Station 1 Energiebegriff

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1 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: Welche Energiearten gibt es? Welche Energiearten unterscheidet man? Welche Primärenergieträger werden zur Energieerzeugung eingesetzt? Zusatzaufgabe: Lies und erarbeite im Heft 1 der Lernsequenzen die Seiten 8 bis 11. Verdeutliche dir die vier verschiedenen Aspekte des Energiebegriffs. 13

2 Geschichte der Energienutzung Arbeitsblatt 1.1 Energiequellen Station 1 Energiebegriff Energiequellen Zeit Urzeit vor Jahren Muskelkraft des Menschen Altertum vor Feuer/Holz Wind Sonne Muskelkraft von Tieren Jahren Wasserkraft Neuzeit seit Kohle Erdöl Erdgas Uran Strom aus allen Primärenergien Jahren 14

3 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 15

4 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 Wirkungen 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 1 Energieform Male in die freien Kästchen weitere Beispiele, die die Energieform erkennen lassen, und trage auch diese in die Tabelle ein. 16

5 Arbeitsblatt 1.4 Energieentwertung Station 1 Energiebegriff Energieentwertung und Ablaufrichtung von Vorgängen 17

6 Arbeitsblatt 1.5 Ein energiegeladener Hund Station 1 Energiebegriff Gesättigt schleicht er nun die gegenüberliegende Treppe wieder hinauf und welche Freude erblickt das einladende Schwimmbecken. Bevor er sich versieht, rutscht er aus und fällt hinein Bewegungsenergie 6 aus Bewegungsenergie 1 aus Bewegungsenergie 2 Bewegungsenergie 5 aus aus Bewegungsenergie 4 Bewegungsenergie 3 aus Der Hund läuft auf dem oberen Treppenpodest und füllt etwas seinen Magen auf. aus Anschließend springt er die Treppe hinunter und frißt sein Futter. Bei allen Abläufen finden Energieumwandlungen statt; es entsteht in erster Linie Bewegungsenergie, die jedoch unterschiedlichen Ursprungs ist. Trage unter den Pfeilen die Energieform ein, aus der die Bewegungsenergie jeweils entsteht. 18

7 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. 6% 14% 22% 12% 22% 24% 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, Pumpspeicher und Sonstige. 19

8 Arbeitsblatt 1.7 Primärenergieangebot Station 1 Energiebegriff Das Primärenergieangebot 1. Schneide die abgebildeten Symbole aus und klebe Dir daraus eine Übersicht über die Primärenergieträger. 2. Welcher entscheidende Energieträger fehlt? Trage ihn nach und klebe ihn auch ein. erneuerbare Energieträger fossile Brennstoffe Kernbrennstoff 3. Ordne den Energieträgern die Begriffe fossil bzw. erneuerbar und erschöpflich bzw. unerschöpflich zu. 20

9 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 Sonnenenergie Windenergie Biomasse Erdwärme Strom 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 21

10 Zustandsformen der Energie Energieform Erscheinungsform Potentielle Energie Höhenenergie Druckenergie Spannungsenergie gestautes Wasser komprimiertes Gas Schraubenfeder Kinetische Energie Bewegungsenergie fahrendes Auto rollende Kugel Drehbewegungsenergie Schwungrad Wärme Chemisch gebundene Energie Kernenergie Elektrische Feldenergie Magnetische Feldenergie elektromagnetische Strahlungsenergie Heißdampf Brennstoffe, Autobatterie Uran Kondensator, Blitz Spule 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. 22

11 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 Fossile Brennstoffe Erschöpfliche Energie Kernbrennstoffe Sonnenenergie Windenergie Wasserenergie Biomasse Erdwärme Gezeitenenergie Kohle Erdöl Erdgas Biomasse Uran Thorium 2. Die Sonnenstrahlung als wichtiger Energieträger fehlt. 23

12 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 Mega-Joule (MJ) entspricht einer Million Joule 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). 24

13 Arbeitsblatt 2.1 Maßeinheiten für die Energie Station 2 Energiegrößen Physikalische Größe Einheiten Umrechnung zwischen den Einheiten 25

14 Arbeitsblatt 2.2 Maßeinheiten für die Energie Station 2 Energiegrößen Was Energie kann und worin Energie steckt 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 (10 3 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 Megajoule (10 6 J) reicht für ca. 2 Fußball-Länderspiele in Farbe (Fernseher) wendet man auf, wenn man 3,5 Stunden gar nichts tut (Grundumsatz) 1 Gigajoule (10 9 J) reichen im 4-Personen-Haushalt für Waschen und Trocknen 3 Monate, für Beleuchtung 8 Monate 1 Terajoule (10 12 J) stecken in l Benzin, das im PKW für eine Reise 8 um die Erde reichen würde verschwendet ein schlecht wärmegedämmtes Einfamilienhaus in 7 Jahren 1 Petajoule (10 15 J) repräsentiert ein fußballfeldgroßer Steinkohlehaufen von 6 m Höhe Quelle: nach M. Brockt in mtv, H4, Exajoule (10 18 J) empfängt die Erde in 6 Sekunden von der Sonne ist der gegenwärtige Weltverbrauch an Primärenergie in 21 Stunden 26

15 Arbeitsblatt 2.3 Der Wirkungsgrad Station 2 Energiegrößen An einem Sommertag trifft bei uns auf einen Quadratmeter 0,6 kj Sonnenenergie pro Sekunde. Die Sonnenstrahlung trifft auf Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 12% und einer Gesamtfläche von 9 m 2. In welcher Zeit kann man eine elektrische Energie von 1 kwh gewinnen? 27

16 Arbeitsblatt 2.4 Das Joule und sein Namensgeber Station 2 Energiegrößen Eine ungeliebte Maßeinheit tut sich schwer Die Kalorie will noch nicht weichen 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 wirtschaft zum Beispiel bei der Verrechnung von gelieferten Wärmemengen. 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 Verwirrung auf dem Speiseplan 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 Ruderblätter 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

17 Lösungen Station 2 Energiegrößen zu Arbeitsblatt 2.2 Die andere Umrechnungstabelle 1 Kilo-Joule(kJ) entspricht eintausend Joule Mega-Joule(MJ) entspricht einer Million Joule Giga-Joule(GJ) entspricht einer Milliarde Joule Tera- Joule(TJ) entspricht einer Billion Joule Peta-Joule(PJ) entspricht einer Billiarde Joule Exa-Joule(EJ) entspricht einer Trillion Joule zu Arbeitsblatt 2.3 Der Wirkungsgrad 0,6 kj 1 m 2 1 s = eingestrahlte Energie 0,6 kj 9 m 2 = 5,4 kj = 5400 Watt 1 m 2 1 s s 5400 W 0,12 = 648 W t = 1 kwh = 1,54 h 648 W 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 Energiehaushalt 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. 29

18 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: 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. 30

19 Arbeitsblatt Funktionsweise von Wärmekraftwerken Station 3 Wärmekraftwerke Am Beispiel eines Steinkohlekraftwerks Leitungsmast Zur Rauchgasreinigung Dampf unter hohem Druck Turbine Generator Kondensator Kohlenlager Vorwärmer Kühlwasser aus einem Fluss Kohlenmühle Kessel/Dampferzeuger Kohlenstaubgebläse Speisewasserpumpe Fülle den Lückentext aus, setze dazu die folgenden Begriffe ein: Generator, Turbine, Dampf, Dampferzeuger, Speisewasserpumpe, chemische Energie, Wärmeenergie, Kessel, Wasser, Kondensator, Wärme, Turbine, Generator, Dampf 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 übertragen, 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. 31

20 Arbeitsblatt Wärmekraftwerke als Energieumwandler Station 3 Wärmekraftwerke Schornstein Kessel/Dampferzeuger Rauchgasreinigung Wasser-Dampf-Kreislauf Kohlenmühle Kohlenlager Kohlenstaubgebläse Speisewasserpumpe Chemisch gebundene Energie Stromleitung Turbine Generator Kondensator Kühlkreislauf Kühlturm In Kraftwerken wird elektrische Energie aus anderen Energieformen gewonnen. Beschrifte die wichtigsten Teile in der Skizze. Ergänze die Energieumwandlungskette. 32

21 Arbeitsblatt Wirkungsweise Station 3 Wärmekraftwerke Erläutere die prinzipielle Wirkungsweise eines Kohlekraftwerkes bei der Energieerzeugung. 33

22 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 34

23 Aufgabenstellung Station 4 Kraft-Wärme-Kopplung Material: Lernsequenzen Heft 2 - Wärmekraftwerke Arbeitsblatt 4.1 KWK Arbeitsblatt 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? 35

24 Arbeitsblatt 4.1 KWK Station 4 Kraft-Wärme-Kopplung In einem herkömmlichen Wärmekraftwerk wird ausschließlich elektrische Energie erzeugt. Ein Heizkraftwerk erzeugt dagegen sowohl elektrische Energie als auch Fernwärme. Dampferzeuger Turbinen Stromnetz Generator Speisewasserpumpe zur Rauchgasreinigung Wärmetauscher Kondensator Brennstoff Industrie Wohnhäuser Kühlturm Quelle: ASE/nach RWE Energie AG Beschreibe den Wasser Dampf - Kreislauf, wenn das Heizkraftwerk ausschließlich elektrische Energie erzeugt. Was nimmt in diesem Fall die so genannte Abwärme auf? wenn das Heizkraftwerk ausschließlich Fernwärme erzeugt. Was nimmt in diesem Fall die so genannte Abwärme auf? 36

25 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 Nutzungsgrad 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 kwh Wärme mit einer Temperatur von 80 C zur Beheizung der Gewächshäuser. Zudem benötigt Blumenfrisch insgesamt kwh Strom. Einen großen Teil des Strombedarfs, nämlich 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 produziert 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 thermischer von 49 %. Damit an besonders kalten Tagen der Wärmebedarf abgedeckt werden kann, muss zusätzlich ein Heizkessel eingesetzt werden. Dieser stellt die Wärme, die das BHKW nicht erzeugen kann, mit einem Nutzungsgrad von 80 % bereit. Das BHKW macht nur dann energetisch Sinn, wenn Strom und Wärme gleichzeitig genutzt werden. 37

26 Welches ist hinsichtlich dem Primärenergieeinsatz (PE) die günstigste Variante? Variante 1 PE,Strom kwh / 0, kwh PE,Wärme kwh / 0, kwh Summe PE,Strom + PE,Wärme kwh Variante 2 Strom,BHKW kwh Ausnutzungsdauer,BHKW kwh / 50 kw h Wärme,BHKW 70 kwh h kwh PE,BHKW kwh / 0, kwh Strom, EVU kwh kwh PE,Strom EVU kwh / 0, kwh Wärme Heizkessel kwh kwh kwh PE,Wärme kwh / 0, kwh Summe PE,BHKW + PE,Strom EVU + PE,Wärme kwh Die Variante 2 mit dem BHKW ist primärenergetisch für Blumenfrisch die beste Lösung. Es stellt sich ein Vorteil von rund 20 % ein. 38

27 Aufgabenstellung Station 5 Kraftwerkskomponenten Material: Lernsequenzen Heft 2 - Wärmekraftwerke Arbeitsblatt 5.1 Prinzipskizze Zusätzliche Informationen siehe unter: 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 bis Ergänze auf Arbeitsblatt 5.1 Prinzipskizze die erkannten Komponenten. 39

28 Arbeitsblatt 5.1 Prinzipskizze Station 5 Kraftwerkskomponenten

29 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 41

30 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 heranzugehen. Zwei bis drei vorbereitete Fragen pro Arbeitsgruppe garantieren eine lebhafte und doch zielgerichtete Veranstaltung. Folgende fachliche Grundlagen sollten bekannt sein: Elektrische Grundgrößen und Maßeinheiten Spannung (Volt) Stromstärke (Ampére) Leistung (Watt) Arbeit/Energie (kwh) Größenordnungen elektrischer Leistung Glühlampe W Bügeleisen W Wäschetrockner... 3 kw Windkraftanlage kw Heizkraftwerk MW Kohlekraftwerk MW Kernkraftwerk MW Größenordnungen elektrischer Energie 100-W-Glülampe verbraucht in 10 Stunden... 1 kwh Durchschnittlicher Jahresverbrauch eines 3-Personen-Haushalts kwh Durchschnittliche Jahresproduktion eines 600-MW-Kohlekraftwerkes... 5 Mrd. kwh Jahresproduktion ,1 Mrd. kwh Kraftwerksprozess Energieformen und Energieumwandlung Funktionsprinzip von Turbine, Generator, Transformator 42

31 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 Arbeitsplatz Kraftwerk 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 einzelnen Kraftwerkskomponenten auf einer Wandzeitung im Klassenraum. 43

32 Terminplanung Die Kraftwerkserkundungen sind beliebt und sollten sich natürlich möglichst nahtlos in den Unterrichtsverlauf einfügen. Wenden sie sich deshalb frühzeitig zwecks einer Terminabsprache an das Energieversorgungsunternehmen, dessen Kraftwerk sie besichtigen wollen. 44