Aufgaben. 2. Überlegen Sie, wie man unterschiedliche Energiearten ineinander überführen kann und welche Umwandlungsverluste dabei entstehen.

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1 48 Kapitel 1 1. Schreiben Sie auf, wie viele Kilometer Ihre Familie pro Jahr ungefähr in verschiedenen Verkehrsmitteln zurücklegt. Ermitteln Sie daraus den auf Sie entfallenden Anteil am Energiebedarf in kwh und an den damit verbundenen Kohlenstoffdioxid-Emissionen. a) Wie viel Treibstoff wurde dafür jeweils eingesetzt? (Grafisch vergleichend darstellen) b) Wie viel darin enthaltene Energie in kwh wurde dabei umgesetzt? c) Wie viel Kohlenstoffdioxid wurde dabei freigesetzt? 2. Vergleichen Sie Ihre persönliche Pro- Kopf-Bilanz mit statistischen Daten für die Bundesrepublik und andere Industriesowie Entwicklungsländer. Bewerten Sie die Bilanz und überlegen Sie sich Einsparmöglichkeiten, die Sie umsetzen wollen. Kapitel 2 1. Recherche: Versuchen Sie, Ihren persönlichen Energiebedarf für Heizung, Strom und Mobilität sowie die damit verbundenen Kohlenstoffdioxid-Emissionen in einer Jahresbilanz zusammenzustellen. Ermitteln Sie aus den Abrechnungen für Heizung und Strom der Familie Ihren Anteil des jährlichen Energiebedarfs, berechnen Sie die zugehörigen Kohlenstoffdioxid-Emissionen und veranschaulichen Sie die errechneten Mengen. 2. Errechnen Sie das Potenzial der Sonnenstrahlung: Die Absorption in der Erdatmosphäre bewirkt, dass von der eingestrahlten Flächenleistung 1,36 kw/m 2 (Solarkonstante) selbst bei senkrechter Einstrahlung nur ca. 1 kw/m 2 auf die Erdoberfläche gelangt. Berechnen Sie, wie lange es dauert, bis die auf die Querschnittsfläche der Erde eintreffende Sonnenenergie W S so groß ist wie der derzeitige weltweite Bedarf pro Jahr an Primärenergie W P. Kapitel 3 1. Ermitteln Sie, wie viel Energie in den folgenden Brennstoffen steckt, und stellen Sie die Beträge zum Vergleich grafisch dar. 3 1 Liter Benzin, Diesel, Heizöl; 1 kg Steinkohle 3 1 h Rad fahren bei 100 W g Schokolade 3 1 Kubikmeter Wasser in 200 m Höhe (Walchenseekraftwerk) 3 Autoakku mit 12 V/45 Ah 2. Überlegen Sie, wie man unterschiedliche Energiearten ineinander überführen kann und welche Umwandlungsverluste dabei entstehen. Kapitel 4 1. Recherchieren Sie, was man unter dem natürlichen und dem anthropogenen Treibhauseffekt versteht. Unter welchen Bedingungen entsteht Methan? 2. Erstellen Sie eine Übersicht über Treibhausgase und deren Wirkung. 3. Erläutern Sie den Begriff Nachhaltige Entwicklung und überlegen Sie, welche Handlungen Sie in Ihrem Alltag nachhaltiger gestalten könnten. 4. Informieren Sie sich über den aktuellen Stand der internationalen Bemühungen zum Klimaschutz. Kapitel 5 1. Führen Sie eine Befragung durch. Lassen Sie die befragten Personen die Bedeutung der aufgeführten Anforderungen an Kraftstoffe mittels Schulnoten bewerten (Note 1 = sehr bedeutsam; Note 6 = keine Bedeutung). Gibt es Unterschiede in der Bewertung durch Autofahrer/Nichtautofahrer, männliche oder weibliche Probanden? Stellen Sie Ihre Ergebnisse in geeigneter Weise dar. Kapitel 6 1. Informieren Sie sich über die Entstehung fossiler Brennstoffe. Welche Schätzungen finden Sie darüber, wie lange diese jeweils noch in ausreichendem Maße verfügbar sind? 2. Vergleichen Sie tabellarisch die chemische Zusammensetzung der verschiedenen fossilen Treibstoffe. Kapitel 7 1. Vergleichen Sie tabellarisch die chemische Zusammensetzung der verschiedenen Sorten von Biosprit. 2. Skizzieren Sie die zentralen Aussagen sowie die Bedeutung des Erneuerbare- Energien-Gesetzes.

2 49 Kapitel 7 3. Recherchieren Sie die Entwicklung von Preis (vor und nach Steuern) und Verbrauch (Marktanteil) von Biosprit bzw. fossilen Treibstoffen und stellen Sie die Ergebnisse grafisch dar. 4. Erstellen Sie ein Konzept, mit welchen zentralen Aussagen die verschiedenen Spritsorten beworben werden könnten. Kapitel 8 1. Zeichnen und erklären Sie das Funktionsprinzip eines Wechselstromgenerators. 2. Recherchieren Sie das Elektrizitätswerk, das für die Versorgung Ihrer Schule/Ihres Haushaltes zuständig ist; fragen Sie dort nach, welche Art von Kraftwerken eingesetzt wird. Kapitel 9 Erläutern Sie mit Hilfe der abgebildeten Grafik die Funktionsweise eines Solarturmkraftwerks. Kapitel 10 Zeichnen Sie den Querschnitt durch einen parabolischen Rinnenkollektor mit Hilfe einer Parabelschablone. Zeichnen Sie parallel einfallende Sonnenstrahlen und die zugehörigen reflektierten Strahlen ein und zeigen Sie, dass sich die reflektierten Strahlen im Brennpunkt treffen. Kapitel Erläutern Sie, wie aus Solarzellen ein Solarmodul entsteht und welche Wirkungen die Parallel- sowie die Serienschaltung von Zellen haben. 2. Ermitteln Sie die benötigte Solarmodulfläche, um den jährlichen Bedarf eines Durchschnittsdeutschen an elektrischer Energie von kwh zu decken. Erläutern Sie die Gründe, warum es selbst bei dieser Fläche zu Versorgungsengpässen kommt. Wie könnte man diese überwinden? Die Sonne strahlt in unseren Breiten in einem Jahr etwa kwh Energie auf einen Quadratmeter horizontale Fläche. Gehen Sie von einem Gesamtwirkungsgrad der Photovoltaikanlage von ca. zehn Prozent aus. 3. Reinstsiliziumscheiben werden aus dem Rohstoff Sand (SiO 2 ) hergestellt. Informie- ren Sie sich über die notwendigen chemischen Prozesse. a) Formulieren Sie Reaktionsgleichungen und finden Sie heraus, welche Prozesse exo-/endotherm sind. b) Welche Schritte sind kostenintensiv? Warum? 4. Gestalten Sie in einem Team ein Informationsplakat zur Herstellung von Solarzellen. Beschaffen Sie sich farbige Bilder vom Herstellungsprozess einer Solarzelle. Ergänzen Sie das ggf. durch Muster von Rohsilizium, Siliziumscheiben aus der Halbleiterproduktion und verschiedenen Solarzellen. Kapitel Erklären Sie knapp, wie es beim Beleuchten der Zelle zu einer Spannung an den Außenkontakten kommt. Gehen Sie zunächst kurz darauf ein, warum sich in der Sperrschicht zwischen n- und p-leiter bereits im Dunkeln ein elektrisches Feld aufbaut (Polarität angeben). 2. Experimente Einstiegsversuch: Messen Sie bei geringer Beleuchtung die Spannung an einem Solarmodul. Schließen Sie ein geeignetes Radio oder eine Lampe an und messen Sie wieder die Spannung. Für Experten: Die Kennlinie zeigt den Zusammenhang von der Solarzellenspannung U und dem gelieferten Strom I und gibt Auskunft über die elektrische Leistung der Solarzelle bei unterschiedlichen Belastungen. Entwerfen Sie eine Schaltung, mit der man die Kennlinie einer Solarzelle aufnehmen kann, und führen Sie das Experiment durch. Benennen und erläutern Sie kurz die charakteristischen Größen: Leerlaufspannung U 0, Kurzschlussstrom I K, Maximum Power Point MPP. 3. Suchen Sie in Ihrer Nähe Gebäude, die mit einer Photovoltaikanlage ausgestattet sind, und befragen Sie die Benutzer nach Gründen für die Investition in diese Technik, nach ihren Erfahrungen sowie nach den jährlichen Erträgen der Anlage. Versuchen Sie Informationen über die Variation der täglichen Erträge je nach Jahreszeit und Wetterlage zu erhalten. Kapitel Nennen Sie denkbare Möglichkeiten, Energie in Form von Wärme bzw. Elektrizität zu speichern. Erläutern Sie die dabei auftretenden Probleme und überlegen Sie mögliche Lösungswege.

3 50 Kapitel Verschaffen Sie sich einen Überblick über die unterschiedlichen regionalen Sonneneinstrahlungen auf der Erde. Vergleichen Sie Wüstengebiete mit unseren Breiten hinsichtlich der jährlich pro Quadratmeter eingestrahlten Energie in kwh. 3. Schlagen Sie in einem Atlas nach und suchen Sie Gebiete aus, die sich für großflächige Solarkraftwerke eignen. Beschreiben Sie Möglichkeiten der Energiewandlung, der Speicherung sowie des Transports und erörtern Sie Vorteile und Probleme. Kapitel 14 Führen Sie anhand der vorgegebenen oder selbst recherchierter Daten Abschätzungen zur Erwärmung von Brauchwasser mit Solarenergie durch. a) Berechnen Sie den täglichen Energiebedarf eines durchschnittlichen Haushaltes für die Warmwasserbereitung in kwh. b) Welcher halbjährliche (180 Tage) Energiebedarf ergibt sich daraus und wie viele Liter Heizöl sind dafür nötig, wenn der Wirkungsgrad der Heizung im Sommer nur 50 Prozent beträgt? c) Das Brauchwasser soll nun im Sommerhalbjahr mit einem Flachkollektorsystem erwärmt werden. Im Sommerhalbjahr sollen pro Tag im Mittel etwa 4 kwh Globalstrahlung pro Quadratmeter horizontale Fläche einfallen. Wie viel Fläche muss ein Flachkollektor mit einem Wirkungsgrad von 60 Prozent dann mindestens haben, damit der nötige Bedarf des Haushaltes gedeckt werden kann? Kapitel 15 Erläutern Sie die Reaktion, die bei Lavoisiers historischem Experiment ablief, und formulieren Sie die zugehörige Reaktionsgleichung. Kapitel Machen Sie sich die geringe Dichte von Wasserstoff anschaulich klar: Vergleichen Sie die Massen von jeweils einem Liter Wasser, Kohlenstoffdioxid, Luft sowie Wasserstoff und stellen Sie das Ergebnis bildhaft dar. 2. Nennen Sie Gründe, weshalb wasserstoffgefüllte Luftballons nach kurzer Zeit erschlaffen. 3. Stellen Sie wasserstoffhaltige Verbindungen zusammen, die für unsere technische Zivilisation wichtig sind. Welche müssen synthetisch hergestellt werden, welche sind natürlich vorhanden? 4. a) Nennen Sie großtechnische Erzeugungswege für Wasserstoff. b) Informieren Sie sich über die Reaktionsbedingungen und die Energiebilanz. c) Erläutern Sie den Begriff Synthesegas und seine Verwendung. 5. Experiment: Erzeugen Sie selbst mit granuliertem Zink und einer Säure Wasserstoff. Zeigen Sie, dass bei dessen Verbrennung Wasser entsteht. 6. Überlegen Sie, wie man aus Biomasse Wasserstoff gewinnen könnte. 7. Wenn Wasserstoff mit Sauerstoffgas bei 25 Grad Celsius verbrennt, entsteht als Reaktionsprodukt Wasser in flüssiger Form. In Chemiebüchern wird für diese Reaktion die Reaktionsenergie = 286 kj/mol angegeben. a) Wenn bei der Verbrennung als Reaktionsprodukt Wasserdampf entsteht, wird eine geringere Energie von 242 kj/mol frei. Zeigen Sie, dass dieser Wert gleichbedeutend mit den in der Tabelle angegebenen Heizwerten ist, die auf das Volumen bzw. die Masse von Wasserstoff bezogen sind. b) Woher kommt die Differenz der beiden Energiewerte? 8. Berechnen Sie, wie weit man mit 10 Liter Benzin/Wasserstoff (1 bar) / komprimiertem Wasserstoff (700 bar) und verflüssigtem Wasserstoff kommt. Setzen Sie als Verbrauchswert des Autos den Energieinhalt von acht Liter Benzin/100 km an. 9. Vergleichen Sie die Umweltverträglichkeit fossiler Brennstoffe mit der von Wasserstoff. Schreiben Sie dazu mögliche Reaktionsprodukte für die Verbrennung mit Luft auf. Kapitel Erklären Sie, weshalb durch einen kleinen Elektrodenabstand bzw. großflächige Elektroden der Wirkungsgrad der Elektrolyse verbessert wird.

4 51 Kapitel In der Pilotanlage zur Wasserstofftechnologie in Neunburg vorm Wald wurden Photovoltaikmodule verschiedener Technologien mit einer gesamten Spitzenleistung von 370 kw installiert. Eine PV-Anlage mit einer Spitzenleistung von 1 kw liefert jährlich ca. 900 kwh elektrische Energie. a) Was bedeutet die Angabe der Spitzenleistung? b) Wie viele MWh elektrischer Energie liefert eine Anlage mit 370 kw Spitzenleistung pro Jahr und welches Volumen an -Gas kann dort p. a. produziert werden, wenn der Wirkungsgrad der Elektrolyse ca. 70 Prozent beträgt? Kapitel 18 Gestalten Sie eine Informationstafel zu einem Energiekonzept, das auf Wasserstoff als Energieträger setzt. Bilden Sie Gruppen zu den einzelnen Schwerpunkten. Koordinieren Sie die Gesamtdarstellung. 3 Wasserstoff aus fossilen Energieträgern 3 Nachhaltige Produktion durch Nutzung erneuerbarer Energiequellen 3 Solar-Wasserstofftechnologie 3 Konzepte zur alternativen Wasserstofferzeugung 3 Kapitel Sie sollen in einem Vergleich darstellen, wie viel gasförmigen Wasserstoff (Normalbedingungen), komprimierten Wasserstoff (700 bar), flüssigen Wasserstoff und wie viel Benzin man für 1 kwh Energie benötigt. Vergleichen Sie zum einen die nötigen Volumina und zum anderen die nötigen Massen. Ziehen Sie Schlussfolgerungen. 2. Wie groß muss der Tank eines Autos mit Flüssigwasserstoff mindestens sein, damit man damit durchschnittlich 500 km weit fahren kann, ohne zu tanken? Kapitel Erstellen Sie eine Übersicht mit den wesentlichen Vor- und Nachteilen, die Wasserstoff als Energieträger bietet. 2. Der Wasserstofftank im Pkw: a) Zeigen Sie, dass die Speicherdichte für Energie (gespeicherte Energie pro Gesamtmasse aus Tank und Treibstoff) beim Wasserstoffauto kleiner ist als beim benzinbetriebenen Pkw. Was folgern Sie daraus? b) Zwischen den beiden Tankschalen befindet sich ein drei cm dicker evakuierter Zwischenraum mit einer Wärmeleitfähigkeit von l 10 4 W/ (mk). Was bedeutet dieser Wert? Suchen Sie den entsprechenden Wert für Styropor und zeigen Sie, dass die drei cm dicke Isolation genauso gut ist wie eine neun m dicke Styroporisolation. (Zur Veranschaulichung: Heißer Kaffee würde sich in einem isolierten Tank auch nach fünf Tagen kaum abkühlen.) Kapitel Führen Sie je einen Versuch zur Verbrennung von Wasserstoffgas mit und ohne Katalysator durch. 2. In welchem Volumenverhältnis muss man Wasserstoff mit Sauerstoff bzw. mit Luft mischen, um die optimale Wirkung der Knallgasexplosion zu erreichen? Erklären Sie das Verhältnis aufgrund der Atomvorstellungen. Kapitel Welche Rolle spielt ein Katalysator bei der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff? Erläutern Sie das mit den Modellvorstellungen von reagierenden Atomen und Molekülen. 2. Recherchieren Sie, wie und wo das Prinzip des katalytischen Heizens angewandt wird, und nennen Sie die Vorteile, die sich bei der katalytischen Verbrennung ergeben. 3. Katalysatoren werden bei vielen Reaktionen eingesetzt. Suchen Sie einige Beispiele und erörtern Sie die Vorteile. Kapitel Was versteht man unter dem Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle? Erläutern Sie, wie man ihn experimentell ermitteln könnte. 2. Nennen Sie die wesentlichen Unterschiede zwischen einem Wärmekraftwerk und der Brennstoffzelle in Bezug auf den Wirkungsgrad. Kapitel Informieren Sie sich über das Prinzip eines Blockheizkraftwerks (BHKW). Warum ist der Wirkungsgrad eines BHKW größer als der eines konventionellen Wärmekraftwerks?

5 Kapitel Entwickeln Sie Ideen für den Einsatz von Brennstoffzellen. 3. Brennstoffzellen haben auch bei kleinen Leistungen hohe Wirkungsgrade. Berechnen Sie für eine Brennstoffzelle mit einem Wirkungsgrad von 60 Prozent und einer elektrischen Leistung von 1 W, wie viel gasförmiger bzw. flüssiger Wasserstoff pro Betriebsstunde benötigt wird. Kapitel Geben Sie pauschal ohne Gleichungen an, was in der Brennstoffzelle geschieht. 2. Erstellen Sie eine Übersicht der Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen im mobilen Bereich. Kapitel Nennen Sie Möglichkeiten zur Energiespeicherung im Allgemeinen und speziell solche, die sich im Fahrzeug einsetzen lassen. 2. Gruppenarbeit a) Überlegen Sie Möglichkeiten, wie sich elektrische Energie möglichst verlustarm speichern lässt. Suchen Sie dafür Einsatzgebiete. Erörtern Sie Vor- und Nachteile. Bewerten Sie Ihre Vorschläge und sortieren Sie diese nach ihrer volkswirtschaftlichen Realisierbarkeit, nach ihrer Umweltverträglichkeit sowie nach ihrer Eignung für Transport/Verkehr. b) Nennen Sie die Anforderungen, denen ein zukunftsfähiger Energieträger genügen sollte. Untersuchen Sie, inwieweit Wasserstoff dafür geeignet ist. Kapitel 27 Erstellen Sie ein Fließdiagramm zu den bereits erfolgten Schritten und Meilensteinen der Wasserstofftechnologie. Kapitel Die Initiative Clean Energy Partnership erprobt in Berlin diverse Konzepte der Wasserstoffbereitstellung und im Rahmen der Fahrzeugflotte der Kooperationspartner mehrere verschiedene Wasserstoff-Antriebsvarianten. Stellen Sie die Konzepte in einem Poster übersichtlich dar. 2. Recherchieren Sie die konzeptionellen Besonderheiten und Leistungsparameter der verschiedenen Fahrzeuge der Testflotte und stellen Sie diese tabellarisch dar. Kapitel 29 Nationale und internationale Kooperationen sowie Investitionsprogramme bemühen sich, Wasserstoff in unserer Energiezukunft zu etablieren. Internetrecherche: Finden Sie heraus, wer diese Initiativen fördert bzw. daran mitwirkt und welche Interessen bei den einzelnen Vertretern vorherrschen dürften. Kapitel 30 Stellen Sie die Rolle der EU bei der Einführung von Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft in einer Übersicht dar. Kapitel 31 Rollenspiel zur Energiezukunft: 3 Formulieren Sie typische Standpunkte zur gegenwärtigen Situation und zu Zukunftsvisionen. Versuchen Sie, Konzepte und Rahmenbedingungen für eine globale zukunftsorientierte Energiepolitik zu entwickeln. 3 Planen Sie eine schrittweise Umstellung der Infrastruktur (Tankstellen). Überlegen Sie dabei, warum die Energieversorgung über Wasserstoffproduktion derzeit noch viel teurer als beispielsweise die fossile Energienutzung ist. Machen Sie sich Gedanken, wie die Kosten reduziert werden können! 52