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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.
14Perspektiven der Energieversorgung
Geschichte der EnergienutzungArbeitsblatt 1.1 – Energiequellen
Station 1 – Energiebegriff
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
15Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 1.2 – Energiearten
Station 1 – Energiebegriff
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
16Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 1.3 – Energieformen
Station 1 – Energiebegriff
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
17Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 1.4 – Energieentwertung
Station 1 – Energiebegriff
Energieentwertung und Ablaufrichtung von Vorgängen
18Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 1.5 – „Ein energiegeladener Hund“
Station 1 – Energiebegriff
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Bewegungsenergie 4
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Bewegungsenergie 3
Bewegungsenergie 6aus
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19Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 1.6 – Unsere wichtigsten Primärenergieträger
Station 1 – Energiebegriff
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%
20Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 1.7 – Primärenergieangebot
Station 1 – Energiebegriff
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21Perspektiven der Energieversorgung
Lösungen
Station 1 – Energiebegriff
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
22Perspektiven der Energieversorgung
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.
23Perspektiven der Energieversorgung
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.
24Perspektiven der Energieversorgung
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).
25Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 2.1 – Maßeinheiten für die Energie
Station 2 – Energiegrößen
Physikalische Größe Einheiten Umrechnung zwischen den Einheiten
26Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 2.2 – Maßeinheiten für die Energie
Station 2 – Energiegrößen
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
27Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 2.3 – Der Wirkungsgrad
Station 2 – Energiegrößen
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?
28Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 2.4 – Das Joule und sein Namensgeber
Station 2 – Energiegrößen
„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
29Perspektiven der Energieversorgung
Lösungen
Station 2 – Energiegrößen
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
30Perspektiven der Energieversorgung
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.
31Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt – Funktionsweise von Wärmekraftwerken
Station 3 – Wärmekraftwerke
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.
32Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt – Wärmekraftwerke als Energieumwandler
Station 3 – Wärmekraftwerke
In Kraftwerken wird elektrische Energie aus anderen Energieformen gewonnen. Beschrifte die wichtigs-ten Teile in der Skizze. Ergänze die Energieumwandlungskette.
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33Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt – Wirkungsweise
Station 3 – Wärmekraftwerke
Erläutere die prinzipielle Wirkungsweise eines Kohlekraftwerkes bei der Energieerzeugung.
34Perspektiven der Energieversorgung
Lösungen
Station 3 – Wärmekraftwerke
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
35Perspektiven der Energieversorgung
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?
36Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 4.1 – KWK
Station 4 – Kraft-Wärme-Kopplung
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
37Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 4.2 – Berechnungstabelle
Station 4 – Kraft-Wärme-Kopplung
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.
38Perspektiven der Energieversorgung
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.
39Perspektiven der Energieversorgung
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.
40Perspektiven der Energieversorgung
Arbeitsblatt 5.1 – Prinzipskizze
Station 5 – Kraftwerkskomponenten
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41Perspektiven der Energieversorgung
Lösung
Station 5 – Kraftwerkskomponenten
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
42Perspektiven der Energieversorgung
Der Kraftwerksbesuch
Station 5 – Kraftwerkskomponenten
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
43Perspektiven der Energieversorgung
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.
44Perspektiven der Energieversorgung
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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