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Lösungen und Anregungen

für den Unterricht

glühbert wolfram und

turbiene

der

Auf den Spuren

Lösungen und Anregungen

Auf den Spuren Energie

Glühbert, Wolfram & TurBiene auf den Spuren der Energie | © EW Medien und Kongresse GmbH

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Seite 7 | Arbeitsaufträge zum Comic „Party auf Burg Energiestein“

Seite 8 | Energie lässt sich umwandeln

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Die Lösungen dienen als Vorschläge und sind nicht vollständig. Sie sollen – gerade bei Tabellen und Aufzählungen – Anregungen für Ergänzungen bieten.

Aufgabe 1 (Lösungsvorschläge):

Alle mit Strom betriebenen Geräte funktionieren nicht mehr: Computer, CD-Player, Mixer, Waffeleisen, Toaster, Ofen, Licht


Die Geburtstagsgäste können selber Musik machen, die Geräte mit Batterien betreiben, alles mit Kerzen beleuchten.


Computer Spielen, Musik hören, Fernsehen, …

Bei Stromausfall kann auch nicht mehr mit elektrischen Herdplatten gekocht oder im Ofen gebacken werden. Wäsche waschen und trocknen oder bügeln geht auch nicht mehr. Das Kino kann ohne Strom keine Filme zei-gen. Im Dunkeln kann man ohne (elektrisches) Licht nicht lesen. Der Staubsager funktioniert nicht ohne Strom.

1. Der Körper wandelt die chemische Energie der Nahrung in Bewegungsenergie (Muskelkraft) um.

2. Das Bügeleisen wandelt die elektrische Energie in Wärmeenergie um.

3. Die Küchenmaschine wandelt die elektrische Energie in Bewegungsenergie (mechanische Energie) um.

Das Fahren mit Licht ist anstrengender, als das Fahren ohne Licht. Um das Antriebsrad des Dynamos zu drehen, benötigt man mehr Energie, die dann in Licht umgewandelt wird.

Eine Bastelanleitung für einen einfachen Motor finden Sie in „Lernen an Stationen STROM“, Bestell-Nr. 674042. www.energie-fachmedien.de/lernen-an-stationen

Seite 9 | Wie wird Strom erzeugt


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Seite 10 | Fossile Brennstoffe

Weiterführende Informationen zu Ressourcen von fossilen Energieträgern finden Sie in Lernsequenzen, Heft 1: Energie, Bestel-Nr. 675011. (www.energie-fachmedien.de/lernsequenzen-1)

Weitere Informationen zu fossilen Energien finden Sie im Internet zum Beispiel auf den Seiten der RAG http://www.rag-deutsche-steinkohle.de oder auf den Seiten des Bundesverbandes der Braunkohle www.debriv.de. Das Bundesministerium für Umwelt www.bmu.de bietet ebenfalls Material und Informatio-nen für Lehrkräfte.

Tipp für den Unter-richt: um die extrem lange Zeitspanne von der Entstehung der Kohle bis zu ihrer industriellen Nutzung zu zeigen, können die Kinder eine Zeitleiste basteln.

TIPP

Grafik aus Lernsequenzen, Heft 1: Energie

Seite 13 | Stromtransport

Das Thema Stromtransport wird ausgiebig in unserem Landschaftsmodell „Strom für unsere Stadt“, Bestell-Nr. 674036

www.energie-fachmedien.de/Strom-für-unsere-Stadt

Schülerheft, Bestell-Nr. 674037

www.energie-fachmedien.de/sfus-schülerheft

behandelt.

Seite 12 | Stromerzeugung in Wärmekraftwerken

1. Steinkohle, Braunkohle, Erdgas, Erdöl

2. Durch Umwandlung

3a. Preiswert, hoher Wirkungsgrad

3b. Begrenzte Reichweiten und Ressourcen

4. Durch Verbrennung

5. Vorteile: niedrige Baukosten und geringer CO2 Ausstoß im Gegensatz zu Kohlkraftwerken, Gaskraft- werke können sehr schnell gestartet, aber auch wieder heruntergefahren werden ; Nachteile: hohe Betriebskosten, geringe, aber dennoch Emissionen


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Seite 19 | Stromerzeugung durch Wasserkraft

Speicherwasserkraftwerk

Dieser Typ ist besonders gut für die Deckung des Strombedarfs in Spitzenlastzeiten geeignet und läuft daher meist nur wenige Stunden am Tag.

Das durch einen Staudamm gespeicherte Wasser bildet ein riesiges Energiereservoir, aus dem bei Bedarf schnell große Leistungen abgerufen werden können. Das Wasser wird durch ein Rohrleitungssystem zu den Turbinen am Fuß der Staumauer geleitet. Handelt es sich um Bergspeicherseen, so kann die Fallhöhe des Wassers über 1000 Meter betragen.

Die Staumauern dieser Hochdruckwasserkraftwerke haben oft gewaltige Ausmaße. Beim Bau der Mauern unterscheidet man zwischen zwei Konstruktionsprinzipien. Bei den Gewichtsstaumauern wird der enorme Wasserdruck des Stausees durch das Eigengewicht von bis zu 15 Millionen Tonnen gehalten. Bogenstau- mauern bestehen hingegen aus verhältnismäßig dünnem Beton und halten dem Wasserdruck aufgrund ihrer Wölbung stand. Die Kräfte des Wassers werden von der Mauer auf die stützenden Talflanken übertragen.

Laufwasserkraftwerk

Dieser Typ wird auch Laufkraftwerk oder Flusskraftwerk genannt. Hier wird fließendes Wasser von Flüssen oder Bächen kontinuierlich zur Gewinnung elektrischer Energie verwendet und nicht gespeichert. Da die Fallhöhen meist relativ gering sind, handelt es sich in der Regel um Niederdruckkraftwerke. Mit Hilfe einer so genannten Wehranlage wird das Flusswasser aufgestaut und damit die Fallhöhe vergrößert. Hohe Leistungen bei Laufkraftwerken werden durch entsprechend große Durchflussmengen an Wasser erreicht. Da dieser Kraft-werkstyp zuverlässig und konstant Strom liefern kann, wird er meist zur Grundlaststromversorgung eingesetzt.

TURBINENARTEN

Kaplan

Für Laufkraftwerke verwendet man in der meisten Fällen einen Turbinentyp, der 1913 von dem österreichi-schen Professor Victor Kaplan entwickelt wurde. Eine Kaplan-Turbine gleicht einem Schiffspropeller, dessen Flügel verstellbar sind. Dadurch kann die Turbine an die jeweilige Wassermenge und Fallhöhe angepasst wer-den. Meist wird die Kaplan-Turbine senkrecht eingesetzt und von oben nach unten von Wasser durchströmt. Ihren höchsten Wirkungsgrad von 95% erreicht die Turbine bei geringen Fallhöhen und großen Wasser- 3mengen. Daher eignet sie sich besonders für Flusskraftwerke mit gleichmäßig dahin strömendem Wasser.

Francis

Bei Mitteldruckanlagen, d.h. bei mittleren Fallhöhen und Durchflussmengen, verwendet man am häufigsten den 1849 von James B. Francis entwickelten Turbinentyp. Das Wasser tritt durch ein spiralförmiges Rohr in die Francis-Turbine ein und durchläuft zunächst das so genannte Leitwerk, mit dessen verstellbaren Leitschaufeln die Wassermenge und damit die Leistung geregelt werden kann. Dann wird das Wasser auf die gegenläu-fig gekrümmten Schaufeln des Laufrades gelenkt und setzt dieses in Bewegung. Danach wird das Wasser im Bereich der Turbinenachse mittels eines Saugrohres angeleitet. Ein großer Vorteil der Francis-Turbine ist, dass sie in Pumpspeicherkraftwerken auch als Pumpe eingesetzt werden kann.

Pelton

Bei Speicherkraftwerken, die mit hohem Druck betrieben werden, verwendet man meist den 1879 von Lester Pelton konstruierten Turbinentyp. Bei der Pelton-Turbine handelt es sich um eine so genannte Freistrahlturbi-ne. Der Wasserstrahl treibt mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 km/h das Laufrad an, das zwischen 20 und 40 besonders geformte Schaufeln besitzt. Jede Schaufel besteht aus zwei nebeneinander liegenden Halbscha-len. Das Wasser trifft auf die Mittelschneide zwischen den beiden Halbschalen und wird anschließend um fast 180 Grad abgelenkt. Durch diese Richtungsumkehr wird fast die gesamte Bewegungsenergie des Wassers auf die Schaufeln übertragen.


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Seite 20 | Windkraft – Bastelanleitung zum Papierflieger

Material:

DIN A4 Schreibmaschinenpapier 80 g/m2

Vor dem Zusammenbauen kann das Blatt noch mit einer hübschen Zeichnung versehen werden.

Es bedeuten:

Schwarze durchgezogene Linien: nach oben falten; rote Linien: nach unten wegfalten;

Orange: Blattvorderseite; Gelb: Blattrückseite; Gelb gestrichelt: rückseitige Falzlinien;

Bild 1: Falte ein Blatt Papier der Länge nach.

Bild 2: Klappe es wieder auf und drehe es um.

Bild 3: Schlage die oberen Ecken bis zur Mittellinie ein und falte sie.

Bild 4: Falte alles wieder auf und drehe das Blatt um.

Bild 5: Falte jetzt die rechte Ecke erneut ein. Die soeben erzeugte Falte muss dabei exakt auf dem Knick der Mit-tellinie aufliegen.

Bild 6: Vergleiche noch einmal Bild 5. Die obere Kante dei-nes Blattes muss nach dieser Faltung auf der anderen Seite exakt auf der Falte aufliegen.

Bild 7: Jetzt kannst du den über die Mitte stehenden Teil nach rechts außen wegfalten.

Bild 8: Wiederhole die Schritte von Bild 5-7 mit der anderen Seite. Drehe danach dein Blatt um.


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Bild 9: Falte die Spitze nach unten, bis die Papierhälften des Vorderflügels exakt als Dreieck aufeinanderliegen.

Bild 10: Achte beim Falten darauf, dass die Spitze genau auf der Mittellinie liegt.

Bild 11: Klappe die Spitze wieder nach oben und falze sie genau dort, wo sich Vorder- und Hinterflügel berühren.

Bild 12: Die Nasenspitze deiner Fledermaus schaut jetzt über die Vorderflügel hinaus. Drehe dein Blatt erneut um.

Bild 13: Falte jeweils von der Außenecke der Vorderflügel kleine Dreiecke nach unten weg. Falte sie wieder auf. Klappe die beiden Lagen der Vorderflügel etwas auf und falte die Dreiecke wie kleine Zwickel hinein.

Bild 14: Daraus werden am Schluss die Ohren deiner Fle-dermaus gefaltet.

Bild 15: Schaue dir an, an welcher Stelle die Nasen-spitze jeweils über die Vorderflügel ragt. Genau dort faltest du einen geraden Steg. Die hinteren Flügel bekommen auch eine leichte Falte, die von vorn bis hinten durchgeht.

Als letztes werden die kleinen Dreiecke der Vorderflügel wieder ausgeklappt und zu kleinen Ohren nach unten gefaltet.

Probiere deine Fledermaus aus!Mit sanftem Schwung geworfen, gleitet der Papierflieger ausdauernd dahin.


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Material:

1 quadratisches Blatt farbiges Tonpapier mit einer Seitenlänge von 14 cm

1 Rouladennadel aus Metall

3 Holzperlen

1 Korken

1 Stricknadel

1 Schere

1 Lineal

Zuerst fädelst du in die Rouladen nadel 1 Holz perle ein und legst sie zur Seite. Du wirst sie gleich brauchen.

Jetzt legst du dein Tonpapier-Quadrat so vor dich hin, dass eine Spitze zu dir zeigt. Falte nun die untere Spitze zur oberen. Öffne das Dreieck und falte die linke Spitze zur rechten. Zeichne dir vom Mittelpunkt aus auf jeder Faltlinie nach 2 cm eine Markierung.

Schneide in das Quadrat von den Ecken aus entlang der Falt linien bis zu deiner Markierung.

Nun nimmst du eine Ecke nach der anderen deines Tonpapier-Quadrats und biegst sie vorsichtig zur Mitte. Die Spitzen sollen übereinander liegen!

Stich nun die Rouladen nadel durch alle 4 Spitzen.

Fädel zwei weitere Holzperlen auf die Nadel und schließe das Wind-rad mit einem Korken ab.

Als Windradstab kannst du die Stricknadel verwenden, indem du sie wie auf der Zeichnung in den Korken steckst.

Seite 21 | Windkraft – Bastelanleitung für ein Windrad


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Windstärken werden nach Beaufort gemessen (Der Engländer Sir Francis Beaufort entwickelte 1806 eine zwölfteilige Skala, die sich an den beobachteten Auswirkungen des Windes an Land und auf See orientierte.):

Seite 23 | Windstärken

Bezeichnung Geschwindigkeit in m/s (in km/h)

Auswirkungen des Windes im Binnenland

Auswirkungen des Windes auf See

0 Windstille 0-0,2 (<1) Rauch steigt senkrecht empor

spiegelglatte See

1 leichter Zug 0,3-1,5 (1-5) Windrichtung nur durch Rauch erkennbar

schuppenförmige Kräusel-wellen

2 leichte Brise 1,6-3,3 (6-11) Wind im Gesicht fühlbar, Blätter säuseln

kurze, kleine Wellen; Kämme brechen sich nicht

3 schwache Brise 3,4-5,4 (12-19) Blätter und dünne Zweige bewegen sich

Kämme beginnen sich zu brechen, Schaum meist glasig

4 mäßige Brise 5,5-7,9 (20-28) bewegt Zweige und dünne Äste, hebt Staub

noch kleine Wellen, aber vielfach weiße Schaum-köpfe

5 frische Brise 8,0-10,7 (29-38) kleine Bäume beginnen zu schwanken

mäßig lange Wellen mit Schaumkämmen

6 starker Wind 10,8-13,8 (39-49) Pfeifen an Drahtleitungen Bildung großer Wellen (ca. 2,5-4m) beginnt, größere Schaumflächen

7 steifer Wind 13,9-17,1 (50-61) fühlbare Hemmungen beim Gehen

See türmt sich, Schaum-streifen in Windrichtung

8 stürmischer Wind 17,2-20,7 (62-74) bricht Zweige von den Bäumen, erschwert erheb-lich das Gehen

hohe Wellenberge, (über 7m), Gipfel beginnen zu verwehen

9 Sturm 20,8-24,4 (75-88) kleinere Schäden an Häu-sern und Dächern

dichte Schaumstreifen, Rollen der See, Gischt ver-wischt

10 schwerer Sturm 24,5-28,4 (89-102) entwurzelt Bäume, bedeu-tende Schäden

sehr hohe Wellenberge, See weiß durch Schaum

11 orkanartiger Sturm 28,5-32,6 (103-117) verbreitet schwere Sturm-schäden

außergewöhnlich hohe Wellenberge, Kämme überall zu Gischt verweht

12 Orkan über 32,7 (über 117) generell schwere Sturm-schäden

Luft mit Schaum und Gischt angefüllt, keine Fernsicht mehr

Das Experiment kann man auch mit verschieden farbigen Schläuchen im Klassenzimmer durchführen. Die Mes-sung sollte mit einem empfindlichen Thermometer durchgeführt werden, um auch geringe Temperaturabwei-chungen zu erkennen.

Seite 24 | Die Sonne – ein Himmelskraftwerk

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Informationen über Solarzellen finden sich zahlreich im Internet, zum Beispiel unter wikipedia.de. Experimente mit Solarzellen bietet leXsolar an (www.lexsolar.de).

Alles Wissenswerte zum EEG sowie den Gesetzestext bietet das BMU, das Bundes-ministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit an unter http://www.erneuerbare-energien.de/erneuerbare_energien/gesetze/eeg/doc/47585.php

Solarfarmkraftwerke eignen sich besonders für Länder mit intensiver, dauerhafter Sonneneinstrahlung, also zum Beispiel Wüsten in Äquatornähe. Die DESERTEC Foundation zum Beispiel greift diesen Ansatz auf: www.desertec.org/de

Seite 28 | Photovoltaik – Strom aus Sonnenlicht

Seite 29 | Solarfarmkraftwerk


FEST: Holz, Mais, Getreide, Stroh, Bioabfälle

FLÜSSIG: Rapsöl, Biodiesel, Ethanol, Methanol

GASFÖRMIG: Biogas

Aufgabe 2Bei der Fotosynthese entsteht aus Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser Traubenzucker – der Energielieferant für Pflanzen. Sonnenlicht wird bei grünen Pflanzen mithilfe des Farbstoffs Chlorophyll aufgenommen. Bei den biochemischen Prozessen der Fotosynthese wird, durch den Einsatz von Wasser und Kohlendioxid, die Son-nenenergie in Zuckerenergie umgewandelt, welche die Pflanze zum Wachsen benötigt. Der ebenfalls dabei entstehende Sauerstoff wird an die Umwelt abgegeben. Die Fotosynthese ist der bedeutendste und älteste biochemische Prozess der Erde. Sie ist für das Bestehen nahezu aller Ökosysteme verantwortlich.

Aufgabe 3Vorteile

• Ausgeglichene CO2-Bilanz

• Wieder nachwachsende Rohstoffe

Nachteile

• Bei der Verbrennung von Biomasse werden Stickoxide und Feinstaub freigesetzt

• Es wird viel Platz für die Lagerung der Biomasse benötigt.

• Besonders bei der Verbrennung von Getreide werden moralische Bedenken laut, denn in anderen Ländern fehlt das Getreide als Nah-rung und hier wird es verfeuert. Aus einem Hektar (ha) Getreide wer-den ungefähr 11 000 kWh Energie gewonnen. Damit kann ein Haus-halt mit vier Personen ca. 2,5 Jahre lang mit Energie versorgt werden. Mit 5 Tonnen (t) Getreide, die auf einem ha angebaut werden, kön-nen aber auch 38 Menschen ein Jahr lang ernährt werden.

Seite 30 | Arbeitsaufträge zu Biomasse


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Seite 31 | Zukunft der Stromversorgung

Weiterführende Informationen zu diesem Thema finden Sie in

Lernsequenzen Heft 8, Zukunft der Stromversorgung, Best.-Nr. 675018

www.energie-fachmedien.de/lernsequenzen-8

Lernsequenzen Heft 8 mit CD, Zukunft der Stromversorgung, Best. Nr. 675028

www.energie-fachmedien.de/lernsequenzen-8-cd

Seite 33 | Energie wird umgewandelt

Seite 34 | Energie ist wertvoll

Seite 35 | Energieverbrauch im privaten Haushalt

Wind WindkonverterElektrischer

StromHandrührgerät

Bewegungs-energie

Steinkohle Kokerei Koks Heizungsanlage Heizwärme

Weitere Informationen zur Energieeffizienz finden Sie unserem Lernsequenzen Heft 5, Best.Nr. 675045

www.energie-fachmedien.de/lernsequenzen-5

und im Ideenbuch für Lehrer: Lernen an Stationen – Energieeffizienz Best.Nr. 674043

www.energie-fachmedien.de/lernen-an-stationen

Mit Strommessgeräten den Energieverbrauch von Haus haltsgeräten bestimmen!

Elektrogeräte verbrauchen unterschiedlich viel Strom. Da sind nicht nur der Gerätetyp, technische Ausstattung und das Alter der Geräte ausschlaggebend, sondern auch die Nutzungsgewohnheiten jedes Einzelnen. Ohne auf Komfort verzichten zu müssen, kann aber der Stromverbrauch im Haushalt gesenkt wer-den. Wasser kann z. B. mit geringerem Energieaufwand – und damit umwelt-freundlicher – im Wasserkocher erhitzt werden, als auf der Kochplatte.

So ist nicht nur der sinnvolle Einsatz der zur Verfügung stehenden Geräte ein Lernziel, sondern auch die Erkenntnis, in welchen Größenordnungen sich der Energieverbrauch der im Haushalt eingesetzten Ge räte bewegt. Über durchgeführte Messreihen können die Schüler noch einmal für den effektiven Einsatz von Ener-gie in Schule und Haushalt sensibilisiert werden.

Strommessgeräte – wie abgebildet – können auf Nachfrage in der Regel beim Energie ver sorger entliehen werden. Die ebenfalls zur Verfügung stehenden Anleitungen erläutern die Bedienungsweise, geben Hinweise auf zu überprüfende Geräte und enthalten oft Ta bellen mit Vergleichswerten. Bei Kühl- und Gefriergeräten, Getränkeautomaten sollte die Messung jeweils über 24 Stun den erfolgen. Kleingeräte können evtl. für Messrei-hen mit in die Schule gebracht werden (Handrührgerät, Wasser kocher).


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Um möglichst viele Situationen dar-stellen zu können, wurde bei diesem Suchbild darauf ver zichtet, ein jah-reszeitlich logisches Bild zu zeigen.

Seite 42/43 | Energiesparer oder Energieverschwender

Frage 1: kann man ordentlich Energie sparen, 1 Grad niedrigere Raumtemperatur senkt die Heizkosten um ca. 6 Prozent

Frage 2: weniger als ein Zehntel, 1 Prozent

Frage 3: 17 Liter

Frage 4: Rollläden abends herunterlassen, sonst geht viel Heizenergie verloren

Seite 41 | Energiequiz – Teste deine Eltern

Positiv zu bewertende Situationen:

Einsatz der Energiesparlampe im Dachzimmer; Photovoltaik anlage zur Stromgewinnung auf dem Dach; „Duschen statt Baden“ im Badezimmer, Ausnutzung der aufwärmenden Sonnenstrahlen im Wohnzim mer; vollbeladene Waschma schi ne im Hauswirtschaftsraum; sinnvoll heruntergeregeltes Heiz körperthermostat in der Küche; Abfallsortierung: z.B. Biomüll und Papier; Ausnu tzung der Sonnenwärme zur Behei zung des Wassers für das Plansch becken.

Negativ zu bewertende Situationen:

Überheizung des Dachzimmers bei gleichzeitiger Öffnung des Fensters; keine Wärmedäm mung des Hauses; laufender Wasserhahn während des Zähneputzens im Badezimmer; nicht benötigte Geräte werden nicht abgeschaltet im Wohn zim mer und im Hauswirt schafts raum; der Trockner war nicht ausgelastet im Hauswirt-schafts raum; der Kühlschrank steht unnötig lange auf; warme Speisen wurden in den Kühl schrank gestellt; der Wasser hahn tropft in der Küche; Abfall wird nicht sachgerecht entsorgt (Schokoladenpapier, Dosen); Alumini-umdosen kommen zum Einsatz und werden nicht recycelt; kein Einsatz einer Energiesparlampe bei der Außen-beleuchtung.

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