LERNMATERIALIEN UND HINTERGRUND- INFORMATIONEN. Kontakt: Akademie Klausenhof

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1 1 LERNMATERIALIEN UND HINTERGRUND- INFORMATIONEN Kontakt: Akademie Klausenhof

2 1 INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis Einführung Spielanleitung Handbuch für Lehrpersonen Informationen und Fundstellen zu Energiethemen und E-Learning Exemplarische Info-Beispiele zum Thema: Wasserkraft...22

3 2 1 EINFÜHRUNG 1.1 KONTAKT Zur Information können Sie die Website besuchen oder mit der Akademie Klausenhof Kontakt aufnehmen. Telefon: / nakath@akademie-klausenhof.de naffin@akademie-klausenhof.de 1.2 INFORMATIONEN ZUM SPIEL Was ist EnerCities? Unter der Leitung einer niederländischen Weiterbildungseinrichtung wurde das Spiel von sechs europäischen Partnern mit Hilfe einer niederländischen Lernspielfirma entwickelt. EnerCities steht für eine integrierte Intelligent Energy Education Initiative. Ziel ist, junge Menschen für energiebewusstes Handeln zu sensibilisieren und sie dazu zu befähigen, Kompetenz für ihr persönliches Handeln im Zusammenspiel von Ökologie, Ökonomie, Energie und Gesundheit zu erwerben. Das Lernspiel wurde in sechs europäischen Schulen/Weiterbildungseinrichtungen intensiv erprobt (England, Griechenland, Niederlande, Slovenien, Spanien und Deutschland) und erhielt von Lehrern und Schülern ein sehr gutes Feedback Es wird angestrebt, Enercities europaweit in mehr als 50 Schulen und anderen Bildungseinrichtungen zu spielen. Die aktuelle Zahl der Spielzugriffe liegt bei mehr als Enercities ist ein attraktives Lernspiel für den Unterricht auf dem neuesten Stand der Technik. Das Spiel wurde u. a. in den Niederlanden und bei der EDUCA in Berlin als bestes learning game ausgezeichnet.

4 3 Das dreijährige Projekt endet im September Das Spiel steht über das Projektende hinaus unter weiterhin zur kostenlosen Nutzung zur Verfügung. Wissenschaftliche Untersuchungen haben ergeben, dass das Spielen von EnerCities Auswirkungen auf die Bewußtseinsbildung und auf die Einstellung junger Menschen in Bezug auf Nachhaltigkeit, Umweltbewußtsein und energiebewußtes Handel hat. Die folgenden wissenschaftlichen Artikel enthalten erste vertiefte Untersuchungsegebnisse: Knol & De Vries (2011), EnerCities, a serious game to stimulate sustainability and energy conservation: preliminary results. elearning Papers, July. De Vries & Knol (2011), Serious gaming as a means to change adolescents attitudes towards saving energy; preliminary results from the EnerCities case. Proceedings EDEN Annual Conference, Dublin (Ireland).

5 4 2 SPIELANLEITUNG Spielanleitung Einleitung EnerCities handelt davon, deine eigene Stadt zu erbauen und mehr über Energie zu lernen. Unsere Welt kann durch ihre Einwohner, ihre Wirtschaft und ihre Umwelt definiert werden. Deine Herausforderung in EnerCities besteht darin, zwischen diesen Aspekten eine Balance zu finden. Hauptziel des Spiels ist es, deine Bevölkerung in 100 Jahren auf 200 anwachsen zu lassen und Level 5 zu erreichen. Der Bau deiner Stadt Du kannst verschiedene Gebäudetypen errichten, um deine Stadt zu erweitern. Die fünf Hauptkategorien sind in der oben stehenden Menüleiste sichtbar: Wohnen, Umwelt, Wirtschaft, Wohlergehen und Energie. Das Bauen ist einfach bewege mit der Maus den Cursor auf ein Kategorie-Icon. Klicke es an und wähle ein Gebäude aus. Ziehe es vom Pop-up Menü in ein freies Feld deiner Spielfläche. Ruck zuck, fertig!

6 5 Gebäudetypen Das Hauptziel des Spiels ist, Level 5 zu erreichen und die Bevölkerung auf den Stand von 200 zu bringen. Indem du Wohngebäude schaffst, expandiert deine Stadt automatisch. Natürlich kostet das Bauen Geld. Du startest zunächst mit einem Grundbetrag an Geld. Schon bald benötigst du mehr Geld. Dafür stehen dir verschiedene Wirtschaftsgebäude zur Verfügung. Deine Stadt benötigt ebenfalls Energie. Für diesen Bedarf stehen dir unterschiedliche Energieressourcen zur Verfügung. Sicherlich sind Kernkraftwerke wesentlich effizienter als andere, bedenke jedoch die möglicherweise negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Aus diesem Grund solltest du sogenannte Umweltstrukturen schaffen, indem du Parks und Wälder anlegst. Und schließlich, um das Wohlbefinden der Bevölkerung zu gewährleisten, gibt es Märkte, öffentliche Versorgungseinrichtungen und Sportstätten sie bedingen die sogen. Wohlfühlstruktur.

7 6 Halte die Balance Indem du alle genannten Faktoren im Gleichgewicht hältst, wird sich deine Stadt gut entfalten und wachsen. Du kannst die Entwicklung deiner Stadt anhand der Icons in der linken und rechten unteren Ecke deines Bildschirms überprüfen. Angezeigt sind: Energie, Geld, Öl, Bevölkerung, Ökonomie, Umwelt, Wohlbefinden/Gesundheit. Der Stern zeigt deine Gewinn-/Bonuspunkte an, welche du für bestimmte Aktionen im Rahmen des Spiels erwerben kannst. Versuche herauszufinden, wie du Bonus-/Gewinnpunkte erhältst! Übrigens, der Name der Person ist Alex. Sie ist da, um dir beim Spiel zu helfen und bietet dir Tipps an! Das Spiel gewinnen Sobald deine Bevölkerung im Level 5 die Zahl 200 erreicht, hast du dein Spielziel erreicht. Dein erreichtes Spielresultat wird zur Highscore-Liste hinzugefügt. Du kannst das Spiel erneut spielen und versuchen deine Punktzahl zu erhöhen oder die Punktzahl deiner Freunde zu übertreffen. Bist du in der Lage eine gesunde Balance von Ökonomie, Umwelt und Wohlergehen zu schaffen? Oder bist du der profitorientierte Großindustrielle, der nur nach Gewinn strebt? Vielleicht bist du sehr naturverbunden und möchtest nur das Beste für deine Bevölkerung? Die Entscheidung liegt allein bei dir, wie du EnerCities spielst!

8 7 3 HANDBUCH FÜR LEHRPERSONEN Handbuch für Lehrpersonen Einführung Das EnerCities Paket bietet Ihrer Schule die Möglichkeit zur Nutzung eines Lernspiels ( serious game ) mit darauf bezogenen Unterrichtsmaterialien und einer (Spiel) Community, um im und außerhalb des Unterrichts über Energie in unserer Gesellschaft, Energieeinsparung und erneuerbare / grüne Energie zu diskutieren. Das Handbuch liefert Ihnen die Grundlagen, wie man das Spiel in der Schule einsetzt. Inhalt: 1. EnerCities Lehrer Code 2. Nutzung der EnerCities Community 3. EnerCities Fragebogen für Schüler/-innen 4. EnerCities Spielanleitung 5. EnerCities Unterrichts Baukasten

9 8 EnerCities Lehrer Code Gehen Sie auf der Startseite auf den Button Teacher dort wird das weitere Vorgehen erklärt! Was mache ich mit dem Lehrer Code? Wenn Ihre Schüler sich selbst bei EnerCities registrieren bitten Sie sie, Ihren Lehrer Code bei der Registrierung anzugeben. Bereits registrierte Schüler können Ihren Lehrer Code in Ihre Profile einfügen. Auf diese Weise bauen Sie Ihren Schülerpool auf. Was passiert dann? Sie und Ihre Schüler sind nun als Pool von EnerCities Nutzern registriert. Auf diese Weise kann der Punktestand der Schüler untereinander leichter verglichen werden, wodurch der Wettbewerb und der Gebrauch des Spiels durch die Schüler angeregt/gefördert werden. Das fördert die Motivation der Schüler ihr Bestes zu geben und eine möglichst hohe Punktzahl zu erreichen. EnerCities Community Plattform Die EnerCities Community Plattform ist für Lehrer, Schüler und andere registrierte EnerCities Nutzer online verfügbar. Obwohl EnerCities spielen Spaß macht, wäre es schön, Online-Diskussionen über die Rolle von Energie in unserer Gesellschaft, über Konsequenzen bei Veränderungen von Energieproduktion und gebrauch und über Möglichkeiten von Energieeinsparung und grüner Energie zu führen. Die EnerCities Community Plattform kann für diese Diskussion genutzt werden. Außerdem können Spieler die Plattform nutzen, um Spielerfahrungen, Tipps und Tricks auszutauschen. Wie erreiche ich höhere Punktzahlen? Wann nutzt man eine Energiequelle im Spiel, um die Punkte zu erhöhen? Regen Sie Ihre Schüler dazu an, die Plattform zu benutzen! Als Lehrperson können Sie Ihre Schüler dazu anregen, die Plattform für Diskussionen und zum Informationsaustausch zu nutzen. Außerdem können Sie als Lehrer Diskussionen initiieren und moderieren. So kann die Plattform als interessante interaktive Lernumgebung verstanden und genutzt werden. Auch Diskussionen auf Englisch? Warum? Das EnerCities Paket enthält verschiedene Sprachen. Um länderübergreifendes Lernen in Bezug auf Energie zu fördern, wäre es schön, wenn Lehrer und Schüler das Forum auch mit Diskussionsbeiträgen und Themen auf Englisch besuchten. Auf diese Weise können Lehrer und EnerCities Nutzer etwas über die unterschiedliche Sichtweise in Bezug auf Energieherausforderungen und das Spielen in den Klassen innerhalb der beteiligten Länder und Schulen lernen. Perfekte Englischkenntnisse sind nicht notwendig.

10 9 Akzentuierte und interessante Ansichten sowie ein wenig Mut sind die wichtigsten Voraussetzungen für die Schüler, um beim internationalen Forum mitzumachen. Tauschen Sie Ihre Erfahrungen als Lehrpersonen aus EnerCities sollte auch ein Projekt sein um etwas darüber zu lernen, wie man Schüler bei Energiethemen über das EnerCities Spiel anspricht, die themenbezogenen Materialien nutzt und die Rolle als beteiligte Lehrperson. Bitte teilen Sie Ihre Vorstellungen und Erfahrungen mit, wie das EnerCities Paket optimiert werden kann. Beispiel: Was ist der beste Ansatz zur Gestaltung einer Unterrichtsstunde rund um das oder mit dem EnerCities Paket (...% Vorbereitung durch die Schüler,...% Anweisung des Lehrers während des Unterrichts,...% Spielen in der Klasse,...% Überlegungen zum Klassenniveau)? Wie kann das Spiel verbessert werden, damit es attraktiv und ein dennoch nützliches Lerninstrument ist? Wie rege ich Kollegen (in Ihrer Schule und außerhalb) dazu an, das EnerCities Paket zu nutzen? Auf der EnerCities Plattform steht Ihnen als Lehrperson die entsprechende Umgebung zur Verfügung, um über didaktische Erfahrungen, Vorschläge und Verbesserungen zu diskutieren. EnerCities Erklärungen zum Spiel Das EnerCities Spiel ist eine Mischung aus einem einfachen Browser Spiel und einem strategischen PC-Spiel (wie z. B. SimCity). Die durchschnittliche Spielzeit beträgt Minuten. Warum ist es nötig, das Spiel via Browser online zu spielen? EnerCities möchte gerne viele Schulen und Schüler erreichen. Weil das Internet heutzutage in beinahe allen Schulen in Europa genutzt wird ist es sehr leicht, ein Lernspiel ( serious game ) wie EnerCities per Internet anzubieten. Dies erspart den Schulen die Installation des Spiels sowie weitere unterstützende Aktivitäten. Zudem erleichtert es die Begleitung der Spielanwendung und Probleme können online behoben werden. Warum ist es erforderlich, dass unsere Schule die sogen. Unity3D Browser Software installiert? EnerCities möchte gerne Software anwenden, die auf dem neuesten Stand ist, um Erfahrungen intensiver zu machen als bei einem gewöhnlichen Browser Spiel (sogen. flash game ) und um eine Plattform zu bieten, die für die Schüler auch in den nächsten Jahren attraktiv ist. Für Spieler wie Ihre Schüler bietet die Browser Software Unity3D Möglichkeiten das EnerCities Spiel attraktiver und interaktiver zu gestalten.

11 10 Wie wird das Spiel gestartet? Sie starten das Spiel durch anklicken von Play Game im Hauptmenü auf der EnerCities Webseite. Als nächstes sehen Sie einige Menüoptionen. Eine der Optionen gibt detaillierte Erklärungen über das Spiel: Ziel und Spieloptionen. Diese Erklärungen helfen Ihnen und Ihren Schülern das Spiel zu starten, das nächste Spiellevel zu erreichen und die Balance zwischen Ökonomie, Energie, Umwelt und Wohlbefinden in der EnerCities Stadt zu wahren. EnerCities Unterrichts-Baukasten Der EnerCities Baukasten (toolbox) gibt Ihnen - als Lehrperson Hintergrundinformationen zu Energie in unserer Gesellschaft und zu den Herausforderungen im Bezug auf Energieeinsparung und grüner Energie (erneuerbare Energie). Wir bieten Ihnen kein fertiges Unterrichtspaket, weil jede Lehrperson, jede Schule und jedes Schulministerium eine eigene professionelle Sicht darauf hat, wie Unterricht zu Themen wie Energie, Energieeinsparung und grüner Energie vorbereitet und durchgeführt wird. Der EnerCities Baukasten ist online in Ihrer Landessprache auf der EnerCities Webseite verfügbar. Auf Grund der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Informationen, handelt es hierbei lediglich um eine Sammlung von exemplarischen Beispielen und Fundstellen.

12 11 4 INFORMATIONEN UND FUNDSTELLEN ZU ENERGIETHEMEN UND E-LEARNING Themen Aktivitäten in Bezug auf Klimawandel Konkurrenzfähiger Umgang mit Energie bzw. (Energie) Ressourcen Unabhängigkeit von derzeit traditionellen Energieressourcen und Strukturen in unserer Gesellschaft (vor allem natürlichen Ressourcen wie Erdöl und Gas; Vorbereitung der Gesellschaft auf das Ende der fossilen Brennstoffe) Information Energieressourcen als politisches Druckmittel: Geschichte der Energie: Strebe eine zwischen Nachhaltigkeit, Wohlbefinden und Gemeinwohl angesiedelte Gesellschaft an. Energie und Politik:

13 12 Energie und sozio-ökonomische Aspekte Information 1. Gemeinwohl/ Wohlbefinden Sozioökonomische Aspekte: 2. Energiesparen & effiziente Methoden/Verhalten 3. Soziale Akzeptanz / Nicht-meine-Sache Syndrom Energie Sicherheit 1.Im- und Exporte Information g50jahreeuropa/energiesicherheit/energiesicherheit.html Energiesicherheit als strategisches Ziel: 7_dokument_dok_pdf_9822_1.pdf

14 13 2 Versorgungsgarantie / Vielfalt n_enlargement/l27037_de.htm o_ htm policy/en0003_de.htm 3. Natürliche Ressourcen Geopolitik Energiespeicher Kosten 7. Stromnetz / 8. Gasnetz 9. Energiedemokratisierung 01/demokratisierung-und-transition.html

15 14 Energie & Wirtschaft Information 1. Ökonomische Bedeutung Leistung 3. Budget 4.Instandhaltungskosten Energie, Nachhaltigkeit und Umwelt Information 1. Natürliche Ressourcen

16 15 2. Umwelt Lebensstandard 4. Treibhausgas-Emissionen missionen-sachsen-kommt-nicht-aus-dem-kohlen-pott.html 5. Gesundheit 6. Verschmutzung

17 16 Erneuerbare Energien Information 1. Windkraft Solarwärme Solarstrom / Photovoltaische Elektrizität 4. Solarthermie (Elektrizität)

18 17 5. Geothermische Energie zum Heizen und zur Stromerzeugung Stromerzeugung aus biologischen Stoffen 7 Wärmeerzeugung aus biologischen Stoffen Ökotreibstoff 9. Wasserkraft

19 Energie der Meere und Ozeane Nicht-erneuerbare Energien als Alternative zu fossilen Brennstoffen: Nuklearenergie Energie sparen & Effizienz 1. Antreibsgeräte und Systeme (Industrie / Haushalte) Information 2. Transport (Effizienz) (Industrie / Haushalte)

20 19 3. Heizen / Kühlen (Industrie / Haushalte) 4. Beleuchtung (Industrie / Haushalte) CHP Kraft-Wärme-Kopplung Gebrauch von Ressourcen 7. Heimautomation 8. Energiesparen und effizientes Design ent/index.htm?iid=about_intel-en+cm_environ Wandel der Energieverbrauchsgewohnheiten Information 1. Umweltverträglicher Transport 2. Umweltverträgliche Elektrizität

21 20 3. Umweltverträgliches Heizen und Kühlen 4. Reduzierung der Treibhausgasemissionen 5. Energiespeicher 6. Energiesicherheit 7. Von zentralen zu dezentralen Stromnetzen 8. Neue Netzwerke für Wasserstoff

22 21 elearning Information 1. elearning Digitales Lernspiel Umweltschulen

23 22 5 EXEMPLARISCHE INFO-BEISPIELE ZUM THEMA: WASSERKRAFT QUELLENVERZEICHNIS Esslinger Zeitung Nr. 128 Seite WASSERKRAFT

24 VORTEILE UND NACHTEILE Vorteile Wir haben ein sehr großes Problem in dieser Welt, weil wir zu bestimmten Zeiten sehr viel Strom brauchen. Diese kann man aber nicht immer ausrechnen oder vorhersagen. Wir haben aber nicht sehr viele Stromspeicher, deshalb brauchen wir Kraftwerke mit denen wir jeder Zeit (eine andere Art von) Storm herstellen können. Das heißt hier sind Wasserkraftwerke sehr nützlich. Da man z.b. bei einem Pumpspeicherkraftwerk einen Stausee hat von dem man in Sekundenschnelle das Wasser ablassen kann, welches durch die Turbinen fließt die dann Strom erzeugen. Andere Kraftwerke wie Kernkraftwerke oder Windkraftwerke sind in ihrer Stromherstellung nicht so schnell zu beeinflussen, das Windkraftwerk können wir z.b. selbst gar nichts Steuern. Durch die Stromproduktion aus Wasser schaden wir auch nicht der Umwelt, weil hier keine Abgase frei werden. Nachteile Wir können diese Wasserwerke nur an bestimmten Stellen bauen da wir ein bestimmtes Gefälle dafür benötigen, bzw. einen See, aus dem man das Wasser ablassen kann. Was noch sehr gegen ein Wasserkraftwerk spricht ist, dass es sehr viel Platz in Anspruch nimmt DATEN UND FAKTEN Das größte Wasserwerk in Russland liefert in der Stunde 6 Gigawatt Strom. Diese Menge an Storm bräuchte man für 2 Fußballplätze die Zimmerhoch mit 100 Watt Birnen gelagert sind. Der größte Tidenhub von 21 Metern ist der Fundabay in Neubraunschweig. Der Größte Stausee betragt 250 Kubikkilometer, der Bodensee hat im vergleich gerade mal 48 Kubikkilometer. Für den Bau eines Kraftwerkes müssen genaue Vorschriften eingehalten werden: Geschichte Die Wissenschaftler schätzen, dass es schon vor über 3000 Jahren Wasserräder gab, Sie wurden damals aber nur zur Bewässerung der Felder verwendet. Sie wurden früher nur einfach aus Holz gebaut und pumpten das Wasser auf eine Holzrinne. So konnte das Wasser für die Felder schneller dort hin gebracht werden, wo es gebraucht wurde. Später verwendeten auch die Müller Wasserräder um das Korn zu mahlen. Heute verwenden wir es zur Stromgewinnung. Wir produzieren von unserem Strom ca. 5% nur aus Wasserkraft.

25 24 Wasserkraftwerke Es gibt verschieden Arten von Wasserkraftwerken die alle ein wenig anders funktionieren es gibt z.b. Laufwasserkraftwerk Speicherkraftwerk Pumpspeicherkraftwerk Gezeitenkraftwerk Gletscherkraftwerk Wellenkraftwerk Schema eines Pumpspeicherkraftwerks Das Laufwasserwerk ist die einfachste Art von Wasserkraftwerken. Es funktioniert nach der alten Art und Weise. Hierzu braucht man ein Gewässer und ein Wasserrad, dieses ist auf einem Lager gelagert und wird somit durch die Wassergeschwindigkeit angetrieben. Das Laufwasserwerk bringt ständig Strom in das Netz es Läuft 24 Stunden am Tag immer im gleichen Betrieb. Der Nachteil von diesem Wasserwerk ist das man die Geschwindigkeit des Rades nicht regulieren kann.

26 25 Das Speicherkraftwerk wird mit einem Stausee betrieben. Man unterscheidet hier zwischen Tages-, Monats-, Jahresspeicher. Diese Wasserwerke werden zu den Hauptverbrauchszeiten eingesetzt. Man kann hier selbst die Regulierung übernehmen und somit zu bestimmten Zeiten viel Energie gewinnen. Durch das Aufstauen kann man auch Hochwasser regulieren, Trinkwasser und Bewässerungswasser speichern. Das dies aber sehr viel Platz in Anspruch nimmt ist ein sehr großer Nachteil. Das Pumpspeicherkraftwerk dient zur Haltung der Netzfrequenz, Stabilisierung des Netzes und als Reservewerk, wenn andere Kraftwerke ausfallen. In diesem Kraftwerk gibt es ein höher gelegenes Becken und ein niedrig gelegenes Becken. Am Tag, wenn am meisten Strom verbraucht wird, wird das Wasser durch Turbinen und Generatoren nach unten in das niedrigere Becken gelassen. In der Nacht wird das Wasser mit dem billigen Nachtstrom wieder nach oben gepumpt. Hier dienen die Trubinen als Pumpen. Diese Art von Wasserkraftwerk gibt es z. B. in Luxenburg in dem Vianden Kraftwerk. Dies ist eins der größten Wasserwerke und kann jederzeit 1100 Megawatt Strom liefern. Wir haben auch in Deutschland ein solches Kraftwerk. Es liegt am Schluchsee der südöstlich von Freiburg ist. Das Kosten/Nutzverhältnis stimmt bis jetzt nicht über ein. Doch die Idee von Werner und Siemens wird weiterentwickelt um dieses Problem zu beheben oder wenigstens zu verringern. Das Gezeitenkraftwerk nutzt die doppelte Kraft des Wassers aus. Das Wasser wird zweimal durch die Turbinen geleitet. Es wird das erste Mal gefüllt, wenn bei der Flut der Wasserspiegel steigt. Wenn bei Ebbe der Wasserspiegel wieder sinkt wird es ein zweites mal durch die Turbinen geleitet. So kann man bis 140 Megawatt Strom in der Stunde erzeugen. Das ganze lohnt sich aber nur bei großen Tiedenhüben wie bei Saint Malo, wo das Wasser 13,5 Meter fällt und somit durch 10 Turbinen geleitet werden kann, die in einer 750 Meter langen Staumauereingebaut sind. Das Gletscherkraftwerk besteht aus einem Stausee, in dem man das Schmelzwasserstaut und Turbinen, die dann die Generatoren in Betrieb setzten. Das Wellenkraftwerk soll es sogar auch geben. Dies ist aber sehr kostenaufwendig und schwer zu bauen, da man die Wellen und die Generatoren auf einer elektrischen Achse lagern muß da die Richtung der Wellen oft sehr schwankt.

27 26 Die Turbine Auch hier gibt es wie bei den Wasserkraftwerken verschiedene Arten. Kaplan-Turbine Freistrahl-Turbine Francis-Turbine Rohr-Turbine Kaplan- Turbine Die Kaplan-Turbine wurde 1913 vom österreichischen Ingenieur Viktor Kaplan entwickelt. Sie eignet sich besonders für Flüsse, bei denen große Wassermengen bei geringem Gefälle zur Verfügung stehen. Vertikal eingebaute Kaplan-Turbinen werden in Flußkraftwerken für Fallhöhen bis maximal 65 m eingesetzt. Das Laufrad der Kaplan-Turbine ist einem Schiffspropeller ähnlich. Durch dessen verstellbare Schaufeln strömen die Wassermassen und treiben die Turbine an. Der Leitapparat der Kaplan-Turbine besteht aus jalousieartigen Lamellen. Er hat die Aufgabe, die einströmenden Wassermassen so zu lenken, dass sie parallel zur Turbinenwelle auf die Schaufeln des Laufrades treffen. Die Schaufeln werden mit Servomotoren gesteuert. Verstellbar sind sowohl die Schaufeln des Leitapparats als auch die Schaufeln des Laufrades. Sie werden den Schwankungen der Wasserführung und des Gefälles angepasst. Je nach Einsatzbereich werden Kaplan-Turbinen mit drei bis sechs Laufradschaufeln gebaut.

28 27 Große Kaplan-Turbinen sind vorwiegend vertikal eingebaut, so dass das Wasser von oben nach unten durchströmt. Eine Kaplan-Turbine im Donaukraftwerk Aschach hat einen Laufraddurchmesser von 8,4 m und ein Gesamtgewicht von Tonnen. Kaplan-Turbinen laufen äußerst schnell und haben einen Wirkungsgrad bis zu 95 %. Sonderform: TAT-Turbine: Bei kleineren Wasserkraftwerken (max. 10 MW) mit einer Fallhöhe zwischen 2 und 24 m werden heute TAT-Turbinen (Tubular Axial Turbines) eingesetzt. Das sind kleinere Kaplan-Turbinen mit vorwiegend vertikaler Achse. Bei diesen Turbinen kann nur entweder das Laufrad oder das Leitrad reguliert werden. Francis-Turbine Die Francis-Turbine wurde 1849 von dem angloamerikanischen Ingenieur James B. Francis entwickelt. Dieses Prinzip geht eigentlich auf Benoit Fourneyron aus dem Jahre 1824 zurück. Er ließ das Wasser innerhalb eines geschlossenen Systems zunächst durch die gekrümmten Schaufeln eines Leitwerks strömen, bevor es auf die Schaufeln des Laufrades trifft und diese in Bewegung setzt. Zum Unterschied von der Francis-Turbine war bei Fourneyron das Leitwerk im Inneren des Laufrades, und das Wasser musste radial nach außen fließen. Diese von Fourneyron entwickelte Turbine hatte bereits einen Wirkungsgrad von etwa 80%. Auch die Kaplan-Turbine arbeitet im wesentlichen nach diesem Prinzip. Francis-Turbinen sind am weitesten verbreitet, da sie universell einsetzbar sind. Sie werden in Österreich bis zu Fallhöhen von 500 Metern eingesetzt. Das Wasser strömt durch einen Leitapparat mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrades. Die Wasserzufuhr erfolgt über ein schneckenförmig gekrümmtes Rohr, Spirale genannt. Um die Turbinenleistung den Erfordernissen anzupassen, kann das zuströmende Wasser durch die verstellbaren Schaufeln des Leitapparats reguliert werden. Das abgearbeitete Wasser fließt über das Saugrohr in der Verlängerung der Turbinenachse ab.

29 28 Die Turbinenachse kann unterschiedlich gelagert sein. Bei Kraftwerken mit größerer Leistung und größeren Fallhöhen wird sie in der Regel vertikal eingebaut. So sind im Krafthaus Imst, wo durch die Abkürzung einer Flussschleife eine Fallhöhe von 143,5 Metern erzielt wird, 3 Francis-Turbinen mit vertikaler Achse installiert. Bei kleineren Anlagen, wie z. B. im Kraftwerk Heinfels, ist die Turbinenachse meist horizontal gelagert. Weitere Verbesserungen der Fourneyron-Turbine erfolgten 1837 durch den Deutschen Karl Anton Henschel, den Amerikaner Samuel B. Howd, der 1838 das Laufrad ins Innere des Leitwerks verlegte, sowie den Engländer James Thomson, der die verstellbaren Leitschaufeln und die gekrümmten Laufradschaufeln entwickelte. Francis verbesserte dann diese Turbine und erzielte einen Wirkungsgrad von etwa 90 %. Francis-Schacht-Turbine: Für Leistungen bis 2 Megawatt und Fallhöhen bis etwa 2 Meter eignen sich Francis-Schacht-Turbinen. Francis-Spiral-Turbine: Für kleinere Kraftwerksanlagen bis maximal 10 Megawatt werden für Fallhöhen zwischen 5 und 170 m standardisierte Francis-Spiral-Turbinen eingesetzt.

30 29 BEISPIEL 2 ÜBERSICHT: Mehr als 70 Prozent der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt: Meere, Seen und Flüsse. In ihnen steckt ein gewaltiges Energiepotential, aus dem sich auch Strom gewinnen läßt. Die ersten Wasserräder gab es wahrscheinlich schon vor 3000 Jahren zur Feldbewässerung. Allein in Deutschland gibt es mehr als 660 Wasserkraftwerke, die immerhin ca. 5% des Stromes liefern, 1992 waren es GWh. Zwar sind die Baukosten sehr hoch, aber der Strom ist danach billig, da keine Brennstoffe verwendet werden. Das Potential in Deutschland ist zwar schon zu ¾ ausgenutzt, aber die Zahl der Kraftwerke steigt weiter an: Es wird damit gerechnet, dass bis zum Jahr 2000 fast 2000 neue Kleinkraftwerke gebaut werden. Die Kraftwerke bringen wichtige Vorteile für die Natur: Es wird kein Brennstoff verbraucht und damit werden auch keine Emissionen freigesetzt. Das größte schleswig-holsteinische Wasserkraftwerk, Farchau, ersetzt rund Liter Heizöl jährlich. Zudem werden Sinkstoffe aus dem Fließwasser herausgefiltert, was die Wasserqualität wesentlich verbessert. Der Wasserstand bleibt auch konstant. Das schafft sogar neue Lebensräume für Tiere und Pflanzen. In Schleswig-Holstein gibt es mehrere Wasserkraftwerke, die Strom in das Netz der Schleswag einspeisen. Das größte Kraftwerk, Farchau, liefert 1,6 MW und hat eine Fallhöhe von 30 Metern. Zwei weitere sind Herrenmühle mit 0,144 MW bei einer Höhe von nur 2,4 Metern und Wellspang mit 0,04 MW mit 4,2 Metern. DATEN UND FAKTEN: Das größte Wasserkraftwerk in Krasnoyarsk (Russland) liefert 6 GW Strom. Das entspricht einer Menge von Hundert-Watt-Glühlampen (105 cm x 6 cm x 6 cm), die in Zimmerhöhe gestapelt zwei Fußballplätze füllen. Die Fallhöhe des Wassers beträgt bis zu 2 Kilometer. Zum Vergleich: Krümmel liefert 0,6 GW, und das Kernkraftwerk Brokdorf 1,326 GW. Der größte Tidenhub von 21 Metern ist der Fundabay in Neubraunschweig (Kanada). Der größte Inhalt eines Stausees beträgt 205 Kubikkilometer, der Bodensee hat gerade mal 48. Der Wirkungsgrad der Wasserkraftwerke liegt zwischen 80 und 90 Prozent. Beim Auto ist dieser Wert gerade mal 20%, bei einer Glühlampe 5%.

31 30 LAUFWASSERKRAFTWERKE: Laufwasserkraftwerke sind die einfachste und häufigste Art von Kraftwerken. Es sind meist Wasserräder an Flüssen oder Kanälen. Sie laufen in ständigem Betrieb und liefern ständig Strom ins Netz. Um den Druck zu erhöhen, werden die natürlichen Widerstände in den Flüssen verkleinert. Der Sinkstofftransport wird vermindert, und vor allem werden Flüsse begradigt, wodurch die Erosion abnimmt. Zudem wird die Fließgeschwindigkeit des Wassers verringert, um die innere Reibung zu verkleinern. Meist entsteht der Druck auch noch durch ein Gefälle, da das Wasser über eine weite Strecke einen Berg hinabfließt. SPEICHERKRAFTWERKE: Die Speicherwasserkraftwerke werden in Tages-, Wochen-, Monats- und Jahresspeicher unterteilt. Meistens werden sie zu Spitzenverbrauchszeiten eingesetzt. Das Wasser, welches in Becken aufgestaut wird, ist potentielle Energie, die bei Bedarf verwendet wird. Aber die Stauung dient auch zur Hochwasserrückhaltung, Regulierung des Abflusses für die Sicherheit der Schifffahrt, zur Speicherung von Trinkwasser und zur Bewässerung. PUMPSPEICHERWASSERKRAFTWERKE: Pumpspeicherkraftwerke dienen zur Haltung der Netzfrequenz, Stabilisierung des Netzes und als Reservewerk, wenn andere Kraftwerke ausfallen. In einem Pumpspeicherwasserkraftwerk gibt es ein höher gelegenes und ein niedrig gelegenes Wasserbecken. Zu den Tageszeiten, wo der Stromverbrauch am höchsten ist, wird das Wasser vom oberen Becken durch Turbinen und Generatoren in das niedrigere Bassin geleitet. In der Nacht wird das Wasser dann mit billigem Nachtstrom durch Rohrleitungen wieder in das obere Becken gepumpt, die Generatoren und Turbinen werden dann als Pumpen verwendet. Das Pumpspeicherwasserkraftwerk Vianden in Luxemburg ist eines der größten und kann jederzeit 1100 Megawatt liefern. Ein Pumpspeicherwasserkraftwerk gibt es auch in Deutschland, am Schluchsee, südöstlich von Freiburg. Der größte Nachteil ist jedoch, dass das Kosten-/Nutzen-Verhältnis bis jetzt nicht übereinstimmt. Doch man entwickelt die Ideen Werner von Siemens weiter, um dieses Problem zu beheben.

32 31 GEZEITENKRAFTWERKE: Dieser Kraftwerkstyp nutzt die doppelte Kraft des Wassers aus: Das Wasser wird zweimal durch Turbinen geleitet: Das erste Mal, wenn es bei Flut ein Becken füllt, das zweite Mal, wenn es bei Ebbe wieder aus diesem Becken herausfließt. Das lohnt sich aber nur bei großen Tidenhüben, zum Beispiel in Saint-Malo an der französischen Küste. Das Wasser steigt und fällt hier 13,5 Meter, und es wird jeweils durch 10 Turbinen geleitet, die in einer 750 Meter langen Staumauer eingebaut sind. Das Kraftwerk liefert 0,24 Gigawatt Strom. GLETSCHERKRAFTWERKE: Auch die zweitgrößte Eismasse der Welt, das Grönländische Inlandeis, wird zur Stromgewinnung eingesetzt. Das Eis hat eine Masse von 2,4 Millionen Kubikkilometern. Der Bodensee hingegen hat nur 48 Kubikkilometer. Bei Gletscherkraftwerken wird ein Schmelzwassersee an seinem tiefsten Punkt angebohrt, damit man auch im Winter genug Wasser hat, obwohl die Oberfläche des Sees gefriert. Dann wird das Wasser durch ein Rohr unter dem Eis an die Küste geleitet, wo es in den Turbinen Strom erzeugt. In Grönland ist bisher nur ein Kraftwerk gebaut worden, das sein Wasser aus einem 11 Kilometer entfernten See bekommt. Man schätzt aber, dass man in Grönland jährlich fast 10 Terawattstunden Strom gewinnen könnte! WELLENKRAFTWERKE: Sogar die Kraft der Wellen soll für die Energiegewinnung genutzt werden. Aber die Nutzung ist schwierig und vor allem teuer. Die Kraftwerke müssen auf Plattformen entstehen, die voll automatisiert funktionieren. Auch der Mechanismus, der die Wellenenergie in elektrische Energie umwandelt, ist sehr kompliziert, da die Stärke und Richtung der Wellen stark schwankt.