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Technik 9 Energietechnik Datum: __________________ Technik Klasse 9 – Energietechnik Skript Name: ___________________________________ Energietechnik

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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

  • 1

    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.

  • 2

    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

  • 3

    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.

  • 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

  • 5

    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.

  • 6

    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

  • 7

    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.

  • 8

    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.

  • 9

    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.

  • 10

    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.

  • 11

    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.

  • 12

    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.

  • 13

    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.

  • 14

    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.

  • 15

    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.

  • 1

    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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  • 1

    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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  • 2

    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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