Ausarbeitung zum. NWA-Tag Thema: Windenergie Energieform mit Zukunft
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- Pia Winkler
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1 Ausarbeitung zum NWA-Tag 2012 Thema: Windenergie Energieform mit Zukunft Seminar: Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung Reutlingen Anwärter: Timo Sauter, Jan Bodenmüller, Fabian Weber Datum:
2 Inhaltsverzeichnis 1. Windenergie Bedeutung für Gegenwart und Zukunft Bedeutung für die Gegenwart und Zukunft: Wie funktioniert ein Windrad: Statistiken: Auf Bundesebene Auf Landesebene: Nachteile Umsetzung in der Schule Der Kosmos Windgenerator Möglicher Einsatz im Unterricht Quellen... 9
3 1. Windenergie Bedeutung für Gegenwart und Zukunft 1.1 Bedeutung für die Gegenwart und Zukunft: Die sich dem Ende neigenden fossilen Rohstoffe oder die mit vielen Gefahren belastete Gewinnung von elektrischer Energie durch Atomkraftwerke, hat die deutsche Bundesregierung 2011 dazu gezwungen ein Umdenken in der Energiegewinnung einzuläuten. Im Anschluss an die Fukushima- Katastrophe in Japan wurde darum ein Atomausstieg bis 2022 beschlossen. Das dadurch entstehende Versorgungsloch soll unter anderem durch regenerative Energien gestopft werden. Angestrebt wird bis ins Jahr 2050 eine Abdeckung des gesamten Strombedarfs durch regenerative Energien in Höhe von 80%. Nach Stand 2010 sind bisher lediglich ca. 17% unseres Strombedarfs durch erneuerbare Energien abgedeckt. Der Bereich der erneuerbaren Energien umfasst dabei unter anderem Windenergie, Wasserkraft, Solarenergie, Erdwärme und nachwachsende Rohstoffe. 1.2 Wie funktioniert ein Windrad: Mit einem Windrad kann die Bewegung des Windes in elektrische Energie umgewandelt werden. Dazu benötigt ein Windrad mindestens 3 Bauteile: Den Rotor: An ihm sind die Rotorblätter angebracht. In unserem Modell sind es 6 Stück, in der Realität hingegen werden die meisten Windräder mit drei sogenannten Flügeln gebaut. Das Getriebe: Im Getriebe wird über mehrere Zahnräder die Bewegungsenergie des Rotors an den Generator übertragen. Den Generator: Im Generator wird dann die ankommende Bewegungsenergie mittels Induktion in elektrische Energie umgewandelt. Ein echtes Windrad benötigt zu diesen Bauteilen noch weitere. Beispielsweise die Steuerelektronik mittels der das Windrad vom Boden aus kontrolliert und gesteuert werden kann. Um es zu steuern
4 benötigt es wiederum einen Motor, damit kann es den sich ändernden Windrichtungen entsprechend ausgerichtet werden. Diese Bauteile werden allerdings für das physikalische Verständnis des Sachverhaltes nicht benötigt und können darum im Modell aus didaktischen Gesichtspunkten reduziert werden. Bewegungsenergie des Windes trifft auf die Rotorblätter. Dabei wird die Bewegungsenergie des Windes in eine spezielle Energieform umgewandelt. Diese nennt sich, durch die Rotation der Flügel, Rotationsenergie. Der sich nun langsam drehende Rotor überträgt die Energie über viele Zahnräder bis zum Generator. Die Zahnräder sind nötig, da der Generator eine höhere Umdrehung pro Minute benötigt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Drehung immer von einem großen auf ein kleines Zahnrad übertragen wird. In Zahlen sind es je nach Windstärke bis zu circa 20 Umdrehungen pro Minute am Rotor und circa 1500 Umdrehungen pro Minute am Generator. Die erzeugte elektrische Energie kann anschließend ins Stromnetz eingespeist werden. Der Wirkungsgrad eines Windrades liegt je nach Bauart bei circa 30 bis 40 Prozent. Ein Kohlekraftwerk hat einen vergleichbaren Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent. Zu beachten ist dabei jedoch, dass bei einem Windrad die Energie des Windes verwendet wird. Dieser würde sich auch ohne ein Windrad bewegen, Kohle jedoch ist ein endlicher Rohstoff mit dem bewusst umgegangen werden muss. 1.3 Statistiken: Auf Bundesebene Struktur der Strombereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland ,1% 0,7% 4,5% 19,9% 12,9% Windenergie 1,7% Photovoltaik biogene Festbrennstoffe 11,4% biogene flüssige Brennstoffe 11,3% 36,5% Biogas Klärgas Deponiegas biogener Anteil des Abfalls
5 Erneuerbare Energie in Deutschland Stand Solarstromanlagen Windräder Biogasanlagen Investitionen zu 65% von Privatpersonen und Landwirten Erneuerbare Energien sind Kerne der Wertschöpfung ländlichen Raum (Zukunftsrat der bayerischen Staatsregierung) Auf Landesebene: Leistung Ausbau Windenergie - BW : Istwerte ab 2011: Prognosen Nachteile Der Ausbau an Windanlagen birgt jedoch auch Nachteile. Der Offensichtlichste dabei ist die Zerstörung des Landschaftsbildes. Dazu kommt, dass Windräder, die in der Nähe eines Wohngebietes gebaut werden, den Anwohnern je nach Stand der Sonne ein sehr unangenehmes Schattenspiel präsentieren. Ein weiteres Problem zeigt sich auf finanzieller Ebene. Um die Energie von großen Windparks im Norden Deutschlands ins Zentrum oder gar in den Süden zu transportieren, bedarf es einen Ausbau des Stromnetzes. Die größtenteils regionalen Stromnetze müssen um sogenannte
6 Stromautobahnen erweitert werden, um einem möglichen Kollaps des bestehenden Stromnetzes vorzubeugen. Ein aus physikalischer Sicht tragendes Problem der Energie aus Windrädern liegt noch in der Unberechenbarkeit der Natur. Windräder können nur dann elektrische Energie umwandeln, wenn der Wind weht. Der Verbrauch kann sich jedoch nicht nach den Launen der Natur richten und muss darum über Alternativen gesichert werden. Eine Möglichkeit stellt der Ausgleich durch fossile Brennstoffe dar. Dies bedeutet, wenn kein Wind weht wird Strom beispielsweise aus einem Kohlekraftwerk zugeführt. Eine interessante Alternative oder Ergänzung dazu stellt ein Pumpspeicherkraftwerk dar. Diese Art der Energiespeicherung funktioniert nach einem einfachen Prinzip. In Zeiten der Überproduktion an elektrischer Energie wird diese momentan nicht benötigte Energie verwendet um Wasser in ein höheres Staubecken zu pumpen. Wenn der Bedarf an elektrischer Energie wieder steigt, kann das Wasser in einem Rohr nach unten fließen und in einer Turbine wieder in elektrische Energie umwandelt werden. 2. Umsetzung in der Schule 2.1 Der Kosmos Windgenerator Aus Grundlage für die Unterrichtsstunde dient der Baukasten Windgenerator von der Firma Kosmos. Dieser bietet neben einer schülergerechten Anleitung alle Materialien, die zur Bearbeitung der Aufgaben benötigt werden. Die Anleitung startet mit einem fachlichen Teil zum Thema Wind. Dabei wird die Entstehung von Wind, Windrichtungen, Windstärke sowie Hoch- und Tiefdruck behandelt um eine Grundlage für die weiteren Versuche zu schaffen. Es folgt ein kleiner geschichtlicher Rückblick über die Nutzung von Windrädern, bevor mit einer Bauanleitung für die Grundelemente des Windrades (Flügel und Generator) begonnen wird. Die folgenden 22 Seiten folgen immer demselben Schema. Zu jedem der 20 möglichen Versuche gibt es eine ausführliche Erklärung, sowie eine Werkstatt mit visualisierter Bauanleitung zum Versuch. Diese reichen vom Windenergie spüren bis hin zum komplexen Windgenerator. Zwischendrin erfolgen immer wieder fachliche Einschübe. Dabei werden die Themen Arbeit, Leistung, Windleistung, Flügelprofile und Auftrieb schülergerecht mit Hilfe des Windrades erklärt. Das Windrad ist so leicht zu bewegen,
7 dass es problemlos mit ein bisschen Wind im Freien angetrieben werden kann. Die Windenergie kann dann durch zusätzliche Bauteile in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden und problemlos mit einem Messgerät zur Ermittlung der Stromstärke und der Spannung verbunden werden. 2.2 Möglicher Einsatz im Unterricht Einführung: Der folgende Abschnitt bietet eine kleine Auswahl von Beispielen aus dem sehr ausführlichen Handbuch des Windgenerators. Im Vorfeld eines Einsatzes des Windgenerators sollte mit den SuS erst einmal ein Verständnis dafür geschaffen werden, warum man Windenergie überhaupt braucht und warum diese in der Zukunft so ausgebaut werden soll. In diesem Zusammenhang können auch Vergleiche mit herkömmlichen Kraftwerken (Atomkraftwerk, Kohlekraftwerk etc.) und erneuerbaren Energien angestellt werden und zusätzlich die jeweiligen Vorzüge und Nachteile behandelt werden, so dass die SuS ein erste Eindrücke der Energieversorgung gewinnen und nicht einfach blind mit dem Windgenerator herumexperimentieren. Erst nach dieser Einführungsphase sollte das Windgeneratormodell für Schülerexperimente herangezogenen werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die SuS den Windgenerator auch wirklich als Modell verstehen. Deshalb ist ein Vergleich mit einem richtigen Windkraftwerk sinnvoll. Evtl. erhobene Messwerte müssen immer auf ein großes Windkraftwerk übertragen werden. Nur so wird den SuS klar, wie viel Energie mit einem solchen Kraftwerk umgewandelt werden kann. Themen: Der Windgenerator ist in Klasse 5-7 beim Thema Luft geeignet, um zu demonstrieren, welche Kraft der Wind besitzt und was er alles bewegen kann. Genauso geeignet ist er, um die Auftriebskraft beim Fliegen zu erklären. Fragen wie: Warum hat der Flügel eine Tropfenform? werden mit Hilfe einer Schnur anschaulich dargestellt. Nur bei der Tropfenform liegt die Schnur am
8 Flügel an ohne von Turbulenzen beeinträchtigt zu werden. Mit Hilfe eines Föns, lässt sich zeigen, dass der Flügel Auftrieb erhält, wenn er frontal angeblasen wird. In Klasse 8 und 9 können mit dem Windgenerator das Themengebiet Arbeit und Energie eingeführt und behandelt werden. Unter anderem lässt sich eine Wasserflasche an einem Seil nach oben ziehen und damit die Arbeit berechnen. Dank eines mitgelieferten Generators ist dies auch mit der elektrischen Leistung/Energie möglich. Da sich mit dem Windgenerator auch die Windgeschwindigkeit messen lässt, ist die Berechnung des Wirkungsgrades möglich. Mit dem Windgenerator können sehr schön die einzelnen Energieumwandlungsprozesse demonstriert werden. Es kann z.b. eine kleine Modelllandschaft aufgebaut werden, die zeigt, wie man mit einem Windrad ein Haus beheizen kann. In diesem Modell wären mehrere Energieumwandlungsprozesse enthalten und anschaulich dargestellt. Bsp.: Windrad Generator Heizungsanlage Bewegungsenergie Elektrische Energie Elektrische Energie Wärmeenergie Im projektorientierten Unterricht der Klasse 10 kann der Windgenerator speziell im Themengebiet Regenerative Energien eingesetzt werden. Die in den vorherigen zwei Abschnitten beschriebenen Themen können von Zehntklässlern in einem Projekt selbstständig erarbeitet werden. Besonders geeignet ist der Windgenerator um die Windkraft an einem Beispiel zu erklären. Phase: Im vorherigen Abschnitt wird ersichtlich, dass der Windgenerator sowohl im Einstieg, als auch in der Erarbeitungsphase Anwendung finden kann. Im Einstieg eignet er sich besonders um das neue Thema motivierend einzuführen. Die Funktionsweise des Windgenerators ist für jeden ersichtlich, da man freie Sicht auf das Getriebe und Gestell des Windrades hat.
9 In der Erarbeitungsphase eignet er sich aus zuvor genannten Grund besonders als Demonstrationsversuch. Bei Schülerversuchen ist es ratsam, gerade in unteren Klassenstufen mit fertig aufgebauten Modellen zu arbeiten, da das Zusammenbauen stellenweise handwerkliches Geschick erfordert. Gerade die Flügel sind bei ständigem Auseinander- und Zusammenbauen sehr anfällig. In höheren Klassenstufen fördert die Konstruktion des Windrades das technische Verständnis. 3. Quellen Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2011). Erneuerbare Energie in Zahlen Nationale und internationale Entwicklung. Niestetal: Silber Druck ohg. EnBW Energie Baden-Württemberg AG (2012). das magazin Stromnetz im Wandel. Pforzheim: Stark Druck GmbH& Co. KG. Kosmos Windgenerator - Handbuch, Kosmos Verlag Internetquelle: (Stand: 15. Juni 2012)
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