das im
Kessel von unten nach oben stroumlmt
Beobachtungen
Bei der Durchfuumlhrung wurde festgestellt dass besonders darauf zu achten ist dass nur
heiszliger Dampf in das Becherglas gelangt Wenn der Erlenmeyerkolben zu voll mit Wasser
gefuumlllt ist kann auch heiszliges Wasser durch den Schlauch und das Glasroumlhrchen
hinuumlbergeschleudert werden Diese Troumlpfchen verfaumllschen das Ergebnis immens Die
Einfaumlrbung des Wassers hat den Sinn dass der Dampf der vom Erlenmeyerkolben in das
Becherglas geleitet wird deutlicher sichtbar wird
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 137
Versuch 4 Die Funktion des Expansionsventils
Motivation
Im Versuch 4 soll die Arbeitsweise des Expansionsventils (Drosselventil) geklaumlrt werden
Das Drosselventil trennt den Bereich hohen und niedrigen Drucks in der Waumlrmepumpe
und der Arbeitsstoff kuumlhlt sich beim Durchgang durch das Ventil ab
Zusaumltzlich wird gezeigt dass die Siedetemperatur einer Fluumlssigkeit vom Druck der uumlber
der Fluumlssigkeitsoberflaumlche herrscht abhaumlngig ist
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltigte Materialien
Druckdose Frigen
Gummischlauch ( = 15 cm)
Feinregulierventil fuumlr Druckdosen
Digitalthermometer (-200degC ndash +1200degC)
Reagenzglas ( = 35 cm)
Gasverfluumlssigungspumpe
Druckdose
Frigen
Feinregulier-
ventil fuumlr
Druckdosen
Reagenzglas
Digitalthermo-
meter
Abb 537 Waumlrmepumpe ndash Versuch 4 ndash Die Funktion des Expansionsventils
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 138
Die Abbildung 537 zeigt den Aufbau des Experiments Das Ventil soll von den Schuumllern
vorsichtig geoumlffnet werden Es wird erst wieder geschlossen wenn die Fluumlssigkeit im
Reagenzglas ca 1 cm hoch steht Anschlieszligend soll die Temperatur des fluumlssigen Frigens
das im Glas aufgefangen wurde gemessen werden Mit der Hand soll das untere Ende
des Reagenzglases erwaumlrmt und nachfolgend die Beobachtungen notiert und besprochen
werden
Hinweise fuumlr die Betreuer
Die Schuumller sollten folgenden Sachverhalt begreifen Der Arbeitsstoff Frigen (CF2Cl2)
befindet sich in einer Druckdose Bei Zimmertemperatur betraumlgt der Druck ca 6 bar Die
Dose enthaumllt Gas und Fluumlssigkeit und sie wird auf den Kopf gestellt (vgl Abb 537) so
dass das Ventil unten ist Es wird fluumlssiges Frigen in ein Reagenzglas eingeleitet Nach
Austritt herrscht normaler Luftdruck Frigen kuumlhlt sich beim Durchgang durch das Ventil
stark ab seine Temperatur sinkt also enorm ab Auch das Ventil und der Schlauch
werden kalt sie beschlagen da Wasserdampf aus der Luft hier kondensiert Sobald der
Schlauch abgekuumlhlt ist tropft fluumlssiges Frigen in das Reagenzglas Seine Temperatur
betraumlgt ndash29degC und das Reagenzglas beschlaumlgt und vereist am unteren Ende (vgl Abb
538) Wird die Hand an das Reagenzglas gehalten erwaumlrmt sich das Glas und die darin
schwimmende Fluumlssigkeit Als Folge ist zu erkennen dass das Frigen heftig siedet Die
Temperatur des Frigen bleibt aber bei -29degC
Das Ventil demonstriert die Wirkungsweise eines Drosselventils in der Waumlrmepumpe Es
trennt die Bereiche hohen und niedrigen Drucks im Kreislauf der Waumlrmepumpe (vgl
Abb 530) Der Arbeitsstoff ist vor und hinter dem Ventil fluumlssig die Temperatur sinkt
Abb 538 Waumlrmepumpe ndash Versuch 4 ndash vereistes Glas
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 139
aber betraumlchtlich wenn der Druck erniedrigt wird Der Verdampfer der Waumlrmepumpe
liegt dicht hinter dem Drosselventil da die Temperatur des Arbeitsstoffes so stark sinkt
dass sofort der Umgebung Waumlrme entzogen wird
Motivation
Im weiteren Verlauf des Versuchs 4 soll der Zusammenhang zwischen Siedetemperatur
und Druck untersucht werden
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltigte Materialien
Druckdose Frigen
Gummischlauch ( = 15 cm)
Feinregulierventil fuumlr Druckdosen
Reagenzglas ( = 35 cm)
Gasverfluumlssigungspumpe
In das Reagenzglas wird erneut etwas Frigen gefuumlllt Das Ventil wird erst wieder
geschlossen wenn die Fluumlssigkeit im Reagenzglas ca 1 cm hoch steht Anschlieszligend
wird das Reagenzglas aus der Halterung des Stativs entnommen Auf das Reagenzglas in
dem sich Frigen befindet und welches mit der Hand erwaumlrmt wird wird eine
Gasverfluumlssigungspumpe gesetzt Das Frigen ist durch die Waumlrme der Hand verdampft
Es wird der Kolben in den Zylinder gedruumlckt (vgl Abb 539) Die Beobachtungen sollen
wieder notiert und diskutiert werden
Hinweise fuumlr die Betreuer
Bei normalen Luftdruck (105Pa) siedet Frigen bei -29degC Steigt der Druck uumlber der
Fluumlssigkeit dann steigt auch die Siedetemperatur Wenn der Druck ca 6 105Pa betraumlgt
Gasverfluumlssigungs-
pumpe
Reagenzglas
Abb 539 Waumlrmepumpe ndash Versuch 4 ndash Gasverfluumlssigungspumpe
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 140
siedet bzw kondensiert Frigen bei Zimmertemperatur In dem zu Anfang noch kalten
Zylinder kondensiert bzw siedet das Frigen bei etwas niedrigerem Druck
Die Abhaumlngigkeit der Siedetemperatur vom Druck bildet eine wesentliche Grundlage fuumlr
das Funktionieren einer Waumlrmepumpe Dadurch wird ermoumlglicht dass Waumlrme auf der
kalten Seite aus der Umgebung aufgenommen und auf der waumlrmeren Seite an einen
Speicher abgegeben werden kann
Beobachtungen
Beim Hineindruumlcken des Kolbens wird das Frigen bei einer bestimmten Kolbenstellung
wieder fluumlssig Der fluumlssige Anteil vergroumlszligert sich bei weiterem Eindruumlcken immer mehr
Wenn der untere Zylinderteil noch sehr kalt ist (vom Einlassen des Frigens) braucht der
Kolben zur Verfluumlssigung nicht so weit hineingedruumlckt zu werden wie spaumlter wenn der
ganze Zylinder wieder Zimmertemperatur angenommen hat Laumlsst man den Kolben
langsam wieder heraus beginnt das Frigen zu sieden
Das Bild 540 zeigt einen Schuumller der den Kolben der Gasverfluumlssigungspumpe in das
Reagenzglas druumlckt und somit den Druck im Glas erhoumlht Der Effekt dass sich das
gasfoumlrmige Frigen wieder verfluumlssigt wurde von allen Jugendlichen mit groszligem
Erstaunen betrachtet Da alle Maumldchen und Jungen diesen Versuch selbst ausprobieren
wollten wurde um Frigen zu sparen in das Reagenzglas statt dem Traumlgermittel
Eisspray gespruumlht Mit diesem Spray das uumlberall kaumluflich zu erwerben ist kann dasselbe
Phaumlnomen betrachtet werden
Abb 540 Waumlrmepumpe ndash Versuch 4 ndash Durchfuumlhrung
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 141
Arbeitsauftrag 3 Vorteile und Nachteile einer Waumlrmepumpe
Motivation
Die Schuumller sollen mit Hilfe der Karte 9 die Vorteile und Nachteile einer Waumlrmepumpe
besprechen Auszligerdem sollen sie feststellen dass Waumlrmepumpen einen Beitrag zum
Umweltschutz leisten koumlnnen
Hinweise fuumlr die Betreuer
Der Betreuer muss die unterschiedlichen Waumlrmequellen die eine Waumlrmepumpe
verwenden kann und die am Anfang dieser Station im Handout vorgestellt werden
thematisieren In diesem Zusammenhang soll besprochen werden welche Waumlrmequelle
am besten geeignet ist Als Waumlrmequellen stehen Erdreich Grund- und
Oberflaumlchenwasser Umgebungsluft oder Abwaumlrme zur Verfuumlgung Dabei kommt es auf
die oumlrtlichen Gegebenheiten die Lage des Gebaumludes und den Waumlrmebedarf an welche
Waumlrmequelle am besten verwendet wird (vgl Kapitel 47)
Anschlieszligend wird diskutiert ob Waumlrmepumpen eine Moumlglichkeit darstellen eine
zukuumlnftige umweltfreundliche und oumlkonomische Waumlrmeversorgung zu sichern Dabei
sollte der Betreuer die Leitungszahl erwaumlhnen Sie gibt das Verhaumlltnis der an das heiszlige
System abgegebenen Waumlrme zu aufgewandter Arbeit an Je geringer der
Temperaturunterschied also zwischen Waumlrmequelle und Heizsystem ist desto weniger
Antriebsenergie wird fuumlr den Verdichter benoumltigt und desto besser ist die Leistungszahl
Als Nachteil der Waumlrmepumpe sind die hohen Anschaffungskosten zu nennen Diese
hohen Kosten haben einen wirtschaftlichen Durchbruch der Waumlrmepumpe verhindert
Weiter ist zu nennen dass die Arbeitsmedien Frigen oder Freon aus dem Markt gezogen
wurden da sie als umweltphysikalisch bedenklich angesehen wurden
Dennoch bietet die Waumlrmepumpe einige Vorteile Die Hilfekarte 9 soll helfen eine
Diskussion uumlber die Thematik wie viel CO2 eine Waumlrmepumpe gegenuumlber anderen
Heizsystemen einsparen kann in Gang zu setzten
Eine Waumlrmepumpe verbraucht weniger Energie und ist umweltfreundlicher da ein
geringerer CO2-Ausstoss vorliegt Zwar muss noch zusaumltzlich Energie zum Antrieb der
Waumlrmepumpe genutzt werden dennoch ist der Energieverbrauch im Schnitt wesentlich
geringer als bei herkoumlmmlichen Heizsystemen
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 142
nicht verwendete Experimente
Versuch 5 Natuumlrlicher Waumlrmeenergiefluss
Motivation
Dieser Versuch war urspruumlnglich als Versuch 1 der Station bdquoWaumlrmepumpeldquo geplant Er
wurde jedoch aus Zeitgruumlnden verworfen Das Ziel dieses Experimentes ist den Schuumllern
die Erfahrung naumlher zu bringen dass Waumlrmeenergie stets vom Waumlrmeren zum Kaumllteren
uumlbergeht
Versuchsaufbau und Versuchsdurchfuumlhrung
Benoumltige Materialien
2 Becherglaumlser unterschiedlichen Durchmessers
2 chemische Thermometer (-10degC bis + 100degC)
Stativmaterial
Gummistopfen mit zwei Bohrungen
Waage (Digi 2000 2000g1g)
Wasserkocher
gekuumlhltes Wasser (mindestens 1 Tag im Kuumlhlschrank)
Stoppuhr (oder die Stoppuhr des Handyacutes des Versuchsteilnehmers) (1100s)
Abb 541 Waumlrmepumpe ndash Versuch 5 ndash Natuumlrlicher Waumlrmeenergiefluss
2 Becherglaumlser
unterschiedlichen
Durchmessers
ineinander gestellt
Stoppuhr
2 chemische
Thermometer
Gummi-
Stopfen mit zwei
Bohrungen
Stativ
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 143
In der Abbildung 541 ist der Versuchsaufbau gezeigt Die zwei Becherglaumlser werden
ineinander gestellt und in das innere Becherglas wird ca 200 ml kaltes Leitungswasser
(Kuumlhlschrank) gefuumlllt In das aumluszligere Becherglas fuumlllen die Teilnehmer ca 200 ml heiszliges
Wasser welches vorher mit dem Wasserkocher erhitzt wird Beide Thermometer werden
bis etwa zur halben Houmlhe eingetaucht (eines innerhalb und eines auszligerhalb des kleineren
Gefaumlszliges) und die Stoppuhr wird gestartet In Zeitabstaumlnden von 30 s sollen die Schuumller
das Wasser (warm und kalt) umruumlhren die Temperaturen (θW und θK) ablesen und die
Daten in eine vorgegebene Tabelle eintragen Der gesamte Versuch dauert 10 Minuten
Die gemessenen Werte sollen in ein Koordinatensystem eingetragen und somit der
Verlauf beider Temperaturgraphen skizziert werden Die Abbildung 542 zeigt die
Graphen
Zum Schluss dieses Experimentes soll der Mittelwert der beiden Starttemperaturen und
Endtemperaturen berechnet werden und abschlieszligend das Ergebnis diskutiert werden
Hinweise fuumlr die Betreuer
Der Verlauf der Graphen muss mit den Schuumllern explizit besprochen werden Das
Ergebnis bedarf einer genauen Erlaumluterung da der Sachverhalt dass Waumlrmeenergie stets
vom Waumlrmeren zum Kaumllteren uumlbergeht eines der Grundprinzipien der Waumlrmelehre
60
tmin 10 5
30
Θ degC
θK
θW
Abb 542 Waumlrmepumpe ndash Versuch 5 ndash Verlauf der Temperaturgraphen
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 144
darstellt Zudem kommt hinzu dass dieses Wissen zum Verstehen der Waumlrmepumpe
elementar ist
Bei den Graphen sollten die Schuumller folgenden Sachverhalt erkennen Die Temperatur
des heiszligen Wassers nimmt ab und zwar zuerst schnell spaumlter langsamer Das kalte
Wasser erwaumlrmt sich entsprechend Die gemeinsame Endtemperatur liegt etwas unterhalb
des Mittelwertes der Anfangstemperaturen
Warmes Wasser hat einen houmlheren Energieinhalt als Kaltes In dem Versuch sind warmes
und kaltes Wasser nur durch eine Glaswand getrennt Energie wird durch Waumlrmeleitung
uumlbertragen bis beide Wassertemperaturen gleich sind
Da beide Wassermengen gleich groszlig sind sollte die Endtemperatur gleich dem
Mittelwert der Anfangstemperaturen sein Im Experiment liegt die Endtemperatur etwas
niedriger da ein Teil der Waumlrmeenergie an die kaumlltere Umgebung abgegeben wird
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 145
535 Station Energieproblematik und die Diskussionsphase
Motivation
Die Station bdquoEnergieproblematikldquo ist eine Pflichtstation und muss von allen Schuumllern
absolviert werden In dieser Station lernen die Schuumller unterschiedliche Energiequellen
kennen Es soll speziell der grundlegende Gewinnungsprozess von elektrischer Energie
durch Sonnenenergie Windenergie Wasserenergie Biomasse Erdwaumlrme und
Kernenergie behandelt werden
Die Einarbeitungsphase in die Informationsmaterialien
Die sechs Gruppen in die die Teilnehmer aufgeteilt sind erhalten jeweils eine
Arbeitsmappe mit Arbeitsanweisungen Informationstexten und Folien zu einem bereits
oben genannten Kraftwerkstyp Die entsprechenden Texte und Folien befinden sich auf
der beiliegenden CD
Die Schuumller haben die Aufgabe innerhalb einer Stunde von dem jeweiligen zu
bearbeitenden Kraftwerkstyp das Funktionsprinzip den durchschnittlichen
Wirkungsgrad die benoumltigten Ressourcen den aktuellen Stand der Verwendung in
Deutschland sowie die Vor- und Nachteile des Typs den Texten aus der Arbeitsmappe
zu entnehmen Dabei sind die Materialien innerhalb einer Gruppe aufzuteilen damit nicht
jeder Jugendliche alle Texte eines Kraftwerkstyps lesen muss Die gefundenen Loumlsungen
werden anschlieszligend zusammengetragen und diskutiert
Abb 543 Energieproblematik ndash Einarbeitungsphase I
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 146
Die Ergebnisse sollen in der Matrix die sich im Handout der Schuumller befindet (vgl CD)
festgehalten werden Bei dieser Station bilden sich Expertengruppen die spezielles
Wissen hinsichtlich eines bestimmten Kraftwerkstyps besitzen Jede Gruppe waumlhlt aus
ihrer Mitte zwei Personen aus welche in der Praumlsentationsphase die erarbeiteten
Informationen dem Rest der Klasse vorstellt Um die Vorstellung anschaulicher gestalten
zu koumlnnen sollen die Resultate stichpunktartig auf groszlige Karteikarten uumlbertragen werden
(vgl rote Karten Abb 544) Diese Karten sollen bei der Praumlsentation in Form einer
Matrix an die Tafel geheftet werden (vgl Praumlsentationsphase)
In den Arbeitsmappen befinden sich ebenfalls Folien mit deren Hilfe das
Funktionsprinzip des jeweiligen Typs besser erlaumlutert werden kann (siehe CD)
Im Schuumllerlabor wurden in der Station bdquoEnergieproblematikldquo Energieflussdiagramme die
die Energieumwandlungsketten (vgl Abb 545) verdeutlichen sollen auf die Folien
gedruckt Diese muumlssen von den Teilnehmern vollstaumlndig ausgefuumlllt und bei der
Praumlsentation den restlichen Klassenmitgliedern praumlsentiert werden
Abb 544 Energieproblematik ndash Einarbeitungsphase II
Abb 545 Energieproblematik ndash Energieumwandlungsketten ndash Bsp Windenergie
Arbeitsmappen mit Texten
und Folien
Karteikarten
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 147
Hinweise fuumlr die Betreuer
Alle Ergebnisse sowie die Abbildungen auf den Folien zur Erklaumlrung der Funktionsweise
von Kraftwerken muss der Betreuer vor der Praumlsentation mit den Schuumllern nochmals kurz
besprechen damit keine fehlerhaften Informationen an die restliche Klasse
weitergegeben werden Zu diesem Zweck gibt die Tabelle 11 einen kurzen Uumlberblick
uumlber alle moumlglichen und notwendigen Informationen die die Schuumller erarbeiten sollen
Der Betreuer kann anhand dieser Tabelle schnell alle Ergebnisse mit den Teilnehmern
besprechen und fehlerhafte Informationen bereinigen
Entscheidend fuumlr den Erfolg dieser Station bdquoEnergieversorgungldquo und der dazugehoumlrigen
Praumlsentationsphase ist wie die Teilnehmer mit den Texten und Folien der Arbeitsmappen
zurechtkommen Aus diesem Grund muumlssen die Informationsboumlgen recht kompakt und
gut verstaumlndlich gestaltet sein Deshalb wurden die zu bearbeitenden Texte vorab gekuumlrzt
und so aufgebaut dass die Schuumller schnell und unmissverstaumlndlich auf die benoumltigten
Informationen stoszligen Da zur Klaumlrung aller Fragen mehrere Texte zu lesen sind muumlssen
die Schuumller die Skripte untereinander aufteilen Die Schuumller sollen also als bdquoGruppeldquo
arbeiten Dies birgt einen weiteren Vorteil in sich Die Gruppe muss vor der Praumlsentation
die Ergebnisse diskutieren Dadurch setzten sich die Maumldchen und Jungen intensiver mit
der Materie auseinander und haben somit nebenbei Argumente fuumlr die abschlieszligende
Diskussionsrunde die mit der ganzen Klasse stattfindet gesammelt
Beobachtung
Besonders auffaumlllig war in der Station bdquoEnergieproblematikldquo zu beobachten dass bereits
waumlhrend der Einarbeitungsphase in die Informationsmaterialien rege Diskussionen
sowohl zwischen den jeweiligen Gruppenmitgliedern als auch zwischen den Lehrkraumlften
und den Betreuern entstanden Besonders viel Zuumlndstoff beinhaltete die Kernenergie
Eine Gruppe weigerte sich sogar vehement die Arbeitsmappe bdquoKernkraftwerkeldquo zu
bearbeiten mit der Begruumlndung sie waumlren strickte Gegner der Kernenergie Aus diesem
Grund wurde dieser Gruppe eine andere Mappe die bdquoSonnenenergieldquo zugeteilt Auf der
anderen Seite gab es Jungen und vor allem auch Maumldchen die sich intensiv mit der
Kernenergie auseinandersetzten und die Hintergruumlnde dieser Art der Energiegewinnung
naumlher kennenlernen wollten Besonders beliebt waren auch die Biomasse und die
Erdwaumlrme Zahlreiche Schuumller gaben an dass ihnen diese Arten der Energiespeicherung
noch relativ unbekannt waren So wurden diese beiden Mappen recht haumlufig gewaumlhlt
Laut den Aussagen der Betreuer und den Aussagen der Schuumller traten keine groumlszligeren
Probleme bei der Bearbeitung der Texte hinsichtlich des Schwierigkeitsgrades oder des
vorgegebenen Zeitrahmens auf
Einige physikalische Aspekte und Begriffe mussten dennoch waumlhrend dieser Station von
den betreuenden Hilfskraumlften mit den Schuumllern explizit geklaumlrt werden Viele Schuumller
konnten die Begriffe bdquoRessourcenldquo und bdquoReservenldquo nicht auseinander halten Auch die
bdquothermische Energieldquo oder die bdquokinetischeldquo und die bdquopotentielle Energieldquo waren eher
unter den Namen Waumlrme- Bewegungs- und Lageenergie bekannt
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 148
Eckdaten verschiedener Energiegewinnungsmoumlglichkeiten im Vergleich
Reserven und Ressourcen
Potentiale
Wirkungs-
grad
momentane
Verwendung in BRD
Vorteile Nachteile
Kernkraftwerke Uranreserven 177 Mt Fuumlr die naumlchsten Jahrzehnte
ein ausreichendes Potential
[BUN0926-28] Uranressourcen reichen uumlber
200 Jahre [INTQ37]
beide Typen
30 ndash 40
[INTQ36]
- derzeit 25 Kernkraftwerke in
Deutschland davon 13
stillgelegt bzw werden stillgelegt [INTQ31]
- 2010 betrug der Anteil
der Kernenergie an der Stromerzeugung in BRD
109 [INTQ25]
- kein CO2-Ausstoss - Verfuumlgbarkeit von
Uran fuumlr die 200 Jahre
[HEI03229-233]
- Atomkatastrophen - Verbreitung von
Nuklearwaffen
- Problem der Endlagerung
Kohlekraftwerke
(Waumlrmekraftwerke)
Weltweites Gesamtpotenzial
an Reserven (Stand 2008) - Erdoumll 405 GT
- Erdgas 516 Bill m3
- Kohle 997 GT davon 728 GT Hartkohle und 269 Gt
Weichbraunkohlerarr Reich-
weite ca 200 Jahre bei aktuellem Verbrauch
[BUN0917-25]
30 ndash 40
[INTQ30]
derzeit ist der Bau von
30 neuen Kohlekraftwerken in
Deutschland geplant
[INTQ30]
Kohle in Deutschland
verfuumlgbar rarr kaum Abhaumlngigkeit von
Rohstoffimporten aus
dem Ausland [INTQ30]
- sehr hoher CO2-Ausstoszlig
- Reserven sind endlich und koumlnnen bald zu Ende
gehen
[INTQ30]
Sonnenenergie
infin
aber von der Tageszeit
abhaumlngig
Fotovoltaik 20 [BUumlR0732
-38]
trug 2010 mit 2 an gesamten
Stromerzeugung fuumlr Deutschland bei
[BMU114]
- Strom wird dort erzeugt wo er benoumltigt
wird - lautlos und ohne
Emission
[WIL0916-17]
- lange Amortisationsdauer - hoher Flaumlchenbedarf bei
geringem Energiegewinn [WIL0916-17]
Solarthermie - Speicherung der Waumlrme uumlber Stunden
und Tage moumlglich
- kurze Amortisationszeit
- Kombinierbar mit
herkoumlmmlichen Kraftwerken
[WIL0918-19]
- relativ groszliger Flaumlchenbedarf
- geografische
Einschraumlnkung [WIL09]
- Turmkraftwerke ca 40
[HEI03]
BRD nicht geeignet es
wuumlrden 80000 km2 in der
Wuumlste Sahara reichen um den
Energiebedarf der Welt
zu decken fuumlr Deutschland nicht mal 3
000 km2 [WIL0918-19]
- Parabollrinnenkw ca 20
[HEI03]
Wasserenergie Weltweit gesehen bestehen
noch erheblich Potenziale zur Nutzung der Wasserkraft
Aktuell werden genutzt
Europa 75 Nordamerika 70 Suumldamerika 33
Asien 22 und Afrika 7
[WIL0920-21]
bis zu 97
moumlglich [HEI03]
hat einen Anteil von 4 ndash
5 am gesamten deutschen Strommix rarr
Potential fast ausge-
schoumlpft [PET08237-243]
Ca 400 Anlagen mit
einer Leistung uumlber 1MW erzeugen 92 des
Stroms aus Wasserkraft
den Rest bestreiten 7 000 Kleinanlagen
[WIL0920-21]
- ausgereifte Technik
- hoher Wirkungsgrad - keine Emission
- wartungsfrei lange
Nutzdauer [WIL0920-21]
- hohe Investitionskosten
- Eingriff in Natur - bei Groszliganlagen sind die
Auswirkungen auf
Wasserhaushalt Klima Vegetation und Gesell-
Schaft kaum
vorherzusehen - nicht uumlberall nutzbar
90 der Wasserkraft
stammen aus Bayern und Baden-Wuumlrttemberg
[WIL0920-21]
Windenergie - Windgeschwindigkeiten sowohl zeitlich als auch
raumlumlich sehr unterschiedlich
- zu hohe aber auch zu niedrige
Windgeschwindigkeiten
koumlnnen nicht genutzt werden Ideal 3 ndash 25 ms
40 ndash 50 [HEI03]
21607 Windenergie-anlagen Leistung von
27214 Megawatt
[INTQ45] Im Jahr 2010 trug die Windenergie mit
133 zur deutschen
Endenergiebereit-stellung bei [BMU11]
- hoher Erntefaktor - hoher Wirkungsgrad
- keine Emission
[WIL0922-23]
- Windstaumlrke ist schwankend rarr kaum
planbares Energiedargebot
rarrnicht grundlastfaumlhig - Geraumluschentwicklung
- aumlsthetische Aspekte
- Energiereserve bei Flaute noumltig
[WIL0922-23]
Biomasse In BRD ein sofort nutzbares Potential an Biomasse von
ca 2343 PJ Damit koumlnnen
16 des Primaumlrenergie- bzw 24 des
Endenergiebedarfs gedeckt
werden [SCH00]
Biogasan-lage
ca 20
2010 6000 Biogasanla-gen [INTQ41] In BRD
trug die Bioenergie 2010
von Waumlrme zu 90 von Strom zu 55
[BMU11]
- jederzeit und bedarfsgerecht
einsetzbar lagerfaumlhig
[WIL0924-25] - CO2-neutraler
Energietraumlger
[SCH00]
- oumlkologische Belastung durch Duumlngerhellip
- Emission bei Ver-
brennungsvorgang - flaumlchenintensiv
[WIL0924-25]
Geothermie
infin
Hot-Dry-Rock-
Verfahren
ca 20 [HEI03]
Trug 2010 mit 20 zur deutschen
Energiebereitstellung bei
[INTQ25]
- saubere Energie keine Emission
- staumlndig verfuumlgbar
grundlastfaumlhig [WIL0926-27]
- nicht uumlberall wirtschaftlich nutzbar da
oft in zu groszliger Tiefe
- Probebohrungen noumltigrarr teuer Erfolg ungewiss
[WIL0926-27]
Tabelle 11 Eckdaten verschiedener Energiegewinnungsmoumlglichkeiten im Vergleich
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 149
Die Praumlsentationsphase
Im Vorfeld der Praumlsentationsphase haben die Schuumller nochmals 15 Minuten Zeit ihre
Ergebnisse aufzuarbeiten und Unstimmigkeiten innerhalb der Gruppe zu klaumlren Waumlhrend
der Praumlsentationsphase werden die Ergebnisse jeder einzelnen Arbeitsgruppe vorgestellt
Die Gruppen haben hierzu zwei Sprecher ausgewaumlhlt die den Redeanteil untereinander
aufgeteilt haben
Die Folien dienen als Anschauungsmaterial und zeigen die jeweilige Funktionsweise
eines Kraftwerkstyps und die Energieumwandlungskette Die Abbildung 546 zeigt einen
Schuumller der beispielsweise das Parabolrinnenkraftwerk erlaumlutert
Damit die Schuumller die Wirkungsgrade die Vor- und Nachteile den momentanen Stand
der Verwendung in Deutschland und die Ressourcen eines Kraftwerkstyps besser
erklaumlren und verdeutlichen koumlnnen schreiben die Schuumller ihre Ergebnisse bereits in der
Station bdquoEnergieproblematikldquo auf Karteikarten Diese werden nachdem die Inhalte von
den Sprechern vorgestellt worden sind (vgl Abb 547) an die Tafel geklebt auf welcher
sich bereits eine Matrix befindet
Diese Matrix gibt nachdem alle Gruppe ihren Beitrag vorgetragen haben und alle
Informationen an der Tafel angebracht sind eine Uumlbersicht aller vorgestellten
Kraftwerkstypen Diese Aufstellung erlaubt einen gut ersichtlichen Vergleich der
einzelnen Moumlglichkeiten elektrische Energie zu gewinnen In Abbildung 548 ist die
Matrix an der Tafel abgebildet
Abb 546 Energieproblematik ndash Praumlsentation der Funktionsweise eines Parabolrinnenkraftwerks
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 150
Abb 547 Energieproblematik ndash Praumlsentation der Ergebnisse mit Hilfe von Karteikarten
Abb 548 Energieproblematik ndash Matrix
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 151
Hinweise fuumlr die Betreuer
Der Betreuer muss fuumlr die Uumlbersichtlichkeit der Matrix sorgen Hierfuumlr muss zum einen
die Matrix moumlglichst groszlig auf der Tafel sichtbar gezeichnet werden und zum anderen
muss die Schrift auf den Karteikarten der Schuumller moumlglichst sauber groszlig und
uumlbersichtlich gestaltet sein Deshalb sind die Schuumller dahingehend zu instruieren
Da die Praumlsentationsphase erst nach der Mittagspause stattfindet haben die Schuumller eine
fuumlnfzehnminuumltige Zeitspanne ihre Ergebnisse nochmals zu uumlberdenken Es hat sich
waumlhrend der Schuumllerlabordurchfuumlhrung gezeigt dass einige Schuumller diese Viertelstunde
nicht effektiv nutzen Deshalb wurde sofort mit der Praumlsentation begonnen
Der vortragenden Gruppe koumlnnen nach Abschluss der Praumlsentation noch Fragen
hinsichtlich ihres Themengebietes gestellt werden Sofern die Gruppe nicht selbstaumlndig
antworten kann springt der Betreuer ein und klaumlrt die offenen Sachverhalte Fehlende
Inhalte werden vom Betreuer nach Abschluss des Gruppenvortrags ergaumlnzt
Beobachtungen
Grundsaumltzlich verlief die Praumlsentationsphase erfreulich effektiv Es zeigte sich dass die
Teilnehmer die Texte intensiv bearbeitet hatten und die Inhalte von den Jugendlichen
verinnerlicht worden waren
Die Sprecher sollten die Informationen moumlglichst freisprechend und fluumlssig praumlsentieren
Da manche Teilnehmer Probleme hatten sich die Inhalte zu merken durften die
Jugendlichen auch einen Spickzettel mit an die Tafel nehmen oder sich an den
Stichpunkten auf den Karteikarten orientieren Einige Teilnehmer die auch bereits
waumlhrend der Experimentierphasen sehr groszlige Motivation und Aufmerksamkeit zeigten
konnten die Informationen jedoch ohne groszlige Probleme und mit viel Engagement
darbieten Dies lockerte die Praumlsentationsphase immens auf Auch Aspekte aus der
experimentellen Phase wie zum Beispiel aus der Station bdquoEnergieversorgungldquo die
Funktionsweise eines Generators wurden an passender Stelle erwaumlhnt und erlaumlutert
Hilfestellungen durch den Betreuer bedurfte es nur sehr selten Auch den groumlszligten Teil der
Fragen konnten die Expertengruppen eigenstaumlndig beantworten
Bereits waumlhrend des Vortrags einiger Gruppen nutzten die zuhoumlrenden Heranwachsenden
die Chance ihre Bedenken bezuumlglich eines Kraftwerkstyps zu aumluszligern Aufgrund des sehr
kurzbemessenen zeitlichen Spielraumes wurde die Diskussion aber auf spaumlter vertagt und
innerhalb der Diskussionsrunde vom Betreuer die Debatte nochmals aufgegriffen Zudem
sollten die Schuumller erst einen vollstaumlndigen Uumlberblick uumlber die unterschiedlichen
Moumlglichkeiten der elektrischen Energiegewinnung erlangen und mit Hilfe der Matrix
potentielle Alternativen erkennen Zudem konnte der Moderator innerhalb der
Diskussionsrunde gezielte Frage und Problemstellungen aufwerfen und so das Gespraumlch
besser leiten
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 152
Die abschlieszligende Diskussionsrunde
Im Anschluss an die Praumlsentation der Ergebnisse folgt die Diskussionsrunde in welcher
alle Schuumller Lehrer oder Betreuer ihre Meinungen Ansichten oder Bedenken uumlber die
herrschende Energiepolitik und den Klimaschutz aumluszligern koumlnnen Die Matrix an der Tafel
soll dabei eine Hilfestellung leisten und uumlber die Unterschiede sowie uumlber Vor- und
Nachteile der unterschiedlichen Kraftwerkstypen informieren Die Aufstellung hilft die
Argumentationsreihe der Diskussionsteilnehmer zu belegen
Beobachtungen
Die Beteiligung an der Diskussionsrunde war bei allen drei Schuumllerlabordurchfuumlhrungen
sehr hoch Nahezu jeder Teilnehmer wollte seine Meinung kundtun und sich an der
Debatte beteiligen wie die Energiefrage in Zukunft geloumlst werden koumlnnte Zeitweise
konnte sich der Moderator vollstaumlndig aus der Diskussion zuruumlckziehen weil die
Teilnehmer untereinander recht konstruktiv uumlber die Energieproblematik sprachen Kam
die Debatte ins Stocken wurden gezielt Fragen an die Jugendlichen uumlber deren Meinung
gestellt
Ganz klar war fuumlr alle Schuumller dass die umweltverschmutzenden Kohlekraftwerke
endlich abgeloumlst werden sollten Die Frage wie die Energieversorgung der Zukunft aber
aussehen solle barg ein groszliges Diskussionspotential Besonders die Kernenergie stand im
Kreuzfeuer des Gespraumlchs Uumlberraschend war dass circa ein Drittel aller Jugendlichen fuumlr
das Beibehalten der Kernenergie war Wie die Meinung dieser Befuumlrworter der
Kernenergie nun nach der Atomkatastrophe in Japan - Fukushima aussieht waumlre
natuumlrlich aumluszligerst interessant Alle Maumldchen und Jungen waren sich einig dass die
Kernenergie eine potentielle Rolle beim Klimaschutz spielen koumlnnte dennoch plaumldierten
uumlber die Haumllfte aller Teilnehmer fuumlr den Einsatz erneuerbarer Energien So wurden in
etwa die Windkraftwerke deren Ausbau in Deutschland enorme Fortschritte macht
speziell durch Offshore ndash Parks aber auch die Sonnenenergie die Biomasse und die
Geothermie als gute Alternativen fuumlr die Zukunft angesehen
Zum Abschluss der Debatte wurden vom Moderator die praumlgnantesten Ergebnisse
nochmals kurz zusammengefasst und die Teilnehmer verabschiedet und entlassen
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 153
54 Energiesparhaus und Ergometer
Im Raum E071 waren Zusatzmaterialien zum Thema Energie ein Trimm ndash Dich ndash Rad
und ein Modell eines Energiesparhauses aufgebaut Diese beiden Versuche dienten vom
5 ndash 7 Oktober 2010 als Anschauungsmaterial fuumlr den Projekttag bdquoEnergie im Speicherldquo
im Museum im Kulturspeicher in Wuumlrzburg und waren von Herrn Stolzenberger amp
Kollegen der Universitaumlt Wuumlrzburg konstruiert und dem Schuumllerlabor
bdquoEnergieversorgung Energienutzung Energieproblematikldquo bereitgestellt worden
Das Trimm ndash Dich ndash Rad
Dieser Versuchsaufbau besteht aus einem Energierad womit durch Muskelkraft eine
Spannung erzeugt wird mit der unterschiedliche Verbraucher aus dem taumlglichen Leben
(Lampen CD-Player) betrieben werden koumlnnen (vgl Abb 549)
Benoumltigt ein Verbraucher wenig Energie ist der Tretwiderstand gering Bei hohem
Energieverbrauch ist der Tretwiderstand entsprechend groszlig Auf diese Weise erhalten die
Schuumllerinnen und Schuumller ein Gefuumlhl fuumlr den unterschiedlichen Energieverbrauch
verschiedener alltaumlglicher Geraumlte Waumlhrend die Energiesparlampe ohne allzu groszligen
Abb 549 Fahrradergometer
Planung und Durchfuumlhrung des Schuumllerlabors
Seite | 154
Aufwand zum Leuchten gebracht wird kann man bei der herkoumlmmlichen Gluumlhlampe
schon ins Schwitzen kommen Wird das Radiogeraumlt angeschlossen sind sportliche
Houmlchstleistungen gefragt
Das Modell eines Energiesparhauses
Das Energiesparhaus ist auf jeder Seite mit einem anderen Daumlmmmaterial verkleidet
Eine Wand ist verglast eine Seite ungedaumlmmt die dritte Wand besteht aus
Mineralfaserdaumlmmung (14 cm U = 35
) und auf der vierten Seite wurde
Vakuumisolationspanell (2 cm U = 5-8
) verarbeitet Im Inneren des Haumluschens
befindet sich eine Halogenlampe die den Innenraum aufheizt Die Schuumller koumlnnen mit
Hilfe eines Infrarot ndash Thermometers (Voltkraft -50degC - +550degC) auf jeder Auszligenseite die
Temperatur messen Dabei soll den Maumldchen und Jungen verdeutlicht werden dass
verschiedene Materialien unterschiedlich stark Waumlrme leiten Die ungedaumlmmte Wand
weist erwartungsgemaumlszlig die schlechteste Daumlmmeigenschaft auf Die groumlszligte
Waumlrmeisolation wird von der Mineralfaserdaumlmmung und dem Vakuumisolationspanell
erreicht Im Anschluss an die Experimentierstation bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo kann mit den
Teilnehmern dieses Haus naumlher betrachtet und die behandelten Inhalte der Station
bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo nochmals kurz wiederholt werden
Abb 550 Modell eines Energiesparhauses
Dach
Wand
Boden
Evaluation
Seite | 155
6 Evaluation
61 Ergebnisse der Schuumllerevaluation
Nachdem nun die Organisation des Schuumllerlabors geschildert und die jeweiligen
Stationen mit den dort durchgefuumlhrten Versuchen einzeln vorgestellt wurden soll sich
dieses Kapitel mit der Auswertung von Frageboumlgen beschaumlftigen die die Schuumller wenige
Tage vor und nach dem Besuch des Labors ausgefuumlllt haben Es wurde eine Pretest-
Posttest-Evaluation vorgenommen welche das Ziel hatte zu den einzelnen Phasen des
Schuumllerlabors moumlglichst viele Ruumlckmeldungen zu erhalten um gegebenenfalls
Aumlnderungen und Verbesserungen vornehmen zu koumlnnen
Im Oktober 2010 fanden drei Labordurchfuumlhrungen statt Am 1210210 war die Klasse
9D des RiemenschneiderndashGymnasiums aus Wuumlrzburg an der Universitaumlt Wuumlrzburg zu
Gast Die Klasse bestand aus 7 Jungen und 12 Maumldchen
Einen Tag spaumlter am 13102010 besuchten 17 Jungen und 12 Maumldchen aus der Klasse
9A vom Roumlntgen- Gymnasium Wuumlrzburg das Schuumllerlabor
Am Freitag den 14102010 nahm die Klasse 10A von der Realschule Gemuumlnden an der
Labordurchfuumlhrung teil Hier besuchten 3 Jungen und 16 Maumldchen die Universitaumlt
Die Physiklehrkraumlfte erhielten direkt nach der Anmeldung Pretest-Evaluationsboumlgen
zugesendet welche bis zum Tag der Durchfuumlhrung von den Teilnehmern anonym
ausgefuumlllt werden mussten Nach dem Besuch des Schuumllerlabors bekamen die Paumldagogen
die Posttest-Evaluationsboumlgen mit auf den Weg Diese Boumlgen wurden ca drei bis fuumlnf
Wochen spaumlter von den jeweiligen Lehrkraumlften ausgefuumlllt zuruumlckgesendet
Im Folgenden werden die Ergebnisse des Pretests und anschlieszligend die Ergebnisse des
Posttests der gesamten Teilnehmer also aller 67 Schuumller insgesamt analysiert Mit Hilfe
des Pretests sollte die Motivation und das Interesse fuumlr das Schuumllerlabor getestet werden
Der Posttest hatte vorwiegend die Aufgabe den Schwierigkeitsgrad des Labors zu
ermitteln und gegebenenfalls Bewertungen uumlber die Arbeitsmaterialien zu geben
Gleichzeitig wurde der Lernzuwachs mit Hilfe eines fachlichen Fragenteils eruiert Da
bei den drei Klassen keine nennenswerten Unterschiede zu verzeichnen sind wird auf
eine detaillierte Darstellung der Resultate als auch auf einen Vergleich der Klassen
untereinander verzichtet
Auswertung der Pretest-Frageboumlgen
Wie bereits erwaumlhnt bezog sich der Prestest auf das Interesse und die Motivation
hinsichtlich des Schuumllerlabors Bevor die Schuumller spezielle Fragen zum Labor gestellt
bekamen wurden sie aufgefordert ihre eigenen Physikleistungen einzuschaumltzen Dabei
bewerteten uumlber 70 ihre Leistungen als eher mittelmaumlszligig Dieses Ergebnis gibt einen
Hinweis inwiefern die Teilnehmer speziell an der Physik interessiert sind Das Resultat
Evaluation
Seite | 156
laumlsst vermuten dass die Mehrheit der Teilnehmer Gefallen an der Physik hat In diesem
Zusammenhang kann das Interesse speziell an dem Themengebiet Energie besser
eingeschaumltzt werden Bei 60 war die Neugier auf das Gebiet bdquoEnergieldquo eher geringer
was darauf schlieszligen laumlsst das allein der Begriff bdquoEnergieldquo bei zahlreichen Schuumllern eher
mit negativen Emotionen in Verbindung gebracht wird (vgl Abb 61) Hier liegt haumlufig
eine negative Konditionierung hinsichtlich des Wortes bdquoEnergieldquo vor Bereits im
Unterricht stellt die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoEnergieldquo eine gewisse Huumlrde dar da eine
exakte Definition des Energiebegriffs relativ schwer zu finden ist Haumlufig wird der Weg
gewaumlhlt bei welchem zunaumlchst der Kraftbegriff eingefuumlhrt wird und anschlieszligend uumlber
den Arbeitsbegriff eine neue physikalische Groumlszlige der Energiebegriff abgeleitet wird
(vgl Kapitel 411) Leider treten bereits beim Erlernen des Fachausdrucks bdquoKraftldquo groszlige
Schwierigkeiten auf Ein noch schwerwiegenderer Sachverhalt ist die Tatsache dass der
Kraftbegriff keinen anschaulichen Zugang zu dem Energiebegriff bietet und dieses
Fachwort zu sehr auf die Mechanik beschraumlnkt ist Kurz die Schuumller koumlnnen haumlufig mit
dem Begriff Energie nichts anfangen
Wird aber ein gewisser Bezug zum Alltag hergestellt und sind die Zusammenhaumlnge
leichter erkennbar so steigt wieder das Interesse bei den Jungen und Maumldchen Dies
bestaumltigt auch die nachfolgende Frage ob die Inhalte des Labors ansprechend sind Nur
27 stimmten dieser Aussage gar nicht oder nur wenig zu (vgl Abb 62) Es zeigt sich
demnach sobald Begriffe wie zum Beispiel bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo bdquoWaumlrmepumpeldquo oder
bdquoEnergie im Haushaltldquo fallen steigt das Interesse und die Motivation der Schuumller deutlich
an Mit diesen Bezeichnungen koumlnnen sich Schuumller besser auseinander setzen da hiermit
ein gewisser Alltagsbezug geschaffen wurde
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Interesse an Themengebiet Energie im Vorfeld
sehr groszlig
groszlig
niedrig
sehr niedrig
Abb 61 Evaluationsfrage - Interesse an Themengebiete Energie im Vorfeld
Evaluation
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Besonders Maumldchen gelten meist als sehr desinteressiert bei naturwissenschaftlichen
Themenkomplexen Es waren bei diesem Schuumllerlabor aber keine signifikanten
Auffaumllligkeiten von Seiten der Maumldchen festzustellen Zwar hielten sich die Maumldchen bei
manchen Experimenten wie zum Beispiel der Induktion im Hintergrund und uumlberlieszligen
das Experimentieren den Jungen dennoch zeigten im Groszligen und Ganzen die Maumldchen
und Jungen ein gleich hohes Maszlig an Interesse und Motivation Maumldchen koumlnnen sich
haumlufig mit einem zu behandelnden Inhalt nicht identifizieren aufgrund der Aktualitaumlt des
Themas konnte aber davon ausgegangen werden dass bei fast jedem Teilnehmer
Aufmerksamkeit geweckt werden wuumlrde
Als naumlchste Frage wurde gestellt ob das Experimentieren Spaszlig macht (vgl Abb 63)
Nur eine Person hat gar keine Freude und nur acht von insgesamt 67 Jugendlichen gaben
an nur wenig Spaszlig am Experimentieren zu haben Im schulischen Unterricht haben
Jungen und Maumldchen weniger direkten Kontakt zu Experimenten da
Demonstrationsversuche durch die Lehrkraft zumeist nur in fragendentwickelnde
Gespraumlche eingebunden sind und Schuumllerexperimente bei manchen Lehrern oft aus
Zeitgruumlnden uumlberhaupt nicht vorkommen Zu wenig wird zum eigenstaumlndigen
bdquoAusprobieren und Tuumlftelnldquo angeregt Da fast jeder Jugendliche gerne experimentiert ist
hiermit eine guumlnstige Gelegenheit geboten die Bedeutung der Naturwissenschaften und
der Technik fuumlr die Gesellschaft den Schuumllern naumlher zu bringen Diese Neigung der
Schuumller durch das bdquoTry-and-Error-Verfahrenldquo sich selbstaumlndig mit
naturwissenschaftlichen Zusammenhaumlngen zu beschaumlftigen sollte dringend ausgenutzt
werden
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Inhalte des Labors sind ansprechend
stimmt gar nicht
stimmt wenig
stimmt ziemlich
stimmt voumlllig
Abb 62 Evaluationsfrage - Inhalte des Labors sind ansprechend
Evaluation
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Interessant ist auch das Ergebnis der Frage ob die Schuumller das Labor besuchen weil
Interesse an den Themengebieten besteht (vgl Abb 64) Das Resultat bestaumltigt den im
Vorfeld existierenden Verdacht dass die Maumldchen und Jungen das Labor nicht aufgrund
der Begeisterung uumlber die Inhalte besuchen Es muss aber bei der Erstellung eines
solchen Labors immer klar sein dass alle Schuumller uumlber jeden moumlglichen Ausfall des
Unterrichts erfreut sind Positiv ist aber dennoch zu vermerken dass knapp 50 der
Jugendlichen aus Wissbegierde an den Inhalten einen Tag an der Universitaumlt Wuumlrzburg
verbringen wollten wie aus nachfolgendem Diagramm ersichtlich wird
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Experimentieren macht Spaszlig
stimmt gar nicht
stimmt wenig
stimmt ziemlich
stimmt voumlllig
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Besuch des Labors weil Interesse an Themengebiet besteht
stimmt gar nicht
stimmt wenig
stimmt ziemlich
stimmt voumlllig
Abb 63 Evaluationsfrage - Experimentieren macht Spaszlig
Abb 64 Evaluationsfrage - Besuch des Labors weil Interesse an Themengebiet
besteht
Evaluation
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Auswertung der Posttest-Frageboumlgen
Im Fragebogen des Posttests hatten die Teilnehmer die Gelegenheit innerhalb von
Textfeldern eine Begruumlndung Kommentare oder konstruktive Kritik zu aumluszligern Einige
Aussagen der Schuumllerinnen und Schuumller werden hier wortgetreu in Anfuumlhrungszeichen
gesetzt wiedergegeben
Zu Beginn der Auswertung steht die Benotung des Schuumllerlabors Die Notenvergabe
wurde auch hier in einer Grafik Abb 65 umgesetzt
Die Durchschnittsnote errechnet sich zu 213 also zu der Note 2 Zu erkennen ist dass
das Labor durchweg sehr positiv bewertet wurde Ganze 66 bewerteten das
Schuumllerlabor mit bdquogutldquo und weitere 12 waumlhlten sogar die Option bdquosehr gutldquo Begruumlndet
haben die Teilnehmer ihre Wahl mit Kommentaren wie zum Beispiel bdquoDie Arbeitsblaumltter
waren oftmals mit bildlicher Verdeutlichung und guten Erklaumlrungenldquo bdquogute Strukturldquo
oder bdquoAlle Themen waren interessant gestaltetldquo Knapp 20 gaben dem Schuumllerlabor
die Note 3 und nur knapp 3 die Note 4 Die beiden Schuumller die die Wahlmoumlglichkeit
Note 4 angekreuzt haben begruumlndeten ihre Notengebung folgendermaszligen bdquoIch haumltte
gerne alle Experimentierstationen durchlaufenldquo und bdquo das Labor war langweilig und die
Versuche uninteressantldquo Dennoch wuumlrden 84 der teilnehmenden Personen das
Schuumllerlabor weiterempfehlen Basierend auf diesen Zahlen kann das Labor als recht
positiv verbucht werden
Auf die Frage ob der einleitende Vortrag einen Uumlberblick geliefert hat antworteten 58
von allen Teilnehmern mit bdquoJaldquo und nur 9 mit bdquoNeinldquo Sie kommentierten ihr Wahl mit
den Aussagen bdquohat den ganzen Stoff gut und knapp wiederholtldquo bdquogute Praumlsentationldquo
und bdquodie wichtigsten Fakten wurden genanntldquo Zahlreich fielen bei den Erlaumluterungen
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Beurteilung des Schuumllerlabors mit Schulnoten
Note 1
Note 2
Note 3
Note 4
Note 5
Note 6
Abb 65 Evaluationsfrage - Beurteilung des Schuumllerlabors mit Schulnoten
Evaluation
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die Attribute bdquoinformativldquo bdquouumlbersichtlichldquo bdquointeressantldquo oder bdquoklar verstaumlndlichldquo
(vgl Abb 66) Auch Aussagen wie bdquoDas wusste ich schon allesldquo wurden erwaumlhnt Wie
erwartet hatten sich viele Schuumller bereits mit dem Thema auseinandergesetzt und
konnten dem einleitenden Vortrag somit nicht viel Neues entnehmen Dennoch war fuumlr
die Einstimmung in das Experimentierlabor die Praumlsentation relevant um einheitliches
Vorwissen bei den Teilnehmern zu schaffen
Wie das weitere Diagramm (Abb 67) ergibt waren die Stationen bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo
und die Diskussionsrunde die am Schluss des Labors stattfand die Favoriten Die
abschlieszligende Diskussionsrunde hat mit ca
von allen Teilnehmern am besten
abgeschnitten Dies bestaumltigt auch die Frage wie die Diskussionsrunde gefallen haumltte
(Abb 68)
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Hat der Vortrag einen Uumlberblick geliefert
Ja
Nein
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Welche Station hat am meisten gefallen
Energieversorgung
Waumlrmedaumlmmung
Energieproblematik
Energie im Haushalt
Waumlrmepumpe
Diskussionsrunde
Abb 66 Evaluationsfrage - Hat der Vortrag einen Uumlberblick geliefert
Abb 67 Evaluationsfrage - Welche Station hat am meisten gefallen
Evaluation
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65 bewerteten die letzte Station mit bdquointeressantldquo und weitere 10 attribuierten die
Diskussionsrunde sogar mit bdquosehr interessantldquo Das die bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo ebenfalls von
ungefaumlhr
aller Schuumller am beliebtesten war mag wohl dadurch zu begruumlnden sein dass
diese Station ausschlieszliglich bekannten Unterrichtsstoff thematisierte
In allen weiteren Stationen wurde fuumlr die teilnehmenden Klassen zum Teil neuer Stoff
behandelt obwohl dieses Labor zur Wiederholung von gewissen Themengebieten dienen
soll und dies den jeweiligen Lehrkraumlften vorab bekannt gegeben worden war Zwar
bestaumltigten die Schuumller bereits im Pretests-Fragenbogen dass Teilgebiete der Energie im
Physikunterricht schon behandelt worden waren dennoch beinhaltet das Schuumllerlabor
Inhalte die fuumlr fast 80 aller Schuumller zum Zeitpunkt der Schuumllerlabordurchfuumlhrung
nahezu unbekannt waren
Da die Lehrkraumlfte leider erst am Tag der Schuumllerlabordurchfuumlhrung daruumlber informierten
dass gewisse Themengebiete wie zum Beispiel die Induktion und der Generator noch
nicht im Unterricht behandelt wurden wird auch ersichtlich weshalb die Schuumller
besonders an der Station bdquoEnergieversorgungldquo wenig Gefallen fanden Dies zeigt die
Abbildung 69
Obwohl die Stationen bdquoEnergieproblematikldquo bdquoEnergie im Haushaltldquo und bdquoWaumlrmepumpeldquo
etwas schlechter abschneiden haben sie dennoch jeweils 10 - 15 der Stimmen
erhalten Das heiszligt dass sie im Vergleich zu den andern Stationen zwar schlechter
bewertete wurden aber dennoch gut bei den Schuumllern angekommen sind In der Station
bdquoEnergieproblematikldquo sollten die Jugendlichen mit Hilfe ausgewaumlhlter Artikel die
einzelnen Energiegewinnungsmoumlglichkeiten erarbeiten Das Gelingen dieser Phase hing
entscheidend von der Auswahl und der Vorbereitung der Texte und des
Anschauungsmaterials ab Waumlhrend dieser Vorbereitungsphase konnte festgestellt
werden dass die Schuumllerinnen und Schuumller mit dem Inhalt der Arbeitsmappen gut klar
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Wie hat die Diskussionsrunde gefallen
sehr interessant
interessant
langweilig
sehr langweilig
Abb 68 Evaluationsfrage - Wie hat die Diskussionsrunde gefallen
Evaluation
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gekommen sind und es traten keine groumlszligeren Probleme auf Die Befuumlrchtung dass sich
die Maumldchen und Jungen beim Lesen langweilen trat nicht auf Eher das Gegenteil war
zu verzeichnen Bereits waumlhrend der Vorbereitungsphase entfachten innerhalb der
Gruppe vielfaumlltig Diskussionen
Mehr als die Haumllfte aller Jungen und Maumldchen waumlhlten die Option bdquoEnergieversorgungldquo
bei der Frage welche Station am wenigsten gefallen habe (Abb 69) Diese Station ist
vom Schwierigkeitsgrad die anspruchsvollste Hier werden Grundlagen aus der
Energieversorgung also Inhalte aus der Elektrizitaumltslehre anhand von Experimenten
besprochen und erprobt
An den Tagen der Schuumllerlabordurchfuumlhrung war das Problem gegeben dass die Schuumller
das an der Station bdquoEnergieversorgungldquo benoumltigte Vorwissen noch nicht verinnerlicht
hatten Aus diesem Grund war es einigen Schuumllern nicht moumlglich den Inhalt dieser
Station zu verstehen Die betreuende Person leitete deshalb die Teilnehmer staumlrker durch
diese Station und besprach die Inhalte ausfuumlhrlicher Deshalb muss hier vermerkt werden
dass die Station bdquoEnergieversorgungldquo eher weniger als Experimentierstation sondern
mehr als bdquoBesprechungsstation der Grundlagenldquo fungierte Aus diesem Grund wird es
klar ersichtlich dass die Schuumller diese Station als am wenigsten ansprechend eingestuft
haben
Mit den naumlchsten Fragen sollte das Arbeitsmaterial bewertet werden Uumlber 89 der
Maumldchen und Jungen gaben an die Arbeitsblaumltter seinen bdquoverstaumlndlichldquo bis bdquosehr
verstaumlndlichldquo (vgl Abb 610) Mehr als
aller Teilnehmer stimmt mit bdquostimmt ziemlichldquo
und bdquostimmt voumllligldquo der Aussage dass die Arbeitsblaumltter ansprechend gestaltet waumlren zu
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Welche Station hat am wenigsten gefallen
Energieversorgung
Waumlrmedaumlmmung
Energieproblematik
Energie im Haushalt
Waumlrmepumpe
Diskussionsrunde
Abb 69 Evaluationsfrage - Welche Station hat am wenigsten gefallen
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Das Zusatzmaterial also die Hilfekarten und die Informationsmaterialien wurden
ebenfalls von uumlber 80 als recht interessant rezensiert (vgl Abb 611) Hier wurde sich
wie folgt geaumluszligert bdquogute Idee mit den Karten wenn man nicht weiter kommt kann man
nachlesenldquo oder bdquoin den Karten waren alle noumltigen Infos drinldquo
Die oftmalige Verwendung der Hilfekarten die erst nach einer erneuten Uumlberarbeitung
des Schuumllerlabors konstruiert wurden zeigt die Notwendigkeit von Hilfestellungen Das
Diagramm 612 gibt die Haumlufigkeit der Anwendung pro Person waumlhrend einer
Schuumllerlabordurchfuumlhrung an Nur 22 nutzten die Hilfestellungen gar nicht waumlhrend
beim Rest der Schuumller die Hilfen mindestens einmal oder oumlfter zum Einsatz kamen
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Uumlbersichtlichkeit der Arbeitsblaumltter
Sehr verstaumlndlich
verstaumlndlich
unverstaumlndlich
Sehr unverstaumlndlich
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Waren die Zusatzmaterialien interessant
Sehr interessant
interessant
langweilig
sehr langweilig
Abb 610 Evaluationsfrage - Uumlbersichtlichkeit der Arbeitsblaumltter
Abb 611 Evaluationsfrage - Waren die Zusatzmaterialien interessant
Evaluation
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Die Informationsmenge an den jeweiligen Stationen die entweder im Handout oder in
Form von Hilfekarten oder Zusatzinformationsmaterialien vorlag wurde von 65 aller
teilnehmenden Personen als bdquogenau richtigldquo aufgefasst
35 hatten eine gegenteilige Meinung Hier wurde kommentiert bdquozu viel
Informationsmenge in zu kurzer Zeitldquo
Fuumlr die Schuumller war das Bearbeiten der zusaumltzlichen Materialien nicht verpflichtend
sondern diese Hilfsmittel sollten nur verwendet werden falls eine weitere Bearbeitung
der Experimentierstationen aufgrund von Wissensluumlcken nicht mehr moumlglich war
Zusatzinformationen wie zum Beispiel die Karte 3 (vgl Kapitel 86) geben lediglich
einen Uumlberblick oder vervollstaumlndigen gewisse Themenkomplexe Besonders motivierte
Schuumller zeigten groszliges Interesse an diesen Unterlagen
Grundsaumltzlich koumlnnen die Handouts die Hilfekarten und die zusaumltzlichen
Informationsmaterialien als recht positiv bewertet werden da sie bei zahlreichen
Schuumllern gut angekommen sind
Die Anleitungen der Experimente wurden ebenso fuumlr gut befunden Dies gaben uumlber
86 aller Schuumller an (vgl Abb 613) Einige Schuumller aumluszligerten bdquoDie Aufgabenstellung
war klar formuliertldquo oder bdquoes war genau gesagt was zu tun istldquo oder bdquogute Bilder der
Versuche die genau erklaumlrt habenldquo
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Wie haumlufig wurden die Hilfekarten benutzt
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Abb 612 Evaluationsfrage - Wie haumlufig wurden die Hilfekarten benutzt
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Auch die Experimente erhielten eine positive Bewertung Das Diagramm 614 zeigt den
Interessensgrad an den Versuchen Fast zu 90 wurden die Experimente mit bdquosehr
interessantldquo und bdquointeressantldquo begutachtet
70 der Schuumller fuumlhlten sich dem Schweregrad der Experimente gut gewachsen (vgl
Abb 615) Knapp 25 aller Teilnehmer fanden die Versuche bdquoschwierigldquo bis bdquosehr
schwierigldquo Die Wahl des Schwierigkeitsgrades ist hier gelungen da die Mehrheit der
Jungen und Maumldchen die Experimente selbststaumlndig recht einfach durchfuumlhren konnten
und die Anforderungen somit keinesfalls zu hoch waren aber dennoch ein gewisser
Anspruch gegeben war Hier koumlnnte eine Gauszligverteilung uumlber die Kurve gelegt werden
Es gibt sowohl Schuumller die den Schweregrad houmlher bewerteten als auch solche die die
Experimente als sehr einfach attribuierten
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Ich habe die Anleitung zum Experimentieren gut verstanden
Stimmt gar nicht
Stimmt wenig
Stimmt ziemlich
Stimmt voumlllig
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Einstufung der Experimente
sehr interessant
interessant
langweilig
sehr langweilig
Abb 613 Evaluationsfrage Ich habe die Anleitung zum Experimentieren gut
verstanden
Abb 614 Evaluationsfrage ndash Einstufung der Experimente
Evaluation
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Einige Schuumller begruumlndeten ihre Wahl folgendermaszligen bdquoaufregende Versucheldquo
bdquoansprechende Experimenteldquo bdquointeressante Versuchsaufbautenldquo oder bdquoich habe manche
Versuche nicht verstandenldquo Auch die Frage ob die Experimente eine Herausforderung
dargestellt haben sollte testen ob der Anspruch an die Teilnehmer zu hoch war Dieses
Ergebnis (vgl CD ndash Posttest gesamt) ist aber nahezu aumlquivalent zu obigem Schluss
Ob die Versuche und vor allem der Parcours innerhalb einer Station das Interesse der
Schuumller und Schuumllerinnen geweckt haben zeigt die Abbildung 616 46 stimmten der
Aussage dass die Durchfuumlhrung der Experimente langweilig war mit bdquostimmt gar nichtldquo
zu Weitere 41 sagten dass diese Aussage nur wenig stimme
Nur 10 aller Teilnehmer empfanden das Durchlaufen der Experimente als langweilig
und zeigten wenig Interesse und Motivation Hier muss erlaumlutert werden dass an einigen
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Schwierigkeitsgrad der Experimente
sehr schwierig
schwierig
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sehr einfach
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Die Durchfuumlhrung der Experimente war langweilig
Stimmt gar nicht
Stimmt wenig
Stimmt ziemlich
Stimmt voumlllig
Abb 615 Evaluationsfrage ndash Schwierigkeitsgrad der Experimente
Abb 616 Evaluationsfrage ndash Die Durchfuumlhrung der Experimente war langweilig
Evaluation
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Stationen wie in etwa an der Experimentierstation bdquoEnergie im Haushaltldquo groumlszligere
Wartezeiten entstehen koumlnnen bis zum Beispiel das Wasser zu sieden beginnt Damit
koumlnnen eventuell die obigen 10 erklaumlrt werden
Die Schuumller sollten anschlieszligend die Aussage bdquoDas Finden der Erklaumlrungen fuumlr die
Experimente war eine Herausforderungldquo beurteilen (vgl Abb 617) Ganze 34 gaben
an dass die Loumlsungssuche sich teilweise recht schwer gestaltete Hier muss auch die
Betreuerbeobachtung erwaumlhnt werden Nahezu innerhalb aller Gruppen gab es Schuumller
die als Auszligenseiter bdquomitgeschwommenldquo sind und sich eher weniger aktiv an der
Loumlsungsfindung beteiligt haben Der Grund koumlnnte sein dass die Gruppen zu groszlig waren
Hier befanden sich immer 3 - 5 Schuumller innerhalb einer Einheit obwohl Gruppen mit
maximal 3 Personen ideal sind Diese Tatsache kann dazu gefuumlhrt haben dass nur ein
geringerer Anteil der Schuumller sich um eine exakte Loumlsung bemuumlht hat
Eine weitere Erklaumlrung fuumlr dieses Ergebnis ist auch im Schwierigkeitsgrad der
Experimente zu finden Da nach obigen Diagramm 615 die Versuche eher als schwer bis
einfach beurteilt wurden ist es moumlglich dass die Suche nach einer Erklaumlrung der
Experimente fuumlr 66 der Teilnehmer nicht wirklich ein Hindernis dargestellt hat und fuumlr
unproblematisch betrachtet wurde
Bei der naumlchsten Frage wurden die Schuumllerinnen und Schuumller gebeten die Betreuung des
Labors zu bewerten Bei dem Ergebnis faumlllt auf dass die Schuumller uumlberwiegend die
Betreuung als hilfreich beurteilten Oft wurde erlaumlutert die Helfer seinen bdquonett und
hilfsbereitldquo und bdquokompetente Ansprechpartnerldquo die auch bdquoselbststaumlndiges Arbeitenldquo
ermoumlglichen und somit nicht zu sehr durch die Stationen fuumlhren Negative Meinungen
uumlber die Betreuer waren ebenfalls gegeben bdquozu wenig Hilfestellung gegebenldquo und
bdquoErklaumlrungen am Ende jeder Station waumlren hilfreicher gewesenldquo
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Das Finden der Erklaumlrung fuumlr die Experimente war eine Herausforderung
Stimmt gar nicht
Stimmt wenig
Stimmt ziemlich
Stimmt voumlllig
Abb 617 Evaluationsfrage ndash Das Finden der Erklaumlrungen fuumlr die Experimente war eine Herausforderung
Evaluation
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Hier ist zu erwaumlhnen dass aus Mangel an Betreuern zwei fachfremde Studentinnen
eingesetzt wurden Die Bewertung faumlllt aber dennoch insgesamt sehr positiv aus wie die
Abbildung 618 darstellt
Uumlber 86 der Schuumller bewerteten die Betreuung des Labors als bdquosehr hilfreichldquo oder
bdquohilfreichldquo Die Option bdquonicht hilfreichldquo wurde nur ein einziges Mal vergeben Genau
dieser Schuumller beurteilte das gesamte Labor als langweilig und fand die Experimente
uninteressant Der Grund fuumlr diese negative Haltung dem gesamten Labors gegenuumlber
bleibt jedoch unklar da unbekannt ist ob der Schuumller Vergleichsmoumlglichkeiten mit
andern Laboren hat oder ob er sich aus anderen Gruumlnden derart negativ geaumluszligert hat
Anschlieszligend wurde der Grad der Zustimmung zu der Aussage bdquoEs war nicht moumlglich
waumlhrend dem Experimentieren eigenen Ideen zu verfolgenldquo erfragt (Abb 619)
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Wie hilfreich war die Betreuung
sehr hilfreich
hilfreich
wenig hilfreich
nicht hilfreich
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Es war nicht moumlglich waumlhrend dem Experimentieren eigene Ideen zu verfolgen
Stimmt gar nicht
Stimmt wenig
Stimmt ziemlich
Stimmt voumlllig
Abb 618 Evaluationsfrage ndash Wie hilfreich war die Betreuung
Abb 619 Evaluationsfrage ndash Es war nicht moumlglich waumlhrend dem Experimentieren eigene Ideen zu
verfolgen
Evaluation
Seite | 169
Aus dem Balkendiagramm 619 geht hervor dass knapp 60 aller Teilnehmer die
Option bdquoStimmt gar nichtldquo oder die Option bdquoStimmt wenigldquo gewaumlhlt haben Sie stimmen
also obiger Aussage nicht zu Mit dieser Frage kann das selbstaumlndige Arbeiten gemessen
werden 40 der Schuumller gaben an dass sie die eigenen Ideen innerhalb einer
Experimentierphase nicht ausprobieren konnten Dies laumlsst sich auf die Tatsache
zuruumlckfuumlhren dass beispielsweise in der Experimentierstation bdquoEnergieversorgungldquo der
Betreuer hauptsaumlchlich durch die Station gefuumlhrt hatte - aus weiter oben erwaumlhnten
Gruumlnden Auch die Versuche wurden vorwiegende mit groszliger Hilfe des Helfers
durchgefuumlhrt Ein selbstaumlndiges Arbeiten oder das Erproben eigener Ideen kam speziell
hier in dieser Station viel zu kurz
Im naumlchsten Fragenkomplex wurde die zeitliche Variable bewertet Zunaumlchst wurden die
Schuumller gefragt ob genuumlgend Zeit fuumlr die Bearbeitungen der Arbeitsblaumltter gegeben war
Das Diagramm 620 zeigt dass 47 der insgesamt 67 Teilnehmer der Meinung waren der
Bearbeitungszeitraum fuumlr die Arbeitsblaumltter sei genau richtig gewesen 2 Personen
dachten sogar es war zu viel Zeit gegeben Ganze 18 Schuumller fuumlllten sich ein wenig unter
Druck gesetzt
Die Dauer der einzelnen Stationen wurde von der Mehrheit als angemessen betrachtet
(vgl Abb 621) 37 waren der Ansicht dass die Experimentierstationen zu lange
gedauert haumltten Sie begruumlndeten ihre Meinung mit bdquoMan muss sich eine volle Stunde
konzentrierenldquo Da zwischen jeder Station eine Pause eingebaut war und die Station
niemals laumlnger als eine Stunde gedauert hatte ist diese Meinung der 37 unter der
Betrachtung der Tatsache dass in der Schule immer eine Doppelstunde von 15 Stunden
ohne Pause unterrichtet wird nur schwer nachzuvollziehen
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War genuumlgend Zeit zur Bearbeitung der Arbeitsblaumltter
zu viel Zeit
genau richtig
viel zu wenig Zeit
Abb 620 Evaluationsfrage ndash War genuumlgend Zeit zur Bearbeitung der Arbeitsblaumltter
Evaluation
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Auf die Frage ob die Dauer des gesamten Schuumllerlabors angemessen war (vgl Abb
622) entschieden sich 31 fuumlr die Antwortmoumlglichkeit bdquostimmt gar nichtldquo und 28 fuumlr
bdquostimmt wenigldquo Der normale Schultag beginnt um 800 Uhr morgens und endet wenn
kein Nachmittagsunterricht ist um 1300 Uhr Das Schuumllerlabor fand von 900 Uhr bis
1400 Uhr statt Die Dauer des Labors entsprach also exakt der gleichen Stundendauer
eines normalen Unterrichtstages Zwar kann diese Haltung der Schuumller nachvollzogen
werden da sie noch einen laumlngeren Heimweg antreten mussten und das Labor erst um
1400 Uhr endete und somit die Maumldchen und Jungen relativ spaumlt nach Haus kamen
dennoch musste vorab beim Besuch einer auszligerschulischen Bildungseinrichtung mit
einem groumlszligeren Zeitaufwand gerechnet werden Grundsaumltzlich kann demnach die Dauer
des Schuumllerlabortages als passend bewertet werden
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Die Dauer der einzelnen Stationen war angemessen
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Die Dauer des gesamten Schuumllerlabors war angemessen
Stimmt gar nicht
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Abb 621 Evaluationsfrage ndash Die Dauer der einzelnen Stationen war angemessen
Abb 622 Evaluationsfrage ndash Die Dauer des gesamten Schuumllerlabors war angemessen
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Mit Hilfe des Pretest-Fragbogens konnte festgestellt werden dass vor dem Besuch des
Experimentierlabors Unklarheiten und offene Fragen bestanden Diese waren
bdquoWie funktioniert ein Atomkraftwerkldquo
bdquoWas wird genau da gemacht und wie oft wird experimentiertldquo
bdquoWerden Beispiele vorgestelltldquo
bdquoWie funktioniert die Geothermieldquo
bdquoWas ist die Induktionldquo
bdquoWie funktioniert der Transformatorldquo
bdquoWelche Vor- und Nachteile haben die verschiedenen Energieversorgungsartenldquo
bdquoWelche Daumlmmung ist am Bestenldquo
Alle Schuumller die Fragen geaumluszligert hatten bewerteten die die Aussage bdquoFragen die ich
vor der Durchfuumlhrung hatte konnten geklaumlrt werdenldquo mit der Option bdquostimmt ziemlichldquo
und bdquostimmt voumllligldquo
Die Arbeitsatmosphaumlre im Schuumllerlabor wurde von mehr als
aller Schuumller als positiv
bewertet Dies zeigt die Abbildung 623 Da das Schuumllerlabor insgesamt mit der Note 2
zensiert wurde (vgl 65) und auch die Arbeitsmaterialien sowie die Betreuer als recht gut
befunden wurden steht dieses Ergebnis im Einklang mit obigen Resultaten
Fuumlr 97 von den 67 Maumldchen und Jungen die das Schuumllerlabor bdquoEnergieversorgung
Energienutzung Energieproblematikldquo besuchten war dies der erste Besuch eines
Experimentierlabors Auf die Frage ob solche Einrichtungen eine gute Ergaumlnzung zum
normalen Unterricht seien stimmten knapp 60 mit bdquostimmt ziemlichldquo und 25 mit
bdquostimmt voumllligldquo zu (vgl Abb 624) Fast
alle Teilnehmer wuumlrden an Schuumllerlaboren
gerne oumlfter teilnehmen (vgl Abb 625)
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Die Arbeitsatmosphaumlre war gut
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Abb 623 Evaluationsfrage ndash Die Arbeitsatmosphaumlre war gut
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Das Schuumllerlabor ist eine gute Ergaumlnzung zum normalen Unterricht
Stimmt gar nicht
Stimmt wenig
Stimmt ziemlich
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Schuumllerlabore sollte man oumlfter besuchen
Stimmt gar nicht
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Stimmt ziemlich
Stimmt voumlllig
Abb 624 Evaluationsfrage ndash Das Schuumllerlabor ist eine gute Ergaumlnzung zum normalen Unterricht
Abb 625 Evaluationsfrage ndash Schuumllerlabore sollte man oumlfter besuchen
Evaluation
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Auswertung der fachlichen Fragen
Mit der letzten Frage die im Pretest als auch im Posttest gestellt wurde sollte der
Lernzuwachs an den jeweiligen Stationen analysiert werden Es ging darum ob die
Schuumller durch das Labor etwas Neues erfahren haben das sie fuumlr ihren Alltag mitnehmen
konnten Hierzu wurden fachliche Fragen gestellt deren Ergebnisse im weiteren Verlauf
eroumlrtert werden Wie aus den Abbildungen 626 und 627 ersichtlich wird ist zwischen
dem Pretest und dem Posttest ein deutlicher Lernzuwachs zu verzeichnen Dies trifft auf
alle sieben Fragen zu deren Inhalte sowohl aus dem einleitenden Vortrag als auch aus
den beiden Pflichtstationen der Station bdquoEnergieversorgungldquo und der Station
bdquoEnergieproblematikldquo mit anschlieszligender Diskussionsrunde entstammen
Der Inhalt der ersten Frage
- Wie viel Watt entsprechen 1 MW (Megawatt) -
wurde den Schuumllern waumlhrend des einleitenden Vortrags praumlsentiert In dieser Praumlsentation
waren die Maumldchen und Jungen auch direkt angesprochen worden ob sie die Antwort
sofort parat haumltten Vor dem Labor lag die Prozentzahl der richtig beantworteten Aufgabe
bei 44 nach dem Labor bei 78
Auch die zweite Frage konnte richtig beantwortet werden wenn im Vortrag gut
aufgepasst wurde
- Welche Einheit besitzt der Wirkungsgrad
Auch diese Frage wurde den Teilnehmern waumlhrend des Vortrags gestellt konnte aber von
keinem Schuumller der drei Klassen sicher genannt werden Der Pretest zeigt dass 90 die
falsche Antwort gaben waumlhrend im Posttest von 88 der Jugendlichen das richtige
angekreuzt wurde
Bei der naumlchsten Frage wurde der Stoff der Station bdquoEnergieproblematikldquo abgefragt
- Was bezeichnet man als Strom aus erneuerbaren Energien Strom aushellip -
Besonders auffaumlllig ist hier dass vor der Teilnahme am Labor die Wasserkraft die
Windkraft und die Sonnenenergie von zahlreichen Schuumllern als erneuerbare Energie
richtig identifiziert worden war Die Geothermie und die Biomasse sind anscheinend
zwar bekannt dennoch wurden sie sehr oft nicht zu den erneuerbaren Energiequellen
gezaumlhlt Im Posttest setzten aber 82 der Schuumller bei dieser Frage uumlberall den Haken
korrekt
Die richtige Aussage zur Frage 4 konnte ebenfalls in der Station bdquoEnergieproblematikldquo
gelernt werden
- Wie viel der Stromerzeugung in Deutschland machten ungefaumlhr erneuerbare
Energien im Jahre 2009 aus ndash
Hier wurde auch vor der Teilnahme am Labor bereits von 76 der Schuumller die richtige
Antwort markiert Nach dem Labor wussten 84 das Richtige anzukreuzen
Die Themen der fuumlnften bis siebten Frage wurden alle in der Station
bdquoEnergieproblematikldquo diskutiert Da alle drei Klassen leider weder die Induktion noch
den Generator und Transformator im Unterricht behandelt hatten war das Ergebnis dieser
Evaluation
Seite | 174
Fragen im Pretest katastrophal Viele Schuumller gaben gar keine Antwort oder kreuzten
wahllos eine Loumlsung an Beide Faumllle wurden als falsch beantwortet gewertet Aus diesem
Grund wird auf das Ergebnis des Pretest nicht eingegangen
Bemerkenswert ist aber dass nach dem Schuumllerlabor die Frage 5
- Wovon haumlngt die Groumlszlige der Induktionsspannung ab ndash
die Frage 6
- Wie laumlsst sich er Energieverlust in einer Fernleitung auf ein wirtschaftliches
vertretbares Maszlig reduzieren ndash
und die Frage 7
- Die Phasen der drei Wechselstroumlme die beim Drehstromgenerator bei jeder
Drehung des Elektromagneten in deren Spulen erzeugt werden sind um jeweils hellip
gegeneinander versetzt ndash
uumlberdurchschnittlich gut beantwortet wurden
Bei der Frage 5 konnten 50 Schuumller bei der Frage 6 konnten 52 Schuumller und bei der
Frage 7 konnten 56 Schuumller von insgesamt 67 Schuumllern die richtige Loumlsung geben
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1 2 3 4 5 6 7falsch beantwortet 30 60 43 16 67 46 51
richtig beantwortet 37 7 24 51 0 21 16
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Pretestfachliche Fragen - Aufgabe 1 - 7
Abb 626 Evaluationsfrage ndash Pretest fachliche Fragen
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Der Posttest-Fragebogen wurde erst nach 3 ndash 5 Wochen von den Schuumllern und
Schuumllerinnen ausgefuumlllt und zuruumlckgesendet Dies laumlsst die Folgerung zu dass selbst nach
mehreren Wochen die Inhalte des Labors bei den Schuumllern noch verankert sind und somit
ein deutlicher Lernzuwachs auf Dauer zu verzeichnen ist
Auf den Punkt ob die Schuumller die Inhalte der Stationen verstanden haumltten (vgl Abb
628) sagte die Mehrheit aus knapp 60 dass diese Aussage ziemlich stimme Weitere
16 Personen 24 gaben zur Antwort dass dies voumlllig stimme Die restlichen 12
Teilnehmer konnten den Inhalt der Stationen nicht erfassen
010203040506070
1 2 3 4 5 6 7falsch beantwortet 15 8 12 11 17 15 11
richtig beantwortet 52 59 55 56 50 52 56
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Posttestfachliche Fragen - Aufgabe 1 - 7
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Den Inhalt der Stationen habe ich verstanden
Stimmt gar nicht
Stimmt wenig
Stimmt ziemlich
Stimmt voumlllig
Abb 627 Evaluationsfrage ndash Posttest fachliche Fragen
Abb 628 Evaluationsfrage ndash Den Inhalt der Stationen habe ich verstanden
Evaluation
Seite | 176
Interessant ist im Zusammenhang mit dem Lernzuwachs auch die Frage ob die Schuumller
auszligerhalb des Labors oder des Unterrichts uumlber Inhalte des Schuumllerlabors nachgedacht
oder mit anderen Personen diskutiert haben Die Abbildung 629 zeigt die Ergebnisse
Fast 40 der Teilnehmer sagten aus sich nach der Teilnahme am Schuumllerlabor
bdquoEnergieversorgung Energienutzung Energieproblematikldquo mit der Materie nochmals
auseinander gesetzt zu haben Das zeigt dass der Besuch nicht mit dem Verlassen der
Universitaumlt abgehakt wurde sondern auch zumindest mittelfristig dass das Labor bei
den Schuumllern Spuren hinterlassen hat 24 waumlhlten die Option bdquostimmt wenigldquo und 37
die Antwortmoumlglichkeit bdquostimmt gar nichtldquo 64 aller Maumldchen und Jungen haben sich
demnach nochmals Gedanken uumlber die Energieproblematik gemacht
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Auszligerhalb des Unterrichts habe ich uumlber Inhalte des Labors nachgedacht
Stimmt gar nicht
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Stimmt voumlllig
Abb 629 Evaluationsfrage ndash Auszligerhalb des Unterrichts habe ich uumlber Inhalte des
Labors nachgedacht
Evaluation
Seite | 177
62 Ergebnisse der Betreuerevaluation
Alle sieben betreuenden Helfer die sowohl im fuumlnften im siebten oder achten Semester
studieren wurden nach der dreitaumlgigen Schuumllerlabordurchfuumlhrung muumlndlich befragt Wie
bereits oben erwaumlhnt wurden aus Mangel an Betreuern zwei fachfremde Studentinnen
eingesetzt welche Zahnmedizin und Hauptschullehramt studieren Da beide uumlber kein
groszliges physikalisches Vorwissen verfuumlgen wurden sie an einfache Stationen verteilt
bzw sie bekamen zum Teil einen weiteren Betreuer zur Hilfe Die beiden fachfremden
Personen hatten im Vorfeld noch keinerlei Erfahrungen mit einem Schuumllerlabor gemacht
Alle anderen Helfer hatten vor der Durchfuumlhrung des Labors mindestens bereits 1 x ein
anderes Schuumllerlabor betreut
Auf die Frage wie hoch das Interesse im Vorfeld an dem Themengebiet Energie war
(vgl Abb 630) kam zu Vorschein dass die Betreuer ein gutes Interesse zeigten
(Durchschnitt 214) Dies mag daran liegen dass die Helfer vorwiegend
Lehramtsstudenten der Physik waren und das Thema bdquoEnergieldquo in saumlmtlichen Sparten des
Physikunterrichts vorkommt Deshalb ist dieses Labor fuumlr Studenten recht attraktiv
Mittel und Wege kennenzulernen Energie in der Schule auf unterschiedlichste Arten
praumlsentieren zu koumlnnen Gerade fuumlr Studenten der Physik ist es unverzichtbar immer auf
dem neusten Stand der Technik zu sein Hier gehoumlrt natuumlrlich auch die
Auseinandersetzung mit den aktuellen Problemen der Energie hinzu die in der Station
bdquoEnergieproblematikldquo thematisiert wird
Im Anschluss sollten die Arbeitsmaterialien bewertet werden Die Arbeitsblaumltter wurden
hinsichtlich ihrer Verstaumlndlichkeit von fuumlnf Betreuern mit der Note 1 und von 2 Helfern
mit der Note 2 beurteilt (vgl Abb 631) Begruumlndet wurden diese Entscheidungen mit
den Kommentaren bdquodie Texte waren recht uumlbersichtlich und leicht zu lesenldquo bdquoklar
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Interesse an dem Themengebiet Energie
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Abb 630 Evaluation der Betreuer ndash Interesse an dem Themengebiet Energie
Evaluation
Seite | 178
strukturiertldquo bdquogute Formulierungenldquo oder bdquoimmer gut durch Bilder erlaumlutertldquo Die
Hilfekarten und die Uumlbersichten wurden mit der Durchschnittsnote 157 zensiert (vgl
Abb 632) Hier wurde bemerkt dass die einfachen Erklaumlrungen und Bemerkungen den
beinhaltenden Sachverhalt recht gut sowie oft naumlher und uumlbersichtlicher erlaumlutern
Analog zum Ergebnis aus der Schuumllerevaluation ist auch aus der Abbildung 633 zu
entnehmen dass die Hilfekarten und Uumlbersichten von der Mehrheit der Schuumller zu Hilfe
genommen wurden Die Betreuer gaben an dass Maumldchen haumlufiger und schneller zu den
Karten griffen und die Jungen eher untereinander diskutierten und schlieszliglich bei
Problemen die Betreuer um Hilfe baten
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Verstaumlndlichkeit der Handouts
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Bewertung der Hilfekarten und Uumlbersichten
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Abb 631 Evaluation der Betreuer ndash Verstaumlndlichkeit der Handouts
Abb 632 Evaluation der Betreuer ndash Bewertung der Hilfekarten und Uumlbersichten
Evaluation
Seite | 179
Bemaumlngelt wurde dass die Handouts der Stationen bdquoEnergieversorgungldquo und
bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo zu viel Text enthielten und somit den zeitlichen Rahmen von einer
Stunde Bearbeitungszeit sprengten Bei allen weiteren Stationen war der zeitliche Faktor
genau richtig bemessen
Auf die Frage ob die Experimente ansprechend und interessant gestaltet waren
antworteten 4 Befragte dass die Versuche sehr interessant waren und 3 weitere Studenten
meinten sie waumlren recht ansprechend gewesen
Der Schwierigkeitsgrad der Versuche sollte ebenfalls mit der Note 1 bis 6 bewertete
werden Die Note 1 entsprach dem Attribut bdquosehr schwerldquo waumlhrend die Note 6 das
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Benutzung der Hilfekarten
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Schwierigkeitsgrad der Experimente
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Abb 633 Evaluation der Betreuer ndash Benutzung der Hilfekarten
Abb 634 Evaluation der Betreuer ndash Schwierigkeitsgrad der Experimente
Evaluation
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Attribut bdquosehr leichtldquo repraumlsentieren sollte Wie aus dem Diagramm 634 zu entnehmen
ist stuften die Studenten analog zu den Schuumllern den Schweregrad ebenfalls auf ein
angemessenes und altersspezifisches Niveau ein Da die Versuche nicht zu schwierig
konstruiert waren wurden die Schuumller nicht uumlberfordert Andererseits war der Inhalt der
Experimente auch nicht zu leicht sodass sich die Teilnehmer gelangweilt haumltten
Den Betreuern fiel auf dass die Arbeit mit Computerprogrammen bei den Schuumllern gut
ankam Auch hier waumlren die einzelnen Schritte der Handhabung der Programme
uumlbersichtlich erlaumlutert gewesen und haben deshalb keine groszlige Schwierigkeit dargestellt
Auch die Diskussionsrunde wurde positiv bewertet (vgl Abb 635) Uumlber 70 der
befragten Studenten vergaben die Note 1 und merken an es waumlre auffaumlllig gewesen dass
bereits alle Schuumller ihre Meinung zur Frage nach einer sicheren Energie gebildet hatten
Jeder Teilnehmer verteidigte seinen Standpunkt Zwar stand die Kernenergie aumluszligerst im
Kreuzfeuer der Diskussion die Befuumlrworter argumentierten aber recht effektiv mit den
Vorteilen der Kernenergie was die ganze Diskussionen sehr anspruchsvoll interessant
und lehrreich gestaltete
Die Laumlnge der einzelnen Stationen von einer Stunde sowie die gesamte Laumlnge des
Schuumllerlabors wurden als angemessen und passend befunden
Benotet wurde das Labor bdquoEnergieversorgung Energienutzung und Energieproblematikldquo
von den Betreuern mit der Durchschnittsnote 143 (vgl Abb 636) Sie kommentierten
diese Entscheidung damit dass sie selbst an der Betreuung viel Spaszlig hatten und bei der
Durchfuumlhrung einen Einblick in die praktische Arbeit mit Kindern und deren
Denkweisen bekamen Auszligerdem wurde bemerkt dass das Labor saumlmtliche Facetten der
Energie in sich birgt und diese in diversen Experimenten sehr gut umgesetzt wurden Die
Lehramtsstudenten hatten den Eindruck dass das Labor bei den Teilnehmern sehr gut
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Bewertung der Diskussionsrunde
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Abb 635 Evaluation der Betreuer ndash Bewertung der Diskussionsrunde
Evaluation
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ankam und die Schuumller viel Freude beim Experimentieren hatten bdquoEs herrschte eine
angenehme Atmosphaumlreldquo Auch waumlhrend der einzelnen Stationen sei bereits ein gewisser
Lernerfolg zu verzeichnen gewesen
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Benotung des Schuumllerlabors
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Abb 635 Evaluation der Betreuer ndash Benotung des Schuumllerlabors
Evaluation
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63 Folgerungen aus der Evaluation
Basierend auf den Ergebnissen der Evaluation wurde das Schuumllerlabor nochmals
uumlberarbeitet
Die Handouts die Hilfekarten und die Uumlbersichten der Experimentierstationen wurden
sowohl von den Schuumllern als auch von den Betreuern als angemessen und altersgerecht
befunden Aumlnderungen wurden nur in den Stationen bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo und
bdquoEnergieversorgungldquo hinsichtlich der Textmenge im Handout vorgenommen Diese
Verbesserungen sind bereits im Kapitel 531 und Kapitel 532 sowie in Kapitel 84
enthalten
Der Aufbau des Vortrages der Inhalt der Informationsmappen der Station
bdquoEnergieproblematikldquo sowie der Ablauf der Diskussionsrunde bedurften infolge der
guten Ergebnisse keiner Uumlberarbeitung
Hinsichtlich der Dauer der einzelnen Stationen als auch bezuumlglich der Dauer des
gesamten Schuumllerlabors ist zu erwaumlhnen dass einige Schuumller das Labor und die Stationen
als zu lange bewerteten Wird jedoch das Gesamtergebnis betrachtet sind die Zeiten als
passend anzusehen Eine Splittung des Labors auf zwei oder mehrere Tage kann nicht als
sinnvoll betrachtet werden da erstens zusaumltzliche Kosten fuumlr die Schuumller entstehen
wuumlrden und zweitens sich die Anzahl der moumlglichen Teilnehmer am Schuumllerlabor
aufgrund der raumlumlichen Auslastung an der Universitaumlt Wuumlrzburg deutlich verringern
wuumlrde
Die Resultate der Befragung belegen dass das Schuumllerlabor einen Uumlberblick uumlber die
Thematik bdquoEnergieldquo liefert Ebenso ist festzustellen dass das Interesse der Schuumller
geweckt wurde Das Ziel die Teilnehmer fuumlr die Energieproblematik zu sensibilisieren
ist demnach erreicht
Aufgrund der guten Benotung sowie des festzustellenden Lernzuwachses kann das
Schuumllerlabor bdquoEnergieversorgung Energienutzung Energieproblematikldquo als gelungen
angesehen werden Besonders erwaumlhnenswert ist in diesem Zusammenhang dass selbst
nach mehreren Wochen die Inhalte des Labors bei den Schuumllern noch verankert sind
Dies zeigt dass sich die Maumldchen und Jungen intensiv mit der Materie bdquoEnergieldquo
beschaumlftigt haben Das Konzept des Schuumllerlabors hat sich demnach bewaumlhrt
Zusammenfassung und Ausblick
Seite | 183
7 Zusammenfassung und Ausblick
Energie ist im Alltag etwas so Selbstverstaumlndliches geworden dass ihre Abwesenheit
unser Alltagsleben zusammenbrechen laumlsst Wir brauchen sie die Energie die Waumlrme
den Strom die Maschinenkraft Leider tritt aber haumlufig in den Hintergrund welche
Hochleistungen an Wissenschaft und Ingenieurstechnik fuumlr unsere Energieversorgung
vonnoumlten sind Wie kann zum Beispiel die Energie des Wassers durch vielfache
Umwandlung als Strom aus der Steckdose flieszligen Die Lebensqualitaumlt des Menschen
kann uumlber die Generationen hinweg nur gewaumlhrleistet werden wenn jede einzelne Person
bewusst mit der Energie umgeht
Die vorliegende Arbeit praumlsentiert einen moumlglichen Ansatz den Schuumllern und
Schuumllerinnen das komplexe und faumlcheruumlbergreifende Thema die Energie zu vermitteln
In dem Schuumllerlabor bdquoEnergieversorgung Energienutzung Energieproblematikldquo wird
daher vorrangig das Ziel verfolgt das groszlige Themengebiet der Energie in der
Erfahrungswelt der Schuumller zu verankern Parallel soll dabei auch fuumlr die Physik Interesse
geweckt werden Desweiteren ist das Labor als Ergaumlnzung zum Unterricht gedacht in
dem die Schuumller unterschiedliche Moumlglichkeiten kennen lernen Energie zu sparen
Daruumlber hinaus bietet diese auszligerschulische Bildungseinrichtung die Chance
physikalische Gegebenheiten zu wiederholen
Fuumlr das eintaumlgige Schuumllerlabor wurden insgesamt vier experimentelle Stationen und eine
Station die die Energieproblematik thematisiert konzipiert In allen Stationen werden
physikalische Grundlagen aus dem Unterricht benoumltigt die ebenfalls zu Beginn des
Labors in einem Vortrag behandelt werden um die Schuumller auf einen moumlglichst
einheitlichen Wissensstand zu bringen Trotz hoher Mitarbeit der Schuumller und
Schuumllerinnen ist dies leider nur teilweise gelungen da die Klassen recht inhomogen waren
und die Schuumller vereinzelt groszlige Wissensluumlcken hatten Brachten die Schuumller nicht
genuumlgend Vorwissen mit fiel es einigen sehr schwer sich an alle Details des Vortrags zu
erinnern da dieser innerhalb kurzer Zeit zahlreiche Themen behandelte Dennoch wurde
der Vortrag wie aus der Evaluation hervorgeht von den Teilnehmern aber auch von den
betreuenden Hilfskraumlften als aufschlussreich und uumlbersichtlich beurteilt
In der experimentellen Phase fuumlhren die Jugendlichen selber Versuche durch und kommen
mit verschiedenen Teilbereichen der Energie wie beispielsweise der Waumlrmedaumlmmung
oder der Waumlrmepumpe in Beruumlhrung Waumlhrend dieser Phase kam es zwischen den
Betreuern und den Maumldchen und Jungen zu vielen fruchtbaren Gespraumlchen uumlber die
Inhalte der Experimente Im Weiteren muss hier angefuumlhrt werden dass die Klassen die
das eintaumlgige Schuumllerlabor besuchten das Themengebiet Induktion noch nicht behandelt
hatten Auch weitere Gebiete in Verbund mit Energie wie in etwa der Transformator und
der Generator waren bei einigen Schuumllern leider nur sehr luumlckenhaft verankert Aufgrund
dieser Tatsache wurde die Experimentierstation bdquoEnergieversorgungldquo nur mit groszliger
Unterstuumltzung des jeweiligen Betreuers gemeistert Fuumlr die Zukunft ist hier anzumerken
dass der Besuch dieses Schuumllerlabors erst sinnvoll ist wenn die oben genannten Inhalte
bereits in der Schule durchgenommen worden sind Die restlichen vier Stationen wurden
jedoch von allen Maumldchen und Jungen ohne groumlszligere Schwierigkeiten absolviert und von
Zusammenfassung und Ausblick
Seite | 184
den Teilnehmern als recht lehrreich und als uumlbersichtlich und ansprechend gestaltet
befunden Einige Schuumller honorierten in der Evaluation auch die Vielzahl an teilweise
recht aufwendigen Versuchen mit Anerkennung und Lob
Die Schuumller erhalten in diesem Schuumllerlabor ebenfalls einen Einblick in die
Energieproblematik und der damit in Verbindung stehenden Frage nach moumlglichen
erneuerbaren Energiealternativen einem komplexen und faumlcheruumlbergreifendem Thema
das im Physikunterricht nur kurz behandelt wird Im Labor bekommen die Jugendlichen
die Gelegenheit mehr Details aus diesem Gebiet zu lernen Hierzu erhaumllt jede Gruppe eine
Arbeitsmappe mit einer abwechslungsreichen Auswahl an Informationsmaterial zu einem
von sechs Kraftwerkstypen (Kernenergie Wind- und Wasserenergie Solarenergie
Biomasse und Geothermie) Die Gruppen erarbeiten den Inhalt der Mappen und stellen
den restlichen Klassenmitgliedern die Ergebnisse kurz vor Basierend auf diesen
Ergebnissen entstand in der nachfolgenden Diskussionsphase stets eine rege Debatte uumlber
bestmoumlglichste Loumlsungsvorschlaumlge fuumlr die zukuumlnftige Energieversorgung Wie die
Evaluation in Kapitel 6 zeigt waren die Schuumller an dieser Thematik recht interessiert
Dies bestaumltigt auch die enorme Beteiligung an den Diskussionsrunden
Die meisten Jugendlichen gaben im Fragebogen an dass das Schuumllerlabor eine tolle
Erfahrung fuumlr sie war Das Labor habe ihnen groszligen Spaszlig gemacht und sie fanden es gut
auch mal selbst experimentieren zu duumlrfen Dazu haben unter andrem auch die
detaillierten Versuchsanleitungen die nach der Schuumllerlabordurchfuumlhrung nochmals
uumlberarbeitet wurden beigetragen sodass die Schuumller einzelne Versuche groumlszligtenteils ohne
die Hilfe der Betreuer durchfuumlhren konnten Dies bestaumltigt auch die Befragung der
betreuenden Personen Nach Gespraumlchen mit den begleitenden Lehrern und der
Auswertung der Frageboumlgen kann das Schuumllerlabor bdquoEnergieversorgung Energienutzung
Energieproblematikldquo als Erfolg verbucht werden Die Schuumller interessierten sich fuumlr die
behandelten Themen und hatten Spaszlig bei der Durchfuumlhrung Besonders erfreulich ist dass
die Teilnehmer im Schuumllerlabor etwas gelernt haben Selbst nach mehreren Wochen
waren Inhalte des Labors bei den Schuumllern noch verankert Das Konzept dieses Labors hat
sich demnach bewaumlhrt
Dennoch ist das Schuumllerlabor insofern zu verbessern dass die Experimentierstation
bdquoEnergieversorgungldquo auf zwei einzelnen Stationen die eventuell aufeinander aufbauen
aufgeteilt werden sollte Da diese Station sehr komplexe Inhalte bespricht waumlre es ratsam
in einem ersten Teil zunaumlchst die benoumltigte Theorie zu wiederholen und anschlieszligend
Experimente die einen Alltagsbezug herstellen durchzufuumlhren
Das Schuumllerlabor wurde fuumlr die 10 Jahrgangsstufe der Realschule und fuumlr die 9 und 10
Jahrgangsstufe des Gymnasiums konzipiert Dennoch koumlnnen Teile dieses Labors auch
mit Schuumllern der 8 Jahrgangsstufe beider Schularten durchgefuumlhrt werden Dazu muumlsste
das Schuumllerlabor nur etwas umstrukturiert werden was im Rahmen dieser Ausarbeitung
nicht moumlglich war aber fuumlr folgende Schuumllerlabordurchfuumlhrungen dennoch
uumlberlegenswert waumlre
Das Labor laumlsst sich auch auf die Schule uumlbertragen Hierbei kann entweder das gesamte
Konzept uumlbernommen werden oder es werden nur Teile an entsprechender Stelle im
Unterricht eingesetzt Die Energiefrage kann beispielsweise nach dem Vorbild des
Schuumllerlabors an Projekttagen durchgefuumlhrt werden
Anhang
Seite | 185
8 Anhang
81 Checkliste zur Organisation des Schuumllerlabors
Die Planungsphase
diams Welche Themengebiete koumlnnen unter dem Titel des Schuumllerlabors behandelt werden
diams Fuumlr welche Schulart soll das Schuumllerlabor sein
diams Fuumlr welche Jahrgangsstufe soll das Labor sein
diams Welche Versuche sind denkbar
diams Welche Stationen soll es geben
diams Aus wie vielen Stationen soll das Schuumllerlabor bestehen
diams Sollen die Stationen untereinander thematisch verbunden sein und aufeinander
aufbauen
diams Sollen Stationen doppelt angeboten werden
diams Soll jeder Schuumller jede Station besuchen
diams Welche Software soll verwendet werden
diams Wie soll ein Tag im Schuumllerlabor ablaufen und wie lange soll der Tag dauern
Die Vorbereitungsphase
diams Die endguumlltigen Experimente muumlssen ausgewaumlhlt werden
a) Decken die Experimente das gewuumlnschte Stoffgebiet ab
b) Welche Materialien werden benoumltigt
c) Muss etwas bestellt werden bzw gebaut werden
d) Wie lange dauern die Versuche und koumlnnen sie zeitgleich oder hintereinander
durchgefuumlhrt werden
e) Aufbau und Durchfuumlhrung der Experimente mit anschlieszligendem Dokumentieren der
Aufbauart und der Reihenfolge
d) Fotos von den Versuchen machen
e) Welche Hilfestellungen sollen durch Hilfekarten gegeben werden
diams Entwerfen des Schuumllerhandouts
a) Soll eine reine Experimentierstation entstehen oder sollen auch Diskussionen
stattfinden
b) Wie wird ein Schuumllerhandout aufgebaut
c) Wie formuliert man Arbeitsanweisungen und Erklaumlrungen
d) Welche Icons werden verwendet
diams Entwerfen des Betreuerhandouts
diams Den Einfuumlhrungsvortrag vorbereiten
diams Informationsmaterial fuumlr die Station bdquoEnergieproblematikldquo zum Beispiel bei Siemens
anfordern
diams Arbeitsmappen (Texte Folien) fuumlr die Station bdquoEnergieproblematikldquo erstellen
a) Welche Informationen sollen die Schuumller aus dem Material entnehmen
b) Wie soll das Tafelbild das letztendlich eine Hilfestellung fuumlr die Diskussionsrunde
darstellen soll aussehen
Anhang
Seite | 186
diams Testlauf des Schuumllerlabors mit Studenten oder Schuumllern
diams Uumlberarbeitung nach dem Testlauf
diams Termin der Durchfuumlhrung vereinbaren
diams Zeitplan fuumlr den Schuumllerlaborbesuch aufstellen
diams Raumlume organisieren und reservieren
diams Flyer erstellen und an die Schulen und Lehrkraumlfte schicken
diams Termine mit den besuchenden Klassenleitern schriftlich bestaumltigen und den Lehrkraumlften
naumlhere Informationen (Termine Zeitplan Ablauf benoumltigtes Material Kosten hellip) mit-
teilen
diams Die Pretest-Evaluationsboumlgen fuumlr die Schuumller an die Lehrkraumlfte verschicken
diams Betreuer organisieren
diams Schuumllerhandouts ausdrucken und heften
diams Das benoumltige Material (aus der Physiksammlung) fuumlr die Schuumllerlabordurchfuumlhrung
fruumlhzeitig reservieren
diams Das Schuumllerlabor aufbauen
diams Benoumltigte Software auf Laptops spielen
diams Zusatzmaterial anfertigen (Stationsschilder Wegweiser Zeittafeln hellip) und
kennzeichnen der Raumlume und Gaumlnge
diams Briefing der Betreuer
Die Durchfuumlhrungsphase
diams Vortragen des einleitenden Vortrages und anschlieszligender Instruktion der Schuumller und
Lehrkraumlfte
diams Vorstellen der Betreuer
diams Dokumentation von eventuellen Verbesserungsmoumlglichkeiten der Experimentier-
stationen
diams Fotos von den Schuumllern beim Experimentieren schieszligen
diams Leiten der Diskussionsrunde
diams Vergabe der Posttest-Evaluationsboumlgen
diams Geld von den Lehrkraumlften fuumlr das Schuumllerlabor einsammeln
diams Verabschiedung
Die Nachbearbeitungsphase
diams Abbau des Schuumllerlabors
diams Betreuerevaluation durchfuumlhren und auswerten
diams Pretest- und Posttest-Evaluationsboumlgen auswerten
diams Uumlberarbeitung des Schuumllerlabors
Anhang
Seite | 187
82 Werbeflyer
Experimentierlabor am Lehrstuhl fuumlr Physik und ihre Didaktik der
Universitaumlt Wuumlrzburg
Inhalte der Stationen Die Schuumllerinnen erlernen physikalische
Grundlagen zu
Energieversorgung
Energieproblematik
Waumlrmepumpe
Waumlrmedaumlmmung
Energie im Haushalt
Die Schuumllerinnen experimentieren selbstaumlndig in Kleingruppen an den
einzelnen Stationen Jede Gruppe besteht dabei aus 4 bis 6 Schuumller(inne)n
und wird von einem studentischen Betreuer unterstuumltzt Die
Versuchsdauer je Station umfasst ca 50 Minuten
Nach einer Mittagspause treffen sich alle Schuumller zu einer gemeinsamen
Diskussionsrunde in welcher die Ergebnisse der Station
Energieproblematik vorgestellt werden und die aktuelle Situation der
Energiefrage thematisiert wird
Dauer
ein Vormittag ca 5 Stunden (von 830 bis 1400 Uhr) Bitte beachten Sie diesen bdquofestenldquo Zeitrahmen
Termin
Dienstag den 12102010
Mittwoch den 13102010 Donnerstag den 14102010
Schuumllerlabor
bdquoEnergieproblematik Energieversorgung
Energienutzungldquo
Abb 81 [INTQ58]
Anhang
Seite | 188
Ort
Lehrstuhl fuumlr Physik und ihre Didaktik Physikalisches Institut
Universitaumlt Wuumlrzburg
Am Hubland 97074 Wuumlrzburg
Fuumlr welche Schulart fuumlr welche Jahrgangsstufe geeignet
Realschule 10 Jahrgangsstufe Gymnasium 9 und 10 Jahrgangsstufe
Vorkenntnisse
Realschule Elektrizitaumltslehre (Lehrplan Jahrgangsstufe 10) Gymnasium Elektrizitaumltslehre (Lehrplan Jahrgangsstufe 9)
Kosten pro Schuumllerin
3 EUR
Weitere Informationen und Anmeldung
Am Lehrstuhl Physik und ihre Didaktik ist Frau Monika Pregler der
Ansprechpartner fuumlr das Schuumllerlabor bdquoEnergieproblematik
Energieversorgung Energienutzungldquo
monikapreglerphysikuni-wuerzburgde
Sonstiges Da im Rahmen der Zulassungsarbeit von Frau Pregler eine Evaluation
durchgefuumlhrt wird beinhaltet dieses Schuumllerlabor fuumlr die Schuumller ebenfalls das Ausfuumlllen eines Fragebogens vor der Durchfuumlhrung (ca 5 min) und
einen weiteren Bogen nach dem Schuumllerlabor (ca 10 min)
Wir bitten Sie um eine zuumlgige Anmeldung
Anhang
Seite | 189
83 Folien des einfuumlhrenden Power-Point-Vortrages
EnergieversorgungEnergienutzung
Energieproblematik
erstellt von Pregler Monika
Tagesablauf1030 Uhr bis 1100 Uhr Vortrag
Energie im Haushalt
Waumlrmedaumlmmung
Waumlrmepumpe
1100 Uhr bis 1200 Uhr 1 Station
EnergieversorgungEnergieproblematik
1300 Uhr bis 1345 Uhr Mittagspause
1445 Uhr bis 1500 Uhr Argumente sammeln und wiederholen in der Gruppe
Evaluation
1200 Uhr bis 1300 Uhr 2 Station
1345 Uhr bis 1445 Uhr 3 Station
1500 Uhr bis 1545 Uhr Diskussionsrunde
Folie 1
Folie 2
Folie 3
Abb 82 Im Alltag nutzen
wir taumlglich Energie [INTQ59]
Im Alltag nutzen wir taumlglich Energie Denn Energie hellip
hellip betreibt einen Radio
hellip waumlrmt uns
hellip erhaumllt uns am Leben
hellip haumllt uns fit
hellip kuumlhlt unsere Lebensmittel
hellip ist notwendig beim Kochen und Backen
hellip bewegt Motorraumlder und Autos
Anhang
Seite | 190
Was ist Energie und was ist Leistung
Energie bull Energie ist ein physikalische Groumlszlige
bull Energie ist die Faumlhigkeit Arbeit zu
verrichten
bull Einheit fuumlr Energie ist Joule J+
Leistung bull Die Leistung ist eine physikalische
Groumlszlige
bull Die Leistung P ist der Quotient aus
verrichteter Arbeit ΔW oder dafuumlr
aufgewendeter Energie ΔE und der
dazu benoumltigten Zeit Δt
P = ____ = _____
bull Die Leistung besitzt die Einheit Watt W+
W = _____ = ____ = ________
∆E∆W∆t ∆t
Nm
s
J
s
kg middot m2
s3
2
21 1 1
kg mJ N m
s
1 Ws = 1 J
1 Wh = 1 W bull 1 h = 1 W bull 3600 s = 3600 J
1 kWh = 1000 Wh = 1000 W bull 1 h =
1000 W bull 3600 s = 3 600 000 J
Eine Kilowattstunde was ist das
Eine Kilowattstunde Strom reicht fuumlr
bull das Buumlgeln von 15 Hemden
bull das Kochen von 70 Tassen Kaffee
bull fuumlnf Stunden fernsehen
bull das Kochen eines Mittagessens fuumlr vier Personen
bull das Waschen einer Maschine Waumlsche
bull 90 Stunden Licht einer Stromsparlampe (11 Watt)
bull bzw 17 Stunden Licht einer Gluumlhlampe (60 Watt)
bull 40 Stunden Musik des dem CD-Players
Was bekomme ist fuumlr eine Kilowattstunde Strom
Folie 5
Folie 4
Folie 6
Abb 83 Was bekommt
man fuumlr eine Kilowattstunde
Strom [INTQ60]
Anhang
Seite | 191
mechanische Energieformen
Man braucht Bewegungsenergie um Verformungs-arbeit verrichten zu koumlnnen
Man braucht Spannenergie um Beschleunigungsarbeit bzw Hubarbeit verrichten zu koumlnnen
Nur wer zuvor den Bogen spannt kann den Pfeil beschleunigen und hoch schieszligen
Man braucht Lageenergie um Beschleunigungs-arbeit verrichten zu koumlnnen
Koumlrper die aufgrund ihrer Rotation Arbeit verrichten koumlnnen besitzen Rotationsenergie
Strahlungsenergie
elektrische Energie
Kernenergie
chemische Energie
thermische Energie
weitere Energieformen
magnetischeEnergie
Folie 9
Folie 8
Folie 7
Abb 84 mechanische
Energieformen [INTQ61]
Abb 85 Energieformen
[INTQ62]
Abb 86 Entwicklung der
Bevoumllkerung und des
Weltenergieverbrauchs
[INTQ63]
Anhang
Seite | 192
Woher stammt die Energie
Primaumlrenergie Umwandlung Transport und Speicherung
Sekundaumlrenergie Nutzer der Endenergie
Fossile Energiequellen
ErdgasKraftstoffeFernwaumlrmeStromKohlebrikettsBiogaseHolzpellets
VerkehrHaushaltIndustrieGewerbe
OumllKohleGas
RaffinerienPipelines und TankerGas- und Kohlekraftwerke
Nukleare Energiequellen
Uran KernspaltungKernkraftwerke
Regenerative Energiequellen
SonneWindWasserBiomasseGeothermie
SolarenergieWindkraftanlagenWasserkraftwerkeGeo-KraftwerkeBrennstoffzellen
Elektrizitaumlt Treibstoffe Brennstoffe Nahrungsmittel sind Energietraumlger
Es gibt keine bdquoreine Energieldquo
Energie ohne Traumlger gibt es nicht
Folie 11
Folie 10
Folie 12
Abb 87 Energiehunger
der Welt [INTQ64]
Anhang
Seite | 193
Das Gesetz von der Erhaltung der EnergieBei allen Prozessen der Umwandlung und Uumlbertragung von Energie gilt der Energieerhaltungsatz
A
B
Position des SkatersA
potentielle kinetischeEnergie EnergieEpot Ekin
potentielle kinetischeEnergie EnergieEpot Ekin
Position des SkatersBEpot + Ekin
= = + +
=
=
In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energie stets konstantDie Gesamtenergie bleibt erhalten
Energie kann bei einem physikalischen Vorgang weder erzeugt noch vernichtet werden Sondern lediglich von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden
Das Gesetz von der Erhaltung der EnergieBei allen Prozessen der Umwandlung und Uumlbertragung von Energie gilt der Energieerhaltungsatz
A
B
Position des SkatersA
potentielle kinetischeEnergie EnergieEpot Ekin
potentielle kinetischeEnergie EnergieEpot Ekin
Position des SkatersBEpot + Ekin
= = + +
=
=
In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energie stets konstantDie Gesamtenergie bleibt erhalten
Energie kann bei einem physikalischen Vorgang weder erzeugt noch vernichtet werden Sondern lediglich von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden
Wirkungsgrad
Formelzeichen η
Einheit 1
Berechnet werden kann der Wirkungsgrad mit der Formel
Der Wirkungsgrad eines Geraumltesgibt an welcher Anteil derzugefuumlhrten Energie innutzbringende Energie umge-wandelt wird
ca 15
Folie 13
Folie 14
Folie 15
C A
Abb88 Anteile der
Energietraumlger am
Primaumlrenergieverbrauch in
Deutschland im Jahr 2010
[INTQ25]
Anhang
Seite | 194
Folgen der Umweltverschmutzung
19871987 11987 1997119871997 2007
Folie 16
Folie 18
Folie 17
Abb 89 Der
Treibhauseffekt [INTQ27]
Abb 810 Folgen der
Umweltverschmutzung
[SCH07]
Abb 811 Karikatur zur
Energieproblematik I
[WEB08]
Anhang
Seite | 195
Deutsche Kohlekraftwerke sind Dreckschleudern
Eine Studie im Auftrag der Umweltstiftung WWF hat deutschen Kohlekraftwerken eine glatte Sechs erteilt
Zehn der dreiszligig dreckigsten Kohlekraftwerke der EU stehen in Deutschland
Allein vier davon gehoumlren dem Energiekonzern RWE
Klimawandel - CO2-Ausstoss
Verteilung nach KontinentenObwohl in den Industrielaumlndern nur 23 Prozent der Menschen leben erzeugen sie den uumlberwiegenden Teil der Co2-Emissionen
Der weltweite Co2-Ausstoss nimmt immer mehr zu Schwellenlaumlnder wie China zeigen den staumlrksten Zuwachs
Folie 21
Folie 20
Folie 19
Abb 812 Deutsche
Kohlekraftwerke sind
Dreckschleudern
[INTQ29]
Abb 813 Klimawandel
und CO2-Ausstoss
[WEB08]
Wie lange reichen die Erdoumllreserven
Weltweites Oumllvorkommen Stand 2010
Wie lange reichen die Erdoumllreserven
Abb 814 Wie lange
reichen die
Erdoumllreserven
[BUN09]
Anhang
Seite | 196
Energieversorgung
Energieversorgung
Energieversorgung
Energieproblematik
Energieproblematik Energieproblematik
Energie im Haushalt
Waumlrmedaumlmmung Waumlrmepumpe
Die einzelnen Stationen des SchuumllerlaborsStation bdquoEnergieversorgungldquo (E070)Station bdquoEnergieproblematikldquo (SE 6) Station bdquoEnergie im Haushaltldquo(E070)
Station bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo (A012)Station bdquoWaumlrmepumpeldquo (A021)
Folie 23
Folie 22
Abb 815 Karikatur zur
Energieproblematik II
[WEB08]
Anhang
Seite | 197
84 Schuumllerhandout
Lehr-Lern-Labor
Energieversorgung
Energienutzung
Energieproblematik
ausgearbeitet von
Pregler Monika
betreut von
Prof Dr Thomas Trefzger
Oktober 2010
Name __________________________________________
Anhang
Seite | 198
Die einzelnen Stationen des Schuumllerlabors
Station bdquoEnergieversorgungldquo
Station bdquoEnergieproblematikldquo
Station bdquoEnergie im Haushaltldquo
Station bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo
Station bdquoWaumlrmepumpeldquo
Wir wuumlnschen viel Erfolg und gute
Erkenntnisse bei der Durchfuumlhrung
Energieversorgung
Energieversorgung
Energieversorgung
Energieproblematik
Energieproblematik Energieproblematik
Energie im Haushalt
Waumlrmedaumlmmung Waumlrmepumpe
Anhang
Seite | 199
Zeitlicher Rahmen
Du solltest im Laufe des Tages drei Stationen besuchen Die Station bdquoEnergieversorgungldquo und die
Station bdquoEnergieproblematikldquo sind dabei Pflichtstationen
In welche dritte Station Du kommst entweder Energie im Haushalt Waumlrmedaumlmmung oder
Waumlrmepumpe wird ausgelost
Im Anschluss an die Mittagspause treffen wir uns alle gemeinsam im Seminarraum 6 zur Diskussionsrunde
Pro Station benoumltigt man etwa 50 min bis zu 1 h
Falls Du zwischen den Stationen Zeit hast kannst Du im Raum (E071) vorbeischauen Dort findest Du
zusaumltzliche Materialien zum Thema Energie (z B ein Trimm-Dich-Rad)
Bei Fragen wende Dich bitte einfach an einen Betreuerin
Anhang
Seite | 200
Lageplan
Station bdquoEnergieversorgungldquo (E070)
Station bdquoWaumlrmepumpeldquo (A012)
Station bdquoEnergieproblematikldquo (SE 6)
Station bdquoWaumlrmedaumlmmungldquo (A021)
Station bdquoEnergie im Haushaltldquo (E070)
WC
WC
WC
WC
WC
Auto-maten
1
2
4
1
3 2
3
4
1
Anhang
Seite | 201
Station
Energieversorgung
Der durchschnittliche Stromverbrauch einer Person pro Jahr liegt in
den meisten Laumlndern zwischen 4000 und 7000 kWh
Mit 24000 kWh pro Kopf weist Norwegen weltweit den houmlchsten
Stromverbrauch noch weit vor den USA mit 12000 kWh pro Kopf auf
Deutschland nimmt mit 5800 kWh eine mittlere Stellung ein
Arme Laumlnder wie Bangladesch kommen jedoch gerade mal auf knapp
100 kWh
Anhang
Seite | 202
Im langjaumlhrigen Mittel steigt der Verbrauch an elektrischer Energie in
Deutschland jaumlhrlich um 25 ndash 3
Wie wird die benoumltigte elektrische Energie
erzeugt
Bei allen Vorgaumlngen der Umwandlung und Uumlbertragung von Energie in der
Natur wie in der Technik gilt das
Gesetz von der Erhaltung der Energie
In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller
Energien stets konstant
Welche Folgerung laumlsst sich aus diesem Satz ziehen
_____________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
Im weiteren Verlauf soll die grundsaumltzliche Funktionsweise eines
Waumlrmekraftwerks beschrieben werden
Anhang
Seite | 203
Vervollstaumlndige die Graphik indem du die Platzhalter
fuumlllst Falls du Hilfe benoumltigst kannst du den Betreuer um
eine Hilfekarte bitten
Wie funktioniert ein Generator
Grundlage jeglicher elektrischen Maschine egal ob Generator oder Motor ist die
elektromagnetische Induktion
Kuumlhlturm
Versuch 5
Anhang
Seite | 204
Versuch 1 Induktion
Benoumltigtes Material
Oszilloskop Messverstaumlrker Stativ
Stabmagnet Leiterschleife
Krokoklemmen Verbindungsstecker
Durchfuumlhrung
Bewege den am Tisch liegenden Magneten durch die Leiterschleife
Was versteht man unter Induktion
____________________________________________________
____________________________________________________
____________________________________________________________
Wovon haumlngt der Ausschlag am Oszillographen ab Wie kannst du einen moumlglichst
groszligen Ausschlag am Oszillographen erreichen
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Skizziere den Verlauf des Graphen
Anhang
Seite | 205
Die in den meisten deutschen Kraftwerken verwendeten Generatoren sind
fast ausschlieszliglich Drehstromgeneratoren Die Kraftwerksgeneratoren der
oumlffentlichen Stromversorgung sind so gebaut dass sie nicht nur einen einzigen
sondern drei Wechselstroumlme zugleich erzeugen Beim Drehstromgenerator
rotiert ein Elektromagnet zwischen drei jeweils um 120 deg verschobenen Spulen
Versuch 2 Drehstromgenerator
Benoumltigtes Material
3 Spulen Laptop Powerlink Spannungssensoren Magnet mit Drehvorrichtung
Durchfuumlhrung
a) Der Laptop ist bereits hochgefahren und das entsprechende Programm
gestartet
b) Verbinde die 3 Spulen mit je einem Spannungssensor
c) Wenn du alle Vorbereitungen getroffen hast kann die eigentliche
Messung beginnen Bringe den Magneten gleichmaumlszligig zum drehen Klicke im
Programm bdquoDataStudioldquo auf bdquoSTARTldquo
d) Beobachte den Verlauf der Graphen auf dem Bildschirm
Wie verlaufen die drei Graphen auf dem Bildschirm zueinander
Zeichne sie in das nachfolgende Diagramm mit jeweils einer an-
deren Farbe und beschrifte die Achsen Kennzeichne die einzelnen
Graphen mit L1 L2 und L3
T2
Anhang
Seite | 206
Was laumlsst sich uumlber die Phasen der drei Wechselstroumlme sagen
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Betrachte die zeitlichen Verlaumlufe der drei Straumlnge bei 90deg Was faumlllt dir auf
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Von den sechs Anschluumlssen der drei Spulen wird je ein Anschluss zu einem
gemeinsamen Leiter zusammengefaszligt Somit gehen vom Drehstromgenerator vier
Leitungen aus Deshalb sind bei Freileitungen nicht nur drei sondern stets vier
Draumlhte zu sehen Da die Summe der drei Stroumlme immer nahezu null ist flieszligt bei
gleicher Belastung der drei Straumlnge in dem gemeinsamen Ruumlckleiter kein Strom
Dadurch koumlnnen die Verluste beim Energietransport halbiert werden
Warum verwendet man bei Uumlberlandleitungen hohe
Spannungen von 110 kV bis 380 kV wenn die meisten Geraumlte
im Haushalt Buumlro oder Industrie nur Spannungen von 230 V
bzw 400 V benoumltigen
Elektrische Energie wird in Kraftwerken erzeugt deren Standort von
ihrem Typ abhaumlngt Kohlekraftwerke z B werden in der Umgebung der Kohle-
abbaugebiete und wegen ihres groszligen Bedarfs an Kuumlhlwasser in der Naumlhe von
Fluumlssen gebaut Die erzeugte elektrische Energie muss meist uumlber groszlige
Entfernungen zu den Endverbrauchern transportiert werden
Anhang
Seite | 207
Wie funktioniert ein Transformator
Skizziere und erklaumlre kurz wie ein Transformator aufgebaut
ist und wie er wirkt
Wenn du Hilfe brauchst kannst du den Betreuer um eine
Hilfekarten bitten
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Anhang
Seite | 208
Versuch 3
Benoumltigtes Material
Spannungsquelle (6V~) Gluumlhlampe (6V 5A) 2 Messinstrumente
Verbindungsschnuumlre Draht aus Konstantan ( 110 m = 4 mm) Halterungen fuumlr
den Draht
Sobald die Spannungsquelle eingeschaltet ist darf
kein Material mehr beruumlhrt werden
Durchfuumlhrung
Pruumlfe ob der Versuch richtig aufgebaut ist Ausgehend von der
Spannungsquelle 6V~ soll das Drehspulmessinstrument mit
Messbereich 3A ein Draht das Vielfachmessinstrument die
Gluumlhlampe und der zweite Draht in Reihe geschalten werden
Zeichne den Schaltplan dieses Versuches und beschrifte ihn soweit wie moumlglich
Welche Beobachtung machst du
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Anhang
Seite | 209
Ist U die Uumlbertragungsspannung und I die Stromstaumlrke in der
Fernleitung so betraumlgt die uumlbertragene Leistung P = U middot I
Da natuumlrlich jede Fernleitung einen elektrischen Widerstand R besitzt tritt in
der Leitung durch Erwaumlrmung ein nicht vermeidbarer Leitungsverlust PV = R middot I2
auf
Versuch 4
Durchfuumlhrung
Ergaumlnze den Aufbau des Versuchs 4 Die Anordnung des Versuchs ist im
Schaltbild unten dargestellt
Sobald die Spannungsquelle eingeschaltet ist darf
kein Material mehr beruumlhrt werden
Bevor du die Spannungsquelle anschaltest lass den Betreuer den Aufbau
kontrollieren
~6 V 6V
5A
RD = 04 Ω
RD = 04 Ω
A A
RL = 12 Ω
Anhang
Seite | 210
Was kannst du nun feststellen
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Uumlberlege von welcher Groumlszlige wird die Verlustleistung am
meisten beeinflusst Warum
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Was kann man unternehmen damit man diese Groumlszlige moumlglichst gering halten kann
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Ergebnis
Nur durch hohe Uumlbertragungsspannungen lassen sich die Energieverlust in einer
Fernleitung auf ein wirtschaftlich vertretbares Maszlig reduzieren
Anhang
Seite | 211
Zusatzaufgabe
Wenn du noch Zeit hast kannst du folgende Aufgabe bearbeiten
Da sich elektrische Energie in groumlszligeren Mengen nicht speichern laumlsst muss sie
immer genau dann erzeugt werden wenn sie benoumltigt wird Ein weiterer wichtiger
Faktor fuumlr die Stromversorgung ist auch die Stabilitaumlt von Frequenz f [Hz]
(~50 Hz) und Stromspannung U [V] (~230 V)
Sommer Winter
Grundlast Heizung vermehrter Verkehr
Licht
Spitzenlast Klimaanlagen Vermehrter Computer- und TV -
Gebrauch
erhoumlhter Lichtverbrauch
Diskutiert welche Kraftwerkstypen die Grundlast und
welche welche Kraftwerkstypen die Spitzenlast abdecken koumlnnen
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Grundlast Mittellast und Spitzenlast ndash Der Leistungsbedarf Deutschlands an einem Sommer- und an einem
Wintertag
Anhang
Seite | 212
Station
Waumlrmedaumlmmung
In den Haushalten wird der groumlszligte Teil der Energie fuumlr die Raumheizung
benoumltigt Ein durchschnittliches Haus hat einen Waumlrmebedarf von 200 ndash 350
Kilowattstunden pro m2 und Jahr
Ein Niedrigenergiehaus erreicht einen Waumlrmebedarf von ˂ 70 Kilowattstunden
pro m2 und Jahr
Beim Passivhaus liegt der Heizwaumlrmebedarf sogar maximal nur bei 15 kWh
m2a
Anhang
Seite | 213
Was ist eigentlich ein Passivhaus
Stelle dir vor du hast dir eine Tasse Tee gekocht Wenn du den Tee in der Tasse
laumlnger stehen laumlsst kuumlhlt er sich relativ schnell ab Fuumlllst du den Tee aber in eine
Thermoskanne bleibt er laumlnger heiszlig
Die Thermoskanne ist isoliert Deshalb wird die Abgabe der Waumlrmeenergie vom
Inneren der Kanne an die Umwelt verlangsamt Hast du aber keine
Thermoskanne musst du dem Getraumlnk immer wieder Waumlrmeenergie hinzufuumlgen
damit es heiszlig bleibt
Das Passivhaus nutzt das gleiche Prinzip wie die Thermoskanne Es wird
angestrebt moumlglichst wenig Waumlrmeenergie an die Umwelt abzugeben sodass
fast keine Heizung mehr benoumltigt wird
Damit man in einem Haus komfortabel wohnen kann wird aber u a
Energie zum Beheizen der Raumlume und fuumlr die Erwaumlrmung von Wasser benoumltigt
Teilt man diese Energie die zur Heizung eines Gebaumludes pro Jahr noumltig ist
durch die Nutzflaumlche A [m2] des Gebaumludes erhaumllt man den Heizwaumlrmebedarf PH
[kWh(m2a)] Mit diesem Wert kann man die Haumluser vergleichen
____________________________
Heizwaumlrmebedarf___ [_________]= _______________________________
_____________ [_____] middot Zeit t[a]
Warum bleibt aber nun die Waumlrme in einem Haus
nicht erhalten
Die Abgabe von Waumlrmeenergie an die Umwelt entsteht durch
Energietransport Dabei kuumlhlt das Haus oder wie oben die Tasse Tee aus
Hierbei unterscheidet man zwischen Waumlrmeleitung Waumlrmestroumlmung und
Waumlrmestrahlung
Im Folgenden werden die Waumlrmeleitung die Waumlrmestroumlmung und die
Waumlrmestrahlung naumlher thematisiert
Anhang
Seite | 214
Was versteht man unter Waumlrmeleitung
Versuch 1 Waumlrmeleitung
Benoumltigtes Material Metallring mit Halterung Wachskuumlgelchen Gasbrenner Stativ
Kupferstab Messingstab Eisenstab (alle 3 haben die gleichen
Abmessungen) Zange Petrischale
Durchfuumlhrung a) Befestige die 3 Metallstaumlbe an denen die Wachskuumlgelchen kleben am
Metallring und diesen an dem Stativ in ca 5 cm Houmlhe uumlber dem Gasbrenner
b) Erwaumlrme mit Hilfe des Gasbrenners die Staumlbe
Notiere deine Beobachtungen
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
Vervollstaumlndige folgenden Text Falls du Hilfe benoumltigst kannst du den
Betreuer um eine Hilfekarte bitten
[Stofftransport Temperaturunterschieds Energietransport]
Als Waumlrmeleitung bezeichnet man den ___________________ der zwischen
benachbarten Molekuumllen auftritt Dieser Energietransport entsteht aufgrund
eines ____________________ Mit einem ________________________ ist
die Waumlrmeleitung nicht verbunden
Vorsicht die Metallstaumlbe sind heiszlig Lass sie einfach fuumlr die naumlchste Gruppe auskuumlhlen
Anhang
Seite | 215
Was versteht man unter Waumlrmestroumlmung
Versuch 2 Waumlrmestroumlmung mit Luft
Benoumltigtes Material Glasroumlhrchen an einem Stativ
Gasbrenner Alufolie
Durchfuumlhrung a) Stelle den Gasbrenner unter das Glasroumlhrchen
b) Lege auf das Glasroumlhrchen ein Stuumlck Alufolie Hierbei ist darauf zu achten dass
die Folie leicht absteht so dass die Luft eine moumlglichst groszlige Angriffsflaumlche
hat Jedoch sollte die Alufolie so auf dem Glasroumlhrchen liegen dass sie nicht bei
einem kleinen Luftzug herunter faumlllt
c) Mit Hilfe des Gasbrenners wird die Luft unterhalb des Rohres erwaumlrmt
Notiere deine Beobachtungen
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
Vervollstaumlndige folgenden Text Falls du Hilfe benoumltigst kannst du den
Betreuer um eine Hilfekarte bitten
[Gasen Waumlrmetransport Konvektion Fluumlssigkeiten Teilchen houmlherer]
Als Waumlrmestroumlmung bezeichnet man einen _______________ der mit einem
Transport von ___________ verbunden ist Konvektion tritt in __________ oder
________________ auf Bei der Konvektion wandert die Energie von einem Ort
____________ Temperatur mit der erwaumlrmten Materie zu einem Ort niedrigerer
Temperatur Ein anderer Begriff fuumlr Waumlrmestroumlmung lautet ______________
Diskutiert wie diese Beobachtung physikalisch zu erklaumlren ist _______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
Anhang
Seite | 216
Was versteht man unter Waumlrmestrahlung
Ein Merkmal eines Passivhauses ist die passive Nutzung von
Sonneneinstrahlung Im folgenden Versuch soll untersucht werden
wie viel Energie die durch Sonneneinstrahlung in das Gebaumlude
gelangt genutzt werden kann
Versuch 3 Waumlrmestrahlung
Benoumltigtes Material Haumluschen 2 Thermometer Baustrahler mit Stativ Stoppuhr (du kannst auch die
Stoppuhr deines Handyacutes benutzen)
Durchfuumlhrung a) Starte den Laptop
b) Sieh dir das Modellhaumluschen an
i Die Trennwand zeigt dass es sich hier um ein Modell fuumlr ein
Doppelhaus handelt
ii Den Deckel des Modellhaumluschens bildet eine klare
Glasscheibe Diese Glasplatte soll darstellen dass jede
Doppelhaushaumllfte ein groszliges Fenster hat durch das die
Sonne in das Haus scheint
iii Die linke Doppelhaushaumllfte ist nicht isoliert
c) Auf dem Desktop findest du eine Datei mit dem Namen bdquoWAD2010ldquo
Starte diese Datei
d) Schalte die beiden Thermometer ein und stecke sie in die dafuumlr
vorgesehenen Oumlffnungen Stecke die beiden Thermometer so in die
Oumlffnungen dass du sie beide gut lesen kannst
e) Messe die Anfangstemperaturen
f) Die Glasplatte soll auf dem Abdichtgummi aufliegen
g) Stecke den Stecker der Lampe in die Steckdose aber lass die Lampe noch
ausgeschalten
h) Richte das Modellhaumluschen und die Lampe so aus dass die Lampe mittig
auf die Glasscheibe zeigt Die Beleuchtung der Lampe soll in diesem
Versuch die Sonneneinstrahlung darstellen
i) Schalte den Baustrahler ein und druumlcke gleichzeitig auf die Stoppuhr
j) Lese 7 Minuten lang jede Minute beide Temperaturen θ1 und θ2 in den
Innenraumlumen des Modellhaumluschens ab und trage sie in die Tabelle auf dem
Laptop
Zu welchem Ergebnis kommst du
___________________________________________________
Anhang
Seite | 217
Die Sonne ist aber nicht die einzige Waumlrmequelle die zusaumltzlich Waumlrmeenergie
liefert Viele Waumlrmequellen befinden sich schon in einem Gebaumlude Welche
Waumlrmequellen fallen dir hier spontan ein
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Jeder Koumlrper ist aus kleinen Teilchen den Atomen bzw Molekuumllen
aufgebaut Diese Teilchen bewegen sich Je schneller sich die Teilchen bewegen
umso groumlszliger ist die innere Energie des Stoffes und umso groumlszliger ist seine
Temperatur
Ein Maszlig fuumlr die Geschwindigkeit der Teilchen ist also die
Temperatur θ [degC]
Die Waumlrmeenergie (oder auch nur Waumlrme) die zwischen verschiedene Koumlrpern
ausgetauscht wird bezeichent man mit ∆ Q [_______________]
Waumlrmeenergie wird immer von einem Koumlrper mit houmlherer
Temperatur an einen Koumlrper niedrigerer Temperatur
abgegeben Nie umgekehrt
Vervollstaumlndige folgenden Text Falls du Hilfe benoumltigst kannst du den
Betreuer um eine Hilfekarte bitten
[Koumlrper Waumlrmestrahlung Vakuum Temperatur]
Jeder Koumlrper sendet __________________ aus Ein anderer Begriff hierfuumlr
ist thermische Strahlung Diese Strahlung breitet sich so wie Licht auch im
_____________ aus Je houmlher die __________ eines Koumlrpers ist umso mehr
Waumlrmestrahlung sendet der _______________ aus
Anhang
Seite | 218
Welche Maszlignahmen gibt es nun zum Energie sparen
Durch die Waumlnde von Gebaumluden entweicht durch Waumlrmeleitung Waumlrmeenergie
Dabei entsteht ein Waumlrmestrom I
Uumlberlege wovon haumlngt dieser Waumlrmestrom ab
___________________________________________________
___________________________________________________
____________________________________________________________
Die Abhaumlngigkeit vom Material wird durch die Waumlrmeleitfaumlhigkeit λ
bestimmt Sie wird in der Einheit Watt angegeben
Meter middot Kelvin
Je groumlszliger die Waumlrmeleitfaumlhigkeit ist desto groumlszliger ist der Waumlrmestrom Je kleiner die Waumlrmeleitfaumlhigkeit ist desto kleiner ist der Waumlrmestrom
Im folgenden Versuch wird untersucht welche Stoffe sich zum Isolieren eines
Gebaumludes eignen und Brennstoff so eingespart werden kann
Versuch 4 Waumlrmeleitfaumlhigkeit verschiedener
Materialien
Benoumltigtes Material 2 Glasgefaumlszlige unterschiedlicher Groumlszlige die ineinander
gestellt werden Der Zwischenraum ist einmal
mit Beton und einmal mit Glaswolle gefuumlllt
2 Thermometer Stoppuhr 2 Gummistopfen
Wasserkocher Becherglas
Durchfuumlhrung Bitte lies die folgenden Anweisungen zuerst ganz durch bevor du mit dem Experimentieren beginnst
Anhang
Seite | 219
Fuumlr den Versuch wird heiszliges Wasser in die Becherglaumlser gefuumlllt und die
Temperaturaumlnderung des Wassers uumlber 5 Minuten gemessen
a) Messe die Umgebungstemperatur und trage diese unten in die Tabelle ein
b) Wasser wird im Wasserkocher zum Kochen gebracht
c) Kocht das Wasser druumlckst du die Stoppuhr (Der Schalter des
Wasserkochers springt dann auf aus) Noch im Wasserkocher wird die
Temperatur des Wassers gemessen und der Wert unten in die Tabelle bei
Zeit = 0 min eingetragen
d) In einem kleinen Becherglas wird fuumlr jedes Glasgefaumlszlig 60 ml
Wasser abgemessen und sofort in die gefuumlllten Glaumlser
gegeben
Vorsicht
heiszlig
e) Sofort nach dem Einfuumlllen des Wassers werden die Gummistopfen mit dem
Thermometer auf die Becherglaumlser gesteckt
f) Bis zu diesem Zeitpunkt sollten nicht mehr als 1 Minute vergangen sein
g) Lese jede Minute die Temperatur ab und trage die Werte unten in die
Tabelle
Auswertung
Umgebungstemperatur degC
Temperaturen im Becherglas
Zeit in [min]
Becher 2 mit Glaswolle Becher 1 mit Beton
0
1
2
3
4
5
Anhang
Seite | 220
Skizziere kurz den Temperaturverlauf des Wassers Θ degC
tmin
Was kannst du feststellen Welche der beiden Materialien besitzt
eine groumlszligere Waumlrmeleitfaumlhigkeit
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
90
50
10
1 2 3 4 5
Anhang
Seite | 221
Uumlberlege welche Eigenschaften muss ein Stoff haben damit er als
Daumlmmstoff geeignet ist also schlecht Waumlrme leitet
Vielleicht hilft dir die nachfolgende Tabelle die Frage zu
beantworten
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
Stoff Waumlrmeleitfaumlhigkeit λ
W(mmiddotK)
Glaswolle 032 ndash 05
Glas 076
Ziegelmauerwerk 05 ndash 14
Holz 009 ndash 019
Sand trocken 058
Luft (21 Sauerstoff
78 Stickstoff) 00263
Wasser (0 degC) 05562
Kupfer 429
Silber 401
Messing 120
Eisen 802
Anhang
Seite | 222
Zusatzaufgabe
helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
(_______________________) helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (____________________) (____________________) helliphelliphelliphelliphelliphellip (___________________) (___________________) helliphelliphelliphelliphelliphellip (________________________) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (________________________) (__________________________)
_________________________________________________________________
_________________________________________________________________
Uumlberlege in welchen Bereichen die Waumlrme aus dem Haus
entweichen kann Trage diese Begriffe auf die punktierten Linien
Welche Art von Waumlrmeuumlbertragung liegt dabei jeweils vor Trage
diese Begriffe in die Klammern ein
Uumlberlege warum stellt sich in einem geschlossenen Wintergarten bei
Sonnenschein und Windstille eine houmlhere Temperatur ein als im
Freien
Nutze dabei die Kenntnisse die du aus Versuch 1 -3 erworben
hast
Diskutiert uumlber diesen Sachverhalt
Falls Probleme auftauchen kannst du den Betreuer fragen
Anhang
Seite | 223
Station
Energie im
Haushalt
Im Vergleich zu Haushalt Handel und Gewerbe Verkehr und Landwirtschaft ist
die Industrie mit 2560 Milliarden Kilowattstunden im Jahr der groumlszligte
Stromverbraucher in Deutschland
Ein Viertel des gesamten Stromverbrauchs entfaumlllt auf die rund 39 Millionen Haushalte
2009 bezogen sie 1395 Milliarden Kilowattstunden Strom
In Deutschland betrug im Jahr 2009 der Netto-Stromverbrauch 5422 Milliarden
Kilowattstunden insgesamt
Anhang
Seite | 224
Die Versorgung mit ausreichend Energie ist eine entscheidende Voraussetzung
fuumlr den vergleichsweise hohen Lebensstandard in welchem wir momentan leben
Da jede Energieumsetzung aber mit einer Beeinflussung der Umwelt verbunden
ist muumlssen wir sorgfaumlltig und sparsam mit der Energie umgehen
Wie kann man aber nun im Haushalt Energie sparen
Bei elektrischen Geraumlten wird immer die Leistung angegeben Dadurch kannst du
schon beim Kauf eines Geraumlts einschaumltzen ob es beim Benutzen viel oder wenig
Energie benoumltigt
Versuch 1 Leistungsmessung
Benoumltigtes Material
Foumln Schreibtischlampe Leistungsmessgeraumlt
Durchfuumlhrung
Mache dich mit dem Leistungsmessgeraumlt vertraut Hierzu findest du auf dem
Arbeitsplatz Hilfekarten
Arbeitsauftrag
Finde mithilfe des Leistungsmessgeraumltes heraus ob die auf dem Foumln und der
Schreibtischlampe angegebene Leistung stimmt
Aber Einen Foumln kann man beim Benutzen ganz unterschiedlich einstellen
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Anhang
Seite | 225
Wird mehr Energie benoumltigt wenn man eine
halbe Stunde lang den Foumln oder die
Schreibtischlampe auszuschalten vergisst
Begruumlnde
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Aber auch beim Kochen in der Kuumlche gibt es Moumlglichkeiten Energie zu
sparen Bei den naumlchsten Experimenten wirst du untersuchen welche
Methode des Wasserkochens am wenigsten Energie benoumltigt
In den Versuchen 2 - 4 wird jeweils die gleiche Menge Wasser (12 Liter)
in den verschiedenen Heizgeraumlten genau gleich lange erhitzt und die vom
Heizgeraumlt in dieser Zeit benoumltigte Energie mit dem Leistungsmessgeraumlt
Energy Check 3000 bestimmt
Bevor du nun mit den Versuchen beginnst starte den Laptop und fuumlhre deine
Versuche mit Hilfe der vorbereiteten Datei bdquoEIH2010ldquo aus Diese Datei findest
du auf dem Desktop
Nach der Versuchsvorbereitung wird die Anfangstemperatur und die
Endtemperatur des Wassers gemessen Aus der Temperaturerhoumlhung der
Wassermenge und der spezifischen Waumlrme des Wassers wird die vom Wasser
aufgenommene Energie berechnet
Im Weiteren wird die Energieaufnahme der Geraumlte und schlieszliglich der
Wirkungsgrad der Geraumlte berechnet
Arbeitsauftrag
Lies dir im Vorfeld jeweils den Versuch durch bevor du zu
experimentieren beginnst
Wie viel der benoumltigten Energie der verschiedene
Geraumlte wird tatsaumlchlich zur Erwaumlrmung von Wasser
verwendet Wie hoch sind die jeweiligen Verluste
Welches Geraumlt zur Erwaumlrmung von Wasser ist das
guumlnstigste
Anhang
Seite | 226
Versuch 2 Erwaumlrmen von Wasser
mit einer Heizplatte Teil 1
Benoumltigtes Material
Messgeraumlt Energy Check 3000 Heizplatte
Messzylinder 500 ml digitales Thermometer
Stoppuhr Kochloumlffel
Topf mit Deckel (Oslash 16 cm Groumlszlige an die Heizplatte angepasst) Topfuntersetzer
Vorbereitung
a) Mit Hilfe des Messzylinders werden 500 g Wasser abgemessen
b) Das Wasser wird in den Topf gegeben und seine Anfangstemperatur
gemessen
c) Stecke das Leistungsmessgeraumlt in die Steckdose
d) Der Drehknopf an der Heizplatte wird auf 0 gestellt und der Stecker des
Verbrauchers wird in das Leistungsmessgeraumlt gesteckt
e) Der Topf mit dem Wasser befindet sich noch neben der Heizplatte
Durchfuumlhrung
f) Die Heizplatte wird genau 1 Minute vorgeheizt Drehe den Schalter der
Heizplatte auf 6 (oder 5) und druumlcke gleichzeitig die Stoppuhr
g) Die angezeigten Werte auf dem Leistungsmessgeraumlt werden hier noch
nicht benoumltigt
h) Nach Ablauf der Minute drehst du die Heizplatte wieder auf 0 zuruumlck
i) Stelle den Topf mit dem Wasser mit aufgesetztem Deckel recht zuumlgig auf
die Heizplatte
j) Schalte den Drehknopf der Heizplatte erneut auf 6 (oder 5) und messe
genau eine Minute (Stoppuhr) Waumlhrend dieser Zeit beobachtest du die
Leistungsanzeige und bildest den Mittelwert da diese Anzeige schwankt
k) Nach Ablauf der Minute nimmst du den Topf mit dem heiszligen Wasser
sofort von der Heizplatte und stelle ihn auf den Topfuntersetzter Ruumlhre
mit den Kochloumlffel gut um und messe die Endtemperatur (Die
Arbeitsgaumlnge sollten sehr schnell hintereinander ausgefuumlhrt werden da
sich das Wasser sonst zu sehr abkuumlhlt und die Messwerte verfaumllscht
werden)
l) Gieszlige das heiszlige Wasser aus
Vorsicht das Wasser und der Topf sind heiszlig
Anhang
Seite | 227
Nun kannst du sofort im Anschluss zum Versuch 3 uumlbergehen Die Uumlbertragung
der Daten auf dein Arbeitsblatt und die Auswertung erfolgt spaumlter
Versuch 3 Erwaumlrmen von Wasser mit einer
Heizplatte Teil 2
Benoumltigtes Material
Messgeraumlt Energy Check 3000 Heizplatte
Messzylinder 500 ml digitales Thermometer
Stoppuhr Topf mit Deckel (Oslash 12 cm Groumlszlige an die
Heizplatte nicht angepasst) Topfuntersetzer
Vorbereitung
a) Mit Hilfe des Messzylinders werden 500 g Wasser abgemessen
b) Das Wasser wird in den Topf gegeben und seine Anfangstemperatur gemessen
c) Stecke das Leistungsmessgeraumlt in die Steckdose
d) Der Drehknopf an der Heizplatte wird auf 0 gestellt und der Stecker des
Verbrauchers wird in das Leistungsmessgeraumlt gesteckt
e) Der Topf mit dem Wasser befindet sich noch neben der Heizplatte
Durchfuumlhrung
f) Die Heizplatte brauchst du hier nicht mehr erwaumlrmen
g) Stelle den Topf mit dem Wasser mit aufgesetztem Deckel recht zuumlgig auf die
Heizplatte
h) Schalte den Drehknopf der Heizplatte auf 6 (oder 5) und messe genau eine Minute (Stoppuhr) Waumlhrend dieser Zeit beobachtest du die Leistungsanzeige
und bildest den Mittelwert da diese Anzeige schwankt
i) Nach Ablauf der Minute nimmst du den Topf mit dem heiszligen Wasser sofort von
der Heizplatte und stelle ihn auf den Topfuntersetzter Ruumlhre mit den
Kochloumlffel gut um und messe die Endtemperatur (Auch hier ist zuumlgiges Arbeiten
noumltig)
j) Gieszlige das heiszlige Wasser aus
Vorsicht das Wasser und der Topf sind heiszlig
Anhang
Seite | 228
Nun kannst du sofort im Anschluss zum Versuch 4 uumlbergehen Die Uumlbertragung
der Daten auf dein Arbeitsblatt und die Auswertung erfolgt spaumlter
Versuch 4 Erwaumlrmen von Wasser mit einem
Wasserkocher
Benoumltigtes Material
Messgeraumlt Energy Check 3000 Wasserkocher Messzylinder 500 ml digitales
Thermometer Stoppuhr Kochloumlffel
Vorbereitung
a) Mit Hilfe des Messzylinders werden 500 g Wasser abgemessen
b) Das Wasser wird in den Wasserkocher gegeben und seine
Anfangstemperatur gemessen
c) Der Knopf an dem Wasserkocher wird auf 0 gestellt und der Stecker wird
in das Leistungsmessgeraumlt gesteckt
Durchfuumlhrung
d) Schalte den Knopf des Wasserkochers auf 1 und messe genau eine Minute
(Stoppuhr) Waumlhrend dieser Zeit beobachtest du die Anzeige
Wirkleistung und bildest den Mittelwert da diese Anzeige schwankt
e) Ist die Minute abgelaufen schaltest du den Wasserkocher wieder aus
ruumlhrst mit dem Kochloumlffel gut um und misst die Endtemperatur mit dem
Digitalthermometer
f) Gieszlige das warme Wasser wieder aus
Vorsicht das Wasser ist heiszlig
Anhang
Seite | 229
Auswertung der Versuche 2 - 4
Uumlbertrage die Werte die du in der Datei bdquoEIH2010ldquo bearbeitet
hast auf dein Arbeitsblatt und beantworte die gestellten Fragen
Beim Erwaumlrmen von Wasser mit einer Heizplatte oder mit einem Wasserkocher
wird elektrische Energie in Waumlrmeenergie umgewandelt
1) Berechnung der Waumlrmeenergie die vom Wasser aufgenommen wurde
Die Energieaufnahme des Wassers errechnet sich durch
______________________________________________________________
______________________________________________________________
Heizplatte Teil 1 Heizplatte Teil 2 Wasserkocher
Anfangstemperatur in degC
Endtemperatur
in degC
Temperaturerhoumlhung
In degC
Masse Wasser
(05 Liter) in kg
spezifische Waumlrme in
Wh kg x Grad
Energieaufnahme des
Wassers
in Wh
Wie kann man sich eine bdquoWattstundeldquo [Wh] vorstellen
Mit einer Energie von 1 Wattstunde kann man 1 Liter Wasser um 0864 degC erwaumlrmen
oder einen Gegenstand von 10 kg um 36 Meter heben
Anhang
Seite | 230
2) Berechnung der vom Geraumlt aufgenommenen elektrischen Energie
Energie = _____________________ x ___________________________
Die Leistung einer Maschine oder eines Geraumlts ist eine wichtige Kenngroumlszlige
Die Leistung (Symbol P) wird immer in einer der folgenden Einheiten angegeben
Watt W Kilowatt KW Megawatt MW Gigawatt GW
Mensch bei der
Arbeit
65-85
Elektrische
Gluumlhbirne
100
Foumln
1200
Wasserkocher
Heizung
Einfamilienhaus
15
Mittelklasseauto
100
ICE
8000
Kohlkraftwerk
800
Blitz
1000
Heizplatte Teil 1 Heizplatte Teil 2 Wasserkocher
Leistung des Geraumltes in
Watt
Zeitdauer des
Versuches in h
Energieaufnahme des
Geraumltes in Wh
In der folgenden Tabelle kannst du typische Leistungswerte
erkennen Vervollstaumlndige die gesuchten gelben Felder
Falls Probleme auftauchen liegt wieder eine Hilfekarte auf dem
Arbeitsplatz bereit
Anhang
Seite | 231
3) Berechnung des Wirkungsgrades
Der Wirkungsgrad errechnet sich aus
η = ______________________________
Was sagt der Wirkungsgrad aus Welche Einheit besitzt der Wirkungsgrad
_______________________________________________________________
______________________________________________________________
Vervollstaumlndige folgende Saumltze
Verluste Energieform Wirkungsgrad Geraumlt 100
Heizplatte Teil 1 Heizplatte Teil 2 Wasserkocher
Energieaufnahme des
Wassers in Wh
Energieaufnahme des
Geraumltes in Wh
Wirkungsgrad in ___
Verlust in
Je houmlher der _______________ ist desto besser wandelt das _____________
die Energie die sie aufgenommen hat in die gewuumlnschte
_______________________um
_______________________ die beim Betrieb des Geraumltes auftreten koumlnnen aus
der Differenz zu ________________ errechnet werden
Anhang
Seite | 232
Welche Methode ist hier nun die beste Variante um Wasser zu erwaumlrmen
Begruumlnde deine Antwort
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
In den Versuchen 2 ndash 4 haben alle Geraumlte eine bestimmte Energie aufgenommen
aber nur einen Teil davon als Waumlrme an das Wasser abgegeben
Energie kann aber nicht verschwinden oder
vernichtet werden
Wie kommen die unterschiedlichen Wirkungsgrade bzw die verschiedenen
Verluste beim Wasserkocher und bei der Heizplatte zustande und wo geht die
verbliebene Energie hin
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Wasser kann man aber auch z B mit einer Mikrowelle erwaumlrmen Diese hat einen
durchschnittlichen Wirkungsgrad von 50 Wo verbleibt hier die restliche
Energie
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Wenn du Versuche Heizplatte Teil 1 und Heizplatte Teil 2 miteinander
vergleichst welche Schluumlsse lassen sich daraus ziehen
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Anhang
Seite | 233
Laumlsst sich ein houmlherer Wirkungsgrad mit oder ohne Deckel auf den Toumlpfen
jeweils erreichen Begruumlnde
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Nenne Moumlglichkeiten fuumlr jeden Einzelnen den Energieverbrauch im taumlglichen
Leben einzuschraumlnken
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Anhang
Seite | 234
Zusatzaufgabe
Falls du noch Zeit hast kannst du folgenden Versuch durchfuumlhren
Versuch 5 Energiesparlampen
Benoumltigtes Material
Sicherheitssteckdose + Verbindungskabel
Gluumlhlampe 15 Watt + Verpackung
Energiesparlampe 14 Watt + Verpackung
Halterungen fuumlr Lampen
Durchfuumlhrung
a) Baue den Versuch auf sodass die beiden Lampen leuchten Benutze
hierfuumlr die Sicherheitssteckdose
b) Nimm die Verpackungen der beiden Laumlmpchen und vergleiche die
Aufschriften
Notiere deine Beobachtungen
____________________________________
____________________________________
____________________________________
Welche Vorteile besitzt die Energiesparlampe
(Benutze hierzu die Graphik rechts)
___________________________________
____________________________________
____________________________________
____________________________________
Anhang
Seite | 235
Station
Waumlrmepumpe
A) Waumlrmequelle Luft B) Waumlrmequelle Grundwasser C1) Waumlrmequelle Erdreich (Sonde) C2) Waumlrmequelle Erdreich (Erdwaumlrmetauscher)
Waumlrmepumpenanlagen sind Waumlrmekraftmaschinen mit deren Hilfe
sich Energie in Form von Waumlrme aus der Umwelt
(Luft Wasser Erdreich) entziehen laumlsst
Sie werden zur Raumbeheizung zur Warmwasserbereitung und in der
Verfahrenstechnik eingesetzt
Anhang
Seite | 236
Wie funktioniert nun eigentlich eine Waumlrmepumpe
In fast jedem deutschen Haushalt befindet sich ein Geraumlt
das auf der Grundlage der Waumlrmepumpe arbeitet
der _________________________________
Weniger bekannt ist bei uns die Waumlrmepumpe als Heizungsanlage von Gebaumluden
Sie entzieht dem Erdreich oder der Umgebungsluft die erforderliche
Waumlrmeenergie und speichert sie in einem isolierten Wasserspeicher Das
Warmwasser kann zur Beheizung des Hauses zur Speisung der Dusche oder
Waschmaschine usw verwendet werden
In der Waumlrmepumpe wird ein Traumlgermittel (Frigen Freon oder Ammoniak)
in einem Kreisprozess gefuumlhrt der aus den vier Schritten Verdampfen
Verdichten Kondensieren und Entspannen besteht Alle vier Stufen sind uumlber
ein abgeschlossenes Rohrleitungssystem miteinander verbunden Zum Schluss des
Kreisprozesses gelangt das Gas wieder in den Verdampfer
Hochdruck
Niedrigdruck
Eine Waumlrmepumpe ist eine Maschine die Waumlrme
von einem Gebiet niedriger Temperatur in ein Gebiet
houmlherer Temperatur bringt
Waumlrme flieszligt aber immer von einem Ort houmlherer Temperatur zu einem Ort
niedriger Temperatur Warmes Wasser hat einen houmlheren Energiegehalt als
kaltes Wasser Energie wird durch Waumlrmeleitung uumlbertragen bis beide
Wassertemperaturen gleich sind
Anhang
Seite | 237
Bevor du nun mit dem ersten Versuch beginnst blaumlttere
kurz zu Versuch 2 und fuumlhre die Vorarbeiten aus
Wie bringt die Waumlrmepumpe aber nun Waumlrme von
einem Gebiet niedriger Temperatur in ein Gebiet
houmlherer Temperatur
Versuch 1
Benoumltigtes Material
Luftpumpe
Durchfuumlhrung
Druumlcke die Luftpumpe zusammen und halte dabei das Auslassventil mit deiner
Hand fest zu
Notiere deine Beobachtungen
_______________________________________________
_______________________________________________
Woumlrter zum Einsetzen
[Druckerhoumlhung Kaumlltemittels Drucks Waumlrmeabgabe houmlherer Temperatur
groumlszliger niedrigere]
Je __________ die Druckerhoumlhung ist desto groumlszliger ist die
Temperaturerhoumlhung Um den Druck zu erhoumlhen muss Arbeit verrichtet werden
Die Arbeit muss umso groumlszliger sein je groumlszliger die _________________ sein soll
Bei der Waumlrmepumpe kann nun durch Veraumlnderung des _________ Waumlrme von
einem Gebiet niedrigerer Temperatur in ein Gebiet _______ ____________
Anhang
Seite | 238
gebracht werden Um Waumlrme aufzunehmen befindet sich das Kaumlltemittel unter
niedrigerem Druck und hat eine __________ Temperatur als die Umgebung
Bei der _____________ ist der Druck des ___________ hoch und die
Temperatur houmlher als die Temperatur des Heizsystems (vergleiche hierzu
Versuch 4)
Was geschieht nun genau im Verdampfer einer
Waumlrmepumpe
Arbeitsauftrag 1
Gib einige Tropfen Spiritus auf den Handruumlcken und blase
leicht daruumlber Was stellst du fest
Diskutiert wie sich diese Beobachtung physikalisch erklaumlren laumlsst
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Bitte vorsichtig mit dem Spiritus umgehen
Anhang
Seite | 239
Versuch 2
Verdampfungswaumlrme von Wasser
Benoumltigtes Material
1 Becherglas
Tauchsieder (300 Watt)
Temperatursensor Powerlink
Laptop
Magnetruumlhrgeraumlt
Stativmaterial
Topflappen
Durchfuumlhrung
a) Starte den Laptop
b) Wiege das Becherglas leer (m2) fuumllle ca 400 ml Wasser in das Becherglas
und wiege dieses mit dem Glas (m1) Trage die Daten auf den naumlchsten
Seiten in die Auswertung ein
c) Der Temperatursensor wird uumlber ein Kabel an den Powerlink angeschlossen
d) In der Zwischenzeit sollte der PC soweit hochgefahren sein dass er nach
dem Benutzer fragt
Klicke auf bdquoexperimentierenldquo und warte bis Windows vollstaumlndig geladen
ist
Von der Ruumlckseite des Powerlinks geht ein USB-Kabel zum PC Wenn du
den Sensor ansteckst wird er automatisch erkannt und du musst nur auf
bdquoData-Studio-Startenldquo klicken um das Programm automatisch zu starten
Dein Bildschirm sollte dann etwa so aussehen
Bild 1
Anhang
Seite | 240
e) Baue den Versuchsaufbau aus Bild 1 nach stelle den Tauchsieder bekannter
Leistung in das Becherglas und tauche das Thermometer etwa auf halbe
Wasserhoumlhe an der Seite ein und schalte das Magnetruumlhrgeraumlt ein
f) Wenn du alle Vorbereitungen getroffen hast kann die eigentliche Messung
beginnen Schalte den Tauchsieder ein und starte die Stoppuhr Klicke im
Programm bdquoDataStudioldquo auf bdquoSTARTldquo Du siehst wie eine Messkurve auf-
gezeichnet wird
g) Den Siedebeginn des Wassers kannst du aus der Messkurve ablesen
Es folgt die Auswertung
Anhang
Seite | 241
Auswertung
Masse m1 (Becherglas + Wasserkalt) _____________________
- Masse m2 (Becherglas) _____________________
____________________________________________________
Masse m3 (Wasserkalt) ______________________
Masse m4 (Becherglas + Wasserwarm) _____________________
- Masse m2 (Becherglas) _____________________
____________________________________________________
Masse m5 (Wasserwarm) _____________________
Tauchsieder _________________Watt
Siedebeginn des Wassers tSB ____________________s
∆t = tEM - tSB ____________________s
mit tEM = Ende der Messung
Vorsicht das Becherglas mit Wasser ist heiszlig
h) Nun kannst du zum Versuch 1 zuruumlckblaumlttern und die
Messung selbstaumlndig laufen lassen Werfe trotzdem
immer wieder einen Blick auf die Messung Wenn das
Wasser bereits ca 5 Minuten siedet schalte den
Tauchsieder aus und druumlcke im Programm bdquoDataStudioldquo auf
bdquoStoppldquo und wiege das Becherglas mit Wasser (m4) erneut
Anhang
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i) Wenn du wieder hier angelangt bist beschreibe was du der Messkurve
entnehmen kannst
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j) Berechne wie viel Wasser verdampft ist
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k) Die vom Wasser in der Zeit ∆t aufgenommenen Waumlrmemenge ∆Q ergibt sich
aus der Leistung P des Tauchsieders
∆Q = P ∆t
Beim Verdampfen von _____________________ g Wasser bei der
Siedetemperatur von 100 degC wird die Energie
_____________________________________ benoumltigt
Mit der Energie die benoumltigt wird um 1 g Wasser zu verdampfen kann
man 10 g Wasser um ca 50 degC erwaumlrmen
Bevor du nun hier weiter liest blaumlttere kurz zu Versuch 3
und fuumlhre die Vorarbeiten durch
Arbeitsauftrag 2
Fasse die beiden bisherigen Haupterkenntnisse zusammen
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Anhang
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Was bedeutet das fuumlr die Waumlrmepumpe
Woumlrter zum Einsetzen
[Verdampfer Temperatur Arbeitsstoff Waumlrme konstant]
Was geschieht im Kompressor
Im Versuch 1 hast du eine Fahrradluftpumpe nach hinten bewegt
und damit Luft angesaugt Beim Zusammenpressen der Luft hast du
weiter festgestellt dass sich die Temperatur erhoumlht hat
In der Waumlrmepumpe geschieht dies mit dem gasfoumlrmigen Traumlgermittel es
wird aus dem Verdampfer gesaugt und anschlieszligend verdichtet Dabei
steigen der Druck und die Temperatur stark an Zum Antrieb der
Pumpe muss jedoch elektrische Energie zugefuumlhrt werden
Diese beiden Eigenschaften werden beim Betrieb der Waumlrmepumpe
ausgenutzt
Der in den ____________________ einstroumlmende Arbeitsstoff ist
fluumlssig der Umgebung wird __________________ entzogen und der
____________________ verdampft waumlhrend seine
___________________ etwa ____________________ bleibt
Anhang
Seite | 244
Versuch 3 Der Verfluumlssiger
Benoumltigtes Material
Erlenmeyerkolben mit Stopfen Gasbrenner mit Dreifuss Stativmaterial
Becherglas Digitalthermometer Schlauch mit Glasroumlhrchen
Durchfuumlhrung
a) Entzuumlnde den Gasbrenner damit das Wasser im Erlenmeyerkolben zum
Sieden gebracht werden kann
b) Der entstehende Wasserdampf wird in ein Reagenzglas geleitet das
sich in einem Becherglas mit kaltem Wasser befindet Hole hierzu
kaltes Wasser aus dem Kuumlhlschrank und fuumllle ca 400 ml Wasser in das
Auffangbecherglas
c) Die Temperatur des Wassers im Becherglas wird gemessen
Wenn du hier angelangt bist kannst du wieder zuruumlck-
blaumlttern und den Arbeitsauftrag weiter bearbeiten
Werfe jedoch immer wieder eine Blick auf das
Thermometer
Achtung der Schlauch ist heiszlig
Notiere deine Beobachtungen
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Anhang
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Diskutiert weshalb diese Beobachtung eingetreten sein koumlnnte
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Uumlbertrage deine Vermutung auf die Waumlrmepumpe Wie wird dieser
Vorgang hier ausgenutzt
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Versuch 4
benoumltigtes Material
Druckdose Frigen Gummischlauch Feinregulierventil fuumlr Druckdosen
Digitalthermometer Thermoelement Reagenzglas
Gasverfluumlssigungspumpe
Durchfuumlhrung
a) Das Ventil soll vorsichtig geoumlffnet werden
b) Ventil wird geschlossen wenn die Fluumlssigkeit im Reagenzglas ca 1
cm hoch steht
c) Die Temperatur im fluumlssigen Frigen wird gemessen
d) Mit der Hand wird das untere Ende des Reagenzglases erwaumlrmt
Notiere deine Beobachtungen
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Anhang
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Was bedeutet dies fuumlr die Waumlrmepumpe
Das Ventil demonstriert die Wirkungsweise eines Drosselventils in
der Waumlrmepumpe Es trennt die Bereiche hohen und niedrigen
Drucks im Kreislauf der Waumlrmepumpe Der Arbeitsstoff ist vor und
hinter dem Ventil fluumlssig die Temperatur sinkt aber betraumlchtlich wenn der
Druck erniedrigt wird Der Verdampfer der Waumlrmepumpe liegt dicht hinter dem
Drosselventil da die Temperatur des Arbeitsstoffes so stark sinkt dass sofort
der Umgebung Waumlrme entzogen wird
Durchfuumlhrung
e) Setze auf das Reagenzglas in dem sich Frigen befindet und welches mit der
Hand erwaumlrmt wurde die Gasverfluumlssigungspumpe
f) Druumlcke den Kolben in den Zylinder
Notiere deine Beobachtungen
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Erklaumlrung
Bei normalen Luftdruck (105Pa) siedet Frigen bei -29degC Steigt der Druck uumlber
der Fluumlssigkeit dann steigt auch die Siedetemperatur Wenn der Druck ca 6105
Pa betraumlgt siedet bzw kondensiert Frigen bei Zimmertemperatur In dem zu
Anfang noch kalten Zylinder kondensiert bzw siedet das Frigen bei etwas
niedrigerem Druck
Die Abhaumlngigkeit der Siedetemperatur vom Druck bildet eine wesentliche
Grundlage fuumlr das Funktionieren einer Waumlrmepumpe Dadurch wird ermoumlglicht
dass Waumlrme auf der kalten Seite aus der Umgebung aufgenommen und auf der
waumlrmeren Seite an einen Speicher abgegeben werden kann
Anhang
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Arbeitsauftrag 3
Welche Vorteile besitzt die Waumlrmepumpe Am Arbeitsplatz liegt zu
deiner Hilfe Informationsmaterial bereit
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Nenne Moumlglichkeiten den Energieverbrauch zu verringern
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