POWER BOX - rlp.de€¦ · Lernkoffers (Power Box), der Experimente für Schülerinnen und Schüler...

POWER BOX

Gefördert durch:

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Impressum

© 2015 Maria Ward Schule Landau in der Pfalz

Fotos: Maria Ward Schule

Graphiken Bioenergie: Dr. Nadine Roth

Kopien sind für unterrichtliche Zwecke erlaubt.

Alle anderen Verwendungen bedürfen der schriftlichen Zustimmung der Autoren.

Koordination, Beratung: Fritz Scharping

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Vorwort

Diese Anleitung ist im Rahmen eines Pro-jekts zur Landesgartenschau Rheinland-Pfalz Landau 2015 entstanden. Unter der Ge-samtleitung der Energieagentur Rhein-land-Pfalz wurde ein für die Öffentlichkeit und Unterrichts praxis nutzbarer Energieparcours zu regenerativen Energien entwickelt. An der Umsetzung waren die TU Kaiserslautern mit interaktiven Modellen sowie die Maria Ward Schule Landau mit der Erstellung eines Lernkoffers (Power Box), der Experimente für Schülerinnen und Schüler bereit hält, der nach Ende der Landesgartenschau zur Ausleihe für Schulen zur Verfügung steht, beteiligt.

Wir danken dem Ministerium für Wirtschaft, Klimaschutz, Energie und Landesplanung des Landes Rheinland-Pfalz für die finanziel-le Unterstützung des Projekts.

Das Konzept der Power Box: Zielgruppe der Experimente sind Schülerin-nen und Schüler der Klassenstufen 7 bis 13. Die Zusammenstellung ermöglicht die Durch-führung von sechs unabhängigen Stationen zu unterschiedlichen Themenfeldern. Bei der Ausleihe an Schulen werden als Ergänzung zum Koffermaterial eine weitere Lampe und je nach Klassenstufe weitere Vielfachmessin-strumente benötigt.

Folgende Themenbereiche sind vertreten: Windenergie, Photovoltaik, Energie aus Bio-masse, Wasserkraft, Thermalenergie (Kol-lektor) und die Brennstoffzelle als alternativer Antrieb.

Experimente: Diese Anleitung enthält die Experimentier-anleitungen und die zugehörigen Vorlagen zur Auswertung, die im Rahmen des Grünen Klassenzimmer der LGS für die Klassen-stufen 7 bis 10 stattfinden. Außerdem er-

möglicht die Power Box eine Fülle weiterer Experimente, die digital (CDs) bzw. gedruckt vorliegen.

Schülerinnen des Leistungskurses 12 Physik (Schuljahr 2014/15) testeten an unzähligen Nachmittagen verschiedene Materialien zum Experimentieren, stellten daraus passende Experimente zusammen und entwarfen die Arbeitsblätter dieser Anleitung – bis auf das Thema Energie aus Biomasse. Die Arbeits-blätter zur Energie aus Biomasse wurden von Frau Dr. Nadine Roth erstellt.

Am Ende der Anleitung finden Sie Hinweise zu den Bezugsmöglichkeiten der Materialien der Power Box.

Ich möchte an dieser Stelle den Schülerin-nen meines LK‘s Physik namentlich danken: Christina Dausch, Jana Frey, Lea Hartstern, Charlotte Klein, Nina Preßler und Sophie Krohmer. Sie betreuen während der LGS an zehn Tagen Schulklassen im Grünen Klas-senzimmer bzw. bieten offene Experimentier-nachmittage für alle Gartenschaubesucher an, Danielle Schuhmacher wird uns dabei tatkräftig unterstützen. An dieser Stelle darf der Dank an Frau Dr. Susanne Pleus nicht fehlen, die uns während der ganzen Zeit kon-struktiv kritisch den Rücken stärkte.

Weiterer Dank gilt der Technik-AG der Schu-le und den Hausmeistern, sowie den Kolle-ginnen und Kollegen, die weitere Termine im Grünen Klassenzimmer betreuen.

Landau, März 2015 Fritz Scharping OStR i.K.

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Inhaltsverzeichnis

Inhalt Zeit Klasse Seite

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3Inhaltsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

Windenergie – Christina Dausch MSS12Netzteil Windenergie, Zusammenbau der Rotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6Power Box Einsatz Windenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7Wind 1 Leistung von Zwei-, Drei-

und Vierblattrotoren . . . . . . . . . . . 15 Min. . . . . .9 – 10 . . . . . . . . . . .8Wind 2 Vergleich zweier Flügelformen . . . . . . 15 Min. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 10Wind 3 Energie und Anstellwinkel . . . . . . . . 20 Min. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 12Wind 4 a) Leistung und Windgeschwindigkeit . . 30 Min. . . . . .9 – 10 . . . . . . . . . . 14

b) Die Anlaufwindstärke eines Windrades . . . . . . . . .9 – 10Wind 5 Die Anlaufwindstärke eines Windrades. . 15 Min. . . . . .7 – 8 . . . . . . . . . . . 17Eichkurve Modulspannung – Windgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Weitere Experimente zum Thema Wind mit der Power Box . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Power Box Einlage mit Anleitungen und CDs, Thermometer zur Absorptionsmessung . . . 20

Photovoltaik – Charlotte Klein MSS12Power Box Einsatz PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21PV 1a Solarzellenleistung und

Beleuchtungsstärke . . . . . . . . . . . . 15 Min. . . . . .7 – 8 . . . . . . . . . . . 22PV 1b Solarzellenleistung und

Beleuchtungsstärke . . . . . . . . . . . . 15 Min. . . . . .9 – 10 . . . . . . . . . . 24PV 2a Solarzellenleistung und

beleuchtete Fläche . . . . . . . . . . . . 15 Min. . . . . .7 – 8 . . . . . . . . . . . 26PV 2b Solarzellenleistung und

beleuchtete Fläche . . . . . . . . . . . . 15 Min. . . . . .9 – 10 . . . . . . . . . . 28PV 3a Abschattung bei Reihen- und

Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . 20 Min. . . . . .7 – 8 . . . . . . . . . . . 30PV 3b Abschattung bei Reihen- und

Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . 20 Min. . . . . .9 – 10 . . . . . . . . . . 32Weitere Experimente zum Thema Photovoltaik mit der Power Box . . . . . . . . . . . . . 35

Bioenergie – Dr. Nadine RothInfotext 1 Energie aus Biomasse. . . . . . . . . . . . . . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 36Infotext 2 Biokraftstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 38Infotext 3 für Flinke: „Biokraftstoffe: Tank oder Teller“ . . . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 43Bio 1 Energie aus Biomasse . . . . . . . . . . . 20 Min. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 44Bio 2 Biokraftstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Min. . . . . .7 – 8 . . . . . . . . . . . 45Bio 3 Biokraftstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Min. . . . . .9 – 10 . . . . . . . . . . 46

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Inhaltsverzeichnis

Inhalt Zeit Klasse Seite

Energie aus Wasserkraft – Lea Hartstern MSS12Anleitung zum Aufbau . . . . . . . . . . . . . . 10 Min. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 47Wasser 1 Radiobetrieb . . . . . . . . . . . . . . 10 Min. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 48Wasser 2 Betrieb mit LED . . . . . . . . . . . . 10 Min. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 50Wasser 3 Leistungsmessung . . . . . . . . . . 10 Min. . . . . .9 – 10 . . . . . . . . . . 52Wasser 4 Vergleich Modell –

Pumpspeicherkraftwerk . . . . . . . . 5 Min.. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 53Power Box Einsatz Energie aus Wasserkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Thermalenergie – Jana Frey MSS12Power Box Einsatz Thermalenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55T 1a-c Aufbau einer Kollektoranlage für

Warmwasser . . . . . . . . . . . . . . . 10 Min . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 56T 1 Betrieb einer Kollektoranlage,

Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . 30 Min. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 59T 1d Abbau der Kollektoranlage . . . . . . . . . 5 Min . . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 60T 2a Energiediagramm zum Kollektor . . . . . . 5 Min.. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 61T 2b Kollektor, Vergleich Experiment – Realität . 5 Min.. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 61T 1d Flachkollektor, Vergleich

Experiment – Realität . . . . . . . . . . . . 5 Min.. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 62T 3 Absorption von Strahlung . . . . . . . . . . 10 Min. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 63T 4 Energie sammeln mit dem Parabolspiegel. . 5 Min.. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 64T 2c Röhrenkollektor, Vergleich

Experiment – Realität . . . . . . . . . . . . 5 Min.. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 65

Brennstoffzelle – Auto – Nina Preßler MSS12B 1 Brennstoffzelle mit Handgenerator – Auto . . 20 Min. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 66B 2 Brennstoffzelle mit Solarzellen – Auto . . . . 35 Min. . . . . .7 – 10 . . . . . . . . . . 70Power Box Einsatz Brennstoffzelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Weitere Experimente zum Thema Brennstoffzelle mit der Power Box. . . . . . . . . . . . 75

Bezugsmöglichkeiten der Power Box Inhalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Lösungsvorschläge – LösungsblätterWindenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Photovoltaik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Bioenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Energie aus Wasserkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Thermalenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Brennstoffzelle – Auto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

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Arbeitsblätter – Wind – PowerModule

0. Verwendung des „PowerModule“ – Spannungsversorgung für den Wind erzeuger

Anschlusskabel für die Steckdose

0. Verwendung der Rotoren:Nabe und passende Kappe (Anstellwinkel beachten) auswählen. Beim Zusammenset-zen muss die abgerundete Seite nach oben zeigen. Zum Wechseln wird der Rotor auf die

Nase gelegt und die Abdeckkappe nach un-ten gedrückt, dabei lösen sich Rotorteile und die Flügel können ausgetauscht werden.

Positiver PolEin- und AusschaltenSpannung reduzieren und erhöhen

Negativer Pol

Einstellung 4 V Einstellung 4,5 V; der Punkt bei 5 V leuchtet schwach

Einstellung 12 V; alle Punkte leuchten hell.

Nase

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Arbeitsblätter – Wind – PowerModule

Grundplatte mit 6 Kabeln, darunter Kurzschlussstecker, Farbscheiben und zwei Arten Rotorblätter (je 4).

Rotoren für Drei- und Vier-blattrotoren

Generator

Netzteil

LED-Modul

Wider-standsmodul 33 Ohm

Grund platte für den Ge-nerator

PotentiometermodulWinderzeuger, darunter die Abstandshalter

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Arbeitsblätter – Wind 1

1. Leistungsvergleich von Zwei- , Drei- und Vierblattrotoren

Material / Aufbau

Die Rotorblatthalterungen 1 mit einem An-stellwinkel von 25° verwenden. Den Windgenerator 2 beim Wechseln der Rotoren immer von der Generator-Grundplat-te 3 entfernen.

VermutungSchreibe auf, welcher Zusammenhang deiner Meinung nach zwischen Rotorblattanzahl und Leistung besteht. (nächste Seite)

Durchführung1. Baue nacheinander die Rotoren zusammen und stecke sie auf den Windgenerator.

Anschließend den Windgenerator auf seine Grundplatte stecken. Stelle den Abstand von 20 cm zwischen Rotor und Winderzeuger ein (Abstandsplatte).

2. Miss nacheinander die erzeugte Spannung und Stromstärke bei Zwei-, Drei- und Vierblatt-rotoren bei fester Windgeschwindigkeit (Generatorspannung 12 V) und bei fester Belastung (33 Ω) und trage die Messwerte in die Tabelle ein.

1

1

1

2

3

~ 1 mm Spalt lassenSpannungsmessung: Messbereich: 20 V Stromstärkemessung: Messbereich: 200 mA

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Aufgabenblatt Versuch 1

(Leistungsvergleich von Zwei-, Drei-, und Vierblattrotoren)

Welcher Zusammenhang lässt sich zwischen der Anzahl von Rotorblättern und der erbrachten Leistung vermuten? Begründe kurz!

Messungkonstanter Widerstand (33 Ohm) konstante Geschwindigkeit (Generatorspannung 12 V)

Zweiblattrotor Dreiblattrotor Vierblattrotor

U in V

I in mA

P = U · I in mW

Auswertung

Welche Anzahl von Rotorblättern erzeugt die größte Leistung?

Du siehst fast immer nur Dreiblattrotoren! Woran könnte das liegen?

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2. Vergleich der Flügelform bei Dreiblattrotoren

Material / Aufbau

Die Rotorblatthalterungen mit einem Anstellwinkel von 25° verwenden.

Den Windgenerator 1 beim Wechseln der Rotoren immer von der Generator-Grundplatte 2 entfernen.

Der Abstand zwischen Winderzeuger und Generator beträgt 20 cm (Abstandsbrett), die Spannung am Winderzeuger 12 V.

Ein- und Ausschalten

Spannung reduzieren und Spannung erhöhen.

1

2

11



(Vergleich von Flügelform bei Dreiblattrotoren)

Durchführung1. Stecke den Dreiblattrotor (25°) mit dem optimierten Profil auf den Windgenerator und be-

festige anschließend den Generator auf der Grundplatte. Der Abstand Windgenerator und Winderzeuger soll 20 cm betragen. Füge deshalb die Abstandsplatte ein. Winderzeuger-spannung: 12 V, kurz warten, bis der Winderzeuger richtig läuft. Miss die Spannung, die der Generator liefert. (Messbereich 20 V)

2. Wiederhole diese Messung mit dem Dreiblattrotor ohne Profil. Dabei den Windgenerator anziehen!

Messwerte U opt =

U ohne =

Auswertung1. Mit welchem Profil kann eine höhere Spannung erzeugt werden?

2. Welchen Einfluss könnte die Flügelform auf die erzeugte Leistung der Windkraftanlage haben?

3. Gibt es neben der Verwendung von profilierten Flügeln noch weitere Möglichkeiten die Energieausbeute zu erhöhen?

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3. Energiegewinnung in Abhängigkeit vom Anstellwinkel bei Dreiblattrotoren

Material / Aufbau

Die Rotorblatthalterungen mit Anstellwinkeln von 20° bis 90° verwenden.

Den Windgenerator 1 beim Wechseln der Rotoren immer von der Generator-Grundplatte 2 entfernen.

Der Abstand zwischen Winderzeuger und Generator beträgt 20 cm (Abstandsbrett), die Spannung am Winderzeuger 12 V.

Ein- und Ausschalten

Spannung reduzieren und Spannung erhöhen.

1

2

13



(Vergleich von Dreiblattrotoren in Abhängigkeit vom Anstellwinkel)

Durchführung1. Baue einen Rotor mit 3 Flügeln und einem Anstellwinkel der Blätter von a = 20° auf und

stecke ihn auf den Windgenerator. Der Abstand zwischen Windgenerator und Winderzeuger beträgt 20 cm.

2. Schalte nun den Winderzeuger ein und miss die Spannung am Windgenerator.

3. Wiederhole diese Messung mit a = 25°; 30°; 50° und 90° und trage die Ergebnisse in die Tabelle ein.

Anstellwinkel 20° 25° 30° 50° 90°

U in V

Auswertung1. Welcher Anstellwinkel erzeugt die größte Spannung?

2. Stelle dein Ergebnis in einem Diagramm dar.

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Widerstand 33 Ω


4a. Zusammenhang von Leistung und Windgeschwindigkeit

4b. Untersuchung der Anlaufwindstärke einer Windkraftanlage bei Dreiblattrotoren 25°

Material / Aufbau

Die Rotorblatthalterungen mit einem Anstellwinkel von 25° verwenden.

Den Windgenerator beim Wechseln der Ro-toren immer von der Generator-Grundplatte entfernen.

Abstand: Winderzeuger – Generator = 20 cm

Spannungsmessung: Messbereich: 20 V

Stromstärkemessung: Messbereich: 200 mA

Beispiel:Eingestellte Spannung: 4,5 V, der Punkt bei 5 V leuchtet schwach.

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Durchführung1. Stelle den Windgenerator (Dreiblattrotor mit 25°) und Wìnderzeuger in einem Abstand von

20 cm auf.

2. Schließe das PowerModule an und stelle die erste angegebene Spannung am Winderzeu-ger ein. Läuft der Windgenerator noch nicht an, so gib dem Rotor einen kleinen Impuls. Tut sich immer noch nichts, so erhöhe die Spannung und verfahre wie vorher. Ermittle die zugehörige Windgeschwindigkeit v anhand des Diagramms bzw. der Tabelle auf Seite 17.

3. Warte nach jeder Erhöhung der Winderzeugerspannung kurz, bevor du im Generatorstrom-kreis die Spannung und die Stromstärke an den Messgeräten abliest.

Messwerte

Spannung am Winderzeuger 4 5 6 7 7,5 8 8,5 9 10 11 12

v in m/s

U in V

l in mA

P = U · I in mW

Auswertung

1. Bei welcher Windgeschwindigkeit läuft der Rotor an?

2. Bei welcher Windgeschwindigkeit liegt die höchste Leistung?

3. Trage deine Ergebnisse in ein Diagramm ein und bewerte es.

16


Beurteilung des Graphen:

17


5. Untersuchung der Anlaufwindstärke einer Windkraftanlage

Durchführung1. Stelle den Windgenerator (Dreiblattrotor mit 25°) und den Winderzeuger in einem Abstand

von 20 cm auf. Schließe den Motor mit der Farbscheibe an.

2. Verbinde nun das PowerModule mit dem Winderzeuger und stelle den ersten Spannungs-wert ein, beginnend bei 4 V . Läuft das Windrad noch nicht an, so gib dem Rotor einen kleinen Impuls. Tut sich immer noch nichts, so erhöhe die Spannung um einen Schritt und verfahre wie vorher.

3. Notiere die Einstellung am PowerModule sobald das Windrad läuft und lies auf Seite 17 die zugehörige Windgeschwindigkeit ab. U = Minimale Anlaufgeschwindigkeit des Windrades: v =

4. Erhöhe die Spannung am Winderzeuger bis die Farbscheibe sich zu drehen beginnt. Notiere die Einstellung am PowerModule. U =

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Arbeitsblätter – Wind

Eichkurve PowerModule-Spannung und Windgeschwindigkeit

Tasten-einstel lung 5,

5

6 6,5

7 7,5

8 8,5

9 9,5

10 10,5

11 11,5

12

d = 5 cm

v in m/s

3,3 3,7 4,1 4,5 4,9 5,2 5,5 5,8 6,1 6,4 6,6 6,9 7,2 7,4

d = 10 cm

v in m/s

3,3 3,7 4,1 4,4 4,8 5,2 5,5 5,8 6,1 6,4 6,6 6,9 7,1 7,4

d = 20 cm

v in m/s

3,2 3,5 3,9 4,3 4,6 4,9 5,3 5,6 5,9 6,1 6,4 6,6 6,9 7,1

Eichkurve Windgeschwindigkeit

4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 120,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

d = 5 cm

d = 10 cm

d = 20 cm

Win

dges

chw

indi

gkei

t in

m/s

Einstellung am Netzteil (Spannung in V)

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Arbeitsblätter – Wind

Zusätzliche Experimente, die mit den Inhalten der PowerBox durchführbar sind

leXsolar: Wind Medium• Einfluss der Windgeschwindigkeit auf eine

Windturbine (qualitativ und quantitativ)• Anlaufgeschwindigkeit an einer Windkraft-

anlage• Veränderung der Generatorspannung

durch Zuschalten eines (verschiedener)Verbrauchers

• Energiebilanz an einer Windkraftanlage• Berechnung des Wirkungsgrades einer

Windkraftanlage• Energieumwandlungen an einer Windkraft-

anlage• Vergleich von Zwei-, Drei und Vierblattroto-

ren (qualitativ und quantitativ)• Kennlinien einer Windkraftanlage• Einfluss der Windrichtung (qualitativ und

quantitativ)• Einfluss des Anstellwinkels der Rotorblät-

ter (qualitativ und quantitativ)• Anlaufgeschwindigkeit in Abhängigkeit

vom Anstellwinkel der Rotorblätter• Einfluss der Flügelform (qualitativ und

quantitativ)

Anleitungen und Lehrerhandreichungen fin-den Sie auf der beiliegenden leXsolar CD.

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Power Box Einlage – Anleitungen Zusatzmaterial

Anleitungen für vielfältige weitere Experimente finder Sie im Ordner und auf den beiliegenden CDs.

Außerdem liegen hier die beiden Thermometer mit den Absorptionsplättchen zum Thermalenergieexperiment.

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Power Box Einsatz – PV

Beleuchtungsmodul 4 Abdeckscheiben und 3 Farbfilter

Netzteil mit Einstellstift

Motor mit Getriebe

Dioden- Modul

Solarmodule

1 x groß: 0,5 V 840 mA

3 x klein: 0,5 V 420 mA

Motor mit Farbscheibe

PotentiometermodulGrundplatte, Schablonen für Parallel- und Reihenschaltung, 4 Kabel, darunter zwei Vielfachmessgeräte und zwei passende Temperaturfühler.

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Arbeitsblätter – PV 1a

1a. Abhängigkeit der Solarzellenleistung von der Beleuchtungsstärke

Material

Grundeinheit

Solarmodul groß 0,5 V 840 mA

Netzteil, 6 V

Beleuchtungsmodul


Aufbau

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Durchführung1. Baue die Schaltung entsprechend dem Schaltbild auf.

Lockere drei der Glühbirnen im Beleuchtungsmodul. Überprüfe, ob nur eine Birne leuchtet.

2. Lege das Beleuchtungsmodul auf die Solarzelle. Beobachte die Drehgeschwindigkeit des Motors!

3. Wiederhole dies mit 2, 3 und 4 Lampen im Beleuchtungsmodul! Halte deine Ergebnisse fest. (Der Motor dreht sich: nicht, langsam, schnell, sehr schnell)

Lampenzahl 1 2 3 4

Motor

Hinweis: Das Beleuchtungsmodul sollte nicht zu lang auf der Solarzelle stehen, um das Erwärmen der Solarzelle zu verhindern.

AuswertungFragen:

Was verändert man an dem Beleuchtungsmodul, wenn man einige Lampen entfernt?

Wann hat sich der Motor am schnellsten gedreht ?

Zusammenhang zwischen Leistung und Beleuchtungsstärke:

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Arbeitsblätter – PV 1b

1b. Abhängigkeit der Solarzellenleistung von der Beleuchtungsstärke

Material

Grundeinheit


Beleuchtungsmodul

Netzteil, 9 V

Vielfachmessgerät: Leerlaufspannung, Kurzschlussstromstärke

Bei diesem Experiment werden Leerlauf-spannung (Solarzelle ohne Verbraucher – ohne Belastung) bzw. Kurzschlussstrom-stärke (Solarzelle über das Messgerät „kurz geschlossen“) gemessen.

Diese beiden Messwerte können nicht gleich-zeitig gemessen werden, deshalb wird zuerst mit 1 bis 4 Glühbirnen die Leerlaufspannung (Messbereich 2000 mV = 2 V und danach die Kurzschlussstromstärke (Messbereich 200 mA ) ebenfalls mit 1 bis 4 Glühbirnen gemessen.

Beim Wechseln zwischen Spannung- und Stromstärkemessung immer ein Kabel von der Grundplatte entfernen.


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Lockere drei der Glühbirnen im Beleuchtungsmodul. Überprüfe, ob nur eine Birne leuchtet. Beim Wechseln zwischen Spannung- und Stromstärkemessung immer ein Kabel von der Grundplatte entfernen.

2. Lege das Beleuchtungsmodul auf die Solarzelle. Miss nacheinander Stromstärke (Messbereich beginnend bei 200 mA ) mit 2, 3 und 4 Lampen im Beleuchtungsmodul!

3. Anschließend miss die Spannung der Solarzelle mit 2, 3 und 4 Lampen im Beleuchtungs-modul! (Messbereich 2000 mV = 2 V ; Beispiel: Anzeige 530 = 0,530 V) Halte deine Ergebnisse in der Tabelle fest.

Auswertung1. Berechne die Leistung der Solarzelle für jede Lampenanzahl.

2. Zeichne das n-P-Diagramm (n : Anzahl der Lampen)

3. Beurteile den Zusammenhang zwischen Beleuchtung und Solarzellenleistung.

Lampenzahl n 1 2 3 4

Spannung U in V

Stromstärke I in mA

Leistung P = U · I in mW

0 1 2 3 40

5

10

15

20

25

30

35

40

Anzahl der Lampen n

Leis

tung

in m

W

26


2a. Abhängigkeit der Leistung von der Fläche der Solarzelle

Material

Grundeinheit

Netzteil, 7,5 V

Beleuchtungsmodul


Abdeckplatten


Aufbau

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Decke die Solarzelle mit drei Plättchen ab (¾ Abdeckung) Statt dem Beleuchtungsmodul (vier Birnen leuchten) kannst du zur Beleuchtung des So-larmoduls auch das Sonnenlicht nutzen.

2. Beobachte die Drehgeschwindigkeit des Motors!

3. Wiederhole dies mit zwei und mit einem Plättchen. Halte deine Ergebnisse fest. (Der Motor dreht sich: nicht, langsam, schnell, sehr schnell)

Abdeckung keine ¼ ½ ¾

Motor


AuswertungFragen:

Was verändert man an der Solarzelle, wenn man einen Teil davon abdeckt?


Zusammenhang zwischen Leistung (Energie) und Fläche:

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2b. Abhängigkeit der Leistung von der Fläche der Solarzelle

Material

Grundeinheit


Abdeckplättchen

Vielfachmessgerät: Leerlaufspannung, Kurzschlussstromstärke

Aufbau

Bei diesem Experiment werden Leerlaufspannung (Solarzelle ohne Verbrau-cher – ohne Belastung) bzw. Kurzschluss-stromstärke (Solarzelle über das Messgerät „kurz geschlossen“) gemessen.

Diese beiden Messwerte können nicht gleich-zeitig gemessen werden, deshalb wird zuerst mit 1 bis 4 Abdeckungen die Leerlaufspan-nung (Messbereich 2000 mV = 2 V) und danach die Kurzschlussstromstärke (Messbereich 200 mA ) ebenfalls mit 1 bis 4 Abdeckungen gemessen.


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Durchführung1. Baue die Schaltung entsprechend dem Schaltbild auf. (Zur Beleuchtung kann notfalls auch

das Beleuchtungsmodul – 4 Glühbirnen – verwendet werden. U = 9 V)

2. Das Solarmodul wird in den Schritten: ohne – ¼ – ½ – ¾ – ganz abgedeckt. Die Messung verläuft in zwei Schritten: a) Leerlaufspannung (Messbereich 2000 mV = 2 V ; Beispiel: Anzeige 530 = 0,530 V) b) Kurzschlussstromstärke (Messbereich beginnend mit 200 mA )


3. Trage die Messwerte in die Tabelle ein.

Auswertung1. Berechne die jeweilige Leistung der Solarzelle aus den Messwerten.

2. Stelle die Ergebnisse in den Diagrammen dar.

3. Beurteile den Zusammenhang zwischen Fläche und Stromstärke, Fläche und Spannung, sowie Fläche und Leistung.

Abdeckung ohne ¼ ½ ¾ ganz

Leerlaufspannung U in V


Leistung P = U · I in mW

Zusammenhang zwischen: a) U und Fläche:

b) I und Fläche:

c) P und Fläche

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3a. Abschattung einer Solarzelle bei Reihen und Parallelschaltung

Material

Grundeinheit

Lampe aus dem Brennstoff-zellentableau


Solarmodul klein 0,5 V 420 mA

Abdeckplatten

Aufbau: Parallelschaltung von Solarzellen Baue die Schaltung entsprechend dem Foto auf. Achte dabei auf die richtige Lage der Solar-zellen: (Stromanschlüsse nebeneinander - Parallelschaltung)

Beleuchte die Zellen mit der Lampe: Abstand mindestens 20 cm.

Beobachte den Motor!

Wiederhole das Experiment mit einer abgedeckten Solarzelle.


31


Aufbau: Reihenschaltung von Solarzellen Baue die Schaltung entsprechend dem Foto auf. Achte dabei auf die richtige Lage der Solarzellen: (Stromanschlüsse hinter-einander - Reihenschaltung)

Beleuchte die Zellen mit der Lampe: Abstand mindestens 20 cm.


Wiederhole das Experiment mit einer abgedeckten Solarzelle.


Ergebnis: Parallelschaltung

Ergebnis: Reihenschaltung

32


3b. Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen

Material

Grundeinheit

Solarmodule klein 0,5 V 420 mA

Schablonen für Parallel- und Reihenschaltung

Vielfachmessgerät: Leerlaufspannung Kurzschlussstromstärke

Bei diesem Experiment werden Leerlaufspannung (Solarzelle ohne Verbraucher – ohne Belastung) bzw. Kurzschlussstromstärke (Solarzelle über das Messgerät „kurz geschlos-sen“) gemessen.

Diese beiden Messwerte können nicht gleichzeitig gemessen werden, deshalb wird zuerst mit 1 bis 3 Zellen die Leerlaufspannung (Messbereich 2000 mV = 2 V) und danach die Kurzschlussstromstärke (Messbereich: je nach Beleuchtung: 200 mA ) ebenfalls mit 1 bis 3 Zellen gemessen.

Aufbau: Reihenschaltung von Solarzellen

33


Aufbau: Parallelschaltung von Solarzellen

Durchführung1. Baue die Schaltung entsprechend dem Schaltbild auf. (Zur Beleuchtung kann notfalls die

große Lampe aus der Brennstoffzelleneinlage verwendet werden.)

2. Die Messung erfolgt mit ein, zwei und drei Solarmodulen in zwei Schritten: a) Leerlaufspannung (Messbereich 2000 mV = 2 V ) b) Kurzschlussstromstärke (Messbereich 200 mA)


Auswertung1. Zeichne das n – I – Diagramm (n: Anzahl der Zellen) für Reihen- und

Parallelschaltung – beide Graphen in ein Diagramm.

2. Zeichne das n – U – Diagramm für Reihen- und Parallelschaltung, ebenfalls beide in ein Diagramm.

Reihenschaltung von Solarzellen

Anzahl n 1 2 3

Spannung U in V


Parallelschaltung von Solarzellen

Anzahl n 1 2 3

Spannung U in V


34


Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen

Verhalten von Spannung von Stromstärke

von Reihenschaltung

von Parallelschaltung

3210

90

75

60

45

30

15

Anzahl der Solarzellen n

Stro

mst

ärke

in m

A

35

Arbeitsblätter – PV

Zusätzliche Experimente, die mit den Inhalten der PowerBox durchführbar sind

leXsolar: Photovoltaik Large• Reihen- und Parallelschaltung von

Solarzellen• Abhängigkeit der Leistung von der

Fläche der Solarzelle• Abhängigkeit der Leistung vom

Einfallswinkel des Lichtes• Abhängigkeit der Leistung von der Be-

leuchtungsstärke• Wirkungsgradbestimmung einer Energie-

umwandlung• Innenwiderstand der Solarzelle• Dunkelkennlinie der Solarzelle• Sperr- und Durchlassrichtung bei Beleuch-

tung und Abdunkelung• U-I-Kennlinie und Füllfaktor der Solarzelle• U-I-Kennlinie der Solarzelle in Abhängig-

keit von der Beleuchtungsstärke• Abhängigkeit der Solarzellenleistung von

der Temperatur• Abschattung von Solarzellen bei Reihen-

schaltung• Abschattung von Solarzellen bei Parallel-

schaltung• Die Solarzelle als Transmissionsmesser• Abhängigkeit der Solarzellenleistung von

der Frequenz des einfallenden Lichtes• Diffuse Strahlung• Direkte Strahlung• Albedostrahlung (von einem Untergrund

reflektierte Strahlung)• Die Solarzelle treibt den Motor an Anleitungen und Lehrerhandreichungen fin-den Sie auf der beiliegenden leXsolar CD.

36

Infotext: Energie aus Biomasse

Pflanzen sind in der Lage durch Photosyn-these die im Sonnenlicht enthaltene Energie umzuwandeln (siehe Abbildung 1). Durch die bei der Photosynthese ablaufenden Prozes-se entstehen somit energiereiche Stoffe wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine (Eiweiße), aus denen Pflanzen aufgebaut werden und die in den Pflanzen gespeichert werden. Diese Stoffe benötigen wir – wie alle tieri-schen Organismen – zur Deckung unseres Energiebedarfs. Deshalb nehmen wir die von den Pflanzen gespeicherte Energie über die Nahrung auf. Den höchsten Energiegehalt enthalten Fette, gefolgt von Kohlenhydra-ten und Proteinen. Das erkennt man auch an den Nährwertangaben verschiedener Nahrungsmittel. Indem die Zellen unseres Körpers diese Stoffe zersetzen (Zellatmung), kann die darin enthaltene Energie für zahl-reiche lebenswichtige Stoffwechselprozesse in unserem Körper genutzt werden (siehe Abbildung 1). Ohne die Leistung der Pflan-zen könnten tierische Lebewesen somit nicht existieren.

Biomasse, das sind alle Labewesen (tot oder lebendig), sowie deren Abfall- und Restprodukte. Bioenergie ist somit in Raps, Weizen, Laub, Holz aber auch im Abwasser, in der Gülle oder in Kuhfladen enthalten.

Diese Energie kann genutzt werden, um daraus Wärme, Strom und Kraftstoffe zu erzeugen. Die durch Pflanzen umgewandel-te Sonnenlichtenergie wird seit mindestens 800.000 Jahren vom Menschen zur Erzeu-gung von Wärme und zur Nahrungszuberei-tung genutzt, was der Fund alter Feuerstel-len belegt. Holz, ein Rohstoff, der zur festen Biomasse gehört, ist nach wie vor ein wich-tiger Brennstoff, auch weil Erdöl und Erdgas immer teuerer werden. Deshalb wurden Heizanlagen entwickelt, die Holzstücke sehr effizient verbennen und die darin enthaltene Energie möglichst optimal nutzen, wie bei-spielsweise die Holzpelletheizung. Holz kann aber auch zur Herstellung von Biokraftstof-fen verwendet werden. Hierbei wird durch Erhitzen und unter Luftabschluss (Pyrolyse) ein brennbares Gas, das sogenannte Holz-gas, freigesetzt, durch das Verbrennungs-motoren in Fahrzeugen angetrieben werden können. Ausserdem entstehen Holzkohle und Holzteer.

Biokraftstoffe sind energiereiche Flüssigkei-ten, Gase oder Feststoffe, die aus Biomasse gewonnen wurden.

Die oben genannten Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße können teilweise in andere

Aufnahme über Nahrung

Pflanzen

KohlenhydrateFetteProteine

Chloroplasten der grünen Pflanzenzellen

PhotosyntheseUmwandlung Sonnenenergie in chemische Energie

Tiere

KohlenhydrateFetteProteine

Lebenswichtige Stoffwechselprozesse

ZellatmungUmwandlung der chemischen Energie

Abbildung 1: Lebenswichtige Zusammenhänge: Photosynthese und Zellatmung

37

Infotext: Energie aus Biomasse

energiereiche Stoffe umgewandelt werden, wie beispielsweise Alkohole (Ethanol und Butanol) und aufgrund ihres enormen Ener-giegehalts als Kraftstoffe genutzt werden. Sie werden bisher hauptsächlich aus schnell-wachsenden und sehr fett- und kohlenhydrat-reichen Pflanzen wie Raps, Mais oder Ölpal-men hergestellt. (Biokraftstoffe der 1. Generation)

Da aus diesen Pflanzen jedoch auch wichtige Nahrungsmittel gewonnen werden, entstehen durch deren Kultivierung für die Biokraftstoff-

herstellung auch ethische Konflikte, da der Anbau solcher Pflanzen sehr große Agrar-flächen benötigt, was eine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion darstellt. Weitere Informationen zu dieser Problematik findest du in der Zusatzinformation „Biokraftstoffe: Tank oder Teller“.

Diesen Konflikt will man dadurch entschär-fen, dass ausschließlich die Teile von Pflan-zen für die Erzeugung von Treibstoff genutzt werden, die für den Menschen nicht essbar sind (Biokraftstoffe der 2. Generation).

Übersicht: Biokraftstoffe

1. Generation: Pflanzenöle (Fette), Biodiesel (Fettreste), Bioethanol (Alkohol)

2. Generation: Biogas (Biomethan), BTL Kraftstoffe (Biomass to Liquid: Biomasse-verflüssigung), Lignocellulose-Ethanol (Alkohol), Biomethanol (Alkohol), Biobutanol (Alkohol)

Auch in Abfallprodukten und Reststoffen ist noch viel Energie enthalten, die – in Biogas umgewandelt – genutzt werden kann. Lässt man Biomüll eine Weile stehen, kann man eine starke Wärmeentwicklung beobachten. Diese Wärme entsteht durch die Einwirkung von Bakterien, die die Abfallstoffe zerset-zen und dadurch Energie für verschiedene Stoffwechselprozesse gewinnen. Dieser als Fermentation bezeichnete Prozess findet bei einer Biogasanlage in einem großen, luftdicht verschlossenen Tank statt. Neben Wärme entstehen auch beträchtliche Mengen Biogas

(Biomethan), das abgeleitet und anschlie-ßend zur Wärme- oder Stromgewinnung genutzt werden kann.

Alle Zellen gewinnen, wie oben erwähnt, chemische Energie durch schrittweise Zer-setzung von energiereichen Nährstoffen. Die-se Tatsache wird in einer Mikrobiellen Brenn-stoffzelle ausgenutzt, indem der Stoffwechsel von Mikroorganismen zu Stromerzugung verwendet wird. Das Nährmittel der Organis-men hat die Funktion des Brennstoffs. Mikro-organismen können verschiedene Stoffe als Nährstoffbasis nutzen. Bei Versuchen zur Abwasserreinigung dienen die Schmutzstof-fe, die abgebaut werden müssen, als Nah-rung. Mit Hilfe der mikrobiellen Brennstoff-zelle kann so das Abwasser gereinigt und gleichzeitig Energie gewonnen werden. Bei anderen Projekten wird die Verwendung von Schlamm, Kuhdung oder Abfall von Kaffee-pflanzen als Nährmittel getestet.

Weiterführende Informationen zu Biokraft-stoffen findest du im Infotext „Biokraftstoffe“.

38

Infotext: Biokraftstoffe

Biokraftstoffe sind Treibstoffe für Verbren-nungsmotoren, die aus Biomasse hergestellt wurden. Sie können gasförmig, flüssig oder fest sein (Biodiesel, Bioethanol, Methan, Holzschnitzel, ...) und werden aus nach-

wachsenden Rohstoffen wie beispielswei-se Ölpflanzen (Raps und Ölpalmen) oder Getreidearten wie Weizen oder Mais bzw. kohlenhydratreichen Pflanzen wie Zuckerrohr gewonnen.

A: Biokraftstoffe der 1. GenerationBiodiesel wird ähnlich wie der mineralische Dieselkraftstoff (aus Erdöl hergestellt) in Verbrennungsmotoren eingesetzt. Er wird meistens durch chemische Reaktion von Rapsöl mit Methanol (Alkohol) hergestellt (siehe Abbildung 1 und 2).

Biodiesel kann in reiner Form oder als Mi-schung mit Mineralöldiesel verwendet wer-den.

Abbildung 1: Herstellung von Biodiesel in der Übersicht.

39


Die alkoholische Gärung wird bereits seit Jahrtausenden zur Herstellung von Nah-rungsmitteln wie Brot und zur Herstellung al-koholischer Getränke (Wein, Met, Bier) durch den Menschen genutzt. Aus kohlenhydrat-reicher Biomasse wie Getreide, Kartoffeln

oder Zuckerrüben kann der darin enthaltene Zucker (häufiger Einfachzucker: Glukose) durch den Prozess der alkoholischen Gärung mit Hilfe von Mikroorganismen (Bäckerhefe) zu Alkohol abgebaut werden.

Abbildung 2: Chemische Reaktion bei der Synthese von Biodiesel. Hierbei handelt es sich um eine Umesterung. R1, R2, R3; verschie-dene Fettsäurereste.

Abbildung 3: Herstellung von Bioethanol in der Übersicht.

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Dieser Prozess findet unter Luftabschluss statt. Der entstehende Alkohol (Bioethanol) wird anschließend durch Destillation kon-zentriert, um eine höhere Energiedichte pro Volumen zu erreichen, gereinigt und kann dann als Kraftstoff verwendet werden.

An der Tankstelle erhältliche Benzin-Etha-nol-Mischungen enthalten 5 % Ethanol („Su-per Benzin“, E5), 10 % Ethanol (90 % reines Superbenzin, E10) oder 85 % Ethanol (15 % reines Super Benzin, E85).

Weltweit erzeugten die USA und Brasilien 2005 zusammen über 90 % der Jahrespro-

duktion von 36,567 Mrd. Liter. Die größten europäischen Erzeuger sind Russland und Frankreich. Deutschland erzeugt jährlich fast 4 Mrd. Liter zu gleichen Teilen als Getränke-alkohol und als Alkohol für chemisch-tech-nische Zwecke, was einer Eigenbedarfsde-ckung von etwa 62 % entspricht. 1

Neben der Produktion von Neutralalkohol für Getränke, Lebensmittel und technische Zwecke entfallen weltweit etwa 65 % auf die Herstellung von Kraftstoffethanol. In den USA wird der Aufbau neuer Produktionsan-lagen für Ethanol besonders vorangetrieben, vor allem durch das Gesetz „Energy Policy Act“ (EPACT) von 2005, das den Aufbau von erneuerbaren flüssigen Energieträgern fördern soll.

Heizwert von Bioethanol im Vergleich 2

Kraftstoff GewichtHeizwert in Mega joule

Heizwert in Kilowattstunde

Bioethanol 0,79 kg/Liter 21,06 MJ/Liter 5,86 kWh/Liter

Benzin 0,75 kg/Liter 32,48 MJ/Liter 9,03 kWh/Liter

Diesel/Heizöl 0,84 kg/Liter 35,87 MJ/Liter 9,97 kWh/Liter

Biodiesel 0,88 kg/Liter 32,65 MJ/Liter 9,08 kWh/Liter

Für die Herstellung von einem Liter reinem Biodiesel benötigt man ca. 2,65 kg Weizen, 2,75 kg Roggen oder 9,0 kg Zuckerrüben. Dies entspricht ca. 3,6 m² Weizen-, 5,6 m² Roggen- oder 1,5 m² Zuckerrübenanbauflä-che. Die hierdurch entstehende Anbauflä-chekonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion ist daher, wie im Einführungstext erwähnt,

ethisch umstritten. Dieser Aspekt wird in der Zusatzinformation „Biokraftstoffe: Tank oder Teller“ vertiefend behandelt. 3

1 Quelle: Wikpedia 2 Quelle: blog.kaminethanol.com/bioethanol-in-zahlen 3 Quelle: blog.kaminethanol.com/bioethanol-in-zahlen

41


Abbildung 4: Herstellung von Ligno cellulose-Ethanol in der Übersicht.

B: Biokraftstoffe der 2. GenerationBioerdgas (Biomethan) wird durch Vergärung von Biomasse (Abfallstoffe) gewonnen. Hier-bei handelt es sich um brennbares Faulgasge-misch (~ 75 % Methan, Rest: CO2, N2, NH2, ...).

Im Folgenden wird exemplarisch erklärt, wie aus cellulosehaltigem Pflanzenmaterial Alkohol (Lignocellulose-Ethanol) hergestellt werden kann. Lignocellulose-Ethanol ist iden-tisch mit dem Kraftstoff Bioethanol, nur die Herstellung erfolgt aus Cellulose (Holz, Pa-pier, Pappe). Pflanzliche Zellen sind, anders als tierische, von einer Zellwand umgeben. Diese verleiht den Zellen die nötige Stabilität, sodass Bäume hundert Meter in die Höhe wachsen können und dient dem Schutz gegen Pilze und Bakterien. Cellulose, ein Kohlenhy-drat und Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand, ist das weltweit häufigste Biopo-lymer und besteht aus bis zu zehntausend Glukosebausteinen (Einfachzucker). Dieses energiereiche Biopolymer kann der mensch-liche Körper (anders als Wiederkäuer) nicht abbauen und zur Energiegewinnung nutzen. Der zweithäufigste Bestandteil der pflanz-

lichen Zellwand ist die Hemicellulose. He-micellulose ist kein chemisch fest definiertes Molekül, sondern eine Gruppe von Vielfach-zuckern, die aus verschiedenen Zuckerbau-steinen bestehen. Hemicellulose verbindet Cellulose mit Lignin („Holzstoff“), das eine Art Schutzmantel um Cellulosestränge bildet und dem Pflanzengewebe Druckfestigkeit verleiht. Um aus diesen Stoffen Energie zu gewinnen, müssen zunächst die beiden Zu-ckerbausteine aufgespalten werden (Verzu-ckerung). Dazu werden spezielle biologische Scheren (Enzyme) benötigt, die sogenannten Cellulasen. Die derzeit verfügbaren Cellu-lasen sind jedoch sehr teuer, weshalb die Produktion von Biokraftstoffen aus Cellulose nicht wirtschaftlich ist. Man muss viel mehr Geld in die cellulosespaltenden Enzyme stecken, als man mit dem Verkauf des Bio-kraftstoffs wieder verdienen kann. Der letzte Schritt auf dem Weg zum Lignocellulose-Et-hanol ist die alkoholische Gärung der einzel-nen Zuckerbausteine durch Bäckerhefe, also der Abbau von Zucker zu Alkohol, der wie bei der Bioethanolherstellung verläuft.

42


Die Produktion und Ernte der nutzbaren Biomasse-Rohstoffe ist zur Herstellung von Biokraftstoffen der 2. Generation nicht nur ein- oder zweimal im Jahr möglich, wie bei bisher angebauten Energiepflanzen für die Biokraftstoffe der 1. Generation (z. B. Raps, Roggen, Weizen, Ölpalme, Mais, etc.) son-dern ist theoretisch über das gesamte Jahr verteilt und kontinuierlich denkbar.

Biodiesel kann auch aus Algen hergestellt werden (siehe Abbildung 5). Die Anzucht von Algen hat viele Vorteile gegenüber dem Anbau höherer Pflanzen (Getreide, Raps, Zuckerrüben, ...). Hierzu zählen ein höherer Ertrag pro Fläche, ein verminderterer Was-serbedarf und die Möglichkeit, Algen auf landwirtschaftlich nicht nutzbarer Fläche (in Reaktoren) zu züchten. Außerdem wachsen Algen schnell und lassen sich relativ unprob-lematisch züchten und im Vergleich zu Raps könnte man mit Algenkulturen mehr als das Zehnfache an Öl erzeugen.

Die durch Photosynthese eingefangene Sonnenlichtenergie wird in Algen in Form von Zuckern und Ölen gespeichert. Aus diesen Ölen kann durch chemische Prozesse ein Kraftstoff gewonnen werden, dessen Eigen-schaften mit Dieselkraftstoff vergleichbar sind. Die restliche Biomasse kann zu Biogas vergoren werden (siehe Abbildung 5).

Für eine optimale Vermehrung und Ölpro-duktion der Algen müssen diese günstige Bedingungen haben. Hierfür werden Süß- oder Salzwasser-Mikroalgen in Bioreaktoren, die sich nauch nach dem Stand der Sonne ausrichten können, gezüchtet.

Derzeit wären Bioreaktoren auf einer Fläche Portugals notwendig, um alle Treibstoffe in Europa durch Biodiesel aus Algen zu erset-zen. Diese riesige Anlage müsste ständig betreut und gewartet werden, was heute noch zu teuer wäre.

Abbildung 5: Herstellung von Biodiesel mit Hilfe von Algen. Die aus den Algen gewonnenen Öle werden anschlie-ßend mit Methanol in einer chemischen Reaktion zu Biodiesel und Glycerin umgesetzt. Diese Umsetzung ent-spricht den Prozessen bei der konventionellen Biodieselherstellung (siehe Abbildungen 1 und 2)

43

Zusatzinformation für Flinke: Biokraftstoffe: Tank oder Teller

Wie du im Infotext „Bioenergie: Energie aus Biomasse“ erfahren hast, werden seit einigen Jahrzehnten Pflanzen speziell zur Herstellung von Biotreibstoffen kultiviert. Da die Erdölvorräte endlich sind, können Bio-kraftstoffe helfen, unabhängiger vom Erdöl zu werden, ohne dass größere Risiken für Mensch und Umwelt eingegangen werden müssen. Beispielsweise ist es Brasilien nach den Ölpreiskrisen in den 1970‘er Jahren gelungen, über die Förderung von Bioethanol aus Zuckerrohr vollständig unabhängig von Rohölimporten zu werden.

Die wichtigsten Pflanzen sind Mais, Soja und verschiedene Getreidearten. Aus diesen Pflanzen werden aber auch zahlreiche ande-re Nahrungsmittel hergstellt. In Deutschland wird bisher nur aus einem sehr kleinen Teil (3,5 %) des angebauten Getreides Biokraft-stoff hergestellt, während der überwiegende Teil (60 %) als Futter für Tiere angebaut wird. Bei uns ist es somit unwahrscheinlich, das Nahrungsmittel durch die Herstellung von Biotreibstoff knapp werden. Deutschland importiert jedoch Biotreibstoff aus anderen Ländern, die ebenfalls verstärkt diese Treib-stoffe nutzen wollen. Dies führt in Indonesien und Malaysia zur Brandrodung von Waldflä-chen, um Anbauflächen für Ölpalmen zu ge-winnen. Die Regenwälder sind aber wichtig für unser Klima. In ihnen sind große Mengen Kohlenstoffdioxid (CO2) gespeichert, das durch Brandrodung in die Luft gelangt und so den Treibhauseffekt und den Klimawan-del verstärkt. Nicht zu vergessen ist, dass der Regenwald für Ureinwohner und viele Tier- und Pflanzenarten die Lebensgrundlage bildet, die dadurch zerstört wird.

Folgende Aussagen sollen einen Eindruck über die bestehende Problematik vermitteln:

„Für einen Tankfüllung Bio-Ethanol wird so viel Getreide benötigt (240 kg Mais ist gleich 100 l Ethanol), dass ein Mensch ein ganzes Jahr davon leben könnte.“ (Quelle: www.agrarkoordination.de/fileadmin/dateiupload/PDF-Dateien/Agrarkraftstoffe.pdf, Seite 14)

„In den USA wird Bioethanol überwiegend aus Mais hergestellt. Mexiko importiert einen Großteil des benötigten Mais‘ aus den USA. In Mexiko löste ein sprunghafter Anstieg der Bioethanol-Produktion Anfang 2007 die sogenannte „Tortilla-Krise“ aus, da der Mais knapp und damit immer teurer wurde. Tor-tillas (Fladenbrot) sind ein Grundnahrungs-mittel in Mexiko und werden aus Maismehl hergestellt.“ (Quelle: www.sonnenseite.com)

Biokraftstoffe der 2. Generation werden nicht aus Nahrungsmitteln sondern aus Pflanzen-resten oder schnell wachsenden Gräsern beziehungsweise Hölzern gewonnen. Die hierfür notwendigen Pflanzen haben den entscheidenden Vorteil, dass sie in Gebieten angebaut werden können, die nicht für die Nahrungsmittelerzeugung genutzt werden können. Bei diesen Technologien besteht jedoch noch erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf, damit Biokraftstoffe der 2. Generation wirtschaftlich rentabel herge-stellt werden können.

44

1. Arbeitsblatt zum Infotext Bioenergie: Energie aus Biomasse

1. Beschreibe die im Diagramm 1 dargestellten Zusammenhänge zwischen Photosynthese und Zellatmung.

2. Gib drei Beispiele für energiereiche Lebensmittel an.

3. Deinem Auto mit „Spezialverbrennungsmotor“ geht an einer verlassenen Landstraße der Kraftstoff aus. Glücklicherweise findest du im Kofferraum verschiedene Nahrungsmittel, die in diesem speziellen Motor verbrannt werden können. Begründe anhand der Nährwertanga-ben mit welchem Nahrungsmittel du die längste Strecke zurücklegen könntest.

Nahrungsmittel Nährwertangaben in Kilojoule pro 100 g

Olivenöl 3403

Weissbrot 1089

Schokolade 2357

Vollmilch 268

4. Ergänze das folgende Fließdiagramm:

Biomasse=

Biokraftstoffe

=

2. Generation

=

1. Generation

=

45

2. Arbeitsblatt zum Infotext Biokraftstoffe Klasse 7/8

1. Gib in deinen eigenen Worten die Herstellung von Biodiesel wieder.

2. Erkläre die Herstellung Bioethanol.

3. Erkläre die Bedeutung der Zuckerrüben für die Bioethanolgewinnung.

4. Erkläre die wesentlichen Unterschiede der Lignocellulose-Ethanol-Herstellung zur konventionellen Bioethanolproduktion.

46

3. Arbeitsblatt zum Infotext Biokraftstoffe Klasse 9/10

1. Gib in deinen eigenen Worten die Herstellung von Biodiesel wieder. Gehe hierbei auch auf die ablaufenden chemischen Prozesse ein.

2. Erkläre die Herstellung von Bioethanol.

3. Die im Getreide enthaltene Stärke wird durch Enzyme (Amylasen, ...) zu Einzelzuckern gespalten. Überlege, wie der Verlauf dieser Spaltung im Labor nachgewiesen werden kann.


5. Auch Biodiesel könnte in Zukunft alternativ hergestellt werden. Gib die Vorteile einer Pro-duktion von Biodiesel aus Algen wieder. Überlege dir auch Nachteile dieses Verfahrens.

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Arbeitsblätter – Wasserkraft

Aufbau der Wasserkraftanlage

1. SchrittBefestige den langen Schlauch an dem Kanister, falls dies noch nicht der Fall ist. Ventil an das andere Ende des Schlauches schließen! Fülle den Kanister mit Wasser.

2. SchrittBefestige den kurzen Schlauch an der Turbine. Achte da-rauf, dass er an dem Ende befestigt wird, auf das der Pfeil zeigt (Wasserauslauf). Auf der Zulaufseite sollte eine kurzes Schlauchstück sein.

3. SchrittLasse den kurzen Schlauch in einen leeren Kanister hängen. Das Auslassventil dieses Kanis-ters muss geschlossen sein.

4. SchrittBefestige an dem anderen Ende der Turbine den Schlauch mit dem Ventil.

5. SchrittHänge den mit Wasser gefüllten Kanister mit Hilfe des Hakens auf. Miss den Höhenunter-schied h zwischen Kanister und Turbine.

1 2

3 4 5

48

Arbeitsblätter – Wasserkraft 1

1. Versuch: Wasserkraftwerk mit Radio

Teil a) Wasserkraftwerk mit RadioSchließe das Radio an den Generator der Turbine an. Ziehe die Antenne heraus und stelle falls notwendig einen Sender ein.

Drehe das Ventil auf, damit Wasser durch die Turbine laufen kann. Miss den Höhenunter-schied zwischen Kanister und Generator.

(Möglicherweise muss der eingestellte Sender optimiert werden!)

Teil b) Radio – mit veränderter WasserhöheSchließe das Radio an den Generator der Turbine an. Ziehe die Antenne heraus und stelle falls notwendig einen Sender ein.

Drehe das Ventil auf, damit Wasser durch die Turbine laufen kann.

Biem Fließen des Wassers soll die Höhe des Kanisters so weit verringert werden, bis man gerade keinen Ton mehr hört. Miss den neuen Höhenunterschied zwischen Kanister und Ge-nerator.

(Möglicherweise muss der eingestellte Sender optimiert werden!)

Fließrich-tung des Wassers

49


Auswertung

Aufgabe 1: Führe den Versuch durch und notiere deine Beobachtung und erkläre sie.

Beobachtung

Erklärung

Aufgabe 2: Fülle die Energieumwandlungskette aus.

Energieformen

kinetische Energie

potentielle Energie

elektrische Energie

Schallwellen

Rotationsenergie

Höhenunterschied in m; h =

Wassermenge in kg; m =

In Wasser gespeicherte Energie E ≈ 10 · m · h = J

Energiewandler

Turbine

Rohrleitung

Generator

Radio

50


2. Versuch: Wasserkraftwerk mit LED

Teil a) Wasserkraftwerk mit LEDSchließe das rote LED-Lämpchen an den Generator der Turbine an. Drehe das Ventil auf, damit Wasser durch die Turbine laufen kann. Miss den Höhenunterschied zwischen Kanister und Generator.

Teil b) LED – mit veränderter Wasserhöhe

Drehe das Ventil ab und schließe weiße LED-Lämpchen an den Generator der Turbine. Ver-ändere die Höhe des Kanisters und beobachte dabei die Helligkeit der LED.

Miss den neuen Höhenunterschied zwischen Kanister und Generator so, dass die LED gerade nicht mehr leuchtet.

Fließrichtung des Wassers

51


Auswertung


Beobachtung

Erklärung


Energieformen

kinetische Energie

potentielle Energie

elektrische Energie

Licht

Rotationsenergie

Höhenunterschied in m; h =

Wassermenge in kg; m =

In Wasser gespeicherte Energie E ≈ 10 · m · h = J

Energiewandler

Turbine

Rohrleitung

Generator

LED

52


3. Versuch: Messbox – Leistungsmessung

Nimm die Messbox aus dem Tableau der Brennstoffzelle und verbinde sie entspre-chend dem Bild mit dem Generator.

Bei gefülltem Kanister werden Stromstärke und Spannung bei Belastung gemessen.

Die Belastung wird durch die Wahl unter-schiedlicher Widerstandswerte verändert.

Mit Hilfe des Potentiometermoduls aus dem Tableau „Wind“ oder „Photovoltaik“ besteht die Möglichkeit einen noch größeren Wider-standsbereich zu nutzen.

Widerstand in Ω 5 10 50 100 200 offen

I in mA

U in V

P = U * I in mW

Widerstand in Ω

0 5 10 50 100 200 offen

Leis

tung

in m

W

0

30

60

90

120

150

180

53


Vergleich: Modell – Pumpspeicherkraftwerk

54

Wasserkraft Power Box Einsatz

Schläuche ~2,5 m mit Ventil, Schlauch 0,5 m, Seil mit Rolle und Karabiner, zwei Kabel, Schlauch ~1 m für Wasserhahn.

Metermaß

Turbine mit Generator LED-Modul Radio

55

Thermalenergie Power Box Einsatz

Formblech Potentiome-ter mit Kabel

Parabol-spiegel

Pumpe Kolben-prober

3 Thermo-meter und 4 Schläuche

Luftab-scheider

Wärmetau-scher mit Isolierung

Netzgerät mit Ein-stellstift

Messbecher

Kollektor

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Arbeitsblätter – Thermalenergie 1a

Versuchsanleitung: Warmes Wasser mit dem Kollektor

1. Schritt: WarmwasserspeicherNimm den Deckel mit der Wärmetau-scher-Spirale heraus und fülle den Behälter bis zur Markierung mit Wasser (350 ml). Setze den Wärmetauscher wieder ein.

2. Schritt: UmwälzpumpeBefestige die Pumpe am Blech (Magnet) und entferne die roten Schutzkappen von der Pumpe. Pumpenspannung 9 V.

3. Schritt: KollektorNimm eines der Thermometer und führe es durch den Silikonstopfen in den Sonnenkol-lektor ein.

Wichtig: 1) Die Skala des Thermometers (20°C) soll

außerhalb sichtbar sein.

2) Der Vorratsbehälter (Fühler) des Thermo-meters darf nicht die Metallspiralen berüh-ren.

4. Schritt: Luftabscheider / MesskammerFühre das 2. Thermometer in den Silikon-stopfen des Luftabscheiders ein und fixiere es mit dem roten Dreieck.

Wichtig: 1) Das Thermometer darf den Boden nicht

berühren.

2) Der Stopfen muss fest im Gefäß sitzen.

3) Das Gefäß muss während des Versuchs immer ausreichend mit Wasser gefüllt sein, notfalls mit dem Kolbenprober nachfüllen.

Füllstand ohne Wärmetauschereinsatz

180 ml

57

Arbeitsblätter – Thermalenergie 1b

5. Schritt: WärmetauscherDas letzte Thermometer mit dem Silikonstop-fen in den Wärmetauscher einsetzen.

Wichtig: Das Thermometer darf weder den Boden, noch die Metallspirale berühren.

6. Schritt: SchläucheVerbinde Kollektor, Luftabscheider und Wärmetauscherspirale mit den Schläuchen. Der dritte Schlauch wird am freien Ende des Kollektors angeschlossen

Wichtig: Die Pumpe wird noch nicht verbunden.

7. Schritt:Fülle Wasser in das Becherglas und sauge etwa 100 ml in den Kolbenprober.

8. Schritt: Wasser einfüllenStelle das Becherglas unter den offenen Anschluss des Wärmetauschers. Verbinde den Kolbenprober mit dem Schlauch am Kol-lektor 1 und fülle den Zirkulationskreislauf.

Schläuche

1

58

Arbeitsblätter – Thermalenergie 1c

Wichtig: Fülle so lange Wasser in den Kreislauf, bis das Wasser am offenen Ende des Wär-metauschers weitgehend blasenfrei ausläuft.

9. Schritt:Nun den Schlauch vom Kol-benprober abziehen und mit dem linken Anschluss der Pumpe verbinden. Mit dem letzten Schlauch den rechten Pumpenanschluss mit dem Wärmetauscher verbinden.

10. Schritt:Die Pumpe mit dem Gleich-spannungsnetzteil (U = 9 V) verbinden. Auf die richtige Polung an der Pumpe ach-ten! Die Pumpe soll nun die rest-liche Luft aus dem Kreislauf in den Luftabscheider pum-pen. Dabei soll dort der Was-serstand nicht unter die Schlauchanschlüsse fallen – Wasser nachfüllen.

Das Vorratsgefäß (mit Wär-metauscher) in den Isolier-behälter stellen.

Die Lampe sollte 10 cm bis 15 cm vom Kollektor entfernt aufgestellt werden und ihn gleichmäßig ausleuchten.

59

Arbeitsblätter – Thermalenergie 1

Durchführung der Messung:

• Uhr bereit halten, Messzeit ~ 30 Minuten• Lampe einschalten (Kollektor gleichmäßig

beleuchten, > = 20 cm)• Temperaturen ablesen,

Zeitmessung starten• Pumpe bei 9 V laufen lassen.

Alternative mit Pumpenregelung: Potentiometer in den Stromkreis der

Pumpe einbauen. Nach dem Anlaufen der Pumpe die Spannung der Pumpe mit dem Steuermodul (Spannungsregler) redu-zieren, dabei auf das Pumpengeräusch achten.

• Temperaturen alle zwei Minuten erfassen, in die Tabelle und in das Diagramm (drei Farben) eintragen

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Zeit t in Min.

Tem

pera

tur i

n °C

60

Arbeitsblätter – Thermalenergie 1d

Kollektoranlage wieder abbauen!

Den Kolbenprober mit Luft füllen und anschließend, wie in den Bildern dargestellt, mit dem Kollektor und danach dem Wärmetauscher verbinden. Den Kolben in den Zylinder eindrücken, so dass das Wasser in das Becherglas fließt. Pumpe und Luftabscheider ausschütteln. Der Deckel des Kollektors kann abgenommen wer-den, um ausgelaufenes Wasser zu entfernen.

Kollektoranlage mit Pumpensteuerung!

Zusatzexperiment:In einem zusätzlichen Ex-periment kann die Energie-übertragung in Abhängigkeit von der Pumpenleistung untersucht werden. Hierzu wird das Netzteil auf die Spannung von 12 V Ein-gestellt. Zur Regelung der Durchfluss rate dient ein Po-tentiometer, der in Reihe zur Pumpe geschaltet wird. Der Regelbereich umfasst das Intervall von ca 8 V bis 12 V. (Ab 7,5 V ist das Ver-halten der Pumpe kritisch!)

Die Lampe sollte 10 cm bis 15 cm entfernt vom Kollektor aufgestellt werden und ihn gleichmä-ßig ausleuchten.

61

Arbeitsblätter – Thermalenergie 2a

Energiefluss:

Trage in die richtigen leeren Kästchen die folgenden Begriffe ein:

• Wärmeenergie im Wasserkreislauf• Sonnenenergie

• Wärmeenergie im Kollektor• Wärmeenergie im Nutzwasser

Vergleich: Experiment - Realität

Trage in die richtigen leeren Kästchen die folgenden Begriffe ein :

• Pumpe• Sonnenkollektor• Wärmetauscher/Warmwasserspeicher

• Lampe /Sonne• Pumpensteuerung• Temperaturmesskammer/Luftabscheider

62

Arbeitsblätter – Thermalenergie 2b

Vergleich: Experiment – Realität

Trage folgende Begriffe in die richtigen leeren Kästchen ein:

• Flachkollektor,• Steuerung und Pumpe des Kollektorkreis-

laufes• Heizkessel als Zusatzheizung für Tage mit

wenig direkter Sonneneinstrahlung

• Wasserspeicher mit Wärmetauscher• Druckregelung• Überlauf des Kollektorkreislaufes• Rohrleitungen zum Kollektor

63


Absorption von Strahlung – weiß – schwarz

Durchführung:1. Miss die Anfangstemperatur bei beiden Thermometern.

Halte die beiden Flächen (weiß und schwarz) nebeneinander in die Sonne.

2. Lies die Temperaturen nach 2, 4 und 8 Minuten ab.

Zeit in Min 0 2 4 8

Temperatur weiß, °C

Temperatur schwarz, °C

Formuliere ein Ergebnis und eine Merkregel!

64


Energie sammeln mit Parabolspiegeln

Durchführung:1. Klappe den Arm auf und fülle die Öffnung mit einem zusammengerollten Stück Papier.

2. Richte den Parabolspiegel zur Sonne aus.

Achtung!!! Verbrennungsgefahr!!

a) Beobachtung:

b) Formuliere ein Ergebnis!

c) Kennst Du andere Anwendungen von Parabolspiegeln? Was wird dort gebündelt?

65


66

Arbeitsblätter – Brennstoffzelle 1

1. Reversible Brennstoffzelle – Brennstoffzellenauto mit Handgenerator

Was brauche Ich?Für diesen Versuch benötigst du: 1 Einen Handgenerator

2 destilliertes Wasser

3 Reversible Brennstoffzelle mit einem Wassertank

4 ein Versuchsauto mit Motor

Was muss ich machen? Du befüllst beide Hälften des Wassertanks bis zum Rand des kleinen Röhrchens mit destilliertem Wasser. Es sollte nun so aussehen wie links auf dem Bild. Anschließend verschließt du den Wassertank mit den weißen Deckeln.

Verwende ausschließlich destilliertes Wasser! Andernfalls wird die Brennstoffzelle zerstört! Es darf keine Luft in den Speicherzylindern sein!

Nun drehst du die Zelle um.

• Schutzbrille tragen,• keine offenen Flammen,• Rauchverbot!• für ausreichende Belüftung sorgen Dann verkabelst du den Handgenerator mit der Brennstoffzel-le. Dazu benutzt du das rote und das schwarze Kabel. Die Farbe des Kabels muss zu seiner Anschlussstelle pas-sen! Drehe nun die Kurbel des Handgenerators etwa eine halbe Minute! Schau dir die beiden Wassertanks genau an. Drehe nun die Kurbel des Handgenerators weiter und notiere alle zwei Minuten die Gasmenge in beiden Zylindern! Arbeite so weiter, bis einer der Zylinder mit etwas mehr als 12 ml Gas gefüllt ist. Ziehe die Kabel von der Zelle ab.

1

2

3

4

67


Messwerte Elektrolyse:Ergänze die Tabelle, falls nötig!

Zeit in minGasvolumen an der Kathode (schwarz) [ml]

Gasvolumen an der Anode (rot) [ml]

0

1

2

3

In welchem Mengenverhältnis stehen die beiden Gase zueinander?

Information 1: Wasserstoff herstellen:Wasserstoff lässt sich am einfachsten aus dem Wasser (H2O) gewinnen. Man spaltet das Wasser in seine Bestandteile auf: Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Dazu muss elektrische Energie aufgewendet werden.

Bewegungsenergie elektrische Energie + Wasser Wasserstoff + Sauerstoff

Information 2a: Vergleich herkömmliches Auto – WasserstoffautoZunächst wollen wir uns den Antrieb der Gegenwart betrachten: Herkömmliches Auto: Hier nutzen wir Benzin oder Diesel als Energiequelle.

Chemische Energie Wärmeenergie Bewegungsenergie (Benzin/Diesel) (Abgase als Abfallprodukt – Schadstoffe)

Generator

Motor

Elektrolyseur

Kolben

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Information 2b: Wasserstoff – Antrieb der ZukunftNun betrachten wir das Auto der Zukunft – Die erste Serienproduktion eines Brennstoffzellen-autos beginnt 2015.

Was macht die Brennstoffzelle beim Fahren des Autos:

Chemische Energie elektrische Energie Bewegungsenergie (Wasserstoff + Sauerstoff) (Wasser als Abfallprodukt)

Bei der anschließenden Autofahrt die Werte Fahrzeit und Durchmesser messen!

Auswertung:Fahrzeit tF = in Sekunden

Durchmesser d = in Meter;

Kreis: U = m (Umfang = Durchmesser * 3,14)

Rundenanzahl a =

Fahrstrecke: s = U * a = m

Geschwindigkeit = s : tF : m/s

Geschwindigkeit = * 3,6 = km/h

Zeit zum Erzeugen des Wasserstoffs: tH = in Sekunden

Effizienz = Verhältnis aus Fahrstrecke s und Zeit tH .

E = .

Brennstoffzelle Elektromotor

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Wasserstoff als Energieträger

Jetzt stellst du die Brennstoffzelle mit dem Gasspeicher auf das Versuchsauto. Achte darauf, dass sie richtig in der Verankerung verhakt ist!

Die Räder in der Kurvenstellung einrasten. Nimm die Stoppuhr aus dem Einsatz. Stelle das Auto auf eine große Fläche mit ausrei-chend Platz.

Stecke die Kabel in die farblich passenden Buchsen.

Starte gleichzeitig die Stoppuhr und miss die Dauer der Autofahrt.

Bestimme den Radius der Kreisfahrt und die Anzahl der gefahrenen Runden

Achtung: Nach der Benutzung der Brennstoffzelle muss sie entleert und zum Trocknen offen abgestellt werden.

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2. Reversible Brennstoffzelle – Brennstoffzellenauto mit Solarzellen

Material:Für diesen Versuch benö-tigst du: 1 ein Solarmodul

2 destilliertes Wasser

3 Reversible Brennstoffzelle mit einen Wassertank

4 2 Kabel

5 ein Versuchsauto mit Elektromotor

6. Lampe

Du befüllst beide Hälften des Wassertanks bis zum Rand des kleinen Röhrchens mit destilliertem Wasser. Es sollte nun so aussehen wie links auf dem Bild. Anschließend verschließt du den Wassertank mit den weißen Deckeln.

Verwende ausschließlich destilliertes Wasser! Andern-falls wird die Brennstoffzelle zerstört! Es darf keine Luft in den Speicherzylindern sein!

Nun drehst du die Zelle um.

• Schutzbrille tragen!• Keine offenen Flammen!• Rauchverbot!• Für ausreichende Belüftung sorgen! Dann verkabelst du das Solarmodul mit der Brennstoffzelle. Dazu benutzt du das rote und das schwarze Kabel. Die Farbe des Kabels muss zu seiner Anschlussstelle passen! Drehe nun die Solarzelle in Richtung Lichtquelle, bei gutem Wetter in die Sonne oder sonst zu der Lampe hin mit 10 cm Abstand. Schau dir die beiden Wassertanks genau an. Notiere alle zwei Minuten die Gasmenge in beiden Zylindern! Arbeite so weiter, bis einer der Zylinder mit etwas mehr als 12 ml Gas gefüllt ist. Schalte die Lampe aus und entferne die Kabel.

3

12

5 4

71





0

2

4

6


Information 1: Wasserstoff herstellen:Wasserstoff lässt sich am einfachsten aus dem Wasser (H2O) gewinnen. Man spaltet das Wasser in seine Bestandteile auf: Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Dazu muss elektrische Energie aufgewendet werden.

Bewegungsenergie elektrische Energie + Wasser Wasserstoff + Sauerstoff

Information 2a: Vergleich herkömmliches Auto – WasserstoffautoZunächst wollen wir uns den Antrieb der Gegenwart betrachten: Herkömmliches Auto: Hier nutzen wir Benzin oder Diesel als Energiequelle.

Chemische Energie Wärmeenergie Bewegungsenergie (Benzin/Diesel) (Abgase als Abfallprodukt – Schadstoffe)

Generator

Motor

Elektrolyseur

Kolben

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Information 2b: Wasserstoff – Antrieb der ZukunftNun betrachten wir das Auto der Zukunft – Die erste Serienproduktion eines Brennstoffzellen-autos beginnt 2015.

Was macht die Brennstoffzelle beim Fahren des Autos:

Chemische Energie elektrische Energie Bewegungsenergie (Wasserstoff + Sauerstoff) (Wasser als Abfallprodukt)

Bei der anschließenden Autofahrt die Werte Fahrzeit und Durchmesser messen!

Auswertung:Fahrzeit tF = in Sekunden

Durchmesser d = in Meter;

Kreis: U = m (Umfang = Durchmesser * 3,14)

Rundenanzahl a =

Fahrstrecke: s = U * a = m

Geschwindigkeit = s : tF : m/s

Geschwindigkeit = * 3,6 = km/h

Zeit zum Erzeugen des Wasserstoffs: tH = in Sekunden


E = .

Brennstoffzelle Elektromotor

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Wasserstoff als Energieträger

Jetzt stellst du die Brennstoffzelle mit dem Gasspeicher auf das Versuchsauto. Achte darauf, dass sie richtig in der Verankerung verhakt ist!

Die Räder in der Kurvenstellung einrasten.

Nimm die Stoppuhr aus dem Einsatz.

Stelle das Auto auf eine große Fläche mit ausreichend Platz.

Stecke die Kabel in die farblich passenden Buchsen.

Starte gleichzeitig die Stoppuhr und miss die Dauer der Autofahrt.

Bestimme den Radius der Kreisfahrt und die Anzahl der gefahrenen Runden

Achtung:Nach der Benutzung der Brennstoffzelle muss sie entleert und zur Trocknen offen abgestellt werden.

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Brennstoffzelle Power Box Einsatz

Lampe für Thermalenergie und Brennstoffzelle

Messbox mit Potentiometer-modul, Motor, Lampe und Messgeräten

Solarzelle Destilliertes Wasser

Kurbel-generator

reversible Brennstoff-zelle

Rollmeter und 6 Kabel Auto mit Elektromotor

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Arbeitsblätter – Brennstoffzelle

Zusätzliche Experimente, die mit den Inhalten der Power Box durchführbar sind.

Heliocentris: Dr FuelCell Model Car• Model Car vorführen• Solarmodul richtig ausrichten• Einfache Elektrolyse• Elektrolyse verstehen• Wasserstoff-Energie• Wasserstoff-Energie in Bewegung• Wirkungsgrad

• Was ist ein Hybrid? Anleitungen und Lehrerhandreichungen fin-den Sie in dem beiliegenden Ordner und auf der darin enthaltenen CD. (~60 Seiten Bedienungsanleitung und ~184 Seiten Experimente.)

Bezugsmöglichkeiten

Material Firma www.

Windenergie leXsolar lexsolar.de

Photovoltaik leXsolar lexsolar.de

Kollektor NTL ntl.at

Brennstoffzelle, Lampe conatex (Heliocentris) conatex.com

Wasserkraft (Turbine/Generator) lemosolar lemo-solar.de

Ventile, Schlauchanschlüsse Bürkle buerkle.de

Schläuche Fritsch onlineverbinder.de

Kanister campingshop-24.de

Radio Sony ICF S10MK2

Netzteile u. a. Völkner voelkner.de

Potentiometer Lüdeke Elektronik luedeke-elektronik.de

Vielfachmessgeräte, Kabel Reichelt reichelt.de

Koffer designer workshop designerworkshop.net

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Lösungen der Arbeitsblätter – Wind 1


(Leistungsvergleich von Zwei-, Drei-, und Vierblattrotoren)

Welcher Zusammenhang lässt sich zwischen der Anzahl von Rotorblättern und der erbrachten Leistung vermuten? Begründe kurz!

Die Leistung nimmt mit zunehmender Rotorblattzahl zu. Mit jedem zusätzlichen Blatt steigt auch die Kraftwirkung des Windes auf den Rotor.

Messungkonstanter Widerstand (33 Ohm) konstante Geschwindigkeit (Generatorspannung 12 V)

Zweiblattrotor Dreiblattrotor Vierblattrotor

U in V 2,18 2,78 2,97

I in mA 2,78 70,5 75,4

P = U · I in mW 136,7 194,6 223,9

AuswertungWelche Anzahl von Rotorblättern erzeugt die größte Leistung?

Die Leistung ist bei vier Blättern am Größten.

Du siehst fast immer nur Dreiblattrotoren! Woran könnte das liegen?

Der Leistungsunterschied eines Dreiblatt-Rotors zu einen Vierblatt-Rotor ist nur halb so groß, wie der zu einem Zweiblatt-Rotor. Die zusätzlichen Herstellungs- und Montagekosten für das vierte Blatt amortisieren sich nicht.

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Durchführung1. Stecke den Dreiblattrotor (25°) mit dem optimierten Profil auf den Windgenerator und be-

festige anschließend den Generator auf der Grundplatte. Der Abstand Windgenerator und Winderzeuger soll 20 cm betragen. Füge deshalb die Abstandsplatte ein. Winderzeuger-spannung: 12 V, kurz warten, bis der Winderzeuger richtig läuft. Miss die Spannung, die der Generator liefert. (Messbereich 20 V)

2. Wiederhole diese Messung mit dem Dreiblattrotor ohne Profil. Dabei den Windgenerator anziehen!

Messwerte U opt = 4,9 V

U ohne = 1,68 V

Auswertung1. Mit welchem Profil kann eine höhere Spannung erzeugt werden?

2. Welchen Einfluss könnte die Flügelform auf die erzeugte Leistung der Windkraftanlage haben?

3. Gibt es neben der Verwendung von profilierten Flügeln noch weitere Möglichkeiten die Energieausbeute zu erhöhen?

Zu 1: Die Rotorblätter mit dem optimierten Profil erzeugen die höhere Spannung und damit auch die höhere Leistung.

Zu 2: Die Rotorblätter ohne Profil haben einen höheren Widerstand, erreichen eine kleinere Drehzahl und damit eine kleinere Leistung (Spannung).

Zu 3: Rotor in den Wind drehen, Anstellwinkel der Rotorblätter der Windgeschwindigkeit an-passen. ...

78



(Vergleich von Dreiblattrotoren in Abhängigkeit vom Anstellwinkel)

Durchführung1. Baue einen Rotor mit 3 Flügeln und einem Anstellwinkel der Blätter von a = 20° auf und

stecke ihn auf den Windgenerator. Der Abstand zwischen Windgenerator und Winderzeuger beträgt 20 cm.

2. Schalte un den Winderzeuger ein und miss die Spannung am Windgenerator.

3. Wiederhole diese Messung mit a = 25°; 30°; 50° und 90° und trage die Ergebnisse in die Tabelle ein.

Anstellwinkel 20° 25° 30° 50° 90°

U in V 4,66 4,90 4,2 1,63 0,38

Auswertung1. Welcher Anstellwinkel erzeugt die größte Spannung?

Bei 25° wird die größte Spannung (Leistung) erzeugt.

2. Stelle dein Ergebnis in einem Diagramm dar.

79




Durchführung1. Stelle den Windgenerator (Dreiblattrotor mit 25°) und Wìnderzeuger in einem Abstand von

20 cm auf.

2. Schließe das PowerModule an und stelle die erste angegebene Spannung am Winderzeu-ger ein. Läuft der Windgenerator noch nicht an, so gib dem Rotor einen kleinen Impuls. Tut sich immer noch nichts, so erhöhe die Spannung und verfahre wie vorher. Ermittle die zugehörige Windgeschwindigkeit v anhand des Diagramms bzw. der Tabelle auf Seite 17.

3. Warte nach jeder Erhöhung der Winderzeugerspannung kurz, bevor du im Generatorstrom-kreis die Spannung und die Stromstärke an den Messgeräten abliest.

Messwerte

Span-nung am Winder-zeuger 4 5 6 7 7,5 8 8,5 9 10 11 12

v in m/s 2,0 2,8 3,5 4,3 4,6 4,9 5,3 5,6 6,1 6,6 7,1

U in V 0 0 0 1,25 1,55 1,83 2,05 2,22 2,50 2,79 2,99

l in mA 0 0 0 31,7 40,9 48,1 53,0 57,0 64,5 71,5 77,8

P = U · I in mW

0 0 0 39,6 63,4 88,1 108,7 126,5 161,3 199,5 232,6

Auswertung

1. Bei welcher Windgeschwindigkeit läuft der Rotor an?

Bei 4,3 m/s = 15,5 km/h

2. Bei welcher WiIndgeschwindigkeit liegt die höchste Leistung?

Bei 7,1 m/s = 25,6 km/h, größere Windgeschwindigkeiten konnten nicht erzeugt werden.

3. Trage deine Ergebnisse in ein Diagramm ein und bewerte es.

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Lösungen der Arbeitsblätter – Wind 4 und Wind 5

v in m/s 2 2,8 3,5 4,3 4,6 4,9 5,3 5,6 6,1 6,6 7,1

P in mW

0 0 0 39,6 63,4 88,1 108,7 126,5 161,3 189,5 232,6

Ab 4,6 m/s gilt etwa : P ~ v3

5. Untersuchung der Anlaufwindstärke einer Windkraftanlage

Durchführung:1. Stelle den Windgenerator (Dreiblattrotor mit 25°) und den Winderzeuger in einem Abstand

von 20 cm auf. Schließe den Motor mit der Farbscheibe an.

2. Verbinde nun das PowerModule mit dem Winderzeuger und stelle den ersten Spannungs-wert ein, beginnend bei 4 V. Läuft das Windrad noch nicht an, so gib dem Rotor einen kleinen Impuls. Tut sich immer noch nichts, so erhöhe die Spannung um einen Schritt und verfahre wie vorher.

3. Notiere die Einstellung am PowerModule sobald das Windrad läuft und lies auf Seite 17 die zugehörige Windgeschwindigkeit ab. Minimale Anlaufgeschwindigkeit des Windrades: U = 6 V | v = 3,5 m/s = 12,6 km/h

4. Erhöhe die Spannung am Winderzeuger bis die Farbscheibe sich zu drehen beginnt. Notie-re die Einstellung am PowerModule. U = 7 V | V = 4,3 m/s = 15,5 km/h

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Lösungen der Arbeitsblätter – PV 1a


Lockere drei der Glühbirnen im Beleuchtungsmodul. Überprüfe, ob nur eine Birne leuchtet.

2. Lege das Beleuchtungsmodul auf die Solarzelle. Beobachte die Drehgeschwindigkeit des Motors!

3. Wiederhole dies mit 2, 3 und 4 Lampen im Beleuchtungsmodul! Halte deine Ergebnisse fest. (Der Motor dreht sich: nicht, langsam, schnell, sehr schnell)

Lampenzahl 1 2 3 4

Motor nicht langsam schnell sehr schnell


AuswertungFragen:

Was verändert man an dem Beleuchtungsmodul, wenn man einige Lampen entfernt?

Die Beleuchtungsstärke wird verringert.


Bei der Beleuchtung mit vier Birnen.

Zusammenhang zwischen Leistung und Beleuchtungsstärke:

Je höher die Beleuchtungsstärke (je größer die eingestrahlte Lichtmenge) ist, um so schneller dreht sich der Motor. Mit der Lichtmenge steigt die Leistung der Solarzelle.

Je mehr Lichtenergie eingestrahlt wird, um so mehr elektrische Energie erzeugt die Solarzelle

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Lösungen der Arbeitsblätter – PV 1b

Durchführung1. Baue die Schaltung entsprechend dem Schaltbild auf. Lockere drei der Glühbirnen im Be-

leuchtungsmodul. Überprüfe, ob nur eine Birne leuchtet. Beim Wechseln zwischen Span-nung- und Stromstärkemessung immer ein Kabel von der Grundplatte entfernen.

2. Lege das Beleuchtungsmodul auf die Solarzelle. Miss nacheinander Stromstärke (Messbe-reich beginnend bei 200 mA ) mit 2, 3 und 4 Lampen im Beleuchtungsmodul!

3. Anschließend miss die Spannung der Solarzelle mit 2, 3 und 4 Lampen im Beleuchtungs-modul! (Messbereich 2000 mV = 2 V ; Beispiel: Anzeige 530 = 0,530 V). Halte deine Ergebnisse in der Tabelle fest.

Auswertung1. Berechne die Leistung der Solarzelle für jede Lampenanzahl.

2. Zeichne das n - P - Diagramm (n : Anzahl der Lampen)

3. Beurteile den Zusammenhang zwischen Beleuchtung und Solarzellenleistung.

Lampenzahl n 1 2 3 4

Spannung U in V 0,5 0,527 0,536 0,547

Stromstärke I in mA 22,5 43,4 55,1 70,1

Leistung P = U · I in mW 11,25 22,87 29,53 38,34

Die Leistung einer Solarzelle steigt proportional mit der Beleuchtungsstärke.

0 1 2 3 40

5

10

15

20

25

30

35

40

Anzahl der Lampen n

Leis

tung

in m

W

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Decke die Solarzelle mit drei Plättchen ab (¾ Abdeckung) Statt dem Beleuchtungsmodul (vier Birnen leuchten) kannst du zur Beleuchtung des So-larmoduls auch das Sonnenlicht nutzen.

2. Beobachte die Drehgeschwindigkeit des Motors!

3. Wiederhole dies mit zwei und mit einem Plättchen. Halte deine Ergebnisse fest. (Der Motor dreht sich: nicht, langsam, schnell, sehr schnell)

Abdeckung keine 1/4 1/2 3/4

Motor Sehr schnell Schnell Langsam Nicht

Hinweis: Das Beleuchtungsmodul sollte nicht zu lang auf der Solarzelle stehen, um das Er-wärmen der Solarzelle zu verhindern.

AuswertungFragen:

Was verändert man an der Solarzelle, wenn man einen Teil davon abdeckt?

Die beleuchtete (wirksame) Fläche der Solarzelle wird verringert.


Ohne Abdeckung dreht sich der Motor am schnellsten.

Zusammenhang zwischen Leistung (Energie) und Fläche:

Je größer die Solarzellenfläche ist, um so höher ist die Leistung der Zelle, um so mehr Energie wandelt die Zelle um.

84


Durchführung1. Baue die Schaltung entsprechend dem Schaltbild auf. (Zur Beleuchtung kann notfalls auch

das Beleuchtungsmodul – 4 Glühbirnen – verwendet werden. U = 9 V)

2. Das Solarmodul wird in den Schritten: ohne – ¼ – ½ – ¾ – ganz abgedeckt. Die Messung verläuft in zwei Schritten: a) Leerlaufspannung (Messbereich 2000 mV = 2 V ; Beispiel: Anzeige 530 = 0,530 V) b) Kurzschlussstromstärke (Messbereich beginnend mit 200 mA )


Auswertung1. Berechne die jeweilige Leistung der Solarzelle aus den Messwerten.

2. Stelle die Ergebnisse in den Diagrammen dar.

3. Beurteile den Zusammenhang zwischen Fläche und Stromstärke, Fläche und Spannung, sowie Fläche und Leistung.

0 ¼ ½ ¾ 10

10

20

30

40

50

60

70

80

Grad der Abdeckung

Stro

mst

ärke

in m

A

0 ¼ ½ ¾ 10

0,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

Grad der Abdeckung

Spa

nnun

g in

V

0 ¼ ½ ¾ 10

10

20

30

40

50

60

70

80

Grad der Abdeckung

Stro

mst

ärke

in m

A

0 ¼ ½ ¾ 10

0,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

Grad der Abdeckung

Spa

nnun

g in

V

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Zusammenhang zwischen: a) U und Fläche:

Die Spannung sinkt nur wenig, solange noch ein Teil der Zelle beleuchtet wird.

b) I und Fläche: Mit zunehmender Abdeckung sinkt die Kurzschlussstromstärke.

c) P und Fläche Mit zunehmender Abdeckung sinkt die Solarzellenleistung.

0 ¼ ½ ¾ 10

5

10

15

20

25

30

35

40

Grad der Abdeckung

Leis

tung

in m

W

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3a. Parallelschaltung von Solarzellen

Experiment ohne Abdeckung:

Der Motor dreht sich schnell.

Experiment mit einer abgedeckten Solarzelle.

Mit Abdeckung einer Zelle dreht sich der Motor ebenso schnell.

3a. Reihenschaltung von Solarzellen

Experiment ohne Abdeckung.

Der Motor dreht sich schnell.

Experiment mit einer abgedeckten Solarzelle.

Der Motor dreht sich nicht.

Ergebnis: ParallelschaltungBei der Parallelschaltung steht trotz abgedeckter Zelle weiter elektrische Energie aus Licht zur Verfügung.

Ergebnis: ReihenschaltungBei der Reihenschaltung verhindert die Abdeckung, dass Energie zum Motor fließt.

Reihenschaltung von Solarzellen

Anzahl n 1 2 3

Spannung U in V 0,570 1,143 1,680

Stromstärke I in mA 80,0 93,6 97,0

87


Parallelschaltung von Solarzellen

Anzahl n 1 2 3

Spannung U in V 0,557 0,555 0,553

Stromstärke I in mA 80,4 89,2 90,7

Verhalten bei Spannung Stromstärke

Reihenschaltung addieren sich wird größer

Parallelschaltung bleibt gleich bleibt gleich

3210

20

40

60

80

100

120

Anzahl der Solarzellen

Stro

mst

ärke

I in

mA

3210

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8


Spa

nnun

g in

V

3210

20

40

60

80

100

120


Stro

mst

ärke

I in

mA

3210

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8


Spa

nnun

g in

V

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Lösung Bioenergie: Energie aus Biomasse

1. Beschreibe die im Diagramm 1 dargestellten Zusammenhänge zwischen Photosyn-these und Zellatmung.

Pflanzen sind in der Lage durch Photosynthe-se die im Sonnenlicht enthaltene Energie in chemische Energie umzuwandeln. Durch die bei der Photosynthese ablaufenden Prozesse entstehen somit energiereiche Stoffe wie Koh-lenhydrate, Fette und Proteine (Eiweiße), aus denen Pflanzen aufgebaut werden und die in den Pflanzen gespeichert werden. Diese Stof-fe benötigen wir - wie alle tierischen Organis-men - zur Deckung unseres Energiebedarfs.

Deshalb nehmen wir die von den Pflanzen gespeicherte Energie über die Nahrung auf. Den höchsten Energiegehalt enthalten Fette, gefolgt von Kohlenhydraten und Proteinen. Das erkennt man auch an den Nährwertanga-ben verschiedener Nahrungsmittel. Indem die Zellen unseres Körpers diese Stoffe zersetzen (Zellatmung), kann die darin enthaltene Ener-gie für zahlreiche lebenswichtige Stoffwechsel-prozesse in unserem Körper genutzt werden.

2. Gib 3 Beispiele für energiereiche Lebensmittel an.Pflanzenöl, Butter, Fett

3. Deinem Auto mit „Spezialverbrennungsmotor“ geht an einer verlassenen Landstrasse der Kraftstoff aus. Glücklicherweise findest Du im Kofferraum verschiedene Nahrungsmittel, die in diesem speziellen Motor verbrannt werden können. Begründe anhand der Nähr-wertangaben mit welchem Nahrungsmittel Du die längste Strecke zurücklegen könntest.

NahrungsmittelNährwertangaben in Kilojoule pro 100 g

Olivenöl 3403

Weissbrot 1089

Schokolade 2357

Vollmilch 268

4. Ergänze das folgende Fließdiagramm:

Olivenöl besitzt den höchs-ten Nährwert, der hier ange-gebenen Lebensmittel. Das bedeutet auch den höchsten Energiegehalt. Mit Olivenöl könnte man somit die größte Strecke zurücklegen.

BiomasseLebewesen (tot oder lebendig), sowie deren Abfall- und Restprodukte

energiereiche Flüssigkeiten, Gase oder Feststoffe, die aus Biomasse hergestellt werden

werden aus schnellwachsenden und sehr fett- oder kohlenhydratreichen Pflanzen wie Raps, Mais oder Ölpalmen hergestellt.

BiodieselBioethanolPflanzenöle

=

Biokraftstoffe

=

2. Generation

=

1. Generation

= werden aus Teilen von Pflanzen hergestellt, die für den Menschen nicht essbar sind.

Lignocellulose-EthanolBTLBiogas (Biomethan)

89

2. Arbeitsblatt zum Infotext Biokraftstoffe | Klasse 7/8

1. Gib in deinen eigenen Worten die Herstellung von Biodiesel wieder.Hinweis: Die Biodieselherstellung ist stark vereinfacht dargestellt. Raps wird gemahlen und gepresst. Anschlie-ßend wird das Rapsöl mit Methanol (und ei-nem Katalysator) in einer chemischen Reak-tion im Rührkessel zu Biodiesel umgesetzt (= Umesterung). In einem Absetztank setzt sich das schwerere Glycerin auf dem Boden ab, während der leichtere Rohbiodiesel die obere Phase bildet. Das Glycerin kann abgelassen

und für Kosmetika genutzt werden. Nach Ent-fernung der Methanol-Reste des Rohbiodie-sels im Wäscher, kann der Biodiesel gelagert und in unterschiedlichen Konzentrationen mineralischem Dieselkraftstoff beigemengt werden. Die Bezeichnung des Kraftstoffs erfolgt entsprechend der prozentualen Anteile des Biodiesels (z. B. B5 = 5 % Biodiesel und 95 % mineralischer Dieselkraftstoff).

2. Erkläre die Herstellung Bioethanol.Zur Herstellung von Bioethanol kann bei-spielsweise Getreide verwendet werden. Das Getreide wird zunächst gemahlen und die enthaltene Stärke enzymatisch zersetzt (=Maischen). Die dafür notwendigen Enzyme (Amylasen) werden zugefügt. Anschließend wird Hefe zugesetzt und die Einzelzucker zu Ethanol vergoren. Durch Destillation wird das Bioethanol-Wasser-Gemisch von der Schlem-pe (feste Rückstände) getrennt. Die Schlempe kann als Futtermittel verwendet werden oder

in einer Biogasanlage als Substrat einge-setzt werden. Dem Bio-Ethanol-Wasser-Ge-misch wird in der folgenden Aufbereitung das Wasser entzogen und somit der Alkohol aufkonzentriert. Das fertige Bioethanol wird abschließend in unterschiedlichen Mischungs-verhältnissen mineralischem Kraftstoff bei-gemischt. Die Bezeichnung des Kraftstoffs gibt den prozentualen Anteil des Bioethanols wieder (z. B. E10 = 10 % Bioethanol).

3. Erkläre die Bedeutung der Zuckerrüben für die Bioethanolgewinnung.Zuckerrüben werden in Deutschland zur Herstellung von Zucker angebaut. Bei der Zuckerproduktion fallen zuckerhaltige Säfte an, in denen bereits die für die Bioethanol-herstellung wichtigen Einzelzucker enthalten

sind. Diese zuckerhaltigen Säfte können di-rekt fermentiert werden. Zur Herstellung von einem Liter Bioethanol werden 9 kg Zucker-rüben benötigt, was einer Anbaufläche von 1,5 m2 entspricht.

4. Erkläre die wesentlichen Unterschiede der Lignocellulose-Ethanol-Herstellung zur konventionellen Bioethanolproduktion

Lignocellulose-Etahnol wird aus cellulosehalti-gen Pflanzenresten gewonnen. Hierfür müs-sen zunächst die beiden Zuckerkomponenten, Cellulose und Hemicellulose, vom Lignin abgetrennt werden. Das geschieht meistens unter Einwirkung von Hitze und Säuren. Als nächstes müssen die langen Zuckerketten in ihre einzelnen Zuckerbausteine aufgespalten werden (Verzuckerung). Dazu werden speziel-le biologische Scheren (Enzyme) benötigt, die sogenannten Cellulasen. Die derzeit verfüg-

baren Cellulasen sind jedoch sehr teuer, wes-halb die Produktion von Biokraftstoffen aus Cellulose nicht wirtschaftlich ist. Man muss viel mehr Geld in die cellulosespaltenden Enzyme stecken, als man mit dem Verkauf des Biokraftstoffs wieder verdienen kann. Der letzte Schritt auf dem Weg zum Lignocellu-lose-Ethanol ist die alkoholische Gärung der einzelnen Zuckerbausteine durch Bäckerhefe, also der Abbau von Zucker zu Alkohol, der wie bei der Bioethanolherstellung verläuft.

90

Lösung zum Infotext Biokraftstoffe Klasse 9/10

1. Gib in Deinen eigenen Worten die Herstellung von Biodiesel wieder. Gehe hierbei auch auf die ablaufenden chemischen Prozesse ein.

Hinweis: Die Biodieselherstellung ist stark vereinfacht dargestellt. Raps (ölhaltige Pflanzen) wird gemahlen und gepresst. Die im Pflanzenöl enthaltenen Öl- und Fettmoleküle sind mit dem dreiwerti-gen Alkohol Glycerin veresterte Fettsäuren. Beim chemischen Prozess werden diese Pflanzenöle (Triacylglycerin = Verbindung aus Glycerinmolekül und drei Fettsäuremo-lekülen) mit ca. 10 % Methanol vermischt. Ein zugegebener Katalysator unterstützt die chemische Reaktion (Umesterung). Anschlie-ßend werden unter Einsatz der Elektrolyse, d. h. der Aufspaltung einer chemischen Ver-bindung mit Hilfe von Strom, und der dabei einsetzenden chemischen Reaktion, die Trig-lyceride des Pflanzenöls in Fettsäuren und Glycerin gespalten. Die Fettsäuren reagieren

mit dem Methanol und werden zu Fettsäure-methylestern (FAME). Anschließend wird das FAME vom Glycerin getrennt. Triglyceride + Methanol + Katalysator Fett-säure-Methylester (FAME) + Glycerin In einem Absetztank setzt sich das schwe-rere Glycerin auf dem Boden ab, während der leichtere Rohbiodiesel die obere Phase bildet. Das Glycerin kann abgelassen und für Kosmetika genutzt werden. Nach Entfernung der Methanol-Reste des Rohbiodiesels im Wäscher, kann der Biodiesel gelagert und in unterschiedlichen Konzentrationen mine-ralischem Dieselkraftstoff beigemengt wer-den. Die Bezeichnung des Kraftstoffs erfolgt entsprechend der prozentualen Anteile des Biodiesels (z. B. B5 = 5 % Biodiesel und 95 % mineralischer Dieselkraftstoff).

2. Erkläre die Herstellung von Bioethanol.Zur Herstellung von Bioethanol kann bei-spielsweise Getreide verwendet werden. Das Getreide wird zunächst gemahlen und die enthaltene Stärke enzymatisch zersetzt (=Maischen). Die dafür notwendigen Enzyme (Amylasen) werden zugefügt. Anschließend wird Bäckerhefe zugesetzt und die Einzelzu-cker zu Ethanol vergoren. Durch Destillation wird das Bioethanol-Wasser-Gemisch von der Schlempe (feste Rückstände) getrennt. Die Schlempe kann als Futtermittel verwen-

det werden oder in einer Biogasanlage als Substrat eingesetzt werden. Dem Bio-Etha-nol-Wasser-Gemisch wird in der folgenden Aufbereitung das Wasser entzogen und somit der Alkohol aufkonzentriert. Das fertige Bioethanol wird abschließend in unterschied-lichen Mischungsverhältnissen minerali-schem Kraftstoff beigemischt. Die Bezeich-nung des Kraftstoffs gibt den prozentualen Anteil des Bioethanols wieder (z. B. E10 = 10 % Bioethanol).

3. Die im Getreide enthaltene Stärke wird durch Enzyme (Amylasen) zu Einzelzuckern ge-spalten. Überlege, wie der Verlauf dieser Spaltung im Labor nachgewiesen werden kann.

Zum Nachweis von Stärke und stattfindender Abbauprozesse kann die Iodprobe (Iod-Stär-ke-Reaktion) eingesetzt werden. Dabei wird meistens eine Iod-Kaliumiodid-Lösung (Lugolsche Lösung) eingesetzt, die mit einer stärkehaltigen Probelösung versetzt wird. Es entsteht Iodstärke, die eine blaue bis schwar-

ze Färbung aufweist (Iod lagert sich in die Hohlräume der Amylose ein). Wird die Stärke enzymatisch zersetzt, bilden sich nach Iod-zugabe (in Abhängigkeit vom Spaltungsgrad) weniger Iodstärke-Komplexe. Dadurch wird die Färbung weniger intensiv bis schließlich eine farblose Lösung vorliegt.

91

Lösung zum Infotext Biokraftstoffe Klasse 9/10


Lignocellulose-Etahnol wird aus cellulosehal-tigen Pflanzenresten gewonnen. Hierfür müs-sen zunächst die beiden Zuckerkomponen-ten, Cellulose und Hemicellulose, vom Lignin abgetrennt werden. Das geschieht meistens unter Einwirkung von Hitze und Säuren. Als nächstes müssen die langen Zuckerketten in ihre einzelnen Zuckerbausteine aufgespalten werden (Verzuckerung). Dazu werden spezi-elle biologische Scheren (Enzyme) benötigt, die sogenannten Cellulasen. Die derzeit ver-fügbaren Cellulasen sind jedoch sehr teuer,

weshalb die Produktion von Biokraftstoffen aus Cellulose nicht wirtschaftlich ist. Man muss viel mehr Geld in die cellulosespal-tenden Enzyme stecken, als man mit dem Verkauf des Biokraftstoffs wieder verdienen kann. Der letzte Schritt auf dem Weg zum Lignocellulose-Ethanol ist die alkoholische Gärung der einzelnen Zuckerbausteine durch Bäckerhefe, also der Abbau von Zucker zu Alkohol, der wie bei der Bioethanolherstel-lung verläuft.

5. Auch Biodiesel könnte in Zukunft alternativ hergestellt werden. Gib die Vorteile einer Produktion von Biodiesel aus Algen wieder. Überlege Dir auch die Nachteile dieses Verfahrens.

Vorteile: Mithilfe von Algen kann ein höherer Ertrag pro Fläche erzielt werden. Es besteht ein verminderter Wasserbedarf. Algen kön-nen auf landwirtschaftlich nicht nutzbarer Fläche (in Reaktoren) gezüchtet werden. Algen wachsen schnell und lassen sich re-lativ unproblematisch züchten. Im Vergleich zu Raps könnte man mit Algenkulturen mehr als das Zehnfache an Öl erzeugen. Sie sind kohlendioxidneutral – stoßen nur so viel CO2 aus, wie sie in ihrem Wachstum gebunden haben.

Nachteile: Derzeit ist ein sehr großer Flä-chenbedarf notwendig. Die Kollektoren müssen zum Licht ausgerichtet werden was

ebenfalls Energie und Steuerungstechnik be-nötigt. Herstellungsaufwand ist im Vergleich zu anderen Kraftstoffen sehr hoch.

„Würde man alle Algen „ernten“, die derzeit in den Bioreaktoren des Algen-Science-Cen-ters wachsen, ergäbe das nur eine einzige Tonne Kerosin. Soviel wie ein Airbus A380 braucht, um etwa 60 Kilometer zurückzule-gen.“ 1 Nicht jede Mikroalgenart ist geeignet, verschiedene Testreihen werden derzeit durchgeführt.

1 Quelle: http://www.bundesregierung.de/Content/DE/Artikel/2014/06/2014-06-20-kraftstoff-aus-dem-meer.html

92

Lösungen der Arbeitsblätter – Wasserkraft 1

Experiment: Radio


BeobachtungWenn das Wasser durch die Turbine fließt, schaltet sich das Radio an und es ist Musik zu hören.

ErklärungWenn sich Wasser im oberen Kanister befindet, ist dort potentielle Energie vorhanden, wel-che im Schlauch zu kinetischer Energie umgewandelt wird. In der Turbine wird die kinetische Energie in Rotationsenergie umgewandelt. Im Generator wird diese Energie dann in elektri-sche Energie umgewandelt. Die elektrische Energie bringt das Radio zum laufen.


Energieformen

kinetische Energie

potentielle Energie

elektrische Energie

Schallwellen

Rotationsenergie

Potentielle Energie

Kinetische Energie

Elektrische Energie

Schallwellen

Radio

Generator

Turbine

Rotationsenergie

Rohrleitung

93


Experiment: LED-Lampe


BeobachtungWenn das Wasser durch die Turbine fließt, leuchtet die rote/weiße LED-Lampe.

ErklärungWenn sich Wasser im oberen Kanister befindet, ist dort potentielle Energie vorhanden, wel-che im Schlauch zu kinetischer Energie umgewandelt wird. In der Turbine wird die kinetische Energie in Rotationsenergie umgewandelt. Im Generator wird diese Energie dann in elektri-sche Energie umgewandelt. Die elektrische Energie bringt ddie LED-Lampe zum leuchten.


Energieformen

kinetische Energie

potentielle Energie

elektrische Energie

Schallwellen

Rotationsenergie

Potentielle Energie

Kinetische Energie

Elektrische Energie

Licht

LED

Generator

Turbine

Rotationsenergie

Rohrleitung

94


95


Leistungsmessung mit der Messbox: 5 Ω bis 200 Ω und dem Potentiometermodul 400 Ω bis 1000 Ω mit Hilfe der beiden Vielfachmessgeräte

R in Ohm 5 10 50 100 200 400 600 800 1000

P = U I in mW

0,7 2,0 5,5 9,9 14,2 17,6 15,1 14,4 13,3

0 5 10 50 100 200 400 600 800 10000

5

10

15

20

25

Leistungskurve

R in Ohm

Leis

tung

in m

W

96

Lösungen der Arbeitsblätter – Thermalenergie 1

Messtabelle und Graphen zum Kollektorexperiment

Zeit 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Koll 20 29 35 39 42 44 46 47,5 49 50 50 51 52 53 53,5 54

Zirk 20 25 27 29 30,5 32 33 34 35,5 37 38 39 40 40,5 42 43

WT 18 19 20 22 23,5 25,5 26,5 28,5 30 31 32,5 34 35 36 37 38

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

KollZirkWT

97

Lösungen der Arbeitsblätter – Thermalenergie Energiefluss

Energiefluss:

Sonnenenergie Wärme Wärme Wärme im Kollektor im Wasser - im Nutz- kreislauf wasser

Vergleich: Experiment - Realität

Trage in die richtigen leeren Kästchen die folgenden Begriffe ein :

98

Lösungen der Arbeitsblätter – Thermalenergie 1

Vergleich: Experiment – Realität

Trage folgende Begriffe in die richtigen leeren Kästchen ein:

99

Lösungen der Arbeitsblätter – Thermalenergie 3 und 4

Absorption von Strahlung – weiß – schwarz

Durchführung:1. Miss die Anfangstemperatur bei beiden Thermometern.

Halte die beiden Flächen (weiß und schwarz) nebeneinander in die Sonne.

2. Lies die Temperaturen nach 2, 4 und 8 Minuten ab.

Zeit in Min 0 2 4 8

Temperatur weiß, °C

18 20 24 28

Temperatur schwarz, °C

18 22 28 35

Formuliere ein Ergebnis und eine Merkregel!

Schwarze Flächen absorbieren (nehmen auf) die Wärmeenergie besser als weiße Flächen.

Spiegelexperiment:

Beobachtung:Das Papier fängt nach kurzer Zeit an zu glimmen (brennen).

Ergebnis:Gewölbte Spiegel sammeln das Sonnenlicht in einem Punkt. Die Temperatur ist in diesem Punkt sehr hoch; das Papier entzündet sich.

100

Lösungen der Arbeitsblätter – Brennstoffzelle 1 und 2 – Elektrolyse




0 0 0

1 4 2

2 8 4

3 13 6,5


Der Wasserstofftank ist doppelt so voll, wie der Sauerstofftank. Verhältnis 2 : 1 Die Erzeugung des Wasserstoffs mit einer Solarzelle benötigt etwa die doppelte Zeit, bis der Tank gefüllt ist.

101

Lösungen der Arbeitsblätter – Brennstoffzelle 1 und 2 mit Autofahrt

Auswertung:Fahrzeit tF = 325 in Sekunden

Durchmesser d = 1,0 in Meter;

Kreis: U = 3,14 m (Umfang = Durchmesser * 3,14)

Rundenanzahl a = 44,5

Fahrstrecke: s = U * a = 139,7 m

Geschwindigkeit = s : tF : 0,43 m/s

Geschwindigkeit = 0,43 * 3,6 = 1,55 km/h

Zeit zum Erzeugen des Wasserstoffs: tH ~ 180 in Sekunden


E = 0,78 m Fahrstrecke für 1 Sekunde kurbeln.

102

Notizen

103

Notizen

Die Power-Box auf der Landesgartenschau 2015 in Landau

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