Energieeinsatz in Deutschland

B r a u nk o h l e

11 , 9 %

B i o m a s s e M ü l l

6 , 3 % - . 1 , 0 % .

Emeue r -b a r e12,6%

Sonstige0,5%

Ste inkoh le1 2 , 7 %

Erdgas2 1 , 0 %

S o l a r t h e r m i e

0 , 2 %G e o t h e r m i e0 , 4 %

Bio -K ra f t s to f f e0 , 9 %.Wasserkra f t0 , 5 %

/-Windenergie2 , 3 %

P o t o v o l t a i k

1 , 0 %

[i] Aufteilung des Gesamtenergiebedarfs in Deutschland 2015

Bei allem, was Menschen alltäglich tun,ist der Einsatz von Energie erforderlich.Kein Handy funktioniert ohne elektrischeEnergie, kein Auto fährt ohne Treibstoff,nur wenige Heizungen wärmen ohne Öl,Gas, Holz oder Kohle. In Diagramm Hl erkennst du, welchen Anteil unterschiedlicheEnergieträger am Gesamtenergiebedarfin Deutschland haben. Du kannst d ieses

Kreisdiagramm mit einer Torte vergleichen,die in verschieden große Stücke geschnitten ist. Je größer das Tortenstück ist, umsogrößer ist der Anteil des zugehörigen Energieträgers am Gesamtenergiebedarf.

Helmische EnergieträgerFür die Energieversorgungeines Landeswie Deutsch land is t d ie Herkun f t der

Energieträger wichtig. Stammt ein Energieträger von hier, ist die Beschaffung ohnekomplizierte Lieferverträge möglich. Zu denheimischen Energieträgern zählen Braun-und S te inkoh le und d ie s ta rk zunehmende

Gruppe der erneuerbaren Energieträger.Sie beinhaltet z.B. die Biomasse, Wasser-,Solar- und Windenergie.Nur etwa 35% des Gesamtenergiebedarfsin Deutschland lassen s ich aus heimischen

Energievorkommen abdecken.

Nichtheimische EnergieträgerDeutschland verfügt nur über sehr geringe Rohstoffvorkommen an Uran, Erdgasoder öl. Der bei weitem größte Teil dieserEnergieträger muss aus anderen Länderneingekauft, also importiert werden (S.

Energieträger ; Herkunf ts land

K e r n b r e n n s t o f f ^ Kanada, Australien,

(Uran) i Russland

Erdgas i Russland, Norwegen

E r d ö l i Saudi-Arabien, Iran, Irak

SI Herkunftsländer nichtheimischer Energieträger

Solange zwischen Deutschland und denH e r k u n f t s l ä n d e r n d e r n i c h t h e i m i s c h e n

Energieträger gute politische Beziehungenbestehen, stellt der Energieimport kein Problem dar. Die Gefahr von Versorgungsengpässen besteht erst dann, wenn Lieferverträge nicht mehr eingehalten werden.

6 Energieversorgung

X Nur 35 % des Gesamtenergiebedarfs In Deutschland lassen sich aus heimischen Energievorkommen abdecken./ Im Durchschnitt verbraucht 1 Person In Deutschland rund 123 kWh an 1 Tag.

Durchschnittlicher TagesenergiebedarfWenn man wissen will, wie viel Energie füreinen bestimmten Zweck eingesetzt wird,misst man die Energiemenge In Kilowattstunden (kWh). Deine Eltern zahlen beieurer Stromrechnung einen Geldbetrag fürjede einzelne Kilowattstunde.Der gesamte Energiebedarf für Deutschland lag im jähr 2014 bei rund 3,64 Billionen kWh. Wei l s ich n iemand unter e inerderart großen Zahl etwas vorstellen kann,wird sie umgerechnet in die Energiemenge, die für jeden Einwohner Deutschlandsdurchschnittlich pro Tag bereitgestellt wird:Im Jahr 2014 waren das rund 123 kWh proPerson und Tag.

Zusammensetzung des Tagesenergieb e d a r f sIn Diagramms] erfährst du, aufweicheBereiche sich der Tagesenergiebedarf von123 kWh auftei l t .

Das Kreisdiagramm verdeutlicht sehr gut,dass etwa ein Viertel der eingesetztenPrimärenergie für Umwandlungsverlusteaufgewendet werden muss. Die mächtigenweißen Wolken über Küh l tü rmen EB s indsichtbare Beispiele für Verluste. Hier wirdüberschüssige Wärmeenergie ungenutzt andie Umgebung abgegeben.

V e r k e h r

24,6 kWh

I n d u s t r i e - H a n d e l -

Dienstleistungen44,9 kWh

Eigenverbrauch Energiesektor8 k W h

Umwandlungsverluste27,8 kWh

Haushal te

20,7 kWh

CS Struktur des Primärenergiebedarfs 2014 pro Person und Tag

Mit 44,9 kWh pro Person und Tag entfälltder größte Teil der nutzbaren Energie aufd e n B e r e i c h I n d u s t r i e - H a n d e l - D i e n s t l e i s

tungen. Dazu gehört die nötige Energiefür Produktion, Lagerung und Verkauf vonWaren und für Dienstleistungen, z. B. vonHandwerkern, Banken oder Pflegediensten.

3] Abwärme beim Kühlturm

1 O Erläutere, welche Auswirkungen es auf die Energieversorgunghat, dass Deutschland als rohstoffarmes Land gilt.

2q a) Stelle das KreisdiagrammS] als Säulendiagramm dar, indemdu jeden einzelnen Kreisausschnitta ls senkrechte Säule dars te l ls t und

der Höhe nach sortierst. Beginnemit der höchsten Säule .Q b) Diskutiert, welche Zusammenhänge besser als Säulendiagramm und welche besser alsKreisdiagramm dargestellt werdenk ö n n e n .

3# Der durchschnittliche Tagesenergiebedarf pro Person ist möglicherweise für niemanden genauzutre ffend. Erör tere d ies an zwei

Testpersonen:Person 1:35 jähre alt und erwerbstätigPerson 2:80 jähre alt, Rentner/R e n t n e r i n

2 2 5

Energiearten

[33 Energieverbrauch Im Familienleben

Fast alle Energiearten, die wir täglichnutzen, stehen uns nicht direkt zur Verfügung. Elektrische Energie kommt nichteinfach aus der Steckdose, Heizwärmeentsteht nicht von allein. Autos, Flugzeugeoder Schiffe bewegen sich auch nicht vonse lbs t .

PrimärenergieBevor uns Energie in Form von elektrischerEnergie, Wärme- oder Bewegungsenergiezur Verfügung steht, müssen die natürlichvorkommenden Energieträger nutzbargemacht werden. Solche Energieträger sindzum Beispiel;- S t e i n k o h l e- E r d ö l- Erdgas- Solarenergie- Windenergie- Wasserenergie- Gezeitenenergie- Erdwärme (Geothermle)- B i o m a s s e

- Kernenergie

SekundärenergieErdöl lässt sich nicht direkt als Heizöl verwenden. Aus Windenergie entsteht nichtdirekt Elektrizität. Viele Primärenergieträger müssen durch industrielle Verfahrenso umgewandelt werden, dass sie sich alsTreibstoff oder Brennstoff eignen. Nach derUmwandlung ist oft ein aufwendiger undteurer Transport der Sekundärenergieträger(z. B. per Schiff, Güterzug, Tanklastwagen,Transportleitung) erforderlich.

Kcmct^cr^i 'e B i O M a s s e

ß e K i n

Br^wärivtc (ßtccfhcrMic)

B r a u n k o h l e B r a l o i S r a i ^ a s .

f^ukleare Bner^ieträ^crS t e i n k o h l e „B r i k e t t s

Mn^ener^ieScUrwereic

Bierkohle

Fossile Bnergieträ^er

Heizöl kc^enerative Bnergieträ^er

K o k s .Biezeitenener^ie

ES Primär- und Sekundärenergieträger

EndenergieSobald die Sekundärenergieträger ihrenEinsatzort erreicht haben, stehen sie demNutzer direkt zur Verfügung:• Benzin ist als Treibstoff im Fahrzeugtank.• Elektrische Energie wird in den Steckdo

sen bereitgestellt.• He izö l bef indet s ich in He izö l tanks.• Erdgas gelangt über ein Rohrleitungsnetz

z u d e n N u t z e r n .• u s w .

2 2 6

6 Energieversorgung

X' Unter Primärenergie versteht man natürlich vorkommende Energieträger./ Sekundärenergie entsteht aus der Umwandlung von Primärenergie.X Energie, die wir direkt nutzen können, wird Nutzenergie genannt.

NutzenergieDie Aufgabe der Energiewirtschaft ist es,dem Nutzer die gewünschte Endenergie inausreichender Menge jederzeit zu liefern.Erst beim Nutzer geht der lange Weg vonder Pr imär- über die Sekundär- und End

energie zur Nutzenergie d] zu Ende.

Wie viel Energie wird genutzt?Durch Energieumwandlung und Energietransport entstehen oft große Verluste.Teilweise stehen zwei Drittel der eingesetzten Primärenergiemenge nicht mehr alsNutzenergie zur Verfügung. Dieser Anteilgeht meist als Wärmeenergie verloren. Dernutzbare Anteil dieses Umwandlungs- undTransportprozesses (= Nutzenergie) stehtuns in unterschiedlicher Art zur Verfügung.

Nutzenergie (durch Umwandlung beim Verbraucher nutzbar gemachte Energie)

Art der Nutzenergie : benutzt bei Beispiele

mechanische Energie i Bewegen von Maschinen, Zügen, Autos,...A ^ \

Wärmeenergie

Kälteenergie

Industrie: Schmieden, Kunststoffbearbeitung, chemischeProzesse, . . .Haushalte: Kochen und Heizen,...

Kühlschränke, Klimaanlagen, Gefriertruhen, Kühlhäuser,Produktionsabläufe mit Kälte, Nahrungsmittelindustrie,Mediz in (Blutkonserven) , . . .

Lichtenergie Licht für Wohnräume und Arbeitsplätze, Straßenbeleuchtung,Licht rek lame, Moni tore, . . .

Schallenergie Telefone, Funkgeräte, Radios, MP3-Player, akustischeWarnsignale,...

N u t z e l e k t r i z i t ä t Galvanisieren, Elektrolyse, Akku laden,...

Arten der Nutzenergie

1 O Ordnet die Begriffe aus Abb.[2] den Famil ien der Primär- und

Sekundärenergieträger zu.

2 O Tragt In einer Übersicht zusammen, welche Primärenergie

träger in Deutschland zur Verfügung stehen.

3* Eine Schreibtischlampe sollden Arbeitsplatz beleuchten,erwärmt s ich dabe i aber auch

d e u t l i c h . B e s c h r e i b e w e i t e r e

Anwendungen aus der Technik, beidenen neben der Nutzenergie auchVerluste deutlich spürbar sind.

2 2 7

Wie kommt der Strom In die Steckdose?

Transportnetz

Höchstspannung220/380 kV

Verteilungsnetz

Hochspannung110 kV

Mittelspannung6 - 30 kV

Niederspannung2 3 0 / 4 0 0 V

W ä r m e k r a f t w e r k e Wa s s e r k r a f t w e r k e

Windparks So la r fa rmkra f twe rke §—

11

Windkraftanlagen große Solaranlagen

kleine Blockhe i zk ra f twe rke

kleine Solaranlagen

Verbundnetz für die Elektrizitätsversorgung (1 kV = 1000V)

4 MStromverbund 2201380 kV

Groß indus t r i e

l J JIndustrie/Gewerbe

IcnoTanDrHaushalte/Kleinbetriebe/Landw i r t scha f t

Elektrische Energie kann nur selten dorterzeugt werden, wo sie benötigt wird. ZurÜberwindung der Entfernung zwischenErzeugern und Abnehmern wird die elektrische Energie über ein weit verzweigtes Leitungsnetz geschickt. Dieses Verbundnetzbesteht aus v ier Grundbauste inen CE:- Erzeuger der elektrischen Energie- T r a n s f o r m a t o r e n- Leitungen- Energieabnehmer (Verbraucher)Erzeuger der elektrischen Energie sind alleArten von Kraftwerken oder Anlagen, dieelektrische Energie zur Verfügung stellen.

SpannungsebenenBei der Energieübertragung über großeEntfernungen werden im TransportnetzSpannungen bis zu 380 kV benötigt. Die Versorgung der Energieabnehmer wird überdas Verteilungsnetz sichergestellt.G r o ß i n d u s t r i e b e t r i e b e a r b e i t e n m i t e iner Spannung von 110 kV. Industrie- und

Gewerbebetriebe werden mit einer Spannung bis zu 30 kV versorgt.Elektrische Geräte, die du für die Nutzungan die Steckdose anschließen musst, werden meistens mit einer Spannung von 230 Vb e t r i e b e n .

Alle Spannungswerte kommen gleichzeitigim öffentlichen Energieverteilungsnetz vor.immer wenn sich innerhalb des Energieversorgungsnetzes die Spannung ändernsoll, werden Transformatoren EE eingesetzt.

S t r o m v e r b u n dDie Übertragung und Verteilung elektrischer Energie endet nicht an den GrenzenDeutschlands. Komplizierte Lieferverträgez w i s c h e n S t r o m a n b i e t e r n u n d Ve r b r a uchern aus ganz Europa erfordern es, dassdie Transportnetze aller Länder Europasmiteinander verknüpft werden. Auf diese Weise entsteht aus vielen nationalenNetzen ein riesiges internationales Versorgungsnetz - der Stromverbund.

6 Energieversorgung

< Das Verbundnetz verbindet Erzeuger und Verbraucher elektrischer Energie miteinander.X Nationale Verbundnetze werden im Stromverbund zu einem internationalen Netz verknüpft.X Die Tageslastkurve zeigt, zu welcher Tageszeit welche Energiemenge bereitgestellt wird.

TageslastkurveIm Verlauf eines ganzen Tages ändert sichder Energiebedarf mit der Tageszeit In Abb.Bü erkennst du eine typische Lastverteilungeines Werktags.Der rosa Bereich kennzeichnet die gleichble ibende Grund las t . Dami t i s t der Ener

giebedarf gemeint, der zu keiner Zeitunterschritten wird. Da der Energietransport über die Leitungsnetze erfolgt und siebeansprucht, also belastet, spricht man vonLast.Der hellrote Bereich wird Mittellast genannt. Mit Ende der Nachtruhe beginnt fürviele Menschen der Arbeitstag. Daher steigtdie Belastung des Leitungsnetzes zwischen5 Uhr und 8 Uhr stark an. Umgekehrt sinktdie Belastung gegen Abend wieder allmählich ab.Dreimal pro Tag entstehen besondersgroße Belastungen für das Leitungsnetz.Morgens, mittags und abends, also zu dendrei Hauptmahlzeiten, tritt die rot markierte Spitzenlast auf.Unser Energiebedarf ist außerdem starkabhängig von der )ahres2eit. Im Sommerist es länger hell als im Winter, also istder Energiebedarf für die Beleuchtung imSommer deu t l i ch k l e i ne r.

O U h r 4 U h r 8 U h r 12 Uhr 16 Uhr 20 Uhr

TageszeitO U h r

[H Tageslastkurve

3] SymbolT r a n s f o r m a t o r

[S Umspanntransformator

1o Zähle auf, welche Teile ausAbb. 03 du in deiner Umgebungschon einmal gesehen hast.

2q Nenne die Steilen in Abb.13], an denen sich die Spannungändert, und begründe die Notwendigkeit der Spannungsänderung.

3d a) Erstelle eine Tabelle, zuwe lchen Uh rze i t en we l che e l ektr ischen Geräte bei dir zu Hause

eingeschaltet sind.• b) Ordne folgende Tätigkeitenoder Begriffe den drei Lastarten03 zu:

Kochen, Waschen, Fernsehen, amComputer spielen, Lesen, Stand-by-

Betrieb, Kühlschrank, Mikrowelle,Bohren, Sägen, Schleifen.

4# Recherchiere, wie Energiever-sorger mit den unterschiedlichenLastarten umgehen. Beschreibe,w e l c h e P r o b l e m e d i e u n t e r s c h i e dlichen Lastarten für die Energiever-sorger bedeuten.

2 2 9

Foss i le und nuk leare Energieträger

Braunkohletagebau S t e i n k o h l e a b b a u

Was für dich selbstverständlich erscheint,nämlich auf Knopfdruck Strom zu bekommen, ist für Energieanbieter eine enormeHerausforderung: In riesigen Wärmekraftwerken w i rd aus Wärme d ie e lek t r i sche

Energie erzeugt. Die nötige Wärme wirddabei durch Verbrennung fossiler Energieträger (Gas, Kohle, Öl) oder durch Kernspaltung nuklearer Energieträger (Uran)erzeugt.

Fossile EnergieträgerZu den fossilen Energieträgern gehören:- B r a u n k o h l e- S t e i n k o h l e

- Erdö l- ErdgasSie sind über Millionen von Jahren ausTie r - und Pflanzenres ten an ve rsch iedenenOr ten der Erde en ts tanden. S ie kommenIn untersch ied l ichen Tie fen vor und müssen daher unterschiedlich abgebaut undgewonnen werden.

B r a u n k o h l e :Braunkohle liegt sehr nahe an der Erdoberfläche und kann somit preisgünstig imTagebau ® gewonnen werden. Braunkohlewird fast nur zur Stromerzeugung genutzt.

S t e i n k o h l e :Ste inkohle wird aus Tiefen b is zu 2000m im

Untertagebau ^ abgebaut und ist daherdeu t l i ch teu re r a l s B raunkoh le .

Erdöl und Erdgas:Erdöl ist eine zähe Flüssigkeit, die ausTiefen bis zu 3000m gefördert wird 00. Siewird entweder per Schiff oder in großenRohrleitungen - den Pipelines - transport i e r t .Überall dort, wo bei der Entstehung vonKohle und Erdöl Gase n icht entweichen

konnten, bildete sich Erdgas. Erdgas kannohne nennenswerte Verarbeitung direkt alsBrennstoff eingesetzt werden. Der Transport erfolgt in Pipelines oder in flüssigerForm in Tanks auf Schiffen.

Nukleare EnergieträgerDie Wärmeenergie In Kernkraftwerkenentsteht durch Kernspaltung. Ausgangsmaterial dafür ist das radioaktive Uran,das als Bestandteil von Uranerz im Bergbaugefördert wird.

R e i c h w e i t eFür eine sinnvolle Energiepoiltik ist nebender Herkunft der Primärenergieträger auch

X" Mit fossilen und nuklearen Energieträgern wird in Wärmekraftwerken aus Wärme elektrische Energie erzeugt/ Die Reichweite von Energieträgern gibt an, wie lange sie voraussichtlich verfügbar sein werden.

ihre Reichweite Si wichtig. Die Reichweitegibt an, wie lange ein Energieträger voraussichtlich verfügbar sein wird.

Energ ie t räger■ f - •

^ Reichweite in JahrenB r a u n k o h l e 2 2 7

S t e i n k o h l e 1 169

E r d ö l 4 2

Erdgas 6 3

U r a n 6 8

zum Vergleich:Wasser, Wind, Sonne unbegrenzt

[S Reichwelte von Primärenergieträgern weltweit 3] öibohrinsel in der Nordsee

Reserven und RessourcenReserven beschreiben Energievorkommen,d ie w i r t scha f t l i ch m i t den bekann ten Verfahren gewonnen werden können.

Unter Ressourcen versteht man Energievorkommen, die noch nicht wirtschaftlichgefördert werden können oder von denennur angenommen werden kann, dass sie invermuteter Menge vorkommen.

Da nicht überall auf der Erde alle Energieträger vorkommen, ist ein weltweiterHandel mit Energieträgern entstanden.

Sicherlich Ist es schwierig zu beurteilen, wiesich unsere Energieversorgung in 5,10 oder20 Jahren verändern wird. Auf Seite 224/225(Abb. BD) hast du erfahren, dass Erdöl dengrößten Anteil an unserer Energieversorgung hat. In derTabelle Sl findest du,dass Erdöl voraussicht l ich nur noch für 42

Jahre zur Verfügung steht. Eine möglicheSchlussfolgerung aus beiden Aspekten ist,dass Innerhalb von 42 Jahren ein Ersatz füretwa ein Drittel unserer Energieversorgunggefunden werden muss. Wir decken zurzeitdurch erneuerbare Energien nur rund 13%unseres Energiebedarfs ab. Die erneuerbaren Energien werden zurzeit stark ausgeb a u t .

1 O Erläutere den Begriff Reichweite am Beispiel von Braunkohle,Uran und Windenergie.

2o Fasse in Form einer Tabelle die Art der Gewinnung, denTransport und die Reichweite derEnergieträger auf dieser Doppels e i t e z u s a m m e n .

Energieträger Gewinnung Transpor t R e i c h w e i t e

3 • Begründe, warum bei Energiev o r k o m m e n z w i s c h e n R e s e r v e nund Ressou rcen un te r sch iedenw i r d .

2 3 1

W ä r m e k r a f t w e r k e

13] Aufbau des Wärmekraftwerks

Die Energieerzeugung für den Grund- undMittellastbereich übernehmen große Wärmekraftwerke, die übertage oder Wochenim Dauereinsatz sind. Der Energiebedarf istlange Zeit im Voraus bekannt, wodurch derKraftwerkseinsatz langfristig planbar istMan kann e in Wärmekra f twerk in v ie r Funkt i o n s b l ö c k e E l u n t e r t e i l e n .

G a s

K o h l e

öl ^e h e m . HEnei^ie

W ä r m e - ■energie

m e c h a n . ■

Energiee i e k t r .

Energie

m F u n k t i o n s b l ö c k e d e s W ä r m e k r a f t w e r k s

1. Bereitsteilung der chemischen EnergieJe nach Kraftwerk werden große MengenBrennstoffe wie Gas, Kohle und öl, aberauch Biomasse bereitgestellt.

2. Erzeugung von WärmeenergieDer Brenner erwärmt Wasser, das sich aufdem Weg durch lange Rohrschlangen inWasserdampf verwandelt. Der Dampf tritt

mit hohem Druck und einer Temperatur von500 °C aus dem oberen Ende des Kesselsa u s .

3. Erzeugung mechanischer EnergieDer Dampf treibt - ähnlich einem zischenden Fahrradventil - mit großer Strömungsgeschwindigkeit die Schaufelräder einerTurbine an. Nach dem Verlassen der Turbinewird der Dampf in einem Kondensator(Verflüssiger) wieder in flüssiges Wasserverwandelt und über eine Pumpe zurückin den Kessel beförder t . Der Kondensatorentzieht dem Dampf Wärmeenergie, dieer im Kühlturm an die Umgebungsluftabgibt.

4. Erzeugung elektrischer EnergieDie sehr schnel l drehende Turb ine t re ib teinen Generator an, der die Energie derDrehbewegung in elektrische Energie umwandelt. Dieses Funktionsprinzip findest duauch am Fahrrad wieder, wo das drehendeVorderrad den Dynamo antreibt, um dieLichtanlage zu betreiben.

2 3 2

5 Energieversorgung

K Wärmekraftwerke übernehmen die Grundversorgung mit elektrischer Energie.X Wärmekraftwerke wandeln Wärme in Bewegungsenergie und danach in elektrische Energie um.X Wärmekraftwerke nutzen fossile und nukleare Energieträger.

K e r n k r a f t w e r kDer Nachteil der mit Kohle, Öl oder Gasb e t r i e b e n e n W ä r m e k r a f t w e r k e b e s t e h t

darin, dass gasförmige Verbrennungsprodukte entstehen, die sich nicht vollständigherausfiltern lassen. Diese Rauchgase werden über hohe Kamine in die Atmosphäregeblasen. Ein klimaschädlicher Anteil imRauchgas ist das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (COj).K e r n k r a f t w e r k e k o m m e n i m B e t r i e b o h n e

COj-Ausstoß aus, da die benötigte Wärmeenergie nicht durch eine offene Verbrennung entsteht.

P r i m ä r - u n d S e k u n d ä r k r e i s l a u fIm Kern des Reaktorgebäudes, dem Reaktordruckgefäß, findet eine Kernspaltungstatt. Die freiwerdende Wärmeenergieerhitzt Wasser auf 300 ®C im ersten Wasser

kreislauf, den man Primärkreislauf nennt.Damit d ieses radioakt ive Wasser das Reak

torgebäude nicht verlassen muss, gibt esseine Wärmeenergie in einem Wärmetauscher an e inen zwei ten Kreis lauf ab. Mannennt den zwe i ten Kre is lau f auch Sekun

därk re is lau f . Von h ie r an funk t ion ie r t d ie

Energieerzeugung genau wie beim Kohle-,Gas- oder Ölkraftwerk.

A t o m a r e r A b f a l lBe im Be t r i eb e ines Ke rnk ra f twe rks en tsteht atomarer Abfall, der radioaktiv ist. Erkann be i Lebewesen schwere S t rah lenschäden verursachen (z. B. Krankheit, Erbgutschädigung, Tod). Für den atomaren Abfallmüssen geeignete Endlagerstätten gefunden werden. An d iesen Orten muss deratomare Abfall über Tausende von Jahrensicher gelagert werden können.

AtomausstiegAls Folge eines Reaktorunfalls im japanischen Fukushima im Jahr 2011 hat die Bundesregierung den Ausstieg aus der Nutzungder Kernenergie beschlossen.

S i c h e r h e i t s

gebäudeRegelstäbe

Reak to rk re l s lau f

W ä r m e t a u s c h e r

A r b e i t s k r e i s l a u f

M a s c h i n e n h a u s

Tu r b i n e n G e n e r a t o r

□3 W ä r m e k r a f t w e r k ES Aufbau eines Kernkraftwerks

1o Nenne die vier Funktionsb l ö c k e e i n e s W ä r m e k r a f t w e r k s .

2 Q Sammelt in der Klasse Pro-und Contra-Argumente zur Kernk r a f t .

3 • Stelle Gemeinsamkelten undUntersch iede von foss i l undn u k l e a r b e t r i e b e n e n W ä r m e k r a f twerken in einer Tabelle gegenüber.

2 3 3

Regenerativ: Frischer Wind für Strom

i m[B Windpark zur Stromerzeugung

Du unternimmst eine mehrtägige Radtourund hast Verpflegung für die gesamte Reisedauer dabei. Verläuft die Fahrt planmäßig, kommst du mit der Verpflegung aus.Verlierst du Reisetage durch eine Panne,reicht die Verpflegung nicht mehr. Du bistgezwungen, unterwegs einzukaufen. Duhättest auch von Beginn an planen können,deinen täglichen Verpflegungsbedarf unterwegs zu decken. Was aber, wenn am Endeeiner Etappe kein Supermarkt zu finden ist?

Warum regenerativ (erneuerbar)?Diese Fantasiereise soll dir verdeutlichen,mit welchen Problemen unsere Energieversorgung (Verpflegung auf der Radtour)v e r b u n d e n i s t :• E inerse i ts re ichen foss i le und nuk leare

Energieträger nicht beliebig lange (mitgenommene Verpflegung für die gesamteReisedauer).

• Andererseits stehen regenerative Energieträger nicht immer und nicht überallzur Verfügung (Verpflegung aus demSupermarkt unterwegs).

Der erste Punkt erklärt, warum der Ausbau der regenerativen Energieversorgungb e t r i e b e n w e r d e n m u s s .

Der zwe i te Punkt beschre ib t d ie Prob lematik des Energietransports durch fehlendeÜbertragungsleitungen und der Speicherung von Elektroenergie.

Regenerative EnergieträgerUnter regenerativen Energieträgernve rs teh t man immer w iede r ode r ze i t l i ch

unbegrenzt zur Verfügung stehende Energievorkommen. Zu dieser Gruppe zählen:- Windenergie- Wasserenergie- Sonnenenergie- Geothermie (Erdwärmenutzung)- B i o m a s s e

WindenergieWann hast du dich das letzte Mal über

Gegenwind beim Radfahren geärgertoder über Rückenwind gefreut? Die Idee,die Energie des Winds auszunutzen, istschon alt: Segelschiffe oder Windmühlengibt es seit jahrhunderten. Deutlich jüngerist der Plan, aus Windenergie in riesigenWindparks Strom zu erzeugen. Ein„Windrad" funktioniert im Prinzip ganze i n f a c h :• Der Wind treibt ein drehbares Flügelrad

(Rotor) an.• Der Rotor bewegt einen Generator.• Der Generator erzeugt wie bei einem

Fahrraddynamo Strom, den man amNetzanschlusskasten abgreift.

In der Praxis sind allerdings viele weitereFragen zu beantworten.

A u f s t e l l o r tEine Windkraftanlage produziert nur dannwirtschaftlich Strom, wenn der Wind starkgenug weht Die Windgeschwindigkeitsollte im Jahresmittel bei 4m/s liegen,damit eine Anlage wirtschaftlich arbeitet.In Abb. B] erkennst du, welche RegionenDeutschlands als Standort für Windparksbevorzugt in Frage kommen. Die bestenVoraussetzungen hat die Küstenregion imNorden Deutschlands, weite Teile im Südensind dagegen weniger geeignet. Besondersgünstig sind die Windverhältnisse vor derNord- und Ostseeküs te . Dor t en ts tehenviele Offshore-Windparks auf dem Meer.

2 3 A

X' Regenerative Energieträger stehen immer wieder oder zeitlich unbegrenzt zur Verfügung.X Als Standort von V\/indkraftanlagen eignen sich Küstenregionen besonders gut./ Strom aus Wind im Norden muss in den Süden übertragen werden.

WindrichtungEine optimale Stromausbeute ergibt sichbei horizontalen Anlagen DQ (mit waagerechter Rotorachse) nur dann, wenn derRotor genau im Wind steht BesondereNachführsysteme sichern die günstigstePosi t ion der Rotorachse. Bei senkrecht nachoben zeigenden (vertikalen) RotorachsenSl spielt die Windrichtung keine Rolle.

W i n d

R o t o r n a b e m i tB l a t t v e r

stellung

R o t o r a c h s e

R o t o r b r e m s e

G e t r i e b e

R o t o r b l a t t

F u n d a m e n t\

Regelungsanlage

• G e n e r a t o r

:—Windr ichtungsnachführung

• Tu r m

Net2ansch luss

[U Horizontale Windkraftanlage

N o r d s e e

I I unter 3 m/s□ 3 - 3 , 9 m / s□ 4 - 5 m / s■ über 5 m/s

[E Windgeschwindigkeiten im Jahresmittel

Zu viel WindBei zu starkem Wind muss die Anlage abgeschaltet werden können, um Beschädigungen zu vermeiden. Dabei wird entweder dieRotorachse aus dem Wind gedreht (querzum Wind gestellt) oder es werden dieeinzelnen Rotorblätter so verstellt, dass siedem Wind keine Angriffsfläche bieten.

LeitungsnetzeDer Strom, der von Windkraftanlagen imNorden Deutschlands erzeugt wird, mussüber ein Leitungsnetz in den Süden geführtwerden, wo er gebraucht wird. Das Netzist zum Teil veraltet oder existiert noch garnicht. Der Ausbau der Leitungswege isteines der wichtigsten Projekte der Stromnetzbe t re ibe r i n naher Zukun f t .

UDar r i eus -Ro to r

S a v o n i u s - R o t o r

Sl Vertikalrotoren

1 O Erläutere, warum die Nutzungregenerativer Energieträger immerwichtiger wird.

2 Q Die Erzeugung von Stromaus Windenergie ist standortabhängig. Erörtert, ob der Betrieb

eines Windparks für die StandorteBerlin, Frankfurt, Hamburg, Hannover, Köln, Leipzig, München, Rostock und Stuttgart sehr lohnend,lohnend, eingeschränkt lohnendoder n icht lohnend is t . Not ier t d ie

Ergebnisse In einer Tabelle.

3 • Für die Nutzung der Windenergie spielt die Windrichtungeine große Rolle. Begründe inStichpunkten, warum es Nachführsysteme zwar für horizontale, nichtabe r f ü r ve r t i ka le W indk ra f t an

lagen gibt.

2 3 5

Regenerativ: Sonne für Strom und Wärme

3] Industriell genutzte Fotovoltalkanlage

nicht nur einzelne Geräte, sondern Häuseroder Fabrikgebäude mit Strom versorgen,heißen Fotovoltaikaniagen.Für industrielle Fotovoltaikaniagen 133re ichen Dachf lächen n ich t mehr aus .

An sonnenre ichen Or ten werden So la rmodule auf Bodenflächen aufgestellt, dieso groß wie mehrere Fußballfelder seink ö n n e n .

Gegenwärtig können Fotovoltaikaniagendie Stromversorgung aus anderen Energieträgern aber nur sinnvoll ergänzen.

Sie schimmern bläulich bei Parkautomaten,Taschenrechnern oder auf Hausdächern,du f indes t s ie manchmal au f No t ru fsäu lenan Au tobahnen oder au f Z i f fe rb lä t te rn vonArmbanduhren: Die Rede is t von Solarze llen. Sie wandeln die Strahlungsenergie desSonnen l i ch ts d i rek t In e lek t r i schen S t romu m .

Auf d ie Größe kommt es anBei Uhren oder Taschenrechnern re ichenZellen in der Größe einer 1-Cent-Münze aus,um genug Strom zu erzeugen. Bei Parkautomaten muss die Fläche schon so großwie zwei DIN-A4-Blättersein. Soll ein ganzes Haus mit Solarstrom versorgt werden,wird die ganze Südseite des Daches mitSolarze l len bedeckt ES.Hausdächer eignen sich wegen ihrerNeigung besonders gut als Unterlage fürSo la rmodu le . Be i Sonnensche in t re f fen d ieSonnens t rah len fas t senkrech t au f d ie Module auf. Anlagen, bei denen die Solarzellen

Vor - und Nach te i l e von So la rmodu len+ Sonnenenergie steht zeitlich unbegrenzt

und kostenlos zur Verfügung.+ Es treten keine Emissionen auf, weil kein

Verbrennungsvorgang stattfindet.+ So la rmodu le a rbe i t en l au t l os und we r

den durch Regen gereinigt.- Die Herstellung von Solarmodulen ist

t e u e r u n d n i c h t u m w e l t s c h o n e n d .- Die Stromerzeugung ist tageszeit-,

jahreszeit- und witterungsabhängig.

S o l a r t h e r m i s c h e K r a f t w e r k eWenn du Sonnenlicht durch eine Lupe aufein Blatt Papier scheinen lässt und den Abstand zwischen Papier und Lupe so langeveränderst, bis sich ein stecknadelkopfgroßer heller Lichtpunkt bildet, entsteht nachkurzer Zeit Qualm und ein kleines Loch imPapier. Diesen Wärmeeffekt nutzen solar-thermische Kraftwerke. Allerdings arbeitendiese Kraftwerke nicht mit Lupen, sondernmit Parabolspiegeln CS.

D Q D a c h m i t S o l a r m o d u l e n 3 3 P r i n z i p d e s P a r a b o l s p i e g e l s

2 3 6

6 Energieversorgung

X' In Fotovoltaikanlagen wird Sonnenenergie direkt in Strom umgewandelt.X' Solarthermische Anlagen nutzen die Wärme der Sonnenstrahlung zur Stromerzeugung./ In Hybridkollektoren kann Strom und Warmwasser gleichzeitig erzeugt werden.

Das Prinzip ist das folgende: Die ankommende Sonnenstrahlung wird an der gekrümmten Innenseite des Parabolspiegelsr e fl e k t i e r t . A l l e r e fl e k t i e r t e n S t r a h l e ntreffen sich im Brennpunkt. Auf dieseWeise wird die Wärmeenergie der Sonnenstrahlung in einem Punkt gebündelt. ImBrennpunkt entstehen Temperaturen bis zu500 ®C.

P a r a b o l r i n n e n k o l l e k t o r e nI n s o l a r t h e r m i s c h e n K r a f t w e r k e n w e r d e noft Parabolrinnenkollektoren IS eingesetzt,die ähnlich wie eine Dachrinne geformtsind. Durch d iese Bauform t re ffen d ieSonnenstrahlen in einer langen Brennliniezusammen, i n de r B renn l i n ie befinde t s i cheine Flüssigkeitsleitung, in der ein spezielles Thermoöl enthalten ist . Durch die Hitze

in der Brennlinie erwärmt sich das Öl aufbis zu BOCC, gibt seine Wärme an einenWasserkre is lauf ab und t re ib t e ine Turb ine-Generator-Einheit zur Stromerzeugung an.Für einen wirtschaftlichen Betrieb großers o l a r t h e r m i s c h e r K r a f t w e r k e k o m m e n n u rsonnensichere Standorte wie Spanien oderKalifornien (USA) in Frage.

Kombi-Anlage für zu Hause?Vi e l e E i n f a m i l i e n h ä u s e r k o m b i n i e r e nberei ts d ie Vorte i le der Solarzel len unds o l a r t h e r m i s c h e n K r a f t w e r k e : H i e r w e r d e nKollektoren eingesetzt, die einerseits Stromerzeugen und andererseits Wasser in einemRohrsystem erwärmen, das einen Warmwasserspeicher speist. Man nennt dieseKollektoren Hybridkollektoren.

S) Parabolrinnenkollektoren in einem solarthermischen Kraftwerk

1 O Erläutere stichpunktartig,w a r u m d i e S t r o m a u s b e u t e v o n

Fotovoltaikanlagen sowohl jahres-und tageszeitabhängig als auchwitterungsbeeinflusst ist.

2o Erkläre in eigenen Worten,warum die Stromerzeugung ins o l a r t h e r m i s c h e n K r a f t w e r k e n o f tals „indirekte Stromerzeugung"b e z e i c h n e t w i r d .

3ö Informiere dich, wo es überall 4# Stell dir vor, dass du zusam-in deiner Umgebung Fotovoltaikanlagen gibt.Dokumentiere Größe, Ausrichtung(Himmelsrichtung) und Neigung.

men m i t de ine r S i t znachba r i n ode rd e i n e m S i t z n a c h b a r n i n e i n e mBetrieb für Solaranlagen mitHybridkollektoren arbeitest.Stellt eine Liste mit Argumentenzusammen, mit denen ihr unschlüssige Kunden von der Installation eines Hybridkollektorsüberzeugt.

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W a s s e r k r a f t w e r k e

Wasser kannst du nicht nur zum Durst löschen verwenden. Ohne Wasser is t dasLeben auf der Erde völlig unmöglich. Wasser lässt sich aber auch auf ganz andereWeise nutzen. Die Energie, die in bewegtemWasser steckt, wurde früher dazu verwendet, Wasserräder anzutreiben. Seit derEntdeckung des elektrischen Stroms tüftelnMenschen daran, mit Wassermassen, diesich bewegen, Turbinen anzutreiben, umStrom zu erzeugen.

Natürlich bewegte WassermassenNatürlich fließendes Wasser, mit dem sichStrom erzeugen lässt, gibt es in großenFlüssen . Un te r dem Namen Lau fwasser

k ra f twe rk findes t du d i ese K ra f twe rke anvielen deutschen Flüssen, darunter Donau,Neckar und Rhein.Der Wechsel der Gezeiten, also der Wechselvon Ebbe und Flut, kann noch viel größereWassermengen in Bewegung versetzen.Kraftwerke, die auf diese Weise betriebenwerden, heißen Gezeitenkraftwerke.Hast du dich schon einmal in einem Wel

lenbad oder am Meer von der Kraf t derWellen tragen oder umwerfen lassen? Spezielle Wellenkraftwerke nutzen die Energieeintreffender Wasserwellen, um Strom zue r z e u g e n .

Künstlich bewegte WassermassenIn Landschaften, In denen es Berge gibt,lässt sich die Energie des Wassers aufandere Weise nutzen: Es wird aus e inemStausee oder einem Speicherbecken ausgroßer Höhe durch Rohre steil bergabgelassen. Kraftwerke, die mit großenH ö h e n u n t e r s c h i e d e n u n d r a s e n d s c h n e l lfließendem Wasser arbeiten, heißenSpeicherkraftwerke.

L a u f w a s s e r k r a f t w e r k eLau fwasserk ra f twerke l e i t en das F lusswasser auf ein spezielles Laufrad. Dieses Laufrad, Kaplanturbine EU genannt, eignet sichbesonders gut dafür, Energie aus langsamf l i eßendem Wasser au fzunehmen . Wie be iallen Arten der Stromerzeugung treibt dieTurbine einen Generator an, der die eigentliche Stromerzeugung übernimmt.

Da Lau fwasserk ra f twerke 24 S tunden an

365 Tagen im Jahr arbeiten, tragen sie zurDeckung des Grundlastbedarfs bei.

X" Wasserkraftwerke nutzen Energie aus bewegtem Wasser zur Stromerzeugung.X Laufwasserkraftwerke decken den Energiebedarf zu Grundlastzeiten.X Speicherkraftwerke decken den Energiebedarf zu Spitzenlastzeiten.

L e i t - u n dV Laufrad

- geringe Fallhöhen (2 bis 70 m)- große Wassermengen- Einsatz in Laufwasserkraftwerken

H] Kaplanturbine

SpeicherkraftwerkeSpeicherkraftwerke nutzen den großenH ö h e n u n t e r s c h i e d z w i s c h e n d e m Wa s s e r

speicherbecken und der Turbine, um einegroße Strömungsgeschwindigkeit desWassers zu erzeugen. Als Wasserspeicherdienen aufgestaute Seen in Hochlagen oderkünstlich angelegte Speicherbecken.

Die Peltonturbine S] ist besonders gutgeeignet, die Energie von schnell strömend e m Wa s s e r a u f z u n e h m e n .

PumpspeicherkraftwerkeDurch den E insatz von Franc is tu rb inen [Bkönnen Pumpspeicherkraftwerke betriebenw e r d e n .D ie Besonde rhe i t de r F ranc i s tu rb inenbesteht darin, dass sie durch elektrischenStrom auch als Pumpe genutzt werden können. Somit wird nachts, wenn Pumpspeicherkraftwerke nicht zur Stromerzeugunggebraucht werden, Wasser in die Speicherbecken nach oben gepumpt. Bei Bedarfkann es tagsüber, wenn elektrische Energiebenötigt wird, nach unten ins Tal strömen,um Strom zu erzeugen.

Die Staubecken oder Stauseen von Speicherkraftwerken füllen sich durch Regen-und Schme lzwasser oder du rch Au fs tauenvon Flüssen. Die Flussrichtung des Wassersverläuft immer bergab.

Speicherkraftwerke decken den Spitzenlastbedarf, weil sie in sehr kurzer Zeiteinsatzbereit sind und elektrische Energiel i e fe rn können .

Lau f rad

N a d e l d ü s e —

- große Fallhöhen (300 bis 2000 m)- kleine Wassermengen- Einsatz in Speicherkraftwerken

I Peltonturbine

f e s t s t e h e n d e sL e i t r a d m i tv e r s t e l l b a r e nS c h a u f e l n

- mittlere Fallhöhen (30 bis 750 m)- mittlere Wassermengen mit

geringen Schwankungen

B] Francisturbine

1 O Trage in Form einer Übersichtzusammen, welche landschaftlichen oder geographischen Voraussetzungen für die einzelnenWasserkraftwerkstypen erfüllt seinm ü s s e n .

2 ö Begründe, warum sich Pumpspeicherkraftwerke zur Deckungdes Energiebedarfs zu Spitzenlastzeiten eignen.

3* Beschreibt Unterschiede undGemeinsamkeiten von Speicherund Pumpspeicherkraftwerken.

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Kraft mit Wärme koppeln

Hast du dir schon einmal Gedanken darüber gemacht, woher das Radio im Autoseinen Strom bekommt, obwohl es keineSteckdose gibt? Oder warum du im Winterbeim Autofahren nicht frieren musst, obwohl es keine Öl- oder Gasheizung im Autogibt? Der Verbrennungsmotor treibt einenkleinen Generator zur Stromversorgungan und gleichzeitig wird die Motorwärmegenutzt, um das Auto zu heizen. Was beimAuto selbstverständlich klingt, klappt auchim großen Stil und ist unter dem NamenKraft-Wärme-Kopplung (KWK) bekannt.

B] Energieflussdiagramm vom Wäimekraftwerk(links) und KWK-Kraftwerk (rechts)

2 4 0

F u n k t i o n s w e l s eWärmekraftwerke haben einen riesigenKühlturm, in dem 35°C warmes Wasser auf25'C abgekühlt wird und die frei werdendeWärme ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird. Die Kraft-Wärme-Kopplungvermindert diesen Energieverlust. Die Rolled e s K ü h l t u r m s ü b e r n i m m t e i n W ä r m e t a u

scher. Er erwärmt Wasser für ein k i lome

terlanges Leitungsnetz, das ganze Stadtviertel und Bürogebäude mit Warmwasserversorgt. Die Vorteile dieses Prinzips zeigtAbb. [2 .

Typische Anlagen, die nach dem Prinzipder Kraft-Wärme-Kopplung arbeiten, sindd a s B l o c k h e i z k r a f t w e r k u n d d a s G a s - u n d -

Dampfturbinen-Kraftwerk.

Blockheizkraftwerk (BHKW)In Abb. S] siehst du das Schema einesBlockheizkraftwerks. Einige Baugruppenkennst du auch aus dem Auto. In derBildmitte 32 erkennst du den Motor, dermit Erdgas betrieben wird. Er treibt einenGenerator zur Stromerzeugung an. DieMotorwärme, die durch die Verbrennungdes Erdgases entsteht, wird in einem Wärmetauscher an e inen Wasserk re is lau f fü rdie Warmwasserversorgung übergeben.

Durch die Anwendung des KWK-Prinzipskann der kombinierte Wirkungsgrad derAnlage auf rund 80% gesteigert werden.Das bedeutet, dass rund 80% der eingesetzten Energie des Erdgases in Nutzenergie umgewandelt werden. Außerdembrauchen die versorgten Haushalte und Gebäude keine eigene Heizung mehr, wodurchih r Schads to f fauss toß en t fä l l t .

5 Energieversorgung

X Die Kraft-Wärme-Kopplung erlaubt die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme.X Blockheizkraftwerke versorgen nahegelegene Wohnungen mit Strom und Wärme.X Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke erzeugen Strom und speisen das Fernwärmenetz.

Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk(GuD-Kraf twerk)Sol len n icht nur e inze lne Gebäude mi tWärme versorgt werden, sondern ganzeStadtviertel, reichen Blockheizkraftwerkenicht mehr aus. Hier können Gas-und-

Dampfturbinen-Kraftwerke El eingesetztwerden. Durch die Verbrennung von Erdgasi n d e r B r e n n k a m m e r e n t s t e h e n h e i ß e

Abgase, die mit großer Geschwindigkeitaus der Kammer auss t römen und e ineGasturbine antreiben. Die Abgase erzeugenIm Abhitzekessel heißen Wasserdampf, dereine Dampfturbine antreibt. Beide Turbinenbewegen eigene Generatoren zur Stromerz e u g u n g .Nachdem der Wasserdampf die Dampfturbine durchströmt hat, gibt er seine Wärmeenergie in einem Wärmetauscher an dasFernwärmenetz ab. Dieses Leitungsnetz istdeutlich länger als bei Blockheizkraftwerken.

G a s 1 0 0 % - =

Abgasverlust18%t| Abhitze- Gas-Ikessel turbine

jsnuij

B r e n n k a m m e r

■15 bar

J

Luf t

Lu f t ve rd i ch te r

ca. 1100 °C

Dampf4 0 0 ' C Uooüi

Dampft u r b i n e

K o n d e n s a t o r(Wärmetauscher)

Speisewasserpumpe

El Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk

Der kombinierte Wirkungsgrad aus Strom-und Wärmeerzeugung liegt bei GuD-Kraft-werken ebenfal ls bei b is zu 80%.

Beruf; Elektroniker/in für Betriebstechnik„Ich arbeite bei einem Energieversorgungsunternehmen. Inmeiner Ausbildung habe ich meine Fertigkeiten und Kenntnissein dem Einsatzgebiet Energieanlagen und Energienetze erweitertund vertieft, damit ich sicher in Umspannanlagen arbeiten kann.Das Betreiben und Instandhaiten von Systemen und Anlagen inder Kraftwerkshalle gehört auch zu meinem Aufgabenbereich.Meine Englischkenntnisse aus der Schulzeit haben mir beimLesen der Systemunterlagen und Betriebsanleitungen geholfen."

be ideG e n e r a t o r e n ;ri = 33%

F e r n w ä r m e -

auskopplung:r i » 4 9 %

1 O KWK-Kraftwerke unterscheiden s ich von anderen Wärmekra f twerken dadurch, dass ihnen derKühlturm fehlt. Erläutere, warumsie au f Küh l tü rme verz ich tenk ö n n e n .

2 Eine kleine Wohnsiedlung, inder vorwiegend Einfamilienhäuserstehen, wird mit Fernwärmeversorgt.

9 a) Erkläre, welcher Vorteil sichdadurch für die Umwelt ergibt.Q b) Formuliere Vermutungen,welcher bau l iche Vor te i l s ich für

jede einzelne Familie direkt ergibt.

3 • Reine Wärmekraftwerkehaben einen Wirkungsgrad vonrund 40%. Be i KWK-Kra f twerken

spricht man vom „kombiniertenWirkungsgrad".

Erläutere den Begriff „kombinierter Wirkungsgrad" und begründe,warum der Wert deutlich größer ist(rund 80%).

4« Begründe, warum ein GuD-Kraftwerk im Gegensatz zumB l o c k h e i z k r a f t w e r k z w e i G e n e r a t or e n h a t

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E r d w ä r m e u n d B i o m a s s e

Erdwärme - schwarzes Gold für JedenErdwärme - die Goldmine, die jeder zu Hause hat. Warum sindgeschlossene Erdwärmesysteme klar im Vorteil und sollten bei derAuswahl von Wärmepumpensystemen an erster Stelle stehen?

133 Zeitungsanzeige Erdwärme

In vielen Zeitungen findest du Anzeigenwie in Abb. ®. Was aber steckt dahinter?Fachleute sprechen von Erdwärme oderGeothermle, sobald Wärme aus demErdinneren genutzt wird. Dort herrschenTemperaturen von bis zu 6000°C. Das istein nahezu unerschöpflicher Energievorrataus der Zeit der Erdentstehung. Unter denregenerativen Energiearten nimmt dieErdwärme eine Sonderstellung ein: Sie istunabhängig von jahres- und Tageszeitennahezu überall auf der Erde verfügbar.

Nutzung natürlicher ErdwärmeWusstest du, dass in Island der Bedarf anWärme und Warmwasser zu 90% aus Erdwärme gedeckt wird? In Island gibt es vieleGeysire S, die kochend heißes Wasser ingroßen Fontänen ausspeien.Das heiße Wasser wird zur Erzeugung vonStrom und Heizwärme genutzt.

Nutzung künstlicher ErdwärmeDie Nutzung natürlicher Erdwärmequellenist nur an wenigen Orten der Erde möglich.Deshalb haben s ich Wissenschaf t le r techn ische Verfahren ausgedacht, um Erdwärmezu nutzen, die nicht von selbst zu Tage tritt.Ein Beispiel für private Anwendungen istdie Wärmepumpe. Industriell wird die Erdwärme z.B. in geothermlschen Kraftwerkengenutzt .

Wärmepumpe ESEin Kältemittel wird durch ein Rohrleitungssystem im Erdreich gepumpt. Es nimmtdabei Erdwärme auf und gibt sie an der Erdober f läche an e inen Heizwasserkre is lauf ab.

W ä r m e - D a m p f - T u r b i n eÜberträger erzeuget

[H Fontäne einesGeysirs in Island

F e mw ä r m en e t z

Rückführungd e s W a s s e r s

Förderungd e s W a s s e r s

W ä r m e - R e s e r v o i r

3] Geothermisches Kraftwerk

G e o t h e r m i s c h e s K r a f t w e r k C SAus bis zu 5 500 m Tiefe wird heißes Wasseraus einem Reservoir zu Tage gefördert undzur Wärmeversorgung und Stromerzeugunggenutzt. Das abgekühlte Wasser wird ineiner zweiten Bohrung zurück in die Tiefegeleitet.

B i o m a s s eDu wärmst dich am Lagerfeuer und Issteine leckere Bratwurst vom Holzkohlegrill -be ides funk t ion ie r t nur m i t B iomasse . Wasim Garten im Kleinen abläuft, lässt sichauch indust r ie l l im Großen anwenden. Ganz

allgemein versteht man unter Biomassepflanzliche Rohstoffe und organische Abfäl le . B iomasse zähl t zu den erneuerbaren

Energieträgern.

CE Erdwärmenutzung durch Wärmepumpe

^ Energieversorgung

X" Durch Wärmepumpen lässt sich Erdwärme auch privat nutzen./ Geothermische Kraftwerke nutzen Erdwärme aus bis zu 5 500 m Tiefe.K Nachwachsende Rohstoffe und organische Abfälle lassen sich zur Energiegewinnung nutzen.

Stal l

Gü l le

Wo h n h a u s

4Gewächshaus Fabrik

W ä r m e

Rührwerk vWärmespeicher

Zwischenspeicher

weitere Biomasse Mischbehälter Aufbereitung

[50 Biogasanlage

landw i r t s cha f t l i cheVerwertung

Nachwachsende,pflanzliche Rohstoffe

Organische Abfälle

Holz, Raps, Stroh,G e t r e i d e u s w.

Gülle, Mist, pflanzlicheA b f ä l l e w i e

Grünschnitt, Laub usw.

[S Beispiele für Biomasse

Die Waldbewirtschaftung liefert dabei dasnötige Holz, die Landwirtschaft betreibtden Anbau von Raps und Getreide. Die Massentierhaltung hinterlässt Gülle und Mist.Im Frühjahr kannst du auf vielen Feldernden gelb leuchtenden Raps sehen. Er wirdhäufig zur Herstellung von Bio-Diesel als

Kraftstoff und nicht als Tierfutterpflanzeangebaut. Die Nutzung von hochwertigemAckerboden zur Produktion von Energiewi rd aus S ich t des Umwel tschutzes k r i t i schb e w e r t e t .

BiogasanlageDer entscheidende Vorgang in einer Biogasanlage ist die Vergärung im Faulturm(Bildmitte ES). Verschiedene Biomasseartenw e r d e n d a r i n v e r r ü h r t . U n t e r W ä r m e z u f u h rbildet sich innerhalb eines Monats Biogas,das in einem Blockheizkraftwerk (BHKW)Strom und Wärme erzeugt. Die Gärrückstände werden zur Düngung der Feldergenutzt .

1 O Erläutere in Stichpunkten denUnterschied zwischen der Nutzungnatü r l i che r und küns t l i che r E rdw ä r m e .

2 9 Formuliere gemeinsam mitde ine r Nachba r i n ode r de inemNachbarn Vor- und Nachte i le e iner

Wärmepumpenanlage ES für einWohnhaus. Berücksichtigt dabei

(steigende) Energiepreise undbauliche Voraussetzungen.

3 • Beschreibe die Funktionsweise der Biogasanlage ES in eigenen

die Aspekte Anschaffungskosten, Worten.

2A3

Smart Grid - das intelligente Stromnetz

Das Stromnetz ist notwendig, um denStrom von den Produzenten zu den Verbrauchern zu transportieren. Durch denAusbau der regenerativen Energien wirddas Stromnetz zukünftig stärkeren Schwankungen ausgesetzt sein, da Windstärkeund Sonneneinstrahlung schwanken. UmSchwankungen auszugleichen, baut manein sogenanntes Smart Grid auf - ein intelligentes Stromnetz. Es besteht aus Strom-und Datenleitungen.

DatenleitungenStromleitungen

' E n e r g i e fl u s s

PumpspeicherkraftwerkÜberschüssiger Strom kann genutztwerden, um Wasser von einem tiefergelegenen See in einen höher gelegenenSee zu pumpen. Benötigt man schnellelektrische Energie, so wird das Wasserdurch die Rohre zu einer Turbine geleitet,die über einen Generator Strom erzeugt.Zurzeit sind Pumpspeicherkraftwerke diebeste Möglichkeit, vorhandene elektrische Energie in größerem Umfang zuspeichern.

F o t o v o l t a i k

Zu den konvent ione l len Kra f twerken zäh len z .B .K o h l e - u n d G a s k r a f t w e r k e . B e i W i n d s t i l l e u n d .

geringer Sonneneinstrahlung werden weiterhinkonventionelle Kraftwerke für die Stromerzeugungbenötigt. Bei starkem Wind und starker Sonneneinstrahlung werden diese heruntergefahren.

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X' Das intelligente Stromnetz besteht aus Strom- und Datenleitungen. Durch Datenaustauschlassen sich Stromüberschüsse im Stromnetz der Zukunft besser vertei len.

Stromspeicher (noch in Erforschung)Eine große Herausforderung derZukunft ist es, gute Speichermöglichkeiten für überschüssigen Strom zuschaffen. Unterschiedliche Technologien wie Akkuspeicher und die Gasgewinnung aus Strom (Power-to-Gas)sind In der Entwicklung.

R e c h e n z e n t r u mD a s R e c h e n z e n t r u msteuert das gesamteSystem.

D a t e n k n o t e nHier laufen alle wichtigen Informationen über den aktuellen Verbrauch,Über- oder Unterproduktion zusamm e n u n d w e r d e n w e i t e r v e r a r b e i t e tund weltergeleiteL

F o t o v o l t a l k a u f H a u s d ä c h e r nMithilfe von Fotovoltaikanlagen aufHausdäche rn können Häuse r d i r ek tmit Strom versorgt werden. Fallsmehr Strom produziert wird als benötigt, wird dieser in das Stromnetzeingespeist.

S m a r t M e t e rSmart Meter sind neue intelligente Stromzähler, die den Verbrauch

analysieren und diese Daten an denEnergieversorger weitergeben können. Dadurch kann der Überschussim Netz besser ver te i l t werden.

10 Erläutere die Vorteile desintelligenten Stromnetzes.

2 O Im Bild ist der Energieflussmit Pfeilen dargestellt. Erkläre,warum manche P fe i le in be ide

Richtungen zeigen, andere nur ineine Richtung.

3 • Martin sagt: „Das Smart Gridist die Lösung für die Energiew e n d e . "Emma erwidert: „Ein Smart Gridkönnte aber gehackt werden."Nehmt Stellung zu diesen Auss a g e n .

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Nachhaltigkeit und Produktlebenszyklus

F A I R T R A D E

CE Der Produktlebenszyklus Q] Verschiedene Nachhaitigkeitsslegel

Was bedeutet der Begriff „Nachhaltigkeit"?Der Begriff Nachhaltigkeit stammt ursprünglich aus der Forstwirtschaft: Manachtet darauf, nur so viele Bäume aus demWald zu entnehmen wie auch wieder nachwachsen können. Nachfolgende Generationen können dadurch ebenfalls den Waldn u t z e n .

Mittlerweile vereinigt man unter dem Begriff Nachhaltigkeit folgende drei Punkte:• Wirtschaft (Ökonomie)• Natur (Ökologie)• Gesellschaft (Soziales)Man spricht auch von den drei Säulen derNachhaltigkeit.

Um nachhaltige Produkte zu kennzeichnen,gibt es eine Vielzahl von Nachhaitigkeits-siegeln IS. Sie zeigen an, dass bestimmteMindestanforderungen der Nachhaltigkeitbei der Herstellung dieser Produkte erfülltw u r d e n .

Energieträger Im Blickpunkt derNachhaltlgkeitEnergieträger wie Holz, Erdöl, Kohle oderGas kann man unter dem Begriff der Nachhaltigkeit betrachten.• Holz: Holz is t e in nachwachsender Roh

stoff, sofern die Forstwirtschaft nachhaltig betrieben wird. Bäume können gefälltund in gleicher Anzahl wiederaufgeforstet werden. In ein paar Jahrzehntens tehen som i t den Menschen w iede r neueBäume zur Verfügung.Holzpellets werden immer häufiger alsBrennstoff in Heizungen verwendet. Werden für die Herstellung Abfallstoffe ausder Holzindustrie genutzt, so müssen dafür keine Bäume gefällt werden. Bäume,die man speziell für die Herstellung vonHolzpellets erntet, werden bei nachhaltiger Forstwirtschaft wieder angepflanzt.Allerdings Ist bei der Herstellung eingrößerer Energieeinsatz notwendig alsbei der Brennholzgewinnung.

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