Erneuerbare Energien Solarenergie

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1 Didaktische FWU-DVD Erneuerbare Energien Solarenergie Geographie Physik Berufliche Bildung Klasse 7 10 Klasse 7 10 Elektrotechnik Trailer ansehen

2 Schlagwörter Aufwindkraftwerk; Brennstoff, fossiler; CO 2 ; Bruttostromerzeugung; DESERTEC; Dotierung; Elektron; Emission; Energie; Energie, erneuerbare; Energie, regenerative; Erwärmung (global); Fotovoltaik; Gleichstrom; Klimaerwärmung; Klimawandel; Kohlenstoffdioxid; Nachhaltigkeit; Parabolrinne; Parabolrinnenkraftwerk; Parabolspiegel; Photovoltaik; Quarz; Sahara; Siliziumdioxid; Solaranlage; Solarenergie; Solarkollektor; Solarmodul; Solarpark; Solartechnik; Solarthermie; Solarturm; Solarwärmekraftwerk; Solarzelle; Sonne; Sonnenenergie; Sonnenkollektor; Sonneneinstrahlung; Strom; Stromgewinnung; Stromerzeugung; Thermische Nutzung; Wafer; Wärme; Wechselstrom; Wüste Systematik Geographie Physik Berufliche Bildung Wirtschaftsgeographie Handel, Versorgung Industriegeographie Energiewirtschaft Bundesrepublik Deutschland Allgemeines Wärmelehre Technische Anwendungen Elektrizitätslehre Technische Anwendungen Elektrotechnik 2

3 Zum Inhalt Erneuerbare Energien: Solarenergie (Film 23 min) Ein Ende der fossilen Energieressourcen ist nach heutigem Stand abzusehen. Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien gewinnt an Bedeutung. Der Film zeigt das große energetische Potenzial, das die Sonne hat, und wie dieses Potenzial genutzt werden kann. Dabei wird zwischen der thermischen Nutzung und der direkten Gewinnung von Strom mithilfe von Solarzellen unterschieden. Die genauen Funktionsweisen werden jeweils an einem lokalen Beispiel erklärt, bevor die großtechnischen Anwendungen vorgestellt werden. Filmsequenzen Die Sonne Unsere größte Energiequelle (1:20 min) Die Sonne ist unsere größte und ergiebigste Energiequelle. In ihrem Inneren herrschen unglaublich Temperaturen. Entsprechend groß ist die Energie, die die Sonne in den Weltraum abstrahlt und die so auch die Erde erreicht. Angesichts dieses gewaltigen Energiepotenzials und der heutigen Technologien erscheint eine intensive Nutzung der Solarenergie beinahe unausweichlich. Woher kommt unsere Energie? (3:00 min) Bis zum Jahr 2050 werden etwa 9,6 Milliarden Menschen die Erde bewohnen. Entsprechend steigt der Bedarf an Energie. Weltweit tragen die fossilen Brennstoffe derzeit noch mit rund 80 Prozent zur Energieerzeugung bei. Allerdings ist zu befürchten, dass die Vorräte an fossilen Brennstoffen in den nächsten Jahrzehnten erschöpft sein werden. Außerdem wird beim Verbrennen von Kohle, Erdöl usw. das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid CO 2 frei, was vermutlich zur Klimaveränderung beiträgt. Sonnenkollektoren (2:30 min) Die Filmsequenz zeigt, wie die Energie der Sonne sich thermisch nutzen lässt. Mithilfe von Sonnenkollektoren wird Wasser erwärmt. Die Filmsequenz zeigt, wie das warme Wasser vom Dach über Wärmetauscher genutzt und gespeichert werden kann. Solarwärmekraftwerke (2:30 min) In Regionen mit starker Sonneneinstrahlung kann mithilfe der Solarthermie nicht nur Wärme, sondern auch Strom erzeugt werden. Die Filmsequenz stellt einige Projekte wie das Solarwärmekraftwerk Andasol 3 in Südspanien (Parabolrinnen- 3

4 Kraftwerk) oder das Solarturm-Kraftwerk im Süden Tunesiens vor. Das Prinzip bleibt dabei immer gleich: Das konzentrierte Sonnenlicht erwärmt Wasser in Leitungen. Der dabei erzeugte Dampf strömt zu einer Turbine, von der über einen Generator Strom erzeugt wird. Das Projekt DESERTEC (1:40 min) Der Gedanke, dass 0,5 Prozent der Erdoberfläche ausreichen, um mit der Sonne den gesamten Energiebedarf der Menschheit zu decken, war der Anlass für die Gründung der Initiative DESERTEC im Jahr Die Sonnenenergie der Wüste soll, in Gleichstrom umgewandelt, nach Norden transportiert werden. Das Projekt entwickelt sich derzeit jedoch aufgrund verschiedener Gründe nur stockend. Photovoltaik auf dem Dach (2:20 min) Eine weitere Technik, um aus der Energie der Sonne Strom zu gewinnen, ist die Photovoltaik. Dabei wandeln Solarzellen die Energie der Sonneneinstrahlung direkt in Elektrizität um. In der Filmsequenz wird mit einfachen Worten die Funktionsweise einer Solarzelle erklärt. Vom Quarzsand zur Solarzelle (3:50 min) Die Produktion von Solarzellen beginnt mit der Herstellung von Silizium. Das Verfahren wird in der Filmsequenz mithilfe von Animationen anschaulich dargestellt. Da Silizium in reinem Zustand kein elektrischer Leiter und auch kein Isolator ist, wird es gezielt mit anderen Atomen verunreinigt. Dadurch können 4

5 sich die Elektronen verschieben, wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle fällt. Vom Dach in die Steckdose (2:50 min) Die Filmsequenz erklärt, wie der erzeugte Strom genutzt werden kann. Die Solarmodule erzeugen Gleichstrom, der zunächst in Wechselstrom umgewandelt wird. Dieser kann dann in das Hausnetz eingespeist werden oder die Batterien als Zwischenspeicher aufladen. Wird immer noch mehr Strom erzeugt, kann dieser in das öffentliche Netz weitergeleitet werden. Solarparks (2:20 min) Die Filmsequenz zeigt, dass die Sonnenenergie nicht nur im kleinen Maßstab, sondern auch in großen Solarparks zur Gewinnung von Strom genutzt werden kann. Ein großer Vorteil von Photovoltaik- Anlagen ist, dass sie relativ wartungsfrei sind. Karten und Grafiken Jährliche Sonneneinstrahlung Erde (Karte) Die Karte zeigt, wo die Sonneneinstrahlung auf der Erde am stärksten (in den Tropen und vor allem Subtropen) und wo am schwächsten (Polargebiete) ist. Jährliche Sonneneinstrahlung Deutschland (Karte) Die Karte zeigt, dass die Sonneneinstrahlung im Süden Deutschlands deutlich intensiver ist als im Norden. Monatliche Sonneneinstrahlung Bayern (Grafik) Die Grafik stellt die durchschnittliche monatliche Sonneneinstrahlung für Bayern dar. Dabei wird der jahreszeitliche Gang der Sonnenstrahlung deutlich. Diese ist in den Sommermonaten fast dreimal so hoch wie in den Wintermonaten. Bedeutung der erneuerbaren Energien (Grafik) Anhand der Grafik kann die wachsende Bedeutung der erneuerbaren Energien, differenziert nach den Sektoren Strom, Wärme und Verkehr, erarbeitet werden. Bruttostromerzeugung (Grafik) Die Grafik zeigt in einem ersten Schritt die Bruttostromerzeugung in Deutsch- 5

6 land. Hier zeigt sich, dass die erneuerbaren Energien bereits jetzt mit 33 Prozent der wichtigste Stromlieferant sind (gefolgt von der Braunkohle). In einem zweiten Schritt kann die Stromerzeugung durch die erneuerbaren Energien noch weiter differenziert werden. Aufwindkraftwerk (Bild / Grafik) Am Beispiel des Aufwindkraftwerkes Manzanares in Südspanien zeigen ein Realbild und eine Grafik die Funktionsweise eines Aufwindkraftwerkes, die sich deutlich von anderen solarthermischen Anlagen unterscheidet. Funktionsweise eines Sonnenkollektors (Grafik) Mit dieser Grafik, bei der zusätzlich die Beschriftung eingeblendet werden kann, wird die Funktionsweise eines Sonnenkollektors erklärt. Funktionsweise einer Solarthermie- Anlage (Grafik) Die Grafik stellt die wesentlichen Elemente einer Solarthermie-Anlage dar. Prinzipien der Solarkonzentration (Grafik) Die Grafik stellt die Grundlagen bereit, um die verschiedenen Funktionsweisen von solarthermischen Kraftwerken zu verstehen. Funktionsweise einer Solarzelle (Grafik) Trifft Sonnenlicht auf die Photovoltaikzelle, sammeln sich die Elektronen in der n-schicht, sodass dort ein Elektronenüberschuss entsteht, während es in der p-schicht zu einem Elektronenmangel kommt. Auf diese Weise entsteht zwischen den beiden Schichten ein Potentialgefälle, es fließt eine elektrische Spannung im Millivoltbereich. Funktionsweise einer Photovoltaik- Anlage (Grafik) Die Grafik stellt die wesentlichen Elemente einer Photovoltaik-Anlage (auf dem Hausdach) dar. 6

7 Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards lernen fossile und erneuerbare Energie unterscheiden; erkennen die Bedeutung der Sonne für das Leben auf der Erde; lernen die verschiedenen Möglichkeiten der Energiegewinnung aus der Sonnenstrahlung kennen; verstehen wichtige Grundlagen zur Photovoltaik; können Aufbau und Funktionsweise einer Photovoltaikanlage mit eigenen Worten beschreiben; beschreiben die Einflussfaktoren bei der solaren Stromerzeugung; können auf einer Weltkarte beschreiben, wo besonders günstige Regionen für die Nutzung der Sonnenenergie liegen; strukturieren sukzessive visualisierte Inhalte und Texte in den Arbeitsmaterialien; leiten aus grafischen Darstellungen (z. B. Diagramme oder Karten) Aussagen ab; können diskutieren, welche Optimierungsmöglichkeiten bei Photovoltaikanlagen bestehen; diskutieren die Förderung der Solarenergie in Deutschland; beschäftigen sich mit dem Thema Stromsparen in der Schule und beurteilen die Realität an ihrem Schulstandort kritisch; deuten die unterschiedlichen Potenziale von Regionen bei der Energiegewinnung; begründen die Notwendigkeit einer umweltschonenden, nachhaltigen Energiewirtschaft; bewerten das Potenzial der Solarenergie im Rahmen von Klimawandel und Klimaschutz; verfügen über die Fähigkeit, thematische Karten zu lesen, zu analysieren und zu interpretieren; können relevante Informationen aus dem Film herausarbeiten und gliedern; strukturieren geographisch relevante Informationen aus verschiedenen Informationsquellen (Film, Text), erarbeiten und verknüpfen Einsichten und organisieren diese; üben sich in Medienkompetenz; üben sich in der Partner- und Gruppenarbeit und zeigen Präsentationstechniken vor der Klasse. 7

8 Didaktische Hinweise Die vorliegende Produktion ist überwiegend für den Einsatz im Geographie- Unterricht in der Mittel- und Oberstufe (Mittel-, Realschule oder Gymnasium) konzipiert. Adressatengerecht aufbereitet wurde die Produktion für die Altersstufe der 7. bis 10. Klasse. Jedoch können einzelne Inhalte auch schon in der Unterstufe gezeigt werden. Die Inhalte passen sehr gut zum Themenkomplex Energie, der in der Mittelstufe im Physikunterricht behandelt wird. Im Physikunterricht sind Inhalte der Produktion auch für Ergänzungen zur Halbleitertechnologie, sei es in Grundlagen in der Mittelstufe oder Vertiefung in der Oberstufe, gut geeignet. Das Thema Erneuerbare Energien berührt viele Gebiete, nicht nur Naturwissenschaft und Technik. So kann die Produktion neben Informationen auch Anregungen zum Weiterdenken und Diskutieren bieten. Die Inhalte der Produktion können im Unterricht vom Lehrer an den passenden Stellen präsentiert werden. Die Produktion bietet jedoch auch für die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, alleine oder in Gruppen die verschiedenen Themenbereiche zu bearbeiten. Einzelne Kapitel können sukzessive oder auch unabhängig von den anderen Kapiteln erarbeitet werden. Das Arbeitsmaterial eröffnet Chancen für einen stärker schülerzentrierten Unterricht. Die Arbeitsblätter bieten unterschiedliche methodische Ansätze, die einen differenzierten Einsatz ermöglichen. Sie liegen auch als Word-Dateien vor, sodass die Lehrkraft individuelle Anpassungen vornehmen kann. Die Produktion eignet sich für die Vermittlung folgender Lehrplaninhalte: globale Herausforderungen begrenzte Verfügbarkeiten ausgewählter Ressourcen verantwortungsvoller Umgang mit Ressourcen gesellschaftliche Schlüsselprobleme Nutzungsformen im Hinblick auf ihre Nachhaltigkeit ökologischer Fußabdruck Begrenztheit von Rohstoffen und Ressourcen Gegenüberstellung von fossilen und erneuerbaren Energien wachsende Bedeutung der erneuerbaren Energien Bedeutung der Sonne für das Leben auf der Erde die Sonne als wichtiger Energielieferant 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen als PDF- und Word-Dateien vor. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen und der Grafiken 1) Bruttostromerzeugung in Deutschland 2) Wo ist Sonnenenergie besonders sinnvoll? 3) Lage, Klima, Wetter Was beeinflusst die Nutzung der Sonne? 4) Thermische Nutzung: Solarkollektoren 5) So funktioniert eine Photovoltaik-Anlage 6) Von der Solarzelle zum Solarmodul 7) So wird Solarstrom erzeugt 8) Solarenergie Nutzungsmöglichkeiten 9) Flächenbedarf für Solarzellen 10) Solaranlage an eurer Schule eine Spurensuche Jährliche Sonneneinstrahlung (Erde) Jährliche Sonneneinstrahlung (Deutschland) Monatliche Sonneneinstrahlung (Bayern) Bedeutung der erneuerbaren Energien Bruttostromerzeugung Funktionsweise eines Solarkollektors (ohne und mit Beschriftung) Funktionsweise einer Solarthermie-Anlage (ohne und mit Beschriftung) Prinzipien der Solarkonzentration (ohne und mit Beschriftung) Prinzipien der Solarkonzentration (ohne und mit Beschriftung) Schema eines Aufwindkraftwerks (ohne und mit Beschriftung) Funktionsweise einer Solarzelle Funktionsweise einer Photovoltaik-Anlage (ohne und mit Beschriftung) Filmtext zum Film als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Erneuerbare Energien Solarenergie Erneuerbare Energien Solarenergie Film 23 min Energiequelle Sonne Sequenz/Grafiken Woher kommt unsere Energie? Sequenz/Grafiken Untermenü Energiequelle Sonne Die Sonne Unsere größte Energiequelle 1:20 min Jährliche Sonneneinstrahlung (Erde) Karte Jährliche Sonneneinstrahlung (Deutschland) Karte Monatliche Sonneneinstrahlung (Bayern) Grafik Thermische Nutzung Photovoltaik Arbeitsmaterial Sequenzen/Grafiken/Bild Sequenzen/Grafiken Woher kommt unsere Energie? Woher kommt unsere Energie? 3:00 min Bedeutung der erneuerbaren Energien Grafik Bruttostromerzeugung Grafik Thermische Nutzung Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 10 Arbeitsblätter 15 Grafiken / 2 Karten Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Sonnenkollektoren 2:30 min Solarwärmekraftwerke 2:30 min Das Projekt DESERTEC 1:40 min Funktionsweise eines Solarkollektors Grafik Funktionsweise einer Solarthermie-Anlage Grafik Prinzipien der Solarkonzentration Grafik Aufwindkraftwerk Bild/Grafik Photovoltaik Photovoltaik auf dem Dach 2:20 min Vom Quarzsand zur Solarzelle 3:50 min Funktionsweise einer Solarzelle Grafik Vom Dach in die Steckdose 2:50 min Funktionsweise einer Photovoltaik-Anlage Grafik Solarparks 2:20 min 10

11 Produktionsangaben Erneuerbare Energien: Solarenergie (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2018 DVD-Konzept Manfred Rank Svenja Weiß DVD-Authoring und Design TV Werk GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018 Karten und Grafiken Dr. Peter Güttler Karin Commettant / CIPICS.COM Katrin Opitz / FWU Bildnachweise istockphoto.com / FenrisWolf (auch Coverbild) istockphoto.com / zstock Arbeitsmaterial Manfred Rank Begleitheft Manfred Rank Pädagogische Referenten im FWU Manfred Rank, Svenja Weiß, Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Erneuerbare Energien: Solarenergie Produktion Lopane-Film im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2018 Buch Monika Latzel Julia Petr Regie Monika Latzel Kamera Alex Grabmann Markus Krämer Ton Manuel Grabmann Schnitt Wolfgang Grimmeisen Unter Verwendung von Material von NASA Goddard s Scientific Visualization Studio BSW-Bundesverband Solarwirtschaft e. V. DESERTEC Foundation Wacker Chemie AG BrightSource Energy Inc. GT Advanced Technilogies Inc. Meyer Burger Technology AG Fachberatung Dr. Sylvia Becker Redaktion Manfred Rank Svenja Weiß Dr. Maike Schuchmann Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2018 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Erneuerbare Energien: Solarenergie Wirtschaftswachstum und steigende Bevölkerungszahlen führen weltweit zu einem steigenden Energiebedarf. Doch die Vorräte an fossilen Energieträgern sind begrenzt. Auch der durch den CO 2 -Ausstoß verursachte Klimawandel zwingt zum Umdenken. Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die Produktion zeigt an anschaulichen Beispielen, wie die Energie der Sonne für die Gewinnung von Strom und Wärme genutzt werden kann. Laufzeit 23 min Klasse 7 10 Sprache Film 1 Filmsequenzen 9 DE Arbeitsblätter 10 Grafiken 17 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung der Sonne für das Leben auf der Erde; lernen die verschiedenen Möglichkeiten der Energiegewinnung aus der Sonnenstrahlung kennen; verstehen wichtige Grundlagen zur Photovoltaik; beschreiben die Einflussfaktoren bei der solaren Stromerzeugung; beschäftigen sich mit dem Thema Stromsparen in der Schule ; begründen die Notwendigkeit einer umweltschonenden, nachhaltigen Energiewirtschaft; bewerten das Potenzial der Solarenergie im Rahmen von Klimawandel und Klimaschutz. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG und 60b UrhG Themen Klasse 7 8 Klasse 9 10 Energiepotenzial der Sonne Energieversorgung als Problem der Zukunft Funktionsweise einer Solarthermie-Anlage Energiegewinnung in Solarwärmekraftwerken Funktionsweise einer Photovoltaik-Anlage Energiegewinnung in Solarparks GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de