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Technik 9 Energietechnik Datum: __________________
Technik Klasse 9 – Energietechnik Skript Name: ___________________________________
Energietechnik
Energieformen und Energieumwandlung (1)
© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2011 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten.
066A_Energieformen_Energieumwandlung_1_068899.doc
A1 a) Nenne die in den Abbildungen vorkommenden Energieformen.
T u r m s p r i n g er
m e c h a n i s c h e E n e r g i e
e l e k t r i s c h e E n e r g i e
c h e m i s c h e E n e r g i e
b) Nenne drei weitere Energieformen.
E l e k t r i s c h e E n e r g i e , L i c h t e n e r g i e u n d W ä r m e e n e r g i A2 Vervollständige die Tabelle, in dem du die angegebenen Energiewandler richtig einsetzt: Heizkörper, Tauchsieder, Solarkollektor, Gasbrenner, Solarkollektor, Hände reiben, Akkuladegerät,
Lichtmühle, Fahrraddynamo, Batterie, Glühlampe, Dampflokomotive, Spiegel, Thermoelement, Solarzelle, Darm, glühende Bremsen, Windmühle, Ventilator, Fotosynthese bei Pflanzen, Knicklicht
Elektrische
Energie Wärmeenergie Chemische
Energie Lichtenergie Bewegungs-
energie
Elektrische Energie
Transformator T h e r m oe l e m e nt
B a t t e r ie
S o l a r -z e l l e
F a h r r ad - d y n a m o
Wärmeenergie T a u c h -s i e d e r
H e i z -k ö r p e r
G a s - b r e n n er
S o l a r -k o l l e k to r
H ä n d e r e i b e n
Chemische Energie
A k k u -l a d e - g
– D a r m F o t o -s y n t h e se P f l a n ze n
–
Lichtenergie G l ü h -l a m p e
g l ü h e nd e B r e m s en
K n i c k -l i c h t
S p i e g e l –
Bewegungs-energie
V e n t i l a- t o r
D a m p f -l o k o -m o t i v e
Beim Laufen in den Muskeln
L i c h t -m ü h l e
W i n d -m ü h l e
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Aufgabe 1
Finde eine passende Überschrift für das folgende Diagramm!
Aufgabe 2
Erkläre, was man unter dem Begriff „heimische Energieträger“ versteht und zähle mindestens
drei verschiedene Beispiele auf!
Aufgabe 3
Erkläre, was man unter dem Begriff „nichtheimische Energieträger“ versteht und zähle
mindestens drei verschiedene Beispiele auf!
Fragen zu - Energieeinsatz in Deutschland
Bearbeite die Aufgaben 1-3 mit Hilfe des
Buches auf der Seite 224!
Anteile unterschiedlicher Energieträger am Gesamtenergiebedarf in Deutschland
Heimische Energieträger stammen von hier, also aus Deutschland. Zu ihnen zählen
Braunkohle, Steinkohle und die stark zunehmende Gruppe der erneuerbaren Energieträgern
z.B. Biomasse, Wasserkraft, …
Nichtheimische Energieträger stammen nicht von hier, also nicht aus Deutschland.
Deutschland verfügt nur über sehr geringe Rohstoffvorkommen an Uran, Erdgas oder Öl.
Diese Energieträger müssen aus anderen Ländern eingekauft und importiert werden.
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Aufgabe 1
Erkläre, was man unter dem Begriff „Primärenergie“ versteht und zähle mindestens
fünf verschiedene Beispiele auf!
Aufgabe 2
Erkläre, was man unter dem Begriff „Sekundärenergie“ versteht und zähle mindestens
zwei verschiedene Beispiele auf!
Aufgabe 3
Erkläre, was man unter dem Begriff „Endenergie“ versteht und zähle mindestens drei
verschiedene Beispiele auf!
Fragen zu - Energiearten
Bearbeite die Aufgaben 1-5 mit Hilfe des
Buches auf den Seiten 226-227
!
Sekundärenergie entsteht aus der industriellen Umwandlung von Primärenergie, welche so
umgewandelt werden, dass sie sich als Treibstoff oder Brennstoff eignen.
z.B. aus Erdöl (Primärenergie) -> Benzin (Sekundärenergie)
Primärenergieträger sind natürlich vorkommenden Energieträger, welche aber erst als
elektrische Energie, Wärme- oder Bewegungsenergie nutzbar gemacht werden müssen.
z.B.: Steinkohle, Erdöl, Erdgas, Solarenergie, Windkraft, …
Sobald die Sekundärenergieträger ihren Einsatzort erreicht haben, stehen sie dem Nutzer
direkt zur Verfügung:
- Benzin als Treibstoff im Fahrzeugtank
- Elektrische Energie aus der Steckdose
- Heizöl in Heizöltanks
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Aufgabe 4
Erkläre, was man unter dem Begriff „Nutzenergie“ versteht!
Aufgabe 5
Fülle die Lücken in der Tabelle aus!
Erst beim Nutzer geht der lange Weg von der Primär- über die Sekundär- und Endenergie
zur Nutzenergie zu Ende. Nutzenergie ist also die durch Umwandlung beim
Verbraucher/Nutzer tatsächlich nutzbar gemachte Energie.
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4
Aufgabe 1
Finde eine passende Überschrift für das folgende Diagramm!
Aufgabe 2
Fülle die Lücken in der Tabelle aus!
Fragen zu - fossile und nukleare Energieträger
Bearbeite die Aufgaben 1-2 mit Hilfe des
Buches auf den Seiten 230-231!
Reichweite von Primärenergieträgern weltweit
Energieträger Gewinnung Reichweite
Steinkohle wird aus Tiefen bis zu 2000m im Untertagebau
abgebaut
169 Jahre
Erdöl zähe Flüssigkeit, die aus Tiefen bis zu 3000m
gefördert wird und entweder per Schiff oder
Rohrleitungen (Pipelines) transportiert wird
42 Jahre
Uran Uran wird als Bestandteil von Uranerz im
Bergbau gefördert
68 Jahre
Braunkohle liegt nahe an der Erdoberfläche und kann so
preisgünstig im Tagebau gewonnen werden 227 Jahre
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Aufgabe 1
Finde eine passende Überschrift für die folgende Abbildung!
Aufgabe 2
Erkläre mit Hilfe der Abbildung die Funktionsweise des Wärmekraftwerks!
Fragen zu - Wärmekraftwerken
Bearbeite die Aufgaben 1-3 mit Hilfe des
Buches auf den Seiten 232-233!
Funktionsblöcke eines Wärmekraftwerks
Der Brenner erwärmt Wasser, das sich auf dem Weg durch lange Rohrleitungen in Wasserdampf
verwandelt. Der heiße Dampf treibt die Schaufelräder einer Turbine an. Nach dem Verlassen
der Turbine wird der Dampf in einem Kondensator (Verflüssiger) wieder in flüssiges Wasser
verwandelt und über eine Pumpe zurück in den Kessel befördert. Der Kondensator entzieht dem
Dampf Wärmeenergie, die er im Kühlturm an die Umgebungsluft abgibt. Die sehr schnell
drehende Turbine treibt einen Generator an, der die Energie der Drehbewegung in elektrische
Energie umwandelt.
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Aufgabe 3
Aufgabe 4
Erkläre mit Hilfe der Abbildung die Funktionsweise eines Kernkraftwerks!
Nachteile: - atomarer Abfall, radioaktiv, kann schwere Strahlenschäden verursachen,
für den atomaren Abfall müssen Endlagerstätten gefunden werden
Im Kern des Reaktorgebäudes, dem Reaktordruckgefäß, findet eine Kernspaltung statt.
Die freiwerdende Wärmeenergie erhitzt Wasser auf 300°C im ersten Wasserkreislauf, den man
Primärkreislauf nennt. Damit dieses radioaktive Wasser das Reaktorgebäude nicht verlassen
muss, gibt es seine Wärmeenergie in einem Wärmetauscher an einen zweiten Kreislauf ab =
Vorteile: - im Betrieb kein CO2-Ausstoß
Sekundärkreislauf. Von hier an funktioniert alles wie beim Kohle-, Gas- oder Ölkraftwerk.
Erkläre, welche Vor- bzw. Nachteile Kernkraftwerke haben
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Aufgabe 1
Erkläre, was man unter dem Begriff „regenerative Energieträger“ versteht und zähle mindestens
fünf verschiedene Beispiele auf!
Aufgabe 2
Erkläre, wo in Deutschland die besten Voraussetzungen für die Nutzung der Windkraft
gegeben sind und suche Gründe weshalb gerade dort!
Fragen zu - regenerativen Energieträgern - Windkraft
Bearbeite die Aufgaben 1-5 mit Hilfe des
Buches auf den Seiten 234-235!
Unter regenerativen Energieträgern versteht man immer wieder zeitlich unbegrenzt zur
Verfügung stehende Energievorkommen. Zu dieser Gruppe zählen:
Windenergie, Wasserenergie, Sonnenenergie, Geothermie (Erwärmenutzung), Biomasse
Die besten Voraussetzungen hat die
Küstenregion im Norden Deutschlands,
weite Teile im Süden sind dagegen
weniger geeignet. Besonders günstig
sind die Windverhältnisse vor der
Nord- und Ostseeküste. Dort entstehen
viele Offshore-Windparks auf dem
Meer.
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Erkläre mit Hilfe der Abbildung die Funktionsweise einer Windkraftanlage!
Aufgabe 4
Erkläre was passiert, wenn zu viel Wind weht!
Aufgabe 5
Erkläre, wie der Strom vom Norden in den Süden kommt und welche Probleme es dabei gibt!
1. Der Wind treibt ein drehbares Flügelrad
(Rotor) an.
2. Der Rotor bewegt einen Generator.
3. Der Generator erzeugt, wie beim Fahrrad-
dynamo Strom.
Jetzt muss die Anlage abgeschaltet werden könne, um Beschädigungen zu vermeiden. Dabei
wird entweder die Rotorachse aus dem Wind gedreht (quer zum Wind gestellt) oder es werden
die einzelnen Rotorblätter so verstellt, dass sie dem Wind keine Angriffsfläche bieten.
Aufgabe 3
Der Strom aus dem Norden muss über ein Leitungsnetz in den Süden geführt werden.
Das Netz ist zum Teil veraltet oder existiert noch gar nicht. Der Ausbau der Leitungsnetze
Ist eines der wichtigsten Projekte der Stromnetzbetreiber in naher Zukunft.
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Aufgabe 1
Erkläre, was eine Solarzelle umwandelt!
Aufgabe 2
Fülle die Lücken in der Tabelle aus!
Aufgabe 3
Erkläre mit Hilfe der Abbildung die Funktionsweise von Parabolrinnenkollektoren und erkläre,
wo es Sinn macht solche Anlagen zu betreiben!
Fragen zu - regenerativen Energieträgern - Sonnenenergie
Bearbeite die Aufgaben 1-3 mit Hilfe des
Buches auf den Seiten 236-237!
Eine Solarzelle wandelt die Strahlungsenergie
des Sonnenlichtes direkt in elektrischen Strom
um.
Sonnenstrahlen treffen in einer langen Brennlinie
zusammen. In der Brennlinie befindet sich eine Flüssigkeits-
leitung, in der ein spezielles Thermoöl enthalten ist.
Durch die Hitze in der Brennlinie erwärmt sich das Öl auf
bis zu 500°C, gibt seine Wärme an einen Wasserkreislauf ab
und treibt eine Turbine-Generator-Einheit zur Stromerzeug-
ung an. Für einen wirtschaftlichen Betrieb kommen nur
sonnensichere Standorte wie Spanien und Kalifornien in Frage.
Vorteile Nachteile
Vor- und Nachteile von Solarmodulen
- Sonnenenergie steht zeitlich unbegrenz und
kostenlos zur Verfügung.
- Es treten keine Emissionen auf, weil kein
Verbrennungsvorgang stattfindet.
- Solarmodule arbeiten lautlos und werden
durch Regen gereinigt.
- Die Herstellung von Solarmodulen ist teuer
und nicht umweltschonend.
- Die Stromerzeugung ist tageszeit-,
jahreszeit- und witterungsabhängig.
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Aufgabe 1
Fülle die Lücken in der Tabelle aus!
Aufgabe 2
Erkläre am Beispiel eines Laufwasserkraftwerks, wie Strom erzeugt wird!
Fragen zu - regenerativen Energieträgern - Wasserkraft
Bearbeite die Aufgaben 1-4 mit Hilfe des
Buches auf den Seiten 238-239!
Arten von Wasserkraftwerken
natürlich bewegte Wassermassen künstlich bewegte Wassermassen
- Laufwasserkraftwerke
- Gezeitenkraftwerke
- Wellenkraftwerke
- Speicherkraftwerke
- Pumpspeicherkraftwerke
Laufwasserkraftwerke leiten das Flusswasser auf ein
ein spezielles Laufrad. Dieses Laufrad, Kaplanturbine
genannt, eignet sich besonders gut dafür, Energie aus
langsam fließendem Wasser aufzunehmen. Wie bei
allen Arten der Stromerzeugung treibt eine Turbine
einen Generator an, der die eigentliche Stromerzeugung übernimmt.
Da Laufwasserkraftwerke 24 Stunden an 365 Tagen arbeiten tragen sie zur Deckung des
Grundlastbedarfs bei.
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Aufgabe 3
Fülle die Lücken in der Tabelle aus!
Aufgabe 4
Erkläre, wann Speicherkraftwerke eingesetzt werden!
Merkmale von …
Speicherkraftwerken Pumpspeicherkraftwerken
- Nutzen den großen Höhenunterschied
zwischen dem Wasserspeicher und der
Turbine, um eine große
Strömungsgeschwindigkeit des Wassers zu
erzeugen -> Peltonturnine
- Als Wasserspeicher dienen aufgestaute Seen
in Hochlagen oder künstlich angelegte
Speicherbecken.
- Staubecken oder Stauseen füllen sich durch
Regen und Schmelzwasser oder durch das
Aufstauen von Flüssen.
- Flussrichtung des Wassers verläuft immer
bergab.
- Decken den Spitzenlastbedarf.
- Werden durch den Einsatz von
Francisturbinen betrieben.
- Bersonderheit der Francisturbine besteht
darin, dass sie durch elektrischen Strom
auch als Pumpe genutzt werden kann.
- Nachts wenn Pumpspeicherkraftwerke nicht
zur Stromerzeugung gebraucht werden, wird
Wasser in die Speicherbecken nach oben
gepumpt.
- Bei Bedarf kann das Wasser, wenn
elektrische Energie benötigt wird, nach
unten ins Tal strömen, um Strom zu
erzeugen.
- Decken den Spitzenlastbedarf.
Speicherkraftwerke decken den Spitzenlastbedarf, weil sie in sehr kurzer Zeit einsatzbar sind
und elektrische Energie liefern können.
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Aufgabe 1
Erkläre, was man unter Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) versteht!
Aufgabe 2
Erkläre, wie ein Blockheizkraftwerk (BHKW) funktioniert!
Aufgabe 3
Was lässt sich über den Wirkungsgrad des KWK-Prinzips aussagen!
Fragen zu - Kraft mit Wärme koppeln
Bearbeite die Aufgaben 1-4 mit Hilfe des
Buches auf den Seiten 240-241!
Die Kraftwärmekopplung erlaubt die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme.
z.B. treibt der Verbrennungsmotor im Auto einen kleinen Generator (Lichtmaschine) zur
Stromerzeugung an und gleichzeitig wird die Motorwärme genutzt, um das Auto zu heizen.
Der gasbetriebene Motor treibt
einen Generator zur Stromerzeug-
ung an. Die Motorwärme, die
durch die Verbrennung des Erd-
gases entsteht, wird in einem
Wärmetauscher an einen Wasser-
kreislauf für die Warmwasser-
versorgung übergeben.
Durch die Anwendung des KWK-Prinzips kann
der kombinierte Wirkungsgrad der Anlage auf
rund 80% gesteigert werden. Das bedeutet, dass
rund 80% der eingesetzten Energie des Gases in
Nutzenergie umgewandelt werden.
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Aufgabe 4
Erkläre, wie ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk (GuD-Kraftwerk) funktioniert!
Sollen nicht nur einzelne Gebäude,
sondern ganze Stadtviertel mit
Wärme versorgt werden, reichen
Hier können GuD-Kraftwerke
eingesetzt werden.
Durch die Verbrennung von Erd-
gas in der Brennkammer entstehen
heiße Abgase, die mit großer
Geschwindigkeit aus der Kammer
ausströmen und eine Gasturbine antreiben. Die Abhgase erzeugen im Abhitzekessel heißen
Wasserdampf, der eine Dampfturbine antreibt. Beide Turbinen bewegen einen Generator zur
Stromerzeugung.
Nachdem der Wasserdampf die Dampfturbine durchströmt hat, gibt er seine Wärmeenergie
in einem Wärmetauscher an das Fernwärmenetz ab.
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Aufgabe 1
In welchem Land werden bis zu 90% des Bedarfs an Wärme und Warmwasser aus Erdwärme
gedeckt und weshalb gerade dort!
Aufgabe 2
Erkläre, wie eine Wärmepumpe funktioniert!
Aufgabe 3
Erkläre, wie ein Geothermisches Kraftwerk funktioniert!
Fragen zu - Erdwärme und Biomasse
Bearbeite die Aufgaben 1-4 mit Hilfe des
Buches auf den Seiten 242-243!
In Island werden bis zu 90% des Bedarfs an Wärme und Warmwasser aus Erdwärme gedeckt.
In Island gibt es viele Gaysire, die kochend heißes Wasser in großen Fontänen ausspeien.
Das heiße Wasser wird zur Erzeugung von Strom und Heizwärme genutzt.
Ein Kältemittel wird durch ein Rohr-
leitungssystem ins Erdreich gepumpt. Es
nimmt dabei Erwärme auf und gibt sie an
der Erdoberfläche an einen Heizwasser-
kreislauf ab.
Aus bis zu 5500m Tiefe wird heißes
Wasser aus einem Reservoir zu Tage
gefördert und zur Wärmeversorgung
und Stromerzeugung genutzt.
Das abgekühlte Wasser wird in einer
zweiten Bohrung zurück in die Tiefe
geleitet.
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Aufgabe 4
Erkläre, wie eine Biogasanlage funktioniert!
Der entscheidende Vorgang in einer Biogasanlage ist die Vergärung im Faulturm (Bildmitte).
Verschiedene Biomassearten (z.B. Gülle, Mist, Mais, …) werden darin verrührt.
Unter Wärmezufuhr bildet sich innerhalb eines Monats Biogas, das in einem
Blokheizkraftwerk (BHKW) Strom und Wärme erzeugt.
Die Gärrückstände werden zur Düngung der Felder genutzt.
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Aufgabe 1
Erkläre, was man unter Begriff „Smart Grid“ versteht!
Fragen zu - Smart-Grid - das intelligente Stromnetz
Bearbeite die Aufgabe 1 mit Hilfe des
Buches auf den Seiten 244-245!
Smart Grid bedeutet intelligentes Stromnetz. Das intelligente Stromnetz besteht aus Strom- und Datenleitungen. Durch Datenaustausch lassen sich
Stromüberschüsse im Stromnetz der Zukunft besser verteilen.
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Der Begriff „Nachhaltigkeit“ stammt ursprünglich
aus der Forstwirtschaft: Man achtet darauf, nur
so viele Bäume aus dem Wals zu entnehmen wie
auch wieder nachwachsen können. Nachfolgende
Generationen können dadurch ebenfalls den Wald
nutzen.
Strom kann aus verschiedenen Energieträgern gewonnen werden. Wenn man Strom aus
den Energieträgern Erdöl oder Kohle gewinnt, ist dies keine nachhaltige Stromerzeugung.
Verwendet man jedoch die Sonnen-, Wasser- oder Windenergie dazu, so spricht man von
einer nachhaltigen Stromerzeugung, da diese Energieträger unbegrenzt oder immer zur
Verfügung stehen.
Aufgabe 1
Erkläre den Begriff „Nachhaltigkeit“!
Aufgabe 2
Welche drei Punkte vereinigt man unter dem Begriff „Nachhaltigkeit“!
Aufgabe 3
Erkläre, was man unter Nachhaltigkeit bei der Stromerzeugung versteht!
Fragen zu - Nachhaltigkeit und Produktlebenszyklus
Bearbeite die Aufgaben 1-4 mit Hilfe des
Buches auf den Seiten 246-247!
Wirtschaft (Ökonomie)
Natur (Ökologie)
Gesellschaft (Soziales)
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Aufgabe 4
Erkläre, was man unter dem Begriff „Produktlebenszyklus“ versteht!
Entsorgung betrachtet.
Jeder dieser Schritte sollte auch immer unter dem
Aspekt der Nachhaltigkeit betrachtet werden.
Im sogenannten Produktlebenszyklus werden
Produkte von der Planung bis zur Verwertung/
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