Infotext - [01a] Was ist Energie?

Die Energie (oder auch Energiemenge) ist eine fundamentale physikalische Größe, die in allen Teilgebieten der Physik sowie in der Technik, Chemie, Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle spielt. 

Energie wird in der Einheit Joule angegeben. James Prescott Joule (1818 - 1889) war ein britischer Brauer, der als Physiker zu größten Ehren kam. Als Spross einer Brauerfamilie war er selbst Besitzer einer Bierbrauerei und forschte, ausgehend von technischen Fragen des Maschinenbaus und des Brauereiwesens, zu naturwissenschaftlichen Fragen. Er leistete einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Wissenschaften. Die Einheit der Energie wurde deshalb ihm zu Ehren „Joule“ genannt. (Energieeinheit: 1J ; Das ist eine sehr kleine Energiemenge. Sie ist beispielsweise nötig, um eine Tafel Schokolade (100g) um einen Meter hochzuheben.)

1841 veröffentlichte der deutsche Arzt Julius Robert Mayer die Idee, dass Energie weder erschaffen noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden kann. In einem gegenüber der Umgebung abgeschlossenen System ändert sich die Gesamtenergie also demnach nicht. Das ist die Aussage des Energieerhaltungssatzes. Eine Dampfmaschine wandelt beispielsweise Wärmeenergie in mechanische Energie um. Die Wärmeenergie, die während des Betriebs einer Dampfmaschine verloren gegangen ist, entspräche genau der mechanischen Arbeit, die die Maschine leistet.

Energieformen

Energie gibt es in verschiedenen Energieformen, die ineinander umgewandelt werden können. von Energieformen sind Lageenergie (potentielle Energie), Bewegungsenergie (kinetische Energie), elektrische, chemische und Wärmeenergie (thermische Energie). Beispiele für solche Umwandlungen von Energie sind, dass ein Mensch ein Paket hochhebt (Beim Herunterfallen wird die potentielle Energie dann wieder frei) oder eine Batterie aufgeladen wird.

Technische Nutzung der Energie

Eine Erzeugung von Energie ist aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Die Bezeichnung „Energieerzeugung“ wird im Wirtschaftsleben aber dennoch verwendet, um die Umwandlung einer bestimmten Energieform (zum Beispiel elektrischer Strom) aus einer anderen Form (zum Beispiel chemischer Energie in Form von Kohle) auszudrücken. Analog gibt es im strengen physikalischen Sinne auch keinen „Energieverbrauch“, wirtschaftlich gemeint ist damit der Übergang von einer Energieform in eine andere. Beispielsweise wird elektrische Energie „verbraucht“, um einen Ventilator zu betreiben. Die „verbrauchte“ elektrische Energie muss dann von uns bezahlt werden. Von Energieeinsparung ist die Rede, wenn effizientere Prozesse gefunden werden, die weniger Primärenergie (Kohle, Gas, Öl) für denselben Zweck benötigen, oder anderweitig, zum Beispiel durch Konsumverzicht, der Primärenergieeinsatz reduziert wird.
Die meisten Umwandlungen erfolgen nicht vollständig in eine einzige Energieform, sondern es wird ein Teil der Energie in Wärme gewandelt. In mechanischen Anwendungen wird die Wärme meist durch Reibung erzeugt. Diese Wärme wird in der Regel nicht genutzt und als „​Verlust“ bezeichnet. Das Verhältnis zwischen erfolgreich umgewandelter Energie und eingesetzter Energie wird Wirkungsgrad genannt. Bei technischen Anwendungen wird häufig eine Reihe von Energieumwandlungen gekoppelt. In einem Kohlekraftwerk wird zunächst die chemische Energie der Kohle durch Verbrennung in Wärme umgesetzt und auf Wasserdampf übertragen. Turbinen wandeln die Wärme des Dampfs in mechanische Energie um und treiben wiederum Generatoren an, die die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.
Während alle Energieformen unter gewissen Bedingungen vollständig in thermische Energie umgewandelt werden können, gilt das in umgekehrter Richtung nicht. Abhängig von der Temperatur, bei der die Wärme zur Verfügung steht, lässt sich nur ein mehr oder weniger großer Anteil in mechanische Arbeit umwandeln, während der Rest an die Umgebung abgegeben wird.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Infotext - [01b] Energieflussdiagramme

Energieflussdiagramme

Energie tritt in unserer Umwelt immer wieder in unterschiedlichen Formen auf (mechanische Energie, elektrische Energie, chemische Energie, etc.). Ein Energieflussdiagramm stellt dabei Informationen über die Energieumwandlungen und Energieströme in einem System anschaulich in einer Grafik dar. Sie werden meist so dargestellt, dass der Fluss der Energie durch einen Pfeil dargestellt wird. Die Breite des Pfeils stellt dabei die Energiemenge dar. Je breiter der Pfeil ist, desto mehr Energie entspricht dann diesem Weg den die Energie im Diagramm nimmt. Wenn verschiedene Energieformen dargestellt werden, dann kann dies auch mit unterschiedlichen Farben erfolgen.

Das Energieflussdiagramm veranschaulicht z.B. die Energieströme in einem Prozess oder die Nutzung der Energie bei verschiedenen Energiewandlern. Umgangssprachlich werden Energiewandler oft als „Verbraucher“ bezeichnet. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Heizung, eine Bohrmaschine, eine Kaffeemaschine oder ein TV-Gerät handeln. Diese Energiewandler werden dann oft als Kreise abgebildet. Bei Energieumwandlungen durch einen Energiewandler wird ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt. Dieser Teil der Energie wird an die Umgebung abgegeben, er steht für die eigentliche Anwendung nicht mehr zur Verfügung. Man spricht dabei dann von der Energieentwertung.

Energieflussdiagramme werden in der Praxis häufig auch für Energieflüsse in einer Region (Erzeugung, Umwandlung, Nutzung) oder betriebliche Energieflüsse (einer Abteilung in einem Unternehmen oder einer gesamten Firma) eingesetzt.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Was ist Energie - Energieformen

2) → Umwandlung der Energieformen

3) → Thermische Energie | alpha Lernen erklärt Physik

4) → Energieformen - Überblick

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Infotext - [02/03] Erneuerbare Energieträger

Als erneuerbare (regenerative) Energien werden Energiequellen bezeichnet, die im menschlichen Zeithorizont für nachhaltige Energieversorgung praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern. Damit grenzen sie sich von fossilen Energieträgern ab, die endlich sind oder sich erst über den Zeitraum von Millionen Jahren regenerieren. Erneuerbare Energiequellen gelten, neben der effizienten Nutzung von Energie, als wichtigste Säule einer nachhaltigen Energiepolitik (Energiewende). Zu ihnen zählen Bioenergie, Geothermie, Wasserkraft, Meeresenergie, Sonnenenergie und Windenergie. Ihre Energie beziehen sie von der Sonne, die bei weitem die wichtigste Energiequelle ist, aus der Bewegungsenergie der Erddrehung und der Planetenbewegung sowie aus der erdinneren Wärme. 
Der Ausbau der erneuerbaren Energien wird in vielen Staaten weltweit vorangetrieben. 2018 deckten erneuerbare Energien 17,9 % des weltweiten Endenergieverbrauchs. Der Anteil am weltweiten Endenergieverbrauch stieg nur langsam um durchschnittlich 0,8 % pro Jahr zwischen 2006 und 2016. Höher ist der Anteil der erneuerbaren Energien am globalen Stromverbrauch. 2021 deckten Wasser-, Windkraft- und Photovoltaikanlagen ca. 25,6 % des Strombedarfs. Windkraft- und Solaranlagen lieferten 2021 mit 10,3 % erstmals mehr elektrische Energie als die Kernenergie mit 9,94 %.

Sonnenenergie (Strahlungsenergie)

Die Sonne emittiert große Mengen Energie, die als Solarstrahlung die Erde erreichen. Etwa 30 % der Strahlung wird reflektiert, der Rest der Energie die bis zur Erdoberfläche gelangt ist aber noch immer so enorm, dass dies derzeit circa dem 7.500 fachen des Weltjahresenergiebedarfs entspricht.
Sonnenenergie lässt sich direkt oder indirekt vielfältig nutzen. Die direkte Nutzung erfolgt mit Photovoltaikanlagen (elektrisch) sowie direkt als Sonnenwärme. Daneben „liefert“ die von der Atmosphäre und von der Erdoberfläche aufgenommene Sonnenenergie Bewegungsenergie und Lageenergie. Lageenergie entsteht, indem durch atmosphärische Prozesse Wasser in höhere Bereiche transportiert wird. Die Sonnenenergie erzeugt zudem in der Atmosphäre durch meteorologische Prozesse Winde. Diese Winde (= bewegte Luftmassen) enthalten Bewegungsenergie (Windenergie); sie erzeugen auf den Meeren Wellen (Wellenenergie). Pflanzen nehmen die Strahlung im Zuge der Photosynthese auf und wandeln sie in Biomasse um, die zur Energiewandlung genutzt werden kann. 
Grundsätzlich kann die Energie der Sonne neben der direkten Nutzung auch in Form von Bioenergie, Windenergie und Wasserkraft indirekt verwertet werden.

Geothermie (Erdwärme)

Die im Erdinneren gespeicherte Wärme stammt zum einen von Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung. Zum anderen erzeugt Reibung zwischen fester Erdkruste und flüssigem Erdkern ständig weiterhin Wärme. Sie kann für Heizzwecke oder auch zur Stromerzeugung genutzt werden.

Bioenergie

Bioenergie ist eine aus Biomasse in elektrische Energie, Wärme oder Kraftstoff umwandelbare universell verwendbare Energieform. Sie greift auf Biobrennstoffe zurück, also Brennstoffe biologisch-organischer Herkunft. Biobrenn¬stoffe speichern in ihren chemischen Bindungen solare Strahlungsenergie, die von den Pflanzen durch Photosynthese fixiert wurde. Durch Verbrennung dieser Brennstoffe, kann diese Energie wieder freigesetzt werden.

Planetenbewegungen

Die Anziehungskraft von Sonne und Mond (und anderen Himmelskörpern) verursacht in und auf der rotierenden Erde die Gezeiten (Ebbe und Flut). Dabei wird die Drehgeschwindigkeit der Erde durch diese Energieumwandlung allmählich abgebremst. Die dadurch bewirkten Strömungen können als mechanische Energie in Gezeitenkraftwerken und Meeres-strömungskraftwerken genutzt werden.

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Infotext - [02/03] Fossile Energieträger

Fossile Energie wird aus Brennstoffen ge-wonnen, die in geologischer Vorzeit aus Abbauprodukten von toten Pflanzen und Tieren entstanden sind. Dazu gehören Braunkohle, Steinkohle, Torf, Erdgas und Erdöl. Man nennt diese Energiequellen fossile Energie-träger oder fossile Brennstoffe.
Fossile Energieträger ermöglichen gespeicherte (Sonnen)energie vergangener Urzeiten von vor vielen Millionen Jahren heute zu verwerten. Die technische Erschließung von fossilen Brennstoffen, zunächst fast ausschließlich Kohle, ermöglichte das kontinuier-liche Wirtschaftswachstum seit der Industriellen Revolution. Im Jahr 2005 wurden 81 % des weltweiten Energiebedarfs aus fossilen Quellen gedeckt.
Der Energiegehalt der aufgeführten fossilen Brennstoffe basiert auf dem Kohlenstoff-Gehalt. Bei der Verbrennung mit Sauerstoff wird Energie in Form von Wärme freigesetzt, darunter immer Kohlenstoffdioxid [ CO₂ ]. Daher ist die Verbrennung fossiler Energie-träger sowohl lokal als auch global „in hohem Maße umweltbelastend“. Fossile Energieträ-ger sind die Hauptquelle von menschengemachten Treibhausgasemissionen und damit der globalen Erwärmung.
Kernenergie wird mitunter als „fossile Energie“ angesehen, weil sie nicht erneuerbar ist. Doch Uranerz, der Rohstoff für die Herstellung von Brennstäben für Kernkraftwerke, ist allerdings nicht aus Abbauprodukten von toten Pflanzen und Tieren hervorgegangen.

Reserven

Die in der Erde lagernden Vorräte an fossilen Brennstoffen (fossile Energieträger), die nachgewiesen, sicher verfügbar und mit heutiger Technik wirtschaftlich gewinnbar sind, bezeichnet man als Energiereserven. Gleichbleibenden Energiebedarf und gleichbleibende Nutzung unterstellt, reichen die derzeit (Stand 2020) bekannten Welt-Energiereserven an Erdöl und Erdgas je etwa 50 Jahre und an Kohle circa 130 Jahre.

Erdöl / Erdgas

Erdöl ist ein in der Erdkruste eingelagertes Stoffgemisch. Es entstand aus abgestorbenen Kleinstlebewesen (mehrheitlich einzelligen Algen) sowie tierisches und pflanzliches Plankton, das auf dem Meeresgrund in sauerstofffreiem Wasser als Schlamm abgelagert wurden. Weil die Umwelt in geologischen Zeiträumen teils drastischen Änderungen unterworfen ist, stoppte irgendwann die Sedimentation (=Ablagerung) der Algenschlämme und diese wurden von anderen Sedimenten überlagert. Der Auflastdruck presste die Sedimentschichten zu einem feinkörnigen Sedimentgestein. Durch kontinuierliche Absenkung der regionalen Erdkruste gelangte das Gestein in zunehmend tiefere Krustenbereiche. Dort herrschten erhöhte Temperaturen. Unter diesen Bedingungen wurden die festen organischen Verbindungen im Gestein allmählich in flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Die gasförmigen Kohlenwasserstoffe reichern sich dann in der Regel als Erdgas über dem flüssigen Erdöl an.

Kohle

Kohle ist ein schwarzes oder bräunlich-schwarzes Sedimentgestein das zu mehr als 50 Prozent des Gewichtes aus Kohlenstoff besteht. Sie entsteht aus pflanzlichen Überresten, die unter Luftabschluss – z. B. am Grund von Sümpfen und Mooren – verrotten und nach Versenkung in tiefere Bereiche der oberen Erdkruste erhöhten Drücken und Temperaturen ausgesetzt sind. Als hochwertigere Kohle gilt die Steinkohle, da diese sehr dicht und rein ist, das heißt, sehr wenig Fremdstoffe enthält. Der Brennwert der Steinkohle ist dementsprechend groß. Steinkohle wird deshalb, wie Erdöl, auch Schwarzes Gold genannt. Minderwertiger ist die Braunkohle, die schwächer verdichtet ist und einen größeren Schwefelanteil enthält; ihr Brennwert ist deutlich geringer.
 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Wie entsteht Erdöl? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

2) → Wie findet man Erdöl? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

3) → Wie gewinnt man aus Erdöl Benzin und Diesel? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

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Aufgaben:

Infotext - [04] Klimakiller CO₂

Kohlenstoffdioxid (CO₂), allgemeinsprachlich Kohlendioxid, ist als Spurengas mit einem Volumenanteil von etwa 0,04 % in der Erdatmosphäre enthalten. 
Trotz der geringen Konzentration ist Kohlenstoffdioxid für das Leben auf der Erde in vielerlei Hinsicht von elementarer Bedeutung: Pflanzen nehmen das für sie lebensnotwendige Spurengas auf und geben Sauerstoff ab (Photosynthese), während bei der Atmung der allermeisten Lebewesen und vielen anderen natürlichen Prozessen Kohlenstoffdioxid freigesetzt und in die Erdatmosphäre abgegeben wird.
Als Treibhausgas beeinflusst CO₂ durch den Treibhauseffekt das Klima der Erde und durch seine Löslichkeit in Wasser den pH-Wert der Ozeane wesentlich. Im Verlauf der Erdgeschichte schwankte der atmosphärische CO₂-Gehalt erheblich und war häufig an einer Reihe gravierender Klimawandel-Ereignisse direkt beteiligt.
Im April 2021 wurde am Mauna-Loa-Observatorium auf Hawaii erstmals eine Konzentration von mehr als 420 ppm gemessen (Einheit: ppm - Parts per million, dt. „Teile auf eine Million Teile“ – ein Millionstel). Über große Teile der vorindustriellen Epoche bis etwa zur Mitte des 19. Jahrhunderts lag dieser Wert noch im Bereich von 280 ppm.

Treibhausgase

Treibhausgase sind Spurengase, die zum Treibhauseffekt eines Planeten beitragen. CO₂ ist dabei nur ein Beispiel! Es gibt noch weitere Treibhausgas die den Klimawandel negativ beeinflussen! Sie nehmen einen Teil der von der Planetenoberfläche abgegebenen Wärmestrahlung auf, die sonst unmittelbar ins Weltall abgegeben würde. Die dabei aufgenommene Energie geben sie entsprechend ihrer lokalen Temperatur dann wieder an die direkte Umgebung ab. Auf der Erde vollzieht sich dieser Effekt in der Troposphäre (= Erdatmosphäre bis zur Höhe von 15 km über der Erdoberfläche). Die beteiligten Treibhausgase können sowohl natürlichen Ursprungs sein, als auch durch menschliche Aktivitäten (anthropogen) entstanden sein. 
Die natürlichen Treibhausgase, insbesondere Wasserdampf, heben die durchschnittliche Temperatur an der Erdoberfläche um etwa 33 °C auf +15 °C an.
Weitere Treibhausgase neben dem  Kohlenstoffdioxid (CO₂) sind Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O). 
Methan entsteht circa zur einen Hälfte in der globalen Land- und Forstwirtschaft und anderweitiger Nutzung von Land und Biomaterial, in der Tierproduktion (vor allem bei Wiederkäuern wie Rindern, Schafen und Ziegen), in Klärwerken und Mülldeponien. Zur anderen Hälfte wird es im industriellen Bereich durch Leckagen bei Förderung, Transport und Verarbeitung vor allem von Erdgas und bei der unvollständigen Verbrennung beim Abfackeln von technisch nicht verwertbaren Gasen frei.
Lachgas (N₂O) ist ein Treibhausgas, dessen Treibhauswirksamkeit 298-mal so groß ist wie die von CO₂. 82 % der menschengemachten Lachgas-Emissionen gehen auf die Landwirtschaft (Viehhaltung, Düngemittel und Anbau von Biomasse) zurück.
Die Konzentrationen der Treibhausgase in der Erdatmosphäre steigen momentan stetig an. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Was ist eigentlich CO₂?

2) → Treibhausgase: Die CO₂-Jagd hat begonnen - FUTURE - ARTE

3) → Klimawandel – der CO₂-Beweis | Harald Lesch

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Umwelt- und Gesundheitsschäden - Feinstaub 

• die Erosion (von lateinisch erodere ‚abnagen‘) von Gesteinen (hauptsächlich durch Wasser und Wind), beispielsweise Sahara-Staub
• Kleinstlebewesen, z. B. Pilzsporen
• Pflanzen (Pollen vieler Pflanzen können Allergien auslösen; siehe auch Pollenflugkalender)

• Die Landwirtschaft: Ihr durchschnittlicher Anteil an der europäischen PM₁₀-Emission betrug um 2001 etwa 9 %, wobei etwa die Hälfte auf Tierhaltung zurückzuführen ist.
• Quellen von Feinstaubemissionen durch Privathaushalte sind vor allem Holzheizungen und offene Kamine. 
• In geschlossenen Räumen sind der Rauch von Tabakwaren, Laserdrucker und Kopierer Quellen der Feinstaubbelastung. Emissionen von 2 Milliarden Partikeln pro gedruckter Seite sind bei Laserdruckern keine Seltenheit.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Smog in China | Journal

2) → Die rücksichtslose Expansion der Kreuzschifffahrt | Panorama 3 | NDR

3) → Schlechte Luft: Warum Feinstaub so gefährlich ist | Quarks

4) → Luftverschmutzung ist eines der größten Gesundheitsrisiken | Feinstaub | Wissen Was mit MrWissen2go

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Aufgaben:

1. Nenne vier umweltbelastende Stoffe die durch Wärmekraftwerke erzeugt werden.
2. Auch Bauwerke sind von den Abgasen betroffen. Was ist der Grund dafür?
3. Auch Pflanzen leiden unter Abgasen. Wie wirken die Abgase auf die Pflanzen? (Nenne drei Beispiele)
4. Auch Feinstaub hat negative Auswirkungen. Was ist Feinstaub eigentlich?
5. Wie wirkt Feinstaub auf den Menschen?
6. Wie wirkt Feinstaub auf unser Wetter?
7. Nenne zwei menschliche und zwei natürliche Quellen von Feinstaub.

Solarthermie 

Unter Solarthermie versteht man die Umwandlung der Sonnenenergie z. B. durch thermische Solaranlagen in nutzbare thermische Energie. Sie zählt zu den erneuerbaren Energien.

Sonnenenergie kann auf direktem und indirektem Weg genutzt werden. Aufgrund der unvermeidbaren Verluste bei jeder Umwandlung von einer in eine andere Energieform ist dies auch bei der Nutzung der Sonnenenergie sehr wichtig. Die effiziente Nutzung der Sonnenenergie kann dadurch gesteigert werden. 

Direkte Nutzung der Sonnenenergie

1. Beispiel: Ein Sonnenkollektor oder auch Solarkollektor (lateinisch sol „Sonne“ und colligere „sammeln“), wandelt Sonnenstrahlung direkt in Wärmeenergie um. Die Wärme kann dann direkt in der Heizungsanlage zur Erwärmung der Wohnräume und zur Bereitstellung von Warmwasser verwendet werden. Solarkollektoren sind Teil einer thermischen Solaranlage. Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade – typischerweise werden zwischen 60 und 75 % der Strahlungsenergie in nutzbare Wärmeenergie umgewandelt.  

Funktionsweise: Zentraler Bestandteil des Kollektors ist der Solarabsorber, der die Strahlungsenergie der Sonne in Wärme umwandelt. Der Solarabsorber wird durch die eingestrahlte Sonnenenergie stark erwärmt. Ein Wärmeträger nimmt dann die Wärme auf, anschließend kann sie direkt verwendet oder gespeichert werden. Die einfachste Bauart ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter. Bei Sonnenschein erwärmen sich das Wasser im Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genutzt wird. Alternativ kann die Flüssigkeit auch in einem Röhrensystem die Wärme aufnehmen und abtransportieren (Konvektion). 
Installiert werden Solarkollektoren sowohl auf Gebäudedächern oder auch als Freiflächenanlagen. 

2. Beispiel - Treibhauseffekt: Durch eine Südausrichtung großer Glasfronten (in Wintergärten oder Gewächshäusern) wird die Baumasse des Gebäudes durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Sonnenstrahlung kann in das System eindringen und Materie im Inneren erwärmen. Die umgesetzte Wärme verteilt sich im Innernen durch die Zirkulation der Luft. ​Neben der Nutzung des Treibhauseffekts in Treibhäusern wird durch die Nutzung der Sonnenenergie auch in der Architektur (Wohnhäuser) Heizenergie eingespart. Auch in einem in der Sonne geparkten Auto tritt diese Wirkung auf. (Die Erwärmung basiert auf einem ähnlichen Prinzip wie dem des atmosphärischen Treibhauseffekts.)

Indirekte Nutzung der Sonnenenergie 

Ein Sonnenwärmekraftwerk (auch Solarwärmekraftwerk) ist ein Kraftwerk, das die Wärme der Sonne als primäre Energiequelle verwendet. Die Wärmeenergie ist dabei in einem Energieflussdiagramm als Zwischenschritt zu verstehen. In einem weiteren Schritt wird dann die Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt. 
Solarwärmekraftwerke sind insbesondere abzugrenzen von der Nutzung von Solarzellen (Photovoltaik), die die Strahlung der Sonne direkt in elektrischen Strom wandeln. Je nach Bauart haben solarthermische Kraftwerke höhere Wirkungsgrade als Photovoltaikanlagen, haben jedoch höhere Betriebs- und Wartungskosten und erfordern eine bestimmte Mindestgröße.

Funktionsweise: Eine einfache Bauweise eines Solarkraftwerks ist ein Solarturmkraftwerk. Es nutzt die Direktstrahlung der Sonne mit Reflektoren (Spiegeln). Diese bündeln die Sonnenstrahlen auf einer kleinen Fläche (zentraler Absorber, Receiver). Das verwendete Wärmeträgermedium ist entweder flüssiges Nitratsalz, Wasserdampf oder Heißluft. Die Reflektoren oder der Absorber werden der Sonne nachgeführt. Meistens wird die im Absorber entstehende Wärme über eine Dampfturbine und Gasexpansionsturbine zur Stromerzeugung genutzt. Sie sind nur in sonnenreichen Regionen der Erde mit hoher direkter Sonneneinstrahlung wirtschaftlich einsetzbar.

Eine alternative Bauweise ist ein Parabolrinnenkraftwerk. Es besteht aus gewölbten Spiegeln, die das Sonnenlicht auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr bündeln. Die Länge solcher Kollektoren liegt je nach Bautyp zwischen 20 und 150 Metern. In den Absorberrohren wird die konzentrierte Sonnenstrahlung in Wärme umgesetzt und an ein zirkulierendes Wärmeträgermedium abgegeben. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Wie funktioniert ein Sonnenkollektor? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

2) → Wie arbeitet ein Solarkraftwerk? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

3) → Solarenergie - Welt der Wunder

4a) → Desertec (Teil 1) - Technologie für Strom aus der Wüste

4b) → Desertec (Teil 2) - ein neues Netz für Europa

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Aufgaben:

1. Wir unterscheiden die „direkte“ und die „indirekte“ Nutzung der Sonnenenergie. 
      a) Was ist der Unterschied?
      b) Welche Vor- und Nachteile hat die „direkte“ und die „indirekte“ Nutzung?
2. Wie funktioniert ein Sonnenkollektor?
3. Können wir als einzelne Person oder Familie auch Solarthermie nutzen, oder benötigt man dafür große Kraftwerke? Begründe deine Antwort.
4. Erläutere die Funktionsweise eines Solarkraftwerks.

Wärmekraftmaschinen

Allgemein wandelt eine Kraftmaschine eine Energieform wie beispielsweise chemische, thermische oder elektrische Energie in mechanische Energie um. Sie stellte die für den Antrieb einer arbeitenden Maschine erforderliche mechanische Energie zur Verfügung. Der Begriff Kraftmaschine stammt aus der Zeit, als die Begriffe Kraft und Energie noch gleichbedeutend verwendet wurden (Heute ist die Bedeutung dieser beiden Begriffe deutlich voneinander abzugrenzen!).
Eine Wärmekraftmaschine ist eine spezielle Kraftmaschine, die Wärme in mechanische Energie umwandelt. Sie nutzt dabei das Bestreben der Wärme aus, von Gebieten mit höheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen zu fließen. Beispiele sind Dampfmaschine, Dampfturbine und alle Verbrennungsmotoren.

Aber auch der umgekehrte Prozess ist in vielen Bereichen unseres Alltags (Heizungsanlage, Kühlschrank) wichtig: Eine Maschine, die unter Einsatz mechanischer Energie Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres transportiert wird dagegen als Kraftwärmemaschine, Wärmepumpe oder Kältemaschine bezeichnet.

Als Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wird der Anteil der Energie bezeichnet, der in die nutzbare mechanische Energie umgewandelt wird. Das ist der Anteil der Energie der für uns dann also wirklich verfügbar ist.

Beispiele:

Verbrennungsmotor:  In der Praxis erreichen unter optimalen Bedingungen Ottomotoren 38 %, Dieselmotoren 45 % und langsam laufende Schiffsdieselmotoren 50 % Wirkungsgrad.

GuD-Kraftwerk: Bei einem „GuD-Kraftwerk“ wird die Kombination eines Gasturbinenprozesses mit einem Dampfkraftwerk genutzt. In einer Wärmekraftmaschine können also verschiedene Prozesse zur Umwandlung der Energie genutzt werden. In einem ersten Schritt kommt eine Gasturbine zum Einsatz. Gasturbinen arbeiten mit Turbineneintrittstemperaturen von 1300 °C bis 1400 °C und Abgastemperaturen von 800 °C bis 600 °C. Hier verbleibt also noch viel Wärmeenergie die dann anschließend in einer Dampfturbine ebenfalls in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Dampfturbinen arbeiten mit Höchsttemperaturen von 600 °C bis 700 °C und Endtemperaturen von 130 °C. Deshalb werden Dampfturbinen und Gasturbinen kombiniert eingesetzt und erhöhen dadurch den Anteil der nutzbaren Energie (Wirkungsgrad). 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Kurz und Knapp | Wie funktioniert eine Turbine? Heißer Dampf wird zu Strom!

2) → Wirkungsgrad | Grundbegriffe | Begriffserklärung

3) → GUD Kraftwerke Funktionsweise Gas- und Dampfturbinenkraftwerk

4) → Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk Stadtwerke Leipzig (3D-Computeranimation)

5) → So funktioniert Kraft-Wärme-Kopplung

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Photovoltaik

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, mittels Solarzellen in elektrische Energie. Der Begriff Photovoltaik leitet sich aus dem griechischen Wort für „Licht“ (phos) sowie aus der Einheit für die elektrische Spannung, dem Volt (nach Alessandro Volta) ab. 

Seit 1958 wird die Photovoltaik in der Raumfahrt genutzt, später diente sie auch zur Energieversorgung einzelner elektrischer Geräte wie Taschenrechnern oder Parkscheinautomaten. Heute ist mit großem Abstand die netzgebundene Erzeugung elektrischer Energie auf Dachflächen und als Freiflächenanlage das wichtigste Anwendungsgebiet, um konventionelle Kraftwerke zu ersetzen. Prognosen gehen davon aus, dass Photovoltaik-Technologie gemeinsam mit Windkraftanlagen die „Arbeitspferde“ der Energiewende sein werden. In Deutschland liegen die Kosten, welche für die Energieumwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom notwendig sind („Stromgestehungskosten“), von neu errichteten Photovoltaik-Großanlagen seit 2018 niedriger als bei allen anderen fossilen oder erneuerbaren Energien. Durch die Ukraine-Krise und die dadurch bewirkte Energiekrise ergeben sich allerdings seit 2022 völlig neue Rahmenbedingungen die auch auf die Energiewende großen Einfluss haben.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Solarzellen

Eine Solarzelle (fachsprachlich auch photovoltaische Zelle genannt) ist ein elektrisches Bauelement, das Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandelt. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt (Dabei wird ein Elektron aus einer Bindung – z. B. in einem Atom – gelöst, indem Licht ab-sorbiert wird). Wirkungsgrade von Solarzellen liegen in praktischen Anwendungen um und unter 25 %. 

Die Herstellung von Solarzellen ist ein chemischer Prozess, bei dem gasförmige, flüssige und feste Chemikalien zum Einsatz kommen, die gesundheits- und umweltschädlich sind. Aus diesem Grund ist ein hoher Standard der Prozesssicherheit zentral. Unter Arbeitsschutzaspekten ist eine sichere Ablufterfassung und -reinigung zu gewährleisten.
Es existieren viele verschiedene Zelltypen, die sowohl nach dem verwendeten Material als auch nach der Herstellungstechnologie unterschieden werden können. Das wichtigste Material ist Silicium, aus dem im Jahr 2013 etwa 90 % aller weltweit hergestellten Solarzellen gefertigt wurden. Silicium kommt in der Natur als Siliciumoxid (Quarz, Sand) oder Silicat vor und steht in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung. Durch Reihenschaltung von mehreren Solarzellen und abschließende Kapselung entstehen die zur Energieerzeugung verwendeten Solarmodule. 
Manchmal werden auch Elemente eines Sonnenkollektors umgangssprachlich fälschlicherweise als Solarzelle bezeichnet. Sie erzeugen aber keinen elektrischen Strom, sondern Prozesswärme und speichern ihre Energie in einem Warmwasserspeicher.

Entsorgung: Eine vom Bundeswirtschaftsministerium in Auftrag gegebene Studie schätzt, dass durch Photovoltaik bis zum Jahr 2016 etwa 11.000 Tonnen bzw. 800 Tonnen der giftigen Schwermetalle Blei und Cadmium in Verkehr gebracht wurden. Eine staatliche Richtlinie verpflichtet die Hersteller zur Rücknahme und gibt als Ziel eine Sammelquote von 85 % vor. Durch ein Recycling soll auch der Verlust wertvoller Rohstoffe reduziert werden.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Sonnenenergie - total phänomenal | Planet Schule

2) → Wie funktioniert eine Solarzelle?

3) → Wie funktionieren Solarzellen?

4) → Entscheidungshilfe: Solar oder PV?

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Aufgaben:

1. Was bedeutet „Photovoltaik“?
2. Woher kommt der Name „Photovoltaik“?
3. Wann und wo lag der erste Einsatzbereich der Photovoltaik?
4. Warum ist die Photovoltaik eine „indirekte“ Nutzung der regenerativen Energien?
5. Welche Materialien werden zur Herstellung von Solarzellen benötigt?
6. Was bedeutet „n-dotiert“?
7. Was ist eine „Raumladungszone“?
8. Was passiert, wenn Licht auf die Solarzelle trifft?

Windenergie (1)

Die Windenergie (oder Windkraft) ist die großtechnische Nutzung des Windes als erneuerbare Energiequelle. Die Bewegungsenergie des Windes wird seit dem Altertum genutzt, um Energie aus der Umwelt für technische Zwecke verfügbar zu machen. In der Vergangenheit wurde die mit Windmühlen verfügbar gemachte mechanische Energie direkt vor Ort genutzt um Maschinen und Vorrichtungen anzutreiben. Mit ihrer Hilfe wurde Korn zu Mehl gemahlen, Grundwasser an die Erdoberfläche gefördert, oder Sägewerke betrieben. Heute ist die Erzeugung von elektrischer Energie mit Windkraftanlagen die mit großem Abstand wichtigste Nutzung.

2020 lieferten die weltweit installierten Anlagen nach Zahlen von BP etwa 5,9 % der weltweiten Stromproduktion. Auf guten Standorten waren die Stromgestehungskosten von Windkraftanlagen bereits 2013 günstiger als die Stromgestehungskosten neuer Kohle- und Kernkraftwerke. 

Stromerzeugung durch Windenergie

Die Windenergie gilt aufgrund ihrer weltweiten Verfügbarkeit, ihrer niedrigen Kosten sowie ihres technologischen Entwicklungsstandes als eine der vielversprechendsten regenerativen Energiequellen. Sie spielt, auch aufgrund technologischer Fortschritte sowie der wirtschaftlichen Konkurrenzfähigkeit in vielen Märkten weltweit, eine zentrale Rolle in der Energiepolitik und den Energiestrategien in einer wachsenden Anzahl von Staaten der Erde.
Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und allen Landstandorten (Küste, Binnenland, Gebirge) zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Häufig wird nur zwischen der Windenergienutzung an Land (onshore) und der Nutzung auf See in Offshore-Windparks unterschieden. Bisher ist vor allem die Windenergie an Land von Bedeutung, während die Offshore-Windenergie global gesehen mit einem Anteil von ca. 3,5 % an der installierten Leistung bisher noch ein Nischendasein fristet. Auch langfristig wird mit einer Dominanz des Onshore-Sektors gerechnet, allerdings mit steigendem Anteil der Offshore-Installationen.
Die im Jahr 2017 in Deutschland auf Land installierten rund 29.000 Windkraftanlagen benötigten eine Fläche von etwa 1800 km², das entspricht 0,5 % der Landesfläche. Die Anlagen erzeugten im Jahr 2020 18,7 Prozent des „Stromverbrauchs“ („Bruttostromverbrauch“ = insgesamt erzeugte elektrische Energie).

Gesellschaftliche Akzeptanz

Eine große Mehrheit der Bevölkerung befürwortet die Windenergienutzung, auch in Regionen noch ohne Windkraftanlagen, wie Umfragen international belegen. In der Vergangenheit gründeten sich trotzdem gelegentlich Bürgerinitiativen gegen geplante Projekte. Gründe sind beispielsweise: Geräuschentwicklung, Sichtbehinderungen, Beeinträchtigungen der Tierwelt, Wertverlust der Immobilien.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Windenergie (2) 

Eine Windkraftanlage (oder Windenergieanlage) wandelt die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie um und speist sie in ein Stromnetz ein. Umgangssprachlich werden auch die Bezeichnungen Windkraftwerk oder einfach nur Windrad verwendet. Windkraftanlagen sind heute mit Abstand die wichtigste Form der Windenergienutzung. Die mit großem Abstand dominierende Bauform ist der dreiblättrige Auftriebsläufer mit horizontaler Achse und Rotor auf der Luvseite (Mit Luv wird die dem Wind zugewandte Seite bezeichnet). Das Maschinengehäuse ist auf einem rohrförmigen Turm montiert und wird samt Rotor der Windrichtung mit einem Motor nachgeführt. Eine Gruppe von Windkraftanlagen wird Windpark genannt. Kleinanlagen im Leistungsbereich von wenigen 100 Watt bis zu mehreren kW (Kilowatt) werden als Windgeneratoren bezeichnet. Diese können auch als einzelne Anlage wirtschaftlich sein. 

Bauformen

Je nach aerodynamischen Prinzip (die „Aerodynamik“ beschreibt die Strömungslehre in Luft), das zur Erzeugung der Drehbewegung genutzt wird, unterscheiden wir unterschiedliche Bauformen bei den Windkraftanlagen. 

Savonius-Rotor

Dieser Rotor besteht aus zwei (oder auch mehreren) schaufelförmigen Teilen. Der Wind kann an der schaufelförmigen Rückseite leichter das Hindernis überwinden. Auf der Seite der Schaufelöffnung ist der Windwiderstand größer. Der Wind bewirkt dadurch eine Drehung des Windrades. Die Rotationsachse ist hierbei vertikal ausgerichtet. Die Funktion des Windrades ist deshalb von der Windrichtung unabhängig, allerdings kann der Rotor dadurch nicht „aus den Wind“ gedreht werden. Der Wirkungsgrad dieser Bauform liegt bei bis zu 23%. Das Windrad funktioniert schon bei geringen Windgeschwindigkeiten.

Darrieus-Rotor

Auch diese Bauform hat eine vertikal ausgerichtete Rotationsachse und ist deshalb unabhängig von der Windrichtung. Der Wirkungsgrad wird mit bis zu 38% angegeben. Die Form der drei Rotorbauteile ähnelt im Querschnitt der Tragflächen eines Flugzeugs (Querverweis: siehe Themenseite Luftfahrt). Dadurch strömt der Wind in einer speziellen Weise um dies Bauteile und bewirkt dann die Rotation des Rotors. 

Horizontalachsen-Rotor (Propeller-Rotor)

Die bekannteste Ausführungsform einer Windkraftanlage ist der Horizontalachsen-Rotor. Schon bei Windmühlen wurde früher dieses Prinzip verwendet. Im Vergleich zu anderen Bauformen erreicht man mit diesem Konstruktionsprinzip den größten Wirkungsgrad (bis zu ca. 45%). Die Leistung kann hierbei durch verstellbare Rotorblätter eingestellt werden. Die Rotationsachse des Rotors ist horizontal ausgerichtet. Das hat den Vorteil, dass der Rotor bei Bedarf aus der Windrichtung gedreht werden kann. Dies ist manchmal notwendig, um beispielsweise das elektrische Netz nicht zu überlasten oder bei problematischen Wetterbedingungen Zerstörungen zu verhindern. 

Im Bestreben nach immer niedrigeren Stromgestehungskosten wurden die Windkraftanlagen im Laufe der Entwicklung sukzessive größer:

(Der Umriss einiger Windkraftanlagenmodelle der Firma Enercon aufgetragen gegen den Zeitpunkt ihrer Einführung.)

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Windenergie und Wasserkraft - total phänomenal | Planet Schule [15:04]

2) → Vertikale Kleinwindanlagen: Technik & aktuelle Marktlage [28:52]

3) → N-TV Fernsehen: Besuch in der SkyWind-Fabrik und beim Kundenprojekt in Hildesheim (2022) [06:07]

4) → Windanlage für Steckdose zur Einspeisung ins Hausnetz: Geht das? [10:21]

5) → Windenergie einfach erklärt | Welt der Zukunft | Doku [53:04]

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Aufgaben:

1. Windenergie wurde früher schon „direkt“ genutzt, heute hingegen führen die Windkraftanlagen meistens zu einer „indirekten Nutzung“ der Energie. Was bedeutet das? Erläutere.
2. Windenergie gilt als eine der vielversprechendsten regenerativen Energiequellen. Warum ist das so?
3. Was versteht man unter „onshore“ und „offshore“? 
4. Energiegewinnung durch Windkraft ist eine wirksame Maßnahme gegen den Klimawandel und zur Bereitstellung von umweltfreundlicher Energie, trotzdem führt es auch immer wieder zu Demonstrationen und Bürgerbewegungen gegen geplante Projekte. Warum ist das so?
5. Drei Bauformen von Windkraftanlagen haben wir kennengelernt, welche sind das?
6. Welche Bauform wird für die meisten Windkraftwerke eingesetzt und was sind zwei wichtige Gründe dafür?

Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung des 1. FC Kaiserslautern

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Die Abbildung zum Parabolrinnenkollektor wurde von Andreas Rueff übernommen.Creative Commons CC-BY-SA 2.5 Unported (Kurzfassung). Bei Wikipedia sind weitere Informationen zum Urheber verfügbar.

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Dieser Text basiert auf den Artikeln Photovoltaik, Solarzelle und Photoelektrischer Effekt aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

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Dieser Text basiert auf den Artikeln Windkraftanlage#Bauformen und Aerodynamik aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Die Abbildungen sind vom Deutschen Museum im München zur Veröffentlichung freigegeben worden.
Die Abbildung zu den Größenverhältnissen der Windkraftanlagen ist aus der Wikipedia entnommen und von mir (A.Rueff) bearbeitet worden, sie gilt als gemeinfrei. Datei:EnerconSizes de.svg

Hintergrundbild: Bild von Bruno /Germany auf Pixabay (windmill-gd82792f23)