Station 1 – Energiebegriff - Energie Macht Schule · Wasserenergie Biomasse Erdwärme Gezeitenenergie Erschöpfliche Energie Fossile Brennstoffe Kohle Erdöl Erdgas Biomasse Kernbrennstoffe

13Perspektiven der Energieversorgung

Aufgabenstellung

Station 1 – Energiebegriff

Material:

Lernsequenzen Heft 1 Physikbuch Schere und Klebstoff Arbeitsblätter:

1.1 – Energiequellen 1.2 – Energiearten 1.3 – Energieformen 1.4 – Energieentwertung 1.5 – Der energiegeladene Hund 1.6 – Unsere wichtigsten Primärenergien 1.7 – Die Primärenergieträger

Arbeitsaufträge:

1. Lies im Heft 1 der Lernsequenzen die Seiten 5 bis 7

2. Wiederhole und notiere die Begriffe Arbeit und Energie, sowie die Grundaussagen des 1. und 2. Hauptsatzes der Wärmelehre

3. Erarbeite und beantworte anhand der Arbeitsblätter folgende Punkte: •WelcheEnergieartengibtes? •WelcheEnergieartenunterscheidetman? •WelchePrimärenergieträgerwerdenzurEnergieerzeugungeingesetzt?

Zusatzaufgabe:

Lies und erarbeite im Heft 1 der Lernsequenzen die Seiten 8 bis 11. Verdeutliche dir die vier verschiede-nen Aspekte des Energiebegriffs.


Geschichte der EnergienutzungArbeitsblatt 1.1 – Energiequellen


Muskelkraft des

Menschen

Urzeit vor

Jahren

Jahren

Jahren

Altertum vor

Neuzeit seit

Feuer/Holz

Wind

Sonne

Muskelkraft von Tieren

Wasserkraft

Kohle

Erdöl

Erdgas

Uran

Strom aus allen

Primärenergien

EnErgiEquEllEn ZEit


Arbeitsblatt 1.2 – Energiearten


1. ordne die folgenden Begriffe nach Energiearten

Steinkohle – mechanische Arbeit – Erdwärme – Benzin – Erdgas – Biomasse – Heizdampf – Kernbrennstoffe – Dieselkraftstoff – Licht – Strom – Briketts – Wärme – Koks – Wasserkraft – Heizwärme – Braunkohle – Erdöl – Wind – Sonnenenergie – Heizöl

Primärenergie Sekundärenergie Nutzenergie

Steinkohle Briketts

2. Bilde Umwandlungsketten. Trage dazu in das Schema die Begriffe Primärenergie, Sekundärenergie, Nutzenergie und „Umwandler“ ein.

3. Finde aus der obigen Tabelle Beispiele dazu.

Als Umwandler kommen in Frage: Kraftwerk, Glühlampe, alle Haushaltsgeräte, Turbine etc.

4. Welche Umwandlungsketten sind richtig?

a. Kohle Koks b. Erdöl Erdöl elektrischer Strom c. Elektrischer Strom Dampf Erdöl d. Kohle Dampf elektrischer Strom


Arbeitsblatt 1.3 – Energieformen


Energie kann nur an ihren Wirkungen erkannt werden. Beispiele für solche Wirkungen sind z. B. Bewegung, Licht und Wärme. Auf Grund der beobachtbaren Wir-kungen unterscheidet man folgende Energieformen:

Bewegungsenergie (z. B. fahrendes Auto), Spannungsenergie (z. B. gespannte Feder), Wärme (z. B. Heißdampf), Chemische Energie (z. B. Brennstoffe, Autobatterie), Elektrische Energie (z. B. Blitz), Strahlungsenergie (z. B. UV-Strahlung, Radiowellen) Kernenergie (z. B. Spaltungsenergie).

1. ordne den Abbildungen die Energieformen zu und trage sie in die Tabelle ein.

Abbildung Energieform

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2. Male in die freien Kästchen weitere Beispiele, die die Energieform erkennen lassen, und trage auch diese in die Tabelle ein.

1 2

3 4

5 6

7 8

9 10


Arbeitsblatt 1.4 – Energieentwertung


Energieentwertung und Ablaufrichtung von Vorgängen


Arbeitsblatt 1.5 – „Ein energiegeladener Hund“


Bew

egu

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sen

erg

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Bewegungsenergie 4

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Bewegungsenergie 3

Bewegungsenergie 6aus

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Arbeitsblatt 1.6 – Unsere wichtigsten Primärenergieträger


Die Schatztruhe verrät Dir, welche Primärenergieträger bei uns zur Zeit zur Energieversorgung genutzt werden. Welche Primärenergieträger befinden sich in der Truhe? Trage ihre Namen ein.

Jetzt kennst Du die Primärenergien und erfährst, wenn Du diese Abbildung beschriftest, in welchem Umfang sie zu unserer Energieversorgung beitragen. Das sechste Segment mit 6% sind Heizöl, Pump-speicher und Sonstige.

22%

6%

12%

14% 22%

24%


Arbeitsblatt 1.7 – Primärenergieangebot


foss

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Kern

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Das

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Lösungen


zu Arbeitsblatt 1.2 – Energiearten

1.

Primärenergie Sekundärenergie Nutzenergie

Steinkohle Koks, Gas Briketts

Braunkohle Briketts Heizwärme

Erdöl Benzin Prozesswärme

Erdgas Dieselkraftstoff mechanische Arbeit

Kernbrennstoffe Heizöl Licht

Wasserkraft Strom

Sonnenenergie

Windenergie

Biomasse

Erdwärme

2. Primärenergie – Umwandler – Sekundärenergie – Umwandler – Nutzenergie

3. Steinkohle – Kraftwerk – Strom – Glühlampe – Licht

4. a & d

zu Arbeitsblatt 1.3 – Energieformen

Abbildung 1: Chemische Energie Abbildung 2: Strahlungsenergie Abbildung 3: Spannungsenergie Abbildung 4: Wärme Abbildung 5: Bewegungsenergie Abbildung 6: Elektrische Energie


Zustandsformen der Energie

Energieform Erscheinungsform

Potentielle Energie

Höhenenergie gestautes Wasser

Druckenergie komprimiertes Gas

Spannungsenergie Schraubenfeder

Kinetische Energie

Bewegungsenergie fahrendes Auto

rollende Kugel

Drehbewegungsenergie Schwungrad

Wärme Heißdampf

Chemisch gebundene Energie Brennstoffe, Autobatterie

Kernenergie Uran

Elektrische Feldenergie Kondensator, Blitz

Magnetische Feldenergie Spule

elektromagnetische Strahlungs-energie Licht, Radiowellen

zu Arbeitsblatt 1.5 – „Ein energiegeladener Hund“

Folgende Energieumwandlungen finden statt: Pfeil 1: aus chemischer Energie Pfeil 2: aus chemischer Energie Pfeil 3: aus Lageenergie Pfeil 4: aus chemischer Energie Pfeil 5: aus chemischer Energie Pfeil 6: aus Lageenergie

Erläuterung

a) Der Hund verfügt über gespeicherte chemische Energie, die er bei der eigenen Fortbewegung durch Muskelkraft in Bewegungsenergie umwandelt.

b) Auf dem linken oberen Treppenpodest besitzt er chemische Energie und Lageenergie. Wenn der Hund nun die Treppe hinunter rennt, verwandelt er zur Bewältigung des Weges (waagrechte Ebene) einen Teil seiner chemisch gebundenen Energie in Bewegungsenergie (+ Wärme); zur Überwindung der (senkrechten) Fallhöhe gleichzeitig einen Teil der Lageenergie in Bewegungsenergie.


c) Durch das Fressen ersetzt er die gerade eben verbrauchte chemische Energie wieder.

d) Läuft er anschließend die Treppe wieder hinauf, benötigt er sowohl für den Weg als auch zur

Überwindung der Höhendifferenz chemische Energie.

e) Wenn er auf dem rechten Podest ausrutscht und in das Schwimmbecken fällt, resultiert die

Bewegungsenergie ausschließlich aus der Lageenergie

zu Arbeitsblatt 1.6 – Unsere wichtigsten Primärenergieträger

Regenerative Energien, Erdgas ,Erdöl, Kohle, Kernenergie

2007 trugen zur inländischen Primärenergieversorgung bei:

22% Kernenergie, 24% Braunkohle, 22% Steinkohle,12% Erdgas, 14% Erneuerbare Energien, 6% Heizöl,

Pumpspeicher und Sonstige

zu Arbeitsblatt 1.7 – Primärenergieangebot

Überblick über das Primärenergieangebot

Unerschöpfliche Energien Regenerative Energien

Sonnenenergie

Windenergie

Wasserenergie

Biomasse

Erdwärme

Gezeitenenergie

Erschöpfliche Energie

Fossile Brennstoffe

Kohle

Erdöl

Erdgas

Biomasse

KernbrennstoffeUran

Thorium

2. Die Sonnenstrahlung als wichtiger Energieträger fehlt.


Aufgabenstellung

Station 1 – Energiegrößen

Material:

Lernsequenzen Heft 1 – Energie Lernsequenzen Heft 2– Wärmekraftwerke Arbeitsblätter

Arbeitsaufträge:

Lies auf Seite 11 der Lernsequenzen Heft 1 – Energie das Kapitel „Maßeinheiten für die Energie“. Siehe auch Übersichtstabelle auf Seite 32. Erstelle eine übersichtliche Tabelle auf Arbeitsblatt 2.1

Führe anhand der anderen Umrechnungstabelle (Arbeitsblatt 2.2) folgende Übung weiter:

1 Kilo-Joule (kJ) entspricht eintausend Joule 103 1.0001 Mega-Joule (MJ) entspricht einer Million Joule 106 1.000.000

1 Giga-Joule (GJ) entspricht einer Milliarde Joule

Lies im Heft 2 der Lernsequenzen – Wärmekraftwerke die Seiten 21 & 22 „Der Wirkungsgrad“. Löse die dazugehörige Aufgabe auf Arbeitsblatt 2.3.

Betrachte auf Seite 12 der Lernsequenzen Heft 1 – Energie die Abbildung „Energiebilanz der Erde“. Die Sonne strahlt ständig mit einer Leistung von 180 Milliarden Megawatt auf die Erde. Wie viel Prozent davon werden wieder an das Weltall abgegeben? Berechne den Wirkungsgrad der Erde.

Sammle in einer Tabelle die Leistungs- und Energieverbrauchswerte typischer Haushaltsgeräte.

Zusatzaufgabe:

Lies den Text zum Namensgeber der Energieeinheit (Arbeitsblatt 2.4).


Arbeitsblatt 2.1 – Maßeinheiten für die Energie


Physikalische Größe Einheiten Umrechnung zwischen den Einheiten


Arbeitsblatt 2.2 – Maßeinheiten für die Energie


1 Joule (1 J)• braucht eine Biene, um 120 m weit zu fliegen

• elektrische Energie benötigt ein Taschenrechner, während er 50 Multiplikationen ausführt

1 Kilojoule (103 J)• braucht man, um eine Gesichtshälfte elektrisch zu rasieren

• wendet man auf, wenn man 1 m schwimmt, 5 m geht, 12 m Rad fährt oder 8 Treppenstufen steigt

1 Gigajoule (109 J)• reichen im 4-Personen-Haushalt für Waschen und Trocknen 3 Monate, für Beleuchtung 8 Monate

1 Terajoule (1012 J)• stecken in 31.000 l Benzin, das im PKW für eine Reise 8 × um die Erde reichen würde• verschwendet ein schlecht wärmegedämmtes Einfamilienhaus in 7 Jahren

1 Exajoule (1018 J)• empfängt die Erde in 6 Sekunden von der Sonne• ist der gegenwärtige Weltverbrauch an Primärenergie in 21 Stunden

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Was Energie kann und worin Energie steckt

1 Megajoule (106 J)• reicht für ca. 2 Fußball-Länderspiele in Farbe (Fernseher)• wendet man auf, wenn man 3,5 Stunden gar nichts tut (Grundumsatz)

1 Petajoule (1015 J)• repräsentiert ein fußballfeldgroßer Steinkohlehaufen von 6 m Höhe


Arbeitsblatt 2.3 – Der Wirkungsgrad


An einem Sommertag trifft bei uns auf einen Quadratmeter 0,6 kJ Sonnenenergie pro Sekunde. Die Son-nenstrahlung trifft auf Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 12% und einer Gesamtfläche von 9 m2.

In welcher Zeit kann man eine elektrische Energie von 1 kWh gewinnen?


Arbeitsblatt 2.4 – Das Joule und sein Namensgeber


„Mein Name ist Joule, James Prescott Joule.“ Sieht vorn englisch aus und hinten irgendwie französisch. Wen wun dert‘s, dass viele deshalb nicht wissen, wie sie den

Herrn ansprechen sollen: Jul, Jaul, Jol, Dschul oder Dschaul? Schlechte Vor aus setzungen also für eine physikalische Einheit, die den Namen dieses englischen Naturwissen schaft lers trägt. So tut das Joule sich schwer im Schatten seiner amtlichen Vorgängerin, der Kalorie.

Dabei war es am 1. Januar 2009 schon 31 Jahre her, dass die allseits geschätzte Kalorie im Interesse der internationalen Verein heitlichung von Maßeinheiten offiziell in den Ruhestand geschickt wurde. Seit 1978 nimmt das Joule ihren Platz ein, in der Energie wirt-schaft zum Beispiel bei der Verrechnung von gelieferten Wärme-mengen. Dabei gilt die Formel: Eine Kalorie gleich 4,1868 Joule. Auch dieser krumme Umrechnungsfaktor trägt kaum dazu bei, den ungeliebten Neuling bekannter zu machen.

Noch verwirrender wird die Angelegenheit beim Essen. Eine Kalorie – bei Diäten nach wie vor in aller Munde – war in

Wirklichkeit eine Kilokalorie, also tausendmal soviel. Volkes Stimme hat die Vorsilbe Kilo immer weggelassen. Der physikalischen Einheit geht es heute ähnlich wie ihrem Namens geber im neunzehnten Jahrhundert. Obwohl die

wissenschaftliche Leistung von James Prescott Joule der berühmterer Zeitgenossen ebenbürtig ist, war er nicht so bekannt. Joule war daran nicht ganz unschuldig, denn seine Vorträge verbreiteten vor allem Langeweile. Einmal musste sogar ein Forscher kollege im Publikum die anderen Zuhörer darauf aufmerksam machen, daß sie soeben eine Sternstunde der Physik erlebt hatten.

Die wissenschaftlichen Erkenntnisse des verkannten Engländers betrafen vor allem den Zusammenhang zwischen physikalischer Arbeit und Wärme. Heute noch geläufig ist sein Beispiel aus dem Ruder sport: Die Reibung der eingetauchten Ruder-blätter muss zu einer Erwärmung des Wassers führen, auch wenn die so gering ausfällt, daß sie nicht meßbar ist.

In ihrem Mauerblümchendasein steht die Einheit Joule heute nicht allein da. So bietet zum Beispiel auch die offiziell abgeschaffte Pferdestärke dem Kilowatt nach wie vor Paroli: Am Stammtisch hat das neue Auto immer noch 110 PS statt 81 kW. Ob Herrn Joule das trösten würde? Übrigens: Man spricht ihn Dschul.

Quelle: VDEW, SL 1994

Verwirrung auf dem

Speiseplan

Eine ungeliebte Maßeinheit tut sich schwer – Die Kalorie will noch nicht weichen


Lösungen


zu Arbeitsblatt 2.2 – Die andere Umrechnungstabelle

1 Kilo-Joule(kJ) entspricht eintausend Joule 103 1.000

1 Mega-Joule(MJ) entspricht einer Million Joule 106 1.000.000

1 Giga-Joule(GJ) entspricht einer Milliarde Joule 109 1.000.000.000

1 Tera- Joule(TJ) entspricht einer Billion Joule 1012 1.000.000.000.000

1 Peta-Joule(PJ) entspricht einer Billiarde Joule 1015 1.000.000.000.000.000

1 Exa-Joule(EJ) entspricht einer Trillion Joule 1018 1.000.000.000.000.000.000

zu Arbeitsblatt 2.3 – Der Wirkungsgrad

0,6 kJ = eingestrahlte Energie

0,6 kJ × 9 m2 = 5,4 kJ = 5400 Watt

5400 W × 0,12 = 648 W

t = 1 kWh = 1,54 h

zu Arbeitsauftrag die Energiebilanz der Erde

100 % Sonneneinstrahlung; abzügl. 31 % Reflexion der Lufthülle; abzügl. 21,7 % Wärmeabstrahlung der Lufthülle; 47,3 % erreichen die Oberfläche, d. h. 47,3 % der eingestrahlten Energie werden im Energie-haushalt der Erde umgesetzt

zu Arbeitsblatt 2.4 – Das Joule und sein Namensgeber

1978 hat die physikalische Einheit Joule ihren amtlichen Vorgänger, die Kalorie, abgelöst – in der Praxis bis heute mit mäßigem Erfolg.

1 m2 × 1 s

1 m2 × 1 s

648 W

s


Aufgabenstellung

Station 3 – Wärmekraftwerke

Material:

Lernsequenzen Heft 2 – Wärmekraftwerke Arbeitsblatt 3.1 – Funktionsweise von Wärmekraftwerken Arbeitsblatt 3.2 – Wärmekraftwerke als Energiewandler Arbeitsblatt 3.3 – Wirkungsweise von Wärmekraftwerken Textblatt „Stromerzeugung in Wärmekraftwerken“

Zusätzliche Informationen unter:

http://www.rag-deutsche-steinkohle.de/virtuelle_grubenfahrt/index.php

Arbeitsaufträge:

Lies in den Lernsequenzen Heft 2 – Wärmekraftwerke Seite 8 und 9.

Bearbeite das beiliegende Arbeitsblätter und beantworte die Frage: In welchem Anlagenteil findet die Umwandlung in elektrische Energie statt?

Zusatzaufgabe:

Lies in den Lernsequenzen Heft 2 – Wärmekraftwerke Seite 10 bis 15 zur Vertiefung.


Arbeitsblatt – Funktionsweise von Wärmekraftwerken


Am Beispiel eines Steinkohlekraftwerks

Fülle den Lückentext aus, setze dazu die folgenden Begriffe ein: Generator, Turbine, Dampf, Dampferzeu-ger, Speisewasserpumpe, chemische Energie, Wärmeenergie, Kessel, Wasser, Kondensator, Wärme, Tur-bine, Generator, Dampf

Kohlenmühle

KohlenstaubgebläseKessel/Dampferzeuger

Zur Rauchgas-reinigung

Dampf unterhohem Druck

Speisewasserpumpe

Turbine

Kühlwasseraus einemFluss

Leitungsmast

Generator

Kondensator

VorwärmerKohlenlager

In Kohlekraftwerken wird durch die Verbrennung die im Brennstoff gebundene 1

in 2 umgewandelt, Wasser wird verdampft, und dieser 3

treibt die 4 an. Die Drehbewegung der Turbine wird über eine Achse auf den 5 übertragen, der durch Umwandlung der mechanischen Energie elektrische

Energie „erzeugt“.

Der Vorgang der Umwandlung im Einzelnen: Im 6 wird die Kohle verbrannt

und dadurch 7 erzeugt. Diese Wärme wird auf das 8 über-

tragen, das in Rohrleitungen durch den 9 strömt. Das Wasser verdampft,

der überhitzte 10 wird auf die 11 geleitet. Dieser bei hoher

Temperatur unter hohem Druck stehende Dampf treibt beim Durchströmen die Flügelräder

der Turbine an. An die Turbine angekoppelt ist der 12 , der den elektrischen

Strom „erzeugt“. Der in der Turbine „abgearbeitete Dampf“ wird im 13

wieder abgekühlt, kondensiert zu Wasser und wird mit Hilfe der 14 in das

Rohrnetz des Kessels zurückgepumpt, um dort erneut erhitzt und verdampft zu werden.


Arbeitsblatt – Wärmekraftwerke als Energieumwandler


In Kraftwerken wird elektrische Energie aus anderen Energieformen gewonnen. Beschrifte die wichtigs-ten Teile in der Skizze. Ergänze die Energieumwandlungskette.

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Arbeitsblatt – Wirkungsweise


Erläutere die prinzipielle Wirkungsweise eines Kohlekraftwerkes bei der Energieerzeugung.


Lösungen


zu Arbeitsblatt Funktionsweise von Wärmekraftwerken

Lösungen zum Lückentext:

1 = Chemische Energie

2 = Wärmeenergie

3 = Dampf

4 = Turbine

5 = Generator

6 = Kessel

7 = Wärme

8 = Wasser

9 = Dampferzeuger

10 = Dampf

11 = Turbine

12 = Generator

13 = Kondensator

14 = Speisewasserpumpe

zu Arbeitsblatt Wärmekraftwerke als Energieumwandler

siehe Lernsequenzen Heft 2 – Wärmekraftwerke Seite 8


Aufgabenstellung

Station 4 – Kraft-Wärme-Kopplung

Material:

Lernsequenzen Heft 2 - Wärmekraftwerke Arbeitsblatt 4.1 – KWK Arbeitsblatt 4.2 - Berechnungsbeispiel

Arbeitsaufträge:

Erarbeite anhand des Arbeitsblattes 4.1 – KWK das Prinzip einer Kraft-Wärme-Kopplung. Lies in den Lernsequenzen Heft 2 – Wärmekraftwerke Seite 24 bis 26 das Kapitel 4.2. Kraft-Wärme-Kopplung. Vollziehe die Beispielrechnung auf Arbeitsblatt 4.2 nach.

Zusatzaufgabe:

Kläre die folgenden Fragen während einer Kraftwerksexkursion. Welcher Unterschied besteht zwischen dem Hauptkondensator und dem Heizkondensator? Wie lässt sich das Heizkraftwerk dem unterschiedlichen Energiebedarf im Sommer und im Winter anpassen? Wofür kann im Sommer Fernwärme genutzt werden?


Arbeitsblatt 4.1 – KWK


In einem herkömmlichen Wärmekraftwerk wird ausschließlich elektrische Energie erzeugt. Ein Heizkraft-werk erzeugt dagegen sowohl elektrische Energie als auch Fernwärme.

Beschreibe den Wasser – Dampf - Kreislauf,

• wenndasHeizkraftwerkausschließlichelektrischeEnergieerzeugt.WasnimmtindiesemFalldiesogenannte Abwärme auf?

• wenndasHeizkraftwerkausschließlichFernwärmeerzeugt.WasnimmtindiesemFalldiesogenannte Abwärme auf?

Dampferzeuger

Speise- wasser- pumpe

Brennstoff

zur Rauchgas-reinigung

IndustrieWohnhäuser

Kühlturm

KondensatorWärme- tauscher

Turbinen

Generator

Stromnetz

Quelle: ASE/nach RWE Energie AG


Arbeitsblatt 4.2 – Berechnungstabelle


Berechnungsbeispiel zur Kraft-Wärme-Kopplung

In dem nachfolgenden Beispiel wurde in der Berechnung nicht der Wirkungsgrad, sondern der Nutzungs-grad zugrunde gelegt: Der Wirkungsgrad einer Anlage wird in ihrem Bestpunkt gemessen. Er gibt also den Wert an, mit dem die eingesetzte Energie am besten – das ist meist unter Volllast – ausgenutzt wird. Sobald Energiesysteme miteinander verglichen werden, zieht man den Nutzungsgrad heran. Er ist der „Wirkungsgrad“, der über ein ganzes Jahr erzielt wird, und beinhaltet das An- und Abfahren einer Anlage sowie den Teillastbetrieb. Der Nutzungsgrad ist damit der über einen bestimmten Zeitraum erzielte Wirkungsgrad.

Die Gärtnerei Blumenfrisch benötigt im Jahr 450.000 kWh Wärme mit einer Temperatur von 80 °C zur Beheizung der Gewächshäuser. Zudem benötigt Blumenfrisch insgesamt 400.000 kWh Strom. Einen großen Teil des Strombedarfs, nämlich 200.000 kWh, wird auch dann benötigt, wenn die Wärme gebraucht wird.

Es gibt zwei Versorgungsvarianten:

Bei der Variante 1 stellt Blumenfrisch die Wärme mit einem Ölkessel bereit. Er hat einen Nutzungsgrad von 80 %. Den Strom bezieht das Unternehmen vom Energieversorgungsunternehmen (EVU). Dieses pro-duziert ihn mit einem Kondensationskraftwerk, welches einen Nutzungsgrad von 37 % erzielt.

Bei der Variante 2 ergibt sich die Möglichkeit, dass Blumenfrisch ein Blockheizkraftwerk (BHKW) einsetzt und damit den Strom teilweise und die Wärme komplett selbst erzeugt. Es hat 50 kW elektrische und 70 kW thermische Leistung. Daraus ergibt sich ein elektrischer Nutzungsgrad von 35 % und einen ther-mischer von 49 %.

Damit an besonders kalten Tagen der Wärmebedarf abgedeckt werden kann, muss zusätzlich ein Heiz-kessel eingesetzt werden. Dieser stellt die Wärme, die das BHKW nicht erzeugen kann, mit einem Nut-zungsgrad von 80 % bereit. Das BHKW macht nur dann energetisch Sinn, wenn Strom und Wärme gleichzeitig genutzt werden.


Welches ist hinsichtlich dem Primärenergieeinsatz (PE) die günstigste Variante?

Variante 1

PE,Strom 400.000 kWh / 0,37 1.081.081 kWh

PE,Wärme 450.000 kWh / 0,80 562.500 kWh

Summe PE,Strom + PE,Wärme 1.643.581 kWh

Variante 2

Strom,BHKW 200.000 kWh

Ausnutzungsdauer,BHKW 200.000 kWh / 50 kW 4.000 h

Wärme,BHKW 70 kWh × 4.000 h 280.000 kWh

PE,BHKW 200.000 kWh / 0,35 571.429 kWh

Strom, EVU 400.000 kWh – 200.000 kWh

PE,Strom EVU 200.000 kWh / 0,37 540.540 kWh

Wärme Heizkessel 450.000 kWh – 280.000 kWh 170.000 kWh

PE,Wärme 170.000 kWh / 0,80 212.500 kWh

Summe PE,BHKW + PE,Strom EVU + PE,Wärme 1.324.469 kWh

Die Variante 2 mit dem BHKW ist primärenergetisch für Blumenfrisch die beste Lösung. Es stellt sich ein Vorteil von rund 20 % ein.


Aufgabenstellung

Station 5 – Kraftwerkskomponenten

Material:

Lernsequenzen Heft 2 - Wärmekraftwerke http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/index3.htm Arbeitsblatt 5.1 – Prinzipskizze

Zusätzliche Informationen siehe unter:

http://www.rwesolutionsworld.de/dokumente/rwe_solutions_world_index_v4.html http://www.tilo-schuster.de/2004/homes04-46.htm

Arbeitsaufträge:

Verfolge im Lexikon der Energiewelten online einen Gang durch die wichtigsten Komponenten eines Heizkraftwerkes.

Benutze dazu folgende Verknüpfungen:

•Wärmekraft – Verbrennungskraftwerk – Dampferzeugung – Kessel – Benson-Kessel

•Rauchgasreinigung – Schadstoff in den Rauchgasen – Dampfturbine – Ausführungen

•Generator – Kraftwerksgeneratoren

•Kondensator

•Kühlturm – Naturzug-Nasskühlturm

Lies in den Lernsequenzen Heft 2 – Wärmekraftwerke die Seiten 9 bis 15 Kapitel 2.1.3. bis 2.1.7

Ergänze auf Arbeitsblatt 5.1 – Prinzipskizze die erkannten Komponenten.


Arbeitsblatt 5.1 – Prinzipskizze


1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

1

2

3

6

7

8 9

12

10

11

13

15

144 5


Lösung


zu Arbeitsblatt 5.1 Prinzipskizze

1 - Kessel / Brennkammer

2 - Feuerung / Brenner

3 - Rauch- und Abgasabzug

4 - Speisewasserpumpen

5 - Speisewasser

6 - Heißdampf

7 - Hochdruckturbine

8 - Niederdruckturbine

9 - Generator

10 - Energiemaschine

11 - Kondensator

12 - Kühlwasserpumpe

13 - Kühlwasser

14 - Vorwärmer

15 - Leitung zum Stromnetz


Der Kraftwerksbesuch


Eine Betriebserkundung muss im Unterricht sorgfältig vor- und nachbereitet werden. Die Vorbereitung muss einerseits auf physikalisch-technischer Ebene erfolgen – bestimmte elektrische Maßeinheiten und Größenordnungen sowie die Grundlagen des Kraftwerksprozesses sollten den Schülerinnen und Schülern auf jeden Fall bekannt sein.

Zum anderen ist es wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler für die Begegnung mit der betrieblichen Realität über einen geeigneten Leitfaden verfügen. Hier hat sich ein Fragen- und Aufgabenkatalog bewährt, der im vorbereitenden Unterricht von den Schülern selbst erarbeitet wird. Im Kraftwerk kann ein solcher Katalog den Schülern helfen, mit offenen Augen und aktiver Fragestellung an die Dinge her-anzugehen. Zwei bis drei vorbereitete Fragen pro Arbeitsgruppe garantieren eine lebhafte und doch ziel-gerichtete Veranstaltung.

Folgende fachliche Grundlagen sollten bekannt sein:

• ElektrischeGrundgrößenundMaßeinheiten – Spannung (Volt) – Stromstärke (Ampére) – Leistung (Watt) – Arbeit/Energie (kWh)

• GrößenordnungenelektrischerLeistung – Glühlampe ................................................................................................................................ 60 W – Bügeleisen ............................................................................................................................ 1000 W – Wäschetrockner ........................................................................................................................ 3 kW – Windkraftanlage ..................................................................................................................1100 kW – Heizkraftwerk ...................................................................................................................... 100 MW – Kohlekraftwerk ....................................................................................................................600 MW – Kernkraftwerk ................................................................................................................... 1.300 MW

• GrößenordnungenelektrischerEnergie – 100-W-Glülampe verbraucht in 10 Stunden ............................................................................. 1 kWh – Durchschnittlicher Jahresverbrauch eines 3-Personen-Haushalts ....................................... 3600 kWh – Durchschnittliche Jahresproduktion eines 600-MW-Kohlekraftwerkes ........................... 5 Mrd. kWh – Jahresproduktion 2007 ............................................................................................ 492,1 Mrd. kWh

• Kraftwerksprozess – Energieformen und Energieumwandlung – Funktionsprinzip von Turbine, Generator, Transformator


Fragen- und Aufgabenkatalog

Bei der unterrichtlichen Entwicklung von Fragen und denkbaren Erkundungsaufgaben sollte darauf geachtet werden, dass die Schülerinnen und Schüler genügend Zeit haben, sich mit den verschiedenen Aspekten des Erkundungsobjektes Kraftwerk aktiv zu befassen. Von der Arbeit mit von der Lehrkraft vorformulierten Erkundungsfragen wird ist abzuraten, da sich die Schüler mit einem solchen in der Regel nur wenig identifizieren.

Im folgenden sind sechs Bereiche aufgeführt, zu denen sich Fragen und Erkundungsaufgaben (z. B. das Anfertigen von Skizzen oder Fotos) entwickeln lassen. Es bietet sich an verschiedene Arbeitsgruppen zu bilden, die sich jeweils einem der Bereiche widmen. Unterschiedliche Interessen der Schülerinnen und Schüler können dabei berücksichtigt werden.

•Rohstoffversorgung – Herkunft, Transportwege und Beschaffenheit der eingesetzten Kohle – Kosten heimischer oder importierter Kohle – Vorratshaltung, Kohleaufbereitung

•Energieumwandlungsprozess – Funktion und technische Daten der Anlagenkomponenten – Kühlkreislauf, Kühlwasseraufbereitung, Kühlwassermenge – Umweltschutz – Luftschadstoffe, Anlagen zur Rauchgasreinigung – Gewässerschutz, Lärmschutz – Reststoffe und deren Beseitigung

•Kraftwerkssteuerung – Ausstattung und Aufgaben der Leitzentrale – Kontrollmechanismen, Anlagensicherheit – Stromproduktion und Stromverteilung – Kraftwerksleistung, Einsatzzeiten – Tages- und Jahresproduktion, Lastkurve – Technische Voraussetzungen der Stromfortleitung; Freiluftschaltanlagen; Hochspannungsleitungen;

Verbundnetz

•ArbeitsplatzKraftwerk – Berufe und Berufsausbildung – Anforderungsprofile von Arbeitsplätzen, Fortbildungsmöglichkeiten – Mitarbeiterstruktur, Einzugsgebiet – Entlohnung, soziale Leistungen

Nachbereitung

Die unterrichtliche Nachbereitung hat das Ziel, die eingeholten Informationen zu ordnen, auszuwerten und gegebenenfalls zu vertiefen. Hierzu können mündliche oder schriftliche Berichte dienen, die bei einem arbeitsteiligen Vorgehen jeweils gruppenweise erstellt und im Plenum vorgetragen werden. Eine anschauliche Verwertung der gesammelten Skizzen und Fotografien, ist das Zusammenfügen der einzel-nen Kraftwerkskomponenten auf einer Wandzeitung im Klassenraum.


Terminplanung

Die Kraftwerkserkundungen sind beliebt und sollten sich natürlich möglichst nahtlos in den Unterrichts-verlauf einfügen. Wenden sie sich deshalb frühzeitig zwecks einer Terminabsprache an das Energiever-sorgungsunternehmen, dessen Kraftwerk sie besichtigen wollen.

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