45 Perspektiven der Energieversorgung Aufgabenstellung Station 6 – Wasserkraft Material: Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien Arbeitsblatt 6.1 – Wasserkraftarten Arbeitsblatt 6.2 – Energieumwandlungskette Arbeitsblatt 6.3 – Entwicklung des Wasserrades als Vorläufer der heutigen Turbine Arbeitsblatt 6.4 – Turbinenarten Arbeitsblatt 6.5 – Energie des Wassers Arbeitsaufträge: Lies auf Seite 19 & 20 Kapitel 4.2.2 in den Lernsequenzen Heft 3 - Regenerative Energien und mache dir auf Arbeitsblatt 6.1 Notizen. Ergänze auf dem Arbeitsblatt 6.2 die Energieumwandlungskette für ein Speicherwasserkraftwerk. Ergänze auf dem Arbeitsblatt 6.3 die Spalten Bezeichnung und Einsatzbereich der verschiedenen Wasserkraftwerkstypen. Lies auf Seite 17 & 18 Kapitel 4.1 bis 4.1.2 in den Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien und bearbeite und notiere die Vorteile und Nachteile der Nutzung von Wasserkraft. Zusatzaufgabe: Lies auf Seite 18 & 19 der Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien die Kapitel 4.2 und 4.2.1 und ergänze auf dem Arbeitsblatt 6.4. Oder: Vollziehe die Rechnung zur Energie des Wassers auf Arbeitsblatt 6.5 nach.
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45Perspektiven der Energieversorgung
Aufgabenstellung
Station 6 – Wasserkraft
Material:
Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien Arbeitsblatt 6.1 – Wasserkraftarten Arbeitsblatt 6.2 – Energieumwandlungskette Arbeitsblatt 6.3 – Entwicklung des Wasserrades als Vorläufer der heutigen Turbine Arbeitsblatt 6.4 – Turbinenarten Arbeitsblatt 6.5 – Energie des Wassers
Arbeitsaufträge:
Lies auf Seite 19 & 20 Kapitel 4.2.2 in den Lernsequenzen Heft 3 - Regenerative Energien und mache dir auf Arbeitsblatt 6.1 Notizen.
Ergänze auf dem Arbeitsblatt 6.2 die Energieumwandlungskette für ein Speicherwasserkraftwerk.
Ergänze auf dem Arbeitsblatt 6.3 die Spalten Bezeichnung und Einsatzbereich der verschiedenen Wasserkraftwerkstypen.
Lies auf Seite 17 & 18 Kapitel 4.1 bis 4.1.2 in den Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien und bearbeite und notiere die Vorteile und Nachteile der Nutzung von Wasserkraft.
Zusatzaufgabe:
Lies auf Seite 18 & 19 der Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien die Kapitel 4.2 und 4.2.1 und ergänze auf dem Arbeitsblatt 6.4. oder: Vollziehe die Rechnung zur Energie des Wassers auf Arbeitsblatt 6.5 nach.
46Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 6.1 Wasserkraftwerksarten
Station 6 – Wasserkraft
Notiere Dir zu den verschiedenen Wasserkraftwerksarten die wesentlichen Merkmale.
Laufwasserkraftwerke
Speicherwasserkraftwerke
Pumpspeicherwasserkraftwerke
47Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 6.2 Energieumwandlungskette
Station 6 – Wasserkraft
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48Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 6.3 – Entwicklung des Wasserrades als Vorläufer der heutigen Turbine
Station 6 – Wasserkraft
Beim mittelschlächtigen Wasserrad wird
in erster Linie die Schwerkraft genutzt.
Der Wirkungsgrad verbessert sich jedoch,
wenn durch geschickte Gestaltung des
Einlaufs die Geschwindigkeit des Wassers
erhöht wird.
Das vorherrschende Antriebsprinzip
beim unterschlächtigen Wasserrad ist
die Bewegungsenergie, doch auch die
Schwerkraft ist nicht zu vernachlässigen.
Die ursprüngliche Form des Wasser-
rads, das Stoßrad, nutzte aus-
schließlich die Bewegungsenergie
des Wassers (Aktionsprinzip).
Das oberschlächtige Wasserrad nutzt
vorwiegend die Lageenergie des
Wassers aus (Reaktionsprinzip).
ordne die Texte den richtigen Wasserrädern zu
43
12
Que
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49Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 6.4 Turbinenarten
Station 6 – Wasserkraft
1
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4
Bei der Francisturbine wird das Wasser durch ein feststehendes „Leitrad“ mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrads gelenkt. Da das Wasser vor dem Eintritt in die Turbine unter höherem Druck steht als nach dem Austritt, spricht man auch von einer Überdruckturbine.
Bei der Peltonturbine (auch Freistrahlturbine genannt) wird ausschließlich die Bewegungs-energie des Wassers genutzt, das aus einer oder mehreren Düsen auf die becherförmigen Schaufeln des Laufrads trifft. Da das Antriebswasser nach dem Austritt aus der Düse auf Umgebungsdruck entspannt wird, spricht man auch von einer Gleichdruckturbine. Die Peltonturbine wird in Wasserkraftwerken mit sehr hohen Fallhöhen bei vergleichsweise geringen Wassermengen eingesetzt. Sie ist typisch für Speicherwasserkraftwerke im Hochgebirge.
Für geringe Wasserdrücke bei großen Durchflüssen ist die Kaplanturbine geeignet, deren Laufrad einem Schiffs-propeller gleicht. Bei ihr lassen sich sowohl die Schaufeln des Laufrads als auch die des Leitwerks verstellen, sodass die Turbinenleistung an das schwankende Flusswasserangebot angepaßt werden kann.
1
2
3
4
5
Leitrad mit verstell-baren Schaufeln
Leitapparat mit verstellbaren Schaufeln
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3
4
6
5
Laufschaufeln, verstellbar
Laufradnabe
Turbinenwelle
1
Ergänze jeweils um die Begriffe: Gehäuse, Laufrad, Wasserzufluss, Wasserabfluss
50Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 6.5 – Energie des Wassers
Station 6 – Wasserkraft
Die potenzielle Energie E von Wasser hängt in erster Linie von seiner Fallhöhe ab. Um die „gespeicherte Energie“ zu berechnen, gilt:
E = g × m × h
m =Wassermenge (kg) h = Höhendifferenz g = Erdbeschleunigung (Fallgeschwindigkeit = 9,81 m/s2)
Mit Hilfe dieser Formel lassen sich mechanische Kraftwerksleistungen theoretisch errechnen und mit der elektrischen Kraftwerksleistung vergleichen, um den Wirkungsgrad einer Anlage zu bestimmen.
Aufgabe 1
•Rechneaus,wievielEnergieeinemit180LiterngefüllteBadewannebesitzt,wennsiesichaufeinerHöhe von 1.000 Metern befindet.
Es findet prinzipiell die gleiche Energieumwandlung statt, lediglich die nutzbare Fallhöhe des Wassers – und damit die Lageenergie – ist geringer als bei Speicherwasserkraftwerken und kann mit der Bewe-gungsenergie des strömenden Wassers gleichgesetzt werden.
Energieumwandlungskette eines Laufwasserkraftwerks
Bewegungsenergie des strömenden Wassers – Turbine – Drehbewegungsenergie – Generator – Elektrische Energie
zu Arbeitsblatt 6.3 – Entwicklung des Wasserrades als Vorläufer der heutigen Turbine
Schau dir die Abbildungen zum Aufbau eines Rotors auf Arbeitsblatt 7.1 an und lies die kurze Einführung zum Funktionsprinzip eines Windrades auf Seite 24 & 25 (Kapitel 5.2. & 5.3) der Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien.
Vollziehe auf Arbeitsblatt 7.2 – Windgeschwindigkeiten in Deutschland die Situation nach und berechne die mittleren Windgeschwindigkeiten.
Lies den beiliegenden Zeitungsartikel und diskutiere mit anderen Schülern, die aktuelle beobachtbare Entwicklung, dass auch in der Region immer mehr Windräder aufgebaut werden. Sammle Pro und Kont-ra-Argumente.
Zusatzaufgabe:
Lies zur Vertiefung Seite 22 bis 24 das Kapitel über die Potenziale der Windkraft.
54Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 7.1 Aufbau eines Zweiblatt-rotors
Station 7 – Windkraft
langsame Luftbewegung
schnelle Luftbewegung
Auftrieb
Entstehung des Auftriebs an einem Tragflächenprofil
ordne der Legende die Ziffern zu!
rotorblatt
Übersetzungsgetriebe
Windrichtungsnach -führung
Generator
Turm
rotornabe mit rotor-blattverstellung
rotorblatt im Schnittoberschale
Unterschalegewickelter Holm
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HEW
AG
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Aufbau eines Zweiblatt-rotors
55Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 7. 2 – Windgeschwindigkeiten in Deutschland
Station 7 – Windkraft
Jahresmittel der Windgeschwindigkeit (in 10 m Höhe)
............... > 5 m/s
.............. 4 - 5 m/s
............... < 4 m/s
Zone 1
Zone 2
Zone 3
MünchenAugsburg
Würzburg
Hof
FrankfurtTrier
Essen
Hannover
Dresden
Leipzig
Rostock
Bremerhaven
FriedrichshafenFreiburg
Berlin
Berechne die mittleren Windgeschwindigkeiten der Windstärkenskala in Stundenkilometern.
... und in diesen Gebieten Deutsch-lands sind die Wind-geschwindigkeiten technisch nutzbar:
Windgeschwindigkeiten der Windstärkenskala …
Beispiel:Windstärke 1 =̂ 0,9 m/s (Mittelwert)0,9 × 60 × 60 = 32403.240 m/h = 3,24 km/hWindstärke 1 =̂ 3,24 km/h
Que
lle: H
EW A
G
Windstärke nach Beaufort
Geschwindig-keit in m/s
Geschwindig-keit in km/h (Mittelwert)
0 Windstille 0 – 0,2
1 leichter Zug 0,3 – 1,5
2 leichte Brise 1,6 – 3,3
3 schwache Brise 3,4 – 5,4
4 mäßige Brise 5,5 – 7,9
5 frische Brise 8,0 – 10,7
6 starker Wind 10,8 – 13,8
7 steifer Wind 13,9 – 17,1
8 stürm. Wind 17,2 – 20,7
9 Sturm 20,8 – 24,4
10 schwerer Sturm 24,5 – 28,4
11 orkanart. Sturm 28,5 – 32,6
12 Orkan über 32,7
56Perspektiven der Energieversorgung
Lösungen
Station 7 – Windkraft
zu Arbeitsblatt 7.1 – Aufbau eines Zweiblatt-rotors
Rotorblätter werden überwiegend aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt. Der Kern dieser Rotorblätter besteht aus einem ovalen Holm, der aus Glasfasermaterial in Verbindung mit einem Kunststoffharz gewi-ckelt ist. Die äußeren Schalen sind aufgeklebt und bestehen aus einem glasfaserverstärkten Laminat von besonders glatter Oberfläche.
Auftrieb an einem Tragflächenprofil
Einfache Windräder werden nach dem Widerstandsprinzip angetrieben: Der Wind drückt gegen die Flü-gelflächen, das Rad kommt in Drehung. Moderne Rotorblätter sind an ihrer Oberseite stärker gewölbt als an ihrer Unterseite. Dieses Profil erhöht die Luftströmung an der Oberseite des Rotorblatts und ver-lang samt sie an der Unterseite. Damit bildet sich an der oberen Seite ein Unterdruck, an der unteren Seite ein Überdruck. Durch diese unterschiedlichen Druckverhältnisse werden an dem Profil Auftriebs-kräfte wirksam, die beim Rotor über eine Nabe in Drehrichtung (Rotordrehmoment) umgesetzt werden.
Windgeschwindigkeit
In Deutschland ergeben sich bezogen auf die Nutzung der Windkraft drei Windzonen.
Zone 1: Günstig, auch für den Betrieb größerer Windkraftanlagen. In Höhen zwischen 10 und 150 Metern über dem Grund ist die Windgeschwindigkeit mindestens über die Hälfte der Jahresstunden grö-ßer als Windstärke 4. Zone 2: Für die Windkraftnutzung bedingt geeignet. Das Jahresmittel der Windgeschwindigkeit bei 10 Meter über der Erdoberfläche liegt etwa bei Windstärke 3. Zone 3: Für den Betrieb größerer Windkraftanlagen ungünstig. In dieser Zone liegt das Jahresmittel der Windgeschwindigkeit bei Windstärke 2 und darunter bei einem 20%igen Anteil an Flautenstunden pro Jahr in allen Höhen zwischen 10 und 150 Metern.
www.wikipedia.de Lernsequenzen Heft 2 – Wärmekraftwerke Arbeitsblatt 8.1 – Die kalte Verbrennung Arbeitsblatt 8.2 – Funktionsweise der Brennstoffzelle http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/mpForschung/2001/heft01/mpf01_1_022_044.pdf
Arbeitsaufträge:
Frische dein Wissen aus dem Chemieunterricht über die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff, deren Trennung durch die Elektrolyse und die Knallgasreaktion bei Wikipedia auf.
Lies Kapitel 4.3 in den Lernsequenzen Heft 2 – Wärmekraftwerke und betrachte zur Verdeutlichung die Illustrationen auf Arbeitsblatt 8.1.
Lege Arbeitsblatt 8.1 zur Seite und ergänze die fehlenden Begriffe auf Arbeitsblatt 8.2.
Diskutiere in deiner Gruppe die Fragen: Warum sind Brennstoffzellen heute noch nicht im Serieneinsatz? Haltet Ihr die Formulierung „saubere Energiequelle“ in Verbindung mit Brennstoffzellen für gerechtfertigt?
Zusatzaufgabe:
Lies die den Artikel „Gesucht: Die Traum-Membran“ den Du unter der oben genannten Internetadresse findest und diskutiere in deiner Gruppe die Frage: Welche Verwendungsmöglichkeiten könnte es für Brennstoffzellen außerhalb der Automobilbranche geben?
59Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 8.1 – Die kalte Verbrennung
Station 8 – Brennstoffzelle
Erläuterung zur Funktionsweise der Brennstoffzelle:
Im Zellenstapel der oxidkeramischen Brennstoffzelle SOFC (siehe Querschnitt) wird der Wasserstoff durch längs verlaufende Kanäle an die Anode und die Luft durch quer verlaufende Kanäle an die Kathode geführt. Die Platten dienen dabei zur Ableitung des elektrischen Stroms.
Erläuterung zum Prozess der „kalten Verbrennung“:
Bei der „kalten Verbrennung“ von Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (O2) entstehen Strom und Wärme. Der Ablauf: Der Wasserstoff gibt an die Anode Elektronen ab, die als nutzbarer Strom zur Kathode fließen. Mit dem Sauerstoff werden sie zur Anode zurücktransportiert. Die Reaktion zu Wasser (H2O) schließt den Prozess ab.
Stromfluss
Kathode
Matrix (Elektrolyt)
Anode
SauerstoffionenO2 –
Wasserstoff-
Luft
Luft
Kathode Elektrolyt Anode
H2
H2O
H+
Nutzstrom
Elektronen Elektronen
Luft (O2)
Kühlplatte
bipolare Platte
Brenngas (H2)
H+ionen
O2
+ –
60Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 8.2 – Funktionsweise
Station 8 – Brennstoffzelle
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61Perspektiven der Energieversorgung
Lösungen
Station 8 – Brennstoffzelle
zu Arbeitsblatt ???
62Perspektiven der Energieversorgung
Aufgabenstellung
Station 9 – Solarenergie
Material:
Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien Arbeitsblatt 9.1 – Pro und Contra Arbeitsblatt 9.2 – Aufbau einer Solarzelle Arbeitsblatt 9.3 – Elektrolyse: Die Wasserstoffgewinnung
Arbeitsaufträge:
Lies in den Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien folgende Texte: Seite 11, Kapitel 3.1 – Theoretisches Potenzial Seite 14, Kapitel 3.4.1 – Erntefaktor und Flächenbedarf / Wirkungsgrad Seite 16, Kapitel 3.4.2 – Anwendungen Seite 16, Kapitel 3.4.3 – Speicherung
Stelle auf dem Arbeitsblatt 9.1 Pro und Contra-Argumente zur Nutzung von Solarzellen zur Stromerzeu-gung zusammen und stütze die Argumente mit Fakten aus dem Text.
Informiere dich auf Seite 14 Kapitel 3.4 der Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien über das Fotovoltaische Prinzip zur Funktionsweise einer Solarzelle und mache dir Notizen.
Zusatzaufgabe:
Vollziehe die Rechnung zum Wirkungsgrad einer Solarzelle auf dem Arbeitsblatt 9.2 – Aufbau einer Solarzelle nach.
oder
Informiere dich anhand des Textblattes über die Wasserstoffgewinnung und ihre Nutzung.
63Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 9.1 – Pro und Contra
Station 9 – Solarenergie
Stelle Pro und Contra-Argumente zur Nutzung von Solarzellen zur Stromerzeugung zusammen
und stütze die Argumente mit Fakten aus den Texten.
ProArgumente Stützung
CoNTrAArgumente Stützung
64Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 9.2.1 – Aufbau einer Solarzelle
Station 9 – Solarenergie
Innerer Fotoeffekt Unter Fotovoltaik versteht man die Direktumwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie ohne Zwi-schenstufen. Möglich wird dies durch den an Halbleiter gebundenen inneren Fotoeffekt. Halbleiter, zu denen Silizium gehört, sind Materialien, die den elektrischen Strom weniger gut leiten als Metalle, weil im Unterschied zu diesen die Ladungsträger nicht schon frei sind, sondern erst durch Zufuhr von Energie aus dem Kristallverband abgelöst werden müssen. Durch geringe Energiezufuhr ist die Bindung zu lösen: Licht erzeugt bewegliche Ladungsträger, was den inneren Fotoeffekt ausmacht. Die Abbildun-gen zeigen das Modell eines ungestörten Silizium-Kristallgitters und bewegliche Elektronen in einem Silizium-Kristallgitter bei Lichteinwirkung.
Durch Dotierung mit Fremdatomen (z. B. Bor, Phosphor), die entweder im Silizium-Kristall gern Elektro-nen abgeben oder solche aufnehmen, können reine Halbleiter wie das Silizium in ihrer Leitfähigkeit ver-ändert werden.
Zusatzaufgaben Der Wirkungsgrad, d. h. das Verhältnis von abgegebener Nutzenergie zur zugeführten Energie einer han-delsüblichen Solarzelle, beträgt derzeit ca. 10 %.
rechne aus In Mitteleuropa strahlt die Sonne auf 1 m2 waagerechte Fläche im Mittel 1.000 kWh pro Jahr. Wieviel elek-trische Energie kann von einer 1 m2 großen Solarzellenfläche in Mitteleuropa pro Jahr maximal erzeugt werden? Wieviel kann die gleiche Solarzellenfläche maximal pro Jahr in äquatorialen Gebieten erzeugen, in denen die solare Einstrahlung auf 1 m2 waagerechte Fläche im Mittel 2.300 kWh pro Jahr beträgt?
Lösung In Mitteleuropa können auf einer waagerechten Fläche maximal 100 kWh, am Äquator maximal 230 kWh pro Jahr erzeugt werden. In Mitteleuropa wird dieser Wert durch eine Aufständerung der Solar-zellenflächen um z. B. 30 °C gesteigert.
1 m
1 m2
1.000 kWh/a
1 m
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G
In Mitteleuropa strahlt die Sonne auf 1 m2 waagerechte Fläche im Mittel 1000 kWh pro Jahr solare Energie.
65Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 9.2.2 – Aufbau einer Solarzelle
Station 9 – Solarenergie
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AKontaktfinger
Rückseitenkontakt
Fotostrom
Foto -spannung
ElektrischesFeld
n-Schicht
p-Schicht
Atomkern
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AG
Licht
ungestörtes Silizium-Kristallgitter
Silizium-Kristall bei Lichteinwirkung
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Licht
Elektronen
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SiSi
Si Si
SiSi
Aufbau einer Solarzelle
Innerer Fotoeffekt
66Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 9.3.1 – Elektrolyse: Die Wasserstoffgewinnung
Station 9 – Solarenergie
Anw
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Direkter Einsatz von Wasserstoff
StROm
WASSERStOFF (H2)
ElektrolyseH2O
H2O2
WasserstofftankQ
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Sonnenenergie
Brennstoffzelle Kraftwerk Heizkessel Motor
Kernkraft Wasserkraft
67Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 9.3.2 – Elektrolyse: Die Wasserstoffgewinnung
Station 9 – Solarenergie
Elektrolyse Mit Hilfe von Strom wird Wasser gespalten in Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoff kann als Energie-speicher für Strom genutzt werden – natürlich auch für Strom aus erneuerbaren Energien.
Anregungen für ein Experiment Die Elektrolyse ist im Versuch leicht nachzuvollziehen.
Benötigt werden für den Versuch: Glaswanne, 2 Stative, 2 Reagenzgläser, Autobatterie bzw. Experimentiertransformator (12-V-Gleichspannung), Nickeldraht, Wasser, Natronlauge
Versuchsdurchführung: Die Glaswanne wird zu Dreiviertel mit Wasser gefüllt und mit etwas Natronlauge versetzt, um die geringe Leitfähigkeit des Wassers etwas zu erhöhen. Zwei nach oben gebogene Nickeldrahtspiralen, die als Elektroden – als positive Anode und negative Kathode – fungieren, werden nun in möglichst weitem Abstand in die Flüssigkeit eingetaucht und deren Enden mit einer 12-Volt-Gleichspannungsquelle ver-bunden. Über die Nickeldrahtspiralen werden die vollständig mit Wasser gefüllten und an je einem Stativ befes-tigten Reagenzgläser gestülpt.
Beobachtung: Nachdem der Strom eingeschaltet wurde, kann man in den Reagenzgläsern eine Gasbläschenbildung erkennen mit einem Volumenverhältnis von 2 : 1, die aufgrund der Zusammensetzung des Wassers (H2O) aus 2 Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom Rückschlüsse zulässt, an welcher Elektrode Wasser-stoff und an welcher Sauerstoff entstanden sein muss.
Elektrolyse
(Kathode) (Anode)
Reagenzglas
Elektroden
Stativ
Glaswanne
H2O + NaOH
Wasserstoff (H2) Sauerstoff (O2)
68Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 9.3 – Elektrolyse: Die Wasserstoffgewinnung
Station 9 – Solarenergie
Probe der reaktionsprodukte
a) Glimmspanprobe für den Sauerstoff: Ein glimmender Holzspan wird von oben in das von der Anode kom-mende Reagenzglas gehalten. Der darin befindliche Sauerstoff lässt ihn hell aufflammen.
b) Knallgasprobe für den Wasserstoff: Ein brennender Span wird von unten in das von der Kathode kommende Rea-genzglas gehalten. Der darin befindliche Wasserstoff ent-zündet sich und verbrennt mit einem pfeifenden Knall.
Achtung
Strömt beim Abnehmen zu viel Luft in das Reagenzglas, entsteht ein Luft-Wasserstoff-Gemisch, ein sehr explosives Gemisch, das mit einem lauten Knall verbrennt. Deshalb sollte das Glas beim Abnehmen von der Kathode bis zur Probe von unten zugehalten werden.
Wasserstoffanwendung
Der bei der Elektrolyse entstandene Wasserstoff ist ein vielfältig ein setzbares Gas. Er kann grundsätzlich in den gleichen Anlagen wie Erdgas transportiert und gelagert werden, er benötigt bei gleichem Druck jedoch das dreifache Volumen für denselben Energieinhalt. Für die Wasserstoff-Lagerung bieten sich u. a. folgende Möglichkeiten an: zylinder- oder kugelförmige Tanks mit einem Fassungsvermögen bis zu mehreren 100.000 m3 Inhalt für die stationäre Nutzung; für den dezentralen Einsatz transportable Tanks mit bis zu 200 bar Druck, Kryotanks (kryos: Frost, Kälte) für flüssigen Wasserstoff, Metallhydridspeicher (Wasserstoff lagert sich zwischen die Atome der Metalle), Chemische Speicher (z. B. geht Toluol mit Was-serstoff Verbindungen ein).
Wasserstoffangetriebene Gasturbinen, Brennstoffzellen, Autos, Feuerungen sind in Kleinserien erprobt. Eine großtechnische Anwendung ist noch nicht absehbar, da eine Wirtschaftlichkeit ihres Einsatzes bislang eben-sowenig erreicht ist wie die zur Serienerstellung notwendige technische Reife.
Glimmender Holzspan entzündet
sich im Sauerstoff
Reiner Wasserstoff verpufft
bei der Verbrennung
69Perspektiven der Energieversorgung
Aufgabenstellung
Station 10 – Erdwärme
Material:
Lernsequenzen Heft 3 – regenerative Energie http://www.energieportal24.de/fachberichte_artikel_238.htm http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,505863,00.html Arbeitblatt 10.1 – Geothermische Anlagen in Deutschland Arbeitsblatt 10.2 – Nutzung der geothermischen Energie Arbeitsblatt 10.3 – Hot-Dry-Rock-Technik
Arbeitsaufträge:
Informiere dich im Internet über zwei Beispiele zur Nutzung der Erdwärme. Recherchiere weitere neue Anlagen im Internet und korrigiere bzw. ergänze die Karte auf dem Arbeitsblatt 10.1.
Zusatzaufgabe:
Lies Kapitel 6.1 bis 6.5 auf den Seiten 26 & 27 in den Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energie und erstelle eine Tabelle mit Vor- und Nachteilen der Nutzung der geothermischen Nutzung auf Arbeitsblatt 10.2.
Informiere dich auf Seite 27, Kapitel 6.6.1 über das Hot-Dry-Verfahren und beschreibe dieses Verfahren anhand des Arbeitsblattes 10.3.
70Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 10.1 – Geothermische Anlagen in Deutschland
Station 10 – Erdwärme
Legende:
Geothermische Anlagen
Geothermische Anlagen im Bau
nicht aktive vulkanische Zonen Stand: Ende 1994
71Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 10.2 – Nutzung der geothermischen Energie
Station 10 – Erdwärme
Liste die Vor- und Nachteile der Nutzung der Geothermischen Energie auf.
Vorteile der Nutzung geothermischer Energie Nachteile der Nutzung geothermischer Energie
72Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 10.3.1 – Hot-Dry-rock-Technik
Station 10 – Erdwärme
Beschreibe das technische Verfahren zur Erschließung der Erdwärme
4.500 m
2. Bohrung
1. Bohrung
thermischeRegion≈ 300° C
Durch Einpressen von Wasser erzeugte
vertikale Spalte
Granit
Kraftwerk
Sediment– und Eruptivgestein
10 mm
Wasser
2.500 m
Pumpwerk
Wärmetauscher
Kühltürme
Que
lle: A
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ach
RWE
Ener
gie
AG
73Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 10.3.2 – Hot-Dry-rock-Technik
Station 10 – Erdwärme
Mit dieser Technik lässt sich Wärme den heißen Gesteinsschichten im Untergrund entziehen. Dieses Ver-fahren, das noch im Forschungsstadium ist, gilt auch für die deutsche Energieversorgung als aussichts-reich, weil damit die Erdwärmenutzung nicht mehr auf jene Orte beschränkt bleibt, an denen Temperatur-anomalien und natürliche Wärmeträger (Wasser, Dampf) zusammentreffen. Derzeit wird die geothermische Energie in Deutschland weniger für die Stromerzeugung genutzt als für Beheizungszwecke.
Hot-Dry-rock-Verfahren
Zum Verfahren
Das HDR-Verfahren beruht auf der Verbindung zweier Tiefbohrungen durch ein künstlich geschaffenes und als Wärmeaustauschfläche dienendes Riss- bzw. Spaltensystem.
In ein 3.000 – 5.000 m tiefes Bohrloch wird kaltes Wasser eingepresst, wobei das Gestein unter der enor-men Druckeinwirkung hydraulisch bricht und ein weiträumiges Riss-System entsteht.
Ein zweites Bohrloch in einiger Entfernung muss das Riss-System in seinem unteren Bereich seitlich tref-fen. Das durch diese zweite Bohrung eingepumpte Wasser erwärmt sich innerhalb des Spaltensystems und steigt über die erste Bohrung zurück an die Oberfläche. Das heiße Wasser gibt dort seine Wärme über einen Wärmetauscher z. B. an ein Wärmekraftwerk oder Fernwärmenetz ab.
Die Bezeichnung „heißer/trockener Fels“ für das Verfahren hat seinen Namen von der Annahme, in den Tiefen auf praktisch spaltenfreies und damit wasserundurchlässiges, trockenes Gestein zu stoßen. Tie-fenbohrungen z. B. in der Oberpfalz haben aber bereits bestätigt, dass Tiefengestein nicht trocken sein muss und Sickerverluste durch natürliche Spalten entstehen können.
Vorbereitung
Hochdruckpumpe 200 bar ~ 200 atm.
Nutzung
Dampf 200 °C
1. Bohrung Kaltwasser2. Bohrung Kaltwasser
HeißwasserSpaltbruch im heißen Gestein 200 °C bis 300 °CTiefe ca. 3.000 bis 5.000 m
Granit
Que
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Ener
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Verla
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g
74Perspektiven der Energieversorgung
Lösungen
Station 10 – Erdwärme
zu Arbeitsblatt 10.2
Vorteile der Nutzung geothermischer Energie Nachteile der Nutzung geothermischer Energie
keine meteorologischen Schwankungen technisch schwer zu erschließen
keine Witterungseinflüsse je nach Standort sehr unterschiedliche geologische Voraussetzungen
überall vorhanden kostenaufwendig
Energieangebot stetig, gleichmäßig und somit verlässlich wirtschaftlich riskant
75Perspektiven der Energieversorgung
Aufgabenstellung
Station 9 – Solarenergie
Material:
Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien Arbeitsblatt 11.1 – Energie aus Biomasse Arbeitsblatt 11.2 – Biogas im Energie- und Stoffkreislauf Arbeitsblatt 11.3 - Auswirkungen der Energiegewinnung aus Biomasse Internet
Arbeitsaufträge:
Lies auf Seite 29 bis 30 das Kapitel 7.2 „Technische Nutzung der Biomasse“ und informiere dich auf Arbeitsblatt 11.1 über die zwei Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse. Beantworte die Fragen auf dem Arbeitsblatt.
Betrachte die Grafik auf Arbeitsblatt 11.2 und bearbeite es.
Lies in den Lernsequenzen Heft 3 – Regenerative Energien Seite 29, Kapitel 7.1 „Potenziale“ und auf Seite 31, Kapitel 7.5 „Einsatzchancen für Biomasse“.
76Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 11.1 – Energie aus Biomasse
Station 11 – Biomasse
Welche zwei Arten der Nutzung von Biomasse werden unterschieden? Überlege Dir welche Art sich für welche geografische Gebiete eignen und warum?
Arbeitsblatt 11.2 – Biogas im Energie- und Stoffkreislauf
Station 11 – Biomasse
Beschreibe den Weg von der Pflanze zur Energie in fünf Schritten.
1.
2.
3.
4.
5.
Que
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Nahrungs-mittel
Nahrungs-mittel
AbfälleNahrungs-
mittel-industrieFutter-
mittel
Ernterückstände
Gülle*
Elektrizität Wärme Treibstoff,flüssig
Treibstoff,gasförmig
*tierische Exkremente ohne Stroh
biologischer Dünger
Biogasanlage
Biogas im Energie- und Stoffkreislauf
78Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 11.3 – Auswirkungen der Energiegewinnung aus Biomasse
Station 11 – Biomasse
1. Die Verwertung von Biomasse gilt als Co2-neutral. Erläutere diese Aussage.
2. Der großflächige Anbau von Pflanzen zur Energiegewinnung wird auch als energy-farming bezeichnet. Es wird von Fachleuten nicht nur positiv gesehen. Was könnten kritische Gegenargumente dieser Form der Energiegewinnung sein?
79Perspektiven der Energieversorgung
Lösungen
Station 11 – Biomasse
zu Arbeitsblatt 11.1 – Energie aus Biomasse
Es lassen sich zwei Bereiche, mit der Biomasse zu nutzen ist, herausarbeiten: die Nutzung von Rest- und Abfallstoffen sowie die Nutzung der Biomasse aus dem Energie- bzw. Industriepflanzenanbau.
Zu Arbeitsblatt 11.3 – Auswirkungen
1. Biomasse gilt als CO2-neutral, da sie ebenso viel Kohlendioxid in der Wachstumsphase der Pflanzen aufgenommen hat, wie sie bei ihrer energetischen Nutzung, z. B. bei ihrer Verbrennung wieder abgibt. Dies gilt jedoch nur, wenn zur Verwertung der Biomasse kein fossiler Brennstoff eingesetzt wird.
2. Beim Energiepflanzen Anbau sind sowohl ökologische wie wirtschaftliche Aspekte zu beachten: •EinlängerfristigerAnbaukanndieBodenfruchtbarkeitbeeinflussen. •DieAuswirkungenaufdenWasserhaushaltunddieGewässerqualitätmüssenberücksichtigtwerden. •EbensodieAuswirkungenvonMonokulturenaufFloraundFauna. •MitderErschließungderBiomassefüreinwirtschaftlicheEnergieproduktionistinjüngsterZeiteine
Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion entstanden . Die Agrarenergieproduktion trägt je nach Pro-dukt und Szenario bis 2020, z. B. für Mais, zwischen 26 Prozent und 72 Prozent zu den Preissteige-rungen bei Lebensmitteln bei.
Bilde mit drei bis fünf Mitschülern eine Expertengruppe zum Thema erneuerbare Energien. Verfasst selbst eine Resolution an die Bundesregierung zu den Perspektiven der Energiepolitik in den nächsten 20 Jahren in der ihr auf alle erneuerbaren Energieformen eingeht.
6 Wasserkraft 9 Solarenergie
7 Windkraft 10 Erdwärme
8 Brennstoffzelle 11 Biomasse
Zusätzliche Informationen findest du im Energie-Dossier bei Zeit-Online in der Rubrik Energieformen. (siehe obige Adresse)
81Perspektiven der Energieversorgung
Leistungskontrolle
Zwischen dem zweiten und dem dritten Block bietet sich eine erste Bewertungsrunde an.
Möglich ist:
•einTestmitWahlaufgabenausdenverschiedenenStationen,umdasPrinzipderindividuellenThemen-wahl und Vertiefung nicht zu unterlaufen,
•fallsnurwenigZeitzurVerfügungstehtkannaucheinKreuzworträtselodereinmultipleChoiceTestmit zentralen Begriffen und Fragestellungen aus den bearbeiteten Stationen gelöst und bewertet wer-den. Zwei Vorschläge hierzu finden Sie auf Seite 85 und 86.
