VERBUND-Stromschule Handbuch für Pädagoginnen und Pädagogen

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1 Handbuch für Pädagoginnen und Pädagogen

2 Handbuch für Pädagoginnen und Pädagogen

3 Magnetismus Magnetismus Zum Start Gestatten, Lizzy! Ich bin Lizzy, die VERBUND-Stromexpertin, und ich begleite die Schülerinnen und Schüler durch die Welt der Stromgewinnung. Ich helfe bei Experimenten und Arbeitsaufgaben. Lizzy ist neugierig und unternehmungslustig. Dank innovativer Technik kann ich mit überraschenden Mitteln helfen. Das Vorhandensein von Strom ist so selbstverständlich, dass sich kaum jemand darüber Gedanken macht, woher der elektrische Strom kommt. Das liegt sicher auch daran, dass in Europa die Grundversorgung mit Strom für alle Haushalte und Betriebe garantiert ist. Elektrischer Strom ist ein kostbares Gut, dessen Verbrauch ständig steigt. Gerade in Zeiten der Klimaerwärmung sollte ein Bewusstsein für den Wert des Stroms, dessen Herkunft und den sparsamen und effizienten Gebrauch geschaffen werden. Mit der können sich Schulklassen der 4. bis 8. Schulstufe mehrere Tage mit Elektrizität beschäftigen. Dazu stehen verschiedene Themenbereiche mit Experimenten, Arbeitsblättern, Arbeitsaufgaben und das Handbuch für Pädagoginnen und Pädagogen bereit. Gratislizenzen für das online-physikspiel Ludwig ergänzen das Programm. Projekte selbst gestalten Mit der können Schulklassen ein Projekt zum Thema Strom gestalten. Je nach Interesse und selbst gewählten Themenbereichen dauert dieses Projekt 2 bis 3 Unterrichtstage mit je 4 Stunden, damit die Schüler/innen ein ganzheitliches Verständnis von der Stromproduktion, über die Nutzung der elektrischen Energie bis zum Energiesparen bekommen. Die Unterlagen und Materialien sind so konzipiert, dass die Schüler/innen weitgehend selbstständig dem Phänomen Elektrische Energie auf der Spur sein können. Kraftwerke besichtigen Strom zum Anfassen auf die sichere Art gibt es bei einem der über 130 VERBUND-Kraftwerke in Österreich und am bayerischen Inn. Exkursionsmöglichkeiten zu Wasser-, Wärme- und Windkraftwerken findet man unter Viel Spaß beim Strom erforschen! Lizzy PS: Für Feedback zur bin ich dankbar stromschule@verbund.com

4 Magnetismus 2 Die lange Geschichte des Magnetismus 2 Magnetismus ein faszinierendes Phänomen 2 Das Magnetfeld 3 Übertragung der Magnetischen Kraft 5 Die Geister die ich rief... 5 Vom elektrischen Strom 6 Am Anfang war das Atom 6 Vom Atom zum Ion 6 Elektrische Ladungen 7 Von der elektrischen Ladung zur Spannung 8 Die Batterie 8 Zur Geschichte der Batterie 8 Das Volta-Element (= Galvanische Zelle) 9 Die Zink-Kohle Batterie 9 Akkumulatoren (Akkus) 11 Von der elektrischen Spannung zum Stromfluss 12 Maßeinheiten und Formeln 13 Vom Stromfluss zum Elektromagnetismus 14 Die Geschichte des Elektromagnetismus 14 Die Induktion 14 Der Generator 16 Die Fahrradlichtmaschine 17 Der Transformator 18 Was ist Energie? 20 Der Energieerhaltungssatz eine komplizierte Sache! 20 Energie wird umgewandelt 20 Energieumwandlung in einem Wasserkraftwerk 21 Wirkungsgrad 22 Primärenergie - Sekundärenergie - Endenergie 23 Energie - Energieträger - Energiequelle 24 Nicht erneuerbare Energieträger: Erdöl und Erdgas 24 Entstehung von Erdöl und Erdgas 25 Kernenergie 26 Strom aus erneuerbaren Energieträgern 26 Strom aus Sonnenlicht 26 Förderung von erneuerbarer Energie in Österreich 27 Sonnenwärmekraftwerk (= Solarwärmekraftwerk) 27 Photovoltaik 27 Funktionsweise der Solarzelle 27 Ist alles Gold was glänzt? Vor-und Nachteile der Photovoltaik 28 Strom aus Windkraft 29 Geschichte der Nutzung der Windenergie 29 Windkraftanlagen pro und contra 30 Windkraft in Österreich Zahlen und Fakten auf einen Blick 31 Geschichte zur Nutzung der Wasserkraft 32 Laufkraftwerke 33 Speicherkraftwerke 33 Pumpspeicherkraftwerke 33 Land am Strome Kapazitätssteigerung durch Optimierung 34 Vor- und Nachteile von Wasserkraftwerken 36 Investition für den Natur- und Artenschutz 36 EU-Wasserrahmenrichtlinie 37 Wasserkraftanlagen in Österreich 37 Strom aus nicht erneuerbaren Energieträgern 39 Wärmekraftwerke 39 Gasdampfkraftwerk 40 Stromerzeugung und Klimaschutz 41 Der Strom kommt aus der Steckdose? 42 Von der Grund-, Mittel- und Spitzenlast 42 Vom Kraftwerk in die Steckdose der Stromtransport 43 Das Netz im Gleichgewicht halten 44 Erneuerbare Energien gehen ans Netz 44 Wir brauchen Strom 46 Energiesparen leicht gemacht 49 Literaturquellen 58

5 2 Magnetismus Magnetismus 3 Magnetismus Die lange Geschichte des Magnetismus 1 Im 5. Jhdt. v. Chr. hatten die Griechen bereits den Magnetismus beschrieben. Die Bezeichnung geht auf die griechische Mythologie zurück, die den Fund von magnetischem Eisenerz in der Stadt Magnesia beschreibt und im Zusammenhang mit dem griechischen Schäfer Magnetes bringt. In China kannte man im 2. Jhdt. n. Chr. magnetische Nadeln und beim Kompass fand der Magnetismus seine erste praktische Anwendung entdeckte Hans Christian Oersted den Zusammenhang zwischen Magnetismus und Elektrizität, worauf die heute vielfältige Verwendung von Magneten zurückgeht. Es gelang die ersten Permanentmagnete herzustellen, die hauptsächlich in der Elektrotechnik, beim Bau von Dynamos und Elektromotoren, zum Einsatz kommen. Bis in die jüngere Vergangenheit arbeiteten Forscherteams ständig an der Verbesserung des Elektromagnetismus und in Bezug auf die Leistungen bei der Energieproduktion konnten enorme Verbesserungen erzielt werden. Das Magnetfeld Der Raum um einen Magneten, in dem magnetische Kräfte feststellbar sind, heißt magnetisches Feld. Die Richtung und Größe der magnetischen Kräfte werden durch Feldlinien angezeigt. Diese verlaufen außerhalb des Magneten vom Nord- zum Südpol und innerhalb des Magneten vom Süd- zum Nordpol. Magnetismus ein faszinierendes Phänomen Der Magnetismus ist eine natürliche Erscheinung. Unser Planet Erde steht unter dem Einfluss eines Magnetfeldes und einige Tiere, wie Tauben oder Thunfische orientieren sich nach dem Magnetfeld der Erde. Wir können Magnete nur an ihrer Wirkung erkennen, da Menschen kein Organ besitzen, um die Magnetfelder wahrzunehmen. Von den in der Natur vorkommenden Elementen wirkt die Magnetkraft nur auf drei Metalle - nämlich Eisen, Kobalt und Nickel. Der Ursprung des Erdmagnetfeldes wird durch die Rotation des flüssigen Erdkerns, der aus Nickel und Eisen besteht, erklärt. Heute bereitet es keine Schwierigkeiten. Magnete so herzustellen, dass die magnetische Wirkung über Jahre hinweg anhält. Die häufigsten Formen sind Stab-, Hufeisen- und Ringmagnete. Die Enden von Stabmagneten werden als Pole bezeichnet. An den Polen ist die magnetische Wirkung am größten. In der Mitte hebt sie sich auf. Gleichnamige magnetische Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Lässt man einen Stabmagneten, der an einem langen dünnen Faden aufgehängt ist, auspendeln, dann richtet er sich in Nord-Süd-Richtung aus. Der Pol der nach Norden zeigt, wird als Nordpol, der nach Süden ausgerichtet ist, als Südpol bezeichnet. Eine Kompassnadel ist im Prinzip ein kleiner, leicht drehbarer Stabmagnet. 1. Element Lederscheibe Kupfer Zink Abb. 1: Das äussere Magnetfeld 0,89 V Abb. 2 & 3: Verlauf des Magnetfeldes bei einem Stabmagneten und einen Hufeisenmagneten. Durch kleine Magnetnadeln kann man das Magnetfeld darstellen. Die magnetische Kraft wirkt nicht nur durch verschiedene Stoffe, wie Karton, dünnes Holz oder Kunststoff hindurch, sondern auch durch Wasser und Luft. Sie ist sogar im Vakuum vorhanden.

6 4 Magnetismus Magnetismus 5 Experimente 1 7, Arbeitsblatt 1 Übertragung der magnetischen Kraft Die magnetische Kraft lässt sich von einem Magneten auf ein Eisen übertragen, indem man mit einem Stabmagneten mehrfach über einen Stahlnagel oder einen dünnen Eisenstab streicht. Dabei wird der Magnet in einem Bogen in der Luft zum Anfang zurück geführt. Den Vorgang des Magnetisierens kann man sich wie folgt vorstellen: Im Inneren des Stahlnagels befinden sich kleine Elementarmagnete. Im unmagnetischen Zustand sind diese ungeordnet. Beim Magnetisieren richten sich die Elementarmagnete nach den Polen aus. Abb. 5 Magnetisieren einer Eisennadel Abb. 4 Das Magnetfeld der Erde Der Stahlnagel kann aber auch wieder entmagnetisiert werden, in dem man ihn auf eine harte Unterlage fallen lässt. So verteilen sich die Elementarmagnete wieder unregelmäßig und die magnetische Kraft ist aufgehoben. Beim Erhitzen von magnetisiertem Eisen ordnen sich die Elementarmagnete durch starke Wärmebewegungen ebenfalls unregelmäßig an und die magnetische Kraft nimmt ab. Die Geister, die ich rief... Das Magnetfeld der Erde Die Erde lässt sich mit einem riesigen Magneten vergleichen. Aufgrund des Magnetfeldes pendelt sich die Kompassnadel immer in eine bestimmte Richtung ein. Allerdings fällt der magnetische Nordpol der Erde nicht mit dem geographischen Nordpol zusammen. Er liegt etwas nördlich von Kanada und verändert zudem im Laufe der Zeit in Abhängigkeit der Sonnenaktivität und der geologischen Aktivitäten im Erdinneren seine Lage. Die Abweichung des magnetischen Pols im Norden vom geographischen Nordpol nennt man Deklination. Schneidet man einen Stabmagneten in der Mitte durch, dann entstehen zwei neue Magnete mit je einem Nord- und einem Südpol. Aus jedem Teilstück entsteht ein Magnet, egal wie oft man einen Stabmagneten durchtrennt. Abb. 6 & 7 Aus einem unmagnetischen Eisennagel wird ein Magnet mit Nord- und Südpol.

7 6 vom elektrischen strom vom elektrischen strom 7 Vom elektrischen Strom Experiment 8 Das magische Lineal Experiment 9 Elektroskop Am Anfang war das Atom Die Ursache für die elektrische Leitfähigkeit von verschiedenen Materialien liegt in ihrem atomaren Aufbau. Aufbau von Atomen Ein Atom ist der kleinste Baustein von chemischen Elementen und setzt sich aus Atomkern und Atomhülle zusammen. Im Atomkern befinden sich positiv geladene Protonen und Neutronen, die keine Ladung besitzen. Somit hat der Atomkern eine positive Ladung. Um den Atomkern kreisen, je nach chemischem Element, in mehreren Schalen die negativ geladenen Elektronen. Elektronenbahn Atomhülle Elektron Valenzelektron Elektrische Ladungen Eine elektrische Ladung ist dann vorhanden, wenn ein Elektronenmangel oder den Elektronenüberschuss herrscht. Elektrische Ladungen können ganz einfach durch Reibung entstehen. Reibt man beispielsweise ein Plastiklineal mit einem Wolltuch, dann werden entweder Elektronen vom Lineal auf das Wolltuch übertragen - es entsteht eine positive Ladung oder Elektronen werden am Lineal angehäuft das Lineal hat eine negative Ladung. Ein Elektroskop zur Feststellung von elektrischen Ladungen Ein Elektroskop dient zur Feststellung von elektrischen Ladungen und besteht aus einem geerdeten Gehäuse, mit einem senkrecht nach unten stehenden Metallstab, an dem ein beweglicher Zeiger befestigt ist. Die Wirkungsweise des Elektroskops beruht darauf, dass sich gleichartig geladene Körper abstoßen. Berührt man die Spitze des Metallstabes mit einem negativ geladenen Körper, gehen Elektronen auf diesen über und verteilen sich von dort auf den Metallstab und den Metallzeiger. Nun sind Stab und Zeiger negativ geladen und der Zeiger schlägt aus. Neutron Atomkern Abb. 9 & 10 Elektroskop und Elektronenbewegung Proton Abb. 8 Aufbau von Atomen Die Elektronen in der äußersten Schale der Atomhülle werden Valenzelektronen genannt. Elektrischer Strom ist die Bewegung von Valenzelektronen. Das heißt, elektrisch leitende Materialien haben freie Valenzelektronen. Vom Atom zum Ion Bei Atomen ist die Anzahl der Protonen im Atomkern gleich hoch wie die Elektronen in der Atomhülle. Somit hat ein Atom weder eine positive noch eine negative Ladung es ist elektrisch neutral. Ionen hingegen sind Atomen mit Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel. Das heißt, sie haben eine negative oder eine positive Ladung. Das Wort Ion stammt aus dem Griechischen und bedeutet der Wandernde. Ionen können sich also bewegen und sich je nach Ladung gegenseitig anziehen oder abstoßen. Wird die Spitze des Metallstabes mit einem positiv geladenen Körper in Berührung gebracht, wandern Elektronen zum Ladungsausgleich von Metallstab und Metallzeiger zum geladenen Körper. Dadurch entsteht auf Stab und Zeiger ein Elektronenmangel, also eine positive Ladung. Da wiederum beide Teile gleich geladen sind, schlägt der Zeiger aus.

8 8 vom elektrischen strom vom elektrischen strom 9 Experiment 10 Zitronenbatterie Von der elektrischen Ladung zur Spannung Das Volta-Element (= Galvanische Zelle) Die beiden Anschlüsse der Batterien nennt man Pole. Am Minuspol herrscht ein Elektronenüberschuss und am Pluspol ein Elektronenmangel. Den Ladungsunterschied zwischen zwei Polen nennt man elektrische Spannung (U). Je höher der Ladungsunterschied ist, desto größer ist die Spannung. Die Einheit der elektrischen Spannung ist das Volt (V). Die kleinste Einheit der Volta-Säule wird Volta-Element oder auch Galvanische Zelle genannt und ist die Grundform der Batterie. Sie besteht aus einer Kupferfolie, einem Elektrolyten und einer Zinkfolie. Die Batterie Elektrolyt Zur Geschichte der Batterie Zink Kupfer Der italienische Physiker Alessandro Volta ( ) konstruierte die erste Batterie und wurde damit schon zu Lebzeiten sehr berühmt. Seiner Konstruktion ist jedoch eine Entdeckung des Anatomieprofessors Luigi Galvani ( ) vorausgegangen. Galvani hatte gehäutete Froschschenkel durch die Berührung mit Metallen zum Zucken gebracht und daraus auf eine tierische Elektrizität geschlossen. Volta hat jedoch nicht an tierische Elektrizität geglaubt und nach einer Reihe von Experimenten die Volta-Säule konstruiert. Dieser Prototyp der Batterie war die erste nutzbare Stromquelle und zählt zu den bedeutendsten Erfindungen aller Zeiten. Das Volta-Element wurde weiterentwickelt und anstatt der Folien tauchen eine Kupferplatte und eine Zinkplatte in verdünnte Schwefelsäure. Durch chemische Reaktionen wird die Kupferplatte zum positiven Pol und die Zinkplatte zum negativen Pol. Verbindet man die beiden Platten, dann findet der Ladungsausgleich statt: Elektronen wandern vom negativen Pol zum positiven Pol. Abb. 12 Das Volta Element Um höhere Spannungen zu erzielen, werden mehrere Volta-Elemente miteinander verbunden und in Reihe geschaltet. So addieren sich die Spannungen der einzelnen Elemente zu einer Gesamtspannung. Die Zink-Kohle Batterie 1 Element Lederscheibe Die Zink-Kohle Batterie besteht aus einem Zink-Becher, in dessen Mitte sich ein Kohlestift befindet. Zwischen dem Zinkbecher und dem Kohlestift befindet sich Braunstein (Manganoxid) und ein mit einer elektrolytischen Lösung (Salmiak oder Ammoniumchlorid) getränkter Karton. Der Zinkbecher ist der Minuspol und der Kohlestift der Pluspol der Batterie. Karton Abb. 13 Zink-Kohle Batterie Kupferscheibe Zinkscheibe Abb. 11 Die Volta-Säule der Prototyp der Batterie Isolierhülse mit Bodendeckel Heissbitumen Abdecknapf Sie besteht aus vielen übereinander geschichteten Kupfer- und Zinkplättchen, zwischen denen sich elektrolytgetränkte Karton- oder Lederstücke befinden. Braunsteinmasse Zinkbecher

9 10 vom elektrischen strom vom elektrischen strom 11 Funktionsweise der Batterie In Kontakt mit der elektrolytischen Lösung oxidiert das Zink und die Zinkatome geben Elektronen frei. Diese fließen über den Verbraucher (z.b. Glühbirne) zum Pluspol der Batterie. Dort werden sie durch Manganionen des Braunsteins aufgenommen. Wenn der Zinkbecher keine Elektronen mehr abgeben bzw. der Braunstein keine mehr aufnehmen kann, ist die Batterie entladen. Monozellen sind Zink-Kohle Batterien mit einer Spannung von 1,5 V. Bei einer Flachbatterie sind drei Monozellen in Reihe geschaltet, wodurch die Batterie eine Spannung von 4,5 V erhält. Akkumulatoren (Akkus) Bei Batterien sind die Entladungsreaktionen gar nicht oder nur in geringem Maße umkehrbar. Deshalb sind Batterien nach einer bestimmten Laufzeit unbrauchbar und müssen entsorgt werden. Durch die Erfindung von Akkumulatoren wurde dieses Problem gelöst. Sie sind wieder aufladbar und bestehen aus in Reihen geschalteten Zellen. Prinzip des Bleiakkumulators Beim Bleiakkumulator besteht die Einzelzelle aus zwei Bleiplatten (Bleisulfat), die in Schwefelsäure tauchen. Abb. 15 Prinzip des Bleiakkumulators Abb.14 Durch die Reihenschaltung von drei Monozellen wird die Spannung auf 4,5V erhöht. Pb 2,0 V PbO2 H2SO4 PbSO4 PbSO4 Abb.14a Batterien Beim Laden des Akkus wird an die Bleiplatten eine Spannung angelegt. Zwischen den Platten entsteht ein elektrisches Feld, wodurch sich die Schwefelsäure in Wasserstoffionen und geladene Sulfationen zersetzt. Die Wasserstoffionen wandern zur Bleiplatte, die am positiven Pol der Spannungsquelle angeschlossen ist (Katode). Durch chemische Reaktionen bildet sich dort reines Blei. Die Sulfationen wandern zur anderen Bleiplatte, die an den negativen Pol angeschlossen ist (Anode), wo Bleidioxid entsteht. Durch den Ladevorgang entstehen aus den Bleiplatten zwei chemisch unterschiedliche Elektroden, zwischen denen eine Spannung von ca. 2 V liegt. Beim Entladen bilden sich an der Katode unter Einwirkung von Schwefelsäure wieder Bleisulfat und frei bewegliche Elektronen. Diese fließen über den Verbraucher zur Anode, wo sich aus Bleidioxid ebenfalls wieder Bleisulfat bildet. Diese Vorgänge laufen so lange ab, bis beide Elektroden wieder chemisch gleich sind und damit die Akkuzelle keine Spannung mehr liefert. Bleiakkumulatoren sind heute so gut wie nicht mehr auf dem Markt. Sie wurden durch verbesserte Systeme ersetzt. Nickel-Cadmium Akkumulatoren (Ni-Cd) wer-

10 12 vom elektrischen strom vom elektrischen strom 13 Experimente 11 bis 14 Arbeitsblätter 2 bis 4 den zum Beispiel bei Schnurlostelefonen oder Rasierapparaten verwendet, die Nickel- Metallhybrid-Akkus (Ni-MH) kommen hauptsächlich in Handys vor und die Lithium- Ionen-Akkus (Li-Ionen) werden ebenfalls bei Handys, aber auch Notebooks verwendet. Wasserleitung (Rohr) Stromleitung (Metall) Den komplizierten Vorgang des Ladens und Entladens eines Akkumulators kann man sich ganz einfach wie folgt vorstellen: Zwei Wasserbehälter die miteinander in Verbindung stehen, sind gleich hoch mit Wasser gefüllt. Dies würde dem Akku im ungeladenen Zustand entsprechen. Beim Laden wird nun die Verbindung zwischen den beiden Behältern geschlossen und ein Wasserbehälter wird mit Wasser aufgefüllt. Der unterschiedliche Wasserstand der beiden Behälter entspricht der Spannung. Je größer der Unterschied ist, desto höher die Spannung. Öffnet man die Verbindung, dann fließt so lange Wasser bis das Niveau des Wasserspiegels in den beiden Behältern ausgeglichen ist und somit der ungeladene Zustand eintritt. wenig Wasser geringe Stromstärke viel Wasser hohe Stromstärke Von der elektrischen Spannung zum Stromfluss Stehen sich ungleiche Ladungen gegenüber, dann streben sie einen Ladungsausgleich an und elektrischer Strom fließt. Der Stromfluss läuft immer vom Pol mit Elektronenüberschuss (Minuspol) zum Pol mit Elektronenmangel (Pluspol). Strom ist also der Ladungsausgleich zwischen zwei Polen. Abb. 17 & 18 Von der elektrischen Spannung zum Stromfluss Abb.16 Von der elektrischen Spannung zum Stromfluss Maßeinheiten und Formeln Stromstärke (I) = 1 Ampere (A) Elektrischer Strom kann nur fließen, wenn sich zwischen zwei unterschiedlichen Ladungen genügend freibewegliche Ladungsträger befinden. Das ist bei leitfähigen Metallen und salzhaltigen Flüssigkeiten der Fall. Man kann den Stromfluss mit fließendem Wasser in einem Rohr vergleichen. Je mehr Wasser im Rohr ist, umso mehr Wasser kommt am Ende des Rohres an. Genauso ist es auch beim elektrischen Strom. Je mehr freie Elektronen vorhanden sind, desto höher ist die elektrische Stromstärke. Die Einheit für die Stromstärke (I) ist Ampere (A). Je mehr Elektronen in einer Sekunde durch einen Leiter fließen, umso größer ist die Stromstärke. Sie ist abhängig von der Spannung (U) und vom elektrischen Widerstand (R). Der elektrische Widerstand ergibt sich aus der Leitfähigkeit des Materials und seine Einheit ist das Ohm (Ω). Spannung (U) = 1 Volt (V); Volt = 1 kv (Kilovolt) Widerstand (R) = 1 Ohm (Ω) Elektrische Leistung (P) = 1 Watt (W); Watt = Kilowatt (kw) Elektrische Arbeit = 1 Watt pro Stunde (1Wh), Wattstunden = 1 kwh Stromstärke = elektrische Spannung : elektrischen Widerstand (I= U:R)

11 14 vom stromfluss zum elektromagnetismus vom stromfluss zum elektromagnetismus 15 Vom Stromfluss zum Elektromagnetismus Um jeden stromdurchflossenen Leiter entsteht ein Magnetfeld. Dieses Phänomen bezeichnet man als Elektromagnetismus. Die magnetischen Feldlinien liegen kreisförmig um den stromdurchflossenen Leiter. Die Richtung der Feldlinien wird von der Stromrichtung bestimmt. Wird die Stromrichtung geändert, richtet sich auch das Magnetfeld neu aus. Die Geschichte des Elektromagnetismus 2 Abb. 19 Elektromagnetismus Der Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus wurde im Jahr 1820 vom dänischen Wissenschaftler Hans Christian Øerstedt ( ) zufällig entdeckt. Er hatte mit einer Batterie, die im Jahr 1800 von Allessandro Volta ( ) erfunden wurde, experimentiert. Als er an die Batterie einen Draht anschloss beobachtete er, dass sich die Nadel eines in der Nähe liegenden Kompasses wie von Geisterhand bewegt. Die Nadel wurde aus der Nord-Südrichtung abgelenkt, worauf Øerstedt richtig schloss, dass sich um einen stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld aufbaut. Seine Entdeckung wurde in Folge von vielen Wissenschaftlern bestätigt. Fieberhaft hat man am umgekehrten Prinzip ein elektrischer Leiter (Spule) bewegt sich im Magnetfeld gearbeitet, bis es gelang schließlich elektrischen Wechselstrom herzustellen. Abb. 20 Eine elektrische Spannung entsteht, wenn sich die Anzahl der magnetischen Feldlinien um den elektrischen Leiter ändert. Die Induktion Durch die Bewegung eines elektrischen Leiters in einem Magnetfeld entsteht eine elektrische Spannung. Diese Spannung nennt man Induktionsspannung und wurde schon 1831 von Michael Farady entdeckt. Die Induktion hat in der Technik eine große Bedeutung und findet Anwendung bei Generatoren, Transformatoren und Elektromotoren. Prinzip der Induktion Eine Induktionsspannung kann nur entstehen, wenn sich die Anzahl der magnetischen Feldlinien um den elektrischen Leiter ändert. Das geschieht, wenn man eine Leiterschleife waagrecht innerhalb des Magnetfeldes eines Hufeisenmagneten hin und her bewegt. Induktion in einer Spule Bei einer Spule wurde der elektrische Leiter in mehreren bis vielen Windungen auf gewickelt. Schiebt man einen Stabmagneten in die Spule, entsteht eine Induktionsspannung die umso größer ist je mehr Windungen die Spule hat, je größer die Geschwindigkeit ist mit der der Magnet bewegt wird und je stärker der Stabmagnet ist. Abb. 21 Die Induktion in einer Spule hängt von der Windungszahl, der Stärke des Magneten und der Geschwindigkeit mit der der Magnet bewegt wird ab.

12 16 vom stromfluss zum elektromagnetismus vom stromfluss zum elektromagnetismus 17 Stator Rotor Gleichstromgeneratoren Gleichstromgeneratoren besitzen einen Stromwender (Kommutator). Nach jeder halben Umdrehung erfolgt eine Umpolung, sodass eine pulsierende Gleichspannung entsteht, die anschließend geglättet wird. Welle Die Fahrradlichtmaschine Die Fahrradlichtmaschine (Fahrraddynamo) ist ein Wechselstromgenerator. Die Spule ist auf einer Achse angebracht, die sich in einem starken Magnetfeld bewegt. Wasserzulauf Leitradgruppe Abb. 23 & 24 Die Fahrradlichtmaschine Turbinenschaufeln Laufrad Lager Abb. 22 Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Achse Der Generator Generatoren sind Stromerzeuger. Sie wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um. Die physikalische Grundlage für die Funktion von Generatoren ist die elektromagnetische Induktion und das Induktionsgesetz. Demnach entsteht elektrischer Strom, wenn sich der Leiter im Magnetfeld bewegt oder der Leiter still steht und sich das Magnetfeld um den Leiter ändert. Je nach Generatortyp werden beide Möglichkeiten umgesetzt. Schleifring Schleiffeder Isolierung Dauermagnet Bei Innenpolgeneratoren rotiert ein Elektromagnet oder ein Dauermagnet in einem Hohlzylinder, der mehrere Spulenwicklungen besitzt. Der bewegliche Magnet wird als Rotor, die ruhende Spule als Stator bezeichnet. Wenn sich die Magnetpole des Rotors an den Spulenwicklungen des Stators vorbeibewegen, wird eine Wechselspannung induziert. Rändel-Schraube Kabel Bei Außenpolgeneratoren rotiert die Spule im Magnetfeld. Während der Drehbewegung ändert sich ständig die Anzahl der Feldlinien, die von der Spule durchschritten werden und es entsteht eine Wechselspannung. Verbindung über Rahmen

13 vom stromfluss zum elektromagnetismus 18 vom stromfluss zum elektromagnetismus 19 Experiment 15 Arbeitsblätter 5 und 7 Der Transformator Durch Transformatoren werden die verschiedenen Spannungsebenen des Stromnetzes miteinander verbunden. Die im Kraftwerk erzeugte Spannung wird durch Transformatoren zur Einspeisung in das Stromnetz in Hochspannung (220 kv oder 380 kv) umgewandelt. In Umspannwerken wird die Hochspannung wieder auf Niederspannung gebracht, damit der Strom in das regionale Verteilernetz eingespeist werden kann. In Transformatorstationen wird die elektrische Spannung des regionalen Verteilernetzes auf die im Ortsnetz verwendeten Spannung transformiert. Auch in verschiedenen Elektrogeräten befinden sich Transformatoren. Sie wandeln die an der Steckdose anliegende Netzspannung von 220 V auf die Betriebsspannung des jeweiligen Elektrogerätes um. Funktionsweise des Transformators Abb. 25 Transformatoren können je nach Windungszahlen der Spulen die Spannung erhöhen oder herabsetzen. Ein Transformator besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen, der Primär- und der Sekundärspule, die eine unterschiedlich hohe Windungszahl besitzen. Beide Spulen sind durch einen Weicheisenkern, der aus einem Hufeisen und einem Joch besteht, miteinander verbunden. Wird an die Primärspule eine Wechselspannung angelegt, kommt es zu einer ständigen Änderung des Magnetfeldes. Dies überträgt sich über den Weicheisenkern auf die Sekundärspule. Durch die dauernde Änderung des Magnetfeldes entsteht in der Sekundärspule eine Induktionsspannung. Die Größe der induzierten Spannung hängt von den Windungszahlen der Spulen ab. Ist in der Sekundärspule die Windungszahl niedriger als in der Primärspule, dann ist die dort induzierte Spannung ebenfalls geringer. Ist die Windungszahl jedoch höher, dann wird auch die induzierte Spannung größer. Abb.26 Umspannwerk

14 20 Was ist energie? Was ist energie? 21 Was ist Energie? Ohne Energie wäre kein Leben auf der Erde möglich, denn es gibt keinen Vorgang der ohne Energie ablaufen kann. Sogar beim regungslosem Herumliegen und Faulenzen verbrauchen wir Energie. Energie tritt in verschiedensten Formen auf, wie zum Beispiel als Wärme des Feuers, als Licht der Sonne, als Bewegung des Windes und vieles mehr. In der Physik versteht man unter Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Energieumwandlung in einem Wasserkraftwerk In einem Kraftwerk kommt es zu einer mehrstufigen Energieumwandlung: Das Wasser im Stausee hat Lageenergie (potentielle Energie). Stürzt es die Druckleitungsrohre zu den Turbinen hinunter, wird aus der Lageenergie, Bewegungsenergie. Durch die Turbinen wird der Generator angetrieben, wo die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Generator hat einen relativ hohen Wirkungsgrad, doch bei allen Vorgängen der Stromerzeugung entsteht auch Wärmeenergie. Die Einheit für Energie ist das Joule und die Formel lautet: Arbeit x Zeit = Kraft x Weg x Zeit Energieformen Lageenergie (= potentielle Energie) Bewegungsenergie (=kinetische Energie) Elektrische Energie Wärme (Wärme-Energie) Licht (Licht-Energie) Chemische Energie (z.b. Verbrennung) Solarenergie Stausee/Lageenergie Druckleitungsrohre/Bewegungsenergie Abb. 27 Energieumwandlung in einem Wasserkraftwerk Der Energieerhaltungssatz eine komplizierte Sache! Das Energieerhaltungsgesetz besagt, dass die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems sich mit der Zeit nicht ändert. Zwar kann Energie zwischen verschiedenen Energieformen umgewandelt werden, es ist jedoch nicht möglich, innerhalb eines abgeschlossenen Systems Energie zu erzeugen oder zu vernichten. Turbine/Bewegungsenergie Generator/ elektrische Energie Die Energieerhaltung gilt als wichtiges Prinzip aller Naturwissenschaften. Unter einem abgeschlossenen System versteht man ein System ohne Energie-, Informationsoder Stoffaustausch und ohne Wechselwirkung mit der Umgebung. Energie wird umgewandelt Durch Maschinen oder Geräte kann man eine Energieform in die andere umwandeln. Dabei entsteht oft auch nicht erwünschte Energie. Zum Beispiel wird bei einer Glühbirne nur 10% der zugeführten elektrischen Energie in Licht also gewünschte Energie umgewandelt. 90% werden als Wärme frei. Man sagt, die Glühbirne hat einen geringen Wirkungsgrad.

15 22 Was ist energie? Was ist energie? 23 Wirkungsgrad Bei Energiewandlern, wie zum Beispiel einem Kraftwerk, wird die zugeführte Energie in eine gewünschte Energieform also elektrische Energie übergeführt. Energiewandler sollen möglichst effizient sein und möglichst viel der zugeführten Energie in die gewünschte Energie umwandeln. Zur Beschreibung der Effizienz des Energiewandlers wurde der Begriff des Wirkungsgrades eingeführt. Er ist der Quotient aus erhaltener Energie (Nutzungsenergie) und zugeführter Energie; Enutz : Ezu = Wirkungsgrad Primärenergie Sekundärenergie Endenergie Als Primärenergie bezeichnet die Energiewirtschaft Energie natürlich vorkommender Energieträger wie Kohle, Erdgas, Wind oder Sonne. Im Gegensatz dazu entsteht Sekundärenergie durch Umwandlungsprozesse aus der Primärenergie. Die Endenergie ist schließlich jene Energiemenge, die nach Umwandlungs- und Übertragungsverlusten dem Verbraucher zur Verfügung steht. Zum besseren Verständnis: Wasser (Primärenergie) > elektrischer Strom (Sekundärenergie) > Wärme, Licht (Endenergie) Zugeführte Energie Energieumwandler Nutzenergie Abb.28 Wirkungsgrad Energieverlust Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Menge der Nutzenergie nie größer sein kann, als die Menge der zugeführten Energie. Dies bedeutet, dass der Wirkungsgrad eines Energiewandlers nicht größer als 1 sein kann. Man sagt auch: Der Wirkungsgrad darf nicht größer als 100% sein. Die Erfahrung lehrt uns, dass bei der Energieumwandlung immer Verluste auftreten.

16 24 energie energieträger energiequelle energie energieträger energiequelle 25 Energie Energieträger Energiequelle Umgangssprachlich werden die Begriffe Energie, Energieträger und Energiequelle oft als Synonyme verwendet, doch im wissenschaftlichen Bereich der Energietechnik haben sie unterschiedliche Bedeutungen. Der Energieträger ist die mengenmäßige Einheit, welche Energie enthält oder überträgt. Die Energiequelle ist das System, welches die Energie zur Verfügung stellt. Veranschaulichen lässt sich das am Beispiel des Erdöls. Das Erdöl ist der Energieträger. Die Energiequelle, ist der Verbrennungsvorgang des Erdöls bei dem Wärmeenergie frei wird. Erdgas- und Erdölvorkommen Erdgas- und Erdölfelder befinden sich in großen Sedimentationsbecken, welche durch das Absinken des Untergrundes entstanden sind. Zum Beispiel kommen im Sedimentationsbecken der bayrisch-österreichischen Molassezone die oberösterreichischen Erdgasfundorte vor. Die wichtigsten Länder mit dem größten Erdölvorkommen sind Saudi-Arabien, Russland, USA, Mexiko und der Iran. Man unterscheidet zwischen erneuerbaren und nicht erneuerbaren (=fossile) Energieträgern. Nicht erneuerbare Energieträger: Erdöl und Erdgas Entstehung von Erdöl und Erdgas Das heute gewonnene Erdöl und Erdgas ist vor 350 Millionen Jahren entstanden und stammt aus dem Paläozoikum und Mesozoikum. Riesige Mengen abgestorbenes Plankton, Algen und Mikroorganismen sind auf den Grund der damaligen Ozeane gesunken und anschließend von luftundurchlässigen Schichten überdeckt worden. Unter Luftabschluss, hoher Temperatur und hohem Druck haben chemische Prozesse zur Bildung von Faulschlamm geführt. Nach erneuter Überlagerung mit Ton, Sand und Kalk hat sich Erdölmuttergestein gebildet, aus welchem das Bitumen, eine feste erdölartige Masse, entstand. Bei fortschreitendem Absinken des Meeresgrundes und zunehmender Überlagerung des Muttergesteins durch Sedimente bildeten sich unter wachsendem Druck und steigenden Temperaturen aus dem Bitumen flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe. Es entstand schweres, dann leichtes Öl und schließlich bei entsprechend hohem Druck und hoher Temperatur, Erdgas. Erdgas wurde auch bei der Entstehung von Kohlelagerstätten gebildet. Entstehung von Kohle Im Karbonzeitalter vor 350 bis 299 Millionen Jahren sind mächtige Steinkohlenlagerstätten entstanden, die heute zu den wichtigsten Energielieferanten zählen. Zu dieser Zeit herrschte ein feuchtwarmes Klima und es gab große Wälder. Beim Absterben von riesigen Baumfarnen sind diese in Sümpfen versunken. Durch natürliche Zersetzungsprozesse unter Einfluss von Sauerstoff entstand Torf. Auf Grund von Meereseinbrüchen und Überlagerungen mit Sedimenten gelang der Torf unter Luftabschluss. Ohne Sauerstoff, unter dem wachsenden Druck und hoher Temperatur begann der Prozess der Inkohlung: In der ersten Phase wurde Wasser aus dem Torf gepresst und es entstand Braunkohle. Mit der Überlagerung von weiteren Schichten erhöhte sich der Druck und immer mehr Wasser wurde aus der Kohle gepresst. Nach und nach wurde aus der Braunkohle Steinkohle und schließlich Anthrazit. Anthrazit ist eine Kohlesorte mit extrem großer Härte und einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 15%. Steinkohlevorkommen Die Steinkohle wird in Bergwerken abgebaut, die teilweise mehr als Meter unter der Erdoberfläche liegen. Zu den Ländern mit der höchsten Kohleförderung zählen China, USA und Indien. Abb. 29 Entstehung von Kohle Zusammensetzung des Erdgases Erdgas ist ein Gasgemisch, dessen chemische Zusammensetzung je nach Fundstätte beträchtlich schwankt. Es besteht hauptsächlich aus Methan. In geringen Mengen kommen Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan, Butan und Ethen, aber auch Kohlendioxid, Stickstoff, Schwefelwasserstoff und gelegentlich auch Helium vor.

17 26 energie energieträger energiequelle energie energieträger energiequelle 27 Experiment 16 Kernenergie Die Kernenergie belastet die Umwelt bei der Energieumwandlung zwar nicht direkt, ist aber auf Grund des erheblichen Gefährdungspotenzials durch radioaktive Brennelemente und deren Endlagerung die umstrittenste Energieform. Im Jahr 1938 gelang den beiden deutschen Physikern Otto Hahn und Fritz Strassmann die erste künstliche Kernspaltung. Sie haben U235 mit Neutronen beschossen, welches darauf in wesentlich kleinere Atome zerfallen ist. Dabei ist eine riesige Energiemenge freigeworden. Die Bruchstücke, die nur ein Tausendstel der Masse des Uranatoms besitzen, haben eine enorme kinetische Energie, welche beim Aufprall auf die umgebenden Stoffe in Wärmeenergie umgewandelt wird. Bei der Spaltung von U235 entstehen neben anderen Spaltprodukten wiederum Neutronen. Diese spalten weitere Urankerne, sofern eine bestimmte Mindestmenge an spaltbarem Material vorhanden ist. Frankreich deckt an die 80% seines Strombedarfs durch Kernenergie und liegt somit an der Spitze der europäischen Länder. In Österreich entschied man sich 1978 durch eine Volksabstimmung gegen die Nutzung der Kernenergie. Das damals schon fertiggestellte Kernkraftwerk in Zwentendorf ging darauf hin nie in Betrieb. Am 9. Juli 1997 beschloss das österreichische Parlament einstimmig, die Anti-Atom- Politik des Landes fortzusetzen. Strom aus erneuerbaren Energieträgern Erneuerbare Energieträger stammen aus Quellen, die sich entweder kurzfristig von selbst erneuern oder deren Nutzung nicht zur Erschöpfung der Ressource beiträgt. Es handelt sich um nachhaltig zur Verfügung stehende Energien wie Windkraft, Sonnenenergie, Wasserkraft, Gezeiten, Erdwärme (Geothermie) und Biomasse (=nachwachsende Rohstoffe, wie Holz, oder Pflanzenöle). Der Einsatz von erneuerbare Energieträgern gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Kohle, Erdöl und Erdgas begrenzt verfügbar sind und zur Klimaerwärmung beitragen. Sonnenwärmekraftwerk (= Solarwärmekraftwerk) Bei Sonnenwärmekraftwerken werden die Sonnenstrahlen durch Parabolspiegel mit einem Durchmesser von 3 bis 25 Metern eingefangen und auf einen im Brennpunkt des Spielgels befindlichen Absorber übertragen. Der Absorber wandelt die Lichtenergie der Sonne in Wärme um, die entweder gespeichert oder direkt zum Betreiben einer Dampfturbine verwendet wird. Um Wärmeverluste zu reduzierten wird der Absorber besonders gut isoliert. Der Wirkungsgrad von Sonnenwärmekraftwerken ist mit 60 bis 75% relativ hoch. Photovoltaik Photovoltaik ist die Umwandlung von Licht in elektrische Energie mit Hilfe von Solarzellen. Bereits im Jahre 1839 wurde die Photovoltaik vom französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Die ersten Solarzellen wurden jedoch erst 1954 entwickelt. Solarzellen werden aus Quarzsand hergestellt, der durch spezielle Verfahren gereinigt und dann zu Siliziumblöcken verarbeitet wird. Die Blöcke haben eine Länge von über einem Meter. Sie werden in Scheiben mit einer Stärke von weniger als 0,5 mm geschnitten und je nach Solarzellentyp unterschiedlich verarbeitet. Durch Ätzen und Schleifen werden sie geglättet und danach mit verschiedenen Fremdatomen (Phosphor, Bor) gezielt verunreinigt. Diesen Vorgang nennt man dotieren. Durch das Dotieren entsteht an einer Seite ein Elektronenüberschuss und somit ein negativer Pol (=n-schicht) und an der anderen Seite ein Elektronenmangel ein positiver Pol (=p-schicht). Im Übergangsbereich befindet sich ein elektrisches Feld (=Raumladungszone, RL- Zone). Funktionsweise der Solarzelle Umwandlung von Licht in elektrische Energie Licht besteht aus winzigen Energieträgern - den Photonen. Treffen diese auf die Solarzelle, dann werden Elektronen auf der n-schicht freigesetzt, der Stromfluss beginnt und die Elektronen wandern über einen Verbraucher zur p-schicht. Förderung von erneuerbarer Energie in Österreich: Aktuelle Hinweise zur Förderung von erneuerbaren Energien findet man unter: Abb. 30 Strom aus Sonnenlicht Abb. 31 Umwandlung von Licht in elektrische Energie Strom aus Sonnenlicht Lichteinfall Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle. Die Temperatur auf ihrer Oberfläche beträgt o C und in ihrem Inneren hat sie sogar 15 Millionen Grad Celsius. Trotz ihrer Entfernung von der Erde liefert uns die Sonne in einer Viertelstunde so viel Energie, wie die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht. Motor Siliziumscheibe Leiterbahnen Lötfahne Aluminiumschicht n-schicht p-schicht

18 28 energie energieträger energiequelle energie energieträger energiequelle 29 Expermiment 17 Arbeitsblätter 8 bis 9 mit Solaranlage ohne Solaranlage Frischwasser und Chemikalien gebraucht, wodurch der Solarstrom nicht ganz emissionsfrei ist. Nach einer aktuellen Studie des Energy Research Centre of the Netherlands (ECN) müssen Photovoltaik-Zellen je nach Bauart 1,5 bis 3 Jahre in Betrieb sein, um die Energie die zu ihrer Herstellung benötigt wurde, zu amortisieren. Da die Lebensdauer von Solarzellen bei 20 bis 40 Jahren liegt, ist die Gesamtenergiebilanz jedoch positiv. Gleichspannung Strom aus Windkraft Wechselspannung Geschichte der Nutzung der Windenergie 4 Abb. 32 Strom aus Photovoltarik im öffentlichen Stromnetz Wechselrichter zur Netzeinspeisung öffentliches Stromnetz Strom aus Photovoltaik im öffentlichen Stromnetz Durch Photovoltaik entsteht Gleichstrom. Damit Strom aus Photovoltaik in das öffentliche Netz eingespeist werden kann, muss er zuerst durch einen Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt werden. Die Nutzung der Windenergie ist schon sehr alt. In den letzten Jahrhunderten hat man Windmühlen zum Mahlen von Getreide gebaut und in den Niederlanden wurden Windräder sogar zur Entwässerung von Deichen eingesetzt. Mitte des 19. Jahrhunderts existierten in Europa Windmühlen. Die moderne Windkraftnutzung für die Stromerzeugung begann knapp vor 1900 in Dänemark. Die damaligen Entwicklungen waren erstaunlich zuverlässig und so fand in Dänemark die Elektrifizierung der ländlichen Gebiete zugleich mit den Städten statt. In Österreich weckte die Energiekrise 1973/74 das Interesse an erneuerbaren Energien. Ist alles Gold was glänzt? Vor-und Nachteile der Photovoltaik 3 : Die Sonnenenergie ist praktisch unbegrenzt verfügbar und zudem ist Solarstrom klimafreundlich. Durch Strom aus Sonnenkraft können fossile Brennstoffen eingespart und der CO2 Ausstoß gesenkt werden. Die Stromerzeugung durch viele kleine Photovoltaik-Anlagen anstatt durch Großkraftwerke hat weitere Vorteile, da die Energieverluste beim Stromtransport reduziert werden. Länder, die verstärkt auf den Einsatz von Sonnenenergie setzen, senken ihre energiepolitischen Abhängigkeiten von möglichen Krisenherden und internationalen Konflikten. Zusätzlich führt die Eigenproduktion von Solarenergie in Haushalten und Gemeinden zu einem stärkeren Energiebewusstsein. Aber es ist nicht alles Gold was glänzt und so hat auch die Photovoltaik einige Nachteile. Lange Zeit wurde jedoch angenommen, dass das österreichische Windpotenzial für eine Nutzung durch Windkraftanlagen unzureichend sei. Ende der 80er Jahre hat man jedoch an geeigneten Standorten in Ostösterreich, vor allem im Burgenland, die Nutzung der Windenergie forciert. Innerhalb der Europäischen Union haben heute Windkraftanlagen eine Gesamtleistung von rund Megawatt und liefern somit 4,8% des gesamten Stroms. Dadurch werden jährlich mehr als 100 Millionen Tonnen CO2 eingespart. Das ist mehr, als der gesamte CO2-Ausstoß Österreichs pro Jahr. Bis 2020 soll die Windenergie in Europa bereits bis zu 18% des gesamten Stroms liefern. Bau und Funktion von Windkraftanlagen Eine Windkraftanlage besteht im Wesentlichen aus einem Rotor mit Nabe und Rotorblättern sowie einer Maschinengondel, die den Generator und häufig ein Getriebe beherbergt. Durch die wetterbedingte und tages- und jahreszeitliche Änderungen der Sonneneinstrahlung kommt es zu Versorgungsschwankungen, die durch zusätzliche Speichertechnologien abgefedert werden müssen. Mit Solarstrom kann man nicht auf Verbrauchsschwankungen reagieren. Zudem wird gerade in kalten Jahreszeiten, wo weniger Solarstrom zur Verfügung steht, vermehrt Energie benötigt. Die Gondel ist drehbar auf dem Turm gelagert, dessen Fundament die notwendige Standsicherheit gibt. Zur Windkraftanlage gehören auch Überwachungs-, Regel- und Steuerungssysteme sowie die Netzanschlusstechnik. Leider werden bei der Herstellung der Photovoltaik-Zellen große Mengen an Energie,

19 30 energie energieträger energiequelle energie energieträger energiequelle Expermiment 18 Arbeitsblätter 10 bis Rotorblatt Rotornabe Blattverstellung Windmessgerät Windrichtungsnachführung Aufstieg Gondel mit Getriebe, Bremse, Generator Zu möglichen Gefährdungen von Fledermäusen durch Windkraftanlagen fehlen verlässliche Aufzeichnungen. Es häufen sich die Kollisionen während der Zugzeit im August und September. Betroffen sind vor allem Arten, die im freien Luftraum jagen oder über große Strecken ziehen, wie der Große Abendsegler, die Breitflügelfledermaus, der Kleine Abendsegler oder die Zweifarbfledermaus. Untersuchungen ergaben, dass nicht der direkte Kontakt zwischen Fledermaus und Windkraftanlage Todesursache ist, sondern viele Tiere ein Barotrauma (Verletzungen des Ohrs durch rasche Luftdruckänderungen) erleiden. Landschaftsverbrauch Der überwiegende Teil der Windkraftanlagen befindet sich auf landwirtschaftlich genutzten Flächen. In Österreich wird ein Wildwuchs von Einzelanlagen durch Flächenwidmungspläne weitgehend verhindert. Schattenwurf Fundament Der Schattenwurf von Windkraftanlagen wird als unangenehm empfunden, weil im Gegensatz zum Schatten von unbewegten Gegenständen periodische Helligkeitsschwankungen entstehen. Der Schatten einer stehenden Windkraftanlage ist hingegen nicht anders zu bewerten als der Schatten eines normalen Gebäudes. Geräuschemissionen Lärmbelästigung Die sich im Wind drehenden Rotorblätter verursachen Windgeräusche, die im Abstand von 500 Metern noch 45 db betragen können. Durch Steuerung der Drehzahl können Windkraftanlagen zu bestimmten lärmsensiblen Zeiten, in einen schallreduzierten Betriebszustand gebracht werden. Abb.33 Strom aus Windkraft Windkraftanlagen pro und contra Windkraft in Österreich Wie andere Bauwerke und Anlagen zur Energieerzeugung stehen auch Windkraftanlagen in Wechselwirkung mit der Umwelt. Dazu gehören Auswirkungen auf die Tierwelt, Geräuschentwicklung, Schattenwurf oder die Beeinflussung des Landschaftsbildes. Zahlen und Fakten auf einen Blick (Stand Juni 2009) 5 3% des gesamten österreichischen Stromverbrauches werden durch Windkraft gedeckt. Gefährdung von Vögeln und Fledermäusen 6 Die Erfahrungen und zahlreiche Untersuchungen zeigen, dass in den meisten Fällen ein Windpark ohne erhebliche Folgen für Vögel und auch Fledermäuse ist. Der Naturschutzbund (NABU) in Deutschland wertete 127 internationale Studien aus und kam zum Schluss, dass die meisten in Deutschland vorkommenden Vogelarten nicht gefährdet sind. Das Kollisionsrisiko von Vögeln mit Windrädern ist so gering, dass eine Gefährdung von Vogelpopulationen in den meisten Fällen ausgeschlossen werden kann. Ein erhöhtes Gefahrenpotenzial gibt es jedoch für bestimmte Zugvogelarten bei wichtigen Korridoren und Rastplätzen. Doch durch sorgsame und gezielte Standortplanung lassen sich derartige Risiken vermeiden oder minimieren. In Österreich gibt es 618 Windkraftanlagen. Davon stehen in Niederösterreich 345 Anlagen, wo bereits 10% der Stromerzeugung durch Windkraft gedeckt werden kann. Durch die bestehenden Windkraftanlagen in Österreich werden jährlich mehr als eine Million Tonnen CO2 eingespart. Die Windkraftanlagen in Niederösterreich sparen pro Jahr soviel CO2, wie ein Drittel aller PKWs in Niederösterreich in einem Jahr ausstoßen. Windkraftanlagen in Österreich sind ein Wirtschaftsfaktor, denn heimische Betriebe liefern für die Windraderzeugung Steuerungen, Flügelmaterial, Generatoren oder komplette Windkraftanlagenkonzepte.

20 32 energie energieträger energiequelle energie energieträger energiequelle Jobs wurden durch Windkraftanlagen in Österreich geschaffen. Laufkraftwerke Österreich gibt pro Jahr 11 Milliarden Euro für Energieimporte aus. Der Ausbau der Windenergie ist daher langfristig von großer volkswirtschaftlicher Bedeutung. Die Windkraft in Österreich könnte bis 2020 auf MW ausgebaut, also verdreifacht werden. Durch die heute größeren und effizienteren Anlagen muss dazu die Anlagenzahl aber nicht einmal verdoppelt werden. Bei einem Laufkraftwerk wird das Flusswasser durch Turbinen geleitet. Um das Gefälle und den Durchfluss zu erhöhen, werden in den Fluss Wehranlagen gebaut, die das Wasser aufstauen. Die Fallhöhe und die Menge des aufgestauten Wassers bestimmen die Leistung des Kraftwerkes. Speicherkraftwerke Strom aus Wasserkraft Geschichte zur Nutzung der Wasserkraft Wasserkraft wird schon seit Jahrtausenden genutzt. Die Ägypter, Griechen und Römer haben mit dem Wasser Mühlen, Sägewerke und Bewässerungsanlagen betrieben. Bis um 1900 wurde die Wasserkraft ausschließlich für mechanische Zwecke eingesetzt. Erst durch die Entwicklung des Generators und die Weiterentwicklung der Wasserturbinen konnte man schließlich mit Wasserkraft Strom erzeugen. Wie der Name schon sagt, wird bei einem Speicherkraftwerk das Wasser über einen Zeitraum von mehreren Stunden bis mehreren Monaten gespeichert, um bei Bedarf wertvolle Spitzenenergie zu erzeugen. Prinzip eines Speicherkraftwerkes Im Staubecken wird Wasser auf möglichst hohem potentiellem Niveau zurückgehalten. Die Bewegungsenergie des abfließenden Wassers wird auf eine Turbine oder ein Wasserrad übertragen. Durch die Drehbewegung der Turbine wird direkt der Generator angetrieben, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Abb. 34 Historische Nutzung der Wasserkraft Je nach Bauart unterscheidet man zwischen Laufkraftwerken, Speicherkraftwerken, Pumpspeicherkraftwerken und Gezeitenkraftwerken. Wasserkraftwerke erzielen einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 90%. Gezeitenkraftwerke nutzen die Energie aus dem ständigen Wechsel von Ebbe und Flut. In Wellenkraftwerken wird hingegen nicht der Tidenhub, sondern die Energie der kontinuierlichen Meereswellen ausgenutzt. Pumpspeicherkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke pumpen mit überschüssigem Strom Wasser aus einer niedrigeren Lage in einen höher gelegenen Stausee, um später Spitzenstrom zu erzeugen. Ein Pumpspeicherkraftwerk ist die einzige Kraftwerksform, die Elektrizität wirtschaftlich und in nennenswertem Umfang mit Hilfe potentieller Energie speichern kann. Abb. 35 Die Speicherseen Mooserboden und Wasserfallboden in Kaprun aufgestautes Flusswasser Maschinenhaus Transformator Fluss Generator Turbine

21 34 energie energieträger energiequelle energie energieträger energiequelle 35 Experiment 19 bis 21 Arbeitsblätter 12 bis 13 Land am Strome... VERBUND Kraftwerke in Österreich und in Bayern Dank seiner Gebirge und Flüsse ist Österreich ein ideales Wasserkraftland. Wird weltweit ein Fünftel des Stroms aus sauberer Wasserkraft erzeugt, stammen in Österreich rund zwei Drittel aus Wasserkraft. In Europa ist Österreich hinter Norwegen und Island an 3. Stelle. Mehr als die Hälfte des österreichischen Stroms aus Wasserkraft kommt vom VERBUND, der mehr als 120 Wasserkraftwerke in Österreich und Deutschland betreibt. Kapazitätssteigerung durch Optimierung VERBUND investiert laufend in die Intensivierung bestehender Kraftwerksanlagen. Durch das neue Pumpspeicherkraftwerk Limberg II der Kraftwerksgruppe Kaprun in Salzburg wird beispielsweise die Kapazität mit 833 MW mehr als verdoppelt. Künftig wird Limberg II 10% des österreichischen Spitzenbedarfs abdecken. Die Anlage in 2.000m Seehöhe wird zur Gänze unterirdisch errichtet. Abb. 36 Donaukraftwerk Aschach Im Donaukraftwerk Aschach in Oberösterreich wird durch die Vergrößerung der Turbinen-Laufräder zusätzlich Strom für Haushalte produziert. Weitere Verbesserungen wurden beim Murkraftwerk im steirischen Pernegg erreicht. Das Kraftwerkt aus den 1920er Jahren erzeugt heute durch die Erneuerung der Anlagen mehr Strom mit weniger Wasser. Das steirische Kraftwerk Hieflau an der Enns erhielt neben einem zweiten Triebwasserstollen ein weiteres Wehrkraftwerk und eine moderne Fischaufstiegshilfe. Somit können zusätzlich rund Haushalte mit Strom aus Wasserkraft versorgt werden. Mit dem Erwerb von 13 Laufkraftwerken am bayerischen Inn mit einer Gesamtleistung von 312 MW stärkte VERBUND die Präsenz am deutschen Markt und festigte hiermit seine Position unter den führenden europäischen Stromerzeugern aus Wasserkraft. Zu VERBUND gehören weitere Wasserkraftwerksbetreiber in Italien, der Türkei und Albanien, die ebenfalls für modernste Technologien und hohe ökologische Standards stehen. Abb. 37 VERBUND Kraftwerke in Österreich und Bayern Arbeitsblätter 16