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22 RAAbits Physik Februar 2011
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Sonne, Wind- und Wasserkraft – wie gewinnt man aus erneuerbaren Energien Strom?
Dr. Beate Bathe-Peters, Berlin
Die Angst um die Natur wird dann am heftigsten, wenn sie auch eine Angst um das eigene Wohlergehen ist (Joachim Radkau, Natur und Macht, München 2000).
In diesem Beitrag lernen Ihre Schüler erneuerbare Energien kennen. Sie entde-cken in einfachen Experimenten die physi-kalischen Techniken, die der Gewinnung von grünem Strom zugrunde liegen.
Der Beitrag im Überblick
Klasse: 8
Dauer: 8 – 9 Stunden
Ihr Plus
Puzzle zur Geothermie
Bauanleitung Daumenkino
Erfolgskontrolle
Inhalt
Die Techniken kennenlernen, mit denen aus alternativen Energiequellen (Wind, Biomasse, Wasser, Erdwärme und Sonne) Strom gewonnen wird
Eigenständig Versuche durchführen und dokumentieren
Alternative Energien im gesellschaft-lichen Kontext bewerten
Ein Thema, das zu Diskussionen anregt!
Windenergieanlagen
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IIIFachliche und didaktisch-methodische Hinweise
Früher war der Müller auf den Wind angewiesen, um sein Korn zu malen. Segelschiffe fuhren nur, wenn der Wind blies. Pumpsysteme wurden mit Wasserkraft betrieben. Die Wäsche bleichte in der Sonne und zum Kochen und Heizen reichten die Kohle- und Ölvorkommen aus, die man hatte.
Mit der Industrialisierung ist der Bedarf an Energie stark gestiegen. Wir benötigen jede Sekunde Unmengen an Energie, für Arbeitsprozesse zu Hause und in Fabriken, aber auch zum Wohnen. Außerdem soll die Energie jederzeit verfügbar sein. Daher verbrennen wir fossile Brennstoffe (Erdöl, Erdgas, Kohle) und nutzen Kernspaltungsprozesse, um Strom zu erzeugen.
Fossile Brennstoffe sind nicht unbegrenzt verfügbar. Außerdem führt die Verbrennung fossiler Rohstoffe zu einem gewaltigen Anstieg von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre. Dieser Anstieg ist eine Ursache für die allmähliche globale Erwärmung und den daraus resultierenden Klimawandel, dessen bedrohliche Auswirkungen sich immer deutlicher abzeichnen. Für radioaktiven Müll haben wir bislang kein Endlager.
Pol- und Gletscherschmelze, Treibhauseffekt, die Verknappung der Ressourcen und die ungelöste Frage, was man mit radioaktivem Müll macht, lassen die Menschen nach Alter-nativen suchen: Energien, die immer und unbegrenzt verfügbar sind und deren Nutzung uns nicht – langfristig gesehen – schadet.
Wie sieht ein zukunftsfähiges Energiekonzept aus?
Die Frage, welche Alternativen es zu konventionellen Energien gibt, lässt sich recht einfach beantworten: Sonnenenergie, Wind- und Wasserkraft, die Geothermie und die Nutzung von Biomasse zählt man zu den erneuerbaren Energien.
Die Fotovoltaik nützt das größte Kraftwerk unseres Planetensystems, die Sonne. Gerade in sonnenreichen Gegenden im Süden Deutschlands (wie dem Kaiserstuhl) bietet es sich an, auf dem Dach Sonnenkollektoren zu installieren und so zumindest einen Teil des Warmwas-serverbrauchs zu decken. Man verwendet die Sonnenenergie aber auch direkt zum Heizen. Unter anderem aufgrund der Subventionen vonseiten des Staates hat diese alternative Energiequelle einen hohen Bekanntheitsgrad erlangt. Sie wird von vielen Privathaushalten genutzt.
Geothermie ist, bei kostengünstiger Installation, ebenfalls ein wichtiger Energielieferant für Einfamilienhäuser, Schulen und Fabriken. Mithilfe der Geothermie kann man aus der Erde Wärme gewinnen. Wenn ein Grundwasserreservoir auf dem Grundstück vorhanden ist, ist dies über zwei Brunnen realisierbar und äußerst effizient.
Mit der Verbrennung von Biomasse decken inzwischen gesamte Dörfer mehr als die Hälfte ihres Jahresstromverbrauchs und Wärmebedarfs. Die bei der Verbrennung von Biomasse entstehenden Biogase nutzt man, um Wärme und Strom zu erzeugen. Die vorbildlichsten Bioenergiedörfer in Deutschland sind die Dörfer Jühnde-Barlissen (Niedersachsen), Effelter (Bayern) und Feldheim (Brandenburg), die den bundesweiten Wettbewerb Bioenergiedörfer 2010 gewonnen haben.
Windparks (auch offshore) erzeugen heute einen Anteil von 1,6 % am gesamten Energie-verbrauch Deutschlands (Erneuerbare Energien in Zahlen: Nationale und internationale Entwicklung, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit).
Die Windenergie sowie die Wasser- und Wärmeenergie dienen als Antrieb für Generatoren und werden so zur Erzeugung von Strom genutzt. Die Wärme verwendet man aber auch direkt zum Heizen.
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IIIMaterialübersicht
V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie
M 1 Ab Grundumsatz, konventionelle und erneuerbare Energien
M 2 Ab Konventionell oder alternativ? – Energiequellen zuordnen
M 3 Fo Ganz schön clever! – Energie, die die Natur liefert
M 4 Der Fahrraddynamo – das Prinzip eines Generators verstehen
M 5 Ab Lauter Einzelteile – selbst einen Generator zusammenbauen
M 6 Fo Tippkarten, die dir den Bau des Generators erleichtern
M 7 Ab Ein Brainstorming: Wie kann man den Generator antreiben?
M 8 Ab/SV Becher und Zahnstocher – die Kraft des Wassers ausnutzen
V: 10 min
D: 5 min
Schere
scharfes Messer
Korken
Joghurtbecher
2 Zahnstocher
2 Wäscheklammern
Wasserhahn
M 9 Ab/SV Untersuche die Windkraft: Wie kann man sie effizient nutzen?
V: 5 min
D: 5 min
Schere
Papier (quadratisch)
Klebstoff
Schaschlikstab
2 Schießgummis
2 Wäscheklammern
M 10 Ab/SV M 10 Daumenkino – ein Messinstrument für das Windrad bauen
V: 5 min
D: 5 min
Daumenkino-Messinstrument
M 11 Ab Wärme erwünscht – das Prinzip einer Dampfturbine verstehen
M 12 Ab/SV Bioenergie – baue eine Biogasanlage!
V: 5 min
D: 5 – 7 Tage
organisches Material (Pflanzen, Äste, Kartoffelschalen)
Sonne oder Wärme
Plastikdose oder -flasche mit Deckel oder Frischhaltefolie (und Gummi) zum Verschließen
M 13 Ab Rätsel um die verborgene Energiequelle
M 14 Ab Des Rätsels Lösung
M 15 Ab/SV Fotovoltaik – spüre die Energie der Sonne!
V: 5 min
D: 5 min
festes Papier
Schere
Sonne oder Lampe
Alufolie
Klebstoff
M 16 LEK Bist du jetzt Experte für alternative Energien? – Teste dich!
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Zur Erinnerung
Energie ist nicht dasselbe wie Leistung
Im Haushalt sprechen wir oft von Energie, an den Geräten ist aber die Leistung angegeben. Die Leistung beschreibt die Arbeit pro Zeiteinheit P = W/t. Sie wird in Watt [W] gemessen, die Energie hingegen in Joule [J]. Eine veral-tete Einheit für die Energie ist die Kalorie [cal]. Zum Umrechnen gilt Folgendes:
1 kcal = 4187 J(2) 1 kcal/h = 1,163 W
M 1 Grundumsatz, konventionelle und erneuerbare Energien
Dein Körper benötigt Energie, um die Funktion der Organe aufrecht und die Körpertemperatur konstant (auf etwa 37 °C) zu halten. Diesen Energiebedarf bezeichnet man als Grundum-satz. Je nach Aktivität benötigst du aber mehr Energie. Sprintest du im Sportunterricht eine 100-m-Strecke, benötigen deine Muskeln kurz-zeitig durchschnittlich das 100-Fache an Energie.
Aufgabe 1
Ein Junge im Alter zwischen 15 und 18 Jahren benötigt als Grundumsatz im Durchschnitt 3100 kcal/Tag, ein Mädchen 2500 kcal/Tag(1). Die Einheit kcal benutzen wir aber nur noch für Nährwertangaben.
Berechne, welcher Leistung der Grundumsatz entspricht.
Im täglichen Leben benötigen wir aber mehr Energie, denn wir bedienen uns zahlreicher Geräte, die Energie verbrauchen (Verbrauch eines Single-Haushalts (Einzelperson) pro Jahr circa 1500 kWh Strom(3)).
Aufgabe 2
a) Beschrifte die Bilder auf der folgenden Seite (M 2) mit den nachstehenden Begriffen:
b) Entscheide, ob es sich um eine konventionelle (nicht erneuerbare) oder alternative (erneu-erbare) Energie handelt. Die konventionellen Energien kreist du rot ein, die alternativen grün. Begründe deine Entscheidung, um welche Energiequelle es sich handelt.
Tipp Der Anfang ist schon gemacht.
1 http://www.familienhandbuch.de/cmain/f_aktuelles/a_ernaehrung/s_899.html
2. http://www.novafeel.de/ernaehrung/joule-kalorien-umrechnen.php
3 http://www.stromvergleich.de/durchschnittlicher-stromverbrauch
Solarenergie
Wasserkraft
Windkraft
Erdwärme
Braunkohle
Steinkohle
Biomasse
Erdgas
Erdöl
Atomkraft
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IIIM 4 Der Fahrraddynamo – das Prinzip eines Generators verstehen
Mit Energie kann man Arbeit verrichten. Einfachstes Beispiel: Du fährst bei Dunkelheit Fahrrad und erzeugst durch kräftiges Strampeln mit deinem Dynamo Strom für die Fahr-radbeleuchtung.
Wie funktioniert dein Kraftwerk?
Beim Dynamo am Fahrrad wird Bewegungsenergie in elektrischen Strom umgewandelt. Die Drehbewegung des Antriebsrades am Reifen bewirkt eine Drehung des Magneten, der sich im Zentrum einer Spule befindet. So ändert sich ständig das magnetische Feld in dem elektrischen Leiter und es wird eine Wechselspannung induziert. Der Dynamo stellt also einen kleinen Generator dar.
Aufgabe 1
Beschreibe den Aufbau und die Funktionsweise des Dynamos mit Eisenkern, den du auf dem Bild ganz rechts siehst.
In einem Kraftwerk befindet sich ein viel größerer Generator, der nach dem gleichen Prinzip wie dein Fahrraddynamo arbeitet. Deshalb findet man dort auch die gleichen Bauteile wie die hier in Abb. 4 (auf der nächsten Seite) abgebildeten.
Aufgabe 2
Nebenstehend siehst du das Gehäuse eines Generators. Ordne die Bauteile auf der nächsten Seite (M 5) so an, dass mit zusätzlichen Kontakten und dem Antriebsrad an der richtigen Stelle Strom erzeugt werden kann.
Zeichne das Ergebnis in dein Heft.
Abb. 1: Wie viel Energie liefert wohl ein Dynamo am Fahrrad?
Abb. 2: Prinzipieller Aufbau
Abb. 3: Alternativer Aufbau mit Eisenkern
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Gehäuse eines Generators
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IIIM 7 Ein Brainstorming: Wie kann man den Generator antreiben?
Abb. 1: Generator Braunkohlekraftwerk
Abb. 2: Gleichstromgenerator
Im Generator eines Kraftwerks dreht sich der Magnet an den Spulen vorbei. Im Allgemeinen wird im Kraftwerk statt eines Dauermagneten ein Elektromagnet verwendet, der es erlaubt, viel stärkere Magnetfelder zu erzeugen. Je nach Typ und Verwendungszweck des Genera-tors ist die Anordnung, Anzahl der verwendeten Spulen und Aufbau unterschiedlich. Das Prinzip, dass durch Rotation Strom erzeugt wird, findet man aber immer wieder. Wie wird nun diese Rotation erzeugt? Wodurch wird der Generator angetrieben?
Aufgabe
Notiere in deinem Heft alle deine Ideen, wie man einen Generator antreiben kann, ohne die eigene Muskelkraft (wie beim Fahrraddynamo) zu gebrauchen.
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Abb. 3: So ähnlich sollte die Zeich-nung deines Generators aussehen.
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IIIM 8 Becher und Zahnstocher – die Kraft des Wassers ausnutzen
In deinem Brainstorming hat die Kraft des Wassers als Antrieb des Generators sicherlich nicht gefehlt. Wie genau kann man diese Wasserkraft nutzen?
Aufgabe
Baue einen Antrieb zur Nutzung der Wasser-kraft. Schreibe deine Vermutungen in dein Heft, wie dieser Antrieb beschaffen sein muss, um den Generator anzutreiben.
Schülerversuch: Modell Wasserrad
Vorbereitung: 10 min Durchführung: 5 min
Materialien
Schere
scharfes Messer
Korken
Joghurtbecher
2 Zahnstocher
2 Wäsche-klammern
Wasserhahn
Versuchsvorbereitung
Schneide aus der Seitenwand des Joghurt-bechers vier „Flügel“ heraus. Danach schnei-de den Korken an vier Seiten längs mit dem Messer ein und stecke die Flügel in diese Schnitte. Nun stecke an jeder Seite einen Zahnstocher in den Korken. Die Wäscheklam-mern bilden die Halterung.
Versuchsdurchführung
Öffne den Wasserhahn leicht. Halte das Wasserrad so, dass es sich dreht.
Versuchsergebnis
Erkläre in deinem Heft, wie du das Wasserrad halten musst, damit es sich dreht.
Theoretische Weiterüberlegung
Erläutere, wie das Wasserrad (Wasserturbine) an den Generator angebunden werden kann.
Abb. 1: Hat die Form und Größe deiner Flügel Auswirkungen auf die Drehbewegung?
Wusstest du schon, …
… dass das entscheidende Bauteil in einem Wasserkraftwerk die soge-nannte Wasserturbine ist?
Sie übersetzt die Strömungsenergie des Wassers in eine Rotation, die mithilfe des Generators elektrische Energie erzeugt. Die Wasserturbine funktioniert dabei ähnlich wie ein normales Wasserrad.
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IIIM 9 Untersuche die Windkraft: Wie kann man sie effizient nutzen?
Aufgabe 1
Baue einen geeigneten Antrieb für den Generator zur Nutzung der Windkraft. Erkläre in deinem Heft, welche Aufgabe er erfüllen muss und wie du ihn dir vorstellst.
Schüler-/Partnerversuch: Modell Windrad
Vorbereitung: 5 min Durchführung: 5 min
Materialien
Schere
Papier (quadratisch)
Klebstoff
2 Schießgummis
2 Wäscheklammern
Schaschlikstab
Versuchsvorbereitung
Schneide ein quadratisches Papier gemäß der neben-stehenden Zeichnung ein, loche es und stecke es zum Windrad zusammen, indem du z.B. den Schaschlik-stab nacheinander durch alle vier äußeren Löcher und zum Schluss durch das Loch in der Mitte steckst.
Mit einem Gummi vor und hinter dem Rad fixierst du es. Montiere das Windrad auf dem Stab. Die Wäsche-klammern dienen als Halterung.
Versuchsdurchführung
Blase das Windrad auf verschiedene Weise an und demonstriere seine Funktion. Nutze für deinen Auf-schrieb dein Heft.
Versuchsergebnis
Erläutere, von welchen Faktoren es abhängt, wie lange und wie schnell sich das Rad dreht.
Aufgabe 2
Begründe den Unterschied zu dem Aufbau eines konventionellen Windrades für Kinder.
Abb. 1: Wie nennt man in der Physik so eine Nachbildung?
Abb. 2: Achte darauf, dass dein Blatt quadratisch ist!
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IIIErläuterungen und Lösungen
Die grauen Kästchen kennzeichnen Tipps zum Einsatz.
M 1 Grundumsatz, konventionelle und erneuerbare Energien
Ohne Energie kein Leben – ein einzelner Jugendlicher benötigt zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen 2500 – 3100 kcal/Tag. Die Einheit Kalorien wird aber nur noch bei Nährwertangaben verwendet. In der Physik gebraucht man als Einheit für die Energie das Joule. Diese Einheit ersetzt seit 1977 die Einheit Kalorien. Seit dem Jahr 2010 darf laut EU-Richtlinie der Energiegehalt von Lebensmitteln nur noch in der Einheit Joule angegeben werden. Die Einstiegsaufgabe trainiert das Umrechnen von der alten in die neue Einheit.
Manchmal sprechen wir von Energie und meinen eigentlich Leistung. Klären Sie diesen Unterschied zu Beginn der Unterrichtseinheit.
Bei Aufgabe 2 grenzen die Lernenden alternative Energiequellen von den konventionellen ab. Klären Sie gerade bei schwächeren Klassen den Unterschied zwischen konventionellen (nicht erneuerbaren) und alternativen (erneuerbaren) Energiequellen im Klassengespräch, bevor Sie die Materialseiten austeilen.
Lösung (M 1)
1. 1 kcal = 4187 J 1 kcal/h = 1,163 W
Junge: 3100 kcal/24 h = 129,17 kcal/h = 129,17 1,163 W = 150 W
Mädchen: 2500 kcal/24 h = 104,17 kcal/h = 104,17 1,163 W = 121 W
Der Grundumsatz eines männlichen Jugendlichen entspricht einer Leistung von 150 W, der einer weiblichen Jugendlichen einer Leistung von etwa 121 W. Treibt man Sport, ist die erbrachte Leistung aber wesentlich höher.
2. Erneuerbare Energien, auch regenerative Energien genannt, sind Energien aus Quellen, die sich entweder kurzfristig von selbst erneuern oder deren Nutzung nicht zur Erschöp-fung der Quelle führt. Es sind nachhaltig zur Verfügung stehende Energieressourcen. Zu diesen zählen insbesondere Wasserkraft, Windenergie, solare Strahlung (Sonnenenergie), Erdwärme (Geothermie) und die durch Gezeiten erzeugte Energie. Eine andere erneuer-bare Energiequelle ist die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnene Biomasse, deren energetisches Potenzial man als Biogas, Bioethanol oder in Form von Holz nutzt.
Im Gegensatz dazu stehen konventionelle Energiequellen nur für eine begrenzte Zeit zur Verfügung. Die Vorkommen an fossilen Energieträgern wie Erdöl, Kohle und Erdgas werden sich in absehbarer Zeit erschöpfen. Auch die Atomkraft zählt zu den konventio-nellen Energien. Dies liegt daran, dass die Atome bei der Kernspaltung verändert werden. Brennelemente brennen ab und müssen dann aufbereitet bzw. gelagert werden.
Diskussion als Grundlage für die Folgestunden
Diskutieren Sie im Anschluss an Aufgabe 2 über konventionelle und alternative Energie-quellen. Die Schüler sollen Pro- und Kontra-Argumente für alternative Energiequellen sammeln. Im Allgemeinen verlangen die Lernenden spätestens, wenn sie ihre Position begründen sollen, nach weiteren Informationen. Dies bietet eine gute Ausgangsbasis für die nachfolgenden Stunden.
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